Tout au long du XXe siècle, les écrivains de science-fiction ont beaucoup écrit et avec talent sur l'exploration spatiale. Les héros de "Chius" ont donné à l'humanité les richesses de l'uranium Golconde, le pilote Pirx a travaillé comme capitaine de cargos spatiaux, des porte-conteneurs et des vraquiers ont fait le tour du système solaire, et je ne parle pas de tout le mysticisme du voyage vers des monolithes mystérieux.
Cependant, le 21e siècle n'a pas répondu aux attentes. L'humanité se tient timidement dans le couloir du Cosmos, ne sortant pas de façon permanente au-delà de l'orbite terrestre. Pourquoi cela s'est-il produit et qu'espérer pour ceux qui aimeraient lire dans les nouvelles sur l'augmentation du rendement des pommiers martiens?
Aucun violoniste nécessaire
Le premier paradoxe que nous avons rencontré est que les humains ne sont pas le sujet le plus approprié pour l'exploration spatiale. Les écrivains de science-fiction qui ont inventé des expéditions spatiales ne pouvaient compter que sur l'expérience historique des pionniers de la Terre - marins, explorateurs polaires, premiers aviateurs. En effet, en quoi la conquête de Mars différerait-elle de la conquête du pôle Sud?
Et ici et là, l'environnement est impropre à la vie sans préparation préalable, vous devez emporter des fournitures avec vous, et vous ne pouvez pas sortir du navire ou de la maison sans mettre un équipement spécial. Mais les écrivains de science-fiction et les futuristes ne pouvaient pas prédire le développement de l'électronique et de la robotique, et les chercheurs en robotique étaient généralement décrits de manière anecdotique:
«J'ai dû détourner le regard de la lettre pendant une demi-heure et écouter les plaintes de mon voisin, le cybernétiste Shcherbakov. Vous savez probablement qu'une grande usine souterraine de traitement d'uranium et de transuranure est en construction au nord du lance-roquettes. Les gens travaillent six équipes. Robots - 24 heures sur 24; merveilleuses machines, le dernier mot de la cybernétique pratique. Mais, comme disent les Japonais, le singe tombe également de l'arbre. Maintenant Shcherbakov est venu à moi, en colère comme le diable, et a dit qu'une bande de ces idiots mécaniques (ses propres mots) a volé l'un des grands dépôts de minerai ce soir, le prenant, évidemment, pour un gisement exceptionnellement riche. Les robots avaient des programmes différents, de sorte que le matin, une partie de l'entrepôt se retrouvait dans les entrepôts du lance-roquettes, une partie - à l'entrée du département géologique, et une partie de celui-ci était généralement inconnue. La recherche se poursuit."
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Mais aucun des auteurs bien connus n'a deviné qu'un robot d'exploration spatiale avait beaucoup d'avantages par rapport à une personne:
Contrairement à un humain, un robot n'a besoin que de puissance et d'équilibre thermique. Il n'est pas nécessaire de transporter des dizaines de tonnes de serres, de nourriture, d'eau, d'oxygène, de vêtements et de produits d'hygiène, de médicaments et autres.
Le robot peut être envoyé dans un sens sans retour.
Le robot est capable de travailler pendant des années. L'expérience des Voyagers, des rovers martiens ou de Cassini suggère qu'il est désormais plus juste de parler non pas d'années, mais de décennies.
Le robot est capable de travailler pendant des années dans des conditions mortelles pour l'homme. La sonde Galileo a reçu une dose 25 fois supérieure à la dose létale pour l'homme et a ensuite travaillé en orbite pendant 8 ans.
En conséquence, il s'est avéré que seuls les robots pesant plusieurs tonnes entraient dans les capacités techniques de l'humanité pour les envoyer sur d'autres planètes pour un prix raisonnable et sont devenus le seul moyen de satisfaire la curiosité scientifique et d'obtenir de belles photographies.
Nous vivons dans une courbe logistique
La deuxième erreur des écrivains de science-fiction était de prédire un développement linéaire voire exponentiel de l'astronautique. Bien qu'en 1838, un phénomène tel que la courbe logistique a été découvert. Quelle est cette terrible bête? Prenons par exemple l'histoire de l'aviation:
Années 1900. Les premières bibliothèques maladroites, les premiers records - des vols de plusieurs kilomètres avec un seul passager.
1910e. Les premiers éclaireurs, chasseurs, bombardiers, avions postaux et de passagers.
1920-1930. Maîtriser les vols de nuit, les premiers vols transcontinentaux.
Années 1940. L'aviation est une force militaire et de transport sérieuse.
Années 50. Les moteurs à réaction donnent une nouvelle impulsion au développement de l'aviation - de nouvelles vitesses, gammes et hauteurs, et encore plus de passagers.
1960-70. Premier avion de passagers supersonique et à fuselage large, l'aviation est plus abordable.
1980-90. Freinage. Le développement coûte de plus en plus cher, les entreprises de développement s'unissent en sociétés géantes. Et les avions se ressemblent de plus en plus.
Années 2000. Limite. Les deux géants, Boeing et Airbus, fabriquent des machines en apparence identiques, et les avions de passagers supersoniques se sont complètement éteints.
Si vous traduisez ces réalisations en chiffres, vous obtenez l'image suivante:
En astronautique, la situation est exactement la même:
Pour plus de clarté, le graphique de la courbe en S peut être superposé avec un graphique des coûts pour atteindre ce niveau:
Et la tristesse de notre «aujourd'hui» est qu'en astronautique avec les technologies existantes, nous sommes proches du niveau de saturation. Techniquement, vous pouvez voler en version habitée sur la Lune et même sur Mars, mais c'est dommage pour l'argent.
Mettez KC - vous obtiendrez la gravité
Le prochain aspect triste, qui ralentit la course dans l'espace, est que quelque chose de très précieux n'a pas encore été découvert, pour lequel il vaut la peine de dépenser de l'argent pour l'exploration spatiale au-delà de l'orbite de la Terre. Veuillez noter qu'il y a beaucoup de satellites commerciaux en orbite proche de la Terre - communications, télévision et Internet, météorologie, cartographie. Et ils ont tous des avantages tangibles et monétaires. Et à quoi sert une mission habitée sur la lune? Voici la liste officielle des résultats du programme lunaire américain d'une valeur d'environ 170 milliards de dollars (aux prix de 2005):
La lune n'est pas un objet primaire, c'est une planète terrestre, avec son évolution et sa structure interne, similaire à la Terre.
La lune est ancienne et garde l'histoire du premier milliard d'années d'évolution des planètes terrestres.
Les roches lunaires les plus jeunes ont à peu près le même âge que les plus anciennes roches terrestres. Les traces des premiers processus et événements qui auraient pu influencer la Lune et la Terre ne se trouvent désormais que sur la Lune.
La Lune et la Terre sont génétiquement liées et formées à partir de proportions différentes d'un ensemble commun de matériaux.
La lune est sans vie et ne contient aucun organisme vivant ni matière organique locale.
Les roches lunaires sont issues de processus à haute température sans la participation de l'eau. Ils sont classés en trois types: basaltes, anorthosites et brèches.
Il y a longtemps, la Lune a fondu à une grande profondeur et a formé un océan de magma. Les montagnes lunaires contiennent des restes de roches précoces de faible densité qui flottaient à la surface de cet océan.
L'océan de magma a été formé par une série d'énormes impacts d'astéroïdes qui ont formé des piscines remplies de coulées de lave.
La lune est quelque peu asymétrique, peut-être en raison de l'influence de la Terre.
La surface de la lune est couverte de morceaux de roche et de poussière. Ceci s'appelle le régolithe lunaire et contient l'histoire radiative unique du Soleil, qui est importante pour comprendre le changement climatique sur Terre.
Tout cela est très intéressant (pas de blagues), mais toutes ces connaissances ont un inconvénient irréparable: vous ne pouvez pas l'étaler sur du pain, le verser dans un réservoir d'essence ou en construire une maison. Si un certain "elerium", "tiberium" ou autre shishdostanium était découvert dans l'immensité de l'espace, qui pourrait être utilisé comme:
Source d'énergie rentable.
Une partie intégrante de la production de quelque chose de précieux et d'utile.
Nourriture / médecine / vitamine d'une qualité fondamentalement nouvelle.
Un objet de luxe ou une source de plaisir.
S'il ne poussait que sur Mars ou dans la ceinture d'astéroïdes (et n'était pas reproduit sur Terre) et ne pouvait être exploité que par des humains (afin que l'humanité rusée n'envoie pas des robots moins chers et plus sans prétention), alors ce serait l'exploration spatiale habitée qui recevrait une incitation inestimable. Et en son absence, dans un scénario pessimiste dans les années 2020, l'humanité risque de perdre une présence permanente même en orbite proche de la Terre - sur fond de pots de coopération internationale brisés par les politiciens, les contribuables peuvent se demander: «Pourquoi avons-nous besoin d'une nouvelle station après l'ISS?
La malédiction de la formule Tsiolkovsky
Le voici, l'ennemi de la cosmonautique:
Ici:
V est la vitesse finale de la fusée.
I - impulsion spécifique du moteur (combien de secondes le moteur sur 1 kilogramme de carburant peut créer une poussée de 1 Newton)
M1 est la masse initiale de la fusée.
M2 est la masse finale de la fusée.
V pour le cas de réservoirs pleins sera la marge de vitesse caractéristique, c'est-à-dire la marge de vitesse avec laquelle nous pouvons accélérer / décélérer si nécessaire. Ceci est également appelé la marge delta-V (delta signifie changement, c'est-à-dire que c'est la marge pour le changement de vitesse).
Quel est le problème ici? Prenons une carte des changements de vitesse requis pour le système solaire:
Imaginons maintenant que nous voulons voler vers Mars et revenir. Cela équivaudra à:
9400 m / s - départ de la Terre.
3210 m / s - quitter l'orbite terrestre.
1060 m / s - interception de Mars.
0 m / s - entrée sur l'orbite basse de Mars (le triangle blanc signifie la possibilité de freiner contre l'atmosphère).
0 m / s - atterrissage sur Mars (on ralentit sur l'atmosphère).
3800 m / s - départ de Mars.
1440 m / s - accélération depuis l'orbite de Mars.
1060 m / s - Interception terrestre.
0 m / s - entrée sur une orbite terrestre basse (nous ralentissons contre l'atmosphère).
0 m / s - atterrissage sur la Terre (nous ralentissons sur l'atmosphère).
Le résultat est un beau chiffre de 19970 m / s, que nous arrondissons à 20 000 m / s. Que notre fusée soit idéale, et le volume de carburant n'affecte en rien sa masse (les réservoirs, les pipelines ne pèsent rien). Essayons de calculer la dépendance de la masse initiale de la fusée à la masse finale et à l'impulsion spécifique. En transformant la formule Tsiolkovsky, nous obtenons:
M1 = eV / I * M2
Utilisons le package mathématique gratuit Scilab. On prend la masse finale de l'ordre de 10 à 1000 tonnes, l'impulsion spécifique variera de 2000 m / s (moteurs chimiques sur hydrazine) à 200 000 m / s (estimation théorique de l'impulsion maximale du moteur électrique de propulsion pour aujourd'hui). Je dois dire tout de suite que pour la masse maximale et l'impulsion minimale, il y aura une très grande valeur (22 millions de tonnes), donc l'échelle d'affichage sera logarithmique.
[m2 I] = maillage (10: 50: 1 000, 2 000: 5 000: 200 000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Ce beau graphique est, en fait, un verdict visuel pour les moteurs chimiques. Ce n'est pas une nouvelle - sur les moteurs chimiques, comme le montre parfaitement la pratique, vous pouvez normalement lancer de petites sondes, mais même voler vers la lune avec un équipage est déjà un peu difficile.
Assouplissons nos conditions. Tout d'abord, supposons que nous partions de l'orbite terrestre, et au lieu de 20 km / s, nous avons besoin de 10. Deuxièmement, nous coupons la «queue» des moteurs chimiques inefficaces, en fixant la valeur minimale de I à 4400 m / s (AI du moteur à hydrogène de la navette spatiale RS-25):
[m2 I] = maillage (10: 50: 1 000, 4 400: 5 000: 200 000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Échelle logarithmique:
Échelle linéaire:
Nous abandonnerons complètement les moteurs chimiques. Le moteur nucléaire NERVA avait une IA de 9000 secondes. Recalculons:
[m2 I] = maillage (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surf (m2, I, m1)
Échelle linéaire:
Pourquoi est-ce que je répète ces graphiques monotones? Le fait est que la surface plane désignée comme «motif d'optimisme» montre que lorsque des moteurs avec une IA de plus de 50000 m / s apparaissent, il deviendra possible de voler plus ou moins tolérable sans navires d'une masse de départ de millions de tonnes à l'intérieur du système solaire. Et les moteurs de propulsion électriques, qui existent déjà, ont un ID de 25000-30000 m / s (par exemple, SPD 2300).
Cependant, il est nécessaire de comprendre que la raison de l'optimisme est très restreinte. Premièrement, ces milliers de tonnes doivent être livrées sur l'orbite terrestre (et c'est extrêmement difficile). Deuxièmement, les moteurs de propulsion électriques existants ont une faible poussée et, pour accélérer avec une accélération appropriée, des réacteurs de plusieurs mégawatts doivent être installés.
Construisons un autre graphique intéressant. Faites-nous savoir la masse finale - 1000 tonnes. Construisons la dépendance de la masse initiale sur l'impulsion spécifique et la vitesse finale:
[VI] = maillage (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surf (V, I, m1)
Ce graphique est intéressant en ce qu'il est, en un sens, un regard sur l'avenir plus lointain de l'humanité. Si nous voulons un vol confortable et rapide à travers le système solaire, nous devrons alors aller d'un ordre de grandeur plus haut pour maîtriser l'impulsion spécifique - nous avons besoin de moteurs avec une IA de plusieurs centaines de milliers de mètres par seconde.
Il n'y a pas de poisson ici
L'humanité se distingue par sa ruse et son ingéniosité. Par conséquent, de nombreuses idées ont été inventées afin de faciliter l'accès à l'espace. L'un des paramètres les plus importants caractérisant la barrière que nous voulons franchir est le coût de mise en orbite d'un kilogramme. Or, selon diverses estimations (cette colonne a été supprimée du Wiki, ici, par exemple, une autre source) pour divers lanceurs, ce prix est de l'ordre de 4000 à 13000 dollars le kilogramme pour une orbite terrestre basse. Qu'avez-vous essayé de proposer pour rendre plus facile, plus facile et moins cher la mise en orbite au moins proche de la Terre?
Systèmes réutilisables. Historiquement, cette idée a déjà échoué une fois dans le programme de la navette spatiale. Maintenant, Elon Musk fait cela, prévoyant de planter la première étape. Je lui souhaite plein succès, mais compte tenu de l’échec du passé, je ne pense pas que ce sera une avancée qualitative. Dans le meilleur des cas, le coût baissera de quelques pour cent.
Étape unique en orbite. Elle n'est pas allée au-delà des projets, malgré des tentatives répétées.
Démarrage pneumatique. Il existe un projet réussi pour une petite charge utile, mais ne s'adapte pas aux charges lourdes.
Lancement spatial sans fusée. Beaucoup de projets ont été inventés, mais tous ont un défaut fatal - des investissements astronomiques sont nécessaires, qui ne peuvent être «repris» sans l'achèvement complet du projet. Tant que l'ascenseur spatial, la fontaine ou le conducteur de masse ne sont pas entièrement construits et lancés, il n'y a aucun profit.
Que le cœur se calmera
Comment remonter le moral après ces tristes réflexions? J'ai deux arguments - l'un abstrait et fondamental, l'autre plus spécifique.
Premièrement, le progrès dans son ensemble n'est pas une seule courbe en S, mais beaucoup d'entre elles, ce qui forme une image tellement optimiste:
Dans l'histoire de l'aviation, on peut distinguer, par exemple:
Et, bien sûr, nous nous trouvons à un point similaire dans le développement de la cosmonautique. Oui, maintenant il y a une certaine stagnation, et même un retour en arrière est possible, mais l'humanité, avec la tête de ses meilleurs représentants, franchit le mur de la connaissance, et quelque part, pas encore remarquées, les pousses d'un nouvel avenir se font jour.
Le deuxième argument est l'actualité du développement d'un réacteur nucléaire pour le module transport-énergie, qui se déroule sans trop d'histoires:
Les dernières nouvelles concernant ce projet remontent à l'été - le premier TVEL a été assemblé. Le travail, bien que sans publicité régulière, est évidemment en cours, et on peut espérer l'apparition dans les années à venir d'un appareil fondamentalement nouveau - un remorqueur nucléaire à propulsion électrique.
P. S
Ce sont des pensées quelque peu négligées, appelons-les la première itération. Je voudrais avoir des commentaires - peut-être ai-je manqué quelque chose ou mal défini l'importance du phénomène. Qui sait, peut-être qu'après avoir traité les commentaires, vous obtiendrez un concept plus cohérent ou proposerez quelque chose d'intéressant?
Avor: lozga
