Espaço reutilizável: projetos promissores de naves espaciais dos EUA. O futuro dos voos espaciais: quem substituirá o ônibus espacial e a Soyuz

Os conceitos mais interessantes geralmente estão muito longe de serem implementados na realidade. Mas se nossos ancestrais não tivessem estudado coisas que pareciam improváveis ​​naquela época, a humanidade nunca teria visto o Mar da Tranquilidade e não teria sido capaz de quebrar os átomos em prótons e nêutrons. Hoje as pessoas sonham em voar para o espaço profundo e você pode ter certeza de que esses sonhos certamente se tornarão realidade. Talvez o vôo ocorra em uma das 10 naves-conceito de nossa análise no espaço.

1. Gravimetria Swarm Flyby: um enxame de pequenos satélites

Embora a maioria dos satélites esteja ficando maior, o engenheiro espacial Justin Atchison propõe fazer o oposto – e reduzir significativamente seu tamanho. Seu projeto Swarm Flyby Gravimetry recebeu uma bolsa da NASA. Enxames de pequenas sondas devem ser usados ​​em pequenos asteróides, onde serão entregues por uma grande sonda-mãe. O projeto visa principalmente determinar a massa de asteróides e medir seu campo gravitacional. Além disso, um grupo de nanossondas baratas poderá coletar amostras para determinar a composição química dos corpos cósmicos.

2. Talise: caiaques em Titã

Embora Europa e Marte (a Europa tem um oceano sob gelo e Marte já foi muito semelhante à Terra) sejam considerados os principais candidatos à vida extraterrestre, a maior lua de Saturno, Titã, também pode abrigar uma das formas de vida suspeitas mais incomuns. Mas a 180 graus Celsius negativos, os mares de Titã não deveriam consistir de água, mas de hidrocarbonetos líquidos.

Portanto, qualquer forma de vida que surja neste ambiente terá uma estrutura única. Os rovers normais de Marte não sabem nadar. Então, para encontrar essas formas de vida incomuns, você precisa de um dispositivo que possa flutuar. Desenvolvido por engenheiros e astrobiólogos espanhóis, o aparelho Talise de 100 quilos terá que navegar pelo segundo maior mar de Titã - Ligeia. Embora haja debate sobre qual sistema de propulsão equipar o rover de titânio.

3. Helicóptero de Marte

Ao longo dos anos, inúmeros conceitos de rover em Marte foram propostos. Todos os tipos de dispositivos foram inventados - rolar, pular, cavar túneis e até flutuar. Mas até agora, quase não houve projetos para veículos voadores em Marte. O helicóptero drone desenvolvido pela NASA tem apenas cerca de 1,2 metros de tamanho e pesa pouco mais de 1 kg. A principal responsabilidade do helicóptero será o reconhecimento autônomo da superfície sobre a qual o veículo espacial se moverá posteriormente. Tal dispositivo poderia economizar centenas de milhões de dólares, evitando que os veículos de pesquisa ficassem presos. A NASA espera construir um protótipo totalmente funcional dentro de três anos.

4. Pequeno submarino para a Europa

A lua de Júpiter, Europa, é de grande interesse para os cientistas porque este mundo congelado tem um oceano salgado sob a sua concha gelada que é muito semelhante ao da Terra. Mas a espessura da camada de gelo é superior a 15 quilômetros em alguns lugares, então chegar à água é problemático. A NASA desenvolveu a sonda submersível DADU (Deeper Access, Deeper Understanding). Em primeiro lugar, esta sonda é muito leve e a sua entrega na Europa não custará uma quantia astronómica. Em segundo lugar, o tamanho da sonda é muito pequeno, por isso será capaz de penetrar no gelo através de rachaduras. O plano da NASA exige que o módulo de pouso faça um buraco no gelo e lance uma sonda presa nele (fornecendo energia continuamente). O DADU será equipado com sensores de temperatura, sonar e dispositivo de amostragem de água.

5. Bola de discoteca no espaço

6. Casa Espacial de Bigelow

Bigelow Aerospace é uma startup com financiamento privado (principalmente fundador Robert Bigelow) focada em futuras habitações espaciais. Estruturas semelhantes a dirigíveis não são esteticamente agradáveis, mas no espaço as formas aerodinâmicas simplesmente não são necessárias. A Bigelow BA 330, que está sendo desenvolvida atualmente, é maior que a cápsula Destiny da ISS - tem 14 metros de comprimento, em comparação com os 8 metros da Destiny, para que os astronautas em potencial possam caber com mais conforto.

Todos os instrumentos e instrumentos importantes estão localizados no centro da cápsula, e não ao longo das paredes, como na ISS. Na Terra, o Bigelow é embalado em uma caixa em miniatura e, no espaço, “inflará” até o tamanho funcional. Bigelow planeja conectar dois desses veículos e alugá-los como estação espacial comercial.

7. Nave estelar em 100 anos

A terra é muito grande. Mas, para se tornarem uma civilização verdadeiramente desenvolvida, as pessoas precisam abandonar os grilhões terrestres e povoar o espaço. Embora possa parecer um futuro muito distante, uma aventura interestelar está sendo planejada agora. O Programa Starship de 100 Anos (100YSS) já recebeu doações em dinheiro da NASA e DARPA, e também é apoiado pelo notório projeto SETI. O objetivo do projeto é tornar possíveis as viagens interestelares dentro de 100 anos. Um dos conceitos que podem ser desenvolvidos no âmbito do projeto foi desenvolvido na década de 1970 e foi denominado “Daedalus”. Comparável em tamanho ao USS Nimitz, esta gigantesca arca espacial percorrerá a galáxia em busca de um local adequado para fundar a Terra-II.

8. VOAR

9. Náutilus-X

O custo da estação é de apenas 3,7 mil milhões de dólares, o que é aproximadamente o mesmo que os custos combinados do pequeno rover Curiosity e da sonda Rosetta. Supõe-se também que o Nautilus-X poderá se tornar o sucessor da Estação Espacial Internacional, avaliada em US$ 150 bilhões.Uma característica distintiva da estação é um toro ao seu redor, com a ajuda da rotação do qual será criada a gravidade artificial.

10. Cidade das Nuvens em Vênus

O inferno nem sempre acontecia na superfície de Vênus. É possível que a vida tenha florescido ali há bilhões de anos. Isso poderá acontecer novamente se o conceito de cidade nas nuvens da NASA se concretizar. Como Vênus está mais próximo da Terra do que Marte, é possível que a estação espacial seja enviada para lá inicialmente. A cidade aérea da NASA flutuará 50 quilômetros acima da superfície de Vênus. A esta altitude, as condições são muito semelhantes às da Terra, e os colonos também estarão protegidos da radiação mortal do Sol. O dirigível mais leve que o ar poderá flutuar na atmosfera de Vênus por apenas 30 dias, e a viagem de ida e volta levará mais de um ano.

O homem explora não apenas o espaço, mas também as profundezas do mar. E hoje eles não são menos interessantes que as naves espaciais.

Em novembro passado, durante o TVIW (um workshop de astronomia no Tennessee sobre viagens interestelares), Rob Swinney – ex-comandante de esquadrão da Força Aérea Real, engenheiro e mestre responsável pelo projeto Icarus – apresentou um relatório sobre o trabalho realizado no projeto ultimamente. Swinney trouxe a história de Ícaro de volta à memória do público, desde a inspiração do Projeto Daedalus, destacado no relatório do BIS em 1978, até a decisão conjunta do BIS e da empresa entusiasta Tau Zero de retomar a pesquisa no ano 2009, e até o último notícias sobre o projeto, datadas de 2014.

O projeto original de 1978 tinha um objetivo simples de formulação, mas difícil de implementar - responder à questão colocada por Enrique Fermi: “Se existe vida inteligente além da Terra e as viagens interestelares são possíveis, então por que não há evidências da presença de outras civilizações alienígenas?” A pesquisa da Daedalus teve como objetivo desenvolver o projeto de uma espaçonave interestelar usando a tecnologia existente dentro de extrapolações razoáveis. E os resultados do trabalho trovejaram em todo o mundo científico: a criação de tal navio é realmente possível. O relatório do projeto foi apoiado por um plano detalhado de um navio utilizando fusão termonuclear de deutério-hélio-3 a partir de pelotas pré-preparadas. Dédalo serviu então como referência para todos os desenvolvimentos subsequentes em viagens interestelares durante 30 anos.

No entanto, após tão longo período de tempo, foi necessário reconsiderar as ideias e soluções técnicas adoptadas na Daedalus para avaliar até que ponto resistiram ao teste do tempo. Além disso, novas descobertas foram feitas durante este período, alterando o projeto de acordo com elas melhoraria o desempenho geral do navio. Os organizadores também queriam despertar o interesse da geração mais jovem pela astronomia e pela construção de estações espaciais interestelares. O novo projeto recebeu o nome de Ícaro, filho de Dédalo, o que, apesar da conotação negativa do nome, correspondia às primeiras palavras do relatório do ano 78:

“Esperamos que esta versão substitua um design futuro, um análogo do Icarus, que reflita as últimas descobertas e inovações técnicas para que o Icarus possa alcançar alturas ainda não conquistadas pela Daedalus. Esperamos que, através do desenvolvimento das nossas ideias, chegue o dia em que a humanidade literalmente toque as estrelas.”

Assim, “Icarus” foi criado justamente como uma continuação de “Daedalus”. Os indicadores do antigo projeto ainda parecem muito promissores, mas ainda precisam ser melhorados e atualizados:

1) O Daedalus usou feixes de elétrons relativísticos para comprimir grânulos de combustível, mas estudos subsequentes mostraram que este método não era capaz de fornecer o impulso necessário. Em vez disso, feixes de íons são usados ​​em laboratórios de fusão termonuclear. No entanto, o erro de cálculo, que custou à National Fusion Facility 20 anos de funcionamento e 4 mil milhões de dólares, mostrou a dificuldade de lidar com a fusão mesmo em condições ideais.

2) O principal obstáculo que Dédalo enfrentou foi o Hélio-3. Não existe na Terra e, portanto, deve ser extraído de gigantes gasosos distantes do nosso planeta. Este processo é muito caro e complicado.

3) Outro problema que “Ícaro” terá que resolver é a informação defeituosa sobre as reações nucleares. Foi precisamente a falta de informação que permitiu, há 30 anos, fazer cálculos muito optimistas sobre o impacto da irradiação de toda a nave com raios gama e neutrões, sem cuja libertação um motor de fusão termonuclear não pode prescindir.

4) O trítio foi usado em pastilhas de combustível para ignição, mas muito calor foi liberado pela decomposição de seus átomos. Sem um sistema de refrigeração adequado, a ignição do combustível será acompanhada pela ignição de todo o resto.

5) A descompressão dos tanques de combustível devido ao esvaziamento pode causar explosão na câmara de combustão. Para resolver este problema, agentes de ponderação foram adicionados ao projeto do tanque para equilibrar a pressão em diferentes partes do mecanismo.

6) A última dificuldade é a manutenção da embarcação. De acordo com o projeto, a nave está equipada com uma dupla de robôs semelhantes ao R2D2, que, por meio de algoritmos de diagnóstico, identificarão e repararão possíveis danos. Tais tecnologias parecem muito complexas mesmo agora, na era da informática, e muito menos na década de 70.

A nova equipe de design não está mais limitada à criação de um navio manobrável. Para estudar objetos, Icarus usa sondas transportadas a bordo da nave. Isso não apenas simplifica a tarefa dos projetistas, mas também reduz significativamente o tempo gasto no estudo de sistemas estelares. Em vez de deutério-hélio-3, a nova espaçonave funciona com deutério-deutério puro. Apesar da maior emissão de nêutrons, o novo combustível não só aumentará a eficiência dos motores, mas também eliminará a necessidade de extrair recursos da superfície de outros planetas. O deutério é extraído ativamente dos oceanos e usado em usinas nucleares que operam com água pesada.

Porém, a humanidade ainda não conseguiu obter uma reação de decaimento controlada com liberação de energia. A prolongada corrida de laboratórios em todo o mundo pela fusão nuclear exotérmica está atrasando o projeto do navio. Portanto, a questão do combustível ideal para uma nave interestelar permanece em aberto. Na tentativa de encontrar uma solução, foi realizado um concurso interno entre as unidades do BIS em 2013. A equipe WWAR Ghost da Universidade de Munique venceu. Seu projeto é baseado na fusão termonuclear por meio de um laser, que aquece rapidamente o combustível até a temperatura desejada.

Apesar da originalidade da ideia e de alguns movimentos de engenharia, os concorrentes não conseguiram resolver o principal dilema - a escolha do combustível. Além disso, o navio vencedor é enorme. É 4-5 vezes maior que o Daedalus e outros métodos de fusão podem exigir menos espaço.

Nesse sentido, decidiu-se promover 2 tipos de motores: um baseado na fusão termonuclear e outro baseado no Bennett pitada (motor de plasma). Além disso, paralelamente ao deutério-deutério, também está sendo considerada a versão antiga com trítio-hélio-3. Na verdade, o hélio-3 produz melhores resultados em qualquer tipo de motor, por isso os cientistas estão a trabalhar em formas de o fabricar.

Uma dependência interessante pode ser observada nos trabalhos de todos os participantes da competição: alguns elementos de projeto (sondas para pesquisa ambiental, armazenamento de combustível, sistemas secundários de alimentação, etc.) de qualquer navio permanecem inalterados. O seguinte pode ser afirmado inequivocamente:

1. O navio estará quente. Qualquer método de queima de qualquer um dos tipos de combustível apresentados é acompanhado pela liberação de grande quantidade de calor. O deutério requer um sistema de resfriamento massivo devido à liberação direta de energia térmica durante a reação. O motor de plasma magnético criará correntes parasitas nos metais circundantes, aquecendo-os também. Na Terra já existem radiadores com potência suficiente para resfriar efetivamente corpos com temperatura superior a 1000 C, resta adaptá-los às necessidades e condições da espaçonave.
2. O navio será de tamanho colossal. Uma das principais tarefas definidas para o projeto Icarus era reduzir seu tamanho, mas com o tempo ficou claro que as reações termonucleares requerem muito espaço. Mesmo as menores opções de design pesam dezenas de milhares de toneladas.
3. O navio será longo. “Daedalus” era muito compacto, cada parte se encaixava na outra, como uma boneca aninhada. Em Icarus, as tentativas de minimizar o impacto radioativo no navio levaram ao seu alongamento (isso foi bem demonstrado no projeto Firefly de Robert Freeland).

Rob Swinney relatou que um grupo da Universidade Drexel se juntou ao projeto Icarus. “Novatos” estão promovendo a ideia de usar o PJMIF (sistema baseado no jato de plasma por meio de ímãs, enquanto o plasma é estratificado, proporcionando condições para reações nucleares). Este princípio é atualmente o mais eficaz. Na verdade, esta é uma simbiose de dois métodos de reações nucleares, absorveu todas as vantagens da fusão termonuclear inercial e magnética, como a redução da massa da estrutura e uma redução significativa no custo. O projeto deles se chama "Zeus".

Após esta reunião, ocorreu a TVIW, na qual Swinney definiu uma data provisória de conclusão do Projeto Icarus em agosto de 2015. O relatório final incluirá menções a modificações em designs antigos da Daedalus e inovações inteiramente criadas pela nova equipe. O seminário terminou com um monólogo de Rob Swinney, no qual disse: “Os mistérios do Universo estão à nossa espera algures lá fora! Hora de sair daqui!

Os motores de foguetes modernos fazem um bom trabalho ao lançar equipamentos em órbita, mas são completamente inadequados para viagens espaciais de longo prazo. Portanto, há décadas, os cientistas têm trabalhado na criação de motores espaciais alternativos que possam acelerar as naves a velocidades recordes. Vejamos sete ideias-chave desta área.

EmDrive

Para se mover, você precisa se afastar de alguma coisa - esta regra é considerada um dos pilares inabaláveis ​​​​da física e da astronáutica. Do que exatamente impulsionar - terra, água, ar ou um jato de gás, como no caso dos motores de foguete - não é tão importante.

Um experimento mental bem conhecido: imagine que um astronauta foi para o espaço sideral, mas o cabo que o conecta à espaçonave se quebra repentinamente e a pessoa começa a voar lentamente para longe. Tudo o que ele tem é uma caixa de ferramentas. Quais são suas ações? Resposta correta: ele precisa jogar as ferramentas fora do navio. De acordo com a lei da conservação do momento, a pessoa será atirada para longe da ferramenta com exatamente a mesma força com que a ferramenta é atirada para longe da pessoa, de modo que ela se moverá gradativamente em direção ao navio. Esta é a propulsão a jato - a única maneira possível de se mover no espaço vazio. É verdade que o EmDrive, como mostram os experimentos, tem algumas chances de refutar essa afirmação inabalável.

O criador deste motor é o engenheiro britânico Roger Schaer, que fundou sua própria empresa Satellite Propulsion Research em 2001. O design do EmDrive é muito extravagante e tem o formato de um balde de metal, selado nas duas extremidades. Dentro deste balde existe um magnetron que emite ondas eletromagnéticas, iguais a um micro-ondas normal. E isso é suficiente para criar um impulso muito pequeno, mas bastante perceptível.

O próprio autor explica o funcionamento de seu motor através da diferença de pressão da radiação eletromagnética nas diferentes extremidades do “balde” - na extremidade estreita é menor do que na larga. Isso cria um impulso direcionado para a extremidade estreita. A possibilidade de tal operação do motor foi contestada mais de uma vez, mas em todos os experimentos a instalação de Schaer mostra a presença de empuxo na direção pretendida.

Entre os experimentadores que testaram o "balde" de Schaer estão organizações como a NASA, a Universidade Técnica de Dresden e a Academia Chinesa de Ciências. A invenção foi testada em diversas condições, inclusive no vácuo, onde mostrou a presença de um empuxo de 20 micronewtons.

Isto é muito pouco em relação aos motores a jato químicos. Mas, dado que o motor de Shaer pode funcionar indefinidamente, uma vez que não necessita de abastecimento de combustível (o magnetrão pode ser alimentado por painéis solares), é potencialmente capaz de acelerar naves espaciais a velocidades enormes, medidas como uma percentagem da velocidade da luz.

Para comprovar plenamente o desempenho do motor, é necessário realizar muito mais medições e livrar-se dos efeitos colaterais que podem ser gerados, por exemplo, por campos magnéticos externos. No entanto, já estão sendo apresentadas explicações alternativas possíveis para o impulso anômalo do motor Shaer, o que, em geral, viola as leis usuais da física.

Por exemplo, foram apresentadas versões de que o motor pode criar impulso devido à interação com o vácuo físico, que no nível quântico tem energia diferente de zero e é preenchido com partículas elementares virtuais que aparecem e desaparecem constantemente. Descobriremos num futuro próximo quem estará certo - os autores desta teoria, o próprio Shaer ou outros céticos.

Vela solar

Como mencionado acima, a radiação eletromagnética exerce pressão. Isso significa que, teoricamente, pode ser convertido em movimento - por exemplo, por meio de uma vela. Assim como os navios dos séculos passados ​​captavam o vento nas suas velas, a nave espacial do futuro captaria o sol ou qualquer outra luz estelar nas suas velas.

O problema, porém, é que a pressão luminosa é extremamente baixa e diminui com o aumento da distância da fonte. Portanto, para ser eficaz, tal vela deve ter um peso muito baixo e uma área muito grande. E isso aumenta o risco de destruição de toda a estrutura ao encontrar um asteroide ou outro objeto.

Já ocorreram tentativas de construir e lançar veleiros solares ao espaço - em 1993, a Rússia testou uma vela solar na espaçonave Progress e, em 2010, o Japão realizou testes bem-sucedidos a caminho de Vênus. Mas nenhum navio jamais usou uma vela como principal fonte de aceleração. Outro projeto parece um pouco mais promissor neste aspecto – uma vela elétrica.

Vela elétrica

O sol emite não apenas fótons, mas também partículas de matéria eletricamente carregadas: elétrons, prótons e íons. Todos eles formam o chamado vento solar, que carrega cerca de um milhão de toneladas de matéria da superfície da estrela a cada segundo.

O vento solar percorre bilhões de quilômetros e é responsável por alguns fenômenos naturais em nosso planeta: tempestades geomagnéticas e aurora boreal. A Terra está protegida do vento solar pelo seu próprio campo magnético.

O vento solar, assim como o vento aéreo, é bastante adequado para viagens, basta fazê-lo soprar nas velas. O projeto da vela elétrica, criado em 2006 pelo cientista finlandês Pekka Janhunen, tem pouco em comum com a vela solar. Este motor consiste em vários cabos longos e finos, semelhantes aos raios de uma roda sem aro.

Graças a um canhão de elétrons que emite contra a direção do movimento, esses cabos adquirem um potencial carregado positivamente. Como a massa de um elétron é aproximadamente 1.800 vezes menor que a massa de um próton, o impulso criado pelos elétrons não desempenhará um papel fundamental. Os elétrons do vento solar também não são importantes para tal vela. Mas partículas carregadas positivamente - prótons e radiação alfa - serão repelidas dos cabos, criando assim o impulso do jato.

Embora este impulso seja cerca de 200 vezes menor do que o de uma vela solar, a Agência Espacial Europeia mostrou-se interessada. O fato é que uma vela elétrica é muito mais fácil de projetar, fabricar, implantar e operar no espaço. Além disso, com a ajuda da gravidade, a vela também permite viajar até a fonte do vento estelar, e não apenas a partir dela. E como a área de superfície dessa vela é muito menor do que a de uma vela solar, ela é muito menos vulnerável a asteróides e detritos espaciais. Talvez veremos os primeiros navios experimentais com velas elétricas nos próximos anos.

Motor iônico

O fluxo de partículas carregadas de matéria, isto é, íons, não é emitido apenas pelas estrelas. O gás ionizado também pode ser criado artificialmente. Normalmente, as partículas de gás são eletricamente neutras, mas quando seus átomos ou moléculas perdem elétrons, tornam-se íons. Em sua massa total, esse gás ainda não possui carga elétrica, mas suas partículas individuais ficam carregadas, o que significa que podem se mover em um campo magnético.

Em um motor iônico, um gás nobre (geralmente xenônio) é ionizado por um fluxo de elétrons de alta energia. Eles eliminam elétrons dos átomos e adquirem uma carga positiva. Os íons resultantes são então acelerados em um campo eletrostático a velocidades da ordem de 200 km/s, que é 50 vezes maior que a velocidade do fluxo de gás dos motores a jato químicos. No entanto, os motores iônicos modernos têm empuxo muito baixo - cerca de 50-100 milinewtons. Tal motor nem seria capaz de sair da mesa. Mas tem uma vantagem séria.

O impulso específico elevado permite reduzir significativamente o consumo de combustível no motor. Para ionizar o gás, é utilizada energia obtida de painéis solares, de modo que o motor iônico pode operar por muito tempo - até três anos sem interrupção. Neste período de tempo, ele terá tempo para acelerar a espaçonave a velocidades que os motores químicos nunca sonharam.

Os motores iônicos já percorreram as extensões do sistema solar mais de uma vez como parte de várias missões, mas geralmente como auxiliares, e não como principais. Hoje, os motores de plasma são cada vez mais considerados uma possível alternativa aos motores iônicos.

Motor de plasma

Se o grau de ionização dos átomos se tornar alto (cerca de 99%), então esse estado de agregação da substância é chamado de plasma. O estado de plasma só pode ser alcançado em altas temperaturas, portanto, nos motores de plasma, o gás ionizado é aquecido a vários milhões de graus. O aquecimento é realizado por meio de uma fonte de energia externa - painéis solares ou, mais realisticamente, um pequeno reator nuclear.

O plasma quente é então ejetado através do bocal do foguete, criando dezenas de vezes mais empuxo do que um motor iônico. Um exemplo de motor de plasma é o projeto VASIMR, que vem se desenvolvendo desde a década de 70 do século passado. Ao contrário dos motores iônicos, os motores de plasma ainda não foram testados no espaço, mas grandes esperanças estão depositadas neles. É o motor de plasma VASIMR um dos principais candidatos para voos tripulados a Marte.

Motor de fusão

As pessoas têm tentado domar a energia da fusão termonuclear desde meados do século XX, mas até agora não foram capazes de o fazer. No entanto, a fusão termonuclear controlada ainda é muito atrativa, porque é uma fonte de enorme energia obtida a partir de combustíveis muito baratos - isótopos de hélio e hidrogênio.

No momento, existem vários projetos de motores a jato movidos a energia de fusão termonuclear. O mais promissor deles é considerado um modelo baseado em um reator com confinamento magnético de plasma. O reator termonuclear em tal motor será uma câmara cilíndrica não pressurizada medindo 100–300 metros de comprimento e 1–3 metros de diâmetro. A câmara deve ser abastecida com combustível na forma de plasma de alta temperatura, que, sob pressão suficiente, entra em uma reação de fusão nuclear. As bobinas do sistema magnético localizadas ao redor da câmara devem evitar que esse plasma entre em contato com o equipamento.

A zona de reação termonuclear está localizada ao longo do eixo desse cilindro. Com a ajuda de campos magnéticos, o plasma extremamente quente flui através do bico do reator, criando um enorme empuxo, muitas vezes maior que o dos motores químicos.

Motor de antimatéria

Toda a matéria ao nosso redor consiste em férmions - partículas elementares com spin meio inteiro. São, por exemplo, os quarks, que constituem prótons e nêutrons nos núcleos atômicos, bem como os elétrons. Além disso, cada férmion possui sua própria antipartícula. Para um elétron isso é um pósitron, para um quark é um antiquark.

As antipartículas têm a mesma massa e o mesmo spin que seus “camaradas” comuns, diferindo no sinal de todos os outros parâmetros quânticos. Teoricamente, as antipartículas são capazes de produzir antimatéria, mas até agora a antimatéria não foi detectada em nenhum lugar do Universo. Para a ciência fundamental, é uma grande questão saber por que ela não existe.

Mas em condições de laboratório é possível obter uma certa quantidade de antimatéria. Por exemplo, um experimento foi recentemente conduzido para comparar as propriedades de prótons e antiprótons que foram armazenados em uma armadilha magnética.

Quando a antimatéria e a matéria comum se encontram, ocorre um processo de aniquilação mútua, acompanhado por uma onda de energia colossal. Então, se você pegar um quilograma de matéria e antimatéria, a quantidade de energia liberada durante seu encontro será comparável à explosão da “Tsar Bomba” - a bomba de hidrogênio mais poderosa da história da humanidade.

Além disso, uma parte significativa da energia será liberada na forma de fótons de radiação eletromagnética. Nesse sentido, existe o desejo de utilizar essa energia para viagens espaciais, criando um motor fotônico, semelhante a uma vela solar, só que neste caso a luz será gerada por uma fonte interna.

Mas para utilizar efetivamente a radiação em um motor a jato, é necessário resolver o problema de criar um “espelho” que seja capaz de refletir esses fótons. Afinal, o navio precisa de alguma forma se impulsionar para criar impulso.

Nenhum material moderno pode simplesmente suportar a radiação gerada no caso de tal explosão e irá evaporar instantaneamente. Nos seus romances de ficção científica, os irmãos Strugatsky resolveram este problema criando um “refletor absoluto”. Na vida real, nada parecido foi alcançado ainda. Esta tarefa, bem como a questão da criação de grandes quantidades de antimatéria e do seu armazenamento a longo prazo, é uma questão para a física do futuro.

História

Durante a Guerra Fria, o espaço foi uma das arenas de luta entre a União Soviética e os Estados Unidos. O confronto geopolítico entre superpotências foi o principal incentivo naqueles anos para o desenvolvimento da indústria espacial. Uma enorme quantidade de recursos foi dedicada a programas de exploração espacial. Em particular, o governo dos EUA gastou cerca de vinte e cinco bilhões de dólares na implementação do projeto Apollo, cujo principal objetivo era pousar um homem na superfície da Lua. Na década de 70 do século passado, esse montante era simplesmente gigantesco. O programa lunar da URSS, que nunca estava destinado a se tornar realidade, custou ao orçamento da União Soviética 2,5 bilhões de rublos. O desenvolvimento da espaçonave doméstica reutilizável Buran custou dezesseis bilhões de rublos. Ao mesmo tempo, o destino destinou Buran a fazer apenas um voo espacial.

O seu homólogo americano teve muito mais sorte. O ônibus espacial fez cento e trinta e cinco lançamentos. Mas a nave americana não durou para sempre. A nave, criada no âmbito do programa estadual “Sistema de Transporte Espacial”, realizou seu último lançamento espacial em 8 de julho de 2011, que terminou na madrugada do dia 21 de julho do mesmo ano. Durante a implementação do programa, os americanos produziram seis ônibus espaciais, um dos quais era um protótipo que nunca realizou voos espaciais. Dois navios foram completamente catastróficos.

Decolagem da Apollo 11

Do ponto de vista da viabilidade económica, o programa do vaivém espacial dificilmente pode ser considerado um sucesso. As naves espaciais descartáveis ​​revelaram-se muito mais económicas do que as suas homólogas reutilizáveis, aparentemente mais avançadas tecnologicamente. E a segurança dos voos nos ônibus era questionável. Durante a operação, como resultado de dois desastres, quatorze astronautas foram vítimas. Mas a razão para resultados tão ambíguos da viagem espacial da lendária nave não reside na sua imperfeição técnica, mas na complexidade do próprio conceito de nave espacial reutilizável.

Como resultado, a espaçonave descartável russa Soyuz, desenvolvida na década de 60 do século passado, tornou-se o único tipo de espaçonave que atualmente realiza voos tripulados para a Estação Espacial Internacional (ISS). Deve-se notar imediatamente que isso não indica de forma alguma sua superioridade sobre o ônibus espacial. A espaçonave Soyuz, bem como os caminhões espaciais não tripulados Progress criados com base nela, apresentam uma série de deficiências conceituais. Eles são muito limitados em capacidade de carga. E o uso de tais dispositivos leva ao acúmulo de detritos orbitais remanescentes após sua operação. Os voos espaciais em naves espaciais do tipo Soyuz muito em breve farão parte da história. Ao mesmo tempo, hoje não existem alternativas reais. O enorme potencial inerente ao conceito de navios reutilizáveis ​​permanece muitas vezes tecnicamente irrealizável, mesmo nos nossos tempos.

O primeiro projeto da aeronave orbital reutilizável soviética OS-120 Buran, proposta pela NPO Energia em 1975 e que era análoga ao ônibus espacial americano

Novas naves espaciais dos EUA

Em julho de 2011, o presidente americano Barack Obama disse: um voo para Marte é um novo e, pelo que se pode supor, o principal objetivo dos astronautas americanos para as próximas décadas. Um dos programas realizados pela NASA no âmbito da exploração da Lua e do voo para Marte foi o programa espacial de grande escala “Constellation”.

Baseia-se na criação de uma nova espaçonave tripulada "Orion", dos veículos lançadores "Ares-1" e "Ares-5", bem como do módulo lunar "Altair". Apesar de em 2010 o governo dos EUA ter decidido restringir o programa Constellation, a NASA conseguiu continuar a desenvolver o Orion. O primeiro voo de teste não tripulado do navio está previsto para 2014. A previsão é que durante o vôo o aparelho se afaste seis mil quilômetros da Terra. Isto é cerca de quinze vezes mais longe que a ISS. Após o voo de teste, a nave seguirá em direção à Terra. O novo aparelho poderá entrar na atmosfera a uma velocidade de 32 mil km/h. De acordo com este indicador, Orion é mil e quinhentos quilômetros superior ao lendário Apollo. O primeiro voo experimental não tripulado da Orion pretende demonstrar as suas capacidades potenciais. Testar o navio deverá ser um passo importante para o seu lançamento tripulado, previsto para 2021.

De acordo com os planos da NASA, os veículos de lançamento Orion serão Delta 4 e Atlas 5. Foi decidido abandonar o desenvolvimento de Ares. Além disso, para a exploração do espaço profundo, os americanos estão projetando um novo veículo de lançamento superpesado SLS.

Orion é uma espaçonave parcialmente reutilizável e está conceitualmente mais próxima da espaçonave Soyuz do que do ônibus espacial. As espaçonaves mais promissoras são parcialmente reutilizáveis. Este conceito pressupõe que após pousar na superfície da Terra, a cápsula habitável da nave possa ser reutilizada para lançamento ao espaço sideral. Isso torna possível combinar a praticidade funcional das espaçonaves reutilizáveis ​​com a relação custo-benefício da operação de espaçonaves do tipo Soyuz ou Apollo. Esta decisão constitui uma fase transitória. É provável que num futuro distante todas as naves espaciais se tornem reutilizáveis. Assim, o vaivém espacial americano e o Buran soviético estavam, num certo sentido, à frente do seu tempo.

Orion é uma cápsula multifuncional parcialmente reutilizável, nave espacial tripulada dos EUA, desenvolvida desde meados dos anos 2000 como parte do programa Constellation.

Parece que as palavras “praticidade” e “previsão” descrevem melhor os americanos. O governo dos EUA decidiu não colocar todas as suas ambições espaciais nos ombros de um Orion. Atualmente, diversas empresas privadas, encomendadas pela NASA, estão desenvolvendo suas próprias espaçonaves projetadas para substituir os dispositivos usados ​​hoje. A Boeing está desenvolvendo a CST-100, uma espaçonave tripulada parcialmente reutilizável, como parte de seu programa de Desenvolvimento de Tripulação Comercial (CCDev). O dispositivo foi projetado para fazer viagens curtas à órbita baixa da Terra. Sua principal tarefa será a entrega de tripulação e carga à ISS.

A tripulação do navio pode ser de até sete pessoas. Ao mesmo tempo, durante o projeto do CST-100, foi dada especial atenção ao conforto dos astronautas. O espaço habitacional do dispositivo é muito mais extenso do que os navios da geração anterior. Provavelmente será lançado usando veículos de lançamento Atlas, Delta ou Falcon. Ao mesmo tempo, o Atlas-5 é a opção mais adequada. O navio pousará com pára-quedas e airbags. De acordo com os planos da Boeing, o CST-100 passará por uma série de testes de lançamento em 2015. Os dois primeiros voos serão não tripulados. Sua principal tarefa é lançar o veículo em órbita e testar sistemas de segurança. Durante o terceiro voo, está prevista uma acoplagem tripulada à ISS. Se os testes forem bem-sucedidos, o CST-100 poderá em breve substituir as espaçonaves russas Soyuz e Progress, que detêm o monopólio dos voos tripulados para a Estação Espacial Internacional.

CST-100 – nave espacial de transporte tripulada

Outro navio privado que entregará carga e tripulação à ISS será um dispositivo desenvolvido pela SpaceX, parte da Sierra Nevada Corporation. O veículo monobloco Dragon parcialmente reutilizável foi desenvolvido no âmbito do programa Commercial Orbital Transportation Services (COTS) da NASA. Está prevista a construção de três modificações: tripulada, de carga e autônoma. A tripulação da espaçonave tripulada, como no caso da CST-100, pode ser de sete pessoas. Na modificação de carga, o navio transportará quatro pessoas e duas toneladas e meia de carga.

E no futuro eles querem usar o Dragão para voos para o Planeta Vermelho. Por que eles desenvolverão uma versão especial do navio - “Red Dragon”. De acordo com os planos da liderança espacial americana, um voo não tripulado do dispositivo para Marte ocorrerá em 2018, e o primeiro voo tripulado de teste de uma espaçonave dos EUA deverá ocorrer em alguns anos.

Uma das características do “Dragão” é a sua reutilização. Após o voo, parte dos sistemas de energia e tanques de combustível serão baixados à Terra junto com a cápsula habitável da nave e poderão ser reaproveitados em voos espaciais. Essa capacidade de design diferencia o novo navio dos projetos mais promissores. Num futuro próximo, “Dragon” e CST-100 irão complementar-se e funcionar como uma “rede de segurança”. Se um tipo de navio, por algum motivo, não puder executar as tarefas que lhe foram atribuídas, outro assumirá parte de seu trabalho.

Dragon SpaceX é uma espaçonave de transporte privado (SC) da SpaceX, desenvolvida por encomenda da NASA como parte do programa Commercial Orbital Transportation (COTS), projetada para entregar carga útil e, no futuro, pessoas à ISS

O Dragão foi lançado em órbita pela primeira vez em 2010. O voo de teste não tripulado foi concluído com sucesso e, alguns anos depois, nomeadamente em 25 de maio de 2012, o dispositivo atracou na ISS. Naquela época, a nave não possuía sistema de acoplagem automática, e para implementá-lo foi necessário utilizar o manipulador da estação espacial.

Este voo foi considerado o primeiro acoplamento de uma espaçonave privada à Estação Espacial Internacional. Façamos já uma reserva: o Dragon e uma série de outras naves espaciais desenvolvidas por empresas privadas dificilmente podem ser chamadas de privadas no sentido pleno da palavra. Por exemplo, a NASA alocou US$ 1,5 bilhão para o desenvolvimento do Dragão. Outros projetos privados também recebem apoio financeiro da NASA. Portanto, não estamos tanto a falar da comercialização do espaço, mas de uma nova estratégia para o desenvolvimento da indústria espacial, baseada na cooperação entre o Estado e o capital privado. Outrora tecnologias espaciais secretas, anteriormente disponíveis apenas para o Estado, são agora propriedade de uma série de empresas privadas envolvidas no campo da astronáutica. Esta circunstância por si só é um poderoso incentivo para o crescimento das capacidades tecnológicas das empresas privadas. Além disso, esta abordagem permitiu empregar um grande número de especialistas da indústria espacial na esfera privada, que anteriormente haviam sido demitidos pelo Estado devido ao encerramento do programa do Ônibus Espacial.

Quando se trata do programa de desenvolvimento de naves espaciais por empresas privadas, talvez o mais interessante seja o projeto da empresa SpaceDev, denominado “Dream Chaser”. Doze empresas parceiras, três universidades americanas e sete centros da NASA também participaram do seu desenvolvimento.

O conceito da espaçonave tripulada reutilizável Dream Chaser, desenvolvida pela empresa americana SpaceDev, divisão da Sierra Nevada Corporation

Esta nave é muito diferente de todos os outros desenvolvimentos espaciais promissores. O Dream Chaser reutilizável parece um ônibus espacial em miniatura e é capaz de pousar como um avião comum. Ainda assim, as principais tarefas do navio são semelhantes às do Dragon e do CST-100. O aparelho servirá para entregar carga e tripulação (até as mesmas sete pessoas) à órbita baixa da Terra, onde será lançado por meio do veículo lançador Atlas-5. Este ano o navio deverá realizar seu primeiro vôo não tripulado e até 2015 está previsto preparar o lançamento de sua versão tripulada. Mais um detalhe importante. O projeto Dream Chaser está sendo criado com base no desenvolvimento americano da década de 1990 - a aeronave orbital HL-20. O projeto deste último tornou-se um análogo do sistema orbital soviético “Spiral”. Todos os três dispositivos têm aparência semelhante e funcionalidade esperada. Isto levanta uma questão completamente lógica. Deveria a União Soviética ter desmantelado o sistema aeroespacial Spiral, semi-acabado?

O que nós temos?

Em 2000, a RSC Energia iniciou o projeto do complexo espacial multifuncional Clipper. Esta espaçonave reutilizável, que lembra um pouco um ônibus espacial menor, deveria ser usada para resolver uma ampla variedade de problemas: entrega de carga, evacuação da tripulação da estação espacial, turismo espacial, voos para outros planetas. Havia certas esperanças para o projeto. Como sempre, as boas intenções foram cobertas por uma bacia de cobre de falta de financiamento. Em 2006, o projeto foi encerrado. Ao mesmo tempo, as tecnologias desenvolvidas no âmbito do projecto Clipper deverão ser utilizadas para a concepção do Sistema Avançado de Transporte Tripulado (PPTS), também conhecido como projecto Rus.

A versão alada do Clipper em vôo orbital. Desenho do webmaster baseado no modelo Clipper 3D

©Vadim Lukashevich

É o PPTS (claro, este ainda é apenas o nome “funcional” do projeto), como acreditam os especialistas russos, que estará destinado a se tornar um sistema espacial doméstico de nova geração, capaz de substituir o Soyuz e o Progress, que estão envelhecendo rapidamente. . Assim como no caso do Clipper, a espaçonave está sendo desenvolvida pela RSC Energia. A modificação básica do complexo será o “Navio de Transporte Tripulado de Próxima Geração” (PTK NK). Sua principal tarefa, novamente, será a entrega de carga e tripulação à ISS. No longo prazo - o desenvolvimento de modificações capazes de voar até a Lua e realizar missões de pesquisa de longo prazo. O próprio navio promete ser parcialmente reutilizável. A cápsula viva pode ser reutilizada após o pouso. Compartimento do motor - não. Uma característica curiosa do navio é a capacidade de pousar sem o uso de pára-quedas. Um sistema de jato será utilizado para frenagem e pouso suave na superfície terrestre.

Ao contrário da sonda Soyuz, que descola do cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão, a nova sonda será lançada a partir do novo cosmódromo Vostochny, que está a ser construído na região de Amur. A tripulação será de seis pessoas. O veículo tripulado também é capaz de transportar uma carga de quinhentos quilos. Na versão não tripulada, a nave será capaz de entregar “guloseimas” mais impressionantes na órbita baixa da Terra, pesando duas toneladas.

Um dos principais problemas do projeto PPTS é a falta de veículos lançadores com as características necessárias. Hoje, os principais aspectos técnicos da espaçonave já foram resolvidos, mas a falta de um veículo lançador coloca seus desenvolvedores em uma posição muito difícil. Supõe-se que o novo veículo lançador será tecnologicamente próximo do Angara, desenvolvido na década de 1990.

Modelo de PTS na exposição MAKS-2009

©sdelanounas.ru

Curiosamente, outro problema sério é o próprio propósito de projetar o PTS (leia-se: realidade russa). Dificilmente a Rússia terá condições de arcar com a implementação de programas de exploração da Lua e de Marte, de escala semelhante aos implementados pelos Estados Unidos. Mesmo que o desenvolvimento do complexo espacial seja bem sucedido, muito provavelmente a sua única tarefa real será a entrega de carga e tripulação à ISS. Mas o início dos testes de voo do PPTS foi adiado para 2018. A essa altura, as promissoras espaçonaves americanas provavelmente já serão capazes de assumir as funções que são atualmente desempenhadas pelas espaçonaves russas Soyuz e Progress.

Perspectivas vagas

O mundo moderno está privado do romance dos voos espaciais - isso é um fato. É claro que não estamos falando de lançamentos de satélites e de turismo espacial. Não há necessidade de se preocupar com essas áreas da astronáutica. Os voos para a Estação Espacial Internacional são de grande importância para a indústria espacial, mas a permanência da ISS em órbita é limitada. A estação está prevista para ser liquidada em 2020. Uma espaçonave tripulada moderna é, antes de tudo, parte integrante de um programa específico. Não adianta desenvolver um novo navio sem ter uma ideia das tarefas de sua operação. Novas naves espaciais dos EUA estão sendo projetadas não apenas para entregar carga e tripulações à ISS, mas também para voos para Marte e para a Lua. No entanto, estas tarefas estão tão longe das preocupações quotidianas da Terra que dificilmente poderemos esperar quaisquer avanços significativos no campo da astronáutica nos próximos anos.

Uma espaçonave usada para voos em órbita baixa da Terra, inclusive sob controle humano.

Todas as naves espaciais podem ser divididas em duas classes: tripuladas e lançadas em modo de controle da superfície da Terra.

No início dos anos 20. Século XX K. E. Tsiolkovsky mais uma vez prevê a futura exploração do espaço sideral pelos terráqueos. Em sua obra “Nave Espacial” há menção às chamadas naves celestiais, cujo objetivo principal é a realização de voos humanos ao espaço.
As primeiras espaçonaves da série Vostok foram criadas sob a estrita liderança do projetista geral da OKB-1 (agora a corporação espacial e de foguetes Energia) S.P. A primeira espaçonave tripulada "Vostok" foi capaz de levar um homem ao espaço sideral em 12 de abril de 1961. Este cosmonauta era Yu. A. Gagarin.

Os principais objetivos definidos no experimento foram:

1) estudo do impacto das condições de voo orbital sobre uma pessoa, incluindo seu desempenho;

2) testar os princípios de design de naves espaciais;

3) testes de estruturas e sistemas em condições reais.

A massa total do navio era de 4,7 toneladas, diâmetro - 2,4 m, comprimento - 4,4 M. Dentre os sistemas de bordo com os quais o navio foi equipado, destacam-se: sistemas de controle (modos automático e manual); sistema de orientação automática para o Sol e orientação manual para a Terra; sistema de suporte à vida; sistema de controle térmico; sistema de pouso.

Posteriormente, os desenvolvimentos obtidos durante a implementação do programa de naves espaciais Vostok permitiram a criação de naves muito mais avançadas. Hoje, a “armada” de naves espaciais é claramente representada pela nave espacial americana de transporte reutilizável “Shuttle”, ou Ônibus Espacial.

É impossível não mencionar o desenvolvimento soviético, que atualmente não está em uso, mas poderia competir seriamente com o navio americano.

"Buran" era o nome do programa da União Soviética para criar um sistema espacial reutilizável. O trabalho no programa Buran começou em conexão com a necessidade de criar um sistema espacial reutilizável como meio de dissuadir um inimigo potencial em conexão com o início do projeto americano em janeiro de 1971.

Para implementar o projeto, foi criada a NPO Molniya. No menor tempo possível, em 1984, com o apoio de mais de mil empresas de toda a União Soviética, foi criada a primeira cópia em escala real com as seguintes características técnicas: seu comprimento era superior a 36 m e envergadura de 24 m; peso de lançamento - mais de 100 toneladas com peso de carga útil de até
30 toneladas.

O Buran possuía cabine pressurizada no compartimento de proa, que acomodava cerca de dez pessoas e a maior parte dos equipamentos para garantir o voo em órbita, descida e pouso. O navio foi equipado com dois grupos de motores na extremidade da cauda e na frente do casco para manobras; pela primeira vez, foi utilizado um sistema de propulsão combinado, que incluía tanques de combustível para oxidante e combustível, boost termostato, ingestão de líquidos em gravidade zero, equipamentos do sistema de controle, etc.

O primeiro e único vôo da espaçonave Buran foi realizado em 15 de novembro de 1988 em modo não tripulado e totalmente automático (para referência: o ônibus espacial ainda pousa apenas com controle manual). Infelizmente, a fuga do navio coincidiu com tempos difíceis que começaram no país e, devido ao fim da Guerra Fria e à falta de fundos suficientes, o programa Buran foi encerrado.

A série American Space Shuttle começou em 1972, embora tenha sido precedida por um projeto de um veículo reutilizável de dois estágios, cada estágio semelhante a um jato.

O primeiro estágio serviu como acelerador, que, após entrar em órbita, completou sua parte da tarefa e retornou à Terra com a tripulação, e o segundo estágio foi uma nave orbital e, após completar o programa, também retornou ao local de lançamento. Foi uma época de corrida armamentista, e a criação de um navio deste tipo foi considerada o principal elo desta corrida.

Para lançar o navio, os americanos utilizam um acelerador e o motor do próprio navio, cujo combustível está localizado no tanque externo. Os boosters gastos não são reutilizados após o pouso, com um número limitado de lançamentos. Estruturalmente, o navio da série Shuttle consiste em vários elementos principais: a aeronave aeroespacial Orbiter, foguetes reutilizáveis ​​e um tanque de combustível (descartável).

O primeiro voo da espaçonave, devido a um grande número de deficiências e mudanças de projeto, ocorreu apenas em 1981. No período de abril de 1981 a julho de 1982, uma série de testes de voo orbital da espaçonave Columbia foram realizados em todos os voos. modos. Infelizmente, a série de voos da série de navios Shuttle não ocorreu sem tragédias.

Em 1986, durante o 25º lançamento da espaçonave Challenger, um tanque de combustível explodiu devido a imperfeições no projeto do veículo, resultando na morte de todos os sete tripulantes. Somente em 1988, após uma série de mudanças no programa de voo, a espaçonave Discovery foi lançada. O Challenger foi substituído por um novo navio, o Endeavour, que está em operação desde 1992.