Faire face à la gravité dans les lancements spatiaux n'est pas une tâche facile. Les roquettes conventionnelles sont très chères, génèrent beaucoup de débris et, en pratique, sont très dangereuses. Heureusement, la science n'est pas en reste et de plus en plus de moyens alternatifs apparaissent qui nous promettent des moyens plus efficaces, moins coûteux et plus sûrs de conquérir l'espace. Aujourd'hui, nous allons parler de la façon dont l'humanité volera dans l'espace à l'avenir.
Mais avant de commencer, il convient de souligner que les moteurs à réaction chimiques (CRM), qui servent désormais de base à tous les lancements spatiaux, sont un outil essentiel pour le développement du secteur spatial, de sorte que leur utilisation se poursuivra pendant plusieurs décennies jusqu'à ce qu'il y ait trouvé et, surtout, testé à plusieurs reprises une technologie capable de fournir une transition sans douleur vers un niveau fondamentalement nouveau de lancements et de vols spatiaux.
Mais déjà maintenant, alors que le coût des lancements peut s'élever à plusieurs centaines de millions de dollars, il devient clair que le DRH est une impasse. Prenons l'exemple du dernier système de lancement spatial. C'est ce système qui est considéré par l'agence aérospatiale de la NASA comme la base de l'exploration de l'espace lointain. Les experts ont calculé que le coût d'un lancement de SLS serait d'environ 500 millions de dollars. Maintenant que l'espace est devenu non seulement une question d'États mais aussi d'entreprises privées, des alternatives moins chères ont commencé à être proposées. Par exemple, le lancement du Falcon Heavy de SpaceX coûtera environ 83 millions de dollars. Mais c'est toujours très, très cher. Et nous n'abordons pas encore la question du respect de l'environnement des lancements spatiaux basés sur le CRD, qui, sans aucun doute, causent des dommages importants à l'environnement.
La bonne nouvelle est que les scientifiques et les ingénieurs proposent déjà des méthodes et des méthodes alternatives de lancement spatial, et certaines d'entre elles ont le potentiel de devenir des technologies efficaces au cours des prochaines décennies. Toutes ces alternatives peuvent être résumées en plusieurs catégories: types alternatifs de lancements de jets, systèmes de transport stationnaires et dynamiques et systèmes d'éjection. Bien sûr, elles ne réunissent pas toutes les idées proposées, mais dans cet article, nous analyserons les plus prometteuses.
Autres types de lancements de jets
Poussée du jet laser
Redirection du flux plasma pour augmenter la poussée
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Les missiles utilisés aujourd'hui nécessitent d'énormes quantités de propulseurs solides ou liquides, et le plus souvent leur portée et leur efficacité sont limitées par la quantité de carburant qu'ils peuvent transporter. Cependant, il existe une option qui permettra de surmonter ces limitations à l'avenir. La solution peut être des installations laser spéciales qui enverront des fusées dans l'espace.
Les physiciens russes Yuri Rezunkov de l'Institut pour le développement d'instruments optoélectroniques et Alexander Schmidt de l'Institut physicotechnique Ioffe ont récemment décrit le processus d '"ablation laser", selon lequel la poussée d'un avion serait générée à l'aide du rayonnement laser généré par un dispositif laser à l'extérieur du vaisseau spatial. À la suite de l'exposition à ce rayonnement, le matériau de la surface réceptrice sera brûlé et un flux de plasma sera créé. Ce flux fournira la poussée nécessaire capable d'accélérer l'engin spatial à des vitesses dix fois supérieures à la vitesse du son.
Si l'on omet tout le caractère fantastique de cette méthode, avant de créer un tel système, il faudra résoudre deux problèmes: le laser dans ce cas doit être incroyablement puissant. Si puissant qu'il peut littéralement vaporiser du métal sur une distance de plusieurs centaines de kilomètres. D'où un autre problème - ce laser peut être utilisé comme une arme pour détruire d'autres engins spatiaux.
Lancement stratosphérique et avions spatiaux
Moins conceptuelle et plus réaliste semble être la méthode de lancement d'engins spatiaux à l'aide de puissants tracteurs aériens spéciaux.
Qui a dit que la méthode de Virgin Galactic ne pouvait être utilisée que pour le tourisme spatial? La société prévoit d'utiliser son appareil LauncherOne comme système de transport pour lancer des satellites compacts pesant jusqu'à 100 kilogrammes sur l'orbite terrestre. Compte tenu de la vitesse à laquelle les systèmes spatiaux sont maintenant miniaturisés, l'idée est très intéressante.
D'autres exemples de système de lancement sont le vaisseau spatial XCOR Aerospace Lynx Mark III (photo ci-dessus) et le vaisseau spatial Orbital Sciences Pegasus II (photo ci-dessous).
L'un des avantages des lancements spatiaux depuis l'espace aérien est que les fusées n'ont pas à traverser une atmosphère très dense. En conséquence, la charge sur l'appareil lui-même diminuera. De plus, l'avion est beaucoup plus facile à démarrer. Il est moins sensible aux changements climatiques atmosphériques. Au final, la fonctionnalité de tels lancements ouvre plus de possibilités en termes d'échelle sélectionnable.
Les avions spatiaux sont une autre option. Ces avions réutilisables seront similaires à la navette retirée et à Bourane, mais contrairement à ce dernier, ils ne nécessiteront pas l'utilisation d'énormes lanceurs pour se lancer en orbite. L'un des projets les plus prometteurs et les plus avancés à cet égard est l'avion spatial britannique British Skylon (photo ci-dessus) - un avion à un étage pour entrer en orbite. La poussée du jet du vaisseau spatial sera générée par deux moteurs à réaction, qui l'accéléreront à une vitesse 5 fois supérieure à la vitesse du son et le porteront à une altitude de près de 30 kilomètres. Cependant, cela ne représente que 20% de la vitesse et de l'altitude requises pour la sortie dans l'espace, de sorte que l'avion spatial passera en mode dit "fusée" après avoir atteint le plafond d'altitude.
Malheureusement, il existe encore de nombreuses difficultés technologiques sur le chemin de la mise en œuvre de ce projet qui doivent encore être résolues. Par exemple, les avions spatiaux devraient faire face à un changement imprévu de leur trajectoire d'ascension en raison de pressions dynamiques élevées et de températures extrêmes qui affecteront inévitablement les parties les plus sensibles de l'avion. En d'autres termes, de tels avions spatiaux peuvent être dangereux.
Un autre exemple d'avions spatiaux en cours de développement est le Dream Chaser, développé par la Sierra Nevada Corporation pour l'agence aérospatiale de la NASA (photo ci-dessus).
Systèmes de transport stationnaires et dynamiques
Si ce n'est pas des machines volantes, alors d'énormes structures qui s'élèvent à des hauteurs incroyables ou même directement dans l'espace sont la solution.
Par exemple, Geoffrey Landis, un scientifique et écrivain de science-fiction, a proposé l'idée de construire une tour géante, dont le sommet atteindrait les limites de l'atmosphère terrestre. Situé à environ 100 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, il peut être utilisé comme plate-forme de lancement de fusées conventionnelles. À cette altitude, les fusées n'ont pratiquement pas à faire face à un quelconque impact de l'atmosphère terrestre.
Une autre option de construction qui a attiré l'attention de nombreux représentants des communautés scientifiques et pseudo-scientifiques est l'ascenseur spatial. En fait, cette idée remonte au 19e siècle. La version moderne propose d'étirer un câble robuste à une altitude de 35 400 kilomètres (qui est au-delà de l'emplacement de la plupart des satellites de communication) au-dessus de la surface de la Terre. Après avoir effectué tout l'équilibrage nécessaire sur le câble, il est proposé de démarrer les véhicules de transport fonctionnant en traction laser avec une charge.
Illustration d'un ascenseur spatial sur Mars
L'idée des ascenseurs spatiaux a en effet le potentiel de créer une véritable révolution dans le transport spatial vers l'orbite proche de la Terre. Mais il sera très difficile de traduire cette idée dans la vraie vie. Il faudra beaucoup de temps aux scientifiques pour créer un matériau capable de supporter le poids d'une telle structure. Les options envisagées sont désormais des nanotubes de carbone, ou plutôt des structures basées sur des entrelacements microscopiques de diamant avec des nanofibres ultra-minces. Mais même si nous trouvons un moyen de construire un ascenseur spatial, cela ne résoudra pas tous les problèmes. Les vibrations dangereuses, les vibrations intenses, les collisions avec les satellites et les débris spatiaux ne sont que quelques-unes des tâches qui devront être traitées.
Une autre alternative proposée est des "volants orbitaux" géants. Les volants sont des satellites en rotation avec de longs câbles divergeant dans deux directions différentes, dont les extrémités entreront en contact avec l'atmosphère de la planète pendant la rotation. Dans ce cas, la vitesse de rotation de la structure compensera partiellement ou totalement la vitesse orbitale.
Le portail Orion's Arm explique leur fonctionnement:
«Sur la partie inférieure du câble, située à proximité d'une planète de la taille de la Terre, il y aura une plate-forme d'amarrage à une altitude de 100 à 300 kilomètres au-dessus de la surface (alors que la longueur même des câbles depuis le centre du volant sera de plusieurs milliers de kilomètres). Cette hauteur a été choisie car ici l'effet de l'atmosphère sur le «volant» lui-même sera minimisé, ainsi que les pertes gravitationnelles des navettes d'accostage seront minimisées. L'arrimage se produira à des vitesses très faibles à la fois du volant lui-même et de la navette d'amarrage, généralement au sommet de la trajectoire suborbitale parabolique définie par le lanceur. Dans ce cas, la navette sera relativement immobile par rapport au «volant» et peut être attrapée par un crochet spécial, puis tirée vers le verrou d'accostage ou la plate-forme d'atterrissage. Pour un positionnement correct en orbite, les "volants" utiliseront des propulseurs."
Étant donné que les volants seront entièrement situés dans l'espace et non ancrés à la Terre, ils n'auront pas à subir le même stress physique que l'ascenseur spatial, de sorte que cette idée pourrait finalement s'avérer plus viable.
En ce qui concerne les structures dynamiques, Popular Mechanics décrit au moins deux options principales:
«Des structures telles que la« fontaine spatiale »et la« boucle du Lofström »conserveront leur intégrité structurelle en raison d'effets électrodynamiques ou d'impulsions des pièces mobiles à l'intérieur, ainsi que du chargement et des passagers en orbite. Les rotovateurs semblent être un concept plus intéressant. Cette idée propose la construction d'une grande structure orbitale avec une attache tournant dans le plan de l'orbite afin qu'au point du cercle le plus proche de la Terre, la vitesse de l'extrémité de l'attache par rapport au centre soit opposée à la vitesse orbitale. Ainsi, le câble, dépassant le minimum, peut capter l'objet désiré, qui a une vitesse inférieure au premier cosmique, et le relâcher au point de distance maximale avec une vitesse déjà supérieure au premier cosmique ».
Cela ressemblera à quelque chose comme le "gif"
Une autre alternative au câble spatial et à l'ascenseur est une tour gonflable verticale qui peut atteindre une hauteur de 20 à 200 kilomètres. Le design proposé par Brendan Quinn et ses collègues sera érigé au sommet de la montagne et est parfait pour la recherche atmosphérique, l'installation d'équipements de télévision et de radiocommunications, les lancements d'engins spatiaux et le tourisme. La tour elle-même sera créée sur la base de plusieurs sections coulissantes pneumatiques à commande externe.
«Le choix d'une tour aidera à éviter les problèmes associés à l'ascenseur spatial. Il s'agit de la force d'un matériau de construction adapté au travail dans l'espace, de la difficulté de produire un câble d'au moins 50 000 kilomètres de long et de faire face à la menace météoritique en orbite terrestre basse », ont déclaré les chercheurs qui ont proposé la conception de la tour.
Pour tester leur idée, ils ont construit un modèle de tour de 7 mètres avec six modules, chacun reposant sur trois tubes installés autour d'un compartiment cylindrique rempli d'air.
Fait intéressant, une technologie similaire peut être utilisée dans la construction de la «jetée spatiale» proposée par John Storrs Hall. Selon ce concept, il est proposé d'ériger une structure de 100 kilomètres de haut et 300 kilomètres de long. Avec cette configuration, l'ascenseur se déplacera directement vers le point de lancement. Le lancement même de la charge utile en orbite se produira avec une accélération de seulement 10g.
«Cette option hybride ignore les inconvénients des options proposées avec une tour orbitale (la taille de la jetée est beaucoup plus petite, donc plus facile à construire) et les difficultés qui devront être rencontrées lors des lancements électromagnétiques (la densité et la résistance de l'air à une altitude de 100 kilomètres est un million de fois inférieure à mer) », dit Hall.
Systèmes de catapulte
Si toutes les idées proposées pour le lecteur moyen peuvent sembler complètement de la science-fiction, alors les suivantes sont beaucoup plus proches de la réalité qu'elles ne le paraissent à première vue. Une autre alternative aux lancements de fusées est les systèmes de catapulte, dans lesquels un vaisseau spatial sera lancé dans l'espace comme un canon.
Il est bien évident que dans ce cas, la charge elle-même devra être conçue pour résister à l'impact de forces extrêmes. Cependant, les systèmes de catapulte peuvent devenir un outil vraiment efficace pour envoyer une charge utile dans l'espace, où elle sera captée par un vaisseau spatial qui s'y trouve.
Les systèmes de catapulte peuvent être divisés en trois types principaux: électriques, chimiques et mécaniques.
Électrique
Ce type comprend les canons à rail, ou catapultes électromagnétiques, fonctionnant sur le principe des accélérateurs électromagnétiques. Lors du lancement, le vaisseau spatial sera placé sur des rails de guidage spéciaux et accéléré brusquement à l'aide d'un champ magnétique. Dans ce cas, la force d'accélération sera suffisante pour faire sortir l'appareil de l'atmosphère terrestre.
Cependant, la caractéristique de conception de ces systèmes les rendra très massifs et coûteux à construire. En outre, ces systèmes consommeront une énorme quantité d'électricité. Malgré leur puissance, les catapultes électromagnétiques devront encore faire face à certains problèmes liés à la gravité et à l'atmosphère dense de la Terre. S'ils sont utilisés, c'est plus probable sur des planètes avec une gravité plus faible et une atmosphère raréfiée.
Chimique
Il propose de lancer des objets dans l'espace à l'aide d'énormes canons alimentés par un gaz combustible comme l'hydrogène. Cependant, comme pour tout système d'éjection, la cargaison envoyée dans l'espace devra subir des charges accrues lors du lancement. De plus, de tels systèmes ne peuvent pas être utilisés pour envoyer des personnes dans l'espace. En outre, il faudrait utiliser un équipement supplémentaire permettant de lancer des cargaisons, telles que des satellites compacts, en orbite permanente. Sinon, l'objet lancé, ayant gagné l'altitude maximale, retombera simplement sur Terre.
Projet HARP (Projet de recherche en haute altitude). Ce canon a tiré un projectile de fusée Martlet-2 à une altitude de 180 kilomètres. Le record est toujours détenu
Le développement logique du projet HARP a été le projet SHARP (Super High Altitude Research Project). Dans les années 90 du siècle dernier, des chercheurs du Lawrence Livermore Lab ont réalisé une démonstration du lancement de projectiles à une vitesse de 3 kilomètres par seconde (mais pas en hauteur, mais au sol). En fin de compte, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que la construction d'un véritable échantillon de travail d'une telle arme nécessiterait au moins 1 milliard de dollars. L'image a également été épaissie par le fait que les scientifiques n'ont pas réussi à atteindre la vitesse de projectile prévue de 7 kilomètres par seconde.
Mécanique
Les pistolets mécaniques peuvent servir d'alternative aux pistolets électromagnétiques et chimiques. Certes, il n'est pas tout à fait correct d'appeler de tels systèmes pistolets. C'est plutôt une sorte de lance-pierre. Un exemple est le projet Slingatron d'HyperV Technologies Corp. Le système lui-même est une structure creuse en spirale à l'intérieur. Un objet placé à l'intérieur de la spirale est accéléré en faisant pivoter toute la structure autour d'un point fixe.
En théorie, le slingatron est capable de fournir l'accélération nécessaire. Cependant, comme le soulignent les développeurs eux-mêmes, le système n'est pas adapté au lancement de personnes et de charges importantes en orbite. Mais cette méthode pourrait être utilisée pour envoyer de petites charges dans l'espace, telles que des réserves d'eau, du carburant et des matériaux de construction.
Une vue en taille réelle du slingatron ressemblerait à ceci
À quoi ressemblera vraiment le futur?
Il est extrêmement difficile de prédire quelle sera la réponse à cette question. Des découvertes technologiques inattendues et les effets qu'elles créent peuvent conduire au fait que toutes les options de lancements spatiaux sans fusée envisagées aujourd'hui deviendront au même niveau que l'efficacité. Or ce n'est pas le cas, comme on peut le voir au moins à partir du tableau comparatif ici.
Prenons l'exemple du potentiel de la technologie d'assemblage moléculaire. Une fois que nous maîtrisons ce domaine, nous n'avons plus besoin de lancer quoi que ce soit dans l'espace. Nous allons simplement attraper des astéroïdes dans le système solaire et créer à partir d'eux (ou plutôt des matériaux utiles qu'ils contiennent) tout ce que nous voulons dans l'espace. Le plus intéressant est que les progrès dans cette direction sont déjà visibles aujourd'hui. Par exemple, l'astronaute de la NASA Barry Wilmore avait autrefois besoin d'une clé à molette compacte. Il semblerait, quel est le problème - aller au magasin d'outils le plus proche? Seul le magasin d'outils le plus proche à ce moment-là n'était pas à côté de Wilmore, puisque l'astronaute était à bord de la Station spatiale internationale!La NASA est sortie de la situation gracieusement - elle a envoyé un e-mail à l'ISS un diagramme de la clé requise et a proposé à Wilmore de l'imprimer lui-même sur une imprimante 3D à bord. Ceci n'est qu'un exemple montrant que dans un temps relativement court, nous n'aurons plus besoin de lancer quoi que ce soit dans l'espace. Tout sera créé déjà en place.
Quant aux ressources nécessaires, cela cessera également d'être un problème. La ceinture d'astéroïdes est remplie du matériel nécessaire: son volume est presque la moitié de la masse de notre Lune. Un jour, nous arriverons à la conclusion qu'un essaim entier de sondes spatiales de type "Philae" atterrira simplement sur le prochain astéroïde ou météorite et produira des ressources minérales sur eux. La NASA veut mener la première mission de ce type en 2020. Il est prévu d'attraper un petit astéroïde, de le placer sur une orbite lunaire stable, et d'y poser des astronautes, qui pourront étudier le pavé spatial et même collecter des échantillons intéressants de son sol.
Faire entrer les gens dans l'espace est un problème différent, surtout si l'on considère qu'à l'avenir, il est prévu de passer à l'envoi massif de personnes dans l'espace. Certaines des idées proposées, comme l'ascenseur spatial, pourraient effectivement fonctionner. Mais seulement si nous ne parlons pas de la conquête de l'espace lointain. Par conséquent, dans ce domaine, nous devrons compter longtemps sur les lancements de fusées traditionnels. Leurs idées sont déjà exprimées à la fois au niveau de l'État et dans la sphère privée. Reprenez le même Elon Musk avec son projet de colonisation sur Mars.
Il faut également tenir compte du fait que le corps humain n'est pas vraiment conçu pour un très long séjour dans l'espace. Par conséquent, jusqu'à ce que nous arrivions à des technologies efficaces permettant de créer une gravité artificielle, les robots peuvent devenir une solution partielle à ce problème. Les robots peuvent être envoyés dans l'espace et contrôlés à distance depuis la Terre en utilisant la réalité augmentée ou virtuelle.
Les robots ont une réelle chance d'être la clé pour démarrer notre exploration de l'espace lointain. Il est fort possible que dans un avenir plus lointain, nous apprenions à numériser notre cerveau et à transmettre ces informations aux supercalculateurs à bord de stations spatiales éloignées, où elles seront chargées dans une variété d'avatars robotiques, avec lesquels nous ouvrirons la voie aux frontières lointaines de l'espace.
NIKOLAY KHIZHNYAK
