תכנון חלל עבור נסיעות בין כוכביות במהירות גבוהה באמצעות הנעה מתקדמת

תכנון חלליות המסוגלות לנוע בין כוכבי לכת במהירות גבוהה מייצג את אחד הגבולות השאפתניים ביותר בחקר החלל.כפי שהאנושות מציבה את מראותיה על מאדים, כוכבי הלכת החיצוניים, ובסופו של דבר הכוכבים, המגבלות של טכנולוגיות ההנעה הנוכחיות הופכות לברורות להפליא.

מאמר זה בוחן את האתגרים המרכזיים של טיסה בין כוכבית, את הטכנולוגיות ההנעה המבטיחות ביותר באופק, ואת השיקולים העיצוביים הקריטיים של חללי בניין שיכולים להשיג מהירויות גבוהות מתמשכת.על ידי הבנת הפיזיקה, ההנדסה של המסחר, וארכיטקטורה המשימה המעורבים, אנו יכולים להעריך כיצד הנטומנט מתקדם מעצב מחדש את עתיד חקר החלל.

האתגרים של נסיעות בין כוכביות

המרחב הבין כוכבי הלכת הוא עצום.המרחק הממוצע מכדור הארץ למאדים הוא כ-225 מיליון קילומטרים, בעוד שטיול ל-צדק מכסה כמעט 780 מיליון קילומטרים.שימוש בהנעה כימית קונבנציונלית, מסע חד-דרך למאדים לוקח בערך 7 עד 9 חודשים, ומשימות לכוכבי הלכת החיצוניים יכולות להימשך שנים רבות.

יעילות הדלק, נמדדת כדחף ספציפי (Isp), היא מדד קריטי של רקטות כימיות להשיג ערכי Isp בסביבות 300-450 שניות, כלומר הם לגרש דחף איטי יחסית ופסולת הרבה מהאנרגיה שלהם כמו חום. כדי להגיע למהירויות גבוהות יותר, חללית חייבת לשאת מסה עצומה של דחף או להשתמש בשיטה הנעה עם מהירות ממצה גבוהה הרבה יותר.

חששות בטיחותיים גם מתגברים עם זמני נסיעה ארוכים יותר.אפקטים מיקרומטראוסטרואידים, התלקחות הסולאריות, וכישלונות הציוד הופכים להיות יותר אפשריים.עבור משימות מאוישים, חוסר משקל ממושך ובדידות מהווים סיכונים בריאותיים פיזיולוגיים ופסיכולוגיים חמורים.להת משך הנסיעה - המטרה העיקרית של נטייה מתקדמת - מקטין באופן ישיר רבים מהסכנות הללו, מה שהופך את המרדף אחר נסיעות בין כוכבי לכת במהירות גבוהה לא רק עניין של יעילות של משימה אפשרית.

פריצת דרך Propulsion Technologies

כמה מושגים של הנעה נמצאים בפיתוח פעיל, כל אחד מציע שינויים מסחריים שונים בין דחף, יעילות, ובשלות טכנולוגית.המועמדים המבטיחים ביותר למשימות בין כוכביות לטווח קצר כוללים הנעה חשמלית, נטייה תרמית גרעינית, ו, בטווח הארוך יותר, מערכות מבוססות היתוך.

מערכות הנעה חשמלית

הנעה חשמלית משתמשת באנרגיה חשמלית, בדרך כלל מפאנלים סולאריים או כור גרעיני, כדי להאיץ את הזרקת הזרמים למהירויות גבוהות מאוד.אני דחפי איון ודחפורים של אפקט הול הם שני הגרסאות הנפוצות ביותר. בדחפור יון, אטומים של גז אצילי כגון xenon הם מואצים ואז מואצים דרך שדה חשמלי חזק.

הנעה חשמלית כבר הוכחה במשימות חלליות עמוקות כגון החללית שחר של נאס"א (שביקרה בווסטה וסראס) ומשימה פסיכוסצ'ה הקרובה ביותר.מערכות אלה הן אידיאליות לספינות מטען או לבדיקות רובוטיות שיכולות לסבול תאוצה ארוכות, איטיות.עבור משימות מאוישות, הנעה חשמלית יכולה לשמש בשילוב עם הנעה כימית או כור גרעיני כדי להגביר את המשכורות על מסלולים בין כוכבי לכת, אם כי הם מהירים, אם כי הם גורמים למניעים.

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הרשאה גרעינית (NTP)

הנעה תרמית גרעינית מממנת כור גרעיני לחום מדחף - מימן נוזלי באופן רציני - לטמפרטורות קיצוניות (2,500-3,000 K) לפני שגירושו באמצעות עגיל.הטמפרטורה גבוהה של הממצה מניבה תשואה של כ-800-1,000 שניות, בערך כפול של המנועים הכימיים הטובים ביותר, NTP מספק רמות דחף בעשרות קילו למאות קילו-ליטרונים, בדומה ל- 9 חודשים מהירים יותר, כלומר, רק כדי להפחית את המהירות של מהירות של מאדים.

NTP נחקרה באופן נרחב במהלך תוכנית NERVA בשנות ה-60 וה-70, אשר הדגים כי כורים יכולים לפעול בבטחה בחלל.ההתקדמות המודרנית בחומרי דלק - כגון קרמיקה עתירה גבוהה ורכיבי carbide - שיפרו ביצועים והפחיתו את הסיכון של כשל דלק נאס"א וסוכנות מחקר מתקדם (DARPA) פועלים כיום על הדגול עבור תוכנית אימונים תרמיים עבור מנוע אווירי (R) בתוך שנים ספורות לאחר מכן) של מנוע גרעיני.

(ב) ⁇ :0) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

FUUUS Propulsion

היתוך גרעיני - התהליך שמחייב את השמש - מולר את הגביע הקדוש של הנטועה: מקור אנרגיה כמעט בלתי מוגבל עם מהירויות ממצה המסוגל להגיע 10,000 ק"מ / או יותר. פיוז'ן הנטוע יכול להפחית באופן תיאורטי את זמן הנסיעה למאדים עד חודש ומאפשר נסיעות עגולות לכוכבי הלכת החיצוניים בתוך שנה.

האתגר הוא להשיג היתוך מבוקר בכור קומפקטי וקל משקל שניתן לשגר לחלל.ניסויי היתוך טרסטרילי, כגון ITER, דורש כלי שיט המכילים מסיבי ומערכות תפוצה מגנטיות מורכבות.עם זאת, כמה מושגים עבור היתוך Propulsion הוצעו, כולל ה-S Fusion Drive (DFD) על ידי מערכות לוויין פרינסטון, אשר משתמש בתצורה של שדה (FRC) כדי להשיג היתוך קטן יחסית, או דחיסות לייזר היתוך (Fic) על ידי מנוע אחר, או דחיסה מיקרוסקופית לייזר דחיסה).

בעוד ש- היתוך הנטועה נותרת במרחק עשורים מהיישום המעשי, הפוטנציאל שלה הוא כל כך טרנספורמטיבי שסוכנויות חלל וחברות פרטיות ממשיכות להשקיע במחקר בסיסי.אפילו מקור כוח היתוך צנוע יכול לאפשר דחיפה מתמשכת למשימות ארוכות, ולהפוך את הנסיעות הבין-כוכביות למשהו שדומה לשירות מעבורת במהירות גבוהה.

[01:0] ,2 [ה] ,[דרוש מקור]]: [ה] [ה]], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה]]]

רעיונות מתקדמים מעבר ל-Horizon

מעבר לחשמל, גרעיני ו-היתוך הנטומנטציה, החוקרים בוחנים רעיונות יותר של קידוד שיכולה לאפשר אפילו מהירויות גבוהות יותר (FLT:0 Antim PropulsionFLT:1) כרוכים בהשמדה של חומר עם אנטי-חומר לשחרור אנרגיה כמו קרני גמא ו חלקיקים טעונים, להשגת מטרות אנרגיה לטווח קצר-מושלם (Feramulreta) ומחסן הם כיום יקרי משקל מסוכן.

עיצוב חלל ושיקולים הנדסיים

בחירת טכנולוגיה הנעה היא רק היבט אחד של תהליך עיצוב החללית. לפעול במהירויות גבוהות בבטחה ובאמינות, מהנדסים חייבים לטפל שורה של אתגרים הקשורים, משלמות מבנית ועד ניהול תרמי וניווט.

עיצוב מודולרי ובחירת חומרי

חלליות בין כוכביות במהירות גבוהה חייבות לעמוד בעומסי האצה אינטנסיביים במהלך ההשקה והמניעה, כמו גם את הלחץ של תמרונים בעלי עוצמה גבוהה. משקל הוא ב פרמיה, כל כך חומרים מורכבים - כגון פולימרים מונעים פחמן-מבר-מחדש ומתכת-matrix ממתכת - הם לטובת יחסי כוח המשיכה הגבוהים שלהם למשקל, עבור מערכות הנעה גרעינית, המבנה חייב גם לסבול מטמפרטורות רגישות ושמירה על יציבות של כלי אלקטרוניקה, תוך שמירה על יציבות מסיבית לחץ גבוה, תוך שמירה על יציבות גבוהה של צוות חשמלי או לחץ גבוה של לחץ גבוה של אלקטרוניקה.

בנוסף, החללית חייבת להיות מיועדת לעמוד בפני השפעות של מיקרו-סטרואידים וחומרי פסולת במסלול במהירויות שעלולות לעלות על 10 ק"מ / .שורים, מגנים מעוקלים, וחומרים מתפתלים עצמית הם מליטות נפוצות, אבל הסחר בין מסה והגנה נשאר בחירה הנדסית קריטית.

Power Generation and thermal Management

מערכות הנעה מתקדמות דורשות חשמל משמעותי לתפעול.אנין דחף, למשל, צורך קילווואט כדי מגה-וואט של כוח, אשר לוחות סולאריים לבדם לא יכולים לספק מעבר לחגורת האסטרואיד בגלל השמש מופחתת.כורים גרעיניים המסוגלים לייצר 100 kWe (קירוואט חשמלי) או יותר הם חיוניים למשימות חלל עמוקות באמצעות הנעה חשמלית או לחשמל של מערכות החלל במהלך כוויות אוויריות תרמיות.

ניהול הירומטר הופך לאתגר דומיננטי כאשר משתמשים במנועי גרעיניים או גבוהים.הכור עצמו מייצר חום עצום שיש לדחות כדי למנוע נזק למבנים הסמוכים. רדיטורים חייב להיות גדול, קל משקל, ופריסה לאחר ההשקה. עבור היתוך הנטועה, הפלזמה מייצרת פלוקסים כי חומרים קונבנציונליים לא יכולים לעמוד, הדורשים קירור פעיל עם מתכות נוזליות או מערכות חום מתקדמות כדי לנהל את מבנה החלל הקטסטרופלי.

ניווט ותקשורת במהירות גבוהה

נסיעה במהירויות של מהירויות בין כוכבי לכת מציגה אתגרים ייחודיים לניווט.במהירויות של 30 ק"מ / או יותר, שגיאות קטנות במסלול יכול לגרום לכוכב לכת יעד על ידי מאות אלפי קילומטרים. מערכות הדרכה אוטונומיות באמצעות עוקבים כוכבים, יחידות מדידה אינרטית, וניווט אופטי יצטרך לבצע תיקונים בזמן אמת ללא המתנה למחזורי הפיקוד על פני כדור הארץ.

עבור משימות למערכת השמש החיצונית, כוח הכבידה מסייע מכוכבי לכת עדיין יקר, אבל החללית חייבת להיות מיועדת להתמודד עם תמרונים המשויכים של זחלות ללא מגבלות מבניות גבוהות יותר.תוכנות מכניקה פתוחות מקיפים ניתוק מסלולים אופטימליים, אבל מערכת ההנעה חייבת להיות מסוגלת לבצע את התמרונים האלה עם דיוק.

גורמי אנוש ותמיכה בחיים עבור משימות מאוישות

אם החללית נושאת צוות, העיצוב חייב לקחת בחשבון את ההשפעות הפיזיולוגיות של מיקרו-גרביטציה, קרינה ובדידות. צמצום זמן הנסיעה ישירות מצמצם את הסיכונים האלה, אבל אפילו מסע של שלושה חודשים למאדים דורש מערכות תמיכה בחיים חזקות המחזרות אוויר, מים ופסולת. הכבידה מלאכותית שנוצרה על ידי הפעלת החללית יכולה לעזור לשמור על צפיפות העצם ומיסת שרירים, אם כי זה מוסיף מורכבות ניכרת הנדסה לרכב כבר מורכב.

הגנה מפני קרינה הופכת אפילו יותר קריטית בעת שימוש בהנעה גרעינית, שכן הכור עצמו הוא מקור לקרינת נויטרונים וגמא.רבעי צוות יש להגן – לעתים קרובות עם מים או חומרים עשירים מימן – ואת מסלול החללית חייב להיות מתוכנן למזער חשיפה לאירועים חלקיקים סולאריים.מערכת תמיכה פסיכולוגית, כולל מציאות מדומה, תקשורת עם כדור הארץ, חללים, אינם זרמיים אלא צרכי צוותים לשמירה על חללים מוסריים במהלך חודשים.

המשימה Scenarios ו- Future Prospects

שילוב של הנעה מתקדמת למשימות אמיתיות כבר מתקדם.תוכנית נאס"א:0 ArtemisscioFLT:1 שואפת להחזיר את בני האדם לירח ולבסס נוכחות בת קיימא, לשמש כבסיס מוכח לטכנולוגיות הנעה גרעינית.מבחן טילים תרמי DRACO, המתוכנן למיילדות חלליות, יאומת בפעולות כור חלליות ויספק נתונים למשימות עתידיות של מאדים, בינתיים, הסוכנות לפיתוח חלל החלל האירופית לפיתוח כוח מטען גבוה.

לטווח ארוך, היתוך מונע יכול לפתוח את הדלת לכביש בין כוכבי הלכת נמלט לחלוטין. חללית מופעלת של היתוך יכול לספק למושבות מאדים, פעולות כרייה בשירות בחגורת האסטרואיד, ואפילו לשלוח בדיקות כדי לחקור את הירח של צדק אירופה או טיטאן של שבתאי בשבריר מהזמן הנוכחי.

(ב) עיין במפת הדרכים של סוכנות החלל האירופית למניעה חשמלית ב-FLT:2ESA's Electric Propulsion PageLT 3.

מסקנה

תכנון חללית למסע בין כוכבי לכת במהירות גבוהה הוא מאמץ רב תחומי הדוחק את גבולות הפיזיקה, החומרים מדע, מערכות הנדסה. בעוד רקטות כימיות שימשו כעמוד השדרה של חקר החלל במשך עשרות שנים, הם אינם מספיקים באופן בסיסי למסע קדימה. הסתברות מתקדמת - בין אם חשמלי, חום גרעיני או היתוך - הם את הקפיצה החיונית הנדרשת באפקטיביות שתהפוך במהירות, לשגרה בין אם זה מציאות נסיעה מטוסית.

האתגרים הם משמעותיים, אבל התגמולים הם עמוקים באותה מידה.זמני מעבר קצרים משמעות חשיפה מופחתת לסיכון של חלל, עלויות משימה נמוכות יותר, ואת היכולת לחקור יעדים כי היום נשאר מחוץ להישג ידם.כפי שתוכניות ניסיוניות נעות מהמעבדה לבדיקות מקיפים, העשור הבא עשוי להעיד על השחר של עידן חדש שבו חללית המיועדת לנסיעות מהירות גבוהה יחסית לא רק הסתברות, אלא גם נפוץ.