Astronautika: misije


Odgovor u jednoj slici

Mnogi ljudi se pitaju zašto je to tako. Ako smo pre više od 40 godina šetali po Mesecu, u čemu je problem sa Marsom? Neki misle da je ključni problem udaljenost, ali nije to glavno. Iako je očigledno da je Mars mnogo dalji od Meseca, to nam nije najveći problem. Pravi izazov se krije u donjoj slici.

 IM_2011-06-08_a_las_20_46_33

Nasina procena težine misije na Mars iz Zemljine niske orbite upotrebom hemijskog pogona.

Kao što se vidi, misija na Mars iz niske orbite oko Zemlje (LEO) zahtevala bi brodski ansambl težak ni manje ni više nego 4.500 tona. Ili drugačije posmatrano, težinski ekvivalent jednak dvanaest stanica veličine ISS ili 37 džinovskih raketa „Saturn V“. Kako je to moguće? Objašnjenje ove misterije moraćemo da potražimo u nemilosrdnoj jednačini Ciolkovskog, poznatoj kao idealna raketna jednačina. Prema krutim zakonima fizike, čak i malo povećanje tereta na raketi izaziva ogromno povećanje njene ukupne težine. Zašto? Zato što za podizanje dodatnog tereta u kosmos treba poneti više goriva, što zauzvrat povećava ukupnu težinu rakete te zahteva dodatnu količinu goriva za njeno lansiranje.

To je u redu, ali zašto marsovska letilica mora da bude tako velika? Razlog se krije u tome što raketnoj jednačini moramo da dodamo još jedan faktor koji komplikuje putovanje na drugu planetu: dubinu gravitacionog bunara[1] Zemlje. Napustiti Zemljino gravitaciono polje prilično je teško. Iako izgleda nelogično, ako gledamo prema potrošnji energije, letilica koja se nalazi u niskoj Zemljinoj orbiti na nekoliko stotina kilometara visine, ima pokriveno 73% puta ka drugim planetama. I zaista, da bi neki objekat postavili u Zemljinu orbitu moramo da ga ubrzamo do 8 km/s, ali da bi pobegli od Zemlje treba nam da dostignemo samo 11 km/s. Problem je što isti taj brod treba da uspori da bi ušao u Marsovu orbitu, a zatim treba još i da sleti na njegovu površinu. Potom mora, naravno, i da se vrati kući, i za sve to manevrisanje treba da ima dovoljno goriva. Ako se setimo osnovne raketne jednačine, shvatićemo zašto nam je potreban brod od preko 4.000 tona za put na Crvenu planetu.

Pročitajte i ovo:

Iz ovih razloga, problemi sa putovanjem na druga tela Sunčevog sistema ne zavise od njihove udaljenosti, već od energije potrebne za vršenje orbitnih manevara. Zato cenu misije određujemo prema promenama brzine neophodnim da stignemo do cilja. Astrodinamičkim rečnikom rečeno, te promene u brzini nazivamo delta-Vv), i to je veličina koja vlada navigavijom po solarnom sistemu. Dok su stari mornari posedovali mape najboljih ruta koje su izbegavale područja bez vetra i sa opasnim grebenima, danas planeri svemirskih putovanja koriste mape sa delta-V.

Naprimer, da bi se iz LEO stiglo do orbite oko Marsa potrebno je Δv od oko 6 km/s. Ili, što predstavlja isto, putovanje do Marsove orbite sa ISS zahtevalo bi manje energije nego što je bilo potrebno za lansiranje do stanice! Malo je bitno što u prvom slučaju moramo da prevalimo nekoliko desetina miliona kilometara dok u drugom samo nekoliko stotina. Ali ako želimo da se spustimo na površinu, stvari se drasitčno menjaju. Iako je Marsov gravitacioni bunar mnogo plići od Zemljinog, ukupan delta–V u ovom slučaju raste do 10,2 km/s. Odavde sleduje da bi prema nekim planovima za istraživanje solarnog sistema marsovska orbita mogla da deluje kao primamljiva destinacija, mada bi mogli da disktujemo o interesu koji bi imali od slanja broda do Marsa i nazad a bez sletanja na površinu.

424px-Deltavs_svg 

Wikipedijina mapa delta–V potrebna za putovanje do nekih mesta u Sunčevom sistemu.

Skraćenice: C3orbita bega; GEOgeosinhrona orbita; GTOgeostacionarna transferna orbita; L4/5 – Zemlja-Mesec L5 Lagranžove tačke; LEOZemljina niska ornita.

Približne vrednosti Δv date su u km/s za različite orbitne manevre uz upotrebu konvencionalnih raketa. Crvene strelice prikazuju mogućnost aerokočenja koje može da se izvede u tim slučajevima, dok su crni brojevi vrednosti Δv u bilo kom pravcu. Moguće su i niže vrednosti Δv, ali to zahteva retke transferne prozore ili bi putovanje trajao mnogo duže (vidi fuzzy orbital transfers).

 gravity_wells_large222-450

Grafički prikaz gravitacionih bunara u Sunčevom sistemu.

Očigledno, nakon odabrane sudbine ne može da se menja delta–V, ali da li je moguće smanjiti ogromnu težinu marsovske letilice? Naravno da jeste, ali moramo da koristimo raketnu jednačinu u našu korist. Tj., ako postignemo malu uštedu u krajnjoj težini broda, početna težina rakete bi se još više smanjila. Prva stvar koju možemo da uradimo jeste da podelimo naš veliki brod za Mars u nekoliko letilica (zato raketa ima nekoliko segmenata), ali ta promena će povećati složenost čitave misije.

Sledeća strategija sastoji se u tome da koristimo efikasnije pogonske sisteme. Većina međuplanetnih misija podrazumeva korišćenje hipergoličkog goriva[2], lakog za skladištenje ali (relativno) male efikasnosti. Ako bi upotrebili kriogeno gorivo (tečni vodonik i kiseonik) značajno bi redukovali težinu broda za Mars, ali pre toga moramo da razradimo tehnologiju skladištenja tog goriva bez isparavanja. Ako bi se neko odlučio za još naprednije propulzivne sisteme (nuklearne, jonske, VASIMR, solarna jedra, itd.), veličina broda bi se dodatno još više smanjila. Efikasnost pogonskog sistema merimo prema specifičnom impulsu (Isp).

 IM-2011-06-08-a-las-20_29_12

Jednostavnim korišćenjem naprednijeg pogonskog sistema (ili kriogenog) mogli bi da smanjimo težinu marsovskog broda na polovinu.

 Mars-500_001-01

 

Brod za Mars prema predlogu ruske svemirske kompanije RKK „Energija“. Planirani pogon je na jonske motore napajane solarnom energijom.

[МЭК znači „marsovski ekspedicioni korpus“; ВПКuzletno–sletni modul“; КВЗmodul za povratak na Zemlju“.]

nukespace1 

Efikasnost (spec. impuls) različitih pogonskih sistema u poređenju njihovih potisaka. Veći spec. impuls znači manju težinu međuplanetne letilice (NASA).

[T/W Ratio (tj. thrust-to-weight ratio) znači „odnos potiska i težine“[3].]

Imagen-7 

Imagen-5 

Nasin predlog broda MTV za Mars na termonuklearni predlog.

Dobra ideja je da se iskoriste bogati resursi Crvene planete, i da se proizvede dovoljno goriva za povratak kući. Naprimer, moguće je dobiti fenomenalno metansko gorivo iz ugljen–dioksira iz Marsove atmosfere[4]. Takođe je moguće upotrebom sofistikovanih sistema razlagati led iz Marsove površine na vodonik i kiseonik i stvarati sopstveno kriogeno gorivo. Ova tehnika korišćenja lokalnih resursa zove se ISRU (In–Situ Resource Utilization) i predstavljaće ključ za projektovanje svih misija na Crvenu planetu.

02ISRU 

Predlog Nasinog broda sa ljudskom posadom, koji bi koristio nuklearni reaktor za dobijanje metana iz ugljen–dioksida iz Marsove atmosfere.

Na kraju, i neke druge mere za smanjivanje težine našeg broda idu nam na ruku, a vezane su za planetnu atmosferu. Kada stignemo do Marsove orbite, usporavanje broda atmosferskim trenjem omogućiće nam značajnu uštedu u gorivu. Ta tehnika se naziva „vazdušno hvatanje“ (aerocapture) i predstavlja tehniči izazov prve vrste. U stvarnosti, do danas nijedna misija nije izvela ovakav manevar (mada je postojalo nekoliko sondi koje su koristile aerokočenja da bi snizile svoje orbite[5]). Vazdušno hvatanje će zahtevati upotrebu velikih termičkih štitova – koji takođe imaju veliku težinu – ali u svakom slučaju ova tehnika će biti značajna u misijama sa ljudskom posadom.

 CNES-orbiter-aerocapture

Jedan francuski projekat predviđa aero–hvatanje za ulazak u Marsovu orbitu. Prvi je ovu tehniku trebalo da 2001. izvede orbiter „Mars Odyssey”, ali se u zadnjem momentu odustalo od toga zbog troškova i pristupilo se aero-kočenju.

Ako strogo primenimo sve navedene mere, bićemo u stanju da smanjimo težinu našeg marsovskog broda (ili brodova) na ispod hiljadu tona. Poslednji predlog Nase, nazvan „Mars Design Reference Architecture 5.0“ (DR 5.0[6]), obuhvata seriju svemirskih brodova za Mars ukupne težine od „svega“ 850 tona. Da bi postigli ovaj cilj, DR 5.0 predviđa korišćenje termo–nuklearnog (vodoničkog) pogona[7], ISRU i „vazdušnog hvatanja“.

Ipak, još uvek govorimo o težinskom ekvivalentu od dve svemirske veličine ISS, ili pak od sedam džinovskih raketa veličine nesrećnog „Aresa V“.Obzirom da je najmoćnija raketa–nosač koja danas postoji u stanju da u nisku orbitu oko Zemlje ponese samo 25 tona, očigledno je da je put na Mars još daleko od nas. Ali ako planiramo da putujemo na druge planete u ovom veku, možda uspemo da pronađemo bolja rešenja za ovaj problem.

 IM-2011-06-08-a-las-20_29_22

Korišćenjem različitih tehnologija dolazi i do redukcije početne težine ekspedicije na Mars (NASA). Težina je data u ISS jedinicama. Trenutno, 1 ISS = 418 t.

 Imagen-29

Dijagram misije na Mars po DR 5.0.

mtv2 

Vizija prilaska nuklearnog broda Marsu. Da li će iko od nas doživeti da ovo vidi ne kao kompjutersku sliku već kao vest u AM?



[1] Prostor oko Zemlje u kome je gravitacija dovoljno jaka da objekte privlači ka sebi. Solarni bunar je dublji od Zemljinog.

[2] Kombinacija goriva i oksidatora koja se spontano pali pri kontaktu, kao što su, recimo, hidrazin i azot–tetroksid ili metanol i vodonik–peroksid. Ovakva goriva su tečna pri normalnom pritisku i temperaturi i mogu da se skladište godinama. Prvi je sa ovom vrstom goriva eksperimentisao ruski stručnjak V. Gluško 1931. god. Sve prve balističke rakete koristile su ovo gorivo, kao što je sovjetska „R–7“ koja je ponela „Sputnjik“, ili američke „Atlas“ i „Titan–1“.

[3] Trenutno najviši odnos imaju sovjetski raketni motori NK-33 koje su otkupili Amerikansi: 136,8 a odmah iza njih su motori F-1 I stepena bivšeg „Saturna V“: 94,1.

[4] Ima ga preko 95% u Marsovoj atmosferi.

[5] Ovde se misli na re-entry skip manevar koji su izvele sovjetske sonde „Зонд 6” i „Зонд 7” nakon povratka sa Meseca.

[6] U januaru 2007. NASA je formirana radnu grupu MAWG (Mars Architecture Working Group) koja je na preko 30 strana razradila najnoviju verziju programa misije za Mars sa posadom. Program je obuhvatao prve tri misije, lansirane „Aresom V“, i sastojao se od tri vrste brodova: SHAB (Surface Habitat), DAV (Descent/Ascent Vehicle) i MTV (Mars Transit Vehicle).

[7] Tečni vodonik se zagreva do visokih temperatura u brodskom nuklearnom reaktoru i onda se izbacuje kroz mlaznice stvarajući potisak. Ovakav motor je duplo efikasniji od hemijskih motora.

 

Pročitajte i ovo:

Zašto misije na Mars nisu i zašto jesu uspešne

Kako otići na Mars? Sa ljudskom posadom ili bez nje?
PUTOVANJE NA MARS

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:


Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži