Особеност

С експедиция 30/31 борден инженер Дон Петтит

ракетното

Тиранията е човешка черта, която понякога проектираме върху Природата. Тази прогноза е форма на рационализация, може би средство за справяне с въпроси, които не можем да контролираме. Такъв е случаят, когато изобретяваме машини, които да ни освободят от пределите на Земята, засягайки нашето бягство в космоса. Ако искаме да се разширим в Слънчевата система, тази тирания трябва по някакъв начин да бъде свалена.

Ракетите са импулсни машини. Те изхвърлят газ от дюзата с висока скорост, карайки дюзата и прикрепената към нея ракета да се движат в обратна посока. Исак Нютон правилно е определил математиката за този обмен на инерция през 1687 г. Запазването на инерцията, приложена към ракета, е извършено за първи път от руския визионер и учен Константин Циолковски през 1903 г. Всички наши ракети се управляват от ракетното уравнение на Циолковски.

Ракетното уравнение съдържа три променливи. Като се имат предвид всеки два от тях, третият се лее в камък. Надеждата, желанието или истериката не могат да променят този резултат. Въпреки че импулсен баланс, тези променливи могат да бъдат представени като енергии. Те са енергийните разходи срещу гравитацията (често наричани делта V или промяната в скоростта на ракетата), енергията, налична във вашето ракетно гориво (често наричана скорост на отработените газове или специфичен импулс), и масовата част на горивото (колко гориво ви е необходимо в сравнение с общата ракетна маса).

Разходът на енергия спрямо гравитацията се определя от това къде искате да отидете. За човешкото изследване има само няколко места, които реално можем да разгледаме понастоящем. Най-вероятните кандидати са: от повърхността на Земята до земната орбита, земната орбита до повърхността на Луната, земната орбита до повърхността на Марс, земната орбита до цис-лунното пространство (областта между Земята и Луната, включително разнообразие на местоположения като точки на Лагранж, геостационарна орбита и др.). Разбира се, има пермутации на тези маршрути, но те са най-вероятните, като се има предвид нашето текущо състояние на технологиите.

При планирането на експедиция в космоса първо трябва да изберем къде искаме да отидем. След това разходът на енергия спрямо гравитацията се определя от началната и крайната точка на нашето пътуване. Като хора сме безсилни да променим това число. Просто трябва да приемем последствията от него. Обичам да мисля за това като за пътни разходи.

След това трябва да изберем типа ракетно гориво, като по този начин посочим наличната енергия. Понастоящем всички наши ракетни двигатели с човешка оценка използват химични реакции (изгаряне на гориво и окислител) за производство на енергия. Има ограничения за количеството енергия, което може да бъде извлечено от химията и по този начин граници, поставени извън човешкия контрол върху енергията, която можем да опаковаме в ракета. Някои от най-енергичните известни химични реакции са избрани за ракетно задвижване (например като изгаряне на водород-кислород) и по този начин втората променлива вече е посочена. Отново трябва просто да приемем ограничението на това, което химията може да предложи (освен ако не изберем други енергийни източници, като ядрената). Обичам да мисля за този избор като за това, което трябва да платите за пътните разходи.

С тези две променливи масивната част на ракетата сега се диктува от ракетното уравнение. Трябва да изградим нашата ракета в рамките на тази масова част, иначе тя няма да достигне целта си. Това се отнася и за съществуващи ракети, когато се обмислят нови цели. Много малко можем да направим, за да променим този резултат. С умно инженерство може да успеем да избръснем няколко процентни пункта от фракцията, но основният резултат се определя от гравитационната среда на нашата Слънчева система (избор къде да отидем) и химията на енергийните връзки на нашата избрани химични компоненти (избор на гориво).

Конструктивно е да съберем няколко числа, за да илюстрираме сцеплението, което простият баланс на инерцията поставя върху нашите ракети. Тук приблизителните разходи за енергия са дадени от гледна точка на скоростта (километри в секунда, км/сек), която обичайните инженери използват за опростяване на дискусията. Тези числа предполагат идеални условия като липса на загуби за атмосферно съпротивление или горене, но са достатъчно близки за тази илюстрация.

Космическата совалка Endeavour стартира през ноември 2008 г., превозвайки седем членове на екипажа на STS-126, включително специалист от мисията Дон Петтит. Кредит: НАСА

След това са изброени основните категории за нашите химически ракетни горива и тяхното енергийно съдържание, използвано за заплащане на гравитационните разходи за пътуване. Те се избират от горива с експлоатационна история в пилотирани космически кораби. „Хиперголите“ са запалителни с контактно гориво, използвани в етапа на изкачване на Лунния модул за опростяване на конструкцията на двигателя и метан-кислородът досега не е бил използван в космоса, но се обмисля за бъдещи човешки мисии до Луната и Марс. Първият закон на термодинамиката беше използван за преобразуване на енергията на изгаряне в еквивалентна скорост на отработените газове, така че тези единици на плащане да съответстват на разходите, показани по-горе.

Космическият кораб Soyuz TMA-03M стартира през декември 2011 г., превозвайки трима членове на екипажа на Експедиция 30, включително бордовия инженер Дон Петтит. Кредит: НАСА

Пропелент Енергия на плащане (km/s)
Твърда ракета 3.0
Керосин-кислород 3.1
Хиперголи 3.2
Земна орбита до околоземни астероиди: 3.4
Метан-кислород 4.5

Водород-кислородът е най-енергичната химична реакция, известна за използване в ракета с човешки рейтинг. Химията не е в състояние да ни даде повече. През 70-те години експериментален ядрен термичен ракетен двигател дава енергиен еквивалент от 8,3 km/s. Този двигател използва ядрен реактор като източник на енергия и водород като гориво.

Тъй като гигантският скок за човечеството е първата стъпка от Земята, нашата илюстрация на ракетното уравнение използва земната орбита като дестинация с цена от 8 километра в секунда. За да се плати тази цена, всеки от горните химически горива се използва с ракетното уравнение, което води до следните масови фракции (дадени като процент от общата ракетна маса):

Астронавтът на НАСА Дон Петтит се наслаждава на лека закуска във възела Unity. Кредит: НАСА

Пропелент Ракетно пропелент за земната орбита
Твърда ракета 96
Керосин-кислород 94
Хиперголи 93
Метан-кислород 90
Водород-кислород 83

Това са идеални числа без загуби поради атмосферно съпротивление, непълно изгаряне и други фактори, които намаляват ефективността на ракетата. Такива загуби правят тези числа още по-лоши (придвижването на масовия дял по-близо до ракета, която е 100% гориво). Въпреки това, умни инженерни конструкции като ракетно разположение, множество видове горива (твърди вещества от 1-ви етап или керосин, водород от горните етапи) и гравитационно наклоняване (преобразува радиалната скорост в тангенциална) могат да помогнат за компенсирането. Когато се прави ракета с близо 90% ракетно гориво (което означава, че е само 10% ракета), малките печалби чрез инженерство буквално струват повече от еквивалентното им тегло в злато.

Реалните масови фракции от истински ракети включват ефекта на много инженерни детайли. Тези машини в основата обаче са резултат от простото прилагане на ракетното уравнение на Циолковски. Представените тук идеални резултати не са далеч от действителните ракети. Ракетата "Сатурн V" на стартовата площадка е била 85% тегловно гориво. Имаше три етапа; първият с използване на керосин-кислород и вторият и третият етап с използване на водород-кислород. Космическата совалка също е с 85% тегловно гориво, използвайки смес от твърди вещества и водород-кислород за първия етап и водород-кислород за втория. Ракетата „Союз“ е с 91% гориво от маса и използва керосин-кислород във всичките си три етапа. Има предимство при използването на водород-кислород като високоефективно гориво; обаче е технически по-сложен. Керосинът предлага по-ниска производителност, но дава по-проста, здрава и по-лесна за производство ракета. Тези числа представляват най-доброто, което нашето инженерство може да направи, когато работи срещу земната гравитация и енергията от химическите връзки.

Реалните части от полезния товар от истински ракети са доста разочароващи. Полезният товар на Сатурн V към земната орбита е бил около 4% от общата му маса при излитане. Космическата совалка беше само около 1%. Както Сатурн V, така и космическата совалка са поставили около 120 метрични тона в земната орбита. Частта за космическа совалка за многократна употреба обаче е била 100 метрични тона, така че нейният полезен товар е намален до около 20 тона.

Поучително е да се сравняват масовите фракции на ракетите с тези на други ежедневни земни превозни средства. Тук са дадени приблизителните номера на горивото (или горивото, когато въздухът се използва като окислител), за да илюстрират общите категории масови фракции:

Астронавтът на НАСА Дон Петтит работи с две неподвижни камери, монтирани заедно в лабораторията Destiny. Кредит: НАСА

Превозно средство Процентно гориво (гориво)
Голям кораб 3
Пикап 3
Кола 4
Локомотив 7
Изтребител 30
Cargo Jet 40
Ракета 85

Процентното гориво има огромни последици за лекотата на производство и стабилността при постигане на инженерния дизайн (и разходите). Ако превозното средство е с по-малко от 10% гориво, то обикновено е направено от стоманени заготовки. Промените в структурата му се извършват лесно без инженерен анализ; просто заварявате върху друг парче стомана, за да подсилите рамката според това, което може да каже вашата интуиция. Лесно мога да претоваря моето пикап с тона с коефициент два. Може да се движи бавно, но тегли товара.

След като превозните средства станат във въздуха, инженерството става по-сериозно. Леките конструкции от алуминий, магнезий, титан, епокси-графитни композити са норма. За да се промени структурата е необходимо значително инженерство; човек не просто заварява друга част към вашия корпус, ако искате да живеете (или пробийте дупка през някакъв удобен участък). Тези превозни средства не могат да работят далеч от проектираните граници; претоварването на самолет с коефициент два води до катастрофа. Въпреки че тези превозни средства са с 30 до 40% гориво (60 до 70% структура и полезен товар), има място за инженерство, което да работи удобно, като по този начин има здрава, безопасна и рентабилна авиационна индустрия.

Ракетите с 85% гориво и 15% структура и полезен товар са на крайния ръб на нашата инженерна способност дори да произвеждаме (и да плащаме!). Те изискват постоянно инженерство, за да продължат да летят. На пръв поглед най-малките модификации изискват монументален анализ и тестване на прототипи във вакуумни камери, шейкър маси и понякога тестови изстрелвания в пустинни региони. Типичните граници в конструкцията на конструкцията са 40%. Често тестовете и анализите се вземат само на 10% над планираната граница. За изстрелване на космическа совалка 3 g са проектираната граница на ускорение. Стекът е сертифициран (което означава, че е тестван до такава степен, че знаем, че ще продължи да работи) на 3.3 g. Тази операция има 10% плик за грешка. Представете си, че карате колата си със скорост от 60 мили в час и след това се движите до 66 мили в час, само за да се самоунищожите. Това е ракета за езда, комплименти от ракетното уравнение.

Ето още няколко интересни примера от контейнерното инженерство, които допълнително илюстрират екстремния характер на проектирането на ракети:

Растение от тиквички расте в Международната космическа станция. Кредит: НАСА
›Прочетете писмата на Дон Петтит до Земята и дневника на една космическа тиквичка

Други контейнери Процент полезно съдържание
Сода може 94
Външен резервоар на совалката 96
Коктейл Молотов 52

Обикновената газирана кутия, чудо за масово производство, е 94% сода и 6% тегловна кутия. Сравнете това с външния резервоар за космическата совалка при 96% гориво и по този начин 4% структура. Външният резервоар, достатъчно голям отвътре, за да побере хамбар, съдържа криогенни течности при 20 градуса над абсолютната нула (0 Келвина), под налягане до 60 паунда на квадратен инч (за резервоар с такъв размер такова налягане представлява огромно количество съхранява енергия) и може да издържи 3 грама, докато изпомпва горивото с 1,5 метрични тона в секунда. Нивото на инженерни познания зад подобно устройство в нашето време е толкова невероятно и авангардно, колкото е било строителството на пирамидите по тяхно време.

Ветеран-астронавт, който е бил на Луната, веднъж ми каза: „Да седиш на върха на ракета е все едно да седиш на върха на коктейл от Молотов“. Взех неговия коментар присърце, като първо претеглих бутилка вино, изпразних бутилката и отново я претеглих. Простият инженерен анализ ми позволи да преценя и компенсирам разликата в плътността между виното и бензина (която за тази конкретна реколта съм сигурна, че не се различава много). Коктейлът Молотов е измерен на 52% гориво. Така че да седите на върха на ракета е по-опасно от това да седите на бутилка бензин!

Друг по-малко признат страничен ефект от ракетното уравнение е чувствителността на завършването на изгарянето на ракетата към постигането на вашата цел. За да илюстрирам това, ще използвам някои цифри от моя полет на совалката, STS 126 през ноември 2008 г. Целевата ни скорост при изключен главен двигател беше 7824 m/s (25819 ft/s). Ако двигателите ни спрат при 7806 m/s (25760 ft/s), само 18 m/s (59 ft/s), свенливи от целевата стойност, ние ще направим орбита, но не и определената ни целева орбита. Не бихме могли да се срещнем с космическата станция и ще загубим целта си на мисията. Подобно на липсата на две стотинки за покупка от десет долара, това е само с 0,2% по-малко от цената за допускане в космоса. В този случай имаме някои опции. Бихме могли да изгорим нашето орбитално маневрено гориво и да компенсираме тази разлика. Ако бяхме 3% срамежливи от нашата цел, 7596 (25067 фута/сек), нямаше да имаме достатъчно орбитално маневриращо гориво и не бихме направили никаква орбита. Щяхме да бъдем принудени да направим трансатлантически аборт, да паднем обратно на Земята и да кацнем в Испания. Последните 3% от необходимата ни скорост идват през последните 8 секунди от изгарянето ни. За астронавтите и ездачите на бикове 8 секунди са много време.

Ако радиусът на нашата планета беше по-голям, можеше да има точка, в която да не може да бъде построена ракета за бягство от Земята. Нека приемем, че изграждането на ракета с 96% ракетно гориво (4% ракета), понастоящем ограничението само за външния резервоар на совалката, е практическото ограничение за инженерното проектиране на ракетите. Нека също така да изберем водород-кислород, най-енергийният химически пропелент, познат и в момента способен да се използва в ракетни двигатели с човешки рейтинг. Чрез включването на тези числа в ракетното уравнение можем да трансформираме изчислената скорост на излизане в еквивалентния й планетен радиус. Този радиус ще бъде около 9680 километра (Земята е 6670 км). Ако нашата планета беше с 50% по-голям в диаметър, нямаше да можем да се впуснем в космоса, поне използвайки ракети за транспорт.

Въстанието срещу тиранията е повтаряща се човешка черта и може би ще измислим някакъв начин да отхвърлим ракетното уравнение и да се отдалечим значително от нашата планета. Имам предвид изследването с непрекъснато човешко присъствие с първата стъпка като бази от Антарктика (които поддържат няколко хиляди души) и в крайна сметка водещи до колонизация, шаблон, сравним с разширяването на западната цивилизация по целия свят през 17-ти и 18-ти век. Да се ​​наречеш държава, занимаваща се с море, по това време означаваше, че можеш да отплаваш на различни мисии в редица различни видове кораби до безброй дестинации, когато пожелаеш. Предстои ни дълъг път, преди някой да може да претендира, че е космическа нация.

Гигантският скок за човечеството не е първата стъпка на Луната, а постигането на земната орбита. Ако искаме да разчупим тиранията на ракетното уравнение, ще са необходими нови парадигми на действие и нови технологии. Ако се придържаме към нашите ракети, те трябва да станат толкова рутинни, безопасни и достъпни като самолетите. Едно от най-елементарните и основни умения за овладяване е да се научите как да използвате суровини от източници извън Земята. Най-близкият ни планетен съсед, Луната е близо, полезна и интересна. Извличането и производството на полезни продукти от суровините на Луната би ни освободило от необходимостта да издърпаме всичко необходимо в космоса от дъното на дълбоката гравитация на Земята, значително променяйки последиците от ракетното уравнение повече в наша полза. Откриването на някакъв нов физически принцип може да сломи тиранията и да позволи на Земята да избяга извън управлението на ракетната парадигма.

Необходимостта от нови места за живеене и ресурси, които да се използват, в крайна сметка ще извика човечеството от тази планета. Наличието на достъп до космоса премахва капака от чашата на Петри на Земята. И всички знаем какво в крайна сметка се случва, ако капакът не бъде свален.