مشروع بعيد المنال. الوصول للنجوم
الوهج البارد للنجوم جميل بشكل خاص في سماء الشتاء. في هذا الوقت ، تصبح ألمع النجوم والأبراج مرئية: Orion و Pleiades و Canis Major مع Sirius المبهر ...
قبل ربع قرن ، سأل سبعة من ضباط البحرية في الأكاديمية البحرية أنفسهم سؤالًا غير عادي: ما مدى قرب البشرية الحديثة من النجوم؟ كانت نتيجة البحث تقريرًا مفصلاً أصبح معروفًا باسم مشروع Longshot (Long Shot). مفهوم مركبة فضائية آلية بين النجوم قادرة على الوصول إلى أقرب النجوم في فترة زمنية معقولة. لا آلاف السنين من الطيران و "سفن الأجيال"! يجب أن يصل المسبار إلى المنطقة المجاورة لـ Alpha Centauri في غضون 100 عام من تاريخ إطلاقه في الفضاء.
الفضاء الفائق ، أغطية الجاذبية ، صواريخ المادة المضادة والصواريخ الضوئية ... لا! كانت السمة الرئيسية للمشروع هي الرهان على التقنيات الحالية. وفقًا للمطورين ، فإن تصميم Longshot يجعل من الممكن بناء مركبة فضائية في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين!
مائة عام من الطيران مع التقنيات الحالية. لم يسمع به من جرأة ، بالنظر إلى مقياس المسافات الكونية. بين الشمس وألفا قنطورس تقع "هاوية سوداء" بعرض 4,36 سيفرت. من السنة. أكثر من 40 تريليون. كيلومترات! يتضح المعنى الوحشي لهذا الشكل في المثال التالي.
إذا قلصنا حجم الشمس إلى حجم كرة التنس ، فسيكون النظام الشمسي بأكمله مناسبًا للمربع الأحمر. ستنخفض أبعاد الأرض في المقياس المحدد إلى حجم حبة الرمل ، بينما ستقع أقرب "كرة تنس" - Alpha Centauri - في ساحة سان ماركو في البندقية.
ستستغرق الرحلة إلى Alpha Centauri على متن مكوك تقليدي أو مركبة فضائية Soyuz 190000 ألف عام.
التشخيص الرهيب يشبه الجملة. هل حقاً محكوم علينا بالجلوس على "حبة الرمل" الخاصة بنا ، دون أن تكون لدينا فرصة للوصول إلى النجوم؟ في مجلات العلوم الشعبية ، هناك حسابات تثبت أنه من المستحيل تسريع مركبة فضائية إلى سرعات قريبة من الضوء. سيتطلب هذا "حرق" كل مواد النظام الشمسي.
ومع ذلك ، هناك فرصة! أثبت مشروع Longshot أن النجوم أقرب بكثير مما نتخيله.
يوجد على جسم فوييجر لوحة بها خريطة للنجوم النابضة توضح موقع الشمس في المجرة ، بالإضافة إلى معلومات مفصلة عن سكان الأرض. ومن المتوقع أن يجد الفضائيون يومًا ما هذا "الفأس الحجري" ويأتون لزيارتنا. ولكن ، إذا تذكرنا خصوصيات سلوك جميع الحضارات التكنولوجية على الأرض و القصة الفتوحات الأمريكية من قبل الغزاة ، لا يمكن للمرء أن يعتمد على "الاتصال السلمي" ...
مهمة إكسبيديشن
احصل على مائة عام لنظام Alpha Centauri.
على عكس "المركبات الفضائية" الأخرى ("Daedalus") ، كان مشروع Longshot يعني الدخول في مدار نظام نجمي (Alpha و Beta Centauri). أدى هذا إلى تعقيد المهمة بشكل كبير وإطالة وقت الرحلة ، ولكنه سيسمح بإجراء دراسة تفصيلية للمنطقة المجاورة للنجوم البعيدة (على عكس Daedalus ، الذي كان من الممكن أن يندفع متجاوزًا الهدف في يوم ويختفي دون أي أثر في أعماق الفضاء) .
ستستغرق الرحلة 100 عام. ستكون هناك حاجة إلى 4,36 سنة أخرى لنقل المعلومات إلى الأرض.
نظام Alpha Centauri مقارنة بالنظام الشمسي
يعلق علماء الفلك آمالًا كبيرة على المشروع - إذا نجح ، فسيكون لديهم أداة رائعة لقياس المنظر (المسافات إلى النجوم الأخرى) بأساس 4,36 سيفرت. من السنة.
كما أن الرحلة التي استمرت قرنًا من الزمان خلال الليل لن تمر بلا هدف: سوف يدرس الجهاز الوسط النجمي وسيوسع معرفتنا بالحدود الخارجية للنظام الشمسي.
أطلق النار على النجوم
المشكلة الرئيسية والوحيدة للسفر إلى الفضاء هي المسافات الهائلة. بعد حل هذه المشكلة ، سنحل كل الباقي. سيؤدي تقليل وقت الرحلة إلى إزالة مشكلة مصدر الطاقة على المدى الطويل والموثوقية العالية لأنظمة السفينة. سيتم حل مشكلة وجود شخص على متن الطائرة. تجعل الرحلة القصيرة أنظمة دعم الحياة المعقدة وإمدادات ضخمة من الطعام / الماء / الهواء على متن الطائرة غير ضرورية.
لكن هذه أحلام بعيدة. في الحالة قيد النظر ، من الضروري تسليم مسبار غير مأهول إلى النجوم في غضون قرن واحد. نحن لا نعرف كيف نكسر استمرارية الزمكان ، لذلك لا يوجد سوى مخرج واحد: زيادة السرعة الأرضية لـ "المركبة الفضائية".
كما أظهر الحساب ، فإن الرحلة إلى Alpha Centauri في 100 عام تتطلب سرعة لا تقل عن 4,5٪ من سرعة الضوء. 13500 كم / ثانية.
لا توجد محظورات أساسية تسمح للأجساد في العالم الكبير بالتحرك بالسرعة المحددة ، ومع ذلك ، فإن قيمتها كبيرة بشكل رهيب. للمقارنة: كانت سرعة أسرع مركبة فضائية (مسبار نيو هورايزونز) بعد إيقاف تشغيل المرحلة العليا هي 16,26 كم / ث (58636 كم / ساعة) "فقط" بالنسبة للأرض.
المركبة الفضائية مفهوم Longshot
كيف يمكن تسريع سفينة بين النجوم بسرعة تصل إلى آلاف الكيلومترات / ثانية؟ الجواب واضح: هناك حاجة إلى محرك بقوة دفع عالية ونبضات محددة لا تقل عن 1000000،XNUMX،XNUMX ثانية.
الدافع المحدد هو مؤشر على كفاءة المحرك النفاث. يعتمد على الوزن الجزيئي ودرجة الحرارة وضغط الغاز في غرفة الاحتراق. كلما زاد فرق الضغط في غرفة الاحتراق وفي البيئة الخارجية ، زادت سرعة انتهاء صلاحية مائع العمل. وبالتالي ، زيادة كفاءة المحرك.
أفضل عينات المحركات النفاثة الكهربائية الحديثة (EP) لها دفعة محددة تبلغ 10000 ثانية ؛ بسرعة تدفق الحزم من الجسيمات المشحونة - حتى 100000 كم / ثانية. استهلاك السائل العامل (زينون / كريبتون) هو بضعة مليغرام في الثانية. يرن المحرك بهدوء طوال الرحلة ، مما يسرع الجهاز ببطء.
تأسر محركات الدفع الكهربائية ببساطتها النسبية وتكلفتها المنخفضة وإمكانية تحقيق سرعات عالية (عشرات الكيلومترات / ثانية) ، ولكن بسبب قوة الدفع المنخفضة (أقل من نيوتن واحد) ، يمكن أن يستغرق التسارع عقودًا.
شيء آخر هو محركات الصواريخ الكيميائية التي تعمل بالوقود السائل ، والتي تعتمد عليها جميع رواد الفضاء الحديثة. لديهم قوة دفع ضخمة (عشرات ومئات الأطنان) ، لكن أقصى دفعة محددة لمحرك صاروخي مكون من ثلاثة مكونات (ليثيوم / هيدروجين / فلور) هي 542 ثانية فقط ، مع سرعة عادم غاز تزيد قليلاً عن 5 كم / ثانية. هذا هو الحد.
تتيح الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل إمكانية زيادة سرعة المركبة الفضائية بعدة كيلومترات في الثانية في وقت قصير ، لكنها ليست قادرة على أكثر من ذلك. ستحتاج المركبة الفضائية إلى محرك يعتمد على مبادئ فيزيائية أخرى.
اعتبر مبدعو "Longshot" عدة طرق غريبة ، بما في ذلك "شراع خفيف" ، تم تسريعها باستخدام ليزر بقوة 3,5 تيراواط (تم التعرف على الطريقة على أنها غير عملية).
حتى الآن ، الطريقة الواقعية الوحيدة للسفر إلى النجوم هي محرك نووي نابض (نووي حراري). يعتمد مبدأ العملية على الاندماج النووي الحراري بالليزر (LTF) ، الذي تمت دراسته جيدًا في المختبر. تركيز كمية كبيرة من الطاقة في أحجام صغيرة من المادة في فترة زمنية قصيرة (<10 ^ -10 ... 10 ^ -9 ثانية) مع حبس البلازما بالقصور الذاتي.
في حالة Longshot ، ليس هناك شك في وجود أي تفاعل مستقر للاندماج النووي الحراري المتحكم فيه: لا يلزم حجز البلازما طويل المدى. لإنشاء الدفع النفاث ، يجب "دفع" الجلطة الناتجة ذات درجة الحرارة المرتفعة فورًا بواسطة المجال المغناطيسي الموجود فوق السفينة.
الوقود عبارة عن خليط من الهليوم -3 / الديوتيريوم. سيكون الإمداد بالوقود المطلوب لرحلة بين النجوم 264 طنًا.
بطريقة مماثلة ، من المخطط تحقيق كفاءة غير مسبوقة: تظهر قيمة الدافع المحدد 1,02 مليون ثانية في الحسابات!
كمصدر رئيسي للطاقة لتشغيل أنظمة السفينة - ليزر المحرك النبضي وأنظمة التوجيه والاتصالات والأدوات العلمية - تم اختيار مفاعل تقليدي يعتمد على تجميعات وقود اليورانيوم. يجب ألا تقل الطاقة الكهربائية للتركيب عن 300 كيلو واط (طاقة حرارية - تقريبًا أعلى من حيث الحجم).
من وجهة نظر التكنولوجيا الحديثة ، فإن إنشاء مفاعل لا يتطلب إعادة شحن لمدة قرن كامل ليس بالمهمة السهلة ، ولكنه ممكن عمليًا. حتى الآن ، تستخدم السفن الحربية أنظمة تحكم تعمل بالطاقة النووية ، والتي يتمتع جوهرها بعمر خدمة يتناسب مع عمر خدمة السفن (30-50 عامًا). الطاقة أيضًا في وضع كامل - على سبيل المثال ، المنشأة النووية OK-650 ، المثبتة على الغواصات النووية التابعة للبحرية الروسية ، لديها طاقة حرارية تبلغ 190 ميجاوات وقادرة على توفير الكهرباء لمدينة بأكملها يبلغ عدد سكانها 50000 نسمة !
هذه التركيبات قوية للغاية بالنسبة للفضاء. يتطلب الاكتناز والامتثال الدقيق للخصائص المحددة. على سبيل المثال ، في 10 يوليو 1987 ، تم إطلاق Cosmos-1867 - قمر صناعي سوفيتي مع منشأة نووية "Yenisei" (كتلة القمر الصناعي - 1,5 طن ، الطاقة الحرارية للمفاعل - 150 كيلو واط ، الطاقة الكهربائية - 6,6 كيلو واط ، وقت التشغيل - 11 شهرًا).
هذا يعني أن مفاعل 300 كيلوواط المستخدم في مشروع Longshot هو مسألة مستقبل قريب. قدر المهندسون أنفسهم أن كتلة مثل هذا المفاعل ستكون حوالي 6 أطنان.
في الواقع ، هذا هو المكان الذي تنتهي فيه الفيزياء وتبدأ الكلمات.
مشاكل السفر بين النجوم
للتحكم في المسبار ، ستكون هناك حاجة إلى نظام كمبيوتر على متن الطائرة مزود بأدوات الذكاء الاصطناعي. في الظروف التي يكون فيها وقت إرسال الإشارة أكثر من 4 سنوات ، يكون التحكم الفعال في المسبار من الأرض أمرًا مستحيلًا.
حدثت تغييرات واسعة النطاق مؤخرًا في مجال الإلكترونيات الدقيقة وإنشاء أدوات البحث. من غير المحتمل أن يكون مبتكرو "Longshot" عام 1987 قد خمنوا إمكانيات أجهزة الكمبيوتر الحديثة. يمكننا أن نفترض أن هذه المشكلة التقنية قد تم حلها بنجاح خلال ربع القرن الماضي.
يبدو الوضع مع أنظمة الاتصالات متفائلاً بنفس القدر. لنقل موثوق للمعلومات من مسافة 4,36 سيفيرت. هذا العام ، ستكون هناك حاجة إلى نظام من الليزر يعمل في وادي أمواج يبلغ 0,532 ميكرون وبطاقة إشعاعية تبلغ 250 كيلو واط. في هذه الحالة ، لكل متر مربع. متر من سطح الأرض سينخفض 222 فوتونًا في الثانية ، وهو أعلى بكثير من عتبة الحساسية للتلسكوبات الراديوية الحديثة. سيكون معدل نقل المعلومات من أقصى مسافة 1 كيلو بايت في الثانية. التلسكوبات الراديوية الحديثة وأنظمة الاتصالات الفضائية قادرة على توسيع قناة تبادل البيانات عدة مرات.
وبالمقارنة ، فإن قوة جهاز الإرسال Voyager 1 ، التي تبعد حاليًا 19 مليار كيلومتر عن الشمس (17,5 ساعة ضوئية) ، تبلغ 23 واط فقط - مثل المصباح الكهربائي في ثلاجتك. ومع ذلك ، هذا يكفي تمامًا لإرسال القياس عن بعد إلى الأرض بمعدل عدة كيلوبت في الثانية.
سطر منفصل هو مسألة التنظيم الحراري للسفينة.
مفاعل نووي من فئة ميغاواط ومحرك نووي حراري نابض هما مصدران لكمية هائلة من الطاقة الحرارية ، علاوة على ذلك ، في الفراغ ، هناك طريقتان فقط لإزالة الحرارة - الاجتثاث والإشعاع.
يمكن أن يكون الحل هو تركيب نظام مطور من المشعات والأسطح المشعة ، بالإضافة إلى عازل خزفي عازل للحرارة بين حجرة المحرك وخزانات وقود السفينة.
في المرحلة الأولى من الرحلة ، ستحتاج السفينة إلى درع وقائي إضافي من الإشعاع الشمسي (على غرار ذلك المستخدم في محطة سكايلاب المدارية). في منطقة الهدف النهائي - في مدار النجم Beta Centauri - سيكون هناك أيضًا خطر ارتفاع درجة حرارة المسبار. هناك حاجة إلى العزل الحراري للمعدات ونظام لنقل الحرارة الزائدة من جميع الكتل الهامة والأدوات العلمية إلى المشعات المشعة.
رسم بياني لتسارع السفينة بمرور الوقت
رسم بياني يوضح التغير في السرعة
إن مسألة حماية السفينة من النيازك الدقيقة وجزيئات الغبار الكوني مسألة معقدة للغاية. عند سرعة حركة تبلغ 4,5٪ من سرعة الضوء ، فإن أي اصطدام بجسم مجهري يمكن أن يلحق أضرارًا جسيمة بالمسبار. يقترح مبتكرو Longshot حل المشكلة عن طريق تثبيت شاشة واقية قوية في مقدمة السفينة (معدن؟ سيراميك؟) ، والتي كانت في نفس الوقت مشعاعًا للحرارة الزائدة.
ما مدى موثوقية هذه الحماية؟ وهل من الممكن استخدام أنظمة حماية الخيال العلمي في شكل قوة / مجالات مغناطيسية أو "غيوم" من جزيئات متناهية الصغر يحملها مجال مغناطيسي قبل مسار السفينة؟ دعونا نأمل أنه بحلول الوقت الذي يتم فيه إنشاء "المركبة الفضائية" ، سيجد المهندسون حلاً مناسبًا.
أما بالنسبة للمسبار نفسه ، فسيكون له تقليديًا تخطيط متعدد المراحل مع خزانات قابلة للفصل. المواد المستخدمة في تصنيع هياكل الهيكل هي سبائك الألومنيوم / التيتانيوم. وستكون الكتلة الإجمالية للسفينة المُجمَّعة في مدار قريب من الأرض 396 طنًا ، وبطول أقصى 65 مترًا.
للمقارنة: كتلة محطة الفضاء الدولية 417 طناً بطول 109 أمتار.
1) تكوين الإطلاق في مدار الأرض.
2) السنة الثالثة والثلاثون من الطيران ، فصل أول زوج من الدبابات.
3) السنة 67 من الطيران ، فصل الزوج الثاني من الدبابات.
4) 100 عام من الرحلة - الوصول إلى الهدف بسرعة 15-30 كم / ثانية.
فصل المرحلة الأخيرة ، والدخول في مدار دائم حول Beta Centauri.
2) السنة الثالثة والثلاثون من الطيران ، فصل أول زوج من الدبابات.
3) السنة 67 من الطيران ، فصل الزوج الثاني من الدبابات.
4) 100 عام من الرحلة - الوصول إلى الهدف بسرعة 15-30 كم / ثانية.
فصل المرحلة الأخيرة ، والدخول في مدار دائم حول Beta Centauri.
مثل محطة الفضاء الدولية ، يمكن تجميع Longshot باستخدام طريقة الكتلة في مدار أرضي منخفض. تتيح الأبعاد الواقعية للسفينة إمكانية استخدام مركبات الإطلاق الحالية في عملية تجميعها (للمقارنة ، يمكن لـ Saturn-V القوية إطلاق حمولة 120 طنًا إلى المدار الأرضي المنخفض في وقت واحد!)
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن إطلاق محرك نووي حراري نابض في مدار قريب من الأرض أمر محفوف بالمخاطر ولا مبالاة. نص مشروع Longshot على وجود مراحل عليا إضافية (محركات الصواريخ الكيميائية) لاكتساب السرعة الفضائية الثانية والثالثة وسحب السفينة من مستوى مسير الشمس (يقع نظام Alpha Centauri على ارتفاع 61 درجة فوق مستوى دوران الأرض حولها. الشمس). أيضًا ، من الممكن لهذا الغرض أن يكون هناك ما يبرر مناورة في مجال جاذبية المشتري - مثل مسابير الفضاء التي تمكنت من الهروب من مستوى مسير الشمس باستخدام التسارع "الحر" بالقرب من كوكب عملاق.
خاتمة
جميع تقنيات ومكونات سفينة افتراضية بين النجوم موجودة في الواقع.
تتوافق معلمات الوزن والحجم لمسبار Longshot مع قدرات رواد الفضاء الحديثين.
إذا بدأنا العمل اليوم ، فستكون هناك احتمالات كبيرة أنه بحلول منتصف القرن الثاني والعشرين ، سيرى أحفاد أحفادنا السعداء أول صور عن قرب لنظام ألفا سنتوري.
التقدم له اتجاه لا رجوع فيه: كل يوم تستمر الحياة في مفاجأتنا بالاختراعات والاكتشافات الجديدة. من الممكن أن تظهر أمامنا جميع التقنيات الموصوفة أعلاه في غضون 10 إلى 20 عامًا في شكل عينات عمل مصنوعة على مستوى تكنولوجي جديد.
ومع ذلك ، فإن الطريق إلى النجوم بعيد جدًا حتى لا يكون من المنطقي التحدث عنها بجدية.
ربما يكون القارئ اليقظ قد لفت الانتباه بالفعل إلى المشكلة الرئيسية لمشروع Longshot. الهليوم 3.
من أين يمكن للمرء أن يحصل على مائة طن من هذه المادة إذا كان الإنتاج السنوي من الهليوم 3 هو 60000 ألف لتر فقط (8 كيلوغرامات) في السنة بسعر يصل إلى 2000 دولار للتر ؟! يعلق كتّاب الخيال العلمي الجريئون آمالهم على استخراج الهليوم 3 على القمر وفي الغلاف الجوي للكواكب العملاقة ، لكن لا أحد يستطيع تقديم أي ضمانات في هذا الشأن.
هناك شكوك حول إمكانية تخزين مثل هذا الحجم من الوقود ومقدار جرعاته في شكل "حبوب" مجمدة ضرورية لتشغيل محرك نووي حراري نابض. ومع ذلك ، مثل مبدأ تشغيل المحرك نفسه: ما يعمل بشكل أو بآخر في ظروف معملية على الأرض لا يزال بعيدًا عن استخدامه في الفضاء الخارجي.
أخيرًا ، الموثوقية التي لا مثيل لها لجميع أنظمة التحقيق. يكتب المشاركون في مشروع Longshot عن ذلك مباشرة: إن إنشاء محرك يمكنه العمل دون توقف وإصلاح شامل لمدة 100 عام سيكون بمثابة اختراق تقني مذهل. الأمر نفسه ينطبق على جميع أنظمة وآليات المسبار الأخرى.
ومع ذلك ، لا ينبغي أن تيأس. في تاريخ الملاحة الفضائية ، هناك أمثلة على الموثوقية غير المسبوقة للمركبات الفضائية. الرواد 6 و 7 و 8 و 10 و 11 بالإضافة إلى فويجرز 1 و 2 - كلهم عملوا في الفضاء الخارجي لأكثر من 30 عامًا!
قصة دافعات الهيدرازين (محركات نظام التوجيه) لهذه المركبات الفضائية هي قصة إرشادية. تحولت Voyager 1 إلى مجموعة احتياطية في عام 2004. بحلول هذا الوقت ، عملت المجموعة الرئيسية من المحركات في الفضاء الخارجي لمدة 27 عامًا ، وتحملت 353000 شوائب. يشار إلى أنه تم تسخين محفزات المحركات بشكل مستمر حتى 300 درجة مئوية طوال هذا الوقت!
حتى يومنا هذا ، بعد 37 عامًا من الإطلاق ، يواصل كل من Voyager رحلتهما المجنونة. لقد غادروا منذ فترة طويلة الغلاف الشمسي ، لكنهم يواصلون نقل البيانات بانتظام على الوسط بين النجوم إلى الأرض.
أي نظام يعتمد على موثوقية الإنسان لا يمكن الاعتماد عليها. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه فيما يتعلق بضمان موثوقية المركبات الفضائية ، فقد تمكنا من تحقيق بعض النجاح.
توقفت جميع التقنيات اللازمة لتنفيذ "الرحلة الاستكشافية النجمية" عن تخيلات العلماء الذين يسيئون استخدام القنب ، وتجسدت في شكل براءات اختراع واضحة ونماذج عمل للتكنولوجيا. في ظروف المختبر - لكنها موجودة!
أثبت تصميم مفهوم سفينة Longshot البينجمية أن لدينا فرصة للانطلاق نحو النجوم. في هذا الطريق الشائك ، يجب التغلب على العديد من الصعوبات. لكن الشيء الرئيسي هو أن ناقل التنمية معروف ، وظهرت الثقة بالنفس.
يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول مشروع Longshot هنا: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp؟R=19890007533.
لبدء الاهتمام بهذا الموضوع ، أعرب عن امتناني لـ "ساعي البريد".
معلومات