NASA - Nemzeti Repülési és Űrigazgatóság

Funkció

A 30/31-es expedícióval Don Pettit repülőmérnök

A zsarnokság olyan emberi tulajdonság, amelyet néha kivetítünk a Természetre. Ez a vetítés a racionalizálás egyik formája, talán eszköz arra, hogy megbirkózzunk olyan ügyekkel, amelyeket nem tudunk ellenőrizni. Ilyen eset van, amikor olyan gépeket találunk ki, amelyek felszabadítanak minket a Föld határaitól, és befolyásolják az űrbe menekülést. Ha be akarunk terjeszkedni a Naprendszerbe, akkor ezt a zsarnokságot valahogy le kell vetni.

A rakéták lendületes gépek. Nagy sebességgel gázt szórnak ki egy fúvókából, aminek következtében a fúvóka és a hozzá kapcsolt rakéta ellentétes irányba mozog. Isaac Newton helyesen határozta meg a matematikát ehhez a lendületcseréhez 1687-ben. A rakéta lendületének megőrzését először Konstantin Ciolkovszkij orosz látnok és tudós végezte el 1903-ban. Valamennyi rakétánkat Csiolkovsky rakétaegyenlete irányítja.

A rakétaegyenlet három változót tartalmaz. E kettő bármelyikét figyelembe véve a harmadik kővé válik. A remény, a kívánság vagy a dühroham nem változtathatja meg ezt az eredményt. Bár a lendület egyensúlya, ezek a változók energiaként vethetők be. Ezek a gravitációval szembeni energiafelhasználás (gyakran delta V-nek vagy a rakéta sebességének változásának nevezik), a rakéta hajtóanyagában rendelkezésre álló energia (gyakran kipufogógáz-sebességnek vagy fajlagos impulzusnak nevezik), és a hajtóanyag tömegfrakciója (mennyi hajtóanyagra van szüksége a rakéta teljes tömege).

Az energiafogyasztást a gravitációval szemben az határozza meg, hová akarsz eljutni. Az emberi felfedezéshez jelenleg csak néhány hely van, amelyet reálisan figyelembe vehetünk. A legvalószínűbb jelöltek: a Föld felszínétől a Föld keringéséig, Föld pálya a Hold felszínéig, Föld pálya a Mars felszínéig, Föld keringés a cisz-Hold térig (a Föld és a Hold közötti régió, beleértve a különféle helyek, például Lagrange-pontok, geostacionárius pálya stb.). Természetesen vannak ezen útvonalak permutációi, de ezek a legvalószínűbbek, figyelembe véve a jelenlegi technológiai állapotunkat.

Az űrbe irányuló expedíció megtervezésekor először ki kell választanunk, hová akarunk menni. A gravitációhoz viszonyított energiafelhasználást ezután az utazásunk kezdő és végpontja határozza meg. Emberként tehetetlenek vagyunk ezen a számon változtatni. Egyszerűen el kell fogadnunk a következményeit. Szeretem ezt utazási költségként gondolni.

Ezután ki kell választanunk a rakéta-hajtóanyag típusát, meghatározva ezzel a rendelkezésre álló energiát. Jelenleg minden ember által minősített rakétamotorunk kémiai reakciókat (üzemanyag és oxidálószer elégetése) használ az energia előállításához. Vannak korlátai annak az energiamennyiségnek, amelyet a kémiaból ki lehet nyerni, és ezáltal az emberi irányításon kívül helyezhető el az az energia, amelyet rakétába csomagolhatunk. Az ismert legenergiásabb kémiai reakciók közül néhányat választanak a rakéta meghajtására (például hidrogén-oxigén égéshez), és így a második változót megadták. Ismét egyszerűen el kell fogadnunk azt a határt, amelyet a kémia kínálhat (hacsak nem választunk más energiaforrásokat, például atomot). Szeretem ezt a választékot úgy gondolni, mint amit fizetnie kell az útiköltségért.

Ezzel a két változóval a rakéta tömegét most a rakétaegyenlet szabja meg. A rakétánkat ebben a tömeges részben kell megépítenünk, különben nem éri el célját. Ez vonatkozik a meglévő rakétákra is, ha új felhasználási lehetőségeket fontolgatnak. Nagyon keveset tehetünk ezen eredmény megváltoztatásáért. Némi okos mérnöki munkával lehet, hogy néhány százalékpontot le tudunk borotválni a frakciótól, de az alapvető eredményt a naprendszerünk gravitációs környezete (választás arra, hogy hová akarunk menni) és az energiás kötések kémiája határozza meg. kiválasztott kémiai összetevők (hajtóanyag kiválasztása).

Konstruktív, ha néhány számot összerakunk, hogy szemléltessük azt a tapadást, amelyet az egyszerű lendület egyensúlya rakétáinkra gyakorol. Itt adták meg a hozzávetőleges energiaköltséget a sebesség (kilométer/másodperc, km/s) tekintetében, amelyet a szokásos mérnökök használnak a vita egyszerűsítésére. Ezek a számok ideális körülményeket feltételeznek, például nincs veszteség a légköri ellenállás vagy égés szempontjából, de elég közel vannak az ábra érdekében.

Az Endeavour űrsikló 2008 novemberében indul az STS-126 legénységének hét tagjával, köztük Don Pettit missziós szakemberrel. Hitel: NASA

A következőkben felsoroljuk a vegyi rakéta-hajtóanyagok fő kategóriáit és azok energiatartalmát, amelyeket az utazás gravitációs költségeinek kifizetésére használunk. Ezeket a hajtott hajtóművek közül választják ki, akiknek működési múltja van a pilóta nélküli űrhajókon. A hipergolok érintkezéssel gyújtott hajtóanyagok, amelyeket a Hold modul emelkedési szakaszában használnak a motor tervezésének egyszerűsítésére, és a metán-oxigént eddig nem használták az űrben, de a Holdra és a Marsra irányuló jövőbeli emberi küldetéseknél mérlegelés alatt állnak. A termodinamika első törvényét arra használták, hogy az égési energiát egyenértékű kipufogógáz-sebességgé alakítsák át úgy, hogy ezek a fizetési egységek összhangban legyenek a fent bemutatott költségekkel.

A Szojuz TMA-03M űrszonda 2011 decemberében indul, az Expedition 30 legénységének három tagjával, köztük Don Pettit repülőmérnökkel. Hitel: NASA

Hajtóanyag	Fizetési energia (km/s)
Szilárd rakéta	3.0
Petróleum-oxigén	3.1
Hypergols	3.2
Föld körüli aszteroidákra kering a föld:	3.4
Metán-oxigén	4.5

A hidrogén-oxigén a legenergikusabb kémiai reakció, amelyet emberi besorolású rakétákban lehet használni. A kémia nem képes tovább adni nekünk. Az 1970-es években egy kísérleti nukleáris termikus rakétamotor 8,3 km/s energiaegyenértéket adott. Ez a motor energiaforrásként atomreaktort, hajtóanyagként pedig hidrogént használt.

Mivel az emberiség óriási ugrása az első lépés a Földtől, a rakétaegyenlet illusztrációnk a földpályát használja célállomásként, másodpercenként 8 kilométeres költséggel. Ennek a költségnek a kifizetéséhez a fenti kémiai hajtóanyagokat a rakétaegyenlettel együtt használják, amely a következő tömegtöréseket eredményezi (a rakéta teljes tömegének százalékában kifejezve):

A NASA asztronautája, Don Pettit harapnivalót élvez a Unity csomópontban. Hitel: NASA

Hajtóanyag	Rakéta százalékos hajtóanyag a Föld keringésére
Szilárd rakéta	96
Petróleum-oxigén	94. o
Hypergols	93
Metán-oxigén	90
Hidrogén-oxigén	83.

Ezek ideális számok, amelyek mentesek a légköri ellenállás, a hiányos égés és egyéb tényezők miatt, amelyek csökkentik a rakéta hatékonyságát. Az ilyen veszteségek még rosszabbá teszik ezeket a számokat (a tömegfrakciót közelebb viszik ahhoz a rakétához, amely 100% -ban hajtóanyag). Azonban olyan okos mérnöki konstrukciók, mint a rakéta állomás, többféle hajtóanyag (1. fokozatú szilárd vagy petróleum, felsőbb fokú hidrogén) és a gravitációs sovány (a radiális sebességet tangenciálissá alakítja) segíthetnek a kompenzációban. Ha olyan rakétát készítenek, amely közel 90% hajtóanyagot jelent (ami azt jelenti, hogy csak 10% rakéta), akkor a mérnöki tevékenységből származó kis nyereség szó szerint többet ér, mint az egyenértékű arany.

A valódi rakétákból származó valódi tömegfrakciók sok mérnöki részlet hatását tartalmazzák. Ezek a gépek azonban gyökerében Csiolkovszkij rakétaegyenletének egyszerű alkalmazásának az eredményei. Az itt bemutatott ideális eredmények nem állnak távol a tényleges rakétáktól. Az indítópályán lévő Saturn V rakéta tömegének 85% -a volt a hajtóanyag. Három szakasza volt; az elsőben kerozin-oxigént, a második és a harmadik szakaszban hidrogén-oxigént használnak. Az Űrsikló szintén 85 tömegszázalékos hajtóanyag volt, az első szakaszban szilárd anyagok és hidrogén-oxigén, a másodikban hidrogén-oxigén keverékét alkalmazták. A Szojuz rakéta tömegszázaléka 91%, és mindhárom szakaszában kerozin-oxigént használ. Előnye van a hidrogén-oxigén nagy teljesítményű hajtóanyagként történő alkalmazásának; technikailag azonban összetettebb. A petróleum kevesebb teljesítményt nyújt, de egyszerűbb, robusztusabb és könnyebben előállítható rakétát ad. Ezek a számok képviselik a legjobban, amit mérnökeink tehetnek, amikor a Föld gravitációja és a kémiai kötések energiája ellen dolgoznak.

A valódi rakéták valódi hasznos teherfrakciói meglehetősen kiábrándítóak. A Szaturnusz V hasznos teher a Föld pályájára teljes tömegének körülbelül 4% -a volt a felszálláskor. Az űrsikló csak körülbelül 1% volt. Mind a Szaturnusz V, mind az űrsikló körülbelül 120 tonnát tett a Föld pályájára. Az űrsikló újrafelhasználható része azonban 100 tonna volt, így szállítható hasznos terhelése körülbelül 20 tonnára csökkent.

Tanulságos összehasonlítani a rakétatömegeket a mindennapi földi járművek tömegével. Itt adjuk meg a hajtógáz (vagy az üzemanyag, ha oxidálószerként levegőt használunk) hozzávetőleges számát a tömegfrakciók általános kategóriáinak szemléltetésére:

A NASA asztronautája, Don Pettit két állókamerával dolgozik együtt, a Destiny laboratóriumában. Hitel: NASA

Jármű	Hajtóanyag (üzemanyag) százaléka
Nagy hajó	3
Pickup Truck	3
Autó	4
Mozdony	7
Vadászgép	30
Cargo Jet	40
Rakéta	85

A százalékos hajtóanyagnak hatalmas hatása van a gyártás egyszerűségére és a robusztusságra a mérnöki tervezés (és költség) megvalósításában. Ha egy jármű 10% -nál kevesebb hajtóanyagot tartalmaz, tipikusan acélhengerekből készül. A szerkezetének megváltoztatása könnyen elvégezhető mérnöki elemzés nélkül; egyszerű hegesztést hajt végre egy másik acélrészre, hogy megerősítse a keretet az intuíciójának mondanivalója szerint. Könnyedén túlterhelhetem a tonnás hangszedőmet kétszerese. Lehet, hogy lassan mozog, de a terhet hordozza.

Amint a járművek levegőbe kerülnek, a technika egyre komolyabbá válik. Alumínium, magnézium, titán, epoxi-grafit kompozitokból készült könnyűszerkezetek a szokásosak. A szerkezet megváltoztatása jelentős mérnöki munkát igényel; az egyik nem egyszerűen hegeszt egy másik darabot a repülőgép vázához, ha élni szeretne (vagy lyukat fúrni valami kényelmes szakaszon keresztül). Ezek a járművek nem működhetnek messze a tervezett határtól; A repülőgép kétszeres túlterhelése katasztrófát eredményez. Annak ellenére, hogy ezek a járművek 30–40% hajtóanyagot tartalmaznak (60–70% szerkezet és hasznos teher), van hely a mérnökök számára, hogy kényelmesen működjenek, így robusztus, biztonságos és költséghatékony repülési ipar van.

A 85% -os hajtóanyaggal és 15% felépítéssel és hasznos teherrel rendelkező rakéták azon mérnöki képességünk legszélső pontján állnak, hogy egyenletes legyártásra (és fizetésre is!) Képesek vagyunk. A folyamatos repüléshez állandó mérnöki munkát igényelnek. A látszólag legkisebb módosítások monumentális elemzést és prototípusok tesztelését igénylik vákuumkamrákban, rázóasztalokban, és néha próbaindításokat tesznek lehetővé a sivatagi régiókban. A szerkezeti tervezés tipikus árrése 40%. Gyakran a tesztelés és az elemzés csak 10% -kal haladja meg a tervezett határt. Az űrsikló indításához 3 gyorsulás a tervezett határérték. A verem 3,3 g-ig tanúsított (vagyis annyi tesztelésre került, hogy tudjuk, hogy tovább fog működni). Ennek a műveletnek 10% -os borítéka van hibára. Képzelje el, hogy autójával 60 km/h sebességgel halad, majd elsodródik 66 km/h sebességre, csak azért, hogy autóját önpusztítsa. Ez életet hajtó rakéták, a rakétaegyenlet bókjai.

Íme néhány további érdekes példa a konténertechnikából a rakéta tervezés extrém jellegének további bemutatására:

Cukkini növény nő a Nemzetközi Űrállomáson belül. Hitel: NASA
›Olvassa el Don Pettit Földhöz írott leveleit és egy űrcukkini naplóját

Egyéb konténerek	A hasznos tartalom százaléka
Üdítős doboz	94. o
Shuttle külső tartály	96
Molotov koktél	52

A közönséges szódabikarbóna, amely a tömegtermelés csodája, 94 tömegszázalék szóda és 6 tömegszázalék kanna. Hasonlítsa össze ezt az űrsikló külső tartályával, 96% hajtóanyaggal és így 4% szerkezettel. A külső tartály, amely elég nagy ahhoz, hogy egy pajta táncot tartson, kriogén folyadékokat tartalmaz az abszolút nulla (0 Kelvin) felett 20 fokkal, 60 font/négyzet hüvelyk nyomáson (ekkora tartály esetében az ilyen nyomás hatalmas mennyiségű tárolt anyagot jelent. energia) és képes ellenállni a 3 g-nak, miközben hajtóanyagot pumpál ki 1,5 tonna/másodperc sebességgel. Korunkban egy ilyen eszköz mögött rejlő mérnöki tudás szintje annyira csodálatos és élvonalbeli, mint a piramisok építése az ő idejük számára volt.

Egy űrhajós veterán, aki járt a Holdon, egyszer azt mondta nekem: „Egy rakéta tetején ülni olyan, mintha egy molotovi koktél tetején ülnék.” A szívére vettem a megjegyzését, hogy előbb lemértem egy üveg bort, kiürítettem és újra lemértem. Az egyszerű mérnöki elemzés lehetővé tette számomra, hogy megbecsüljem és kompenzáljam a bor és a benzin közötti sűrűségbeli különbséget (ebben az évjáratban biztos vagyok abban, hogy nem sokban különbözött). Egy Molotov-koktélt 52% -os hajtógáznak mértek. Tehát egy rakéta tetején ülni veszélyesebb, mint egy üveg benzinre ülni!

A rakétaegyenlet másik kevésbé ismert mellékhatása a rakétaégetés befejezésének érzékenysége a cél elérése érdekében. Ennek szemléltetésére néhány számot használok a 2008. novemberi Shuttle járatomról, az STS 126-ról. Célsebességünk a fő motor leállításakor 7824 m/s (25819 láb/s) volt. Ha motorjaink leállnának 7806 m/s (25760 láb/s) sebességgel, csak 18 m/s (59 láb/s) zárkózna el a célértéktől, akkor keringést végeznénk, de a kijelölt célpályánkat nem. Nem tudnánk találkozni az űrállomással, és elveszítenénk küldetésünk célját. A tíz dolláros vásárlástól elmaradó két fillér hiányában ez csak 0,2% -kal alacsonyabb, mint az űrbe jutás ára. Ebben az esetben van néhány lehetőségünk. Megégethetnénk a keringő manőverező hajtóanyagunkat, és pótolhatnánk ezt a különbséget. Ha 3% -osan félénkek lennénk a céltól, 7596 (25067 láb/s), akkor nem lenne elegendő orbitális manőverező hajtóanyagunk, és nem tennénk semmilyen pályát. Kénytelenek lennénk egy transzatlanti abortuszra, visszaesünk a Földre és Spanyolországban leszállunk. Szükséges sebességünk utolsó 3% -a égésünk utolsó 8 másodpercében jön létre. Az űrhajósok és a bikavezetők számára a 8 másodperc hosszú idő.

Ha bolygónk sugara nagyobb lenne, akkor lehet egy olyan pont, ahol a Földet kiszabadító rakétát nem lehetne megépíteni. Tegyük fel, hogy egy rakéta építése 96% -os hajtóanyagra (4% rakéta), amely jelenleg csak a Shuttle külső tartály határértéke, a gyakorlati korlát a hordozórakéták tervezéséhez. Válasszuk a hidrogén-oxigént, a legenergikusabb kémiai hajtóanyagot, amely jelenleg ismert és alkalmas egy emberi névre hallható rakétamotorban. Ha ezeket a számokat bekapcsoljuk a rakétaegyenletbe, akkor a kiszámított menekülési sebességet ekvivalens bolygó sugárává alakíthatjuk át. Ez a sugár körülbelül 9680 kilométer lenne (a Föld 6670 km). Ha bolygónk átmérője 50% -kal nagyobb, akkor nem tudnánk kimerészkedni az űrbe, legalább rakétákat használva a szállításhoz.

A zsarnokság elleni fellázadás visszatérő emberi tulajdonság, és talán találunk valamilyen módszert arra, hogy lerakjuk a rakétaegyenletet, és jelentős módon elbocsátkozzunk bolygónktól. A folyamatos emberi jelenlétű kutatásra utalok az első lépésben, mint az antarktiszi típusú bázisok (amelyek több ezer embert támogatnak), és végül kolonizációhoz vezetnek, amely sablon a nyugati civilizáció világszerte történő terjeszkedéséhez hasonlítható a 17. és 18. század során. Az, hogy akkoriban tengerjáró nemzetnek nevezted magad, azt jelentette, hogy különféle célú hajókon hajózhatott számtalan célállomásra, amikor csak akarja. Hosszú út áll előttünk, mire bárki azt állíthatja, hogy űrutazó nemzet.

Az emberiség óriási ugrása nem az első lépés a Holdon, hanem a Föld pályájának elérése. Ha meg akarjuk szakítani a rakétaegyenlet zsarnokságát, új működési paradigmákra és új technológiára lesz szükség. Ha betartjuk rakétáinkat, akkor azoknak olyan rutinná, biztonságossá és megfizethetővé kell válniuk, mint a repülőgépek. Az egyik legalapvetőbb és alapvető képesség, amelyet el kell sajátítani, a földön kívüli forrásokból származó nyersanyagok felhasználásának megtanulása. Legközelebbi bolygószomszédunk, a Hold közeli, hasznos és érdekes. Hasznos termékek kinyerése és előállítása a Hold nyersanyagaiból megkönnyítene bennünket attól, hogy mindent el kell húznunk az űrben a Föld mély gravitációjának aljáról, ami jelentősen megváltoztatja a rakétaegyenlet következményeit a javunkra. Néhány új fizikai elv felfedezése megszakíthatja a zsarnokságot, és lehetővé teheti a Föld számára a menekülést a rakéta paradigma irányításán kívül.

Az új lakóhelyek és a felhasználandó erőforrások iránti igény végül az emberiséget vonzza e bolygón. Az űrhöz való hozzáférés eltávolítja a fedelet a föld Petri-csészéjéből. És mindannyian tudjuk, mi történik végül, ha nem távolítják el a fedelet.