Ao longo do século XX, os escritores de ficção científica escreveram muito e com talento sobre a exploração espacial. Os heróis de "Chius" deram à humanidade as riquezas do Urânio Golconda, o piloto Pirx trabalhou como capitão de navios espaciais de carga seca, porta-contêineres e graneleiros que percorriam o sistema solar, e nem estou falando sobre todo o misticismo de viajar para monólitos misteriosos.
No entanto, o século 21 não correspondeu às expectativas. A humanidade timidamente fica no corredor do Cosmos, não saindo de forma permanente além da órbita da Terra. Por que isso aconteceu e o que esperar daqueles que gostariam de ler no noticiário sobre o aumento da produção das macieiras marcianas?
Não precisa de violinista
O primeiro paradoxo que encontramos é que os humanos não são o sujeito mais adequado para a exploração espacial. Os escritores de ficção científica que criaram expedições espaciais só podiam contar com a experiência histórica dos pioneiros da Terra - marinheiros, exploradores polares, os primeiros aviadores. Na verdade, como a conquista de Marte difere da conquista do Pólo Sul?
E aqui e ali o ambiente não é adequado para a vida sem uma preparação prévia, você precisa trazer suprimentos e não pode sair do navio ou de casa sem colocar um equipamento especial. Mas os escritores de ficção científica e futuristas não podiam prever o desenvolvimento da eletrônica e da robótica, e os pesquisadores robóticos geralmente eram descritos de forma anedótica:
“Tive que desviar o olhar da carta por meia hora e ouvir as reclamações do meu vizinho, o cibernetista Shcherbakov. Você provavelmente sabe que uma grande planta subterrânea de processamento de urânio e transuraneto está em construção ao norte do lançador de foguetes. As pessoas trabalham seis turnos. Robôs - 24 horas por dia; máquinas maravilhosas, a última palavra em cibernética prática. Mas, como dizem os japoneses, o macaco também cai da árvore. Agora Shcherbakov veio até mim, furioso como o diabo, e disse que uma gangue desses idiotas mecânicos (suas próprias palavras) roubou um dos grandes depósitos de minério esta noite, confundindo-o, obviamente, com um depósito excepcionalmente rico. Os robôs tinham programas diferentes, então pela manhã parte do armazém acabou nos armazéns do lançador de foguetes, parte na entrada do departamento geológico, e parte dele era geralmente desconhecido onde. A busca continua."
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Mas nenhum dos autores famosos adivinhou que um robô na exploração espacial tem muitas vantagens sobre uma pessoa:
Ao contrário de um humano, um robô só precisa de energia e equilíbrio térmico. Não há necessidade de carregar dezenas de toneladas de estufas, alimentos, água, oxigênio, roupas e produtos de higiene, medicamentos e outras coisas com você.
O robô pode ser enviado para um lado sem retornar.
O robô é capaz de trabalhar por anos. A experiência das Voyagers, Mars rovers ou Cassini sugere que agora é mais correto falar não em anos, mas em décadas.
O robô é capaz de trabalhar por anos em condições fatais para os humanos. A sonda Galileo recebeu dose 25 vezes maior que a letal para humanos e depois funcionou em órbita por 8 anos.
Como resultado, descobriu-se que apenas robôs pesando várias toneladas se encaixavam nas capacidades técnicas da humanidade para enviá-los a outros planetas por um dinheiro razoável e se tornou a única maneira de satisfazer a curiosidade científica e obter belas fotografias.
Vivemos em uma curva logística
O segundo erro dos escritores de ficção científica foi prever o desenvolvimento linear ou mesmo exponencial da astronáutica. Embora em 1838 um fenômeno como a curva logística foi descoberto. O que é essa besta terrível? Veja a história da aviação como exemplo:
1900. As primeiras estantes desajeitadas, os primeiros registros - voos por vários quilômetros com um passageiro.
1910. Os primeiros batedores, caças, bombardeiros, correio e aeronaves de passageiros.
1920-1930. Mastering voos noturnos, os primeiros voos transcontinentais.
1940. A aviação é uma força militar e de transporte séria.
1950s. Os motores a jato dão um novo ímpeto ao desenvolvimento da aviação - novas velocidades, alcances e alturas, e ainda mais passageiros.
1960-70. A primeira aeronave de passageiros supersônica e de corpo largo, a aviação é mais acessível.
1980-90. Frenagem. O desenvolvimento está se tornando cada vez mais caro, as empresas de desenvolvimento estão se unindo em empresas gigantes. E os aviões são cada vez mais semelhantes uns aos outros.
2000s. Limite. Os dois gigantes, Boeing e Airbus, fabricam máquinas aparentemente idênticas, e aeronaves supersônicas de passageiros morreram completamente.
Se você traduzir essas conquistas em números, terá a seguinte imagem:
Na astronáutica, a situação é exatamente a mesma:
Para maior clareza, o gráfico da curva S pode ser sobreposto com um gráfico de custos para atingir este nível:
E a tristeza do nosso “hoje” é que na astronáutica com as tecnologias existentes estamos próximos do nível de saturação. Tecnicamente, você pode voar em uma versão tripulada até a Lua e até Marte, mas de alguma forma é uma pena por dinheiro.
Coloque KC - você obterá gravidade
O próximo aspecto triste, desacelerando a corrida para o espaço, é que algo muito valioso ainda não foi descoberto, pelo qual vale a pena gastar dinheiro na exploração espacial além da órbita da Terra. Observe que há muitos satélites comerciais em órbita próxima à Terra - comunicações, TV e Internet, meteorológicos e cartográficos. E todos eles têm benefícios monetários tangíveis. E qual é a utilidade de uma missão tripulada à lua? Aqui está a lista oficial dos resultados do programa lunar dos EUA no valor de aproximadamente US $ 170 bilhões (a preços de 2005):
A lua não é um objeto primário, é um planeta terrestre, com sua evolução e estrutura interna semelhante à Terra.
A lua é antiga e guarda a história do primeiro bilhão de anos de evolução dos planetas terrestres.
As rochas lunares mais novas têm aproximadamente a mesma idade que as rochas terrestres mais antigas. Traços dos primeiros processos e eventos que podem ter influenciado a Lua e a Terra podem ser encontrados agora apenas na Lua.
A Lua e a Terra são geneticamente relacionadas e formadas a partir de diferentes proporções de um conjunto comum de materiais.
A lua não tem vida e não contém organismos vivos ou matéria orgânica local.
As rochas lunares se originaram de processos de alta temperatura sem a participação de água. Eles são classificados em três tipos: basaltos, anortositos e brechas.
Há muito tempo, a Lua foi derretida a uma grande profundidade e formou um oceano de magma. As montanhas lunares contêm vestígios de rochas primitivas de baixa densidade que flutuaram na superfície deste oceano.
O oceano de magma foi formado por uma série de enormes impactos de asteróides que formaram poças cheias de fluxos de lava.
A lua é um tanto assimétrica, possivelmente devido à influência da Terra.
A superfície da lua está coberta de pedaços de rocha e poeira. Isso é chamado de regolito lunar e contém a história radiativa única do Sol, que é importante para a compreensão das mudanças climáticas na Terra.
Isso tudo é muito interessante (sem brincadeira), mas todo esse conhecimento tem uma desvantagem irreparável - você não pode espalhar no pão, despejá-lo em um tanque de gasolina ou construir uma casa com ele. Se um certo "elerium", "tiberium" ou outro shishdostanium fosse descoberto na vastidão do espaço, que poderia ser usado como:
Fonte de energia econômica.
Parte integrante da produção de algo valioso e útil.
Alimentos / medicamentos / vitaminas de uma qualidade fundamentalmente nova.
Um item de luxo ou fonte de prazer.
Se também crescesse apenas em Marte ou no cinturão de asteróides (e não fosse reproduzido na Terra) e só pudesse ser minerado por humanos (para que a humanidade astuta não enviasse robôs mais baratos e despretensiosos), então seria a exploração espacial tripulada que receberia um incentivo inestimável. E na ausência dele, em um cenário pessimista na década de 2020, a humanidade pode perder uma presença permanente mesmo em órbita próxima à Terra - num cenário de potes de cooperação internacional destruídos por políticos, os contribuintes podem perguntar: "Por que precisamos de uma nova estação depois do ISS?"
A maldição da fórmula de Tsiolkovsky
Aqui está, a nêmesis da cosmonáutica:
Aqui:
V é a velocidade final do foguete.
I - impulso específico do motor (quantos segundos o motor com 1 quilograma de combustível pode criar empuxo de 1 Newton)
M1 é a massa inicial do foguete.
M2 é a massa final do foguete.
V para o caso de tanques cheios será a margem de velocidade característica, ou seja, a margem de velocidade com a qual podemos acelerar / desacelerar se necessário. Isso também é chamado de margem delta-V (delta significa mudança, ou seja, é a margem para a mudança na velocidade).
Qual é o problema aqui? Vamos fazer um mapa das mudanças de velocidade necessárias para o sistema solar:
Vamos imaginar agora que queremos voar para Marte e voltar. Isso equivalerá a:
9400 m / s - partindo da Terra.
3210 m / s - deixando a órbita da Terra.
1060 m / s - interceptação de Marte.
0 m / s - entrando na órbita baixa de Marte (triângulo branco significa a possibilidade de frenagem contra a atmosfera).
0 m / s - pousando em Marte (diminuímos a velocidade na atmosfera).
3800 m / s - a partir de Marte.
1440 m / s - aceleração da órbita de Marte.
1060 m / s - Interceptação da Terra.
0 m / s - entrando em uma órbita baixa da Terra (diminuímos a velocidade em relação à atmosfera).
0 m / s - pousando na Terra (diminuímos a velocidade na atmosfera).
O resultado é uma bela figura de 19970 m / s, que arredondamos para 20.000 m / s. Deixe nosso foguete ser ideal, e o volume de combustível não afeta sua massa de forma alguma (tanques, dutos não pesam nada). Vamos tentar calcular a dependência da massa inicial do foguete com a massa final e o impulso específico. Transformando a fórmula de Tsiolkovsky, obtemos:
M1 = eV / I * M2
Vamos usar o pacote matemático gratuito Scilab. Se tomarmos a massa final na faixa de 10-1000 toneladas, o impulso específico variará de 2.000 m / s (motores químicos em hidrazina) a 200.000 m / s (estimativa teórica do impulso máximo do motor de propulsão elétrica para hoje). Devo dizer desde já que para a massa máxima e o impulso mínimo haverá um valor muito grande (22 milhões de toneladas), então a escala de exibição será logarítmica.
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000, 2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Este lindo gráfico é, na verdade, um veredicto visual para motores químicos. Isso não é novidade - em motores químicos, como a prática mostra perfeitamente, normalmente você pode lançar pequenas sondas, mas mesmo voar para a lua com uma tripulação já é um pouco difícil.
Vamos amenizar nossas condições. Em primeiro lugar, vamos supor que estamos partindo da órbita da Terra e, em vez de 20 km / s, precisamos de 10. Em segundo lugar, cortamos a "cauda" dos motores químicos ineficientes, definindo o valor mínimo de I para 4400 m / s (IA do motor de hidrogênio do ônibus espacial RS-25):
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000, 400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Escala logarítmica:
Escala linear:
Desistiremos completamente dos motores químicos. O motor nuclear NERVA teve um AI de 9.000 segundos. Vamos recalcular:
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surf (m2, I, m1)
Escala linear:
Por que estou repetindo esses gráficos monótonos? O fato é que a área plana designada como "razão para otimismo" mostra que quando motores com IA de mais de 50.000 m / s aparecerem, será possível voar mais ou menos toleravelmente sem navios com massa inicial de milhões de toneladas dentro do sistema solar. E os motores de propulsão elétrica, que já existem, têm uma ID de 25000-30000 m / s (por exemplo, SPD 2300).
No entanto, é preciso entender que o motivo do otimismo é muito contido. Primeiro, esses milhares de toneladas devem ser entregues à órbita da Terra (o que é extremamente difícil). Em segundo lugar, os motores de propulsão elétrica existentes têm um pequeno empuxo e, para acelerar com uma aceleração adequada, devem ser instalados reatores de multi-megawatts.
Vamos construir outro gráfico interessante. Deixe-nos saber a massa final - 1000 toneladas. Vamos construir a dependência da massa inicial no impulso específico e na velocidade final:
[VI] = meshgrid (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfar (V, I, m1)
Este gráfico é interessante porque é, de certo modo, uma visão do futuro mais distante da humanidade. Se quisermos um vôo confortável e rápido através do sistema solar, teremos que subir uma ordem de magnitude para dominar o impulso específico - precisamos de motores com IA de várias centenas de milhares de metros por segundo.
Não há peixes aqui
A humanidade se distingue pela astúcia e engenhosidade. Portanto, muitas ideias foram inventadas a fim de facilitar o acesso ao espaço. Um dos parâmetros mais importantes que caracterizam a barreira que queremos saltar é o custo de colocar um quilograma em órbita. Agora, de acordo com várias estimativas (esta coluna foi removida do Wiki, aqui, por exemplo, outra fonte) para vários veículos de lançamento, esse preço está na faixa de $ 4.000 a $ 13.000 por quilograma para órbita baixa da Terra. O que você tentou fazer para tornar mais fácil, mais fácil e mais barato chegar pelo menos na órbita próxima à Terra?
Sistemas reutilizáveis. Historicamente, essa ideia já falhou uma vez no programa do ônibus espacial. Agora Elon Musk está fazendo isso, planejando plantar o primeiro estágio. Eu gostaria de desejar a ele muito sucesso, mas com base no fracasso do passado, não acho que isso será um avanço qualitativo. Na melhor das hipóteses, o custo cairá alguns pontos percentuais.
Estágio único para órbita. Ela não foi além dos projetos, apesar das repetidas tentativas.
Arranque de ar. Existe um projeto de sucesso para uma pequena carga útil, mas não é dimensionável para cargas pesadas.
Lançamento espacial sem foguete. Muitos projetos foram inventados, mas todos eles têm uma falha fatal - são necessários investimentos astronômicos, que não podem ser "recapturados" sem a conclusão completa do projeto. Até que o elevador espacial, fonte ou driver de massa seja totalmente construído e lançado, não há lucro com isso.
Então o coração vai se acalmar
Como você pode se animar depois dessas tristes reflexões? Tenho dois argumentos - um abstrato e fundamental, o outro mais específico.
Em primeiro lugar, o progresso como um todo não é uma curva em S, mas muitos deles, o que forma um quadro otimista:
Na história da aviação, pode-se distinguir, por exemplo:
E, com certeza, estamos em um ponto semelhante no desenvolvimento da cosmonáutica. Sim, agora há uma estagnação, e até um retrocesso é possível, mas a humanidade, com as cabeças de seus melhores representantes, rompe o muro do conhecimento e em algum lugar, ainda não percebido, despontam os rebentos de um novo futuro.
O segundo argumento é a notícia sobre o desenvolvimento de um reator nuclear para o módulo transporte-energia, que anda sem muito alarido:
As últimas novidades deste projeto foram no verão - foi montada a primeira TVEL. O trabalho, embora sem publicidade regular, está obviamente em andamento, e pode-se esperar pelo surgimento nos próximos anos de um aparelho fundamentalmente novo - um rebocador nuclear com um motor de propulsão elétrica.
P. S
Esses são pensamentos um tanto descuidados, vamos chamá-los de primeira iteração. Eu gostaria de receber feedback - talvez eu tenha esquecido alguma coisa ou tenha definido incorretamente o significado do fenômeno. Quem sabe, depois de processar o feedback, você obterá um conceito mais coerente ou surgirá com algo interessante?
Avor: lozga
