Күн жүйесіндегі ғарыш саяхаттары

Күн жүйесіндегі планеталарға пилотты және пилотсыз ғарыш саяхаттары туралы ақпарат. Зерттеулер, ұшулар, қондырулар және болашақ жоспарлар.

20 мин оқу

100%

Дереккөз: Interplanetary spaceflight — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Жұлдыздар немесе планеталар арасындағы экипаждық немесе экипажсыз саяхаттар.

Планетааралық ғарыш сапары немесе планетааралық саяхат – әдетте бір планеталық жүйе ішінде жұлдыздар мен планеталар арасындағы экипаждық немесе экипажсыз саяхат. Іс жүзінде, осы типтегі ғарыш сапарлары Күн жүйесі планеталары арасындағы қатынаспен шектеледі. Адамсыз ғарыш зондтары Күн жүйесіндегі барлық планеталарға, сондай-ақ карлик планеталар Плутон мен Церераға, және бірнеше астероидтарға ұшып барды. Орбиталық аппараттар мен қондырғыштар, жай ғана ұшып өту миссияларына қарағанда, көбірек ақпарат береді. Экипаждық сапарлар Айға қонды, ал Марс, Венера және Меркурий планеталарына уақыт-уақытпен ұшу жоспарлары жасалған. Көптеген ғалымдар адамсыз сапарлардың білім беру құндылығын бағалайды, бірақ экипаждық миссиялардың құндылығы көбірек пікірталас тудырады. Ғылыми фантастика жазушылары астероидтарды өндіру, күн энергиясына қол жеткізу және Жерде апат болған жағдайда отарлау үшін жағдай жасау сияқты бірқатар пайдалы мүмкіндіктерді ұсынады. Планетааралық сапарларды тиімді ету үшін бірқатар техникалар әзірленді. Компьютерлік және теориялық ғылымның жетістіктері кейбір техникаларды жақсартты, ал жаңа ұсыныстар жылдамдық, отын үнемдеу және қауіпсіздікті арттыруға мүмкіндік береді. Саяхат техникалары Күн жүйесіндегі бір денеден екіншісіне өту үшін қажетті жылдамдық өзгерістерін ескеруі керек. Орбиталық сапарлар үшін, мақсатты дененің орбиталық жылдамдығымен сәйкес келу үшін қосымша түзетулер жасалуы тиіс. Басқа да әзірлемелер ракеталарды ұшыру және қозғалтқыштарды жақсартуға, сондай-ақ дәстүрлі емес энергия көздерін пайдалануға бағытталған. Энергия, оттегі және су үшін жерден тыс ресурстарды пайдалану шығындарды азайтуға және тіршілікке қолдау көрсету жүйелерін жақсартуға мүмкіндік береді. Кез келген экипаждық планетааралық сапар белгілі бір жобалау талаптарын қамтуы тиіс. Тіршілікке қолдау көрсету жүйелері ұзақ мерзімге адам өмірін қамтамасыз ете алуы керек. Радиацияға ұшырауды азайту және сенімділікті қамтамасыз ету үшін алдын алу шаралары қажет.

Планетааралық сапарлардағы қазіргі жетістіктер

Қашықтан басқарылатын ғарыш зондтары Күн жүйесінің Меркурийден Нептунға дейінгі барлық планеталарының басынан өтті, ал «Жаңа Көріністер» зонды карлик планета Плутонның, ал «Dawn» ғарыш кемесі қазіргі уақытта карлик планета Церераның орбитасында айналып жүр. 2018 жылдың 8 желтоқсанында ең алыс ғарыш кемелері – «Вояджер-1» және «Вояджер-2» Күн жүйесінен шығып кетті, ал «Пионер-10», «Пионер-11» және «Жаңа Көріністер» оны тастап кету жолында. Жалпы алғанда, планеталық орбиталық станциялар мен қондырғыштар, ұшу миссияларына қарағанда әлдеқайда толық және егжей-тегжейлі ақпарат береді. Ғарыш зондтары ежелгі заманнан белгілі бес планетаның орбитасына енгізілді: біріншісі – Венера («Венера-7», 1970), Марс («Марнер-9», 1971), Юпитер («Галилео», 1995), Сатурн («Кассини/Хюйгенс», 2004) және соңғысы – Меркурий («МЕССЕНДЖЕР», 2011 жылғы наурыз), олар осы денелер мен олардың табиғи серіктері туралы деректерді қайтарды. «NEAR Shoemaker» миссиясы 2000 жылы Жерге жақын орналасқан 433 Эрос астероидінің орбитасын айналып өтті, тіпті сол жерге сәтті қонды, бірақ бұл маневрді ескере отырып жоспарланбаған еді. Жапондық иондық қозғалтқышты ғарыш кемесі «Хаябуса» 2005 жылы Жерге жақын орналасқан 25143 Итокава астероидінің орбитасын айналып өтті, оған қысқа уақытқа қонды және оның бетінен алынған материалдың үлгілерін Жерге қайтарды. Тағы бір иондық қозғалтқышты миссия – «Dawn» үлкен Веста астероидінің орбитасында болды (2011 жылғы шілде – 2012 жылғы қыркүйек) және кейін карлик планета Церераға көшті, ол 2015 жылғы наурызда жетті. «Viking», «Pathfinder» және екі «Mars Exploration Rovers» сияқты қашықтан басқарылатын қондырғыштар Марс бетіне қонды, ал бірнеше «Venera» және «Vega» ғарыш кемелері Венера бетіне қонды, соңғысы планета атмосферасына шарларды жіберді. «Хюйгенс» зонды Сатурнның Титан айына сәтті қонды. Күн жүйесінің ешбір планетасына адамдарды жіберілмеген. Алайда, NASA-ның «Аполлон» бағдарламасы Айға он екі адамды қондырып, оларды Жерге қайтарды. Американың ғарыш зерттеуі жөніндегі көзқарасы, бастапқыда АҚШ президенті Джордж Буш ұсынған және «Constellation» бағдарламасы арқылы іске асырылған, ұзақ мерзімді мақсаты – Марсқа адам-астронавттарды жіберу еді. Алайда, 2010 жылдың 1 ақпанында президент Барак Обама 2011 қаржы жылында бағдарламаны тоқтатуды ұсынды. NASA-ның бұрынғы жоспарларының бірі – «Манделді Венерадан өту» миссиясы, бірақ «Аполлон» қолданбалы бағдарламасы 1960 жылдардың соңында NASA-ның бюджеті қысқартылғаннан кейін тоқтатылды.

Remotely guided space probes have flown by all of the observed planets of the Solar System from Mercury to Neptune, with the New Horizons probe having flown by the dwarf planet Pluto and the Dawn spacecraft currently orbiting the dwarf planet Ceres. The most distant spacecraft, Voyager 1 and Voyager 2 have left the Solar System as of 8 December 2018 while Pioneer 10, Pioneer 11, and New Horizons are on course to leave it. In general, planetary orbiters and landers return much more detailed and comprehensive information than fly by missions. Space probes have been placed into orbit around all the five planets known to the ancients: The first being Venus (Venera 7, 1970), Mars (Mariner 9, 1971), Jupiter (Galileo, 1995), Saturn (Cassini/Huygens, 2004), and most recently Mercury (MESSENGER, March 2011), and have returned data about these bodies and their natural satellites. The NEAR Shoemaker mission in 2000 orbited the large near Earth asteroid 433 Eros, and was even successfully landed there, though it had not been designed with this maneuver in mind. The Japanese ion drive spacecraft Hayabusa in 2005 also orbited the small near Earth asteroid 25143 Itokawa, landing on it briefly and returning grains of its surface material to Earth. Another ion drive mission, Dawn, has orbited the large asteroid Vesta (July 2011 – September 2012) and later moved on to the dwarf planet Ceres, arriving in March 2015. Remotely controlled landers such as Viking, Pathfinder and the two Mars Exploration Rovers have landed on the surface of Mars and several Venera and Vega spacecraft have landed on the surface of Venus, with the latter deploying balloons to the planet's atmosphere. The Huygens probe successfully landed on Saturn's moon, Titan. No crewed missions have been sent to any planet of the Solar System. NASA's Apollo program, however, landed twelve people on the Moon and returned them to Earth. The American Vision for Space Exploration, originally introduced by U. S. President George W. Bush and put into practice through the Constellation program, had as a long term goal to eventually send human astronauts to Mars. However, on February 1, 2010, President Barack Obama proposed cancelling the program in Fiscal Year 2011. An earlier project which received some significant planning by NASA included a crewed fly by of Venus in the Manned Venus Flyby mission, but was cancelled when the Apollo Applications Program was terminated due to NASA budget cuts in the late 1960s.

Планетааралық сапарлардың себептері

Планетааралық саяхаттың құны мен тәуекелі жиі жарияланады. Мысалы, Марс-96, Deep Space 2 және Beagle 2 сияқты адам экипажы жоқ ғарыш зондтарының бұзылуы немесе толық сәтсіздікке ұшырауы (Күн жүйесі зондтарының тізімі мақалы толық тізімді ұсынады). Көптеген астрономдар, геологтар және биологтар Күн жүйесін зерттеудің Жер бетінен немесе Жер төңірегіндегі орбитадан жүргізілетін бақылаулармен алуға болмайтын білім беретініне сенеді. Бірақ адамдармен жүзеге асырылатын миссиялар ғылыми тұрғыдан пайдалы ма, жоқ па деген мәселеде келіспейді. Кейбіреулер роботтық зондтар арзан және қауіпсіз деп санайды, ал басқалары ғарышкерлердің немесе ғарыш ғалымдарының, Жердегі ғалымдардың кеңесімен, зерттейтін аймақтың жаңа немесе күтпеген ерекшеліктеріне икемдірек және интеллектуалды жауап бере алатынын айтады. Мұндай миссияларды қаржыландыратындар (көбінесе мемлекеттік секторда) өздеріне немесе бүкіл адамзатқа пайда әкелетін нәрселерге көбірек қызығушылық танытады. Қазірге дейін осы типтегі жалғыз пайда – ғарыш миссиялары үшін әзірленген, кейін басқа салаларда да кем дегенде пайдалы деп табылған «қосымша технологиялар» (NASA өз қызметінен туындаған қосымша технологияларды жариялайды). Планетааралық саяхаттың басқа да практикалық себептері болжамды, өйткені қазіргі технологиялар әлі тәжірибелік жобаларды қолдауға жеткілікті деңгейде дамымаған. Бірақ ғылыми фантастика жазушылары болашақ технологияларды болжауда жақсы нәтижелер көрсеткен – мысалы, геосинхронды коммуникациялық спутниктер (Артур Кларк) және компьютерлік технологияның көптеген аспектілері (Мак Рейнольдс). Көптеген ғылыми фантастикалық әңгімелерде адамдардың астероидтерден минералдарды және энергияны, орбиталық күн панельдерінен (бұлттардың кедергісіз) және Юпитердің өте күшті магниттік өрісінен қалай алуға болатыны туралы егжей-тегжейлі сипаттамалар бар. Кейбіреулер мұндай техникалар ластану немесе Жер ресурстарының таусылуы (мысалы, мұнайдың шыңы) салдарынан тоқтатылмай, өмір сүру деңгейін көтерудің жалғыз жолы болуы мүмкін деп санайды. Соңында, Күн жүйесінің басқа бөліктерін жайластыру бүкіл адамзаттың түрлі мүмкін оқиғалардың кез келгенінен құрылымын жоғалтуына кедергі келтіреді (Адамның жойылуына қараңыз). Мүмкін болатын оқиғалардың бірі – кредалық-палеогендік жойылуға себеп болған астероидтың соқтығысуы. Әртүрлі «Ғарыш күзеті» жобалары Жерге қауіпті жақын келетін нысандарды бақылап отырса да, астероидтерді ауыстырудың қазіргі стратегиялары жай және сынақтан өтпеген. Бұл міндетті қиындату үшін көміртекті хондриттер көбінесе қара түсті болып келеді, сондықтан оларды анықтау өте қиын. Көміртекті хондриттер сирек кездесетін болса да, кейбіреулері өте үлкен, ал күдікті «динозаврларды өлтіруші» көміртекті хондрит болуы мүмкін. Кейбір ғалымдар, соның ішінде Ғарыш зерттеулер институтының мүшелері, адамзаттың көп бөлігі болашақта ғарышта өмір сүретініне және одан пайда көретініне сенімді.

The costs and risk of interplanetary travel receive a lot of publicity—spectacular examples include the malfunctions or complete failures of probes without a human crew, such as Mars 96, Deep Space 2, and Beagle 2 (the article List of Solar System probes gives a full list). Many astronomers, geologists and biologists believe that exploration of the Solar System provides knowledge that could not be gained by observations from Earth's surface or from orbit around Earth. But they disagree about whether human crewed missions make a useful scientific contribution—some think robotic probes are cheaper and safer, while others argue that either astronauts or spacefaring scientists, advised by Earth based scientists, can respond more flexibly and intelligently to new or unexpected features of the region they are exploring. Those who pay for such missions (primarily in the public sector) are more likely to be interested in benefits for themselves or for the human race as a whole. So far the only benefits of this type have been "spin off" technologies which were developed for space missions and then were found to be at least as useful in other activities (NASA publicizes spin offs from its activities). Other practical motivations for interplanetary travel are more speculative, because our current technologies are not yet advanced enough to support test projects. But science fiction writers have a fairly good track record in predicting future technologies—for example geosynchronous communications satellites (Arthur C. Clarke) and many aspects of computer technology (Mack Reynolds). Many science fiction stories feature detailed descriptions of how people could extract minerals from asteroids and energy from sources including orbital solar panels (unhampered by clouds) and the very strong magnetic field of Jupiter. Some point out that such techniques may be the only way to provide rising standards of living without being stopped by pollution or by depletion of Earth's resources (for example peak oil). Finally, colonizing other parts of the Solar System would prevent the whole human species from being exterminated by any one of a number of possible events (see Human extinction). One of these possible events is an asteroid impact like the one which may have resulted in the Cretaceous–Paleogene extinction event. Although various Spaceguard projects monitor the Solar System for objects that might come dangerously close to Earth, current asteroid deflection strategies are crude and untested. To make the task more difficult, carbonaceous chondrites are rather sooty and therefore very hard to detect. Although carbonaceous chondrites are thought to be rare, some are very large and the suspected "dinosaur killer" may have been a carbonaceous chondrite. Some scientists, including members of the Space Studies Institute, argue that the vast majority of mankind eventually will live in space and will benefit from doing so.

Экономикалық жол жүру әдістері

Планетааралық сапарлардың басты қиындықтарының бірі – Күн жүйесіндегі бір дененің үстінен екіншісіне өту үшін қажетті өте үлкен жылдамдық өзгерістерін жасау. Күннің гравитациялық тартылысының салдарынан, Күннен алшақтайтын ғарыш кемесінің жылдамдығы төмендейді, ал Күнге жақындайтын ғарыш кемесінің жылдамдығы артады. Сонымен қатар, кез келген екі планета Күннен әртүрлі қашықтықта орналасқандықтан, ғарыш кемесі ұшырған планета Күнді айналып қозғалатын жылдамдығы, баратын планетаның жылдамдығынан өзгеше болады (Кеплердің үшінші заңына сәйкес). Осы фактілерге байланысты, Күнге жақын планетаға өтуді қалаған ғарыш кемесі, оны тосып алу үшін Күнге қатысты жылдамдығын айтарлықтай азайтуы керек, ал Күннен алыс планетаға сапар шегетін ғарыш кемесі жылдамдығын едәуір арттыруы тиіс. Егер ғарыш кемесі мақсатты планетаның орбитасына енгізілгісі келсе (жай ғана қасынан өтіп кетпей), онда ол планетаның Күнді айналатын орбиталық жылдамдығымен үйлесуі керек, бұл әдетте тағы бір үлкен жылдамдық өзгерісін талап етеді. Бұл жұмысты күшпен, ең қысқа жолмен жылдамдықты арттырып, содан кейін планетаның жылдамдығына сәйкес келтіру арқылы жасау үшін өте көп отын қажет болады. Ал осы жылдамдық өзгерісі үшін қажетті отын жүкпен бірге ұшырылуы керек, сондықтан ғарыш кемесі мен оның планетааралық сапарына қажетті отынды орбитаға шығару үшін одан да көп отын қажет. Осылайша, планетааралық сапарлар үшін отын қажеттілігін азайту үшін бірнеше техникалар жасалған. Мысал ретінде, Жердің төменгі орбитасынан Марсқа қарапайым траекториямен сапар шегетін ғарыш кемесі, алдымен жылдамдық өзгерісіне (сонымен қатар дельта v деп те аталады) ұшырауы керек, бұл жағдайда шамамен 3,8 км/с. Содан кейін, Марсты тосып алғаннан кейін, ол Марстың Күнді айналатын орбиталық жылдамдығымен сәйкес болуы және оның орбитасына енуі үшін жылдамдығын тағы 2,3 км/с өзгертуі керек. Салыстыру үшін, ғарыш кемесін Жердің төменгі орбитасына шығару үшін шамамен 9,5 км/с жылдамдық өзгерісі қажет.

One of the main challenges in interplanetary travel is producing the very large velocity changes necessary to travel from one body to another in the Solar System. Due to the Sun's gravitational pull, a spacecraft moving farther from the Sun will slow down, while a spacecraft moving closer will speed up. Also, since any two planets are at different distances from the Sun, the planet from which the spacecraft starts is moving around the Sun at a different speed than the planet to which the spacecraft is travelling (in accordance with Kepler's Third Law). Because of these facts, a spacecraft desiring to transfer to a planet closer to the Sun must decrease its speed with respect to the Sun by a large amount in order to intercept it, while a spacecraft traveling to a planet farther out from the Sun must increase its speed substantially. Then, if additionally the spacecraft wishes to enter into orbit around the destination planet (instead of just flying by it), it must match the planet's orbital speed around the Sun, usually requiring another large velocity change. Simply doing this by brute force – accelerating in the shortest route to the destination and then matching the planet's speed – would require an extremely large amount of fuel. And the fuel required for producing these velocity changes has to be launched along with the payload, and therefore even more fuel is needed to put both the spacecraft and the fuel required for its interplanetary journey into orbit. Thus, several techniques have been devised to reduce the fuel requirements of interplanetary travel. As an example of the velocity changes involved, a spacecraft travelling from low Earth orbit to Mars using a simple trajectory must first undergo a change in speed (also known as a delta v), in this case an increase, of about 3.8 km/s. Then, after intercepting Mars, it must change its speed by another 2.3 km/s in order to match Mars' orbital speed around the Sun and enter an orbit around it. For comparison, launching a spacecraft into low Earth orbit requires a change in speed of about 9.5 km/s.

Хоманн трансферттері

Көптеген жылдар бойы планетааралық экономикалық сапарлар Хоманның трансферлік орбитасын пайдалануды білдірді. Хоманн кез келген екі орбита арасындағы ең төменгі энергия жолы – бастапқы және мақсатты орбиталарға жанама түсетін эллипстік "орбита" екенін көрсетті. Ғарыш кемесі келген соң, екінші рет итеру арқылы орбита жаңа орналасқан жерде дөңгеленеді. Планеталық трансферлер жағдайында бұл бастапқыда Жер орбитасына ұқсас орбитадағы ғарыш кемесін бағыттауды білдіреді, сондықтан трансферлік орбитаның афелиі басқа планетаның орбитасына жақын, Күннің қарама-қарсы жағында орналасады. Осы әдіс арқылы Жерден Марсқа баратын ғарыш кемесі шамамен 8,5 айда Марс орбитасына жетеді, бірақ орбиталық жылдамдық масса орталығына (яғни Күнге) жақын болғанда жоғары, ал алыс болғанда төмен болғандықтан, ғарыш кемесі өте баяу қозғалады және оны Марс төңірегіндегі дөңгелек орбитаға қою үшін аз ғана итеру жеткілікті. Егер маневр дұрыс уақытта жасалса, Марс ғарыш кемесінің астына "келіп" орналасады. Хоманн трансфері кез келген екі орбитаға қатысты, планеталардың қатысуына байланысты емес. Мысалы, бұл спутниктерді Жердің төменгі орбитасына "қойып" содан кейін геостационарлық орбитаға ауыстырудың ең көп қолданылатын тәсілі. Дегенмен, Хоманн трансфері сыртқы орбитаның орбиталық периодының шамамен жартысына тең уақыт алады, сондықтан сыртқы планеталар жағдайында күтуге көп жылдар кетеді. Бұл сондай-ақ екі шеткі нүктенің массасыз деп есептелуіне негізделген, мысалы, Жердің айналасындағы екі орбита арасында трансфер жасағанда. Мақсатты нүктеде планета болған жағдайда есептеулер әлдеқайда күрделенеді.

Гравитациялық шпал

Гравитациялық серпілу техникасы планеталар мен айлардың тартылысын пайдаланып, ғарыш кемесінің жылдамдығы мен бағытын отын қолданбастан өзгертеді. Типик мысалда, ғарыш кемесі алыс планетаға Хоманн трансфері қажет ететіннен әлдеқайда жылдам траекториямен жіберіледі. Бұл әдетте планетаның орбитасына жетіп, одан өтуді білдіреді. Дегенмен, егер шығу нүктесі мен мақсат арасында планета болса, оны мақсатқа қарай траекторияны бұру үшін пайдалануға болады, және көп жағдайда жалпы сапар уақыты едәуір қысқарады. "Вояджер" бағдарламасының екі ғарыш кемесі осы техниканы сыртқы Күн жүйесінде бірнеше рет траекторияларын өзгерту үшін қолданған, бұл оның жарқын мысалы. Күн жүйесінің ішкі бөлігіндегі сапарларда бұл әдісті қолдану қиын, бірақ сыртқы планеталарға сапарларда Венера немесе тіпті Ай сияқты жақын планеталарды серпілу нүктесі ретінде пайдалануға болады. Бұл маневр үшінші, қатысы жоқ объектіге – мысалы, масса орталығына немесе Күнге қатысты объектінің жылдамдығын ғана өзгерте алады. Маневрге қатысқан екі объектінің бір-біріне қатысты жылдамдықтары өзгермейді. Күнді гравитациялық серпілуде пайдалануға болмайды, себебі ол Күн жүйесінің қалған бөлігімен салыстырғанда тұрақты, ал Күн жүйесі Күнді айналады. Алайда, Күннің Галактика ортасының айнала айналуын пайдаланып, ғарыш кемесін немесе зерттеу құралын галактикаға жіберуге болады.

Қозғалтқышты шұңқыр

Қозғалтқыштың серпілісі – бұл денеге ең жақын нүктеде (периапсис) немесе оның маңында ракеталық қозғалтқышты қолдану. Осы нүктеде қолдану жылдамдық өзгерісінің (дельта v) әсерін арттырады және басқа уақыттарға қарағанда күштірек эффект береді.

Ұшқын орбиталар

Гоманның орбиталық траекториялары алғаш ұсынылғанда (1925) компьютерлер болған жоқ, ал гравитациялық маневрлер жасалып жатқанда (1959) олар баяу, қымбат және сенімсіз болды. Компьютерлік технологияның соңғы жетістіктері астрономиялық денелердің гравитациялық өрістерінің көптеген мүмкіндіктерін пайдалануға және осылайша тіпті төмен қондырғылы траекторияларды есептеуге мүмкіндік берді. Планетааралық көлік желісі деп аталатын планеталардың Лагранж нүктелерін байланыстыратын траекториялар есептелді. Мұндай "бұлыңғыр орбиталар" Гоманның трансферттерінен әлдеқайда аз энергия жұмсайды, бірақ одан да әлдеқайда баяу. Олар адамдармен жүзеге асырылатын миссиялар үшін қолайлы емес, себебі олар әдетте жылдар немесе ондаған жылдарға созылады, бірақ егер адамзат ғарыш экономикасын дамытса, төмен құнды тауарларды үлкен көлемде тасымалдау үшін пайдалы болуы мүмкін.

Аэрожегіш

Аэробрекинг жылдамдықты төмендету үшін мақсатты планетаның атмосферасын пайдаланады. Алғаш рет ол «Аполлон» бағдарламасында қолданылды, онда қайтып келген ғарыш кемесі Жер орбитасына кірмей, орнына S пішіндес тік түсу траекториясын (бастапқыда тік түсу, одан кейін тегістеу, содан кейін сәл көтерілу, одан кейін оң төмендеу жылдамдығына оралу және мұхитқа түсу) арқылы Жер атмосферасында жылдамдығын азайтып, парашют жүйесін жұмыс іске қосып, қауіпсіз қонуға қол жеткізді. Аэробрекинг қалың атмосфераны талап етпейді – мысалы, көптеген Марсқа қондырылатын аппараттар осы техниканы қолданады, ал Марстың атмосферасы Жер атмосферасынан шамамен 1% ғана қалың. Аэробрекинг ғарыш кемесінің кинетикалық энергиясын жылуға айналдырады, сондықтан ғарыш кемесінің өртелуін болдырмау үшін жылу қалқаны қажет. Осының салдарынан, аэробрекинг тек жылу қалқанын планетаға жеткізуге қажетті отын, қозғалтқыштарды іске қосып қалқансыз ғарыш кемесін тоқтатуға қажетті отыннан кем болған жағдайларда тиімді. Бұл мәселені мақсатты планетаның жанындағы материалдардан жылу қалқандарын жасау арқылы шешуге болады.

Ракеталық тұжырымдамалардың жетілдірілуі

Барлық зымыран тұжырымдамалары Циолковский зымыран теңдеуімен шектеледі, ол қолжетімді сипаттамалық жылдамдықты шығарынды жылдамдығының және бастапқы (M0, отынмен қоса) және соңғы (M1, отын толыққанда жұмсалған) масса арақатынасының функциясы ретінде анықтайды. Басты салдары – зымыран қозғалтқышының түтінінің жылдамдығынан бірнеше есе артық миссиялық жылдамдықтар (көлік құралына қатысты) жылдамдықпен жүзеге асыру мүмкін болмайды, себебі құрғақ масса (пайдалы жүк пен отынсыз зымыран массасы) зымыранның жалпы ылғал массасының (отынмен зымыран массасы) 10% - ынан төмен түседі.

Ядролық жылу және күн жылу ракеталары

Ядролық жылулық ракетада немесе күн жылулық ракетада жұмыс сұйықтығы, әдетте сутегі, жоғары температураға дейін қыздырылады, содан кейін итерме күшін жасау үшін ракеталық сопло арқылы кеңейеді. Бұл энергия дәстүрлі ракета қозғалтқышындағы реактивті химиялық заттардың химиялық энергиясын алмастырады. Сутегінің төмен молекулалық массасы және осыған байланысты жоғары жылу жылдамдығының арқасында, бұл қозғалтқыштар реактордың салмағын ескергенде де химиялық қозғалтқыштардан кемінде екі есе тиімді отынды пайдаланады. АҚШ-тың Атом энергиясы жөніндегі комиссиясы мен НАСА 1959 жылдан 1968 жылға дейін бірнеше жобаны сынақтан өткізді. НАСА-ның жобалары Сатурн V сүреу құралының жоғарғы сатыларын алмастыру мақсатымен жасалған, бірақ сынақтар қозғалтқыштардың мұндай жоғары итерме деңгейінде жұмыс істеуіне байланысты тербеліс пен қызу тудырған сенімділік мәселелерін көрсетті. Саяси және экологиялық факторлар осындай қозғалтқыштың алдағы уақытта қолданылуының ықтимал еместігін көрсетеді, себебі ядролық жылулық ракеталары Жер бетінде немесе оған жақын жерде ең пайдалы болар еді, ал техникалық бұзудың салдары апатты болуы мүмкін. Бөлінуге негіделген жылулық ракета тұжырымдары төменде сипатталған электрлік және плазмалық тұжырымдарға қарағанда төмен шығарылу жылдамдықтарын қамтамасыз етеді, сондықтан олар аз тартымды шешімдер болып табылады. Планетадан қашу сияқты, массаға қатынасы жоғары итерме күші қажетті қолданыстар үшін ядролық жылу ықтимал түрде тартымдырақ.

Электрмен қозғалтқыш

Электрлік жетегіш жүйелер электр энергиясын өндіру үшін ядролық реактор немесе күн батареялары сияқты сыртқы көзді пайдаланады, содан кейін химиялық инертті жетегіш затты химиялық ракетада қол жеткізілгеннен әлдеқайда жоғары жылдамдыққа дейін үдету үшін қолданылады. Мұндай жетегіштер әлсіз итерме күшіне ие, сондықтан олар жылдам маневрлер жасауға немесе планета бетінен ұшуға жарамсыз. Бірақ олар реакциялық массаны пайдалануда соншалықты үнемді, олар бірнеше күн немесе апталар бойы үздіксіз жұмыс істей алады, ал химиялық ракеталар реакциялық массаны соншалықты жылдам пайдаланады, олар тек секундтар немесе минуттар бойы жұмыс істей алады. Тіпті Айға саяхат электрлік жетегіш жүйенің химиялық ракетадан озуына жеткілікті уақыт береді – Аполлон миссиясы әр бағытта 3 күн алды. NASA-ның Deep Space One зымыраны 678 күн бойы жұмыс істеген прототиптік иондық жетегішті сәтті сынады, бұл ғарыш зондының Борелли кометасын жақындап зерттеуіне мүмкіндік берді, мұндай нәрсе химиялық ракета үшін мүмкін емес еді. Dawn, NASA-ның иондық жетегішті негізгі жетегіш ретінде пайдаланған алғашқы операциялық (яғни, технологиялық демонстрация емес) миссиясы, үлкен негізгі белдеу астероидтарының – 1 Церера және 4 Вестаның орбиталарын сәтті айналып өтті. Ядролық қуатпен жұмыс істейтін, адамсыз Юпитер миссиясы үшін, Юпитердің мұзды айларын зерттеу орбиталық станциясы (JIMO) жоспарланған, ол бастапқыда келесі онжылдықта ұшырылуы тиіс еді. NASA-да адамдармен ғарышқа ұшуға басымдық бергендіктен, 2005 жылы жоба қаржыландырудан айырылды. Қазіргі уақытта ұқсас миссия АҚШ-тың NASA/ESA бірлескен бағдарламасының бөлігі ретінде, Еуропа мен Ганимедті зерттеу мақсатында талқылануда. Джонсон ғарыш ұшу орталығының басшылығымен NASA-ның көп орталықты Технологиялық қолдануды бағалау тобы 2011 жылдың қаңтарында "Наутилус X" концепциясын сипаттады – бұл Жердің төменгі орбитасынан (LEO) тыс миссиялар үшін пайдалы, 24 айға дейін созылатын, алты адамдық экипажға арналған көп миссиялық ғарыш зерттеу көлігінің жобалық зерттеуі. Nautilus X әртүрлі миссиялық жетегіш бірліктеріне бейімделе алады, әр түрлі төмен итермелі, жоғары нақты импульсті (Isp) конструкцияларға ие болғанымен, ядролық иондық электрлік жетегіш иллюстрациялық мақсаттар үшін көрсетілген. Ол Халықаралық ғарыш станциясында (ISS) интеграцияланып, сынақтан өтуге арналған, және ISS-тан Айға және одан әрі, соның ішінде Жер/Ай L1, Күн/Жер L2, Жерге жақын астероидтар мен Марс орбиталық бағыттарына арналған терең ғарыш миссияларына жарамды. Ол ұшақ экипажының денсаулығын жақсарту үшін ұзақ мерзімді 0g әсерін азайтуға арналған жасанды гравитацияны қамтамасыз ететін төмендетілген g центрифугасын және ғарыш сәулелену ортасын жеңілдету мүмкіндігін қамтиды.

Electric propulsion systems use an external source such as a nuclear reactor or solar cells to generate electricity, which is then used to accelerate a chemically inert propellant to speeds far higher than achieved in a chemical rocket. Such drives produce feeble thrust, and are therefore unsuitable for quick maneuvers or for launching from the surface of a planet. But they are so economical in their use of
reaction mass that they can keep firing continuously for days or weeks, while chemical rockets use up reaction mass so quickly that they can only fire for seconds or minutes. Even a trip to the Moon is long enough for an electric propulsion system to outrun a chemical rocket – the Apollo missions took 3 days in each direction. NASA's Deep Space One was a very successful test of a prototype ion drive, which fired for a total of 678 days and enabled the probe to run down Comet Borrelly, a feat which would have been impossible for a chemical rocket. Dawn, the first NASA operational (i. e., non technology demonstration) mission to use an ion drive for its primary propulsion, successfully orbited the large main belt asteroids 1 Ceres and 4 Vesta. A more ambitious, nuclear powered version was intended for a Jupiter mission without human crew, the Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originally planned for launch sometime in the next decade. Due to a shift in priorities at NASA that favored human crewed space missions, the project lost funding in 2005. A similar mission is currently under discussion as the US component of a joint NASA/ESA program for the exploration of Europa and Ganymede. A NASA multi center Technology Applications Assessment Team led from the Johnson Spaceflight Center, has as of January 2011 described "Nautilus X", a concept study for a multi mission space exploration vehicle useful for missions beyond low Earth orbit (LEO), of up to 24 months duration for a crew of up to six. Although Nautilus X is adaptable to a variety of mission specific propulsion units of various low thrust, high specific impulse (Isp) designs, nuclear ion electric drive is shown for illustrative purposes. It is intended for integration and checkout at the International Space Station (ISS), and would be suitable for deep space missions from the ISS to and beyond the Moon, including Earth/Moon L1, Sun/Earth L2, near Earth asteroidal, and Mars orbital destinations. It incorporates a reduced g centrifuge providing artificial gravity for crew health to ameliorate the effects of long term 0g exposure, and the capability to mitigate the space radiation environment.

Бөлінумен жұмыс істейтін зымыран

Электрлік қозғалтқыштармен жүзеге асырылған немесе жоспарланған миссиялар күн энергиясын пайдаланады, бұл олардың Күннен алыс қашықтықта жұмыс істеу мүмкіндігін және электр қуаты көзінің массасына байланысты максималды үдеуін шектейді. Ядролық электрлік немесе плазмалық қозғалтқыштар, ұзақ уақыт бойы төмен итеру күшімен жұмыс істейтін және ядролық бөліну реакторларымен қуатталатын, химиялық отынмен жұмыс істейтін құралдарға қарағанда әлдеқайда жоғары жылдамдыққа жете алады.

Құрылыс реактивті зымыран

Ядролық синтез реакцияларымен қоздырылатын синтез зымырандары дейтерий, тритий немесе 3He сияқты жеңіл элементтерден отынды "жағар" еді. Синтез ядролық отын массасының шамамен 1% -ын босатылған энергия ретінде беретіндіктен, бұл бөлінуге қарағанда энергетикалық тұрғыдан тиімді, себебі бөліну отын массасының энергиясының шамамен 0,1% -ын ғана босатады. Дегенмен, бөліну немесе синтез технологиялары, теориялық тұрғыдан, Күн жүйесін зерттеуге қажеттіден әлдеқайда жоғары жылдамдыққа қол жеткізе алады, ал синтез энергиясы әлі күнге дейін Жерде практикалық тұрғыда демонстрациялануын күтуде. "Дейдалус" жобасы синтез зымырандарын пайдалануды ұсынған болатын. NASA-ның Гленн зерттеу орталығының командасы D3He реакциясына негізделген, бірақ реакция массасы ретінде сутекті пайдаланатын, егжей-тегжейлі "Дискавери II" жүйесін жобалап, оны жетілдірді. Ол ~1.7•10−3 g үдеумен, ~1700 тонна бастапқы массамен және 10% -дан жоғары пайдалы жүк үлесімен >300 км/с сипаттамалық жылдамдыққа жетеді. Синтез зымырандары планеталық өркениет үшін планетаралық көлік құралының ықтимал көзі саналады.

Экзотикалық қозғалтқыш

Орта және ұзақ мерзімді келешекте планетааралық миссиялардың негізі болуы мүмкін басқа да көптеген технологиялар туралы талқылау үшін ғарыш кемелерін жылжыту туралы мақалаға қараңыз. Жұлдыздық сапарлардағы жағдайдан өзгеше, жылдам планетааралық сапарларға кедергілер негізгі физикалық заңдарға емес, инженерлік және экономикалық мәселелерге байланысты.

Күн жағалары

Күн жағалары бетке шағылысқан жарықтың бетке түсіретін қысымына негізделген. Радиациялық қысым шағын және Күннен алысқатықша квадратына қарай кемиді, бірақ зымырандардан өзгеше, күн жағалары отын қажет етпейді. Иткіңіш күші аз болғанымен, Күн сәулесі мен жағасы жайылғанда тоқтамайды. Алғашқы идея тек Күннен келетін радиацияға негізделген, мысалы, Артур Кларктың 1965 жылғы "Sunjammer" әңгімесінде көрсетілгендей. Жақындағы жарық жағаларының жобалары, итермелеуді арттыру үшін жердегі лазерлерді немесе мазерлерді жағаға бағыттауды ұсынады. Жердегі лазерлер мен мазерлер жарық жағалы ғарыш кемесін тежеуге де көмектеседі: жаға сыртқы және ішкі бөліктерге бөлінеді, сыртқы бөлік итеріледі және оның пішіні механикалық түрде өзгеріп, шағылысқан радиацияны ішкі бөлікке шоғырландырады, ал ішкі бөлікке бағытталған радиация тежегіш ретінде әрекет етеді. Көптеген мақалалар жарық жағаларын жұлдызаралық саяхатқа арнаса да, оларды Күн жүйесінде пайдалану жөнінде де бірнеше ұсыныстар жасалған. Қазіргі таңда күн жағасын негізгі итергіш күш ретінде пайдаланатын жалғыз ғарыш кемесі – JAXA ұшырған 2010 жылғы 21 мамырдағы ІКАРОС. Ол сәтті жайылды және күтілгендей үдеуді көрсетті. Көптеген ғарыш кемелері мен спутниктер де күн коллекторларын, температураны бақылау панельдерін және күннен қорғайтын экрандарды жарық жағалары ретінде пайдаланады, отын жұмсамай, олардың бағытын және орбитасын түзету үшін қолданады. Тіпті кейбіреулері осы мақсат үшін арнайы жасалған күн жағаларына ие (мысалы, EADS Astrium компаниясының Eurostar E3000 геостационарлық байланыс спутниктері).

Велосипедті

Әр түрлі планеталар арасында айналатын орбиталарға станциялар немесе ғарыш кемелерін орналастыру мүмкін, мысалы, Марс циклері Марс пен Жер арасында синхронды түрде айналып, траекторияны сақтау үшін өте аз жанармай қолданылады. Циклдер тұжырымдамалық тұрғыдан жақсы идея, себебі ауыр радиациялық қалқандар, тіршілікке қажетті жабдықтар және басқа да құралдар цикл орбитасына бір рет қана орналастырылады. Цикл бірнеше қызметті біріктіре алады: мекен (мысалы, ол "жасанды гравитация" әсерін тудыру үшін айналуы мүмкін); базалық кеме (кіші ғарыш кемелерінің экипаждарына тіршілік етуді қамтамасыз етеді, олар оған "қонаққа" мінеді). Циклдер колонияны жабдықтау үшін тамаша жүк кемелері болуы мүмкін.

Ғарыш лифтісі

Ғарыш лифтісі – планета бетінен орбитаға материал тасымалдайтын теориялық құрылым. Егер лифттің құрылысының қымбат жұмысы аяқталса, онда шексіз көп жүктерді орбитаға минималді шығынмен тасымалдауға болады. Тіпті ең қарапайым жобалар да жер бетінен ракета ұшырудың қанағаттандырмайтын айналымын болдырмайды, онда орбитаға ену үшін қажетті отынның соңғы 10 пайызын жер бетінен көтеріп әкелу керек, бұл одан да көп отынды қажет етеді, және т.б. Күрделірек ғарыш лифтілерінің жобалары қарсы салмақтарды пайдалану арқылы бір сапарға жұмсалатын энергияны азайтады, ал ең амбициозды жобалар жоғары және төмен бағытталған жүктерді теңгертуге тырысады, осылайша энергия шығындарын дерлік нөлге дейін төмендетуге болады. Ғарыш лифтілері кейде «бұтақтар», «ғарыш көпірлері», «ғарыш лифттері», «ғарыш баспалдақтары» және «орбиталық мұнаралар» деп те аталады. Қазіргі технология деңгейінде Жердегі ғарыш лифтісін салу мүмкін емес, бірақ теориялық тұрғыдан айға ғарыш лифтісін қолдағы материалдарды пайдалана отырып салуға болады.

Аспанға ілінетін ілгек

Skyhook – жоғары биіктікке және жылдамдыққа жүктерді жеткізуге арналған орбиталық тіректің теориялық класы. Skyhook ұсыныстары гипердыбыстық жылдамдықпен айналатын тіректерді пайдаланатын жобаларды қамтиды, олар арқылы жоғары жылдамдықты жүктерді немесе жоғары биіктіктегі ұшақтарды ұстап, оларды орбитаға шығару жоспарланған. Сонымен қатар, айналмалы skyhook қазіргі қолданыстағы материалдармен инженерлік тұрғыдан жүзеге асырылуы мүмкін емес деген пікірлер де бар.

Ұшыру құралы мен ғарыш кемелерін қайта пайдалану

SpaceX Starship толыққанды және жылдам қайта пайдалану үшін жобаланған, ол 2011–2018 жылдары Falcon 9 және Falcon Heavy ұшыру құралдары үшін жасалған SpaceX қайта пайдалану технологиясын қолданады. SpaceX бас директоры Илон Масктың пікірінше, Starship ұшыру құралында да, ғарыш кемесінде де қайта пайдалану мүмкіндігінің өзі ғана, Марсқа тоннамен жеткізілген жүктің жалпы құны NASA-ның бұрынғы жетістіктерімен салыстырғанда кем дегенде екі рет артық төмендетеді.

Стендерлік қозғалтқыштар

Ұзақ мерзімді миссияға қажетті барлық энергияны алып жүретін планетаралық зымырандарды Жер бетінен ұшырғанда, пайдалы жүктеме мөлшері ракета теңдеуімен теориялық тұрғыда сипатталған негізгі масса шектеулеріне байланысты қажетті түрде өте шектеулі болады. Планетаралық траекториялармен көбірек массаны тасымалдаудың бір жолы – ұшыру кезінде жоғарғы сатыдағы жанармайдың барлық дерлік бөлігін пайдалану, содан кейін гелиоцентрлік траекторияға қашып кету үшін зымыранды іске қосу алдында Жер орбитасында жанармайды толықтыру. Бұл жанармай орбитадағы жанармай қоймасында сақталуы мүмкін, немесе жанармай танкерімен орбитаға тікелей планетаралық ғарыш кемесіне жеткізілуі мүмкін. Жерге массаны қайтару үшін, осыған ұқсас мүмкіндік – Күн жүйесінің аспан денесінен шикізатты өндіру, оны тазарту, өңдеу және реакция өнімдерін (жанармайды) Күн жүйесінің денесінде, көлік құралына жүктелгенге дейін сақтау.

Орбиталық танкерлік тасымалдар

2019 жылдан бастап SpaceX қайта пайдалануға болатын бірінші сатыдағы тасымалдағыш құрылғыны Жер орбитасына экипажды тасымалдайтын планетааралық ғарыш кемесімен жеткізіп, ажыратып, ұшыру алақанына оралады, онда оның үстіне жанармай құюға арналған ғарыш кемесі орнатылады, содан кейін екеуі де жанармаймен толықтырылып, күтіп тұрған экипажды ғарыш кемесімен кездесу үшін қайта ұшырылады. Жанармай құюға арналған ғарыш кемесі, одан кейін жанармайын экипажды тасымалдайтын ғарыш кемесіне планетааралық сапарға жұмсау үшін жеткізеді. SpaceX Starship – алты Raptor қозғалтқышымен қозғалатын, тығыздалған метан/оттегі отынымен жұмыс істейтін, тот баспайтын болаттан жасалған ғарыш кемесі. Оның ұзындығы , ең кең жерінен диаметрі және ол Марсқа бір рейс барысында жүк пен жолаушыларды тасымалдауға қабілетті, ал планетааралық бөлігіне дейін орбитада жанармаймен толықтыру мүмкіндігі бар.

Өмірді қолдау

Өмірді сақтау жүйелері адам өмірін апталар, айлар немесе тіпті жылдар бойы қолдауға қабілетті болуы керек. Жеткілікті мөлшерде оттегі, азот және бақыланатын көмірқышқыл газы, із газдары мен су буы бар, тыныс алуға жарамды атмосфера сақталуы тиіс. 2015 жылдың қазан айында НАСА Бас инспекторының кеңсесі адаммен ғарышқа ұшу, соның ішінде Марсқа адаммен ұшуға байланысты денсаулыққа қауіптер туралы есеп жариялады.

Сәулелену

Жердің төменгі орбитасынан шығып, Жердің магнитосферасының қорғанысын қалдырғаннан кейін, ғарыш аппараты жоғары радиациялы Ван Аллен радиациялық белдеуіне енеді. Ван Аллен белдеулерінен тыс радиация деңгейі көбінесе төмендейді, бірақ уақыт өте келе өзгеріп тұруы мүмкін. Бұл жоғары энергиялы ғарыш сәулелері денсаулыққа қауіпті. Осы құбылыстар кезіндегі радиацияның ең төменгі деңгейі, тіпті, Жердің төменгі орбитасындағы ғарышкерлерге қазіргі жылдық рұқсат етілген дозаға тең келеді. Ресей Ғылым академиясының ғалымдары Марсқа ұшуға дайындық күйінде радиация салдарынан туындайтын қатерлі ісік ауруының қаупін азайту жолдарын іздестіруде. Олар экипаж мүшелері ішетін, дейтерийдің (сутегінің тұрақты изотопы) азын мөлшердегі суын өндіретін өмірді сақтау жүйесін қарастыруда. Алдын ала зерттеулер дейтерийден тазаланған судың қатерлі ісікке қарсы белгілі бір әсерлері бар екенін көрсетті. Сондықтан, марсиандық экипажға қатысты радиацияның күшті әсерінен туындайтын қатерлі ісік ауруының қаупін азайту үшін дейтерийсіз судың әлеуеті зор деп есептеледі. Сонымен қатар, Күннен шығатын короналық массалық ағындар өте қауіпті, және егер олар жеткілікті қорғаныспен қамтылмаса, адамдар үшін өте қысқа мерзімде өлімге әкелуі мүмкін.

Сенімділік

Ғарыш кемесі жол жүріп кез келген ірі ақауға ұшыраса, қаза болуы мүмкін, тіпті шағын ақау да, уақтылы жөнделмесе, қауіпті салдарларға алып келуі мүмкін, ал мұны ашық кеңістікте жасау өте қиын. 1970 жылы «Аполлон-13» миссиясының экипажы, кемшіліктері бар оттегі баллонынан болған жарылыстан кейін де аман қалды.

Жүктелу терезесі

Астродинамикалық себептерге байланысты, басқа планеталарға экономикалық тұрғыдан ғарыш кемесімен саяхаттау белгілі бір уақыт аралықтарында ғана мүмкін. Осы аралықтардың за пределами планеталар қазіргі технологиялармен Жерден қолжетімсіз болып табылады. Бұл ұшуларды шектейді және төтенше жағдай туғанда құтқару мүмкіндіктерін азайтады.