Mars kolonileşmesi, bilim adamlarının hayal gücünü ve halkın hayal gücünü uzun süredir kapsamıştır. Ancak, hayal kırıklığının gerçekleştirilmesi, uzaysal güçleri anlamak için hiçbir şey değildir.Bu meydan okumanın kalbinde, Tsiolkovsky Rocket Equation, bir ekip için, her roket destekli yolculuğu yöneten bir formül için, büyük mesafeleri aşmak ve yaşam desteğini almak, malzemeleri ve geri dönmek için gerekli olan teknolojiyi değerlendirmektir.

Tsiolkovsky Rocket Equation'ın temelleri

İlk olarak, Rus bilim adamı Konstantin Tsiolkovsky tarafından 1903 yılında, roket denklemi hızdaki değişimle ilgilidir () {{v). bir roket, propulsion ve kütle oranına ulaşabilir.

[FONT=0) {0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|[D][/FONT=)[D)[D))[D))[D)))[D))))))[D))))))

Nerede:

  • [FONT:0) {{v[DÜT:1] = roketdeki toplam değişiklik ikinci başına metrede ölçülebilir (m/s).
  • [FONT:0][Dönetici:0][Dönetici:0][Dönetici:0))))))))))))))))))))[Düzücünün etkili egzoz hızı, doğrudan belirli dürtüye göre orantılıdır (Isp[FLT: 5)
  • [FONT:0] ) = pervanant, ödeme yük, yapı ve mürettebat dahil olmak üzere roketin ilk toplam kitle.
  • [FONT:0] [Dönetici:0] [Dönetici: 2) [Dönetici: 2) [Dönetici: 2)

denklemin gücü üstel doğasında yatıyor. {{v ihtiyacı olan en yüksek artışlar, ilk to son kitleye ilk olarak büyük artışlar talep ediyor. Bu ilişki güçleri, ücret yükü, tahrik verimliliği ve görev mimarisi arasındaki ticaret-offları yapmak için mühendisler.

{{v ve onun bileşenleri

Uzay görevi için 345v bütçesi her manevra için gerekli olan hız değişikliklerinin toplamıdır.Bir yuvarlak-trip Mars görevi için, büyük {{v bileşenleri şunları içerir:

  • Dünya yüzeyinin düşük Dünya yörüngesinden (LEO): atmosfere sürüklenme ve yerçekimi kayıplar için 9.4 km/s, muhasebe.
  • Trans-Mars enjeksiyonu (TMI): Dünya yörüngesinden Mars'a doğru bir yörüngeye doğru gelen yakıcı, genellikle LEO'dan 3.5-4 km/s gerektiren bir yörüngeye.
  • Mars yörünge eksiyon (MOI): Mars'ın yerçekimi tarafından ele alınması için uzay aracının yavaşlanması, aerobraking'e bağlı olarak yaklaşık 1-2 km/s.
  • Mars'ta arazi: Parachutes, ısı kalkanları ve retrorockets'in bir kombinasyonunu kullanarak, bu 1-1.5 km/s tüketebilir.
  • Mars ascent: Mars'ın daha düşük yerçekimi ve atmosfer nedeniyle yaklaşık 4-5 km/s gerektiren Martian yüzeyden başlayarak.
  • Trans- Earth enjeksiyonu (TEI): Dünya için Mars yörüngesinden ayrılıyor, yaklaşık 2-3 km/s.
  • Dünya yörüngesi ekler ve iniş: Bunlar atmosferik sürüklenebilir, ancak yörünge yakalama için kontrollü bir yanı 1 km/s.

Özetle, mürettebatlı bir Mars turu için tipik bir 345v bütçesi kimyasal roketleri kullanarak 15 ila 20 km /s arasında değişir. Bu rakam, ayrıntılı yörünge simülasyonları ve yerçekimi yardımcıları kullanarak kaba bir yaklaşımdır.

Eğlenme Velocity ve Özel Impulse

[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=)[[değiştir | kaynağı değiştir]

Rocket Equation'ı Mars Misyonuna Uygulayın

Mars kolonizasyon misyonunun fizibilitesini değerlendirmek için mühendisler gerekli kütle oranını hesaplamak için roket denklemini kullanırlar.(T:0)R = m). / m).

[FONT=0) R = e[DÜT:0)[[DÜye: 2)[Üye: · 4)[Üye: · 4|

16 km/s (bir tur için düşük uç tahmin) ve v) ile kimyasal bir roket) = 4.4 km/s (Isp) = 450 s)

[FONT=0) R = e[DÜT:0)[DÜye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye) ⁇ 38[DÜye)

Bu, uzay aracının ilk kütlesinin 38 katı büyüklüğünde olması gerektiği anlamına gelir.Eğer kuru kütle (Hazır kapsülü, yaşam desteği ve geri dönüş aracı dahil) 100.000 kg, Dünya'dan başlatılan toplam kütle 3.8 milyon kg olacaktır - 3800 metrik ton. Bu, şu anda herhangi bir operasyonda bir fırlatma aracı gerektiren Uluslararası Uzay İstasyonu'nun kütlesinden neredeyse dört kat daha büyük bir şekilde.

Toplam {{v Gereksinimleri Tahmin Etmek

Gerçekçi görev {{v değerleri yörünge eğimleri, zamanlama pencereleri ve güvenlik marjları göz önünde bulundurularak daha yüksektir. daha muhafazakar toplam 345v 18 km/s, 4.0 km/s gerçekçi bir egzoz hızıyla bir araya gelir (I) .

[FONT:0) R = e[DÜT:0)[[DÜDÜT:2) = e[DÜDÜDÜye: 4) ⁇ 90[DÜye Değer: 4)

Bu kütle oranı son derece zorlu. karşılaştırma için, Apollo Moon misyonları için kullanılan Satürn V roketi yörüngede ödeme yapmak için yaklaşık 30 oranında bir kitle oranına sahipti. Achieving R = 90 mevcut yapısal malzemeler ve stilize ile birden fazla fırlatma, yörünge montaj ve hafif tasarımları gerektirecektir.

Tipik {{v Bir Yuvarlak-Trip Mars Misyonu için Bütçe

NASA çalışmalarından ayrıntılı bir 345v bütçesi daha kesin bir kesintiye yol açıyor. Bir muhalefet sınıfı görevi (Marma'da kısa kalmak), gerekli {{v 20 km/s.Bir birlikte sınıf görev için (uzunluk daha iyi bir gezegensel uyum ile kalmak), aşağıdaki tablonun yaklaşık 15 km/s.

  • Dünya LEO'ya başlıyor: 9.4 km/s
  • Trans-Mars enjeksiyonu: 3.8 km/s
  • Mars yörünge ekiyonu (birerobraking ile): 1.2 km/s
  • Arazi: 1.0 km/s
  • Mars ascent: 4.5 km /
  • Trans- Earth enjeksiyonu: 2.5 km/s
  • Dünya yörüngesi (veya doğrudan giriş): 1.0 km /s
  • Toplam: 23.4 km/s (bazı marjlarla)

Bu toplam önceki örneklerden daha yüksektir, çünkü aerobraking tasarrufları içeriyor, aynı zamanda kayıplar ve tebrikler için de hesaplar. aerobraking olmadan, sayı daha da büyük olurdu.

Mass Oranını Hesaplamak

{{v bütçesi yukarıda (23.4 km/s) ve yüksek performanslı hidrojen /oxygen motoru ile v)e) = 4.5 km/s (Isp)

[FONT=0) R = e[DÜT:1]23400 / 4500 [DÜ:2] ⁇ e).5.2

181'in kitlesel oranı astronomik olarak yüksek. 100+ tonluk kuru bir kütle için, ilk kütle 18.1 milyon kg – yaklaşık 18,000 metrik tonlar için yeni bir roket kapasitesinin çok ötesindedir.Zengin Starship, 100+ ton yörüngesine kadar planlanan ödeme yüküne sahip, sadece yakıt için 180 fırlatmak zorunda kalacaktı, artı da uzay aracının kendisi için yeni bir fırlatmak zorunda kalacaktı.

Bu rakamlar “ roket denkleminin iç içeğini” vurgulamaktadır: 345v'deki küçük artışlar yakıt gereksinimlerine yol açıyor. Kitle oranını azaltmak için tek yol 345v (daha verimli trajektör veya daha az büyük uzay aracı) veya egzoz hızlarını artırmaktır.

Gelişmiş Propulsion Technologies to Overcome the Challenges

Kimyasal roketler teorik olarak belirli dürtü sınırlarının yaklaştığı için, bir Mars misyonu için yakıt kütlesini azaltın, daha yüksek v[D:0)e) teklif eden alternatif tahrik sistemleri gerektirir.

Nükleer Termal Proksiyon (NTP)

Nükleer termal roketler, aşırı yüksek sıcaklıklara karşı bir pervant (tipik olarak hidrojen) ısıtacak bir nükleer reaktör kullanıyor, sonra bir nozul ile itiliyor.Bu verim I)sp) 850-1.000 saniyenin değerinde, yaklaşık 83-9.8 km/s.

[FONT=0) R = e[DÜT:1][/400/400/[Dönem:2) ⁇ e.78[DÜDÜDÜye Değer: 9,9[DÜye)

100 ton kuru bir kütle için ilk kütle daha yönetilebilir. Nükleer ısıtımı 1960 ve 1970'lerin NERVA programında test edildi, ancak asla akışla modern tasarımlar, Mars misyonları için VR'yi incelemeye devam ediyor, yörüngede yapılan fırlatma sayısını azaltmanın anahtarıyla devam ediyor.

Elektrikli Taht (Ion Thrusters)

Elektrikli veya iyon tahrik sistemleri elektrik alanları kullanarak şarj parçacıkları hızlandırıyor, I)[Döneticileri 12.000 saniye ve 20-50 km/seçmişler için yük veya teslimatlar için, elektrik tahrik çok düşük maliyetli (tipik olarak bir şekilde bir yenitondan daha az), yani uzun hız süreleri boyunca Mars'a kadar uzanan mesafe 10 km / 10 km / 10 km (gösterme) yük taşıma veya teslimatlar için.

[FONT=0) R = e[DÜT 1: 1 ) 10000 / 30000[DÜ:2) ⁇ e).0.333) ⁇ 1.4[D[DÜye: 4 )

Bu, ilk kütlenin neredeyse% 70'i ödeme yükü olabilir - kimyasal roketlerin ötesinde verimlilik. Nükleer güçlendiriciler ( ⁇ elektrik tahriki, NEP) yüksek I) ile [Dönemli güçle, fikre sahip olmak için yeterli bir güç ile, ve dış güneş sistemi için umut verici bir seçenek olarak kabul edilir.

Diğer Gelişmiş Kavramlar

Nükleer termal ve elektrik tahrikinin ötesinde, araştırmacılar keşfediyor:

  • [FONT:0)Solar yelkenler [Dönler: Güneşten sürekli baskı yapmadan sürekli itme yapmak için güneşten foton baskı kullanın, ancak büyük, ultra ışıklı denizciler gerektirir ve çok düşük hızlar üretir.
  • [FONT:0]Nuclear füzyon propulsion[Dönetici: 1) Teorik olarak I) 100.000 saniyeden fazla, ancak devam eden füzyon, on yıllar süren araştırmaya rağmen elusive olarak kalır.
  • [FONT=0)Antimatter annihilation[[Dönemli veya [[Dönemli enerji): Pratik uygulamadan çok uzakta olan Exotic kavramlar.

Yakın vadede, nükleer ısıtımı, kütle oranını ekonomik olarak mümkün seviyelere düşürmek için kimyasal roketlere en makul yükseltme olarak öne çıkıyor.

Mars Kolonizasyon için Implikasyonlar

Roket denklemi sadece tek bir görevin mümkün olup olmadığını belirlemez - bir Mars kolonisinin tüm mimarisini şekillendirir. Gelişmiş tahrikli, Dünya'dan başlatılacak maliyet ve lojistik muhtemelen denklemlerin kasıtını besleyecek stratejiler kombinasyonuna güvenecektir.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

Mars'ın atmosferi çoğunlukla karbon dioksitden oluşur ve toprak birçok bölgede su buz içerir.Bu kaynakları elde ederek, bir koloni oksijen, su ve pervanant (methane ve oksijen) sitedeki toplam Dünya'nın lansmanı, iki veya daha fazla örnek için başlatılan kütleyi önemli ölçüde azaltabilir, Mars'ın ascent pervanantını yerel olarak üretebilirse, bu aşamadan 345v gereksinimi Dünya-Mars lansmanıyla etkili bir şekilde kaldırılabilir.

NASA'nın Mars 2020 Perseverlik rover, Martian CO2'den oksijen üretimini göstermek için MOXIE deneyini gerçekleştirdi, ISRU'ya karşı kritik bir adım. Bu teknolojiyi tonlar perorant üretmek için gerekli olacaktır.

Multi-Stage ve Modüler Yaklaşımlar

Tek bir dev roket yerine, görevler, yörüngede toplanan veya yeniden yakıtlanan aşamalara kırılabilir. roket denklemi her aşamaya ayrı olarak uygulanır.Bir dizi daha küçük aşamayı kullanarak - kendi {{v - tasarımcılar, trans-Mars'ın yanmasından önce LEO'da yapılan tüm kuru tankları azaltabilir.Bu yaklaşım, tankerlerin uzay aracı beklemesine yardımcı olur.

Benzer şekilde, Mars döngüsür kullanarak - Dünya ve Mars arasında sürekli seyahat eden bir uzay aracı - her yolculukta hızlandırılması gereken kütleyi azaltın. döngü, yaşayan çeyrek ve radyasyon kalkanı sağlar, daha küçük nakliye ekipleri ve kargoları gezegensel yüzeylere ve yüklerken, NASA tarafından incelenir, her seferinde ağır habitatları hızlandırmaya gerek kalmadan roket denklemini azaltır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Tsiolkovsky Rocket Equation, Mars kolonizasyon fizibilitesini değerlendirmek için vazgeçilmez bir araçtır. Tek başına kimyasal roketlerin, muazzam kütle oranları olmadan sürdürülebilir bir tur-dönüşüm görevi destekleyemeyeceği ortaya çıkar, genellikle pratik sınırları aşıyor. Ancak, denklem aynı zamanda nükleer ısıtımı artırmak için, Mars'ta 345v'i azaltmak ve yeniden yakıt kullanmak için gerekli olan bir insan varlığını önlemek için, ve etkili bir kanal değişikliği kullanarak - her yolunuzu yönetmek için zorlayacaktır.

[FONT:0)Daha fazla okuma için, infoFLT:1]NASA'nın Mars Keşif Programı) [FONTA'nın Nükleer Propresyon sayfası) ve ) mevcut planların genel bakış açıları için [/FONT] |D][/FONTA'nın Nükleer Propulsion sayfası).