Полёт человека в космос и колонизация планет



Человека всегда привлекало ночное небо — его безграничность удивляет и заставляет задавать вопросы. Что там, есть ли в этих чудовищных просторах космоса жизнь вообще и разумная, в частности? Спектр таких вопросов очень широк: от наивных на уровне детского любопытства до степени «серьезной» космологии. Из сугубо утилитарных соображений в настоящее время человека влечет, так называемый, «ближний космос» (Солнечная система). Понимание ограниченности земных ресурсов заставляет человечество взглянуть на планеты, спутники, астероиды в Солнечной системе как на их источник. То есть речь идёт о промышленном освоении объектов Solar System. Например, астероиды класса М могут быть источников металлов. Юпитер, состоящий в основном из водорода, представляется неиссякаемым источником энергии, ведь развитие земных технологий рано или поздно приведет к повсеместному внедрению водородной энергетики. Спутник Юпитера, второй по удаленности от него (после Ио), Европа, предположительно имеющий колоссальные запасы воды, может быть для человечества «запасным колодцем». Луна рассматривается как стартовая площадка для «прыжка» к другим планетам, и, очевидно, первая внеземная колония возникнет именно на Луне. Она находится относительно близко от Земли, «всего лишь» в каких-то четыреста тысячах километров от Земли, «колыбели человечества». Поэтому доставка материалов для постройки лунной станции вполне осуществима даже при нынешнем уровне развития космонавтики. Кроме того, имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией на пять тысяч лет вперед, заявил еще десять лет назад, в 2012 году, на мультимедийной лекции в РИА Новости доктор физико-математических наук, заведующий отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ им. Ломоносова Владислав Шевченко. В настоящее время на Земле добывается порядка нескольких десятков граммов изотопа гелий-3 в год. Гелием-3 богат лунный реголит. Он накопился в тонком приповерхностном слое в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. Тонна реголита содержит порядка 0,01 г гелия-3. По разным оценкам в приповерхностном слое Луны содержится от 500 тыс. до 10 млн тонн гелия-3. При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1000 кг гелия-3 и 670 кг дейтерия, высвобождается энергия, равная сгоранию примерно 13÷15 миллионов тонн нефти (оценочный расчет приведен ниже). Поэтому Луна будет не только космодромом, но и «горнорудной провинцией» Земли. Ну и конечно — Марс! Огромное число мыслителей, начиная от писателей-фантастов до серьезных ученых-космологов, мечтало и мечтает о заселении Марса, о его терраформировании, то есть о целенаправленном изменении климатических условий, атмосферы, температуры, топографии или экологии планеты, спутника или же иного космического тела для приведения атмосферы, температуры и экологических условий в состояние, пригодное для обитания земных животных и растений.

Еще один важный стимул к освоению тел Солнечной системы — это вынос вредных производств за пределы Земли. Здесь даже какие-то комментарии совершенно излишни.

1. Проблемы космонавтики и освоения космоса (постановка задачи)

Рассмотрим круг проблем, с которыми сталкивается человечество в современной космонавтике и ожидаемые проблемы космонавтики будущего (пилотируемые полеты к планетам Солнечной системы, колонизация и промышленное освоение ее объектов).

Для начала выделим несколько основных направлений космической проблематики.

1. Ресурсы . В первую очередь в этот ряд проблем входит банальная обеспеченность государства (компании, человечества) финансами. Это обеспеченность различными материальными ресурсами: топливом, конструкционными материалами (металлы, сплавы, композиты и т. п.), электроэнергией, вычислительными мощностями и др. И, конечно же, человеческий ресурс — кадры (инженерные, научные, высококвалифицированные рабочие).
2. Экология. Ракетно-космическая отрасль очень энергоемка и это уже само по себе вносит немалый вклад в общую промышленную экологическую нагрузку на Землю. В отрасли используется большое количество химических производств, а это требует больших капиталовложений для купирования негативного влияния на природу и минимизации рисков техногенного характера. Ракетное топливо очень токсично, поэтому каждый запуск — это не только большой выброс в атмосферу диоксида углерода (парникового газа) и других загрязняющих веществ, но и тепла (тепловому «загрязнению» планеты в последнее время уделяется много внимания).
3. Научно-технические.
   1. Жизнеобеспечение. Очень широкий спектр проблем: обеспечение продуктами питания, водо- и кислородобеспечение, санитарно-медицинское обслуживание и др.
   2. Защита. Защитные системы корабля (базы, колонии) от вредных воздействий внешней среды (космические излучения, вакуум, безвоздушное пространство, низкая гравитация и др.)
   3. Энергообеспечение. Системы выработки электроэнергии. Фотоэлементы (солнечные панели), радиоизотопные источники энергии (устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлементов), ядерные реакторы (могут применяться, например, на космических аппаратах в случае, если необходимое количество энергии невозможно получить другими способами).
   4. Связь. Связь на сверхдальних (межпланетных) расстояниях имеет фундаментальное физическое ограничение, сопряженное с конечностью передачи физических взаимодействий (300 тыс. км/с, такова, например, скорость радиоволн в вакууме). Например, при минимальном расстояние между Землей и Марсом, равном 56 млн км, временной интервал между исходящим и мгновенно сделанным ответным сигналами будет около 6 минут. А при максимальном расстоянии между этими планетами в 401 млн км — приблизительно 45 минут.
4. Психологические и физиологические. Проблемы, связанные с длительным отсутствием гравитации и/или пребыванием в замкнутом пространстве, с психоэмоциональной совместимостью между членами экипажа и т. п.

В одной работе трудно даже очертить весь спектр проблем, связанных с освоением космоса. В данной статье рассмотрим несколько физико-технических задач, для решения которых достаточно «школьного» уровня знаний математики и физики. Поэтому результаты расчетов и выводы носят оценочный характер.

2. Термоядерная реакция с участием гелия-3

Гелий-дейтериевая реакция имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией .

1. Более низкий поток нейтронов ( ) из зоны реакции, что значительно уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора.
2. Протоны ( или ), получаемые при реакции, в отличие от нейтронов, могут улавливаться с помощью электрических и магнитных полей и в дальнейшем использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе.
3. Исходные материалы для синтеза ( ) не радиоактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса ничтожно мала.

Недостатком гелий-дейтериевой реакции следует считать практическую невозможность поддержания требуемых температур. При температурах менее миллиарда градусов Цельсия (Кельвина) термоядерная реакция слияния ядер дейтерия ( ) между собой более вероятны, и реакции между дейтерием и гелием-3 практически не происходит. При этом теплопотери за счет излучения быстро возрастают с температурой и горячая плазма будет остывать быстрее, чем сможет восполнять потери энергии за счет термоядерных реакций. Однако, в будущем с развитием науки и технологий эта проблема возможно будет решена.

Энергетический выход реакции взаимодействия одного ядра гелия-3 ( ) и одного ядра дейтерия ( или ) равен 18,4 МэВ ≈ 2,944 пДж. Если взять одну тонну гелия-3, то можно получить энергию

.

Чтобы оценить насколько велика эта энергия, рассчитаем сколько нефти нужно сжечь для получения ее получения. Удельная теплота горения нефти — q =44 МДж/кг.

.

3. Полёт к Марсу

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической скоростью:

,

где — скорость, вырывающихся из сопел реактивного двигателя газов; — масса топлива; — масса ракеты без топлива.

Если запускать ракету с Земли, то необходимо учитывать гравитационные потери (траты топлива на преодоление силы тяжести Земли), аэродинамические потери (затраты топлива на преодоление силы сопротивления воздуха при движении в плотных слоях атмосферы) и потери на управление (топливо, расходуемое рулевыми и тормозными двигателями, то есть затрачиваемое на маневры). Поэтому, очевидно, что космический корабль для полета к другим планетам «выгоднее» собирать и запускать с околоземной орбиты.

Проведем оценочные расчеты, касающиеся полёта пилотируемого космического аппарата, например, к Марсу (в одну сторону). Для расчета воспользуемся данными, которые присутствуют в открытом доступе по проекту межпланетной транспортной системы SpaceX (https://ru.wikipedia.org/wiki/Межпланетная_транспортная_система_(SpaceX)). После дозаправки межпланетного корабля на орбите масса топлива 1950 т, «сухая» масса — 150 т, масса полезного груза — 450 т. Таким образом, , . Скорость истечения газа и сопел реактивного двигателя порядка 4000 м/с (https://ru.wikipedia.org/wiki/Сопло): .

Скорость корабля, согласно формуле Циолковского,

Тогда с учетом орбитальной скорости, равной приблизительно первой космической скорости 7,9 км/с, относительно Земли корабль может получить скорость 13,7 км/с. Это превышает значение второй космической скорости , равной для Земли 11,2 км/с. Этой скорости достаточно для покидания гравитационной потенциальной ямы, созданной тяготением Земли, и межпланетного перелета. Однако, очевидно, необходим запас топлива для маневров по траектории и торможения. Если приравнять скорость корабля к второй космической, то можно рассчитать запас топлива m ’ для маневрирования и торможения, то есть

.

Отсюда

.

Таким образом, можно видеть, что запас топлива для маневрирования и торможения вполне достаточен.

Рассчитаем минимальное время для полета от Земли до Марса со скоростью 11,2 км/с, соответствующее минимальному пути 56 млн км (минимальное расстояние между Землей и Марсом):

Более подробно с проектом миссии на Марс от компании SpaceX можно ознакомиться в источнике https://ru.wikipedia.org/wiki/Межпланетная_транспортная_система_(SpaceX).

4. Защита от ионизирующего космического излучения

Наиболее интенсивными в пределах Солнечной системы являются α -, β - и γ -излучения, соответственно, потоки ядер гелия, электронов (позитронов) и квантов высокочастотного электромагнитного излучения. Земля, благодаря своему магнитному полю, хорошо защищена от потоков заряженных частиц ( α , β ). Однако, из-за его наличия вокруг Земли существуют радиационные пояса, образованные благодаря «захвату» заряженных частиц магнитным полем Земли. Вот эти пояса и представляют наибольшую угрозу экипажу и технике при их прохождении. За пределами поясов угрозу будет представлять радиационная опасность от космических лучей и солнечно-протонных штормов. Радиация может повреждать солнечные батареи, интегральные схемы и датчики. Для обеспечения надёжной работы техники необходимо использовать радиационно стойкую электронику.

В расчетах будем опираться, во-первых, на значение магнитного поля Земли и, во-вторых, на размеры корабля для миссии на Марс (SpaceX). В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25 до 65 мкТл. Планируемые размеры корабля: длина — 49,5 м, максимальный диаметр — 17 метров. Для расчетов возьмем значение магнитной индукции В =100 мкТл, диаметр катушки (соленоида) для создания защитного магнитного поля d =15 м и ее длину — l =45 м. Рассчитаем силу тока I , необходимого для создания магнитного поля такой заданной величины. Формула для расчета магнитного поля соленоида длиной l в его средней точке:

,

где n — плотность навивки провода в катушке (витков на погонный метр), — магнитная постоянная.

Для рассчитаем значение , число витков-Ампер на метр:

.

Если теперь задать значение силы тока, например, I =10 мА, то плотность навивки соленоида должна составит 8400 витков на метр или 84 витка на сантиметр длины. Данные значения силы тока и плотности навивки являются вполне адекватными. Но всё же оценим массу такой катушки. Длина провода, необходимого для навивки такой катушки равна (около 20 тыс. км!!!). Пусть катушка из алюминиевого провода сечением . Тогда объем провода будет . Следовательно масса провода будет С учетом изоляционного материала, блоков питания и управления система защиты корабля от ионизирующего излучения может иметь массу порядка 15 т. Насколько это «укладывается» в массо-габаритные параметры проектируемого корабля оценить не представляется возможным (напомним, что планируемая «сухая» масса — 150 т).

Оценим омическое сопротивление такой катушки и ее «джоулево» тепловыделение.

.

Тепловая мощность, выделяемая на соленоиде,

.

Можно видеть, что «джоулевы» потери невелики.

5. Квазигравитация

Известно, что долгое пребывание в невесомости негативно сказывается на здоровье космонавта. Это в первую очередь влияние на опорно-двигательный аппарат. Поэтому актуальна задача создания подобия силы тяжести на космическом корабле является актуальной. С точки зрения физики (но не техники) простейшим решением является «создание» гравитации за счет центробежной силы. Если создать путем вращения корабля центростремительное ускорение, равное хотя бы половине от ускорения свободного падения на Земле, то будет необходима частота вращения .

.

.

.

На первый взгляд значение частоты вращения вполне приемлемо. Технически задача, конечно, не очень проста, но принципиально решение может выглядеть следующим образом. Во-первых, необходимо для компенсации реактивного момента вращать две коаксиальных (соосных) части корабля во встречных направлениях; во-вторых, требуется устойчивость корабля на курсе, что должно обеспечиваться бортовыми гироскопами. Однако, стоит произвести оценку величины еще одного физического эффекта — силы Кориолиса

, возникающей при движении тела во вращающейся системе отсчета. В рассматриваемом случае эта сила может возникнуть при движении космонавта в плоскости перпендикулярной оси вращения, точнее, в этом случае она будет максимальна:

,

где m и V — масса и скорость космонавта, соответственно.

Пусть m =50 кг, а V =1 м/с, тогда при частоте

.

Значение возникающей силы существенно, но это максимально возможное значение, которое имеет место при поперечном относительно оси вращения движении с достаточно большой для перемещения по кораблю скорости V =1 м/с = 3,6 км/ч. Кроме того, сила Кориолиса направлена либо 1) к опорной поверхности, тем самым увеличивая вес космонавта, «плюсуюясь» к центробежной силе; 2) от опорной поверхности, уменьшая вес, т. к. вычитается их центробежной силы. То есть вес космонавта будет лежать в пределах:

Поэтому, проект обеспечения «гравитации» по такой схеме вполне жизнеспособен.

Заключение

Расчеты, проведенные в данной работе, не претендуют на высокую точность, они носят оценочный характер и дают представление о порядках физико-технических величин, необходимых для планирования космических полётов. Сама же работа в целом очерчивает проблематику вопросов, связанных с пилотируемыми и/или дальними межпланетными перелетами.

Перечислим основные результаты анализа и расчетов, а также выводы, сделанные согласно им, в данной работе.

1. Перспективность использования гелия-3 как источника энергии (его запасы велики на Луне). Одна тонна гелия-3 с энергетической точки зрения эквивалентна 13÷15 млн. тонн нефти.
2. Эффективность формулы Циолковского для выполнения первичных, базовых расчетов при планировании межпланетного полёта.
3. Оценка параметров магнитной системы космического корабля для защиты от ионизирующих космических излучений. Показано, что такая система вполне приемлема как с конструктивной (массо-габариты), так и энергетической точек зрения. Например, потери энергии на «джоулевом» тепле для такой системы не превышает 1 кВт.
4. Рассчитаны параметры «центробежной» системы создания веса с учётом влияния силы Кориолиса. Показано, что характеристики такой системы являются адекватными как с технической, так и с физиологической сторон.