Хуткая дарога да Месяца

Палова паліва, адна чвэрць часу.

Наша цудоўная Месяц.

Чаму Месяц?

Здаўна наш выгляд забараняў вывучаць і засяляць іншыя нябесныя целы нашай Сонечнай сістэмы. Гэтая непрыхаваная цікаўнасць, верагодна, абумоўлена прысутнасцю нашай велізарнай Месяца, якая навісла над намі, як касмічны маяк, просячы нашай увагі. У 1969 годзе Месяц, нарэшце, перамог нас, калі мы зрабілі адзін гіганцкі скачок на яго паверхню, і Армстронг апусціў першыя сляды ў пыльным, шэрым рэглаліце. Шмат у чым Месяц можна разглядаць як даследчы пункт пропуску; адзін прыказны крок бліжэй да незлічоных іншых планет, лун і іншых тэл, якія круцяцца вакол Сонца. За тры наступныя гады "Апалона 11" яшчэ пяць пілатуемых місій высадзілі людзей на паверхню Месяца, што яшчэ больш падштурхнула наш попыт на пашырэнне базы ведаў пра нашу хатнюю зорную сістэму. Затым, у снежні 1972 года, Яўген Чарнан выйшаў з месяцовай глебы ў дэсантны карабель "Апалон-17" са зваротнай траекторыяй на Зямлю. Мы яшчэ не былі на Месяцы.

Неабходнасць Амерыкі пакласці сляды на Месяц у 1960-х гадах у першую чаргу падштурхоўвалася да пагрозы распускання расійскай касмічнай праграмы, а не непасрэдна ў імя навукі. Пасля эры касмічнай гонкі адбыліся дзве рэчы, якія разбурылі нашы надзеі на далейшае вывучэнне нашай Месяца; Бюджэт НАСА быў скарочаны, і цікавасць грамадства да вывучэння космасу зменшылася. Гэтыя два факты ў тандэме прымусілі НАСА ўсвядоміць, што адпраўка людзей на Месяц з адзінай мэтай разведкі на самай справе была занадта дарагой.

Месяц, аднак, можа быць больш чым проста пунктам пропуску ў нашым даследаванні Сонечнай сістэмы. Замест гэтага, гэта можа быць больш падобна на прыступку, з карысцю значна большай, чым выкарыстанне нашай роднай планеты ў якасці асновы пошукавых аперацый. Па-першае, у Луны ёсць шмат крыёгеннай вады, замарожанай на слупах, каб паставіць пастаянную калонію як з вадкай вадой для раслін, так і для людзей, а таксама з мэтай расшчаплення яе атамных аналагаў для выкарыстання ў якасці ракетнага паліва. Па-другое, недахоп атмасферы Месяца стварае ідэальную сераду для атрымання сонечных ферм для атрымання электраэнергіі для патрэб энергіі ў базе. Але самае галоўнае, што малая гравітацыя Месяца дазваляе больш бяспечна і менш затратна рашыць місіі, пілатуемыя ці іншым чынам, у знешніх цячэннях Сонечнай сістэмы. Аднак праблема застаецца ў тым, што дабрабыт матэрыялаў і абсталявання да Месяца сучаснай ракетай па-ранейшаму надзвычай дарагі, небяспечны і адымае шмат часу. Для таго, каб такая база стала рэальнасцю, чалавецтву ў рэшце рэшт спатрэбіцца больш эфектыўны спосаб дасягнуць паверхні месяца.

Ідэя SpaceX аб будучай месячнай базе.

Ідэя

У 1956 г. Дуайт Д. Эйзенхаўэр ухваліў будаўніцтва амерыканскай міждзяржаўнай шашы. Гэта пацягнула за сабой будаўніцтва 40-тысячных міль аўтастрадных сістэм па ўсім кантынентальным Злучаных Штатах, якія бесперапынна злучаюць кожны канец нацыі з гладкім і бяспечным спосабам перамяшчэння. Раптам рух тавараў і паслуг з аднаго боку ў іншы стаў хуткім, бяспечным і больш даступным, чым калі-небудзь раней, што эфектыўна дазволіла эканоміцы і ВУП Злучаных Штатаў імкліва павялічыцца ў наступныя дзесяцігоддзі.

Каб пастаянны месяцовы застава стаў эканамічна мэтазгодным, такую ​​хуткасную дарогу трэба ўсталяваць паміж Зямлёй і Месяцам, каб выдаткі, звязаныя з транспартаваннем людзей і матэрыялаў на гэты заставу, пераўзыходзілі прыбытак (альбо зніжаныя выдаткі), якую атрымлівала сама калонія. . Запуск касмічнага карабля з Зямлі дарагі з-за высокіх запатрабаванняў паліва, выкліканых двума асноўнымі праблемамі: (1) вялікая гравітацыйная свідравіна Зямлі і (2) атмасфера, якая выклікае зацягванне Зямлі. Калі б мы змаглі знайсці спосаб запуску касмічнага карабля высока над атмасферай і гравітацыяй Зямлі, тады запуск звычайнага касмічнага карабля на Месяц стаў бы значна больш практычным. Такім чынам, пытанне заключаецца ў тым, як мы добра перавозім людзей і матэрыялы над атмасферай і гравітацыяй Зямлі, не выкарыстоўваючы ракеты?

Рашэнне

Улічваючы, што касцюмы Iron Man пакуль не выканальныя, лепшым рашэннем для перавозкі грузаў у космас, які забараняе выкарыстанне ракет, з'яўляецца касмічны ліфт. Касмічны ліфт, па сутнасці, з'яўляецца велізарным тэтэрам, які распасціраецца ад экватара Зямлі да геастацыянарнай арбіты (~ 42 000 км) з цэнтрам масы на геастацыянарнай адлегласці. Такім чынам, прывязка "круціцца" па Зямлі вертыкальна, захоўваючы нерухомае геаграфічнае становішча на паверхні Зямлі. З-за унікальных уласцівасцей касмічнага ліфта сіла ўніз ад гравітацыі на канструкцыю будзе ідэнтычная знешняй цэнтрабежнай сіле ад кручэння Зямлі, гэта значыць, што касмічны ліфт наогул не будзе аказваць ніякай сілы на паверхні Зямлі. Замест гэтага, пры праектаванні касмічнага ліфта прыйдзе выраб матэрыялу, які можа вытрымліваць напружанне, выкліканае ў цэнтры ліфта, дзе напружанне будзе самым вялікім.

Схема касмічнага ліфта на Зямлі.

У большасці канструкцый для касмічнага ліфта выкарыстоўваецца процівагу (напрыклад, астэроід або вялікая станцыя) за межамі геастацыянарнай арбіты, так што тэтэр не павінен праходзіць на поўную даўжыню 84000 км. Аднак для хуткаснай дарогі да Месяца падаўжэнне гэтага сцяжкі, наколькі гэта магчыма, можа быць карысным. Паколькі ўсе часткі касмічнага ліфта будуць ажыццяўляць адно кручэнне вакол Зямлі кожныя 24 гадзіны, незалежна ад таго, дзе вы знаходзіцеся на ёй, ваша хуткасць фактычна павялічваецца, чым далей вы знаходзіцеся ад Зямлі, як ехаць далей ад цэнтра Меры-Гора. -Рудая. Гэта азначае, што далёкі канец касмічнага ліфта пастаянна рухаецца хутчэй, чым арбітальная хуткасць на сваёй вышыні, і яго пастаянна выцягваюць вонкі моцнымі цэнтрабежнымі сіламі. Чым даўжэй будуецца гэты сцяг, тым больш далёкі канец выцягваецца вонкі ... прама да Месяца.

Малюнак, які паказвае хуткасці вызвалення і траекторыі аб'ектаў, выпушчаных на рознай вышыні ад касмічнага ліфта.

Цяпер прымацуйце касмічны карабель да самай вяршыні касмічнага ліфта, загрузіце сваю карысную нагрузку і проста адпусціце яе. Карабель будзе рагаткай ад ліфта на гіпербалічную арбіту, рухаючыся хутчэй, чым хуткасць уцёкаў Зямлі. Мы маглі б дачакацца, калі гэты карабель дабярэцца да Месяца, перш чым здзейсніць манеўры, каб ён прызямліўся, разгрузіўся і вярнуўся на станцыю, але замест чаго б не пабудаваць касмічны ліфт з паверхні Месяца? Месяцовы касмічны ліфт пашыраўся б да 2-х кропак Лагрангія на Зямлі і Месяцы (~ 58000 км ад Месяца; месца, дзе гравітацыя Зямлі і Месяца адмяняюць адзін аднаго). Гэта дазволіла б касмічнаму караблю спажываць менш паліва і не давядзецца мець справу з пасадкай у небяспечных месяцовых умовах. Апынуўшыся на месяцовай ліфтавай станцыі, судна дэпаніруе сваю карысную нагрузку, а потым адлюстроўвае свае манеўры, каб вярнуцца на станцыю ліфта Зямлі, гатовую да чарговай паездкі.

Мае папярэднія праекты для Месяцовай хуткаснай аўтастрады. * Не ў маштабе *

Відавочна, што пры запуску касмічнага карабля паміж гэтымі двума касмічнымі пад'ёмнікамі ліфта выкарыстоўваецца менш паліва, чым пры запуску з паверхняў Зямлі і Месяца; але ці зэканоміць час? Для змякчэння напружання на касмічным ліфце Зямлі і пасажыраў, якія знаходзяцца ўнутры, аўтамабілі альпіністаў Зямлі будуць абмежаваныя паскарэннямі прыблізна 25% цяжару Зямлі: 2,4 м / с². Гэтыя машыны для альпіністаў будуць паскорацца з такой хуткасцю прыблізна да паўдарогі, потым перагортваюцца ўніз галавой і запавольваюць астатнюю частку адлегласці да арбітальнай станцыі. Каб прайсці поўную адлегласць у 84000 км, гэтая паездка зойме крыху больш за 3 гадзіны. Арбіта перадачы паміж арбітальнымі станцыямі Зямля і Месяц працуе каля 12,5 гадзін. Хоць касмічны пад'ёмнік Месяца на большай адлегласці, невялікая сіла цяжару і павольнае кручэнне Месяца выклікаюць меншае натуральнае напружанне на ліфце касмічнага ліфта. Гэта дазваляе скалалазіць касмічныя ліфты на Месяцы значна хутчэй, чым зямныя. Нават пры сціплых 0,5 * г паездка на спуск зойме 3 гадзіны. Выканаўчы дырэктар, які едзе ў камандзіроўку на Месяц, можа запланаваць паездку і прыбыць туды ў той жа дзень. Паездкі Апалона прадугледжвалі мінімальны падыход у 3 дні.

Вельмі навукова-фантастычная канцэпцыя касмічнага ліфта.

Арбіта перадачы паміж станцыяй Зямля і станцыяй Месяц запатрабуе зваротнага дэльта-V (спосаб, які астрадынамісты вызначаюць, колькі патрэбна касмічнаму паліва) менш за 11 км / с. Місіі Апалона, пераадольваючы велізарную колькасць гравітацыі і атмасфернага цяга, запатрабавалі паездкі з дэльтай-V з 20–30 км / с; як мінімум у 2 разы больш, чым на Месяцовай хуткаснай шашы. Калі б эфектыўны метад мог быць выкарыстаны для харчавання двух касмічных ліфтаў (напрыклад, сонечнай энергіі), такая сістэма дазволіла б зэканоміць сотні мільёнаў 2018 долараў кожны раз, калі адгрузка адпраўляецца на Месяц. На працягу дзесяцігоддзяў эксплуатацыі, месяцовая хуткасная дарога акупілася б.

Праблемы

Лунная хуткасная дарога не абыдзецца без магчымых праблем. Максімальнае напружанне ў цэнтры ліфта Зямлі будзе крыху больш за 63 ГПа; У 250 разоў максімальная трываласць на расцяжэнне сталі. Адзіны матэрыял, які прадэманстраваў абяцанне ў пераадоленні гэтых велізарных нагрузак, - гэта вугляродныя нанатрубкі, якія па-ранейшаму надзвычай складаныя і дарагія. Напэўна, самая вялікая праблема, якая стаіць перад будаўніцтвам месяцовай хуткаснай аўтастрады, - гэта выраб амаль 200 000 кіламетраў гэтых вугляродных нанатрубак альбо эквівалентна моцнага матэрыялу.

Таксама трэба будзе распрацаваць сучасныя метады ўтрымання станцый, каб гарантаваць, што арбітальныя станцыі падтрымліваюць нерухомыя арбіты. Напрыклад, кропка L1 Зямля-Месяц толькі ўстойлівая да квазі, а гэта азначае, што цэнтр масы гэтага касмічнага ліфта з цягам часу адплыве, у выніку чаго ўся структура будзе губляць стабільнасць. Таксама машыны ліфтаў, якія падымаюцца і спускаюцца на тэтэр, будуць выклікаць як вертыкальныя, так і бакавыя сілы на ліфтах ліфтаў, якія запатрабуюць стабілізацыі.

Дзякуючы эфекту Карыёліса, альпіністскія аўтамабілі, якія ўзнімаюцца, будуць адцягнуты ад кірунку кручэння Зямлі.

Нават малаверагодна, уздзеянне астэроідаў і мікраметэароідаў можа прадстаўляць вялікую пагрозу для працы касмічнага ліфта альбо на Зямлі, альбо на Месяцы. Для таго, каб пазбегнуць падобных падзей, павінны быць усталяваны сістэмы засцярогі (манеўруючыя штурхачы) або актыўныя прафілактычныя сістэмы (касмічныя гарматы!). Аўтамабільныя ліфты таксама павінны былі быць абсталяваны для выпраменьвання для праходу праз зямныя паясы Van Allen.

Выснова

З невялікай чалавечай вынаходлівасцю, Месяцовая хуткасная дарога, параўнальная з міждзяржаўнай аўтастрадай ЗША, можа быць усталявана паміж Зямлёй і Месяцам, каб скараціць выдаткі на паліва і час падарожжа, каб зрабіць будучае глыбокае даследаванне Сонечнай сістэмы больш магчымым. Пры наяўнасці такой сістэмы глыбокія касмічныя місіі больш не будуць абмяжоўвацца адным зондам на дзесяцігоддзе, магчыма, дазваляючы запускаць дзясяткі зондаў альбо пілатуемых місій у год для розных напрамкаў вакол Сонца. Наяўнасць пастаяннай прысутнасці на Месяцы таксама зробіць каланізацыю іншых органаў Сонечнай сістэмы, напрыклад, Марса ці Венеры, больш рэалістычнай. Ключ да вывучэння і засялення нашай Сонечнай сістэмы знаходзіцца ў нашым касмічным двары; нам было б неразумна ігнараваць магчымасці скарбніцы, якая з'яўляецца нашай уласнай Месяцам.