Statek kosmiczny może regularnie transportować astronautów i zaopatrzenie na Księżyc iz powrotem

Wiele agencji kosmicznych planuje wysłać astronautów, kosmonautów i kosmonautów na Księżyc w nadchodzących latach, z długoterminowym celem ustanowienia tam stałej obecności człowieka. Obejmuje to NASA programie Artemida, którego celem jest ustanowienie „zrównoważonego programu eksploracji i rozwoju Księżyca” do końca dekady. Jest też chiński konkurent Russo Międzynarodowa Stacja Badań Księżycowych (ILRS) do stworzenia szeregu obiektów „na powierzchni i/lub na orbicie Księżyca”, które umożliwią dochodowe badania.

Poza tymi programami prowadzonymi przez agencje rządowe, istnieje wiele firm i organizacji pozarządowych, które mają nadzieję na regularne wyprawy na Księżyc, czy to w celu „turystyki księżycowej” i górnictwa, czy też w celach budowlanych.Międzynarodowa Wioska KsiężycaSłużyłby jako duchowy następca Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS). Plany te będą wymagały przemieszczania wielu ładunków między Ziemią a Księżycem przez następną dekadę, co nie jest łatwym zadaniem. Aby temu zaradzić, zespół badaczy ze Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii opublikował niedawno dokument badawczy O optymalnych trajektoriach podróży między Ziemią a Księżycem.

Zespół składał się z emerytowanego profesora Tomasza Cartera z Wschodni Uniwersytet Stanowy Connecticut i profesor nauk matematycznych Meyer Homey z Instytut Politechniczny w Worcester. Do ich badania, przygotowanie do druku Z tego, co jest dostępne online, Carter i Homey zbadali, w jaki sposób wahadłowiec może przewozić zapasy na księżycową placówkę i przenosić zasoby wydobywane z powierzchni. Na podstawie swoich obliczeń doszli do wniosku, że optymalna byłaby trajektoria, która umieści wahadłowiec na orbicie eliptycznej i zmniejszy wymagania dotyczące ciągu.

Podczas wyścigu kosmicznego zarówno NASA, jak i radziecki program kosmiczny polegają na swobodnych trajektoriach powrotnych, aby wysłać misje na Księżyc. Polegało to na wykorzystaniu księżycowej grawitacji do wykonania manewru ósemkowego, w wyniku którego statek kosmiczny wrócił do domu z minimalnymi modyfikacjami orbity (zmniejszeniem wymaganej ilości paliwa). Orbity misji Artemis będą podobne do orbit ich poprzedników Apollo, ponieważ będą również wykonywać loty ósemkowe kończące się „rozpryskiem” w oceanie.

Innymi słowy, misje te będą podróżami w jedną stronę. Ale poza powrotem astronautów na Księżyc, montażem Lunar Gateway i założeniem Artemis Basecamp na powierzchni, długoterminowym celem jest wykorzystanie infrastruktury Artemis do ustanowienia stałej obecności ludzi na Księżycu. Istnieje również potrzeba utrzymania opłacalności, co sprawia, że ​​wystrzeliwanie ciężkich ładunków z powierzchni na Księżyc jest nieefektywne. Jak wyjaśnił współautor, profesor Homey, w e-mailu Universe Today, ich propozycja przewiduje wahadłowiec krążący wokół Ziemi i Księżyca:

„jeden z [the ISS’] „Funkcje” mają na celu uniknięcie wysyłania dużych ładunków na niską orbitę okołoziemską. Zamiast tego wysyłamy astronautom „kapsuły” z zaopatrzeniem i zamiennikami. osiągnąć [lunar settlements] Przy najniższych kosztach potrzebujemy czegoś podobnego do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, ale krążącego wokół Ziemi i Księżyca. Ten wahadłowiec nigdy nie wyląduje na Ziemi ani na Księżycu. Kapsułki z Ziemi będą się do niego przyklejać, gdy znajdzie się on blisko Ziemi, i podobnie, kapsuły z Księżyca będą się do niego przyklejać, gdy znajdzie się on blisko Księżyca. Pozwoli to uniknąć konieczności podnoszenia dużych ładunków z Ziemi lub Księżyca, a to pozwoli zaoszczędzić dużo pieniędzy i zasobów”.

Jednak prom będzie potrzebował silników i paliwa, aby utrzymać go na orbicie, ponieważ podlega on perturbacjom grawitacyjnym (z Ziemi, Księżyca i Słońca). Podczas gdy wahadłowiec nie wymagałby masywnych silników odrzutowych i zbiorników paliwa potrzebnych do uwolnienia się od ziemskiej grawitacji, silniki i paliwo zwiększają masę misji, podnosząc koszty. Aby temu zaradzić, Homey i Carter rozważyli manewry, które zmniejszyłyby zużycie paliwa, jednocześnie umożliwiając wahadłowi okrążenie układu Ziemia-Księżyc w rozsądnym czasie.

„Proces, którego użyliśmy do uzyskania naszych wyników, polegał na opracowaniu odpowiednich modeli matematycznych opartych na siłach grawitacyjnych Ziemi i Księżyca (oraz Słońca) wpływających na orbitę wahadłowca” – powiedział Homey. Mając to na uwadze, zdecydowali, że optymalna ścieżka będzie kołowa, eliptyczna orbita z peryhelium w pobliżu Ziemi i apogeum poza Księżycem. Do korekty kursu potrzebny byłby tylko minimalny ciąg, eliminujący efekty grawitacyjne Słońca poza płaszczyzną, które można by dodatkowo zmniejszyć, zapewniając, że ekscentryczność orbity pozostaje bliska zeru.

Homey powiedział, że ten typ wahadłowca i trajektorii jest niezbędny do jakichkolwiek planów ustanowienia stałego człowieka
na Księżycu, ale może również doprowadzić do kwitnącej gospodarki Ziemia-Księżyc:

Obecnie w planach jest utworzenie stałej „placówki” na powierzchni Księżyca. Placówka ta do prawidłowego funkcjonowania będzie potrzebowała zaopatrzenia z Ziemi (żywność, komputery medyczne, części do robotów itp.) oraz mechanizmu zastępującego astronautów). Jednocześnie zwróci na Ziemię pierwiastki, których na Ziemi tak brakuje (np. hel-3), a które według wszelkich teoretycznych obliczeń są paliwem dla reaktora termojądrowego.

z podpisem Amerykańska ustawa o konkurencyjności komercyjnych startów kosmicznych w 2015 i Amerykańska ustawa o konkurencyjności komercyjnych startów kosmicznych W 2020 r. rząd USA dał jasno do zrozumienia, że ​​działalność handlowa na Księżycu będzie obejmować wydobycie zasobów. Oprócz zabezpieczenia zasobów mineralnych (takich jak metale ziem rzadkich, które są niezbędne dla elektroniki i urządzeń cyfrowych), naukowcy marzyli o dniu, w którym przydałyby się księżycowe źródła helu-3, ponieważ umożliwiłoby to powszechne wykorzystanie syntezy jądrowej reaktorów, aby zaspokoić nasze potrzeby energetyczne. Homey i Carter zawarli zastrzeżenie w swoich badaniach, mówiąc, że ich wyniki będą wymagały dalszych testów i walidacji. Jak zaznaczono w wnioski:

„Powinno być możliwe opracowanie systemu sterowania, który przywróci statek kosmiczny na określoną orbitę w celu skompensowania zakłóceń, które nie są brane pod uwagę w analizie. Można powiedzieć, że można się domyślić, że orbita kołowa wahadłowca zapewnia optymalną orbitę pod względem ciągu. Ale ta orbita ma ścieżkę o maksymalnej długości. Wynika z tego, że wynik uzyskany w tym artykule, chociaż może być „intuicyjnie oczywisty”, niekoniecznie jest oczywisty”.

Dalsza lektura: arXiv