Парусники, дирижабли, подлодки и другие средства исследования космоса

Автор: Сергей Соболь, 19 мая 2016, 00:00

Так уж сложилось, что когда мы слышим о космических исследованиях, то представляем себе ракеты, межпланетные зонды, марсианские роверы NASA и советские луноходы. Но уже сейчас мы стоим на пороге нового этапа исследования космического пространства и небесных тел, когда к далеким мирам отправятся корабли на солнечных парусах, а в очень дальнее плавание по морям далеких планет отправятся автономные субмарины.

С чем подошли к этому этапу и что хотим получить, мы и рассмотрим в статье.

Космические парусники

На заре мореплавания, когда до создания пароходов и теплоходов оставалось ещё долгое время, люди использовали энергию ветра для путешествия по бескрайним морским просторам. Запрягая ветер в паруса можно было достичь дальних неизвестных берегов и вернуться с богатством и славой. В эпоху Великих географических открытий благодаря парусу, европейские путешественники достигли самых отдалённых уголков нашей планеты.

Мы только мечтаем о взрыволетах, двигателях на антиматерии, варп-двигателях и других фантастических решениях которые позволят нам путешествовать в космосе. А если так, то почему бы не воспользоваться проверенными решениями – использовать для передвижения в космосе паруса. Тем более что «ветры» которые можно оседлать в космосе есть, а паруса уже придуманы.

Солнечный парус

Ещё в 17 веке немецкий астроном, математик, механик и оптик Иоганн Кеплер, наблюдая развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите, высказал идею о том, что свет может оказывать давление. До конца прошлого века полёты на солнечных парусах были уделом мечтателей и фантастов. Но сейчас мы подошли вплотную к возможности практического использования этой идеи.

Технология солнечного паруса проста - фотон солнечного света отдаёт свой импульс парусу, тем самым оказывает на него давление и заставляет двигаться космический аппарат, на котором парус установлен.

Не стоит думать, что солнечный свет оказывает давление только на паруса. Любой космический аппарат, отправленный с Земли в дальнее путешествие, будет «сдуваться» со своего пути давлением солнечного света. Например, на маршруте Земля-Марс такое отклонение от маршрута составит несколько тысяч километров.

На сегодняшний день пока нет аппаратов отправившихся на исследование космоса под солнечными парусами. Пока изучают сами паруса и их возможности. Проведённые запуски спутников, на которых были установлены солнечные паруса: IKAROS (JAXA), NanoSail-D2 (NASA) и LightSail-1 (The Planetary Society) были совершены для отработки процессов разворачивания парусов и совершения манёвров.

Первое преимущество космических путешествий под парусом в том, что корабль, использующий солнечные паруса не требует топлива, так же как и парусники прошлого. Второе - солнечные парусники могут перемещаться в космическом пространстве куда быстрее, чем используемые сейчас космические аппараты.

Так, космический зонд весом в две тонны, оснащённый солнечным парусом, достигнет Марса всего за четыре месяца, а Юпитера за два года. Космические миссии станут быстрее и дешевле. Мы сможем более подробно исследовать Солнечную систему, и в частности астероиды, что имеет решающее значение для добычи полезных ископаемых в космосе.

Зонды, оснащённые солнечными парусами, конечно, могут совершить революцию в изучении Солнечной системы, но такой парус теряет свою эффективность по мере удаления от Солнца. Наибольшую эффективность он имеет при путешествиях в пределах Главного пояса астероидов. А как дальше? А дальше нам на помощь придёт электрический парус.

Электрический парус

Когда мы говорим о солнечном парусе, надо понимать что он движется не за счёт солнечного ветра, а именно за счёт солнечного света - фотонов. А вот солнечный ветер - поток мегаионизированных частиц, ловит электрический парус.

Такой парус не является парусом в прямом смысле этого слова. Концепт электрического паруса от NASA, Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) представляет собой массив из тонких заряженных алюминиевых тросов длиной около 20 километров. Центробежная сила, возникающая в результате вращения аппарата, позволяет раскрыть парус.

Растянувшиеся в пространстве положительно заряженные тросы будут отталкивать протоны солнечного ветра, получать импульс и в результате этого двигаться.

Первым аппаратом, на котором был установлен электрический парус, стал эстонский спутник ESTCube-1, запущенный 7 мая 2013 года с космодрома в Куру. Целью запуска было тестирование электрического паруса, но он так и не раскрылся на орбите. Что впрочем не останавливает его создателей.

Благодаря электрическому парусу за какие-то 5 лет мы сможем долететь до Плутона, а за 10 лет сможем достигнуть гелиопаузы – условной границы нашей Солнечной системы. Для сравнения, автоматической межпланетной станции Voyager 1 потребовалось почти 35 лет чтобы достигнуть этой границы.

Но дальше ему пути нет, давление солнечного ветра окончательно ослабевает. К звездам нас понесет уже лазерный парус.

Лазерный парус

Вы наверное уже слышали о проекте Стивена Хокинга и Юрия Мильнера Breakthrough Starshot. Известный предприниматель и знаменитый физик планируют создать целый флот космических парусников и отправить их к ближайшей к нам звезде Альфа Центавра.

Для того что бы выйти за пределы Солнечной системы и достигнуть ближайшей звезды, солнечные паруса надуют «лазерным ветром». Миниатюрные нанозонды размером всего в несколько сантиметров будут снабжены солнечными парусами размером 4 на 4 метра каждый.

Всего будет около 1000 таких микрокорабликов, ведь есть высокая вероятность, что не каждый из них долетит к цели. Разгоняться они будут наземными лазерами, мощностью до 100 гигаватт. Для ускорения каждого такого аппарата до необходимой скорости потребуется порядка 10 минут.

До звезды соседки кораблики долетят приблизительно за 20 лет, еще 4 года мы будем ждать от них фотографий самой звезды и её планет. В 2012 году европейские астрономы уже сообщали об обнаружении планеты на орбите вокруг Альфа Центавра-Б, одной из звёзд в системе Альфа Центавра. Миссию планируется спланировать так, чтобы удалось получить максимально возможное количество информации о звезде и её планетах, вплоть до изображения рельефа планет.

Если эта миссия будет удачной, то наверняка мы полетим и к другим ближайшим звёздам. На расстоянии 12 световых лет от нас находятся 24 звёзды. А это значит, что при желании, в течение примерно 100 лет мы сможем все их изучить. И даже дать найденным планетам около этих звёзд имена, если конечно мы не встретим там братьев по разуму, которые уже назвали планеты по-своему.

Дирижабли на Венере

Меньше чем даже сто лет назад небо на нашей планете бороздили дирижабли. Имеющие небольшой удельный расход топлива и способные находиться в воздухе продолжительное время они и сейчас иногда находят применение на Земле. Будучи легче воздуха они поднимаются в атмосферу за счёт выталкивающей (подъёмной) силы, если средняя плотность газа, которым наполнена оболочка дирижабля, равна или меньше плотности атмосферы.

В такой ситуации, почему бы не использовать дирижабли на тех планетах, где есть достаточно плотная атмосфера. Правда, в Солнечной системе такая планета одна – Венера. Если вспомним, её атмосферу наблюдал ещё Михайло Ломоносов.

Вот об этом и задумались исследователи из NASA, предложив в результате концепцию исследовательской миссии к Венере, которая получила название High Altitude Venus Operational Concept (HAVOC).

Идея основывается на том, что в верхних слоях венерианской атмосферы условия подобны земным. На высоте 50 километров атмосферное давление составляет всего 1 земную атмосферу, а температура составляет 75 градусов Цельсия, что по сравнению с другими местами на этой горячей планете совсем не много. Радиационный фон так же сравним с земным. В этом отношении Венера куда более предпочтительнее для освоения, чем Марс.

Миссия предполагает доставку к Венере вначале небольшого (длинной 31 метр) роботизированного дирижабля, а затем уже и большого пилотируемого дирижабля длина которого составит 129 метров, а высота 34 метра. По сравнению с земными аналогами, эпохи небесных гигантов, пилотируемый венерианский дирижабль меньше, чем печально известный Гинденбург, длина которого составляла 245 метров и последний из гигантов Граф Цеппелин (236,6 м), и примерно равен первым цеппелинам, длина которых составляла 128 – 148 метров.

В атмосферу планеты дирижабль планируют доставить в специальной капсуле. В нужный момент она раскроется, освободив гондолу с экипажем и сам аэростат, который сразу же начнет наполняться газом. После чего дирижабль начнет своё «плавание» по венерианской атмосфере.

Поверхность дирижабля будет покрыта солнечными батареями, и учитывая, что Венера получает солнечного света гораздо больше чем Земля, дефицита энергии астронавты испытывать не будут.

В космос на воздушном шаре

Стоит сразу сказать, что в космос на воздушном шаре не улетишь. Но это формальности. Компания World View Enterprises позиционирует себя именно как космический туроператор. Незабываемые впечатления от околокосмического путешествия должна подарить туристам капсула поднимаемая воздушным шаром на высоту 32 километра. В капсуле поместятся шесть пассажиров и два пилота.

Полет будет продолжаться около двух часов, невесомости пассажиры не почувствуют, но зато смогут насладиться, поистине завораживающим видом. На борту капсулы можно будет совершенно свободно перемещаться, пассажиры смогут воспользоваться баром и загрузить сделанные на борту фотографии в социальные сети.

Отметим, что самолеты не поднимаются на высоту более 20 километров, а Линия Кармана (ударение на первый слог) являющаяся условной границей между атмосферой планеты и космосом проходит на высоте 100 километров над уровнем моря.

Марсианский дрон-разведчик

Как вы наверное помните на Марсе тоже есть атмосфера. Пусть не такая плотная, как на Земле и тем более на Венере, но использовать парашюты для мягкой посадки она позволяет. А если атмосфера есть, то почему бы в ней и не полетать.

Такой целью задались специалисты Лаборатории реактивного движения NASA. Да и практическая потребность в этом уже назрела.

Снимки с поверхности Красной планеты мы получаем в основном благодаря камерам установленным на борту марсоходов. Но «глаза» которыми оснащены роверы не дают нам необходимого обзора. Вот для такой цели в NASA и разрабатывают марсианский дрон–разведчик.

Небольшой винтокрылый робот, летящий на малых высотах, будет сопровождать марсоход в пути. С его помощью можно будет выбрать оптимальный маршрут движения, а так же интересные цели для исследований. Для самого ровера, аппарат может выступать также и в качестве селфи-дрона. Ведь с его помощью можно будет осмотреть марсоход в случае неисправности. Да и фотографии ровера на фоне марсианских пейзажей обещают быть весьма эффектными.

Вес дрона составит один килограмм, а длина лопастей чуть более метра. Энергией его будут снабжать солнечные батареи. А помимо фотосъемки он сможет переносить и небольшие грузы.

В NASA не исключают, что на Марс дрон-разведчик отправиться вместе с новым марсоходом уже в 2020 году.

Подводная лодка для Титана

Как правило, моря и океаны на небесных объектах в Солнечной системе ассоциируются с чем-то пустынным и абсолютно сухим. Например, американские астронавты, высадившиеся в лунном Море Спокойствия, не то, что не утонули, даже ноги не замочили. Но даже в нашей системе так не везде.

Море Кракена, находящееся на Титане, спутнике Сатурна, вполне себе «мокрое» и жидкое. Причём этот водоём, получивший название по имени мифического морского чудовища, не единственный водоём на этой луне Сатурна.

Моря, озера, проливы и каналы на этой маленькой планетке заполнены жидкими углеводородами, в основном метаном и этаном, так что, наверное, даже правильнее их называть не водоёмами, а углеводоёмами. Кроме этого, учёные предполагают, что возможно на Титане есть подповерхностный океан, содержащий жидкую воду со значительным содержанием аммиака и экстремально высокой солёностью.

При таких условиях идея поплавать в морях Титана выглядит весьма заманчиво. Вот об этом и задумались в NASA.

Внешне субмарина будет напоминать подводные лодки используемые в земных морях и океанах, единственное существенное отличие большая фазированная антенна напоминающая спинной плавник.

Вес аппарата должен составить одну тонну, и это позволит ему поместиться в грузовом отсеке автоматического челнока, прообразом которого выступит Boeing Х-37. К спутнику Сатурна субмарину с челноком доставит космический корабль. Челнок обеспечит бережный спуск и точное «приводнение» в нужном месте, а сам после этого утонет в метановом море.

Обеспечивать энергией лодку будет 1-киловаттный термогенератор Стирлинга, который также и убережет расположенную на борту электронику от замерзания. Двигаясь с небольшой скоростью, около 1 метра в секунду (3,6 км/ч), субмарина за 90 дней плавания должна преодолеть расстояние в 2000 километров по периметру моря Кракена.

Примечательно, что для передачи на Землю собранных данных не планируется оставлять на орбите Титана спутник-ретранслятор. Данные будут передаваться напрямую на Землю. Но это накладывает временные ограничения на реализацию миссии. Земля поднимется над горизонтом в северных широтах Титана, где и расположено море Кракена, только к 2040 году, на это время и запланирована исследовательская миссия.

Для тех, кто хочет знать больше

Наука и техника