Проблемы освоения космоса

Введение

Всю доступную нам историю цивилизации человек смотрел на небо. Древние люди читали там знаки судьбы и волю богов, в античности первые мореплаватели искали в нем дорогу по бескрайним морям, в новое время человек научился видеть в небе красоту. В наши дни небо стало в первую очередь бизнесом: это и авиатрассы, системы связи и геопозиционирования, и аэрофотосъемка, и мониторинг погоды.
Но даже сейчас очевидно, что космос может предложить человечеству гораздо больше, нежели мы берем у него. В космосе в изобилии представлена практически вся таблица Менделеева, включая даже редкие и очень нужные элементы и их изотопы, например гелий-3 на Луне — ключ к термоядерной энергетике. На Титане, спутнике Сатурна, текут натуральные реки из углеводородов. А один небольшой астероид содержит столько же железа, сколько добывает все человечество за год.
Как известно, эра освоения космоса для землян началась 4 октября 1957 года, когда наша страна впервые запустила на околоземную орбиту искусственный объект - «Спутник-1». С тех пор человечество достигло немалых успехов в космонавтике, но всё же этого пока недостаточно даже для пилотируемого полёта на Марс или Венеру. Каковы же главные проблемы и препятствия, мешающие продолжить освоение межпланетного пространства?
Основная цель моей работы – рассмотреть проблемы освоения космоса на современном этапе развития человечества.


.


1. Преодоление гравитационного притяжения и роста мощности ракетных двигателей
Как известно, преодоление земного притяжения требует огромных затрат энергии. При этом масса выводимых даже на околоземную орбиту грузов сравнительно невелика. А чтобы вырваться из объятий родной планеты, то есть уйти с замкнутой орбиты вокруг Земли, придётся придать космическому аппарату вторую космическую скорость - для Земли это 11,16 км/с.
Естественно, что межпланетные полеты - очень недешёвое удовольствие. Например, стоимость одного лишь запуска марсохода Curiosity превысила $215 миллионов (по данным на 2016 год, а весь проект обошёлся примерно в 2,5 миллиарда долларов).
Что касается пилотируемых полётов, то здесь всё куда сложнее. Нескольким космонавтам необходим достаточный жилой объём для долгого перелёта, для поддержания их жизнедеятельности корабль придётся оснастить многочисленным и достаточно тяжёлым оборудованием, запасом воды и продуктов. А это всё многие сотни и даже тысячи (все зависит от дальности планируемой космической экспедиции) килограммов полезной нагрузки.
Вполне вероятно, что будущие корабли для пилотируемых межпланетных перелётов будут собираться на околоземной орбите. Кроме того, наверняка придётся сначала построить космический "дом" для проживания космонавтов, занимающихся сборкой корабля. А значит, не один десяток раз гонять на орбиту ракеты с компонентами станции и корабля. И хотя для этого достаточно развить «всего лишь» первую космическую скорость, всё равно общая стоимость запуска будет огромной.
Конечно, со времён Белки и Стрелки человечество достигло определённого прогресса благодаря применению новых сплавов и композиционных материалов. Но с точки зрения стоимости куда важнее создать такие конструкции ракет-носителей, которые позволят использовать многоразовые разгонные блоки.
Преодолеть гравитацию родной планеты - это лишь самое начало пути. Далее необходимо придать кораблю достаточную скорость, чтобы он смог он смог за разумное время достичь цели

. И здесь возникает ряд проблем. С одной стороны, сопротивление атмосферы теперь не мешает разгону корабля, а влияние гравитации многократно ослабло. Но для дальнего перелёта придётся построить достаточно большой, а значит и тяжёлый корабль. А чем массивнее объект, тем больше его инерция, тем больше энергии нужно потратить, для придания ему нужной скорости и ускорения. Увы, но имеющиеся на сегодняшний день двигатели мало подходят для пилотируемых перелётов.
Самые мощные - химические двигатели, но их время работы крайне невелико и измеряется минутами, после чего топливо заканчивается. Не говоря уже о занимаемом топливом объёме. Но даже самые мощные химические двигатели придадут космическому кораблю скорость, при которой он достигнет того же Юпитера, скажем, лет через пять-семь. Остальные виды двигательных установок обладают крайне низкой тягой.
Ещё в 1970-х годах группа британских учёных разрабатывала проект «Дедал», представляющий собой гигантский двухступенчатый беспилотный корабль для межзвёздных перелётов с термоядерным двигателем. Согласно расчётам, его длина должна была достигать 420 м, а масса полезной нагрузки - 450 т. Для сравнения рядом «поставлена» ракета Сатурн-5, самая большая из летавших.

Рисунок 1. Сравнение размером корабля для межзвездных перелетов и ракеты Сатурн - 5
«Дедал» должен был за 49 лет долететь до звезды Барнарда, что находится от нас в 56 триллионах км. Следовательно, средняя скорость корабля составила бы 124 007 936 км/ч. В качестве двигательной установки предполагалось использовать ядерный импульсный двигатель. Что же, проект красивый, но вряд ли осуществимый. И кроме того для перелётов внутри Солнечной системы такой монстр вряд ли будет полезен.
В те же 70-е американцами разрабатывался проект ядерного ракетного двигателя NERVA, с помощью которого NASA планировало добраться до Марса. Его мощность была в два раза выше, чем у химических двигателей. В конце концов проект стал жертвой сокращения космических программ США.
Что же касается более современных разработок, то вполне возможно, что к 2030-му году в России будет создан рабочий вариант ядерной электродвигательной установки.

2. Проблема космического мусора и навигации в космосе

С каждым годом околоземное пространство становится всё более опасным местом. Вокруг Земли всё уплотняется оболочка из вращающихся вокруг компонентов ракет, а также отслуживших своё спутников и их обломков. Это серьёзная проблема, поскольку даже небольшой болтик, с гигантской скоростью летящий в околоземном пространстве, при попадании в космический аппарат может стать причиной катастрофы, пробив обшивку или топливный бак, повредив двигатель или иное оборудование. Из-за угрозы столкновения с космическим мусором периодически приходится менять высоту МКС.
По существующим оценкам, сегодня вокруг Земли летает около 17 000 объектов, имеющих размер более 30 см и скорость свыше 28 000 км/ч. Объектов от 1 до 10 см порядка 700 000. Не говоря уже о примерно 4 000 мёртвых спутниках.
Если не предпринимать никаких мер, то однажды наступит день, когда мы вообще не сможем запустить ни одну ракету - все они будут уничтожаться из-за столкновений со всевозможными объектами на орбите, преумножая количество мусора (так называемый синдром Кесслера). Если ничего не делать, то, по прогнозам, человечество окажется "запечатаны" на планете лет через сто. Но это может произойти гораздо раньше, если какая-нибудь страна начнёт уничтожать чужие (или свои) спутники, что может привести к цепной реакции столкновений и взрывному росту количества обломков.

Проблема очистки околоземного космического пространства пока что не имеет решения