Зымыран-қозғалтқыштардың артындағы ғарышты игерудің жаңа дәуірі

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

NASA мен Илон Маск Марсты армандайды, ал басқарылатын терең ғарыштық миссиялар жақын арада шындыққа айналады. Сіз таң қалатын шығарсыз, бірақ қазіргі зымырандар бұрынғы зымырандарға қарағанда сәл жылдамырақ ұшады.

Жылдам ғарыш кемелері әртүрлі себептерге байланысты ыңғайлырақ және жеделдетудің ең жақсы жолы - ядролық зымырандар. Олардың кәдімгі отынмен жұмыс істейтін зымырандармен немесе күннен қуат алатын заманауи электрлік зымырандардан көптеген артықшылықтары бар, бірақ соңғы 40 жылда Америка Құрама Штаттары тек сегіз ядролық зымыран ұшырды.

Алайда, өткен жылы ядролық ғарыштық саяхатқа қатысты заңдар өзгерді, зымырандардың келесі буынын жасау жұмыстары басталып кетті.

Жылдамдық не үшін қажет?

Кез келген ғарышқа ұшудың бірінші кезеңінде зымыран тасығыш қажет - ол кемені орбитаға шығарады. Бұл үлкен қозғалтқыштар жанғыш отынмен жұмыс істейді - және әдетте зымырандарды ұшыруға келгенде, олар білдіреді. Олар жақын арада ешқайда кетпейді - ауырлық күші сияқты.

Бірақ кеме ғарышқа шыққанда, бәрі қызық болады. Жердің тартылыс күшін жеңіп, терең кеңістікке шығу үшін кемеге қосымша жеделдету қажет. Дәл осы жерде ядролық жүйелер пайда болады. Егер ғарышкерлер Айдан тыс немесе одан да көп Марсты зерттегісі келсе, олар асығуы керек. Ғарыш орасан зор, ал қашықтықтары өте үлкен.

Жылдам зымырандардың ұзақ қашықтыққа ғарыштық сапарларға қолайлы болуының екі себебі бар: қауіпсіздік және уақыт.

Марсқа барар жолда ғарышкерлер радиацияның өте жоғары деңгейімен бетпе-бет келіп, денсаулығының ауыр проблемаларына, соның ішінде қатерлі ісік пен бедеулікке ұшырайды. Радиациялық қорғаныс көмектесе алады, бірақ ол өте ауыр және миссия неғұрлым ұзақ болса, соғұрлым күшті қорғаныс қажет болады. Сондықтан, сәулелену дозасын азайтудың ең жақсы жолы - межелі жерге тезірек жету.

Бірақ экипаждың қауіпсіздігі жалғыз артықшылық емес. Біз неғұрлым алыс ұшуларды жоспарлайтын болсақ, соғұрлым бізге ұшқышсыз миссиялардың деректері қажет болады. Вояжер 2-ге Нептунға жету үшін 12 жыл қажет болды - және ол ұшып бара жатқанда, ол керемет суреттерді түсірді. Егер Вояжердің қозғалтқышы күштірек болса, бұл фотосуреттер мен деректер астрономдарда әлдеқайда ертерек пайда болар еді.

Сондықтан жылдамдық - артықшылық. Бірақ ядролық жүйелер неге жылдамырақ?

Қазіргі жүйелер

Ауырлық күшін жеңген кеме үш маңызды аспектіні қарастыруы керек.

Тарту- кеме қандай үдеу алады.

Салмақ тиімділігі- белгілі бір мөлшердегі отын үшін жүйе қанша күш бере алады.

Меншікті энергия шығыны- берілген отын мөлшері қанша энергия бөледі.

Бүгінгі таңда ең көп таралған химиялық қозғалтқыштар әдеттегі отынмен жұмыс істейтін зымырандар және күн энергиясымен жұмыс істейтін электрлік зымырандар.

Химиялық қозғаушы жүйелер көп күш береді, бірақ әсіресе тиімді емес, ал зымыран отыны энергияны көп қажет етпейді. Ғарышкерлерді Айға апарған «Сатурн 5» зымыран тасығышы ұшқанда 35 миллион Ньютон күш беріп, 950 000 галлон (4 318 787 литр) жанармай тасымалдады. Оның көп бөлігі зымыранды орбитаға шығаруға кетті, сондықтан шектеулер анық: қайда барсаңыз да, сізге көп ауыр отын қажет.

Электр қозғалтқыш жүйелері күн панельдерінен электр қуатын пайдалана отырып, қысым жасайды. Бұған қол жеткізудің ең кең тараған жолы иондарды жеделдету үшін электр өрісін пайдалану болып табылады, мысалы, Холл индукциялық итергішіндегідей. Бұл құрылғылар спутниктерді қуаттандыру үшін пайдаланылады және олардың салмақ тиімділігі химиялық жүйелерге қарағанда бес есе көп. Бірақ сонымен бірге олар әлдеқайда аз күш береді - шамамен 3 Ньютон. Бұл көлікті сағатына 0-ден 100 шақырымға дейін шамамен екі жарым сағатта жеделдету үшін жеткілікті. Күн – түбі жоқ энергия көзі, бірақ кеме одан алыстаған сайын оның пайдалылығы азаяды.

Ядролық зымырандардың ерекше перспективалы болуының себептерінің бірі - олардың керемет энергия сыйымдылығы. Ядролық реакторларда қолданылатын уран отынының энергия мөлшері әдеттегі химиялық зымыран отыны гидразиннен 4 миллион есе көп. Жүздеген мың галлон отынға қарағанда, ғарышқа біраз уранды жеткізу әлдеқайда оңай.

Тарту және салмақ тиімділігі туралы не деуге болады?

Екі ядролық нұсқа

Ғарышқа саяхат жасау үшін инженерлер ядролық жүйелердің екі негізгі түрін жасады.

Біріншісі - термоядролық қозғалтқыш. Бұл жүйелер өте қуатты және жоғары тиімді. Олар газды (сутегі сияқты) қыздыру үшін атомдық сүңгуір қайықтардағы сияқты шағын ядролық бөліну реакторын пайдаланады. Содан кейін бұл газ итеруді қамтамасыз ету үшін зымыран шүмегінен жылдамдатылады. NASA инженерлері Марсқа термоядролық қозғалтқышты пайдаланып саяхат химиялық қозғалтқышы бар зымыранға қарағанда 20-25% жылдамырақ болатынын есептеді.

Фьюжн қозғалтқыштары химиялық қозғалтқыштарға қарағанда екі есе тиімді. Бұл олардың бірдей мөлшердегі отын үшін екі есе көп күш беретінін білдіреді - 100 000 Ньютонға дейін. Бұл машинаны секундына төрттен бір сағатта сағатына 100 шақырым жылдамдыққа жеткізу үшін жеткілікті.

Екінші жүйе – ядролық электрлік зымыран қозғалтқышы (NEPE). Олардың ешқайсысы әлі жасалмаған, бірақ идея электр энергиясын өндіру үшін қуатты бөліну реакторын пайдалану болып табылады, содан кейін ол Холл қозғалтқышы сияқты электр қозғалтқыш жүйесін қуаттайды. Бұл өте тиімді болар еді - термоядролық қозғалтқышқа қарағанда шамамен үш есе тиімді. Ядролық реактордың қуаты орасан зор болғандықтан, бірнеше бөлек электр қозғалтқыштары бір уақытта жұмыс істей алады, ал итеру күші қатты болып шығады.

Ядролық зымыран қозғалтқыштары өте ұзақ қашықтықтағы миссиялар үшін ең жақсы таңдау болуы мүмкін: олар күн энергиясын қажет етпейді, өте тиімді және салыстырмалы түрде жоғары күш береді. Бірақ олардың барлық перспективалық сипатына қарамастан, атом электр қозғалтқышы жүйесінде әлі де көптеген техникалық мәселелер бар, оларды іске қосу алдында шешуге тура келеді.

Неліктен әлі күнге дейін ядролық зымырандар жоқ?

Термоядролық қозғалтқыштар 1960 жылдардан бері зерттеле бастады, бірақ олар әлі ғарышқа ұшқан жоқ.

1970 жылдардағы жарғы бойынша әрбір ядролық ғарыш жобасы бөлек қарастырылып, бірқатар мемлекеттік органдар мен президенттің өзі мақұлдамайынша одан әрі қарай жүре алмайтын. Ядролық зымыран жүйелерін зерттеуді қаржыландырудың жетіспеушілігімен бірге бұл ғарышта пайдалану үшін ядролық реакторларды одан әрі дамытуға кедергі келтірді.

Бірақ бәрі 2019 жылдың тамызында Трамп әкімшілігі президенттік меморандум шығарған кезде өзгерді. Ядролық ұшырулардың максималды қауіпсіздігін талап ете отырып, жаңа директива әлі де күрделі ведомствоаралық мақұлдаусыз радиоактивті материалдың аз мөлшері бар ядролық миссияларға рұқсат береді. Миссияның қауіпсіздік бойынша ұсыныстарға сәйкестігін NASA сияқты демеуші агенттіктің растауы жеткілікті. Ірі ядролық миссиялар бұрынғыдай процедуралардан өтеді.

Осы ережелерді қайта қараумен қатар NASA термоядролық қозғалтқыштарды дамытуға 2019 жылғы бюджеттен 100 миллион доллар алды. Қорғаныстағы жетілдірілген зерттеу жобалары агенттігі сонымен қатар Жер орбитасынан тыс ұлттық қауіпсіздік операциялары үшін термоядролық ғарыш қозғалтқышын әзірлеуде.

60 жылға созылған тоқыраудан кейін он жылдың ішінде ғарышқа ядролық зымыран ұшып кетуі әбден мүмкін. Бұл керемет жетістік ғарышты игерудің жаңа дәуірін бастайды. Адам Марсқа барады, ал ғылыми тәжірибелер бүкіл Күн жүйесінде және одан тыс жерлерде жаңа ашылуларға әкеледі.