В борьбе за преодоление «конденсационного порога» ученым-аэродинамикам пришлось отказаться от применения расширяющегося сопла. Были созданы сверхзвуковые аэродинамические трубы принципиально нового типа. На входе в такую трубу ставится баллон высокого давления, который отделяется от нее тонкой пластинкой - диафрагмой. На выходе труба соединяется с вакуумной камерой, в результате чего в трубе создается высокое разрежение.
Если прорвать диафрагму, например резким увеличением давления в баллоне, то поток газа устремится по трубе в разреженное пространство вакуумной камеры, предшествуемый мощной ударной волной. Поэтому установки эти получили название ударных аэродинамических труб.
Как и для трубы баллонного типа, время действия ударных аэродинамических труб очень невелико и составляет всего несколько тысячных долей секунды. Для проведения необходимых измерений за столь короткое время приходится использовать сложные быстродействующие электронные приборы.
Ударная волна перемещается в трубе с очень большой скоростью и без специального сопла. В созданных за рубежом аэродинамических трубах удалось получить скорости воздушного потока до 5200 метров в секунду при температуре самого потока в 20 000 градусов. При таких высоких температурах скорость звука в газе тоже увеличивается, и намного. Поэтому, несмотря на большую скорость воздушного потока, ее превышение над скоростью звука оказывается незначительным. Газ движется с большой абсолютной скоростью и с небольшой скоростью относительно звука.
Чтобы воспроизвести большие сверхзвуковые скорости полета, необходимо было или еще больше увеличить скорость воздушного потока, или же снизить скорость звука в нем, то есть уменьшить температуру воздуха. И тут аэродинамики снова вспомнили о расширяющемся сопле: ведь с его помощью можно сделать и то и другое одновременно - оно разгоняет поток газа и в то же время охлаждает его. Расширяющееся сверхзвуковое сопло в этом случае оказалось тем ружьем, из которого аэродинамики убили сразу двух зайцев. В ударных трубах с таким соплом удалось получить скорости воздушного потока, в 16 раз превышающие скорость звука.
СО СКОРОСТЬЮ СПУТНИКА
Резко увеличить давление в баллоне ударной трубы и тем самым прорвать диафрагму можно различными способами. Например, как это делают в США, где применяется мощный электрический разряд.
В трубе на входе ставится баллон высокого давления, отделенный от остальной части диафрагмой. За баллоном располагается расширяющееся сопло. Перед началом испытаний давление в баллоне увеличилось до 35-140 атмосфер, а в вакуумной камере, на выходе из трубы, понижалось до миллионной доли атмосферного давления. Затем в баллоне производился сверхмощный разряд электрической дуги силой тока в миллион ! Искусственная молния в аэродинамической трубе резко увеличивала давление и температуру газа в баллоне, диафрагма мгновенно испарялась и поток воздуха устремлялся в вакуумную камеру.
В течение одной десятой секунды можно было воспроизвести скорость полета около 52 000 километров в час, или 14,4 километра в секунду! Таким образом, в лабораториях удалось преодолеть и первую и вторую космические скорости.
С этого момента аэродинамические трубы стали надежным подспорьем не только для авиации, но и для ракетной техники. Они позволяют решить целый ряд вопросов современного и будущего космоплавания. С их помощью можно испытать модели ракет, искусственных спутников Земли и космические корабли, воспроизводя тот участок их полета, который они проходят в пределах планетной атмосферы.
Но достигнутые скорости должны находиться лишь в самом начале шкалы воображаемого космического спидометра. Их освоение - это только первый шаг на пути создания новой отрасли науки - космической аэродинамики, которая была вызвана к жизни потребностями бурно развивающейся ракетной техники. И уже имеются новые значительные успехи в деле дальнейшего освоения космических скоростей.
Поскольку при электрическом разряде воздух в некоторой степени ионизируется, то можно попытаться в той же ударной трубе использовать электромагнитные поля для дополнительного ускорения получающейся воздушной плазмы. Эта возможность была осуществлена практически в другой, сконструированной в США ударной гидромагнитной трубе небольшого диаметра, в которой скорость движения ударной волны достигла 44,7 километра в секунду! О такой скорости движения пока что могут только мечтать конструкторы космических аппаратов.
Несомненно, что дальнейшие успехи науки и техники откроют более широкие возможности перед аэродинамикой будущего. Уже сейчас в аэродинамических лабораториях начинают использоваться современные физические установки, например установки с высокоскоростными струями плазмы. Для воспроизведения полета фотонных ракет в межзвездной разреженной среде и для изучения прохождения космических кораблей сквозь скопления межзвездного газа придется использовать достижения техники ускорения ядерных частиц.
И, очевидно, еще задолго до того, как первые звездолеты покинут пределы , их миниатюрные копии уже не один раз испытают в аэродинамических трубах все тяготы далекого пути к звездам.
P. S. О чем еще думают британские ученные: впрочем космическая скорость бывает далеко не только в научных лабораториях. Так, скажем если вас интересует создание сайтов в Саратове — http://galsweb.ru/ , то здесь вам его создадут с поистине космической скоростью.
Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?
Изучая данные полученные с телескопа «Кеплер» астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.
Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.
Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.
Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.
Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.
Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.
Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.
Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг
Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 4 и 2 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.
Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млн топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.
Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.
Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?
Полет длинною в жизнь
Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.
Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.
Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри вращающегося обода.
К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.
Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.
В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.
Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.
Замороженный сон
Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.
К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.
Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.
Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.
Полет на водороде
В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.
Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.
К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.
Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.
Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».
Антиматерия в помощь
Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.
Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу.
В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.
Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.
Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.
Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.
Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.
Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.
Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.
Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.
Одним из величайших достояний человечества является международная космическая станция, или МКС. Для ее создания и работы на орбите объединилось несколько государств: Россия, некоторые страны Европы, Канада, Япония и США. Этот аппарат свидетельствует о том, что можно добиться многого, если постоянно сотрудничать странам. Об этой станции знают все люди планеты и многие задаются вопросами о том, на какой высоте летает МКС и по какой орбите. Сколько космонавтов там побывало? А правда ли, что туда пускают туристов? И это далеко не все, что интересно человечеству.
Строение станции
МКС состоит из четырнадцати модулей, в которых располагаются лаборатории, склады, комнаты отдыха, спальни, хозпомещения. На станции даже имеется спортзал с тренажерами. Весь этот комплекс работает на солнечных батареях. Они огромны, величиной со стадион.
Факты об МКС
За время своей работы станция вызывала немало восхищений. Этот аппарат является величайшим достижением человеческих умов. По своей конструкции, назначению и особенностям его можно назвать совершенством. Конечно, может быть, лет через 100 на Земле начнут строить космические корабли другого плана, но пока что, на сегодняшний день, этот аппарат - достояние человечества. Об этом свидетельствуют следующие факты об МКС:
- За время своего ее существования на МКС космонавтов побывало около двухсот. Также здесь были туристы, которые просто прилетели посмотреть на Вселенную с орбитальной высоты.
- Станцию видно с Земли невооруженным глазом. Эта конструкция является самой большой среди искусственных спутников, и ее легко можно увидеть с поверхности планеты без какого-то увеличивающего устройства. Есть карты, на которых можно посмотреть, в какое время и когда аппарат пролетает над городами. По ним легко отыскать сведения о своем населенном пункте: увидеть расписание полета над регионом.
- Для сборки станции и поддержания ее в рабочем состоянии космонавты вышли более 150 раз в открытый космос, проведя там около тысячи часов.
- Управляется аппарат шестью астронавтами. Система жизнеобеспечения обеспечивает непрерывное присутствие на станции людей с момента ее первого запуска.
- Международная космическая станция - это уникальное место, где проводятся самые разные лабораторные эксперименты. Ученые делают уникальные открытия в области медицины, биологии, химии и физики, физиологии и метеонаблюдений, а также в других областях науки.
- На аппарате используются гигантские солнечные батареи, размер которых достигает площади территории футбольного поля с его конечными зонами. Их вес - почти триста тысяч килограмм.
- Батареи способны полностью обеспечивать работу станции. За их работой тщательно следят.
- На станции есть мини-дом, оснащенный двумя ванными и спортзалом.
- За полетом следят с Земли. Для контроля разработаны программы, состоящие из миллионов строк кода.
Космонавты
С декабря 2017 года экипаж МКС состоит из следующих астрономов и космонавтов:
- Антон Шкаплеров - командир МКС-55. Он дважды был на станции - в 2011-2012 и в 2014-2015 гг. За 2 полета он прожил на станции 364 дня.
- Скит Тингл - бортинженер, астронавт НАСА. Этот космонавт не имеет опыта космических полетов.
- Норишиге Канаи - бортинженер, астронавт Японии.
- Александр Мисуркин. Первый его полет был совершен в 2013 году длительностью 166 суток.
- Макр Ванде Хай не имеет опыта полетов.
- Джозеф Акаба. Первый полет совершил в 2009 году в составе «Дискавери», а второй полет был осуществлен в 2012 году.
Земля из космоса
Из космоса на Землю открываются уникальные виды. Об этом свидетельствуют фотографии, видеосъемки астронавтов и космонавтов. Увидеть работу станции, космические пейзажи можно, если посмотреть онлайн-трансляции со станции МКС. Однако некоторые камеры бывают выключенными, что связано с техработами.
От вертолётов и космических кораблей до элементарных частиц - перед вами 25 самых быстрых вещей в мире.
25. Самый быстрый поезд
Японский поезд JR-Maglev развил скорость, превышающую 581 километров в час при помощи магнитной левитации.
24. Самые быстрые американские горки
Формула Росса (Formula Rossa), недавно построенная в Дубае, позволяет искателям приключений развить скорость в 240 километров в час.
23. Самый быстрый лифт
Лифты в башни Тайбэй (Taipei Tower) в Тайване перевозят людей вниз и вверх на скорости в 60 километров в час.
22. Самый быстрый серийный автомобиль
Бугатти Вейрон ЕВ 16.4 (Bugatti Veyron EB 16.4), разгоняющаяся до 430 километров в час, является самой быстрой в мире машиной, допущенной к эксплуатации на дорогах общего пользования.
21. Самый быстрый несерийный автомобиль
15 октября 1997 года автомобиль с ракетной тягой Thrust SSC преодолел звуковой барьер в пустыне Невада.
20. Самый быстрый пилотируемый самолёт
X-15 военно-воздушных сил США не только разгоняется до впечатляющей скорости (7270 километров в час), но и поднимается настолько высоко, что несколько его пилотов получили «крылья» астронавтов от НАСА.
19. Самый быстрый торнадо
Торнадо, случившийся неподалёку от города Оклахома, был самым быстрым в плане скорости ветра, достигавшей 480 километров в час.
18. Самый быстрый мужчина
В 2009 году спринтер из Ямайки Усэйн Болт (Usain Bolt) установил мировой рекорд на дистанции в 100 метров, пробежав её за 9,58 секунды.
17. Самая быстрая женщина
В 1988 году американка Флоренс Гриффит-Джойнер (Florenc Griffith-Joyner) пробежала 100-метровку за 10,49 секунды - рекорд, который до сих пор никто не побил.
16. Самое быстрое наземное животное
Помимо того, что гепарды быстро бегают (120 километров в час), они ещё и способны разгоняться быстрее большинства серийных автомобилей (от 0 до 100 километров в час за 3 секунды).
15. Самая быстрая рыба
Отдельные особи вида парусник могут разгоняться до 112 километров в час.
14. Самая быстрая птица
Сапсан это также самое быстрое животное в мире в целом и может превышать скорость в 325 километров в час.
13. Самый быстрый компьютер
Хотя, скорее всего, этот рекорд уже будет побит к тому моменту, когда вы будете читать статью, Млечный Путь-2 (Milky Way-2) в Китае является самым быстрым компьютером в мире.
12. Самая быстрая подводная лодка
Рекорды регистрировать в подобных вещах сложно, так как информация о подводных лодках обычно держится в тайне. Однако по некоторым оценкам наибольшую скорость развила советская подводная лодка К-162 в 1969 году. Скорость составляла около 44 узлов.
11. Самый быстрый вертолёт
В июле 2010 года Сикорский Х2 (Sikorsky X2) установил над Уэст-Палм-Бич (West Palm Beach) новый рекорд скорости - 415 километров в час.
10. Самая быстрая лодка
Мировой водный рекорд скорости является официально признанной максимальной скоростью, развитой водным транспортов. На данный момент рекордсменом является Дух Австралии (Spirit of Australia), достигший 511 километров в час.
9. Самый быстрый спорт с ракетками
В бадминтоне волан может достигать скорости более 320 километров в час.
8. Самый быстрый наземный транспорт
Военные ракетные салазки развивают скорость превышающую Мах 8 (9800 километров в час).
7. Самый быстрый космический корабль
В космосе скорость может измеряться только относительно других объектов. Учитывая это, самым быстрым космическим аппаратом, двигающимся от Солнца на скорости 62000 километров в час, является Вояджер-1 (Voyager 1).
6. Самый быстрый едок
Джоуи «Челюсти» Честнат (Joey “Jaws” Chestnut) на данный момент признан Международной Федерацией Соревнований Едоков (International Federation of Competitive Eating) чемпионом мира после того, как он съел 66 хот-догов за 12 минут.
5. Самый быстрый краш-тест
Для определения рейтинга безопасности EuroNCAP обычно проводит свои краш-тесты на скорости в 60 километров в час. Однако, в 2011 году, они решили увеличить скорость до 190 километров в час. Просто для развлечения.
4. Самый быстрый гитарист
Джон Тейлор (John Taylor) установил новый мировой рекорд, идеально сыграв «Полёт Шмеля» на 600 ударах в минуту.
3. Самый быстрый рэпер
No Clue получил титул «самый быстрый рэпер» в Книге Рекордов Гинеса, когда он произнёс 723 слога за 51,27 секунды. За секунду он произносил около 14 слогов.
2. Самая большая скорость
Технически самая большая скорость во Вселенной это скорость света. Однако тут есть несколько оговорок, которые приводят нас к первому пункту…
1. Самая быстрая элементарная частица
Несмотря на то, что это спорное утверждение, учёные из европейского центра ядерных исследований недавно провели эксперименты, в ходе которых мю-мезон нейтрино преодолели дистанцию между Женевой, Швейцария и Гран-Сассо, Италия на несколько наносекунд быстрее света. Однако, на данный момент, фотон всё ещё считается королём скорости.
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.