Багаторазовий космос: перспективні проекти космічних кораблів США Майбутнє космічних польотів: хто прийде на зміну «Спейс шатлу» та «Союзу

Найбільш захоплюючі концепції зазвичай дуже далекі від реального втілення. Але якби наші предки не вивчали здаються на той час малоймовірними речі, то людство ніколи не побачило б моря Спокою і не зуміло б роздробити роздробити атоми на протони і нейтрони. Сьогодні люди мріють про польоти в далекий космос, і можна бути впевненим, що ці мрії обов'язково втіляться у реальність. Можливо, політ відбудеться на одному з 10 концептуальних кораблів з нашого космосу.

1. Swarm Flyby Gravimetry: рій крихітних супутників

У той час як більшість супутників стають все більшими, космічний інженер Джастін Атчісон пропонує зробити навпаки - і суттєво зменшувати їх розміри. Його проект Swarm Flyby Gravimetry був удостоєний гранту від NASA. Рої крихітних зондів повинні використовуватися на невеликих астероїдах, куди їх доставлятиме великий материнський зонд. В основному проект призначений для визначення маси астероїдів та вимірювання їх гравітаційного поля. Також група дешевих нанозондів зможе брати проби визначення хімічного складу космічних тіл.

2. Talise: байдарки на Титані

Незважаючи на те, що Європа та Марс (на Європі є океан під льодом, а Марс колись був дуже схожий на Землю) вважаються першими кандидатами на існування позаземного життя, на найбільшому супутнику Сатурна, Титані, також може існувати одна з найнезвичайніших передбачуваних форм життя. Але при температурі мінус 180 градусів за Цельсієм моря Титан має складатися не з води, а з рідкого вуглеводню.

Тому будь-яка форма життя, яка виникне у цьому середовищі, матиме унікальну структуру. Звичайні марсоходи не вміють плавати. Таким чином, щоб знайти ці незвичайні форми життя, потрібний апарат, який зможе плавати. Розроблений іспанськими інженерами та астробіологами 100-кілограмовий апарат Talise повинен буде вирушити у плавання за другим за величиною морем Титану - Лігеєм. Поки точаться суперечки про те, яким рушієм оснастити "титанохід".

3. Марсіанський вертоліт

Протягом багатьох років було запропоновано незліченну концепцію марсоходів. Які тільки апарати не вигадували - тунелі, що котилися, стрибають, риють і навіть плавають. Але досі майже не існувало проектів літаючих марсоходів. Розмір дрона-вертольота, розробленого NASA, всього близько 1,2 метра, а важить він трохи більше 1 кг. Основним обов'язком вертольота буде автономна розвідка поверхні, якою згодом пересуватиметься марсохід. Подібний апарат зміг би заощадити сотні мільйонів доларів, запобігаючи застряганню дослідницьких апаратів. NASA сподівається збудувати повністю робочий прототип протягом трьох років.

4. Крихітна субмарина для Європи

Супутник Юпітера Європа представляє величезний інтерес для вчених, оскільки в цьому замороженому світі під крижаною оболонкою існує солоний океан, який дуже схожий на земний. Але товщина крижаної оболонки становить понад 15 кілометрів у деяких місцях, тому дістатися до води проблематично. NASA розробило занурювальний зонд DADU (Deeper Access, Deeper Understanding). По-перше, цей зонд дуже легкий і його доставка на Європу не обійдеться в астрономічну суму. По-друге, розмір зонда дуже маленький, тому він зможе проникнути крізь товщу льоду через тріщини. План NASA передбачає, що посадковий модуль пробурить отвір крізь лід і запустить у нього зонд на тросі (безперервно забезпечуючи його енергією). DADU буде оснащено температурними датчиками, сонаром та пристроєм для забору проб води.

5. Дискотечна куля в космосі

6. Космічне житло Бігелоу

Bigelow Aerospace - фінансований приватними інвесторами (в основному засновником Робертом Бігелоу) стартап, що спеціалізується на космічних житлах майбутнього. Подібні до дирижаблів структури не дуже естетичні, але в космосі аеродинамічні форми просто не потрібні. Bigelow BA 330, який розробляється в даний момент, перевершує за розмірами капсулу МКС Destiny - його довжина 14 метрів, в порівнянні з довжиною Destiny 8 метрів, тому потенційні астронавти зможуть розміститися з великою зручністю.

Всі важливі прилади та інструменти знаходяться в центрі капсули, а не вздовж стін, як у МКС. На Землі Bigelow упакований у мініатюрний корпус, а в космосі він "роздмухується" до робочих розмірів. Бігелоу планує з'єднати два такі транспортні засоби та орендувати їх як комерційну космічну станцію.

7. Зореліт за 100 років

Земля дуже велика. Але, щоб стати по-справжньому розвиненою цивілізацією, людям потрібно відкинути земні пута і заселити космос. Хоча це може здатися дуже далеким майбутнім, але міжзоряна пригода планується вже зараз. 100-річна програма зорельоту (100YSS) вже отримала грошові гранти від NASA та DARPA, а також її підтримує відомий проект SETI. Метою проекту є зробити міжзоряні подорожі можливими протягом 100 років. Одна з концепцій, які можуть одержати подальший розвиток у рамках проекту, була розроблена ще у 1970-ті роки та отримала назву "Дедал". Порівняний з авіаносцем "Німіц" за розміром, цей гігантський космічний ковчег блукатиме галактику в пошуках прийнятного місця, щоб заснувати Землю-II.

8. SOAR

9. Nautilus-X

Вартість станції складає всього $3,7 млрд, що приблизно відповідає сукупним витратам на крихітний марсохід Curiosity та зонд Rosetta. Також передбачається, що Nautilus-X зможе стати наступником Міжнародної космічної станції вартістю $150 млрд. Відмінною рисою станції є тор навколо неї, за допомогою обертання якого створюватиметься штучна гравітація.

10. Хмарне місто на Венері

На поверхні Венери не завжди творилося пекло. Можливо, що на ній мільярди років тому процвітало життя. Так може стати знову, якщо концепт "хмарного міста" NASA втілиться в життя. Оскільки Венера ближча до Землі, ніж Марс, цілком можливо, що космічна станція буде відправлена ​​саме туди. Повітряне місто NASA плаватиме за 50 кілометрів над поверхнею Венери. На цій висоті умови дуже схожі на земні, а також колоністи захищені від смертельного випромінювання Сонця. Дирижабль легше за повітря зможе плавати в атмосфері Венери протягом усього 30 днів, а дорога туди і назад займе більше року.

Людина освоює як космос, а й морські глибини. І сьогодні не менш цікаві, ніж космічні кораблі.

У листопаді минулого року під час TVIW (астрономічного семінару в Теннессі, присвяченого міжзоряним перельотам) Роб Суїнні – колишній командир ескадрильї Королівських Військово-повітряних сил, інженер та магістр наук, відповідальний за проект «Ікар» - представив доповідь про роботу, виконану над проектом за Останнім часом. Суїні освіжив у пам'яті публіки історію «Ікара»: від натхнення ідеями проекту «Дедал», освітленими в доповіді BIS (Британське міжпланетне товариство – найстаріша організація, що підтримує космічні дослідження) у 1978, до спільного рішення БІС та компанії ентузіастів Tau Zero року, та до останніх звісток про проект, датованих 2014 роком.

Оригінальний проект 78-го року мав просту за формулюванням, але складну у виконанні мета – відповісти на запитання, поставлене Енріке Фермі: «Якщо існує розумне життя за межами Землі, і міжзоряні перельоти можливі, то чому немає доказів інших інопланетних цивілізацій?». Дослідження "Дедала" були спрямовані на розробку дизайну міжзоряного космічного корабля з використанням існуючих технологій у розумних екстраполяціях. І результати роботи прогриміли на весь науковий світ: створення такого корабля справді можливе. Доповідь про проект була підкріплена детальним планом корабля, який використовує термоядерний синтез дейтерію-гелію-3 із попередньо заготовлених гранул. "Дедал" потім служив орієнтиром для всіх подальших розробок у сфері міжзоряних перельотів протягом 30 років.

Однак після такого тривалого терміну необхідно було переглянути ідеї та технічні рішення, прийняті в «Дедалі», щоб оцінити, наскільки вони витримали перевірку часом. Крім того, за цей період відбувалися нові відкриття, зміна конструкції відповідно до них покращила б загальні показники корабля. Також організатори хотіли зацікавити підростаюче покоління астрономією та будівництвом міжзоряних космічних станцій. Новий проект був названий на честь Ікара, сина Дедала, що, незважаючи на негативний відтінок імені, відповідало першим словам у звіті 78-го року:

«Ми сподіваємося, що цей варіант замінить собою майбутній дизайн, аналог Ікара, в якому знайдуть відображення останні відкриття та технічні інновації, щоб Ікар зміг досягти ще нескорених Дедалом висот. Сподіваємося, завдяки розвитку наших ідей настане день, коли людство буквально торкнеться зірок».

Отже, "Ікар" створений саме як продовження "Дедала". Показники старого проекту і до цього часу виглядають дуже багатообіцяюче, але все ж таки мають бути доопрацьовані та оновлені:

1) У «Дедалі» використовувалися релятивістські пучки електронів для компресії гранул палива, але такі дослідження показали, що це метод неспроможний дати необхідний імпульс. Замість нього у лабораторіях для термоядерного синтезу використовують пучки іонів. Проте такий прорахунок, що коштував Національному комплексу термоядерних реакцій 20 років роботи та 4 мільярди доларів, показав складність поводження з термоядерним синтезом навіть в ідеальних умовах.

2) Головною перешкодою, з якою зіткнувся Дедал - Гелій-3. Його немає на Землі, і тому добувати його потрібно із віддалених від нашої планети газових гігантів. Цей процес надто дорогий та складний.

3) Ще одна проблема, яку доведеться вирішити «Ікар» - брак інформації про ядерні реакції. Саме недолік відомостей дав можливість 30 років тому зробити дуже оптимістичні розрахунки впливу опромінення всього корабля гамма-променями та нейтронами, без викиду яких не обійтись двигуну на термоядерному синтезі.

4) Тритій був використаний у гранулах палива для запалення, але тепла від розпаду його атомів виділялося надто багато. Без належної системи охолодження запалення палива супроводжуватиметься запаленням решти.

5) Декомпресія баків з паливом внаслідок спорожнення може спричинити вибух у камері згоряння. Для вирішення цієї проблеми в конструкцію бака додано обважнювачі, що врівноважують тиск у різних частинах механізму.

6) Остання складність – обслуговування судна. За проектом, корабель оснащений парою роботів, схожих на R2D2, які за допомогою діагностичних алгоритмів виявлятимуть та усувати можливі пошкодження. Такі технології здаються дуже складними навіть зараз, у комп'ютерну еру, що вже говорити про 70-ті.

Нова команда дизайнерів не обмежена створенням маневреного корабля. Для дослідження об'єктів Ікар використовує зонди, що перевозяться на борту судна. Це не лише спрощує завдання дизайнерів, а й значно зменшує час вивчення зоряних систем. Замість дейтерію-гелію-3, новий космічний корабель працює на чистому дейтерії-дейтерії. Не дивлячись на більший викид нейтронів, нове паливо не тільки збільшить ККД двигунів, а й позбавить необхідності видобувати ресурси з поверхні інших планет. Дейтерій активно видобувається з океанів і використовується в АЕС, що працюють на важкій воді.

Тим не менш, людству досі не вдалося отримати контрольовану реакцію розпаду із виділенням енергії. Затяжна гонка лабораторій усього світу за екзотермічним ядерним синтезом гальмує проектування корабля. Тож питання про оптимальне паливо для міжзоряного судна залишається відкритим. У спробі знайти рішення у 2013 році було проведено внутрішній конкурс серед підрозділів ВІС. Виграла команда WWAR Ghost із Мюнхенського університету. Їхній дизайн заснований на термоядерному синтезі за допомогою лазера, який забезпечує швидке нагрівання палива до необхідної температури.

Незважаючи на оригінальність ідеї та деяких інженерних ходів, конкурсанти не змогли вирішити головну дилему – вибір палива. До того ж корабель-переможець величезний. Він перевищує за розмірами «Дедала» в 4-5 разів, а інші методи термоядерного синтезу можуть потребувати меншого простору.

Відповідно, було прийнято рішення просувати 2 типи двигунів: заснований на термоядерному синтезі і базується на пінчі Беннета (плазмовий двигун). Крім того, паралельно дейтерій-дейтерію розглядають і стару версію з тритієм-гелієм-3. Фактично гелій-3 дає кращі результати у будь-якому вигляді двигунів, тому вчені працюють над способами його отримання.

У роботах усіх учасників конкурсу простежується цікава залежність: деякі елементи конструкції (зонди для дослідження довкілля, сховища палива, системи вторинного електроживлення та інші) будь-якого корабля залишаються незмінними. Однозначно можна стверджувати таке:

1. Корабель буде гарячим. Будь-який спосіб спалювання будь-якого з представлених видів палива супроводжується викидом великої кількості тепла. Дейтерій вимагає наявності потужної системи охолодження через безпосереднє виділення теплової енергії під час реакції. Магнітно-плазмовий двигун створюватиме вихрові струми в навколишніх металах, також нагріваючи їх. На Землі вже існують радіатори достатньої потужності, щоб ефективно охолоджувати тіла температурою понад 1000 °C, залишилося адаптувати їх для потреб та умов зорельоту.
2. Судно буде величезних розмірів. Одним із головних завдань, поставлених перед проектом «Ікар», було зменшення габаритів, але згодом стало зрозуміло, що для термоядерних реакцій потрібно багато простору. Навіть варіанти дизайну із найменшою масою важать десятки тисяч тонн.
3. Корабель буде довгим. "Дедал" був досить компактний, кожна його частина поєднувалася з іншою, як матрьошка. В «Ікарі» спроби мінімізувати радіоактивний вплив на судно призвели до його подовження (це добре продемонстровано у проекті «Світлячок» за авторством Роберта Фріленда).

Роб Суїнні повідомив, що до проекту «Ікар» приєднався гурт з Університету Дрексела. "Новички" просувають ідею використання PJMIF (системи, заснованої на струменевій подачі плазми за допомогою магнітів, при цьому плазма розшаровується, забезпечуючи умови для ядерних реакцій). Цей принцип зараз найефективніший. По суті, це симбіоз двох методів ядерних реакцій, він увібрав у себе всі плюси інерційного та магнітного термоядерного синтезу, такі як зменшення маси конструкції та значне зменшення вартості. Їхній проект називається «Зевс».

Після цієї зустрічі відбувся TVIW, на якому Суїні окреслив попередню дату завершення проекту «Ікар» – серпень 2015 року. Остання доповідь міститиме згадки про модифікації старих напрацювань «Дедала» та нововведення, повністю створені новою командою. Завершив семінар монолог Роба Суїнні, в якому він сказав: «Загадки Всесвіту чекають на нас десь там! Час вибиратися звідси!

Сучасні ракетні двигуни непогано справляються із завданням виведення техніки на орбіту, але непридатні для тривалих космічних подорожей. Тому вже не перший десяток років вчені працюють над створенням альтернативних космічних двигунів, які б розганяли кораблі до рекордних швидкостей. Давайте розглянемо сім основних ідей із цієї галузі.

EmDrive

Щоб рухатися, треба від чогось відштовхнутися – це правило вважається одним із непорушних стовпів фізики та космонавтики. Від чого конкретно відштовхуватися – від землі, води, повітря чи реактивного струменя газу, як у випадку ракетних двигунів – не так важливо.

Добре відомий уявний експеримент: уявіть, що космонавт вийшов у відкритий космос, але трос, що зв'язує його з кораблем, несподівано порвався і людина починає повільно відлітати геть. Все, що має, – це ящик з інструментами. Які його дії? Правильна відповідь: йому потрібно кидати інструменти убік від корабля. Згідно із законом збереження імпульсу, людину відкине від інструмента рівно з тією ж силою, з якою і інструмент від людини, тому вона поступово переміщатиметься до корабля. Це і є реактивна потяг - єдиний можливий спосіб рухатися в порожньому космічному просторі. Щоправда, EmDrive, як свідчать експерименти, має деякі шанси це непорушне твердження спростувати.

Автор цього двигуна - британський інженер Роджер Шаер, який заснував власну компанію Satellite Propulsion Research в 2001 році. Конструкція EmDrive дуже екстравагантна і є формою металеве відро, запаяне з обох кінців. Усередині цього відра розташований магнетрон, що випромінює електромагнітні хвилі, – такий самий, як у звичайній мікрохвильовій печі. І його виявляється достатньо, щоб створювати дуже маленьку, але цілком помітну потяг.

Сам автор пояснює роботу свого двигуна через різницю тиску електромагнітного випромінювання у різних кінцях "відра" – у вузькому кінці воно менше, ніж у широкому. Завдяки цьому створюється потяг, спрямований у бік вузького кінця. Можливість такої роботи двигуна неодноразово заперечувалась, але в усіх експериментах установка Шаєра показує наявність тяги в передбачуваному напрямку.

Серед експериментаторів, які випробували "відро" Шаєра, такі організації, як NASA, Технічний університет Дрездена та Китайська академія наук. Винахід перевіряли в різних умовах, у тому числі і у вакуумі, де воно показало наявність тяги в 20 мікроньютонів.

Це дуже мало щодо хімічних реактивних двигунів. Але, враховуючи те, що двигун Шаєра може працювати як завгодно довго, тому що не потребує запасу палива (роботу магнетрону можуть забезпечувати сонячні батареї), потенційно він здатний розганяти космічні кораблі до величезних швидкостей, що вимірюються у відсотках від швидкості світла.

Щоб повністю довести працездатність двигуна, необхідно провести ще безліч вимірів і позбавитися побічних ефектів, які можуть породжуватись, наприклад, зовнішніми магнітними полями. Проте вже висуваються й альтернативні можливі пояснення аномальної тяги двигуна Шаєра, яка загалом порушує звичні закони фізики.

Наприклад, висуваються версії, що двигун може створювати тягу завдяки взаємодії з фізичним вакуумом, який на квантовому рівні має ненульову енергію і заповнений віртуальними елементарними частинками, що постійно народжуються і зникають. Хто в результаті виявиться правий – автори цієї теорії, сам Шаєр чи інші скептики, ми дізнаємося у найближчому майбутньому.

Сонячне вітрило

Як говорилося вище, електромагнітне випромінювання чинить тиск. Це означає, що теоретично його можна перетворювати на рух – наприклад, за допомогою вітрила. Аналогічно тому, як кораблі минулих століть ловили у свої вітрила вітер, космічний корабель майбутнього ловив би у свої вітрила сонячне чи будь-яке інше зоряне світло.

Проблема, однак, у тому, що тиск світла вкрай низький і зменшується зі збільшенням відстані від джерела. Тому, щоб бути ефективним, такий вітрило повинен мати дуже малу вагу та дуже велику площу. А це збільшує ризик руйнування всієї конструкції під час зустрічі з астероїдом чи іншим об'єктом.

Спроби будівництва та запуску сонячних вітрильників у космос вже мали місце – 1993 року тестування сонячного вітрила на кораблі "Прогрес" провела Росія, а 2010 року успішні випробування на шляху до Венери здійснила Японія. Але ще жоден корабель не використовував вітрило як основне джерело прискорення. Дещо перспективніше в цьому відношенні виглядає інший проект - електричне вітрило.

Електричне вітрило

Сонце випромінює як фотони, а й електрично заряджені частинки речовини: електрони, протони і іони. Всі вони формують так званий сонячний вітер, який щомиті забирає з поверхні світила близько одного мільйона тонн речовини.

Сонячний вітер поширюється на мільярди кілометрів та відповідальний за деякі природні явища на нашій планеті: геомагнітні бурі та північне сяйво. Земля від сонячного вітру захищається з допомогою власного магнітного поля.

Сонячний вітер, як і повітряний вітер, цілком придатний для подорожей, треба лише змусити його дмухати в вітрила. Проект електричного вітрила, створений у 2006 році фінським ученим Пеккою Янхуненом, зовні має мало спільного із сонячним. Цей двигун складається з кількох довгих тонких тросів, схожих на спиці колеса без обода.

Завдяки електронній гарматі, що випромінює проти напрямку руху, ці троси набувають позитивного зарядженого потенціалу. Оскільки маса електрона приблизно 1800 разів менше, ніж маса протона, то створювана електронами тяга нічого очікувати відігравати принципову роль. Не важливі для такого вітрила та електрони сонячного вітру. А ось позитивно заряджені частинки – протони та альфа-випромінювання – відштовхуватимуться від тросів, створюючи тим самим реактивну тягу.

Хоча цей потяг буде приблизно в 200 разів меншим, ніж такий у сонячного вітрила, зацікавило Європейське космічне агентство. Справа в тому, що електричне вітрило набагато простіше сконструювати, зробити, розгорнути та експлуатувати в космосі. Крім того, за допомогою гравітації вітрило дозволяє також подорожувати до джерела зоряного вітру, а не лише від нього. Оскільки площа поверхні такого вітрила набагато менше, ніж у сонячного, то для астероїдів і космічного сміття він вразливий куди менше. Можливо, перші експериментальні кораблі на електричному вітрилі ми побачимо вже наступні кілька років.

Іонний двигун

Потік заряджених частинок речовини, тобто іонів, випромінюють не лише зірки. Іонізований газ можна створити і штучно. У звичайному стані частинки газу електрично нейтральні, але коли його атоми або молекули втрачають електрони, вони перетворюються на іони. У загальній своїй масі такий газ все ще не має електричного заряду, але його окремі частинки стають зарядженими, а отже, можуть рухатися в магнітному полі.

В іонному двигуні інертний газ (зазвичай використовується ксенон) іонізується за допомогою високоенергетичних потоків електронів. Вони вибивають електрони з атомів, і ті набувають позитивного заряду. Далі іони прискорюються в електростатичному полі до швидкостей близько 200 км/с, що в 50 разів більше, ніж швидкість витікання газу з хімічних реактивних двигунів. Проте сучасні іонні двигуни мають дуже маленьку тягу – близько 50–100 мільйонів. Такий двигун не зміг би навіть зрушити зі столу. Але він має серйозний плюс.

Великий питомий імпульс дозволяє значно скоротити витрати палива у двигуні. Для іонізації газу використовується енергія, отримана від сонячних батарей, тому іонний двигун здатний працювати дуже довго – три роки без перерви. За такий термін він встигне розігнати космічний апарат до швидкостей, які хімічним двигунам не снилися.

Іонні двигуни вже не раз борознили простори Сонячної системи у складі різних місій, але зазвичай як допоміжні, а не основні. Сьогодні як про можливу альтернативу іонним двигунам все частіше говорять про плазмові двигуни.

Плазмовий двигун

Якщо ступінь іонізації атомів стає високою (близько 99%), такий агрегатний стан речовини називається плазмою. Досягти стану плазми можна лише за високих температур, у плазмових двигунах іонізований газ розігрівається до кількох мільйонів градусів. Розігрів здійснюється за допомогою зовнішнього джерела енергії – сонячних батарей або, що реальніше, невеликого ядерного реактора.

Гаряча плазма потім викидається через сопло ракети, створюючи тягу в десятки разів більшу, ніж у іонному двигуні. Одним із прикладів плазмового двигуна є проект VASIMR, який розвивається ще з 70-х років минулого століття. На відміну від іонних двигунів, плазмові в космосі ще не були випробувані, але з ними пов'язують великі надії. Саме плазмовий двигун VASIMR є одним із основних кандидатів для пілотованих польотів на Марс.

Термоядерний двигун

Приборкати енергію термоядерного синтезу люди намагаються з середини ХХ століття, але поки що це зробити так і не вдалося. Проте керований термоядерний синтез все одно дуже привабливий, адже це джерело величезної енергії, що отримується з досить дешевого палива – ізотопів гелію та водню.

На даний момент існує декілька проектів конструкції реактивного двигуна на енергії термоядерного синтезу. Найперспективнішою з них вважається модель на основі реактора з магнітним утриманням плазми. Термоядерний реактор у такому двигуні буде негерметичною циліндричною камерою розміром 100-300 метрів у довжину і 1-3 метри в діаметрі. У камеру подається паливо у вигляді високотемпературної плазми, яка при достатньому тиску вступає в реакцію ядерного синтезу. Котушки магнітної системи, що розташовані навколо камери, повинні утримувати цю плазму від контакту з обладнанням.

Зона термоядерної реакції розташовується вздовж осі такого циліндра. За допомогою магнітних полів екстремально гаряча плазма відбувається через сопло реактора, створюючи величезну тягу, набагато більшу, ніж у хімічних двигунів.

Двигун на антиматерії

Вся навколишня речовина складається з ферміонів - елементарних частинок з напівцілим спином. Це, наприклад, кварки, у тому числі складаються протони і нейтрони в атомних ядрах, і навіть електрони. При цьому кожен ферміон має свою античастинку. Для електрона такий виступає позитрон, для кварку – антикварк.

Античастинки мають ту ж масу і той же спин, що і їх звичайні "товариші", відрізняючись знаком усіх інших квантових параметрів. Теоретично античастинки здатні становити антиречовину, але досі ніде у Всесвіті антиречовина не зареєстрована. Для фундаментальної науки є питання, чому його немає.

Але в лабораторних умовах можна отримати кілька антиречовини. Наприклад, нещодавно було проведено експеримент порівняно властивостей протонів та антипротонів, які зберігалися в магнітній пастці.

При зустрічі антиречовини та звичайної речовини відбувається процес взаємної анігіляції, що супроводжується виплеском колосальної енергії. Так, якщо взяти за кілограм речовини та антиречовини, то кількість виділеної при їх зустрічі енергії буде порівнянна з вибухом "Цар-бомби" - найпотужнішої водневої бомби в історії людства.

Причому значна частина енергії у своїй виділиться як фотонів електромагнітного випромінювання. Відповідно виникає бажання використовувати цю енергію для космічних переміщень шляхом створення фотонного двигуна, схожого на сонячне вітрило, тільки в даному випадку світло буде генеруватися внутрішнім джерелом.

Але щоб ефективно використати випромінювання в реактивному двигуні, необхідно вирішити завдання створення "дзеркала", яке було б здатне ці фотони відобразити. Адже кораблю якимось чином треба відштовхнутися, щоби створити тягу.

Ніякий сучасний матеріал просто не витримає народженого у разі подібного вибуху випромінювання і миттєво випарується. У своїх фантастичних романах брати Стругацькі вирішили цю проблему шляхом створення "абсолютного відбивача". У реальному житті нічого подібного поки що зробити не вдалося. Це завдання, як і питання створення великої кількості антиречовини та її тривалого зберігання – справа фізики майбутнього.

Історія

За часів холодної війни космос був однією з арен для боротьби між Радянським Союзом та США. Геополітичне протистояння наддержав - головний стимул у роки для розвитку космічної галузі. На здійснення програм освоєння космосу було кинуто дуже багато ресурсів. Зокрема, на реалізацію проекту «Аполлон», головною метою якого була висадка людини на поверхню Місяця, уряд США витратив близько двадцяти п'яти мільярдів доларів. Для 70-х років минулого століття ця сума була просто величезною. Місячна програма СРСР, якій не судилося здійснитися, обійшлася бюджету Радянського Союзу 2,5 млрд. рублів. Розробка вітчизняного космічного корабля багаторазового використання "Буран" коштувала шістнадцять мільярдів рублів. При цьому "Бурану" доля приготувала здійснити лише один космічний політ.

Набагато більше пощастило його американському аналогу. "Спейс шатл" здійснив сто тридцять п'ять запусків. Але американський шатл виявився не вічний. Корабель, створений за державною програмою «Космічна транспортна система», 8 липня 2011 року здійснив свій останній космічний старт, який завершився рано вранці 21 липня того ж року. За час реалізації програми американці народили шість «шатлів», один з яких був прототипом, що ніколи не здійснював космічних польотів. Два кораблі взагалі зазнали катастрофи.

Відрив від землі «Аполлона 11»

З погляду економічної доцільності програму «Спейс шатл» навряд чи можна назвати успішною. Космічні кораблі одноразового використання виявилися набагато економічнішими за своїх, здавалося б, більш технологічно просунутих багаторазових побратимів. Та й безпека польотів на «шатлах» викликала сумніви. За час їхньої експлуатації, внаслідок двох катастроф, жертвами стали чотирнадцять астронавтів. Але причина таких неоднозначних підсумків космічних подорожей легендарного корабля полягає у його технічному недосконалості, а складності самої концепції космічних апаратів багаторазового використання.

У результаті, російські космічні кораблі одноразового використання «Союз», розроблені ще в 60-ті роки минулого століття, стали єдиним типом апаратів, які здійснюють пілотовані польоти на Міжнародну космічну станцію (МКС). Потрібно відразу відзначити, що це аж ніяк не говорить про їхню перевагу над «Спейс шатлом». Кораблі «Союз», як і безпілотні «космічні вантажівки» «Прогрес», створені на їх базі, мають низку концептуальних недоліків. Вони дуже обмежені у вантажопідйомності. А ще використання подібних апаратів призводить до нагромадження орбітального сміття, що залишилося після їх експлуатації. Космічні польоти на кораблях типу «Союз» незабаром стануть частиною історії. У той же час, на сьогоднішній день не існує реальних альтернатив. Величезний потенціал, закладений у концепції кораблів багаторазового використання, найчастіше залишається технічно нереалізованим навіть у час.

Перший проект радянського багаторазового орбітального літака ОС-120 «Буран», запропонованого НВО "Енергія" в 1975 році і був аналогом американського Space Shuttle

Нові космічні кораблі США

У липні 2011 року американський президент Барак Обама заявив: політ на Марс є новою і, наскільки можна вважати, головною метою американських астронавтів на найближчі десятиліття. Однією із програм, що здійснюються NASA в рамках освоєння Місяця та польоту на Марс, стала масштабна космічна програма «Сузір'я».

В її основі - створення нового пілотованого космічного корабля «Оріон», ракет-носіїв «Арес-1» та «Арес-5», а також місячного модуля «Альтаїр». Незважаючи на те, що в 2010 році уряд США ухвалив рішення про згортання програми «Сузір'я», NASA отримало можливість продовжити розробку «Оріона». Перший безпілотний випробувальний політ корабля планується реалізувати у 2014 році. Передбачається, що під час польоту апарат відійде на шість тисяч кілометрів від Землі. Це приблизно в п'ятнадцять разів далі, ніж МКС. Після тестового польоту корабель візьме курс на землю. В атмосферу новий апарат зможе входити зі швидкістю 32 тис. км/год. За цим показником "Оріон" на півтори тисячі кілометрів перевершує легендарний "Аполло". Перший безпілотний експериментальний політ «Оріона» має продемонструвати його потенційні можливості. Випробування корабля має стати важливим кроком до здійснення його пілотованого запуску, який намічено на 2021 рік.

Згідно з планами NASA, у ролі ракет-носіїв «Оріона» виступатимуть «Дельта-4» та «Атлас-5». Від розробки «Ареса» було вирішено відмовитися. Крім того, для освоєння далекого космосу американці проектують нову надважку ракету-носій SLS.

"Оріон" - корабель частково багаторазового використання і концептуально знаходиться ближче до апарату "Союз", ніж до космічного човника "шатл". Частково багаторазовими є більшість перспективних космічних кораблів. Така концепція передбачає, що після здійснення посадки поверхню Землі житлову капсулу корабля можна буде повторно використовуватиме запуску у космічний простір. Це дозволяє поєднати функціональну практичність багаторазових космічних кораблів із економічністю експлуатації апаратів типу «Союз» або «Аполло». Таке рішення-перехідний етап. Ймовірно, у далекому майбутньому всі космічні апарати стануть багаторазовими. Тож американський «Спейс шатл» та радянський «Буран» у якомусь сенсі випередили свій час.

«Оріон» – багатоцільовий капсульний частково багаторазовий пілотований космічний корабель США, який розробляється з середини 2000-х років у рамках програми «Сузір'я»

Схоже, слова «практичність» і «передбачливість» якнайкраще характеризують американців. Уряд США вирішив не звалювати всі свої космічні амбіції на плечі одного Оріона. В даний час відразу кілька приватних компаній на замовлення NASA розробляють власні космічні кораблі, покликані замінити апарати, що використовуються сьогодні. У рамках «Програми розвитку комерційних пілотованих кораблів» (CCDev) компанія Boeing розробляє частково багаторазовий пілотований космічний корабель CST-100. Апарат призначений для коротких подорожей на навколоземну орбіту. Його головним завданням стане доставка екіпажу та вантажів на МКС.

Екіпаж корабля може становити до семи осіб. При цьому під час проектування CST-100 особлива увага була приділена комфорту астронавтів. Житловий простір апарату значно ширший від кораблів минулого покоління. Запуск його, ймовірно, буде здійснюватися за допомогою ракет-носіїв "Атлас", "Дельта" або "Фалькон". При цьому «Атлас-5» є найбільш підходящим варіантом. Посадка корабля здійснюватиметься за допомогою парашута та повітряних подушок. Згідно з планами компанії Boeing, у 2015-му році на CST-100 чекає серія випробувальних запусків. Перші два польоти будуть безпілотними. Головне їх завдання-виведення апарату на орбіту та тестування систем безпеки. Під час третього польоту планується пілотована стиковка з МКС. У разі успіху випробувань CST-100 дуже скоро буде здатний прийти на заміну російським кораблям «Союз» і «Прогрес», які монопольно здійснюють пілотовані польоти на Міжнародну космічну станцію.

CST-100 – пілотований транспортний космічний корабель

Ще одним приватним кораблем, який виконуватиме доставку вантажів та екіпажу на МКС, стане апарат, розроблений компаніями SpaceX, що входить до складу Sierra Nevada Corporation. Частково багаторазовий моноблочний корабель «Дракон» розроблений за програмою NASA «Комерційне орбітальне транспортування» (COTS). Планується побудувати три його модифікації: пілотовану, вантажну та автономну. Екіпаж пілотованого корабля, як і у випадку з CST-100, може становити сім осіб. У вантажній модифікації корабель братиме на борт чотири особи та дві з половиною тонни вантажу.

А в майбутньому "Дракон" хочуть використати і для польотів на Червону планету. Для чого розроблять спеціальну версію корабля – «Ред драгон». Згідно з планами американського космічного керівництва, безпілотний політ апарату на Марс відбудеться в 2018 році, а перший випробувальний пілотований політ корабля США розраховують здійснити вже через кілька років.

Одна з особливостей «Дракона» – його багаторазовість. Після здійснення польоту частина енергетичних систем та паливні баки спускатимуться на Землю разом із житловою капсулою корабля і можуть бути знову використані для космічних польотів. Ця конструктивна здатність вигідно відрізняє новий корабель від більшої частини перспективних розробок. У найближчому майбутньому «Дракон» та CST-100 доповнюватимуть один одного і виступатимуть у ролі «підстрахування». Якщо один тип корабля з якоїсь причини не зможе виконувати поставлені перед ним завдання, інший візьме на себе частину його роботи.

Dragon SpaceX – приватний транспортний космічний корабель (КК) компанії SpaceX, розроблений на замовлення NASA у рамках програми «Комерційне орбітальне транспортування» (COTS), призначений для доставки корисного вантажу і, в перспективі, людей на МКС

«Дракон» на орбіту вивели вперше у 2010-му році. Безпілотний випробувальний політ завершився успішно, і вже за кілька років, а саме 25 травня 2012 року, апарат пристикувався до МКС. На кораблі на той час не було системи автоматичного стикування, і для її здійснення довелося використовувати маніпулятор космічної станції.

Цей політ розглядався як перша в історії стикування приватного корабля до Міжнародної космічної станції. Відразу обмовимося: навряд чи «Дракон» та низка інших космічних кораблів, які розробляють приватні компанії, можна назвати приватними в повному розумінні слова. Наприклад, на розробку «Дракона» NASA виділило 1,5 млрд доларів. Інші приватні проекти також отримують фінансову підтримку NASA. Тому йдеться не так про комерціалізацію космосу, як про нову стратегію розвитку космічної галузі, засновану на кооперації держави та приватного капіталу. Колись секретні космічні технології, раніше доступні лише державі, відтепер – надбання низки приватних компаній, залучених до сфери космонавтики. Обставина це - саме собою потужний стимул для зростання технологічних можливостей приватних компаній. До того ж, такий підхід дозволив влаштувати у приватну сферу велику кількість фахівців космічної галузі, звільнених раніше державою у зв'язку із закриттям програми «Спейс шатл».

Коли йдеться про програму розробки космічних кораблів приватними компаніями, чи не найбільший інтерес представляє проект компанії SpaceDev, який отримав назву «Дрім Чейзер». У його розробці також брали участь дванадцять партнерів компанії, три американські університети та сім центрів NASA.

Концепт багаторазового пілотованого космічного корабля Dream Chaser, який розробляє американська компанія SpaceDev, підрозділом Sierra Nevada Corporation

Цей корабель сильно відрізняється від решти перспективних космічних розробок. Багаторазовий "Дрім Чейзер" зовні нагадує мініатюрний "Спейс шатл" і здатний здійснювати посадку, як звичайний літак. І все одно основні завдання корабля схожі із завданнями «Дракона» та CST-100. Апарат послужить для доставки вантажів і екіпажу (до семи осіб) на низьку навколоземну орбіту, куди він виводитиметься за допомогою ракети-носія «Атлас-5». Цього року корабель має здійснити свій перший безпілотний політ, а до 2015 року планується підготувати до запуску його пілотовану версію. Ще одна важлива деталь. Проект Дрім Чейзер створюється на базі американської розробки 1990-х років - орбітального літака HL-20. Проект останнього став аналогом радянської орбітальної системи "Спіраль". Всі три апарати мають схожий зовнішній вигляд і передбачувані функціональні можливості. Звідси випливає цілком закономірне питання. Чи варто Радянському Союзу згортати наполовину готову авіаційно-космічну систему «Спіраль»?

Що ж у нас?

2000-го року РКК «Енергія» розпочала проектування багатоцільового космічного комплексу «Кліпер». Цей багаторазовий космічний апарат, що зовні чимось нагадує зменшений у розмірах «шаттл», передбачалося використовувати для вирішення найрізноманітніших завдань: доставка вантажу, евакуація екіпажу космічної станції, космічний туризм, польоти на інші планети. На проект покладалися певні надії. Як завжди, добрі наміри накрилися мідним тазом відсутності фінансування. 2006-го року проект було закрито. При цьому технології, розроблені в рамках проекту Кліпер, передбачається використовувати для проектування Перспективної пілотованої транспортної системи (ППТС), також відомої як проект Русь.

Крилатий варіант "Кліпера" в орбітальному польоті. Малюнок веб-майстра на основі 3D-моделі «Кліпера»

©Вадим Лукашевич

Саме ППТС (звісно, ​​це поки що лише «робоча» назва проекту), як вважають російські фахівці, судиться стати вітчизняною космічною системою нового покоління, здатною замінити стрімко застарілі «Союзи» та «Прогреси». Як і у випадку з Кліпером, розробкою космічного корабля займається РКК Енергія. Базовою модифікацією комплексу стане «Пілотований транспортний корабель нового покоління» (ПТК ПК). Його головним завданням, знову ж таки, буде доставка вантажів та екіпажу на МКС. У віддаленій перспективі – розробка модифікацій, здатних здійснювати польоти на Місяць та виконувати тривалі дослідні місії. Сам корабель обіцяє стати частково багаторазовим. Житлова капсула може бути використана повторно після здійснення посадки. Двигуно-агрегатний відсік – ні. Цікава особливість корабля – можливість посадки без використання парашута. Для гальмування та м'якого приземлення на поверхню Землі застосовуватиметься реактивна система.

На відміну від «Союзів», що злітають із території космодрому «Байконур» у Казахстані, нові кораблі запускатимуть із нового космодрому «Східний», що будується на території Амурської області. Екіпаж становитиме шість осіб. Пілотований апарат також здатний брати вантаж – п'ятсот кілограмів. У безпілотній версії корабель зможе доставляти на навколоземну орбіту «гостинці» солідніше-вагою дві тонни.

Одна з основних проблем проекту ППТС - відсутність ракет-носіїв, які мають необхідні характеристики. Сьогодні головні технічні аспекти космічного корабля опрацьовані, але відсутність ракети-носія ставить його розробників у скрутне становище. Передбачається, що нова ракета-носій стане технологічно близькою до «Ангари», розробленої ще 1990-х років.

Макет ППТС на виставці МАКС-2009

©sdelanounas.ru

Як не дивно, але ще однією серйозною проблемою є мета проектування ППТС (читай: російська дійсність). Росія навряд чи зможе собі дозволити здійснення програм з освоєння Місяця та Марса, аналогічні за своїми масштабами тим, які втілюють у життя США. Навіть у разі успіху розробки космічного комплексу, найімовірніше, його єдиним реальним завданням буде доставка вантажів та екіпажу на МКС. Але початок льотних випробувань ППТС відкладено до 2018 року. На той час перспективні американські апарати, швидше за все, вже зможуть взяти на себе ті функції, які виконують російські кораблі «Союз» і «Прогрес».

Туманні перспективи

Сучасний світ позбавлений романтики космічних польотів-це факт. Звичайно, не йдеться про запуск супутників і космічний туризм. За ці сфери космонавтики можна не перейматися. Польоти на Міжнародну космічну станцію мають значення для космічної галузі, але термін перебування МКС на орбіті обмежений. Станцію планується ліквідувати 2020-го року. Сучасний пілотований космічний апарат – це насамперед складова частина певної програми. Немає сенсу розробляти новий корабель, не маючи уявлення про завдання його експлуатації. Нові космічні апарати США проектуються не лише для доставки вантажів та екіпажів на МКС, а й з метою польотів на Марс та Місяць. Однак ці завдання настільки далекі від повсякденних земних турбот, що найближчими роками нам навряд чи варто очікувати значних проривів у галузі космонавтики.

Космічний апарат, що використовується для польотів навколоземною орбітою, в тому числі під керуванням людини.

Всі космічні кораблі можна розділити на два класи: пілотовані та запускаються в режимі керування з поверхні Землі.

На початку 20-х років. XX ст. Ціолковський вкотре передбачає майбутнє освоєння космічного простору землянами. У його роботі «Космічний корабель» зустрічається згадка про так звані небесні кораблі, основне призначення яких - реалізація польотів людини в космос.
Перші космічні кораблі серії "Схід" створювалися під чуйним керівництвом генерального конструктора ОКБ-1 (нині ракетно-космічна корпорація "Енергія") С. П. Корольова. Перший пілотований космічний корабель «Схід» зміг доставити до космічного простору людини 12 квітня 1961 р. Цим космонавтом був Ю. А. Гагарін.

Основними завданнями, поставленими в експерименті, були:

1) вивчення впливу умов орбітального польоту на людину, в тому числі і на її працездатність;

2) перевірка принципів конструювання космічних кораблів;

3) відпрацювання конструкцій та систем у реальних умовах.

Загальна маса корабля становила 4,7 т, діаметр – 2,4 м, довжина – 4,4 м. Серед бортових систем, якими був оснащений корабель, можна виділити такі: системи керування (автоматичний та ручний режими); система автоматичної орієнтації на Сонці та ручної - на Землю; система життєзабезпечення; система терморегулювання; система приземлення.

Надалі напрацювання, отримані під час реалізації програми космічних кораблів «Схід», дозволили створити набагато досконаліші. На сьогоднішній день "армада" космічних кораблів дуже наочно представлена ​​американським багаторазовим транспортним космічним кораблем "Шаттл", або Space Shuttle.

Не можна не згадати про радянську розробку, яка нині не використовується, але могла б скласти серйозну конкуренцію американському кораблю.

"Буран" - так називалася програма Радянського Союзу зі створення багаторазової космічної системи. p align="justify"> Роботи за програмою «Буран» почалися у зв'язку з необхідністю створення багаторазової космічної системи як засобу стримування потенційного противника у зв'язку з початком американського проекту в січні 1971 р.

Для реалізації проекту було створено НВО «Блискавка». У найкоротші терміни у 1984 р. за підтримки понад тисячу підприємств з усього Радянського Союзу було створено перший повномасштабний екземпляр з такими технічними характеристиками: його довжина становила понад 36 м за розмаху крил у 24 м; стартова маса - понад 100 т при масі корисного вантажу до
30 т.

«Буран» мав у носовому відсіку герметичну кабіну, яка могла вмістити близько десяти осіб та більшу частину апаратури для забезпечення польоту на орбіті, спуску та посадки. Корабель був оснащений двома групами двигунів в кінці хвостового відсіку і в передній частині корпусу для маневрування, вперше була використана об'єднана рухова установка, яка включала паливні баки окислювача та пального, термостатування наддуву, забору рідини в невагомості, апаратуру системи керування та ін.

Перший та єдиний політ космічний корабель «Буран» здійснив 15 листопада 1988 р. у безпілотному, повністю автоматичному режимі (для довідки: «Шаттл» досі здійснює посадку лише на ручному управлінні). На жаль, політ корабля збігся з важкими часами, які почалися в країні, і у зв'язку із закінченням «холодної війни» та відсутністю достатніх засобів програму «Буран» було закрито.

Початок серії американських космічних кораблів типу «Шаттл» було покладено в 1972 р., хоча йому передував проект багаторазового двоступінчастого літального апарату, кожен ступінь якого був схожим на реактивний.

Перший ступінь виконував функцію прискорювача, яка після виходу на орбіту закінчувала свою частину завдання і поверталася на Землю з екіпажем, а друга була орбітальним кораблем і після виконання програми також поверталася на місце старту. Це був час гонки озброєнь і створення корабля такого типу вважалося головною ланкою в цій гонці.

Для запуску корабля американці використовують прискорювач та власний двигун корабля, паливо для якого розміщено у зовнішньому паливному баку. Прискорювачі, що відпрацювали, після приземлення на використовуються повторно, з обмеженою кількістю стартів. Конструктивно корабель серії "Шаттл" складається з декількох основних елементів: повітряно-космічний літак "Орбітер", ракетні прискорювачі багаторазового користування та паливний бак (одноразовий).

Перший політ космічного корабля через велику кількість недоробок і конструктивних змін відбувся лише 1981 р. У період із квітня 1981 по липень 1982 р. було проведено серію орбітальних льотних випробувань корабля «Колумбія» переважають у всіх режимах польоту. На жаль, у серії польотів кораблів серії "Шаттл" не обійшлося без трагедій.

У 1986 р. під час 25-го за рахунком запуску корабля «Челленджер» стався вибух паливного бака через недосконалість конструкції апарату, внаслідок якого загинули всі сім членів екіпажу. Лише 1988 р., після внесення низки змін до програми польотів, було здійснено запуск космічного корабля «Діскавері». На зміну "Челленджеру" в експлуатацію було введено новий корабель "Ендевор", який здійснює свої рейси з 1992 р.