Всероссийская олимпиада по истории авиации и воздухоплавания: Проблемные вопросы. Каким будет транспорт будущего? Историко-исследовательская работа на тему

Историко-исследовательская работа на тему

« Какое будущее у аэрокосмического транспорта? »

SpaceX — Дорога в будущее

Об истории и перспективах развития компании SpaceX

Научный руководитель: Гибатов Ильдар Рафисович, учитель истории МОБУ СОШ №2 с. Бижбуляк.

Гипотеза исследования: в будущем можно будет использовать проекты SpaceX как универсальный аэрокосмический транспорт.

Цель работы : выяснить, можно ли для развития аэрокосмического транспорта использовать проекты Space X.

Задачи:

Изучить историю компании;
Изучить эволюцию ракетоносителей SpaceX;
Изучить перспективы проектов

Методы исследования :

Изучение и анализ литературы и соответствующих сайтов в сети Интернет;
Анализ отчетов компании;
Сравнение с отечественными идеями.

Объект исследования: частная космическая компания Space Exploration Technologies

Проект SpaceX. История проекта

Путём изучения литературы и источников в сети Интернет я узнаю о проекте SpaceX, ее основателе, истории создания компании. В ходе исследований изучаю ее ракетоносители и привожу их технические характеристики, разбираю причины неудачных запусков.

Перспективы ракетоносителей SpaceX

Продолжая знакомиться со SpaceX, я выяснил, что следующим развитием ее ракет является РН Falcon Heavy — ракета сверхтяжелого класса, она будет способна доставить полностью загруженный космический корабль Dragon на Марс, или на Юпитер. Также узнаю, что в ней будет использована уникальная система перекрестной подачи топлива.

Двигатели, разработанные в компании SpaceX

Компания SpaceX в своих РН использует двигатели собственной разработки Merlin, которые работают по схеме открытого цикла. Данная схема проста, надёжна, и недорогая в создании и использовании, также это с большим заделом на будущее, способствует использованию многоразовых систем. Привожу сравнение тяги двигателя с другими и их стоимость, вычисляю тяговооруженность двигателя.

Reusable — многоразовость

Исследуя ракетоносители и двигатели компании, я узнал о проекте возвращаемой первой ступени ракетоносителей компании SpaceX. Я выяснил, что таким способом стоимость запуска снижается на ~60%. И эти средства компания может вложить в свои будущие разработки и перспективы.

В 2004 году компания начала разрабатывать корабль Dragon, свой первый полёт он совершил в декабре 2010 года. Уникальность Dragon заключается в возможности возвращать грузы с МКС на Землю и это первый корабль, произведенный частной компанией, который пристыковался к МКС. Узнаю, что в перспективе корабля — уникальная миссия «Mars 2020».

Заключение

На основании всех приведенных материалов я пришел к выводу, что в будущем можно будет использовать проект SpaceX для аэрокосмического транспорта.

Список использованной литературы

Эшли Вэнс — Илон Маск. Tesla, SpaceX и дорога в будущее. (Издательство: Олимп-Бизнес; 2015 г.; ISBN 978-5-9693-0307-2, 978-0-06-230123-9, 978-59693-0330-0)
В.А. Афанасьев — Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов (Издательство: М.: Изд-во МАИ.; 1994 г.; ISBN: 5-7035-0318-3)
В. Максимовский — «Ангара-Байкал. О разгонном ракетном модуле многоразового использования »
Официальный сайт SpaceX — http://spacex.com
Официальный YouTube-канал SpaceX — https://goo.gl/w6x3gW
Материал из Википедии — https://ru.wikipedia.org/wiki/SpaceX

Аэрокосмический транспорт будущего

Мощным толчком ракета вертикально поднимается со стартовой площадки и уходит ввысь... Эта привычная картина в скором времени может кануть в Лету. На смену одноразовым космическим системам и «челнокам» должно прийти новое поколение аппаратов - воздушно-космические самолеты, которые будут обладать способностью взлетать и приземляться горизонтально, подобно обычным авиалайнерам. Участники международного исследовательского проекта знакомят читателей с некоторыми визуальными материалами, иллюстрирующими концепцию двухступенчатого аэрокосмического транспорта будущего

Дальнейшее развитие космонавтики определяется необходимостью интенсивной эксплуатации космических станций, развития систем глобальной связи и навигации, мониторинга окружающей среды в планетарном масштабе. Для этих целей в ведущих странах мира ведутся разработки воздушно-космических самолетов (ВКС) многократного использования, которые позволят существенно снизить стоимость доставки грузов и людей на орбиту. Это будут системы, характеризующиеся возможностями, наиболее актуальные из которых следующие: многоразовое использование для вывода на орбиту производственных и научно-технических грузов с относительно небольшим промежутком времени между повторными вылетам; возвращение аварийных и отработавших конструкций, засоряющих космос; спасение экипажей орбитальных станций и космических кораблей в аварийных ситуациях; срочная разведка районов стихийных бедствий и катастроф в любой точке земного шара.

В странах с развитыми авиационно-космическими технологиями достигнуты большие успехи в области высоких скоростей полета, которые определяют потенциальную возможность создания широкого спектра гиперзвуковых воздушно-реактивных самолетов. Есть все основания полагать, что в будущем пилотируемая авиация освоит скорости от чисел Маха M = 4–6 до M = 12–15 (пока держится рекорд M = 6,7, установленный еще в 1967 г. американским экспериментальным самолетом Х-15 с ракетным двигателем).

Если говорить о гражданской авиации, то освоение больших скоростей чрезвычайно важно для интенсификации пассажирских перевозок и деловых связей. Гиперзвуковые пассажирские самолеты с числом Маха 6 смогут обеспечить малоутомительную продолжительность перелета (не более 4 часов) на международных маршрутах с дальностью около 10 тыс. км, таких как Европа (Париж) – Южная Америка (Сан-Паулу), Европа (Лондон) – Индия, США (Нью-Йорк) – Япония. Вспомним, что время полета сверхзвукового «Конкорда» от Нью-Йорка до Парижа составляло около 3 часов, а «Боинг-747» затрачивает на этом маршруте около 6,5 часа. Самолеты будущего с числом Маха 10 за 4 часа смогут преодолеть 16-17 тыс. км, совершив беспосадочный перелет, например, из США или Европы в Австралию.

Новые подходы

Для гиперзвуковых самолетов необходимы новые технологии, совершенно отличные от тех, которые присущи современным самолетам и вертикально взлетающим космическим аппаратам. Конечно, ракетный двигатель производит большую тягу, но он расходует горючее в огромных количествах, и к тому же ракета должна нести окислитель на борту. Поэтому использование ракет в атмосфере ограничивается кратковременными полетами.

СЛОВАРЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

Число Маха – параметр, характеризующий, во сколько раз скорость летательного аппарата (или газового потока) больше скорости звука
Гиперзвуковая скорость – нестрогий термин для обозначения скорости с числом Маха, превышающим 4 5
Число Рейнольдса – параметр, характеризующий соотношение между силами инерции и силами вязкости в потоке
Угол атаки – наклон плоскости крыла к линии полета
Скачок уплотнения (ударная волна) – узкая область течения, в которой происходит резкое падение скорости сверхзвукового газового потока, приводящее к скачкообразному увеличению плотности
Волна разрежения – область течения, в которой происходит резкое уменьшение плотности газовой среды

Стремление решить эти сложные технические задачи привело к разработке различных концепций космических транспортных систем. Принципиальным направлением, которое активно исследуется ведущими аэрокосмическими фирмами мира, является одноступенчатый ВКС. Такой воздушно-космический самолет, взлетая с обычного аэродрома, может обеспечить доставку на околоземную орбиту полезной нагрузки, составляющей около 3% от взлетного веса. Другая концепция многоразовых систем – двухступенчатые аппараты. В этом случае первая ступень оснащается воздушно-реактивным двигателем, а вторая – является орбитальной, и разделение ступеней осуществляется в диапазоне чисел Маха от 6 до 12 на высотах около 30 км.

В 1980-1990 гг. проекты ВКС разрабатывались в США (NASP), Англии (HOTOL), ФРГ (Snger), Франции (STS-2000, STAR-H), России (ВКС НИИ-1, «Спираль», Ту-2000). В 1989 г. по инициативе Немецкого исследовательского общества (DFG) начались совместные исследования трех германских центров: Рейн-Вестфальской технической высшей школы в Ахене, Технического университета Мюнхена и Университета Штутгарта. Эти центры, спонсируемые DFG, провели долгосрочную программу исследований, включающую изучение фундаментальных вопросов, необходимых для проектирования космических транспортных систем, таких как общая разработка, аэродинамика, термодинамика, механика полета, двигатель, материалы и пр. Значительная часть работ по экспериментальной аэродинамике была выполнена в сотрудничестве с Институтом теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН. Организация и координация всех исследовательских работ осуществлялись комитетом, который в течение десяти лет возглавлял один из авторов настоящей статьи (Э. Краузе). Мы предлагаем вниманию читателя ряд наиболее наглядных визуальных материалов, иллюстрирующих некоторые результаты, полученные в рамках этого проекта в области аэродинамики.

Двухступенчатая система ELAC–EOS

Для исследований была предложена концепция двухступенчатого аэрокосмического аппарата (несущая ступень называлась по-немецки ELAC, орбитальная – ЕОS). Топливо – жидкий водород. Предполагалось, что полномасштабная конфигурация ELAC будет иметь длину 75 м, размах крыла – 38 м и большой угол стреловидности . При этом длина ступени EОS составляет 34 м, а размах крыла – 18 м. Орбитальная ступень имеет эллиптическую носовую часть, центральный корпус с полуцилиндрической верхней стороной и один киль в плоскости симметрии. На верхней поверхности первой ступени имеется углубление, в котором размещена орбитальная ступень при наборе высоты. Хотя оно неглубокое, при гиперзвуковых скоростях во время разделения (M = 7) оказывает существенное влияние на характеристики потока.

Для проведения теоретических и экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены несколько моделей несущей и орбитальной ступеней в масштабе 1:150. Для испытаний при малых скоростях в германско-голландской аэродинамической трубе DNW была сделана большая модель исследуемой конфигурации в масштабе 1:12 (длина более 6 м, масса около 1600 кг).

Визуализация сверхзвука

Полет со сверхзвуковой скоростью представляет для исследователя большую сложность, поскольку сопровождается формированием ударных волн, или скачков уплотнения , а летательный аппарат в таком полете проходит несколько режимов обтекания (с различными локальными структурами), сопровождающихся ростом тепловых потоков.

Эта задача в проекте ELAC–EOS исследовалась и экспериментально, и численно. Большинство экспериментов было проведено в аэродинамической трубе T-313 ИТПМ СО РАН в Новосибирске. Число Маха набегающего потока в этих экспериментах изменялось в диапазоне 2 < М < 4, число Рейнольдса – 25 10 6 < Re < 56 10 6 , а угол атаки – в диапазоне – 3° < α < 10°. При этих параметрах измерялось распределение давлений, аэродинамические силы и моменты, а также выполнялась визуализация линий тока на поверхности модели.

Полученные результаты в числе прочего ясно демонстрируют образование вихрей на подветренной стороне. Панорамные картины течений на поверхности модели визуализировались посредством покрытия специальными жидкостями или маслосажевой смесью. В типичном примере маслосажевой визуализации видно, как поверхностные линии тока сворачивают внутрь от передней кромки крыла и стекаются в линию, ориентированную приблизительно в направлении течения. Наблюдаются также другие полосы, направленные в сторону центральной линии модели.

Эти четкие следы на подветренной стороне характеризуют поперечное течение, трехмерную структуру которого можно наблюдать с помощью метода лазерного ножа. С увеличением угла атаки поток воздуха перетекает с наветренной поверхности крыла на подветренную, формируя сложную вихревую систему. Отметим, что первичные вихри с пониженным давлением в ядре вносят положительный вклад в подъемную силу аппарата. Сам метод лазерного ножа основан на фотографировании когерентного излучения, рассеянного на вводимых в поток твердых или жидких микрочастицах, распределение концентрации которых обусловливается структурой исследуемых течений. Когерентный источник света формируется в виде тонкой световой плоскости, что, собственно, и дало название методу. Интересно, что с точки зрения обеспечения необходимой контрастности изображения очень эффективными оказываются микрочастицы обычной воды (туман).

ТЕНЕВОЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Еще в 1867 г. немецкий ученый А. Теплер предложил метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных средах, который до сих пор не потерял актуальности в науке и технике. В частности, он широко применяется для исследования распределения плотности воздушных потоков при обтекании моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.
Оптическая схема одной из реализаций метода представлена на рисунке. Пучок лучей от щелевого источника света системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на кромке непрозрачной ширмы (так называемый нож Фуко ). Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все лучи задерживаются ножом. При наличии неоднородностей лучи будут рассеиваться, и часть их, отклонившись, пройдет выше кромки ножа. Поставив за плоскостью ножа Фуко проекционный объектив, можно спроектировать эти лучи на экран (направить в фотокамеру) и получить изображение неоднородностей.
Рассмотренная простейшая схема позволяет визуализировать градиенты плотности среды , перпендикулярные кромке ножа, градиенты же плотности по другой координате приводят к смещению изображения вдоль кромки и не меняют освещенности экрана. Существуют различные модификации метода Теплера. Например, вместо ножа устанавливается оптический фильтр, состоящий из параллельных полосок разных цветов. Или используется круглая диафрагма с цветными секторами. В этом случае при отсутствии неоднородностей лучи из разных точек проходят через одно и то же место диафрагмы, поэтому все поле окрашено в один цвет. Появление неоднородностей обусловливает отклонение лучей, которые проходят через разные секторы, и изображения точек с различным отклонением света окрашиваются в соответствующие цвета

При определенных условиях ядра вихрей могут разрушаться, что уменьшает подъемную силу крыла. Этот процесс, называемый срывом вихря, развивается по типу «пузырь» или «спираль», визуальные различия между которыми демонстрирует фотография, сделанная с помощью впрыска флуоресцентной краски. Обычно пузырьковый режим срыва вихря предшествует распаду по спиральному типу.

Полезную информацию о спектрах сверхзвукового обтекания летательных аппаратов дает теневой метод Теплера . С его помощью визуализируются неоднородности в газовых потоках, при этом особенно хорошо видны скачки уплотнения и волны разрежения.

Разделение ступеней

Разделение несущей и орбитальной ступеней – одна из самых трудных задач, рассмотренных в ходе работы над проектом ELAC–EOS. В целях безопасности маневрирования этот этап полета требует особенно тщательного изучения. Численные исследования его различных фаз были проведены в центре SFB 255 при Техническом университете Мюнхена, а вся экспериментальная работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе T-313 включали в себя визуализацию обтекания полной конфигурации и измерения аэродинамических характеристик и поверхностных давлений в процессе разделения ступеней.

Модель нижней ступени ELAC 1C отличалась от первоначального варианта ELAC 1 отсеком небольшой глубины, в котором должна располагаться орбитальная ступень во время взлета и набора высоты. Компьютерное моделирование проводилось при числе Маха набегающего потока М = 4,04, числе Рейнольдса Re = 9,6 10 6 и нулевом угле атаки модели EOS.

Наблюдалось хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает надежность численного решения при прогнозировании гиперзвуковых течений. Пример расчетной картины распределения чисел Маха (скоростей) в потоке во время процесса разделения представлен на этой странице. На обеих ступенях видны скачки уплотнения и локальные разрежения. У задней части конфигурации ELAC 1C в реальности разрежения не будет, поскольку там разместится гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

В целом можно сказать, что исследования аэродинамической концепции двухступенчатой системы ELAC–EOS, инициированные Немецким исследовательским обществом DFG, оказались успешными. В результате обширного комплекса теоретических и экспериментальных работ, в которых участвовали научные центры Европы, Азии, Америки и Австралии, был выполнен полный расчет конфигурации, способной к горизонтальному взлету и посадке в стандартном аэропорту, решены аэродинамические задачи полета с низкими, сверхзвуковыми и особенно гиперзвуковыми скоростями.

В настоящее время ясно, что создание перспективного аэрокосмического транспорта требует еще детальных исследований по разработке гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей, надежно работающих в широком диапазоне скоростей полета, высокоточных систем управления процессами разделения ступеней и посадки орбитального модуля, новых высокотемпературных материалов и т.д. Решение всех этих сложных научно-технических задач невозможно без объединения усилий ученых разных стран. И опыт данного проекта только подтверждает: долговременное международное сотрудничество становится неотъемлемым элементом аэрокосмических исследований.

Литература

Kharitonov A.M., Krause E., Limberg W. et al. // J. Experiments in Fluids. 1999. V. 26. P. 423.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // J. Experiments in Fluids. 2000. V. 29. P. 592.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // Proc. at X Int. Conference on the Methods of Aerophysical Research. Novosibirsk. 2000. V. 1. P. 53.

Krause E., Brodetsky M.D., Kharitonov A.M. // Proc. at WFAM Congress. Chicago, 2000.

Бродецкий М.Д., Краузе Э., Никифоров С.Б. и др. // ПМТФ. 2001. Т. 42. С. 68.

Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?

11.10.2011, ВТ, 17:27, Мск

Телескопа "Кеплер" астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.

Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды

Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.

Дорогу беспилотникам

Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.

Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.

Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг

Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.

Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.

Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода

Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.

Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?

Полет длиною в жизнь

Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.

Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.

Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.

Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…

К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.

…а закончился экологической катастрофой

В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.

Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.

Замороженный сон

Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.

К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.

Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов

Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.

Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.

Полет на водороде

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.

Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.

К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.

Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.

Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия

Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».

Антиматерия в помощь

Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.

Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х1011 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством. Но это всего один килограмм антивещества.

Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу

В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.

Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.

Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.

Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.

Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.

Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.

Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.

Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.

Михаил Левкевич

Распечатать

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

Аэрокосмический

транспорт к V Л VI11Р ГП

Мощным толчком ракета вертикально поднимается со стартовой площадки и уходит ввысь... Эта привычная с 1960-х гг. картина в скором времени может кануть в Лету. На смену одноразовым космическим системам и «челнокам» должно прийти новое поколение аппаратов - воздушно-космические самолеты, которые будут обладать способностью взлетать и приземляться горизонтально, подобно обычным авиалайнерам

Ч - . , " Л* „ - , (/

3. КРАУЗЕ. А. М. ХАРИТОНОВ

КРАУЗЕ Эгон - заслуженный профессор, СП 973 по 1998 гг. - директор Аэродинамического института Рейн-Вестфапьской технической высшей школы (ГОАШ^" (Ах^н, Германия). Лауреат премии Общества Макса Дланка, по.ч®ный доктор Сибирского отделения РАН ~

XAPMTOHCJP Анатолий. Михайлович - доктор технических наук, профёссдИглабный научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН (Новосибирск). Заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Совета Министров СССР (1985). Автор и соавтор около 150 научных работ и 2 патентов

альнейшее развитие космонавтики определяется необходимостью интенсивной эксплуатации космических станций, развития систем глобальной связи и навигации, мониторинга окружающей среды в планетарном масштабе. Для этих целей в ведущих странах мира ведутся разработки воз-дуишо-космических самолетов (ВКС) многократного использования, которые позволят существенно снизить стоимость доставки грузов и людей на орбиту. Это ¡будут системы, характеризующиеся возможностями, [наиболее актуальные из которых следующие:

Многоразовое использование для вывода на орбиту производственных и научно-технических грузов с относительно небольшим промежутком времени между повторными вылетами;

Возвращение аварийных и отработавших конструкций, засоряющих космос;

Спасение экипажей орбитальных станций и космических кораблей в аварийных ситуациях;

Срочная разведка районов стихийных бедствий и катастроф в любой точке земного шара.

В странах с развитыми авиационно-космическими

технологиями достигнуты большие успехи в области высоких скоростей полета, которые определяют потенциальную возможность создания широкого спектра гиперзвуковых воздушно-реактивных самолетов. Есть все основания полагать, что в будущем пилотируемая авиация освоит скорости от чисел Маха М = 4-6 до М = 12-15 (пока держится рекорд М = 6,7, установленный еще в 1967 г. американским экспериментальным самолетом Х-15 с ракетным двигателем).

Если говорить о гражданской авиации, то освоение больших скоростей чрезвычайно важно для интенсификации пассажирских перевозок и деловых связей. Гиперзвуковые пассажирские самолеты с числом Маха 6 смогут обеспечить малоутомительную продолжительность перелета (не более 4 часов) на международных маршрутах с дальностью около 10 тыс. км, таких как Европа (Париж) - Южная Америка (Сан-Паулу), Европа (Лондон) - Индия, США (Нью-Йорк) - Япония. Вспомним, что время полета сверхзвукового «Конкорда» от Нью-Йорка до Парижа составляло около 3 часов, а «Боинг-747» затрачивает на этом маршруте около 6,5 часа. Самолеты будущего с числом Маха 10

СЛОВАРЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

Число Маха - параметр, характеризующий, во сколько раз скорость летательного аппарата (или газового потока) больше скорости звука Гиперзвуковая скорость - нестрогий термин для обозначения скорости с числом Маха, превышающим 4 5 Число Рейнольдса - параметр, характеризующий соотношение между силами инерции и силами вязкости в потоке

Угол атаки - наклон плоскости крыла к линии полета Скачок уплотнения (ударная волна) - узкая область течения, в которой происходит резкое падение скорости сверхзвукового газового потока, приводящее к скачкообразному увеличению плотности Волна разрежения - область течения, в которой происходит резкое уменьшение плотности газовой среды

Схема модели двухступенчатой аэрокосмической системы Е1_АС-ЕОЭ. Эти аппараты будут взлетать и садиться горизонтально, подобно обычным самолетам. Предполагается, что длина полномасштабной конфигурации составит 75 м, а размах крыла - 38 м. По: (Рейбл, Якобе, 2005)

за 4 часа смогут преодолеть 16-17 тыс. км, совершив беспосадочный перелет, например, из США или Европы в Австралию.

ГТайа маоТай

двигатель производит большую тягу но он расходует горючее в огромных количествах, и к тому же ракета должна нести окислитель на борту. Поэтому использование ракет в атмосфере ограничивается кратковременными полетами.

Стремление решить эти сложные технические задачи привело к разработке различных концепций космических транспортных систем. Принципиальным направлением, которое активно исследуется ведущими аэрокосмическими фирмами мира, является одноступенчатый В КС. Такой воздушно-космический самолет, взлетая с обычного аэродрома, может обеспечить доставку на околоземную орбиту полезной нагрузки, составляющей около 3% от взлетного веса. Другая концепция многоразовых систем - двухступенчатые аппараты. В этом случае первая ступень оснащается воздушно-реактивным двигателем, а вторая - является орбитальной, и разделение ступеней осуществляется в диапазоне чисел Маха от 6 до 12 на высотах около 30 км.

В 1980-1990 гг. проекты ВКС разрабатывались в США (NASP), Англии (HOTOL), ФРГ (Sänger), Франции (STS-2000, STAR-H), России (ВКС НИИ-1, «Спираль», Ту-2000). В 1989 г. по инициативе Немецкого исследовательского общества (DFG) начались совместные исследования трех германских центров:

Рейн-Вестфальской технической высшей школы в Ахене, Технического университета Мюнхена и Университета Штутгарта. Эти центры, спонсируемые DFG, провели долгосрочную программу исследований, включающую изучение фундаментальных вопросов, необходимых для проектирования космических транспортных систем, таких как общая разработка, аэродинамика, термодинамика, механика полета, двигатель, материалы и пр. Значительная часть работ по экспериментальной аэродинамике была выполнена в сотрудничестве с Институтом теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН. Организация и координация всех исследовательских работ осуществлялись комитетом, который в течение десяти лет возглавлял один из авторов настоящей статьи (Э. Краузе). Мы предлагаем вниманию читателя ряд наиболее наглядных визуальных материалов, иллюстрирующих некоторые результаты, полученные в рамках этого проекта в области аэродинамики.

Полет двухступенчатой системы ELAC-EOS должен охватывать широчайший диапазон скоростей: от преодоления звукового барьера (М = 1) до отделения орбитальной ступени (М = 7) и выхода ее на околоземную орбиту (М = 25). По: (Рейбл, Якобе, 2005)

Звуковой барьер Число Маха

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

Большая модель ELAC 1 (длиной более 6 м) в рабочей части германско-голландской аэродинамической трубы DNW малых скоростей. По: (Рейбл, Якобе, 2005)

Aaóóñóó"i áí^áóáy ñeñóálá ELAC-EOS

Для исследований была предложена концепция двухступенчатого аэрокосмического аппарата (несущая ступень называлась по-немецки ELAC, орбитальная - EOS). Топливо - жидкий водород. Предполагалось, что полномасштабная конфигурация ELAC будет иметь длину 75 м, размах крыла - 38 м и большой г/гол стреловидности. При этом длина ступени EOS составляет 34 м, а размах крыла - 18 м. Орбитальная ступень имеет эллиптическую носовую часть, центральный корпус с полуцилиндрической верхней стороной и один киль в плоскости симметрии. На верхней поверхности первой ступени имеется углубление, в котором размещена орбитальная ступень при наборе высоты. Хотя оно неглубокое, при гиперзвуковых скоростях во время разделения (М = 7) оказывает существенное влияние на характеристики потока.

Aegóáeegáóey ñaáSógaóeá

Полет со сверхзвуковой скоростью представляет для исследователя большую сложность, поскольку сопровождается формированием ударных волн, или скачков уплотнения, а летательный аппарат в таком полете проходит несколько режимов обтекания (с различными локальными структурами), сопровождающихся ростом тепловых потоков.

Эта задача в проекте ELAC-EOS исследовалась и экспериментально, и численно. Большинство экспериментов было проведено в аэродинами-

Маслосажевая картина линий тока на поверхности модели ELAC 1, полученная в аэродинамической трубе Т-313 Института теоретической и прикладной механики СО РАН. По: (Krause et al., 1999)

Сравнение результатов численного моделирования вихревых структур на подветренной стороне модели Е1.АС 1 (справа) и экспериментальной визуализации методом лазерного ножа (слева). Результаты численного расчета получены решением уравнений Навье-Стокса для ламинарного течения при числе Маха М = 2, числе Рейнольдса Йе = 4 10е и угле атаки а = 24°. Расчетные вихревые картины похожи на наблюдаемые экспериментально; имеются различия в поперечных формах отдельных вихрей. Заметим, что набегающий поток перпендикулярен плоскости картинки. По: (ЭКотЬегд е? а/., 1996)

ческой трубе Т-313 ИТПМ СО РАН в Новосибирске. Число Маха набегающего потока в этих экспериментах изменялось в диапазоне 2 < М < 4, число Рейнольдса - 25 106 < Ие < 56 106, а г/гол атаки - в диапазоне - 3° < а < 10°. При этих параметрах измерялось распределение давлений, аэродинамические силы и моменты, а также выполнялась визуализация линий тока на поверхности модели.

Полученные результаты в числе прочего ясно демонстрируют образование вихрей на подветренной стороне. Панорамные картины течений на поверхности модели визуализировались посредством покрытия специальными жидкостями или маслосажевой смесью. В типичном примере маслосажевой визуализации видно, как поверхностные линии тока сворачивают внутрь от передней кромки крыла и стекаются в линию, ориентированную приблизительно в направлении течения. Наблюдаются также другие полосы, направленные в сторону центральной линии модели.

Эти четкие следы на подветренной стороне характеризуют поперечное течение, трехмерную структуру которого можно наблюдать с помощью метода лазерного ножа. С увеличением угла атаки поток воздуха перетекает с наветренной поверхности крыла на подветренную, формируя сложную вихревую систему. Отметим, что первичные вихри с пониженным давлением в ядре вносят положительный вклад в подъемную силу аппарата. Сам метод лазерного ножа основан на фотографировании когерентного излучения, рассеянного

Вихревой пузырь в переходном состоянии

Полностью развившаяся вихревая спираль

Процессы распада вихрей на подветренной стороне конфигурации ELAC 1 визуализировались посредством впрыска флуоресцентной краски. По: (Stromberg, Limberg, 1993)

¡Я ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

на вводимых в поток твердых или жидких микрочастицах, распределение концентрации которых обусловливается структурой исследуемых течений. Когерентный источник света формируется в виде тонкой световой плоскости, что, собственно, и дало название методу. Интересно, что с точки зрения обеспечения необходимой контрастности изображения очень эффективными оказываются микрочастицы обычной воды (туман).

При определенных условиях ядра вихрей могут разрушаться, что уменьшает подъемную силу крыла. Этот процесс, называемый срывом вихря, развивается

по типу «пузырь» или «спираль», визуальные различия между которыми демонстрирует фотография, сделанная с помощью впрыска флуоресцентной краски. Обычно пузырьковый режим срыва вихря предшествует распаду по спиральному типу.

Полезную информацию о спектрах сверхзвукового обтекания летательных аппаратов дает теневой метод Теплера. С его помощью визуализируются неоднородности в газовых потоках, при этом особенно хорошо видны скачки уплотнения и волны разрежения.

Линзы основного объектива Проекционный объектив Экран (фотокамера)

Источник света V г Ч Неоднородность Нож Фуко " I

ТЕНЕВОЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Оптическая схема одной из реализаций метода представлена на рисунке. Пучок лучей от щелевого источника света системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на кромке непрозрачной ширмы (так называемый нож Фуко). Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все лучи задерживаются ножом. При наличии неоднородностей лучи будут рассеиваться, и часть их, отклонившись, пройдет выше кромки ножа. Поставив за плоскостью ножа Фуко проекционный объектив, можно спроектировать эти лучи на экран (направить в фотокамеру) и получить изображение неоднородностей.

Рассмотренная простейшая схема позволяет визуализировать градиенты плотности среды, перпендикулярные кромке ножа, градиенты же плотности по другой координате приводят к смещению изображения вдоль кромки и не меняют освещенности экрана. Существуют различные модификации метода Теплера. Например, вместо ножа устанавливается оптический фильтр, состоящий из параллельных полосок разных цветов. Или используется круглая диафрагма с цветными секторами. В этом случае при отсутствии неоднородностей лучи из разных точек проходят через одно и то же место диафрагмы, поэтому все поле окрашено в один цвет. Появление неоднородностей обусловливает отклонение лучей, которые проходят через разные секторы, и изображения точек с различным отклонением света окрашиваются в соответствующие цвета.

Головной скачок уплотнения

Веер волн разрежения

Скачок уплотнения

Эта теневая картина обтекания модели ЕЬАС 1 получена оптическим методом Теплера в сверхзвуковой аэродинамической трубе в Ахене. По: (Нэпе! е? а/., 1993)

Теневая фотография обтекания модели Е1.АС 1 с воздухозаборником в гиперзвуковой ударной трубе (М = 7,3) в Ахене. Красивые радужные сполохи в правой нижней части снимка представляют собой хаотические течения внутри воздухозаборника. По: (Оливье и др., 1996)

Теоретическое распределение чисел Маха (скоростей) при обтекании двухступенчатой конфигурации Е1_АС-ЕОЭ (число Маха набегающего потока М = 4,04). По: (Брейтсамтер и др., 2005)

Наблюдалось хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает надежность численного решения при прогнозировании гиперзвуковых течений. Пример расчетной картины распределения чисел Маха (скоростей) в потоке во время процесса разделения представлен на этой странице. На обетЖ^гФенях видны скачки уплотнения и локальные разрежения. У задней части конфигурации ЕЬАС 1С в реальности разрежения не будет, поскольку там разместится гиперзвуковой прямоточный воздуш-но-реактивный двигатель.

Разделение несущей и орбитальной ступеней - одна из самых трудных задач, рассмотренных в ходе работы над проектом ELAC-EOS. В целях безопасности маневрирования этот этап полета требует особенно.тщательного изучения. Численные исследования его * различных фаз были проведены в центре SFB 255 при Техническом университете Мюнхена, а вся экспериментальная работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-313 включали в себя визуализацию обтекания полной конфигурации и измерения аэродинамических характеристик и поверхностных давлений в процессе разделения ступеней.

Модель нижней ступени ELAC 1С отличалась от первоначального варианта ELAC 1 отсеком небольшой глубины, в котором должна располагаться орбитальная ступень во время взлета и набора высоты. Компьютерное моделирование проводилось при числе Маха набегающего потока М = 4,04, числе Рейнольдса -Re = 9,6 106 и нулевом угле атаки модели EOS.

целом можно сказать, что исследования аэродинамической концепции двухступенчатой систем ÜiELAC-EOS , инициированные Немецким исследовательским обществом DFG, оказались успешными. В результате обширного комплекса теоретических и экспериментальных работ, в которых участвовали научные центры Европы, Азии, Америки и Австралии, был выполнен полный расчет конфигурации, способной к горизонтальному взлету и посадке в стандартном аэропорту, решены аэродинамические

задачи полета с низкими, сверхзвуковыми и особенно гиперзвуковыми скоростями.

В настоящее время ясно, что создание перспективного аэрокосмического транспорта требует еще детальных исследований по разработке гиперзвуковых воздуш-но-реактивных двигателей, надежно работающих в широком диапазоне скоростей полета, высокоточных систем управления процессами разделения ступеней и посадки орбитального модуля, новых высокотемпературных материалов и т.д. Решение всех этих сложных научно-технических задач невозможно без объединения усилий ученых разных стран. И опыт данного проекта только подтверждает: долговременное международное сотрудничество становится неотъемлемым элементом аэрокосмических исследований.

Литература

Kharitonov А.М., Krause Е., Limberg W. et al.//J. Experiments in Fluids. - 1999. - V. 26. - P. 423.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. //J. Experiments in Fluids. - 2000. - V. 29. - P. 592.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // Proc. at X Int. Conference on the Methods of Aemphysical Research. Novosibirsk. - 2000. -V.1.- P. 53.

Krause E., Brodetsky M.D., Kharitonov A.M. // Proc. at WFAM Congress. Chicago, 2000.

Бродецкий М.Д., Краузе Э., Никифоров С.Б. и др. // ПМТФ. - 2001. - Т. 42. - С. 68.

Чуда не произошло, как и в начале третьего тысячелетия, когда мы, по Рэю Брэдбери, должны были колонизировать Марс. Часто говорят о пророчествах научной фантастики, но не нужно забывать и о неудачных прогнозах - катастрофически красивых, но все-таки провалах.

Где же летающие автомобили?

Техника под таким названием есть, но на деле это только гибрид машины с самолетом. И, хотя последние образцы выглядят футуристично , они весьма и весьма затратны и мало похожи на антигравитационный транспорт в «Пятом элементе». Ещё дальше от него другие разработки, схожие по устройству с вертолетом , или вовсе оснащённые парашютом и задним пропеллером . Тут скорее на ум приходит другая фантастика - Карлсон, который живет на крыше. Обаятельно, но инновационностью здесь и не пахнет.

В фильмах и компьютерных играх мелькала и другая версия индивидуального транспорта - реактивный ранец. Его, например, показывали в «Звездных войнах» и «Робокопе». Но и тут до массового употребления дело не дошло, и вряд ли скоро дойдёт - топлива хватает всего на полминуты полёта, причём эти объёмы обходятся в круглую сумму.

Сами мы, видимо, уже настолько не ждём чудес, что радуемся даже такому творению китайского инновационного гения, как «портальный автобус» . Зато он реален, как и монорельс в Москве или японский поезд, развивающий скорость до 603 км/ч .

И всё же, для человеческого воображения границы недопустимы. Научная фантастика прошлого, да и просто фантазии наших предков на тему будущего обрели особое очарование и новое наименование - «ретрофутуризм». Романтическая, восторженная любовь к технологиям и желание предвосхитить будущие открытия - это может сегодня и умилять, и вдохновлять.

Переизобрести колесо

Еще до того, как автомобиль захотели «поднять в воздух», возникали идеи его усовершенствовать. Причём в самом главном - изобрести колесо по-новому! Японский журнал в 1936 году представил концепт авто с шарами вместо обычных шин: по мнению авторов, эта идея обеспечила бы транспорту плавный ход. Не такая уж бессмысленная задумка, по мнению даже современных инженеров. В 2016 году подобную разработку представила американская компания Goodyear , крупнейший производитель шин.

Гигантомания родила другое воображаемое чудо техники - корабль на огромных колесах, который должен был, по мысли изобретателя, бороздить пески Сахары и решить проблему с транспортом в регионе. Борьба с самумами и прочими бедствиями пустынь, включая жару, была предусмотрена конструкцией, и инженер обещал «поездку, которая превратится в приятное путешествие по тем местам, где тысячи поколений боролись тщетно со стихийными силами и гибли в неравной борьбе». Так об этом писал журнал «Вокруг света» в 1927 году . Неизвестно, насколько удачной была идея - до воплощения дело все равно не дошло. Хотя можно предполагать, что на обещанное кондиционирование такой машины, да еще и на преодоление песков зубчатыми колесами уходила бы уйма ресурсов.

Для общественного пользования, правда, предлагались как раз компактные модели. В 1947 году инженер Эдуард Верейкен из Брюсселя запатентовал дицикл - самоходную коляску , состоявшую из двух огромных колес и открытой кабины посередине. Сам изобретатель утверждал, что транспорт может разгоняться до 185 км/ч - но верится в это с трудом. Да и безопасность пассажиров остается под вопросом. Только в шведском аналоге 1999 года за авторством Йонаса Бьеркхольтца были учтены все проблемы конструкции. Но используют его сейчас только для развлечения публики.

Поезда были другой излюбленной темой инженеров и мечтателей. Много надежд возлагали на монорельсы, хотя представляли их довольно необычно - например, так или вот так . Но и обычные поезда видели куда более совершенными в будущем - комфортабельными, просторными, да ещё и с видом на звёзды .

«Корабль пустыни» по версии 1927 года.

Каждому человеку - по вертолету!

Где фантазия разворачивалась на полную - так это летающий транспорт. Воображение наших предков породило и тарелочного вида самолёты , и самолёты с крыльями внизу и турбодвигателями в носовой части , и даже самолёты-подлодки . Всего не упомянешь - вы можете и самостоятельно посмотреть галереи на Reddit или подборки по ключевым словам на Pinterest .

Но что особенно трогает во всех этих проектах, так это вера в общедоступность транспорта будущего. Человек только-только покорил воздух, а американские журналы пишут: «Helicopters for Everybody!» («Вертолеты в каждый дом!»). И среди всех этих вырезок из прессы почти вековой давности можно увидеть рисунки личных самолетов. Тогда и правда ждали от будущего только стремления вверх, и научного прогресса, и качества жизни каждого.

Верится ли теперь в это, когда стоишь в час пик в пробке? Или когда трясёшься на верхней полке плацкартного вагона? Зажимая в руке смартфон, вычислительные мощности которого, как известно, выше оборудования NASA в 1969 году?

XXI век ещё не состоялся - уж точно не состоялся таким, как его ждали поклонники технического прогресса. Но будущее, как выяснилось, непредсказуемо. Медленными темпами, но оно приходит - предлагаем ознакомиться с футуристическим транспортом настоящего.

Сегодняшнее будущее

Сегвей стал одним из самых модных видов личного транспорта за последнее время, технологичным конкурентом для велосипедов и самокатов. В чем его футуристичность? «Рулить» вам придётся исключительно своим телом: гироскоп и другие датчики в его устройстве реагируют на наклон. И только поворачивать придется рукояткой или специальной колонкой. Полностью интуитивным является управление гироскутером и моноциклом - надо сказать, именно эти разновидности сегодня и популярны.

В Набережных Челнах и Москве сегвей использует даже полиция. Во многих городах появились пункты проката, где можно на время стать обладателем двухколесной «самоходной коляски» или моноцикла. На рынке моноцикл может стоить до полумиллиона рублей, но за 20-30 тысяч вполне реально купить заполучить моноцикл, выдерживающий без подзарядки 15 километров.

Другой представитель современного электротранспорта - электромобиль. Будучи изобретен ещё раньше привычных нам авто, работающих на топливе, он все ещё остаётся символом будущего. Причин тому много: и экономия ресурсов, и экологичность, и независимость от конъюнктуры нефтяного рынка. Прокатиться на электромобиле сегодня проще всего, особенно для жителей Москвы и Санкт-Петербурга: достаточно обратиться в службу такси, в автопарке которой есть такие модели. В Яндекс.Такси, например, не так давно появился одним из наиболее совершенных электрокаров, Tesla Model S. Возможности его впечатляющие: буквально за несколько секунд он способен разогнаться до 100 км/ч, при этом ход практически бесшумен.

Самый инновационный транспорт, который известен россиянам - это, конечно, московский монорельс, «тринадцатая ветка метро». В полной мере он начал функционировать еще в 2008 году, но даже сейчас не все жители регионов о нём слышали. Будто сошедший с тех же ретрофутуристических вырезок из журналов, но адаптированный к реалиям, монорельс - любимец публики. Поражает воображение и расположение дороги - это эстакада, то есть путь поезда полностью проходит над Москвой. Маршрут проходит от станции «Тимирязевская» до улицы Сергея Эйзенштейна. Правда, в последнее время ведутся разговоры о демонтаже пути, хотя последним словом пока остается предложение сделать из него «туристический объект» . С окупаемостью, как выяснилось, у этой экспериментальной дороги возникли серьезные проблемы.

Вот так, преодолевая трудности современного устройства мира, будущее все-таки медленно приближается. Ждут ли нас в ближайшие десятилетия левитирующие авто каждому и будка для телепортации в каждом дворе? Вряд ли. Будет ли транспорт будущего похож на то, что мы себе можем представить? Тоже вряд ли. И не так уж это и плохо.