Astronautika: misije

U ovoj relativno kratkoj seriji predavanja koja predstoje, zajedno ćemo razmotriti neke od izbora koji leže pred NASA–om prilikom praniranja njihovih misija ka Marsu. Na kraju predavanja, pred sobom ćeš imati odabrane ciljeve i sve ono bitno što ćeš naučiti o planiranju misije na Mars da bi te ciljeve mogao sprovesti u delo.


1 | 2 | 3 | 456 |

Sledeći izbor koji NASA treba da napravi je da li da preduzima kružna putovanja na Mars ili da to budu letovi u jednom pravcu. Postoje najmanje dva razloga zašto je bolje (ne kažem izvodljivije) da misije budu povratne: svakako da je jedan od njih mogućnost da se na taj način na Zemlju dopreme uzorci Marsovog tla.

Drugi razlog će biti povratak ljudske posade. Kada budemo prvi put poslali kosmonaute na Mars, verovatno ćemo želeti da se oni vrate na Zemlju. (Ovo zvuči kao glupa rečenica ali kako ćemo videti kasnije, postoje i neki alternativni planovi koji imaju smisla i koji predviđaju slanje ljudi koji će prvo sebi napraviti koloniju, i koji će se vratiti tek onda kada budu sebi proizveli gorivo za povratak na Zemlju.)

teretnjak

NASA ima planove (i još ih pravi) da u prvom naletu lansira tri ovakve teretne rakete na Mars, od kojih će svaka nositi nešto od bitnih infrastrukturnih stvari za uspostavljanje baze na Marsu, koja će moći da opslužuje ljude tokom njihovog višemesečnog boravka na tlu. Prva raketa će biti opremljena sa puno goriva i leteće najekonomičnijom orbitom. Predviđena je za povratak posade s Marsa. Imaće svu potrebnu opremu i resurse za to, kao i kapsulu koja će ih na kraju spustiti u okean. Druga raketa će nositi svu kritičnu opremu: Marsovo vozilo, modul za proizvodnju tečnog kiseonik/metanskog goriva, nuklearni reaktor, rezervoare tečnog vodonika itd. Treća raketa će poneti površinsku laboratoriju, drugi nuklearni modul od 160 kW, mali kamion, alate, teledirigovani rover itd.

Kad se za 26 meseci "otvori" drugi prozor za lansiranje, trebalo bi da poleti još jedan komplet ovakvih teretnih raketa, gde bi u trećoj bila prva posada od 6–7 članova! Njihova putanja će biti brza (leteće oko 180 dana), pa će u orbitu stići oko 2 meseca pre svoje 5. i 6. teretne rakete. Ako sve bude u redu, sleteće na mesto sletanja predhodnih teretnih brodova i ostaće tamo oko 500–600 dana.

Sve do novembra 2003. godine, sva putovanja na druge planete su bila u jednom pravcu. Zbog čega?

Sve analize pokazuju da je tur–re–tur misija kudikamo skuplja i daleko složenija nego jednostavna misija u jednom pravcu. Razlozi za to bi trebalo da su svima prilično jasni. Letilica za Mars mora da ima goriva za spuštanje na površinu, i kasnije, opet, za poletanje ka Zemlji. Pošto za sve to mora da ponese gorivo sa sobom sa Zemlje, takva raketa treba da bude jako velika i skupa, jer je i količina goriva potrebna za sve to ogromna.

Probaću malo da vam i vizuelno pokažem zašto je transport raketnog goriva tako bitna stavka.

Za početak, pretpostavimo da nemamo problema da u tzv. nisku Zemljinu orbitu (Low–Earth Orbit) [1] podignemo materijala koliko nam god treba (goriva, opreme i zaliha). Podignuti bilo šta sa Zemlje u vasionu, u LEO – pa bio to kosmički brod, kosmonaut, ili pak samo gorivo za putovanje – zahteva nekoliko tona goriva za samo jednu tonu korisnog tereta. Tačna količina goriva zavisi od obilja faktora, u koje spadaju i lokacija lansirne rampe ili pravac lansiranja letilice. Ako se raketa lansira sa lokacije koja se nalazi u blizini ekvatora, krenuće brzinom od 1,5 km/s (oko 5.500 km/h) u pravcu istočno od Zemljinog pravca dnevne rotacije. Po trenutnim cenama, za dostizanje LEO je potrebno platiti oko 20.000 evra po kilogramu. Čak i pored tako ogromne cene, mi ćemo u ukupnim troškovima za putovanje na Mars ignorisati lansiranje sa Zemlje, ali uvek imaj na umu ovo: ako bismo uključili i troškove ljudi na zemlji i opreme potrebne za lansiranje, ukupna cena čitave ekspedicije bi se uvećala 3 do 4 puta u odnosu na onu koju ćemo konačno dobiti.

Umesto da cenu koštanja puta na Mars izražavam u evrima ili dolarima, biće mi najbolje da je izražavam u tonama raketnog goriva. To uvek možeš na kraju da pretvoriš u valutu koja te interesuje, pod uslovom da znaš koliko košta litar raketne čorbe. Ako ne uspeš da pronađeš taj podatak, koristi glavu i aproksimaciju – već znaš, makar otprilike, kolika je litar "supera". Ako je to, recimo, 1 €/litru, znači da je onda tona benzina oko 1.000 €. Razumno je očekivati da je raketno gorivo skuplje od običnog makar 10 puta, što bi značilo da je cena tone raketnog goriva oko 10.000 €. Dakle, sad možemo da krenemo sa planiranjem.

Korak I: Pošto smo već konstatovali da je letilica za Mars spremna na LEO orbiti, potrebno nam je da je podignemo na višu orbitu [2]. To zahteva deltav("delta–ve[3]" ili promenu brzine) od oko 4 km/s (14.400 km/h). Ako je relativna brzina naše rakete 3 km/s (11.000 km/h), onda je potrebno 1,3 tone goriva po toni letilice da bi je raketni motori podigli na visoku Zemljinu orbitu (HEO). Zbog lakšeg računa, nadalje ću zaokružiti ovu cifru na 1 tonu po toni letilice.

image003

Sa LEO na HEO: 1,3 jedinice goriva za 1 jedinicu tereta.

Korak II: Kada se vasionska letilica nađe u visokoj Zemljinoj orbiti, izgleda kao da se kreće veoma sporo u odnos na Zemlju, tako da možemo da kažemo da se za nekog ko gleda sa strane kreće približno istom brzinom kao Zemlja kada se kreće oko Sunca. Na svom godišnjem putu oko Sunca, Zemlja se po orbiti pomera brzinom od oko 30 km/s. Brzina potrebna da se letilica premesti na tzv. Hohmannovu transfernu orbitu za Mars (HTO [4]) iznosi oko 33 km/s (118.800 km/h), zato je potrebno da povećamo brzinu letilice za deltav= 33 – 30 = 3 m/s. Dakle, da bi bilo šta sa HEO orbitu premestili na HTO orbitu za Mars, treba nam približno jedna dodatna tona goriva za svaku tonu tereta (letilice, sâmog goriva i celokupne opreme), a i to gorivo je potrebno lansirati sa Zemlje i izneti ga u orbitu.

image005

Korak III: Što se tiče potrošnje goriva, put kroz vasionu do Marsa je u osnovi "slobodan". Svakako da će biti potrebna određena energija za održavanje brojnih sistema na brodu, kao i za korekciju putanje, ali sve dok se ne približe Marsu neće biti potrebe za velikim sagorevanjem goriva. Kada se bude približila Crvenoj planeti, letilica će se kretati približnom brzinom od oko 21,6 km/s, dok je prosečna brzina Marsa po orbiti oko 24,2 km/s [5]. To znači da će naš svemirski brod morati da poveća brzinu za 2,7 km/s (što je opet blizu 3 km/s) da bi se prilagodio Marsovoj brzini. Za to će mu, znači, trebati još jedna tona goriva po toni letilice, ljudstva, opreme i materijala.

 

image007
7 jedinice goriva za 1 jedinicu korisnog tereta.

Dobili smo aproksimaciju da nam je za dovođenje naše misije u orbitu oko Marsa – u jednom pravcu, sa LEO orbite do Marsove orbite – potrebno 7 tona raketnog goriva za svaku korisnu tonu koju smo poslali! Ako tome dodamo i troškove podizanja svog tog tereta u orbitu oko Zemlje – da ne pominjem troškove osmišljavanja i proizvodnje svih propratnih sistema – počinješ da shvataš zašto su vasionska istraživanja tako skupa.

Pretpostavimo da je naša misija takva da hoćemo da se malo zadržimo u Marsovoj orbiti, a onda krenemo nazad na Zemlju. Trebaće nam da ponovo napustimo Marsovu orbitu i uđemo u Hohmannovu transfernu orbitu – znači još jedna tona goriva po toni letilice – i povratak na HEO – još jedna tona goriva po toni letilice. To znači da bi nam za povratnu misiju tog tipa trebala ukupno 4 puta veća količina goriva:

image009

63 jedinice goriva za 1 jedinicu korisnog tereta.

Na ovaj način smo došli do sledećeg:

image010

Uporedi ovo sa onim putovanjem u jednom pravcu o kome smo pričali na početku i koje je zahtevalo 7 tona po toni korisnog tereta. Krajnja stavka svih ovih proračuna je da za istu količinu goriva možemo da pošaljemo na Mars oko 8 puta više korisnog tereta u jednom pravcu od onoga koga bi eventualno pokušali da vratimo sa Marsa! Razlog zašto je ovo toliko skuplje je cena transporta goriva na odlaznom putovanju ka Marsu, a koje će se upotrebiti za povratak.

Situacija se dodatno komplikuje ako poželimo da se spustimo na Mars i potom vratimo na Zemlju. U predavanju "Sletanje na Mars ili ne?" razmotrićemo slučaj sletanja bez velikog utroška goriva, ali nema načina da se Mars napusti i ponovo nađe u kosmosu bez utroška raketnog goriva. Zbog toga sve što sleti na Mars a potom treba da se vrati nazad predstavlja jednu veoma skupu avanturu!

image011

Nekoliko pametnih trikova uz pomoć kojih bi se moglo uštedeti gorivo

1. Odbaciti što pre sve što ti više ne treba.

NASA obilato koristi ovaj trik. Prazni tankovi za gorivo, korišćeni za let do orbite, bivaju odbačeni odmah nakon što su ispražnjeni. Takođe, prilikom svojevremenog uzletanja "Apollo" lunarnih modula sa Meseca, samo je njihova gornja polovina napuštala površinu našeg prirodnog satelita, da bi i ona, pre sletanja kosmonauta na Zemlju, bila odbačena kada bi obavila svoj zadatak.

Za misiju na Mars: Mogli bismo da uštedimo gorivo ako bismo slali misije sa puno instrumenata i opreme a vraćali na Zemlju samo deo sonde, dok bi ostali instrumenti nastavili sa radom, šaljući svoje podatke radio–signalima.

2. Ako nismo spremni da prihvatimo misije u jednom pravcu, možda bismo mogli da pokušamo sa proizvodnjom goriva na površini Marsa [6]6]. Ako bi nam to pošlo za rukom, mogli bismo da uštedimo mnogo korisnog prostora, jer bi nam u tom slučaju gorivo bilo potrebno samo za putovanje do Marsa. Naravno, prvo bi nam trebalo da otpeljamo na Mars sve te mašine za proizvodnju, ali bi sve to bilo izvođeno letilicama u jednom pravcu, a i potencijalno bi se svakako sve to otplatilo za nekoliko sledećih misija.

Možeš li ti lično da smisliš još neki pametan način da se prištedi gorivo? Izvoli ...


[1] Uobičajeno, misli se na orbite između 200 i 2.000 km visine. Brzina veštačkih satelita u takvim orbitama je oko 27.400 km/h (8 km/s), što znači da prave krug za oko 90 min. Najveći broj letilica sa ljudskom posadom je bio na LEO, uključujući i Space Shuttle i misije orbitalnih stanica. Izuzeci su prvi podorbitalni letovi "Mercury" projekta, zatim letovi raketoplana "X–15", koji nisu ni planirani da dospeju na tu visinu, i misije za put na Mesec, "Apollo" projekta.

[2] Po teoriji, za taj manevar je potrebno oko 5 sati.

[3] Skalarna veličina koja predstavlja "napor" za izvođenje nekog orbitalnog manevra, kao što je ovde promena orbite. Na nju utiče sila gravitacije, težina predmeta, efikasnost rada motora, potrošnja itd.

[4] Orbitalni manevar koji omogućava svemirskom brodu da poluelipsastom putanjom pređe sa jedne kružne orbite na drugu sa samo dva (snažna) impulsa motora. Manevar je dobio ime po nemačkom naučniku i arhitekti Walteru Hohmannu, koji je čitavu ideju objavio još 1925. godine. U isto vreme, do iste ideje je došao i sovjetski matematičar, dr Vladimir Petrovič Vetčinkin (1888–1950).

[5] Od trenutne pozicije na orbiti oko Sunca, ona varira od 21,97 do 26,50 km/s.

[6] Marsova atmosfera ima oko 95,3% CO2, 2,7% azota, 1,6% argona, 0,13% kiseonika, 0,07% CO i tragove vode, neona, ksenona itd. Korišćenjem Sabatierove hemijske reakcije između marsovskog CO2 i donešenog vodonika, kosmonauti će moći da proizvode metan, vodu i kiseonik. (Za svaku tonu donešenog vodonika, dobijaće se 2 t metana i 4,5 t vode.) Takođe će moći direktno iz atmosfere da ekstrahiju azot i argon. Svi gasovi će se čuvati u rezervoarima, zamrznuti i u tečnom stanju.

Tečni metan/tečni kiseonik će se koristiti kao gorivo za raketne motore prilikom povratka. Tečni kiseonik će se dobijati iz Sabatierove reakcije elektrolizom vode. (Elektrolizom 4,5 t vode će se dobijati 4 t kiseonika i oko 0,5 t vodonika.)

1 | 2 | 3 | 4 | 56 |   Koliko dugo će trajati put?

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Komentari   

drago
+1 #2 drago 27-11-2017 15:08
Zdravo Bojane,
Lepo ti razmišljaš, ni ja ne razmišljam lose, ali se bojim da nas niko ne pita...
Znaš li da samo godinu dana po lansiranju Apolla 11, događaj koji su gledali milioni TV gledalaca, ogromna većina nije mogla da se seti kako se zvao momak? A poslednje misije TV nije ni prenosio jer je ljudima bilo dosadno!
Ne precenjuj oduševljenje naroda bilo kojom misijom!
Drugo, o tome sam pisao sad skoro, sada NASA troši oko $8 mld. za misije sa posadama. Za Mars, trebaće im (orijentaciono! ) oko $57 mld. svake godine, I to kako ti kažeš 2-3 decenije! ,...
Msliš li da je to realno?

Javi odgovor.
Hvala na comments.
Pozdrav, DD
Prijavi administratoru
BojanB
+2 #1 BojanB 27-11-2017 13:25
Kako Dragove "Misije na Mars" odmiču nameće mi se jedan jedini zaključak: Gore niko neće otići kao na Mesec da ponese koju plasticnu kesu za po koji kamenčić i sl. i sigurno to nece uraditi radi prestiza.

Pre čoveka, verujem kako nam je to i Drago namerno sugerirao, otići će sila modula, vozila, orbitera, hrane, goriva, robota.... kompletne logistike i to ne da će da košta nego ima da boli dok se izgovaraju nule i taj bol će podneti samo ako se više njih (ne znam kojih "njih", mozda zemalja, možda kompanija, tajkuna.) udruži.

Ukratko, moje mišljenje je da će se ići na pravljenje trajnog "mosta" Zemlja-Mars a ne na jednu odiseju koja je izgleda sumanuta (od ovig gore burića mi se zavrtilo u glavi)

Od projekta do cilja verujem da ce trebati 2-3 decenije. Narod ce biti odusevljen vestima da je zadat taj i taj cilj i onda ce se smoriti od beskrajnih lansiranja bez ljudstva i sve zaboraviti sve dok jednog dana na rampu ne kroči 12 novih heroja.
Prijavi administratoru

Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži