Всеросійська олімпіада з історії авіації та повітроплавання: Проблемні питання. Яким буде транспорт майбутнього? Історико-дослідницька робота на тему

Історико-дослідницька робота на тему

« Яке майбутнє у аерокосмічного транспорту?»

SpaceX- Дорога в майбутнє

Про історію та перспективи розвитку компаніїSpaceX

Науковий керівник:Гібатов Ільдар Рафісович, учитель історії МОБУ ЗОШ №2 с. Біжбуляк.

Гіпотеза дослідження:у майбутньому можна буде використовувати проекти SpaceX як універсальний аерокосмічний транспорт.

Мета роботи: з'ясувати, чи можна для розвитку аерокосмічного транспорту використовувати проекти Space X

Завдання:

Вивчити історію компанії;
Вивчити еволюцію ракетоносіїв SpaceX;
Вивчити перспективи проектів

Методи дослідження:

Вивчення та аналіз літератури та відповідних сайтів у мережі Інтернет;
Аналіз звітів підприємства;
Порівняння із вітчизняними ідеями.

Об'єкт дослідження:приватна космічна компанія Space Exploration Technologies

ПроектSpaceX.Історія проекту

Шляхом вивчення літератури та джерел у мережі Інтернет я дізнаюся про проект SpaceX, її засновника, історію створення компанії. У ході досліджень вивчаю її ракетоносії та наводжу їх технічні характеристики, розбираю причини невдалих запусків

Перспективи ракетоносіївSpaceX

Продовжуючи знайомитися зі SpaceX, я з'ясував, що наступним розвитком її ракет є РН Falcon Heavy - ракета надважкого класу, вона буде здатна доставити повністю завантажений космічний корабель Dragon на Марс або Юпітер. Також дізнаюся, що в ній буде використано унікальну систему перехресної подачі палива.

Двигуни, розроблені в компаніїSpaceX

Компанія SpaceX у своїх РН використовує двигуни власної розробки Merlin, що працюють за схемою відкритого циклу. Дана схема проста, надійна, і недорога у створенні та використанні, також це з великим доробком на майбутнє, сприяє використанню багаторазових систем. Наводжу порівняння тяги двигуна з іншими та їхню вартість, обчислюю тягоозброєність двигуна.

Reusable - багаторазовість

Досліджуючи ракетоносії та двигуни компанії, я дізнався про проект повертається першого ступеня ракетоносіїв компанії SpaceX. Я з'ясував, що у такий спосіб вартість запуску знижується на ~60%. І ці кошти компанія може вкласти у свої майбутні розробки та перспективи.

У 2004 році компанія почала розробляти корабель Dragon, свій перший політ він здійснив у грудні 2010 року. Унікальність Dragon полягає у можливості повертати вантажі з МКС на Землю, і це перший корабель, вироблений приватною компанією, який пристиковався до МКС. Дізнаюся, що у перспективі корабля є унікальна місія «Mars 2020».

Висновок

На основі всіх наведених матеріалів я дійшов висновку, що в майбутньому можна буде використовувати проект SpaceX для аерокосмічного транспорту.

Список використаної літератури

Ешлі Венс - Ілон Маск. Tesla, SpaceX та дорога в майбутнє. (Видавництво: Олімп-Бізнес; 2015 р.; ISBN 978-5-9693-0307-2, 978-0-06-230123-9, 978-59693-0330-0)
В.А. Афанасьєв - Експериментальне відпрацювання космічних літальних апаратів (Видавництво: М.: Изд-во МАІ.; 1994; ISBN: 5-7035-0318-3)
В. Максимовський - «Ангара-Байкал. Про розгінному ракетному модулі багаторазового використання»
Офіційний сайт SpaceX - http://spacex.com
Офіційний YouTube-канал SpaceX - https://goo.gl/w6x3gW
Матеріал з Вікіпедії - https://ua.wikipedia.org/wiki/SpaceX

Аерокосмічний транспорт майбутнього

Потужним поштовхом ракета вертикально піднімається зі стартового майданчика і йде вгору... Ця звична картина незабаром може канути в Лету. На зміну одноразовим космічним системам і «човникам» має прийти нове покоління апаратів - повітряно-космічні літаки, які матимуть здатність злітати і приземлятися горизонтально, подібно до звичайних авіалайнерів. Учасники міжнародного дослідницького проекту знайомлять читачів із деякими візуальними матеріалами, що ілюструють концепцію двоступінчастого аерокосмічного транспорту майбутнього

Подальший розвиток космонавтики визначається необхідністю інтенсивної експлуатації космічних станцій, розвитку систем глобального зв'язку та навігації, моніторингу навколишнього середовища у планетарному масштабі Для цих цілей у провідних країнах світу ведуться розробки повітряно-космічних літаків(ВКС) багаторазового використання, які дозволять суттєво знизити вартість доставки вантажів та людей на орбіту. Це будуть системи, що характеризуються можливостями, найбільш актуальні з яких такі: багаторазове використання для виведення на орбіту виробничих та науково-технічних вантажів із відносно невеликим проміжком часу між повторними вильотами; повернення аварійних та відпрацьованих конструкцій, що засмічують космос; порятунок екіпажів орбітальних станцій та космічних кораблів в аварійних ситуаціях; термінова розвідка районів стихійних лих та катастроф у будь-якій точці земної кулі.

У країнах із розвиненими авіаційно-космічними технологіями досягнуто великих успіхів у галузі високих швидкостей польоту, які визначають потенційну можливість створення широкого спектру гіперзвукових повітряно-реактивних літаків. Є всі підстави вважати, що в майбутньому пілотована авіація освоїть швидкості від чисел Маха M = 4-6 до M = 12-15 (поки що тримається рекорд M = 6,7, встановлений ще 1967 р. американським експериментальним літаком Х-15 з ракетним двигуном).

Якщо говорити про цивільної авіації, то освоєння високих швидкостей надзвичайно важливо задля інтенсифікації пасажирських перевезень і ділових зв'язків. Гіперзвукові пасажирські літакиз числом Маха 6 зможуть забезпечити маловтомну тривалість перельоту (не більше 4 годин) на міжнародних маршрутах з дальністю близько 10 тис. км, таких як Європа (Париж) – Південна Америка (Сан-Паулу), Європа (Лондон) – Індія, США ( Нью-Йорк) - Японія. Згадаймо, що час польоту надзвукового "Конкорду" від Нью-Йорка до Парижа становив близько 3 годин, а "Боїнг-747" витрачає на цьому маршруті близько 6,5 годин. Літаки майбутнього з числом Маха 10 за 4 години зможуть подолати 16-17 тис. км, здійснивши безпосадковий переліт, наприклад, США або Європи до Австралії.

Нові підходи

Для гіперзвукових літаків необхідні нові технології, зовсім відмінні від тих, які притаманні сучасним літакам і космічним апаратам, що вертикально злітають. Звичайно, ракетний двигун виробляє велику тягу, але він витрачає пальне у величезних кількостях, до того ж ракета має нести окислювач на борту. Тому використання ракет атмосфері обмежується короткочасними польотами.

СЛОВНИК АЕРОДИНАМІЧНИХ ТЕРМІНІВ

Число Маха– параметр, що характеризує, у скільки разів швидкість літального апарату (або газового потоку) більша за швидкість звуку
Гіперзвукова швидкість– нестрогий термін для позначення швидкості з числом Маха, що перевищує 4 5
Число Рейнольдса- Параметр, що характеризує співвідношення між силами інерції і силами в'язкості в потоці
Кут атаки– нахил площини крила до лінії польоту
Стрибок ущільнення (ударна хвиля)- Вузька область течії, в якій відбувається різке падіння швидкості надзвукового газового потоку, що призводить до стрибкоподібного збільшення щільності
Хвиля розрідження– область течії, в якій відбувається різке зменшення густини газового середовища

Прагнення вирішити ці складні технічні завдання призвело до розробки різних космічних концепцій транспортних систем. Принциповим напрямком, що активно досліджується провідними аерокосмічними фірмами світу, є одноступінчастий ВКС. Такий повітряно-космічний літак, злітаючи зі звичайного аеродрому, може забезпечити доставку на навколоземну орбіту корисного навантаження, що становить близько 3% від ваги. Інша концепція багаторазових систем – двоступінчасті апарати. У цьому випадку перший ступінь оснащується повітряно-реактивним двигуном, а другий - є орбітальним, і поділ сходинок здійснюється в діапазоні чисел Маха від 6 до 12 на висотах близько 30 км.

У 1980-1990 роках. проекти ВКС розроблялися США (NASP), Англії (HOTOL), ФРН (Snger), Франції (STS-2000, STAR-H), Росії (ВКС НДІ-1, «Спіраль», Ту-2000). У 1989 р. з ініціативи Німецького дослідницького товариства (DFG) розпочалися спільні дослідження трьох німецьких центрів: Рейн-Вестфальської технічної вищої школи в Ахені, Технічного університету Мюнхена та Університету Штутгарта. Ці центри, спонсоровані DFG, провели довгострокову програму досліджень, що включає вивчення фундаментальних питань, необхідних для проектування космічних транспортних систем, таких як загальна розробка, аеродинаміка, термодинаміка, механіка польоту, двигун, матеріали та ін. Значну частину робіт з експериментальної аеродинаміки було виконано в співробітництво з Інститутом теоретичної та прикладної механіки ім. С. А. Християновича СО РАН. Організація та координація всіх дослідних робітздійснювалися комітетом, який протягом десяти років очолював один із авторів цієї статті (Е. Краузе). Ми пропонуємо увазі читача ряд найбільш наочних візуальних матеріалів, що ілюструють деякі результати, отримані в рамках цього проекту в галузі аеродинаміки.

Двоступінчаста система ELAC-EOS

Для досліджень було запропоновано концепцію двоступінчастого аерокосмічного апарату (несучий ступінь називався німецькою ELAC, орбітальна – ЕОS). Паливо – рідкий водень. Передбачалося, що повномасштабна конфігурація ELAC матиме довжину 75 м, розмах крила – 38 м та великий кут стріловидності. При цьому довжина ступеня EOS становить 34 м, а розмах крила – 18 м. Орбітальний ступінь має еліптичну носову частину, центральний корпус з напівциліндричною верхньою стороною та один кіль у площині симетрії. На верхній поверхні першого ступеня є поглиблення, в якому розміщено орбітальний ступінь при наборі висоти. Хоча воно неглибоке, при гіперзвукових швидкостях під час поділу (M = 7) істотно впливає на характеристики потоку.

Для проведення теоретичних та експериментальних досліджень було спроектовано та виготовлено кілька моделей несучої та орбітальної ступенів у масштабі 1:150. Для випробувань при мінімальних швидкостях у німецько-голландській аеродинамічній трубі DNW була зроблена велика модель досліджуваної конфігурації в масштабі 1:12 (довжина понад 6 м, маса близько 1600 кг).

Візуалізація надзвуку

Політ зі надзвуковою швидкістюпредставляє для дослідника велику складність, оскільки супроводжується формуванням ударних хвиль, або стрибків ущільнення, А літальний апарат у такому польоті проходить кілька режимів обтікання (з різними локальними структурами), що супроводжуються зростанням теплових потоків.

Це завдання у проекті ELAC-EOS досліджувалося і експериментально, і чисельно. Більшість експериментів було проведено в аеродинамічній трубі T-313 ІТПМ СО РАН у Новосибірську. Число Маха потоку, що набігає, в цих експериментах змінювалося в діапазоні 2< М < 4, число Рейнольдса – 25 10 6 < Re < 56 10 6 , а кут атаки– у діапазоні – 3°< α < 10°. При этих параметрах измерялось распределение давлений, аэродинамические силы и моменты, а также выполнялась визуализация ліній струмуна поверхні моделі.

Отримані результати серед іншого ясно демонструють утворення вихорів на підвітряному боці. Панорамні картини течій на поверхні моделі візуалізувалися за допомогою покриття спеціальними рідинами або олійною сумішшю. У типовому прикладі маслосажевої візуалізаціївидно, як поверхневі лінії струму згортають всередину від передньої кромки крила і стікаються в лінію, орієнтовану приблизно у напрямку течії. Спостерігаються також інші лінії, спрямовані у бік центральної лінії моделі.

Ці чіткі сліди на підвітряному боці характеризують поперечний перебіг, тривимірну структуру якого можна спостерігати за допомогою метод лазерного ножа.Зі збільшенням кута атаки потік повітря перетікає з навітряної поверхні крила на підвітряну, формуючи складну вихрову систему. Зазначимо, що первинні вихори зі зниженим тиском в ядрі роблять позитивний внесок у підйомну силу апарату. Сам метод лазерного ножа заснований на фотографуванні когерентного випромінювання, розсіяного на твердих або рідких мікрочастинках, що вводяться в потік, розподіл концентрації яких обумовлюється структурою досліджуваних течій. Когерентне джерело світла формується у вигляді тонкої світлової площини, що, власне, і дало назву методу. Цікаво, що з метою забезпечення необхідної контрастності зображення дуже ефективними виявляються мікрочастинки звичайної води (туман).

ТІНІВИЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Ще 1867 р. німецький вчений А. Теплер запропонував метод виявлення оптичних неоднорідностей у прозорих середовищах, який досі не втратив актуальності у науці та техніці. Зокрема, він широко застосовується для дослідження розподілу густини повітряних потоків при обтіканні моделей літальних апаратів в аеродинамічних трубах.
Оптична схема однієї з реалізацій методу представлена малюнку. Пучок променів від щілинного джерела світла системою лінз спрямовується через об'єкт, що досліджується, і фокусується на кромці непрозорої ширми (так званий ніж Фуко). Якщо в об'єкті, що досліджується, немає оптичних неоднорідностей, то всі промені затримуються ножем. За наявності неоднорідностей промені розсіюватимуться, і частина їх, відхилившись, пройде вище кромки ножа. Поставивши за площиною ножа Фуко проекційний об'єктив, можна спроектувати промені на екран (направити у фотокамеру) і отримати зображення неоднорідностей.
Розглянута найпростіша схема дозволяє візуалізувати градієнти щільності середовища, перпендикулярні кромці ножа, градієнти щільності по іншій координаті призводять до зміщення зображення вздовж кромки і не змінюють освітленості екрану. Існують різні модифікації методу теплера. Наприклад, замість ножа встановлюється оптичний фільтр, що складається з паралельних смужок різних кольорів. Або використовується кругла діафрагма із кольоровими секторами. У цьому випадку за відсутності неоднорідностей промені з різних точок проходять через те саме місце діафрагми, тому все поле пофарбоване в один колір. Поява неоднорідностей обумовлює відхилення променів, що проходять через різні сектори, і зображення точок з різним відхиленням світла забарвлюються у відповідні кольори.

За певних умов ядра вихорів можуть руйнуватися, що зменшує підйомну силу крила. Цей процес, званий зривом вихору, розвивається на кшталт «міхур» або «спіраль», візуальні відмінності між якими демонструє фотографія, зроблена за допомогою упорскування флуоресцентної фарби. Зазвичай пухирцевий режим зриву вихору передує розпаду за спіральним типом.

Корисну інформаціюпро спектри надзвукового обтікання літальних апаратів дає тіньовий метод Теплера. З його допомогою візуалізуються неоднорідності в газових потоках, при цьому особливо добре видно стрибки ущільнення та хвилі розрідження.

Поділ сходів

Поділ несучої та орбітальної ступенів – одне з найважчих завдань, розглянутих у ході роботи над проектом ELAC-EOS. З метою безпеки маневрування цей етап польоту потребує особливо ретельного вивчення. Численні дослідження різних фаз були проведені в центрі SFB 255 при Технічному університеті Мюнхена, а вся експериментальна робота виконана в Інституті теоретичної та прикладної механіки СО РАН. Випробування в надзвуковій аеродинамічній трубі T-313 включали візуалізацію обтікання повної конфігурації і вимірювання аеродинамічних характеристик і поверхневих тисків в процесі розділення ступенів.

Модель нижнього ступеня ELAC 1C відрізнялася від первісного варіанта ELAC 1 відсіком невеликої глибини, в якому має розташовуватися орбітальний ступінь під час зльоту та набору висоти. Комп'ютерне моделювання проводилося при числі Маха потоку, що набігає, М = 4,04, числі Рейнольдса Re = 9,6 10 6 і нульовому куті атаки моделі EOS.

Спостерігалася гарна згода між розрахунковими та експериментальними даними, що підтверджує надійність чисельного рішення під час прогнозування гіперзвукових течій. Приклад розрахункової картини розподілу чисел Маха (швидкостей) у потоці під час поділу представлений на цій сторінці. На обох щаблях видно стрибки ущільнення та локальні розрідження. У задній частині конфігурації ELAC 1C насправді розрідження не буде, оскільки там розміститься гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний двигун.

Загалом можна сказати, що дослідження аеродинамічної концепції двоступінчастої системи ELAC-EOS, ініційовані Німецьким дослідницьким суспільством DFG, виявилися успішними. В результаті великого комплексу теоретичних та експериментальних робіт, у яких брали участь наукові центри Європи, Азії, Америки та Австралії, було виконано повний розрахунок конфігурації, здатної до горизонтального зльоту та посадки в стандартному аеропорту, вирішено аеродинамічні завдання польоту з низькими, надзвуковими та особливо гіперзвуковими швидкостями .

В даний час ясно, що створення перспективного аерокосмічного транспорту вимагає ще детальних досліджень з розробки гіперзвукових повітряно-реактивних двигунів, що надійно працюють у широкому діапазоні швидкостей польоту, високоточних систем управління процесами поділу щаблів та посадки орбітального модуля, нових високотемпературних матеріалів тощо. Вирішення всіх цих складних науково-технічних завдань неможливе без об'єднання зусиль учених різних країн. І досвід цього проекту лише підтверджує: довготривале Міжнародна співпрацястає невід'ємним елементом аерокосмічних досліджень.

Література

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. Новосібірськ. 2000. V. 1. P. 53.

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

Бродецький М.Д., Краузе Еге., Никифоров С.Б. та ін // ПМТФ. 2001. Т. 42. С. 68.

Сучасні технології та відкриття виводять освоєння космосу на зовсім інший рівень, проте міжзоряні перельоти поки що залишаються мрією. Але чи так вона нереальна та недосяжна? Що ми можемо вже зараз і чого чекати у найближчому майбутньому?

11.10.2011, ВТ, 17:27, Мск

Телескопа "Кеплер" астрономи виявили 54 екзопланети, що потенційно живуть. Ці далекі світи перебувають у населеній зоні, тобто. на певній відстані від центральної зірки, що дозволяє підтримувати на поверхні планети воду рідкому вигляді.

Однак відповідь на головне питання, чи самотні ми у Всесвіті, отримати важко - через величезну дистанцію, що розділяє Сонячну систему і наших найближчих сусідів. Наприклад, «перспективна» планета Gliese 581g знаходиться на відстані 20 світлових років – це досить близько за космічними мірками, але поки що занадто далеко для земних інструментів.

Величезна кількість екзопланет у радіусі 100 і менше світлових років від Землі і величезний науковий і навіть цивілізаційний інтерес, які вони представляють для людства, змушують по-новому глянути на досі фантастичну ідею міжзоряних перельотів.

Найближчі до нашої Сонячної системи зірки

Політ до інших зірок – це, зрозуміло, питання технологій. Більше того, існує кілька можливостей для досягнення такої далекої мети, і вибір на користь того чи іншого способу ще не зроблено.

Дорогу безпілотникам

Людство вже відправляло до космосу міжзоряні апарати: зонди Pioneer та Voyager. В даний час вони покинули межі Сонячної системи, проте їх швидкість не дозволяє говорити про якесь швидке досягнення мети. Так, Voyager 1, що рухається зі швидкістю близько 17 км/с, навіть до найближчої до нас зірки Проксима Центавра (4,2 світлового року) летітиме неймовірно довгий термін - 17 тисяч років.

Очевидно, що із сучасними ракетними двигунами ми нікуди далі Сонячної системи не виберемося: для транспортування 1 кг вантажу навіть до недалекої Проксіми Центавру потрібні десятки тисяч тонн палива. При цьому зі зростанням маси корабля збільшується кількість необхідного палива, і для транспортування потрібне додаткове пальне. Замкнене коло, що ставить хрест на баках з хімічним паливом - будівництво космічного судна вагою в мільярди тонн є абсолютно неймовірною витівкою. Прості обчислення за формулою Ціолковського демонструють, що для прискорення космічних апаратів з ракетним двигуном на хімічному паливі до швидкості приблизно 10% швидкості світла потрібно більше пального, ніж доступно у відомому всесвіті.

Реакція термоядерного синтезу виробляє енергії на одиницю маси загалом у мільйон разів більше, ніж хімічні процеси згоряння. Саме тому в 1970-х роках НАСА звернули увагу на можливість застосування термоядерних ракетних двигунів. Проект безпілотного космічного корабля Дедал передбачав створення двигуна, в якому невеликі гранули термоядерного палива подаватимуться в камеру згоряння і підпалюватимуться пучками електронів. Продукти термоядерної реакції вилітають із сопла двигуна і надають прискорення кораблю.

Космічний корабель Дедал у порівнянні з хмарочосом Емпайр Стейт Білдінг

Дедал мав взяти на борт 50 тис. тонн паливних гранул діаметром 40 та 20 мм. Гранули складаються з ядра з дейтерієм та тритієм та оболонки з гелію-3. Останній становить лише 10-15 % маси паливної гранули, але, власне, і є паливом. Гелія-3 у надлишку на Місяці, а дейтерій широко використовується в атомної промисловості. Дейтерієве ядро служить детонатором для запалення реакції синтезу і провокує потужну реакцію з викидом реактивного плазмового струменя, який управляється потужним магнітним полем. Основна молібденова камера згоряння двигуна Дедала повинна була мати вагу понад 218 тонн, камера другого ступеня – 25 тонн. Магнітні надпровідні котушки теж під стать величезному реактору: перша вагою 124,7 т, а друга - 43,6 т. Для порівняння: суха маса шатлу менше 100 т.

Політ Дедала планувався двоетапним: двигун першого ступеня мав пропрацювати понад 2 роки та спалити 16 млрд паливних гранул. Після відділення першого ступеня майже два роки працював двигун другого ступеня. Таким чином, за 3,81 року безперервного прискорення Дедал досяг би максимальної швидкості 12,2% швидкості світла. Відстань до зірки Барнарда (5,96 світлових років) такий корабель подолає за 50 років і зможе, пролітаючи крізь далеку зіркову систему, передати радіозв'язку на Землю результати своїх спостережень. Таким чином, вся місія триватиме близько 56 років.

Тор Стенфорда – колосальна споруда з цілими містами всередині обода

Незважаючи на великі складності із забезпеченням надійності численних систем Дедала та його величезною вартістю, цей проект реалізуємо на сучасному рівні технологій. Більше того, 2009 року команда ентузіастів відродила роботу над проектом термоядерного корабля. В даний час проект Ікар включає 20 наукових тем з теоретичної розробки систем та матеріалів міжзоряного корабля.

Таким чином, вже сьогодні можливі безпілотні міжзоряні польоти на відстань до 10 світлових років, які займуть близько 100 років польоту, плюс час на подорож радіосигналу назад на Землю. У цей радіус укладаються зіркові системи Альфа Центавра, Зірка Барнарда, Сіріус, Епсілон Ерідана, UV Кита, Росс 154 та 248, CN Лева, WISE 1541-2250. Як бачимо, поруч із Землею достатньо об'єктів для вивчення за допомогою безпілотних місій. Але якщо роботи знайдуть щось справді незвичайне та унікальне, наприклад, складну біосферу? Чи зможе вирушити до далеких планет експедиція за участю людей?

Політ довжиною у життя

Якщо безпілотний корабель ми можемо починати будувати вже сьогодні, то з пілотованими справи складніші. Насамперед гостро стоїть питання часу польоту. Візьмемо ту саму зірку Барнарда. До пілотованого польоту космонавтів доведеться готувати зі шкільної лави, оскільки навіть якщо старт із Землі відбудеться в їхнє 20-річчя, то цілі польоту корабель досягне до 70-річчя або навіть 100-річчя (з огляду на необхідність гальмування, в якому немає потреби в безпілотному польоті) . Підбір екіпажу в юнацькому віці загрожує психологічною несумісністю та міжособистісними конфліктами, а вік у 100 не дає надію на плідну роботу на поверхні планети та на повернення додому.

Проте чи є сенс повертатися? Численні дослідження НАСА призводять до невтішного висновку: тривале перебування у невагомості незворотно зруйнує здоров'я космонавтів. Так, робота професора біології Роберта Фіттса з космонавтами МКС показує, що навіть незважаючи на активні фізичні вправи на борту космічного корабля, після трирічної місії на Марс великі м'язи, наприклад литкові, стануть на 50% слабшими. Аналогічно знижується і мінеральна щільність кісткової тканини. В результаті працездатність і виживання в екстремальних ситуаціях зменшується в рази, а період адаптації до нормальної тяжкості складе не менше року. А політ у невагомості протягом десятків років поставить під питання самі життя космонавтів. Можливо, людський організм зможе відновитися, наприклад, у процесі гальмування з гравітацією, що поступово наростає. Проте ризик загибелі все одно занадто високий і потребує радикального вирішення.

Складною залишається проблема радіації. Навіть поблизу Землі (на борту МКС) космонавти перебувають не більше ніж півроку через небезпеку радіаційного опромінення. Міжпланетний корабель доведеться оснастити важким захистом, але при цьому залишається питання впливу радіації на організм людини. Зокрема, на ризик онкологічних захворювань, розвиток яких у невагомості практично не вивчений. На початку цього року вчений Красимир Іванов із Німецького аерокосмічного центру в Кельні опублікував результати цікавого дослідження поведінки клітин меланоми (найнебезпечнішої форми раку шкіри) у невагомості. Порівняно з раковими клітинами, вирощеними при нормальній силі тяжкості, клітини, що провели у невагомості 6 та 24 години, менш схильні до метастазів. Це начебто хороша новина, але лише на перший погляд. Справа в тому, що такий «космічний» рак здатний перебувати в стані спокою десятиліття і несподівано масштабно поширюватися при порушенні роботи імунної системи. Крім цього, дослідження дає зрозуміти, що ми ще мало знаємо про реакцію організму людини на тривале перебування в космосі. Сьогодні космонавти, здорові сильні люди, проводять там дуже мало часу, щоб переносити їхній досвід на тривалий міжзоряний переліт.

Проект Біосфера-2 починався з красивої, ретельно підібраної екосистеми, що пахне здоров'ям.

На жаль, вирішити проблему невагомості на міжзоряному кораблі непросто. Доступна можливість створення штучної сили тяжіння за допомогою обертання житлового модуля має ряд складнощів. Щоб створити земну гравітацію, навіть колесо діаметром 200 м доведеться крутити зі швидкістю 3 обороти на хвилину. При такому швидкому обертанні сила Каріоліса створюватиме абсолютно непереносні для вестибулярного апарату людини навантаження, викликаючи нудоту та гострі напади морської хвороби. Єдине вирішення цієї проблеми – Тор Стенфорда, розроблений вченими Стенфордського університету у 1975 році. Це – величезне кільце діаметром 1,8 км, у якому могли б жити 10 тис. космонавтів. Завдяки своїм розмірам воно забезпечує силу тяжкості на рівні 0.9-1,0 g та цілком комфортне проживання людей. Однак навіть на швидкості обертання нижче, ніж один оберт за хвилину, люди все одно відчуватимуть легкий, але відчутний дискомфорт. При цьому якщо подібний гігантський житловий відсік буде побудований, навіть невеликі зрушення у розважуванні тора вплинуть на швидкість обертання та викличуть коливання всієї конструкції.

…а закінчився екологічною катастрофою

У будь-якому випадку корабель на 10 тис. чоловік – сумнівна витівка. Для створення надійної екосистеми для такого числа людей потрібна величезна кількість рослин, 60 тис. курей, 30 тис. кроликів та стадо великої рогатої худоби. Тільки це може забезпечити дієту на рівні 2400 калорій на день. Проте, всі експерименти зі створення таких замкнутих екосистем незмінно закінчуються провалом. Так, у ході найбільшого експерименту «Біосфера-2» компанії Space Biosphere Ventures було збудовано мережу герметичних будівель загальною площею 1,5 га з 3 тис. видами рослин та тварин. Вся екосистема повинна була стати маленькою «планетою», що самопідтримується, в якій жили 8 осіб. Експеримент тривав 2 роки, але вже після кількох тижнів почалися серйозні проблеми: мікроорганізми та комахи стали неконтрольовано розмножуватися, споживаючи кисень і рослини в занадто великій кількості, також виявилося, що без вітру рослини стали дуже крихкими. Внаслідок локальної екологічної катастрофи люди почали втрачати вагу, кількість кисню знизилася з 21% до 15%, і вченим довелося порушити умови експерименту та постачати восьмерим «космонавтам» кисень та продукти.

Таким чином, створення складних екосистем є помилковим і небезпечним шляхом забезпечення екіпажу міжзоряного корабля киснем та харчуванням. Для вирішення цієї проблеми знадобляться спеціально сконструйовані організми зі зміненими генами, здатні харчуватися світлом, відходами та простими речовинами. Наприклад, великі сучасні цехи виробництва харчової водорості хлорели можуть виробляти до 40 т суспензії на добу. Один повністю автономний біореактор вагою кілька тонн може виробляти до 300 л суспензії хлорели на добу, чого достатньо для харчування екіпажу в кілька десятків людей. Генетично модифікована хлорела могла б не лише задовольняти потреби екіпажу в поживних речовинах, а й переробляти відходи, включаючи вуглекислий газ. Сьогодні процес генетичного інжинірингу мікроводоростей став звичайною справою, і існують численні зразки, розроблені для очищення стічних вод, вироблення біопалива тощо.

Заморожений сон

Майже всі перераховані вище проблеми пілотованого міжзоряного польоту могла б вирішити одна дуже перспективна технологія - анабіоз або як його ще називають кріостазис. Анабіоз – це уповільнення процесів життєдіяльності людини як мінімум у кілька разів. Якщо вдасться занурити людину в таку штучну летаргію, що уповільнює обмін речовин у 10 разів, то за 100-річний політ він постаріє уві сні лише на 10 років. При цьому полегшується вирішення проблем харчування, постачання кисню, психічних розладів, руйнування організму внаслідок впливу невагомості. Крім того, захистити відсік з анабіозними камерами від мікрометеоритів і радіації простіше, ніж зону великого об'єму.

На жаль, уповільнення процесів життєдіяльності людини – це надзвичайно складне завдання. Але в природі існують організми, здатні впадати в сплячку та збільшувати тривалість свого життя у сотні разів. Наприклад, невелика ящірка під назвою сибірський кутазуб здатна впадати в сплячку в лихоліття і десятиліттями залишатися в живих, навіть будучи вмороженою в брилу льоду з температурою мінус 35-40°С. Відомі випадки, коли вуглезуби проводили в сплячці близько 100 років і, як ні в чому не бувало, відтавали і тікали від здивованих дослідників. При цьому звичайна "безперервна" тривалість життя ящірки не перевищує 13 років. Дивовижна здатність вуглезуба пояснюється тим, що його печінка синтезує велику кількість гліцерину, майже 40% від ваги тіла, що захищає клітини від низьких температур.

Біореактор для вирощування генетично модифікованих мікроводоростей та інших мікроорганізмів може вирішити проблему харчування та переробки відходів

Головна перешкода для занурення людини в кріостазис – вода, з якої на 70% складається тіло. При замерзанні вона перетворюється на кристалики льоду, збільшуючись обсягом на 10%, через що розривається клітинна мембрана. Крім того, у міру замерзання розчинені всередині клітини речовини мігрують у воду, що залишилася, порушуючи внутрішньоклітинні іонообмінні процеси, а також організацію білків та інших міжклітинних структур. Загалом, руйнування клітин під час замерзання унеможливлює повернення людини до життя.

Однак існує перспективний шлях вирішення цієї проблеми – клатратні гідрати. Вони були виявлені в далекому 1810, коли британський вчений сер Хемфрі Деві подав у воду хлор під високим тиском і став свідком утворення твердих структур. Це і були клатратні гідрати – одна з форм водяного льоду, до якого включено сторонній газ. На відміну від кристалів льоду, клатратні ґрати менш тверді, не мають гострих граней, зате мають порожнини, в які можуть «сховатися» внутрішньоклітинні речовини. Технологія клатратного анабіозу була б проста: інертний газ, наприклад, ксенон або аргон, температура трохи нижче за нуль, і клітинний метаболізм починає поступово сповільнюватися, поки людина не впадає в кріостазис. На жаль, для утворення клатратних гідратів потрібен високий тиск (близько 8 атмосфер) та дуже висока концентрація газу, розчиненого у воді. Як створити такі умови в живому організмі, поки що невідомо, хоча деякі успіхи в цій галузі є. Так, клатрати здатні захистити тканини серцевого м'яза від руйнування мітохондрій навіть за кріогенних температур (нижче 100 градусів Цельсія), а також запобігти пошкодженню клітинних мембран. Про експерименти з клатратного анабіозу на людях поки не йдеться, оскільки комерційний попит на технології кріостази невеликий і дослідження на цю тему проводяться в основному невеликими компаніями, що пропонують послуги з заморожування тіл померлих.

Політ воднем

У 1960 році фізик Роберт Бассард запропонував оригінальну концепцію прямоточного термоядерного двигуна, який вирішує багато проблем міжзоряного перельоту. Суть полягає у використанні водню та міжзоряного пилу, присутніх у космічному просторі. Космічний корабель з таким двигуном спочатку розганяється на власному паливі, а потім розгортає величезну, діаметром тисячі кілометрів вирву магнітного поля, яке захоплює водень із космічного простору. Цей водень використовується як невичерпне джерело палива для термоядерного ракетного двигуна.

Застосування двигуна Бассарда обіцяє величезні переваги. Насамперед за рахунок «дармового» палива є можливість рухатися з постійним прискоренням у 1 g, а отже – відпадають усі проблеми, пов'язані з невагомістю. Крім того, двигун дозволяє розігнатися до величезної швидкості - в 50% від швидкості світла і навіть більше. Теоретично, рухаючись із прискоренням в 1 g, відстань у 10 світлових років корабель із двигуном Бассарда може подолати приблизно за 12 земних років, причому для екіпажу через релятивістські ефекти пройшло б лише 5 років корабельного часу.

На жаль, на шляху створення корабля з двигуном Бассарда стоїть низка серйозних проблем, які не можна вирішити на сучасному рівні технологій. Насамперед необхідно створити гігантську та надійну пастку для водню, що генерує магнітні поля гігантської сили. При цьому вона повинна забезпечувати мінімальні втрати та ефективне транспортування водню до термоядерного реактора. Сам процес термоядерної реакції перетворення чотирьох атомів водню на атом гелію, запропонований Бассардом, викликає чимало питань. Справа в тому, що ця найпростіша реакція важко здійснити у прямоточному реакторі, оскільки вона занадто повільно йде і, в принципі, можлива лише всередині зірок.

Однак прогрес у вивченні термоядерного синтезу дозволяє сподіватися, що проблема може бути вирішена, наприклад, використанням «екзотичних» ізотопів та антиматерії як каталізатор реакції.

Сибірський кута зуб може впадати в анабіоз на десятиліття

Поки дослідження на тему двигуна Бассарда лежать виключно в теоретичній площині. Потрібні розрахунки, що базуються на реальних технологіях. Насамперед, потрібно розробити двигун, здатний виробити енергію, достатню для живлення магнітної пастки та підтримки термоядерної реакції, виробництва антиматерії та подолання опору міжзоряного середовища, яке гальмуватиме величезне електромагнітне «вітрило».

Антиматерія на допомогу

Можливо, це звучить дивно, але сьогодні людство ближче до створення двигуна, що працює на антиматерії, ніж до інтуїтивно зрозумілого та простого на перший погляд прямоточного двигуна Бассарда.

Термоядерний реактор на дейтерії та тритії може генерувати 6х1011 Дж на 1 г водню – виглядає переконливо, особливо якщо врахувати, що це в 10 мільйонів разів більш ефективно, ніж хімічні ракети. Реакція матерії та антиматерії виробляє приблизно на два порядки більше енергії. Коли йдеться про анігіляцію, розрахунки вченого Марка Мілліса та плід його 27-річної праці не виглядають такими вже й пригнічуючими: Мілліс розрахував витрати енергії на запуск космічного корабля до Альфи Центавра і з'ясував, що вони становитимуть 10 18 Дж, тобто. Майже річне споживання електрики всім людством. Але це лише один кілограм антиречовини.

Зонд розробки Hbar Technologies матиме тонке вітрило з вуглецевого волокна, покритого ураном 238. Врізаючись у вітрило, антиводень анігілюватиме і створює реактивну тягу

Через війну анігіляції водню і антиводню утворюється потужний потік фотонів, швидкість закінчення якого сягає максимуму ракетного двигуна, тобто. швидкість світла. Це ідеальний показник, що дозволяє досягти дуже високих навколосвітніх швидкостей польоту космічного корабля з фотонним двигуном. На жаль, застосувати антиматерію як ракетне паливо дуже непросто, оскільки під час анігіляції відбуваються спалахи найпотужнішого гамма-випромінювання, яке вб'є космонавтів. Також поки що не існує технологій зберігання великої кількості антиречовини, та й сам факт накопичення тонн антиматерії, навіть у космосі далеко від Землі, є серйозною загрозою, оскільки анігіляція навіть одного кілограма антиматерії еквівалентна ядерному вибуху потужністю 43 мегатонни (вибух такої сили здатний перетворити на території США). Вартість антиречовини є ще одним фактором, що ускладнює міжзоряний політ фотонної тяги. Сучасні технології виробництва антиречовини дозволяють виготовити один грам антиводню за ціною десяток трильйонів доларів.

Проте великі проекти дослідження антиматерії приносять свої плоди. В даний час створені спеціальні сховища позитронів, "магнітні пляшки", що є охолоджені рідким гелієм ємності зі стінками з магнітних полів. У червні цього року вченим ЦЕРНу вдалося зберегти атоми антиводню протягом 2000 секунд. В Університеті Каліфорнії (США) будується найбільше у світі сховище антиречовини, в якому можна буде накопичувати більше трильйона позитронів. Однією з цілей вчених Каліфорнійського університету є створення переносних ємностей для антиречовини, які можна використовувати в наукових цілях далеко від великих прискорювачів. Цей проект користується підтримкою Пентагону, який зацікавлений у військовому застосуванні антиматерії, тому найбільший у світі масив магнітних пляшок навряд чи відчуватиме брак фінансування.

Сучасні прискорювачі зможуть зробити один грам антиводню за кілька сотень років. Це дуже довго, тому єдиний вихід: розробити нову технологіювиробництва антиматерії або об'єднати зусилля всіх країн нашої планети. Але навіть у цьому випадку за сучасних технологій годі й мріяти про виробництво десятків тонн антиматерії для міжзоряного пілотованого польоту.

Проте все не так вже й сумно. Фахівці НАСА розробили кілька проектів космічних апаратів, які могли б вирушити в глибокий космос, маючи лише один мікрограм антиречовини. У НАСА вважають, що вдосконалення обладнання дозволить виробляти антипротони за ціною приблизно 5 млрд. дол. за 1 грам.

Американська компанія Hbar Technologies за підтримки НАСА розробляє концепцію безпілотних зондів, що рухаються двигуном, що працює на антиводні. Першою метою цього проекту є створення безпілотного космічного апарату, який зміг би менш ніж за 10 років долетіти до пояса Койпера на околиці Сонячної системи. Сьогодні долетіти до таких віддалених точок за 5-7 років неможливо, зокрема, зонд НАСА New Horizons пролетить крізь пояс Койпера через 15 років після запуску.

Зонд, що долає відстань у 250 а. за 10 років, буде дуже маленьким, з корисним навантаженням всього 10 мг, але йому і антиводню потрібно трохи - 30 мг. Теватрон виробить таку кількість за кілька десятиліть і вчені змогли б протестувати концепцію нового двигуна в ході реальної космічної місії.

Попередні розрахунки також показують, що таким чином можна надіслати невеликий зонд до Альфи Центавра. На одному грамі антиводню він долетить до далекої зірки за 40 років.

Може здатися, що все вищезгадане - фантастика і не має відношення до найближчого майбутнього. На щастя, це не так. Поки увага громадськості прикута до світових криз, провалів поп-зірок та інших актуальних подій, залишаються в тіні епохальні ініціативи. Космічне агентство НАСА запустило грандіозний проект 100 Year Starship, який передбачає поетапне та багаторічне створення наукового та технологічного фундаменту для міжпланетних та міжзоряних польотів. Ця програма не має аналогів в історії людства і має залучити вчених, інженерів та ентузіастів інших професій з усього світу. З 30 вересня до 2 жовтня 2011 року в Орландо (штат Флорида) відбудеться симпозіум, на якому обговорюватимуться різні технології космічних польотів. На підставі результатів таких заходів фахівці НАСА розроблятимуть бізнес-план надання допомоги. певним галузямта компаніям, які розробляють поки що відсутні, але необхідні для майбутнього міжзоряного перельоту технології. Якщо амбітна програма НАСА увінчається успіхом, вже через 100 років людство буде здатне побудувати міжзоряний корабель, а Сонячною системою ми переміщатимемося з такою ж легкістю, як сьогодні перелітаємо з материка на материк.

Михайло Левкевич

Роздрукувати

ГОРИЗОНТИ НАУКИ

Аерокосмічний

транспорт до V Л VI11Р ДП

Потужним поштовхом ракета вертикально піднімається зі стартового майданчика і йде вгору... Ця звична з 1960-х років. картина незабаром може канути в Лету. На зміну одноразовим космічним системам і «човникам» має прийти нове покоління апаратів - повітряно-космічні літаки, які володітимуть здатністю злітати і приземлятися горизонтально, подібно до звичайних авіалайнерів

Ч-. , "Л * "-, (/

3. КРАУЗІ. А. М. ХАРІТОНОВ

КРАУЗЕ Егон – заслужений професор, СП 973 по 1998 рр. - директор Аеродинамічного інституту Рейн-Вестфапської технічної вищої школи (ГОАШ^" (Ах^н, Німеччина). Лауреат премії Товариства Макса Дланка, почний доктор Сибірського відділення РАН ~

XAPMTOHCJP Анатолій. Михайлович - доктор технічних наук, профессІглабний науковий співробітник Інституту теоретичної та прикладної механіки ім. С. А. Християновича СО РАН (Новосибірськ). Заслужений діяч науки РФ, лауреат премії Ради Міністрів СРСР (1985). Автор та співавтор близько 150 наукових праць та 2 патентів

Багаторазове використання для виведення на орбіту виробничих та науково-технічних вантажів із відносно невеликим проміжком часу між повторними вильотами;

Повернення аварійних та відпрацьованих конструкцій, що засмічують космос;

Порятунок екіпажів орбітальних станцій та космічних кораблів в аварійних ситуаціях;

Термінова розвідка районів стихійних лих та катастроф у будь-якій точці земної кулі.

У країнах із розвиненими авіаційно-космічними

технологіями досягнуто великих успіхів у галузі високих швидкостей польоту, які визначають потенційну можливість створення широкого спектру гіперзвукових повітряно-реактивних літаків. Є всі підстави вважати, що у майбутньому пілотована авіація освоїть швидкості від чисел Маха М = 4-6 до М = 12-15 (поки що тримається рекорд М = 6,7, встановлений ще 1967 р. американським експериментальним літаком Х-15 з ракетним двигуном).

Якщо говорити про цивільну авіацію, то освоєння великих швидкостей надзвичайно важливе для інтенсифікації пасажирських перевезень та ділових зв'язків. Гіперзвукові пасажирські літаки з числом Маха 6 зможуть забезпечити маловтомну тривалість перельоту (не більше 4 годин) на міжнародних маршрутах з дальністю близько 10 тис. км, таких як Європа (Париж) – Південна Америка (Сан-Паулу), Європа (Лондон) – Індія. , США (Нью-Йорк) - Японія Згадаймо, що час польоту надзвукового "Конкорду" від Нью-Йорка до Парижа становив близько 3 годин, а "Боїнг-747" витрачає на цьому маршруті близько 6,5 годин. Літаки майбутнього з числом Маха 10

СЛОВНИК АЕРОДИНАМІЧНИХ ТЕРМІНІВ

Число Маха - параметр, що характеризує, у скільки разів швидкість літального апарату (або газового потоку) більше швидкості звуку потоці

Кут атаки - нахил площини крила до лінії польоту Стрибок ущільнення (ударна хвиля) - вузька область течії, в якій відбувається різке падіння швидкості надзвукового газового потоку, що призводить до стрибкоподібного збільшення щільності. Хвиля розрідження - область течії, в якій відбувається різке зменшення щільності газового середовища

Схема моделі двоступінчастої аерокосмічної системи Е1_АС-ЕОЕ. Ці апарати будуть злітати і сідати горизонтально, подібно до звичайних літаків. Передбачається, що довжина повномасштабної конфігурації становитиме 75 м, а розмах крила - 38 м. По: (Рейбл, Якобе, 2005)

за 4 години зможуть подолати 16-17 тис. км, здійснивши безпосадковий переліт, наприклад, із США чи Європи до Австралії.

ГТайа маоТай

Для гіперзвукових літаків необхідні нові технології, зовсім відмінні від тих, які притаманні сучасним літакам і космічним апаратам, що вертикально злітають. Звісно, ракетний

двигун виробляє велику тягу, але він витрачає пальне у величезних кількостях, і до того ж ракета повинна нести окислювач на борту. Тому використання ракет атмосфері обмежується короткочасними польотами.

Прагнення вирішити ці складні технічні завдання спричинило розробку різних концепцій космічних транспортних систем. Принциповим напрямком, який активно досліджується провідними аерокосмічними фірмами світу, є одноступінчастий КС. Такий повітряно-космічний літак, злітаючи зі звичайного аеродрому, може забезпечити доставку на навколоземну орбіту корисного навантаження, що становить близько 3% від ваги. Інша концепція багаторазових систем – двоступінчасті апарати. У цьому випадку перший ступінь оснащується повітряно-реактивним двигуном, а другий - є орбітальним, і поділ щаблів здійснюється в діапазоні чисел Маха від 6 до 12 на висотах близько 30 км.

У 1980-1990 роках. проекти ВКС розроблялися США (NASP), Англії (HOTOL), ФРН (Sänger), Франції (STS-2000, STAR-H), Росії (ВКС НДІ-1, «Спіраль», Ту-2000). У 1989 р. з ініціативи Німецького дослідницького товариства (DFG) розпочалися спільні дослідження трьох німецьких центрів:

Рейн-Вестфальської технічної вищої школи в Ахені, Технічного університету Мюнхена та Університету Штутгарта. Ці центри, спонсоровані DFG, провели довгострокову програму досліджень, що включає вивчення фундаментальних питань, необхідних для проектування космічних транспортних систем, таких як загальна розробка, аеродинаміка, термодинаміка, механіка польоту, двигун, матеріали та ін. Значну частину робіт з експериментальної аеродинаміки було виконано в співробітництво з Інститутом теоретичної та прикладної механіки ім. С. А. Християновича СО РАН. Організація та координація всіх досліджень здійснювалися комітетом, який протягом десяти років очолював один з авторів цієї статті (Е. Краузе). Ми пропонуємо увазі читача ряд найбільш наочних візуальних матеріалів, що ілюструють деякі результати, отримані в рамках цього проекту в галузі аеродинаміки.

Політ двоступінчастої системи ELAC-EOS повинен охоплювати найширший діапазон швидкостей: від подолання звукового бар'єру (М = 1) до відділення орбітального ступеня (М = 7) та виходу її на навколоземну орбіту (М = 25). За: (Рейбл, Якобе, 2005)

Звуковий бар'єр Число Маха

ГОРИЗОНТИ НАУКИ

Велика модель ELAC 1 (довжиною понад 6 м) у робочій частині німецько-голландської аеродинамічної труби DNW малих швидкостей. За: (Рейбл, Якобе, 2005)

Aaóóñóó"i áí^áóáy ñeñóálá ELAC-EOS

Для досліджень була запропонована концепція двоступінчастого аерокосмічного апарату (несучий ступінь називався німецькою ELAC, орбітальна - EOS). Паливо – рідкий водень. Передбачалося, що повномасштабна конфігурація ELAC матиме довжину 75 м, розмах крила – 38 м та великий г/гол стріловидності. При цьому довжина ступеня EOS становить 34 м, а розмах крила - 18 м. Орбітальний ступінь має еліптичну носову частину, центральний корпус з напівциліндричною верхньою стороною та один кіль у площині симетрії. На верхній поверхні першого ступеня є поглиблення, в якому розміщено орбітальний ступінь при наборі висоти. Хоча воно неглибоке, при гіперзвукових швидкостях під час поділу (М = 7) істотно впливає на характеристики потоку.

Aegóáeegáóey ñaáSógaóeá

Політ із надзвуковою швидкістю становить для дослідника велику складність, оскільки супроводжується формуванням ударних хвиль, або стрибків ущільнення, а літальний апарат у такому польоті проходить кілька режимів обтікання (з різними локальними структурами), що супроводжуються зростанням теплових потоків.

Це завдання у проекті ELAC-EOS досліджувалося і експериментально, і чисельно. Більшість експериментів було проведено в аеродинами-

Олійна картина ліній струму на поверхні моделі ELAC 1, отримана в аеродинамічній трубі Т-313 Інституту теоретичної та прикладної механіки СО РАН. По: (Krause et al., 1999)

Порівняння результатів чисельного моделювання вихрових структур на підвітряному боці моделі Е1.АС 1 (праворуч) та експериментальної візуалізації методом лазерного ножа (ліворуч). Результати чисельного розрахунку отримані рішенням рівнянь Нав'є-Стокса для ламінарного перебігу при числі Маха М = 2, числі Рейнольдса Йе = 4 10е та вугіллі атаки а = 24 °. Розрахункові вихрові картини схожі на експериментально, що спостерігаються; є розбіжності у поперечних формах окремих вихорів. Зауважимо, що потік, що набігає, перпендикулярний площині картинки. По: (ЕКотЬегд е? а/., 1996)

ній трубі Т-313 ІТПМ СО РАН у Новосибірську. Число Маха потоку, що набігає, в цих експериментах змінювалося в діапазоні 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.

Отримані результати серед іншого ясно демонструють утворення вихорів на підвітряному боці. Панорамні картини течій на поверхні моделі візуалізувалися за допомогою покриття спеціальними рідинами або олійною сумішшю. У типовому прикладі маслосадової візуалізації видно, як поверхневі лінії струму згортають всередину від передньої кромки крила і стікаються у лінію, орієнтовану приблизно у напрямку течії. Спостерігаються також інші лінії, спрямовані у бік центральної лінії моделі.

Ці чіткі сліди на підвітряному боці характеризують поперечний перебіг, тривимірну структуру якого можна спостерігати за допомогою методу лазерного ножа. Зі збільшенням кута атаки потік повітря перетікає з навітряної поверхні крила на підвітряну, формуючи складну вихрову систему. Зазначимо, що первинні вихори зі зниженим тиском в ядрі роблять позитивний внесок у підйомну силу апарату. Сам метод лазерного ножа заснований на фотографуванні когерентного випромінювання, розсіяного

Вихровий міхур у перехідному стані

Вихрова спіраль, що повністю розвинулася.

Процеси розпаду вихорів на підвітряній стороні конфігурації ELAC 1 візуалізувалися за допомогою упорскування флуоресцентної фарби. По: (Stromberg, Limberg, 1993)

¡Я ГОРИЗОНТИ НАУКИ

на твердих або рідких мікрочастинках, що вводяться в потік, розподіл концентрації яких обумовлюється структурою досліджуваних течій. Когерентне джерело світла формується у вигляді тонкої світлової площини, що, власне, і дало назву методу. Цікаво, що з метою забезпечення необхідної контрастності зображення дуже ефективними виявляються мікрочастинки звичайної води (туман).

За певних умов ядра вихорів можуть руйнуватися, що зменшує підйомну силу крила. Цей процес, званий зривом вихору, розвивається

на кшталт «міхур» або «спіраль», візуальні відмінності між якими демонструє фотографія, зроблена за допомогою упорскування флуоресцентної фарби. Зазвичай пухирцевий режим зриву вихору передує розпаду за спіральним типом.

Корисну інформацію про спектри надзвукового обтікання літальних апаратів надає тіньовий метод Теплера. З його допомогою візуалізуються неоднорідності в газових потоках, при цьому особливо добре видно стрибки ущільнення та хвилі розрідження.

Лінзи основного об'єктива Проекційний об'єктив Екран (фотокамера)

Джерело світла V г Ч Неоднорідність Ніж Фуко

ТІНІВИЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Оптична схема однієї з реалізацій методу представлена малюнку. Пучок променів від щілинного джерела світла системою лінз спрямовується через об'єкт, що досліджується, і фокусується на кромці непрозорої ширми (так званий ніж Фуко). Якщо в об'єкті, що досліджується, немає оптичних неоднорідностей, то всі промені затримуються ножем. За наявності неоднорідностей промені розсіюватимуться, і частина їх, відхилившись, пройде вище кромки ножа. Поставивши за площиною ножа Фуко проекційний об'єктив, можна спроектувати промені на екран (направити у фотокамеру) і отримати зображення неоднорідностей.

Розглянута найпростіша схема дозволяє візуалізувати градієнти щільності середовища, перпендикулярні кромці ножа, градієнти щільності по іншій координаті призводять до зміщення зображення вздовж кромки і не змінюють освітленості екрану. Існують різні модифікації методу теплера. Наприклад, замість ножа встановлюється оптичний фільтр, що складається з паралельних смужок різних кольорів. Або використовується кругла діафрагма із кольоровими секторами. У цьому випадку за відсутності неоднорідностей промені з різних точок проходять через те саме місце діафрагми, тому все поле пофарбоване в один колір. Поява неоднорідностей обумовлює відхилення променів, що проходять через різні сектори, і зображення точок з різним відхиленням світла забарвлюються у відповідні кольори.

Головний стрибок ущільнення

Віяло хвиль розрідження

Стрибок ущільнення

Ця тіньова картина обтікання моделі ЕЬАС 1 отримана оптичним методом Теплера в надзвуковій аеродинамічній трубі Ахена. По: (Непе! е? а /., 1993)

Тіньова фотографія обтікання моделі Е1.АС 1 з повітрозабірником у гіперзвуковій ударній трубі (М = 7,3) в Ахені. Красиві райдужні сполохи в нижній правій частині знімка являють собою хаотичні течії всередині повітрозабірника. По: (Олів'є та ін., 1996)

Теоретичний розподіл чисел Маха (швидкостей) при обтіканні двоступінчастої конфігурації Е1_АС-ЕОЕ (число Маха потоку, що набігає, М = 4,04). За: (Брейтсамтер та ін., 2005)

Спостерігалася гарна згода між розрахунковими та експериментальними даними, що підтверджує надійність чисельного рішення під час прогнозування гіперзвукових течій. Приклад розрахункової картини розподілу чисел Маха (швидкостей) у потоці під час поділу представлений на цій сторінці. На обетЖ^гФенях видно стрибки ущільнення та локальні розрідження. У задній частині конфігурації ЕЬАС 1С насправді розрідження не буде, оскільки там розміститься гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний двигун.

Поділ несучої та орбітальної ступенів – одне з найважчих завдань, розглянутих у ході роботи над проектом ELAC-EOS. З метою безпеки маневрування цей етап польоту вимагає особливо ретельного вивчення. Численні дослідження його різних фаз були проведені в центрі SFB 255 при Технічному університеті Мюнхена, а вся експериментальна робота виконана в Інституті теоретичної та прикладної механіки СО РАН. Випробування в надзвуковій аеродинамічній трубі Т-313 включали візуалізацію обтікання повної конфігурації і вимірювання аеродинамічних характеристик і поверхневих тисків в процесі поділу ступенів.

Модель нижнього ступеня ELAC 1С відрізнялася від первісного варіанта ELAC 1 відсіком невеликої глибини, в якому має розташовуватися орбітальний ступінь під час зльоту та набору висоти. Комп'ютерне моделювання проводилося при числі Маха потоку, що набігає, М = 4,04, числі Рейнольдса -Re = 9,6 106 і нульовому куті атаки моделі EOS.

Загалом можна сказати, що дослідження аеродинамічної концепції двоступінчастих систем ÜiELAC-EOS, ініційовані Німецьким дослідницьким суспільством DFG, виявилися успішними. В результаті великого комплексу теоретичних та експериментальних робіт, у яких брали участь наукові центри Європи, Азії, Америки та Австралії, було виконано повний розрахунок конфігурації, здатної до горизонтального зльоту та посадки в стандартному аеропорту, вирішено аеродинамічні

завдання польоту з низькими, надзвуковими та особливо гіперзвуковими швидкостями.

В даний час ясно, що створення перспективного аерокосмічного транспорту вимагає ще детальних досліджень з розробки гіперзвукових повітряно-реактивних двигунів, що надійно працюють у широкому діапазоні швидкостей польоту, високоточних систем управління процесами поділу щаблів та посадки орбітального модуля, нових високотемпературних матеріалів тощо . Вирішення всіх цих складних науково-технічних завдань неможливе без поєднання зусиль учених різних країн. І досвід цього проекту лише підтверджує: довготривале міжнародне співробітництво стає невід'ємним елементом аерокосмічних досліджень.

Література

Kharitonov А.М., Krause Е., Limberg W. et al.//J. Експерименти в Fluids. – 1999. – V. 26. – P. 423.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. //J. Експерименти в 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. Новосібірськ. - 2000. -V.1. - P. 53.

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

Бродецький М.Д., Краузе Еге., Никифоров С.Б. та ін // ПМТФ. – 2001. – Т. 42. – С. 68.

Дива не сталося, як і на початку третього тисячоліття, коли ми, за Рею Бредбері, мали колонізувати Марс. Часто говорять про пророцтва наукової фантастики, але не треба забувати і про невдалі прогнози - катастрофічно красиві, але все-таки провали.

Де ж літаючі автомобілі?

Техніка під такою назвою є, але насправді це лише гібрид машини із літаком. І хоча останні зразки виглядають футуристично, Вони дуже і дуже затратні і мало схожі на антигравітаційний транспорт у «П'ятому елементі». Ще далі від нього інші розробки, подібні до пристрою з вертольотом, або зовсім оснащені парашутом та заднім пропелером. Тут швидше на думку спадає інша фантастика - Карлсон, який живе на даху. Чарівно, але інноваційністю тут і не пахне.

У фільмах та комп'ютерних іграх миготіла та інша версія індивідуального транспорту – реактивний ранець. Його, наприклад, показували в Зіркових війнах» та «Робокопі». Але і тут до масового вживання справа не дійшла, і навряд чи скоро дійде - палива вистачає лише на півхвилини польоту, причому ці обсяги обходяться в круглу суму.

Самі ми, мабуть, вже настільки не чекаємо на чудеса, що радіємо навіть такому творінню китайського інноваційного генія, як «портальний автобус». Зате він реальний, як і монорейка в Москві або японський поїзд, що розвиває швидкість до 603 км/год.

І все ж таки, для людської уяви кордони неприпустимі. Наукова фантастика минулого, та й просто фантазії наших предків на тему майбутнього здобули особливу чарівність та нове найменування – «ретрофутуризм». Романтична, захоплена любов до технологій та бажання передбачити майбутні відкриття - це може сьогодні і розчулювати, і надихати.

Перевинайти колесо

Ще до того, як автомобіль захотіли «підняти у повітря», виникали ідеї його вдосконалити. Причому найголовніше - винайти колесо по-новому! Японський журнал 1936 року представив концепт авто з кулями замість звичайних шин: на думку авторів, ця ідея забезпечила б транспорту плавний хід. Не така вже безглузда задумка, на думку навіть сучасних інженерів. У 2016 році подібну розробку представила американська компанія Goodyear , найбільший виробникшин.

Гігантоманія народила інше уявне диво техніки – корабель на величезних колесах, який мав, на думку винахідника, борознити піски Сахари та вирішити проблему з транспортом у регіоні. Боротьба з самумами та іншими лихами пустель, включаючи спеку, була передбачена конструкцією, і інженер обіцяв «поїздку, яка перетвориться на приємну подорож тими місцями, де тисячі поколінь боролися марно зі стихійними силами і гинули в нерівній боротьбі». Так про це писав журнал «Навколо світу» в 1927 році. Невідомо, наскільки вдалою була ідея - до втілення все одно не дійшло. Хоча можна припускати, що на обіцяне кондиціювання такої машини, та ще й на подолання пісків зубчастими колесами йшла б безліч ресурсів.

Для громадського користування, щоправда, пропонувалися якраз компактні моделі. В 1947 інженер Едуард Верейкен з Брюсселя запатентував дицикл - самохідну коляску, що складалася з двох величезних коліс і відкритої кабіни посередині. Сам винахідник стверджував, що транспорт може розганятися до 185 км/год - але віриться в це важко. Та й безпека пасажирів лишається під питанням. Тільки в шведському аналогу 1999 року за авторством Йонаса Бьоркхольтца було враховано всі проблеми конструкції. Але використовують його заразтільки для розваги публіки.

Поїзди були іншою улюбленою темою інженерів та мрійників. Багато сподівань покладали на монорейки, хоча представляли їх досить незвично - наприклад, так чи ось так. Але й звичайні поїзди бачили куди більш досконалими в майбутньому – комфортабельними, просторими, та ще й з видом на зірки.

"Корабель пустелі" за версією 1927 року.

Кожній людині – по вертольоту!

Де фантазія розгорталася на повну – так це літаючий транспорт. Уява наших предків породило і тарілкового вигляду літаки, і літаки з крилами внизу і турбодвигуна в носовій частині, і навіть літаки-підводні човни. Всього не згадаєш – ви можете і самостійно подивитися галереї на Reddit або добірки за ключовими словами на Pinterest.

Але що особливо торкається всіх цих проектів, так це віра в загальнодоступність транспорту майбутнього. Людина щойно підкорила повітря, а американські журнали пишуть: «Helicopters for Everybody!» («Вертольоти в кожний будинок!»). І серед усіх цих вирізок із преси майже вікової давності можна побачити малюнки особистих літаків. Тоді й справді чекали від майбутнього лише прагнення вгору, і наукового прогресу, та якості життя кожного.

Чи віриться тепер у це, коли стоїш у годину пік у пробці? Або коли трясешся на верхній полиці плацкартного вагона? Затискаючи в руці смартфон, обчислювальні потужності якого, як відомо, вище за обладнання NASA в 1969 році?

XXI століття ще не відбулося - точно не відбулося таким, як його чекали шанувальники технічного прогресу. Але майбутнє, як з'ясувалося, непередбачуване. Повільними темпами, але воно приходить – пропонуємо ознайомитися з футуристичним транспортом сьогодення.

Сьогоднішнє майбутнє

Сегвей став одним із наймодніших видів особистого транспортуостаннім часом, технологічним конкурентом для велосипедів та самокатів. У чому його футуристичність? "Рулити" вам доведеться виключно своїм тілом: гіроскоп та інші датчики в його пристрої реагують на нахил. І тільки повертати доведеться рукояткою чи спеціальною колонкою. Повністю інтуїтивним є управління гіроскутером та моноциклом – треба сказати, саме ці різновиди сьогодні й популярні.

У Набережних Челнах та Москві сегвей використовує навіть поліція. У багатьох містах з'явилися пункти прокату, де можна на якийсь час стати володарем двоколісної «самохідної коляски» або моноцикла. На ринку моноцикл може коштувати до півмільйона рублів, але за 20-30 тисяч цілком реально купити роздобути моноцикл, який витримує без підзарядки 15 кілометрів.

Інший представник сучасного електротранспорту – електромобіль. Будучи винайдений ще раніше звичних нам авто, що працюють на паливі, він все ще залишається символом майбутнього. Причин тому багато: і економія ресурсів, і екологічність, і незалежність від кон'юнктури нафтового ринку. Прокатитися на електромобілі сьогодні найпростіше, особливо для жителів Москви та Санкт-Петербурга: достатньо звернутися до служби таксі, в автопарку якої є такі моделі. У Яндекс.Таксі, наприклад, нещодавно з'явився одним з найбільш досконалих електрокарів, Tesla Model S. Можливості його вражаючі: буквально за кілька секунд він здатний розігнатися до 100 км/год, при цьому хід практично безшумний.

Найінноваційніший транспорт, який відомий росіянам – це, звичайно, московська монорейка, «тринадцята гілка метро». Повною мірою він почав функціонувати ще 2008 року, але навіть зараз не всі мешканці регіонів про нього чули. Начебто зійшов з тих же ретрофутуристичних вирізок із журналів, але адаптований до реалій, монорейка - улюбленець публіки. Вражає уяву та розташування дороги – це естакада, тобто шлях поїзда повністю проходить над Москвою. Маршрут проходить від станції "Тимірязівська" до вулиці Сергія Ейзенштейна. Щоправда, останнім часом точаться розмови про демонтаж шляху, хоча останнім словом поки що залишається пропозиція зробити з нього «туристичний об'єкт». З окупністю, як з'ясувалося, у цієї експериментальної дороги виникли серйозні проблеми.

Ось так, долаючи труднощі сучасного устрою світу, майбутнє таки повільно наближається. Чи чекають нас у найближчі десятиліття автомобілі, що левітують, кожному і будка для телепортації в кожному дворі? Навряд чи. Чи буде транспорт майбутнього схожий на те, що ми можемо собі уявити? Теж навряд. І не так це й погано.