Ошибки фантастов
Оригинал взят у prosto-rgb
Оригинал взят у lozga
Весь двадцатый век фантасты много и талантливо писали об освоении космоса.
Герои "Хиуса" подарили человечеству богатства Урановой Голконды, пилот Пиркс работал капитаном космических сухогрузов, по Солнечной системе ходили лидер-контейнероносцы и балкер-трампы, и я уж не говорю про всякую мистику путешествий к таинственным монолитам.
Однако 21 век не оправдал надежд.
Человечество робко стоит в прихожей Космоса, не выбравшись на постоянной основе дальше земной орбиты.
Почему так получилось и на что надеяться тем, кто хотел бы читать в новостях про повышение урожайности марсианских яблонь?
Скрипач не нужен
Первый парадокс, с которым столкнулось человечество - человек не самый подходящий субъект для исследования космоса.
Никто из известных авторов не догадался, что робот в освоении космоса имеет массу преимуществ перед человеком:
- В отличие от человека, робот нуждается только в электропитании и обеспечении теплового баланса. Не надо тащить с собой десятки тонн оранжерей, еды, воды, кислорода, одежды и средств гигиены, лекарств и прочего.
- Робота можно отправить в одну сторону, без возвращения.
- Робот способен работать годами. Опыт "Вояджеров", марсоходов или "Кассини" говорит о том, что сейчас правильнее говорить уже не о годах, а десятилетиях.
- Робот способен работать годами в условиях, которые смертельны для человека. Зонд "Галилео" получил дозу в 25 раз превышающую смертельную для человека и после этого работал на орбите 8 лет.
В результате получилось так, что только роботы массой в несколько тонн вписались в технические возможности человечества отправить их к другим планетам за приемлемые деньги и стали единственным на сегодня способом удовлетворения научного любопытства и получения красивых фотографий.
Мы живем в логистической кривой
Вторая ошибка фантастов состояла в том, что они прогнозировали линейное или даже экспоненциальное развитие космонавтики. Хотя ещё в 1838 году было открыто такое явление как логистическая кривая.
Для примера возьмем историю авиации:
1900-е. Первые неуклюжие этажерки, первые рекорды - полеты на несколько километров с одним пассажиром.
1910-е. Первые разведчики, истребители, бомбардировщики, почтовые и пассажирские самолёты.
1920-1930-е. Освоение полётов ночью, первые трансконтинентальные перелеты.
1940-е. Авиация - серьезная военная и транспортная сила.
1950-е. Реактивные двигатели дают новый толчок развитию авиации - новые скорости, дальности и высоты, ещё больше пассажиров.
1960-70е. Первые сверхзвуковые и широкофюзеляжные пассажирские самолёты, авиация качественно более доступна.
1980-90е. Торможение. Разработка все дороже, фирмы-разработчики объединяются в гигантские компании. А самолёты все больше похожи друг на друга.
2000-е. Предел. Два гиганта "Боинг" и "Эйрбас" делают внешне одинаковые машины, сверхзвуковые пассажирские самолёты вообще вымерли.
Если перевести эти достижения в числа, получится вот такая вот картинка:
В космонавтике ситуация совершенно такая же:
Для наглядности на график S-кривой можно наложить график расходов на достижение этого уровня:
И печаль нашего "сегодня" состоит в том, что в космонавтике на существующих технологиях мы близки к уровню насыщения. Технически можно слетать в пилотируемом варианте на Луну и даже Марс, но как-то денег жалко.
Следующий печальный аспект, тормозящий рывок в космос - пока не обнаружено что-то очень ценное, ради чего стоит тратить деньги на освоение космоса дальше земной орбиты.
Если бы на просторах космоса был бы обнаружен некий "элериум", "тибериум" или иной шишдостаниум, который можно было бы использовать как:
- Экономически выгодный источник энергии.
- Составной элемент производства чего-нибудь ценного и нужного.
- Еду/лекарство/витамин принципиально нового качества.
- Предмет роскоши или источник удовольствия.
Если бы он также рос только на Марсе или в поясе астероидов (и не воспроизводился на Земле) и мог быть добыт только человеком (чтобы хитрое человечество не отправило более дешевых и неприхотливых роботов), то тогда бы именно пилотируемое освоение космоса получило бы бесценный стимул.
Проклятие формулы Циолковского
Здесь:
V - конечная скорость ракеты.
I - удельный импульс двигателя (сколько секунд двигатель на 1 килограмме топлива сможет создавать тягу 1 Ньютон)
M1 - начальная масса ракеты.
M2 - конечная масса ракеты.
V для случая полных баков будет запасом характеристической скорости, т.е., тем запасом скорости, которым мы можем разгоняться/тормозиться при необходимости. Это также называют запасом delta-V (дельта означает изменение, т.е. это запас изменения скорости).
В чем здесь проблема?
Представим теперь, что мы хотим слетать на Марс и обратно.
Это составит:
- 9400 м/с - старт с Земли.
- 3210 м/с - уход с орбиты Земли.
- 1060 м/с - перехват Марса.
- 0 м/с - выход на низкую орбиту Марса (белый треугольник означает возможность торможения об атмосферу).
- 0 м/с - посадка на Марсе (тормозим об атмосферу).
- 3800 м/с - старт с Марса.
- 1440 м/с - разгон с орбиты Марса.
- 1060 м/с - перехват Земли.
- 0 м/с - выход на низкую орбиту Земли (тормозим об атмосферу).
- 0 м/с - посадка на Землю (тормозим об атмосферу).
В итоге получается красивая цифра 19970 м/с, которую мы округляем до 20 000 м/с. Пусть ракета у нас будет идеальная, и объем топлива никак не влияет на её массу (баки, трубопроводы ничего не весят).
Попробуем рассчитать зависимость начальной массы ракеты от конечной массы и удельного импульса.
Преобразуя формулу Циолковского, получим:
Конечную массу возьмем в диапазоне 10-1000 тонн, удельный импульс будет меняться от 2000 м/с (химические двигатели на гидразине) до 200 000 м/с. Сразу скажу, что для максимальной массы и минимального импульса будет очень большое значение (22 миллиона тонн), поэтому шкала отображения будет логарифмической.
Этот красивый график, по сути, наглядный приговор химическим двигателям. Это не новость - на химических двигателях, как это прекрасно показывает практика, можно нормально запускать небольшие зонды, но даже на Луну слетать с экипажем уже несколько затруднительно.
Облегчим себе условия. Во-первых, допустим, что мы стартуем уже с орбиты Земли, и вместо 20 км/с нам понадобится 10.
Во-вторых, обрежем "хвост" неэффективных химических двигателей, поставив минимальным значением I 4400 м/с (УИ водородного двигателя Спейс шаттла RS-25):
Логарифмическая шкала:
Линейная шкала:
Откажемся совсем от химических двигателей. Ядерный двигатель NERVA имел УИ 9000 секунд.
Пересчитаем:
Почему я повторяю эти однообразные графики?
Дело в том, что плоский участок, обозначенный как "повод для оптимизма" показывает, что, когда появятся двигатели с УИ больше 50000 м/с, в пределах Солнечной системы станет возможно более-менее сносно летать без кораблей стартовой массой в миллионы тонн.
Построим ещё один интересный график. Пусть нам известна конечная масса - 1000 тонн.
Построим зависимость начальной массы от удельного импульса и конечной скорости:
Этот график интересен тем, что это в каком-то смысле взгляд в более далекое будущее человечества. Если мы захотим комфортного и быстрого перелета по Солнечной системе, то придётся выйти ещё на порядок выше в освоении удельного импульса - понадобятся двигатели с УИ в несколько сотен тысяч метров в секунду.
Человечество отличается хитростью и изобретательностью.
Поэтому множество идей было придумано для того, чтобы облегчить доступ в космос. Один из важнейших параметров, характеризующих тот барьер, который мы хотим перепрыгнуть - это цена выведения килограмма на орбиту.
Сейчас, по различным оценкам для различных ракет-носителей, эта цена находится в диапазоне $4000-$13000 за килограмм на низкую околоземную орбиту.
Что пытались придумать для того, чтобы проще, легче и дешевле выбраться хотя бы на околоземную орбиту?
- Многоразовые системы. Исторически эта идея уже успела один раз провалиться в программе "Спейс шаттл". Сейчас этим занимается Элон Маск, планирующий сажать первую ступень. Хочется пожелать ему всяческих успехов, но на основании прошлого провала не думаю, что это будет качественный прорыв. В лучшем случае, стоимость упадет на несколько процентов.
- Single Stage to Orbit. Не вышла за пределы проектов, несмотря на неоднократные попытки.
- Воздушный старт. Есть успешный проект для небольшой полезной нагрузки, но не масштабируется под тяжелые грузы.
- Безракетный космический запуск. Придумано очень много проектов, но все они имеют фатальный недостаток - требуются астрономические инвестиции, которые никак нельзя "отбить" без полного завершения проекта. Пока космический лифт, фонтан или масс-драйвер не будет полностью построен и запущен, прибыли от него никакой.
Чем сердце успокоится
Во-первых, прогресс в целом - это не одна S-кривая, а множество их, что образует вот такую вот оптимистичную картинку:
В истории авиации можно выделить, например:
И, наверняка, мы с вами стоим в похожей точке развития космонавтики. Да, сейчас наблюдается некоторый застой, и даже возможен откат назад, но человечество головами лучших своих представителей пробивает стену познания, и где-то, ещё не замеченные, пробиваются ростки нового будущего.
Космическая солнечная энергия является экономическим стимулом, который может привести к устойчивой цели присутствия в космосе.
Кроме того, добыча астероидов может приносить ресурсы, которые можно добывать: железо, никель, титан, воду, редкоземельные металлы, кислород и водород.
Они могут использоваться для поддержания жизни космонавтов на месте.
Примечательно, что при исследовании космоса использование ресурсов, собранных во время путешествия, упоминается как использование ресурсов на месте , устраняя потребность доставки предметов первой необходимости с Земли.
В отличие от земной солнечной и ветровой энергии, нефти, газа, этанола, ядерных установок и угольных электростанций космическая солнечная энергия не выделяет парниковых газов или опасных отходов.
Она доступена 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, в огромных количествах.
Она работает независимо от облачного покрова, дневного света или скорости ветра.
Кроме того, космическая солнечная энергия может экспортироваться практически в любую точку мира, и ее энергия может быть преобразована для местных нужд - например, для производства метанола для использования в таких местах, как сельская Индия, где нет электрических сетей. Космическая солнечная энергия также может использоваться для опреснения морской воды и развития сельского хозяйства ранее бесплодных, открытых земель. Наконец, космическая солнечная энергия может обеспечить достаточно большой рынок для развития недорогой космической транспортной системы, необходимой для ее развертывания.
Эти новые космические отрасли - наша граница, новая граница.
Строительство дома среди звезд может привести не только к созданию технологии для более простых способов полетов с Земли, но и к новым способам мышления о выходе в космос вцелом.
Оригинал взят у lozga
Весь двадцатый век фантасты много и талантливо писали об освоении космоса.
Герои "Хиуса" подарили человечеству богатства Урановой Голконды, пилот Пиркс работал капитаном космических сухогрузов, по Солнечной системе ходили лидер-контейнероносцы и балкер-трампы, и я уж не говорю про всякую мистику путешествий к таинственным монолитам.
Однако 21 век не оправдал надежд.
Человечество робко стоит в прихожей Космоса, не выбравшись на постоянной основе дальше земной орбиты.
Почему так получилось и на что надеяться тем, кто хотел бы читать в новостях про повышение урожайности марсианских яблонь?
Скрипач не нужен
Первый парадокс, с которым столкнулось человечество - человек не самый подходящий субъект для исследования космоса.
Никто из известных авторов не догадался, что робот в освоении космоса имеет массу преимуществ перед человеком:
- В отличие от человека, робот нуждается только в электропитании и обеспечении теплового баланса. Не надо тащить с собой десятки тонн оранжерей, еды, воды, кислорода, одежды и средств гигиены, лекарств и прочего.
- Робота можно отправить в одну сторону, без возвращения.
- Робот способен работать годами. Опыт "Вояджеров", марсоходов или "Кассини" говорит о том, что сейчас правильнее говорить уже не о годах, а десятилетиях.
- Робот способен работать годами в условиях, которые смертельны для человека. Зонд "Галилео" получил дозу в 25 раз превышающую смертельную для человека и после этого работал на орбите 8 лет.
В результате получилось так, что только роботы массой в несколько тонн вписались в технические возможности человечества отправить их к другим планетам за приемлемые деньги и стали единственным на сегодня способом удовлетворения научного любопытства и получения красивых фотографий.
Мы живем в логистической кривой
Вторая ошибка фантастов состояла в том, что они прогнозировали линейное или даже экспоненциальное развитие космонавтики. Хотя ещё в 1838 году было открыто такое явление как логистическая кривая.
Для примера возьмем историю авиации:
1900-е. Первые неуклюжие этажерки, первые рекорды - полеты на несколько километров с одним пассажиром.
1910-е. Первые разведчики, истребители, бомбардировщики, почтовые и пассажирские самолёты.
1920-1930-е. Освоение полётов ночью, первые трансконтинентальные перелеты.
1940-е. Авиация - серьезная военная и транспортная сила.
1950-е. Реактивные двигатели дают новый толчок развитию авиации - новые скорости, дальности и высоты, ещё больше пассажиров.
1960-70е. Первые сверхзвуковые и широкофюзеляжные пассажирские самолёты, авиация качественно более доступна.
1980-90е. Торможение. Разработка все дороже, фирмы-разработчики объединяются в гигантские компании. А самолёты все больше похожи друг на друга.
2000-е. Предел. Два гиганта "Боинг" и "Эйрбас" делают внешне одинаковые машины, сверхзвуковые пассажирские самолёты вообще вымерли.
Если перевести эти достижения в числа, получится вот такая вот картинка:
В космонавтике ситуация совершенно такая же:
Для наглядности на график S-кривой можно наложить график расходов на достижение этого уровня:
И печаль нашего "сегодня" состоит в том, что в космонавтике на существующих технологиях мы близки к уровню насыщения. Технически можно слетать в пилотируемом варианте на Луну и даже Марс, но как-то денег жалко.
Следующий печальный аспект, тормозящий рывок в космос - пока не обнаружено что-то очень ценное, ради чего стоит тратить деньги на освоение космоса дальше земной орбиты.
Если бы на просторах космоса был бы обнаружен некий "элериум", "тибериум" или иной шишдостаниум, который можно было бы использовать как:
- Экономически выгодный источник энергии.
- Составной элемент производства чего-нибудь ценного и нужного.
- Еду/лекарство/витамин принципиально нового качества.
- Предмет роскоши или источник удовольствия.
Если бы он также рос только на Марсе или в поясе астероидов (и не воспроизводился на Земле) и мог быть добыт только человеком (чтобы хитрое человечество не отправило более дешевых и неприхотливых роботов), то тогда бы именно пилотируемое освоение космоса получило бы бесценный стимул.
Проклятие формулы Циолковского
Здесь:
V - конечная скорость ракеты.
I - удельный импульс двигателя (сколько секунд двигатель на 1 килограмме топлива сможет создавать тягу 1 Ньютон)
M1 - начальная масса ракеты.
M2 - конечная масса ракеты.
V для случая полных баков будет запасом характеристической скорости, т.е., тем запасом скорости, которым мы можем разгоняться/тормозиться при необходимости. Это также называют запасом delta-V (дельта означает изменение, т.е. это запас изменения скорости).
В чем здесь проблема?
Представим теперь, что мы хотим слетать на Марс и обратно.
Это составит:
- 9400 м/с - старт с Земли.
- 3210 м/с - уход с орбиты Земли.
- 1060 м/с - перехват Марса.
- 0 м/с - выход на низкую орбиту Марса (белый треугольник означает возможность торможения об атмосферу).
- 0 м/с - посадка на Марсе (тормозим об атмосферу).
- 3800 м/с - старт с Марса.
- 1440 м/с - разгон с орбиты Марса.
- 1060 м/с - перехват Земли.
- 0 м/с - выход на низкую орбиту Земли (тормозим об атмосферу).
- 0 м/с - посадка на Землю (тормозим об атмосферу).
В итоге получается красивая цифра 19970 м/с, которую мы округляем до 20 000 м/с. Пусть ракета у нас будет идеальная, и объем топлива никак не влияет на её массу (баки, трубопроводы ничего не весят).
Попробуем рассчитать зависимость начальной массы ракеты от конечной массы и удельного импульса.
Преобразуя формулу Циолковского, получим:
Конечную массу возьмем в диапазоне 10-1000 тонн, удельный импульс будет меняться от 2000 м/с (химические двигатели на гидразине) до 200 000 м/с. Сразу скажу, что для максимальной массы и минимального импульса будет очень большое значение (22 миллиона тонн), поэтому шкала отображения будет логарифмической.
Этот красивый график, по сути, наглядный приговор химическим двигателям. Это не новость - на химических двигателях, как это прекрасно показывает практика, можно нормально запускать небольшие зонды, но даже на Луну слетать с экипажем уже несколько затруднительно.
Облегчим себе условия. Во-первых, допустим, что мы стартуем уже с орбиты Земли, и вместо 20 км/с нам понадобится 10.
Во-вторых, обрежем "хвост" неэффективных химических двигателей, поставив минимальным значением I 4400 м/с (УИ водородного двигателя Спейс шаттла RS-25):
Логарифмическая шкала:
Линейная шкала:
Откажемся совсем от химических двигателей. Ядерный двигатель NERVA имел УИ 9000 секунд.
Пересчитаем:
Почему я повторяю эти однообразные графики?
Дело в том, что плоский участок, обозначенный как "повод для оптимизма" показывает, что, когда появятся двигатели с УИ больше 50000 м/с, в пределах Солнечной системы станет возможно более-менее сносно летать без кораблей стартовой массой в миллионы тонн.
Построим ещё один интересный график. Пусть нам известна конечная масса - 1000 тонн.
Построим зависимость начальной массы от удельного импульса и конечной скорости:
Этот график интересен тем, что это в каком-то смысле взгляд в более далекое будущее человечества. Если мы захотим комфортного и быстрого перелета по Солнечной системе, то придётся выйти ещё на порядок выше в освоении удельного импульса - понадобятся двигатели с УИ в несколько сотен тысяч метров в секунду.
Человечество отличается хитростью и изобретательностью.
Поэтому множество идей было придумано для того, чтобы облегчить доступ в космос. Один из важнейших параметров, характеризующих тот барьер, который мы хотим перепрыгнуть - это цена выведения килограмма на орбиту.
Сейчас, по различным оценкам для различных ракет-носителей, эта цена находится в диапазоне $4000-$13000 за килограмм на низкую околоземную орбиту.
Что пытались придумать для того, чтобы проще, легче и дешевле выбраться хотя бы на околоземную орбиту?
- Многоразовые системы. Исторически эта идея уже успела один раз провалиться в программе "Спейс шаттл". Сейчас этим занимается Элон Маск, планирующий сажать первую ступень. Хочется пожелать ему всяческих успехов, но на основании прошлого провала не думаю, что это будет качественный прорыв. В лучшем случае, стоимость упадет на несколько процентов.
- Single Stage to Orbit. Не вышла за пределы проектов, несмотря на неоднократные попытки.
- Воздушный старт. Есть успешный проект для небольшой полезной нагрузки, но не масштабируется под тяжелые грузы.
- Безракетный космический запуск. Придумано очень много проектов, но все они имеют фатальный недостаток - требуются астрономические инвестиции, которые никак нельзя "отбить" без полного завершения проекта. Пока космический лифт, фонтан или масс-драйвер не будет полностью построен и запущен, прибыли от него никакой.
Чем сердце успокоится
Во-первых, прогресс в целом - это не одна S-кривая, а множество их, что образует вот такую вот оптимистичную картинку:
В истории авиации можно выделить, например:
И, наверняка, мы с вами стоим в похожей точке развития космонавтики. Да, сейчас наблюдается некоторый застой, и даже возможен откат назад, но человечество головами лучших своих представителей пробивает стену познания, и где-то, ещё не замеченные, пробиваются ростки нового будущего.
Космическая солнечная энергия является экономическим стимулом, который может привести к устойчивой цели присутствия в космосе.
Кроме того, добыча астероидов может приносить ресурсы, которые можно добывать: железо, никель, титан, воду, редкоземельные металлы, кислород и водород.
Они могут использоваться для поддержания жизни космонавтов на месте.
Примечательно, что при исследовании космоса использование ресурсов, собранных во время путешествия, упоминается как использование ресурсов на месте , устраняя потребность доставки предметов первой необходимости с Земли.
В отличие от земной солнечной и ветровой энергии, нефти, газа, этанола, ядерных установок и угольных электростанций космическая солнечная энергия не выделяет парниковых газов или опасных отходов.
Она доступена 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, в огромных количествах.
Она работает независимо от облачного покрова, дневного света или скорости ветра.
Кроме того, космическая солнечная энергия может экспортироваться практически в любую точку мира, и ее энергия может быть преобразована для местных нужд - например, для производства метанола для использования в таких местах, как сельская Индия, где нет электрических сетей. Космическая солнечная энергия также может использоваться для опреснения морской воды и развития сельского хозяйства ранее бесплодных, открытых земель. Наконец, космическая солнечная энергия может обеспечить достаточно большой рынок для развития недорогой космической транспортной системы, необходимой для ее развертывания.
Эти новые космические отрасли - наша граница, новая граница.
Строительство дома среди звезд может привести не только к созданию технологии для более простых способов полетов с Земли, но и к новым способам мышления о выходе в космос вцелом.
Click to view