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总统的观点:意外后果
工程世纪技术统治的诱惑
2070年的健康建筑
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桥:50周年纪念特刊
2021年1月7日 体积 50 问题 S
这期特刊是为了庆祝NAE旗舰季刊出版50周年，其中有50篇文章展望了下一个50年的工程创新. 工程将如何在太空旅行等不同领域做出贡献, 时尚, 激光, 太阳能, 和平, 疫苗开发, 和股票? 不同的作者和主题给读者很多思考!

50年后的太空发射:终于实现了富足?

2020年12月23日，星期三

作者: 据E. 肖特韦尔和拉尔斯·布莱克莫尔

太空旅行是人类进化的下一个必要步骤. 确保人类可以在多个行星上生活，并在恒星之间旅行，探索宇宙e, 是人类生存的关键，也是灵感的源泉.

但目前的一次性火箭使进入轨道的成本过高, 随着飞行距离的增加，最大可运输载荷逐渐变小. 在接下来的50年里, 可以在太空中补充燃料的完全可重复使用的火箭将消除这些限制, 加快空间经济发展，使大部分人口都能进行太空旅行.

随着发射量的增加, 全新的太空任务将成为可能, 包括对月球和火星的殖民. 这些殖民地将为人类探索深空提供航路点, 起初是为了科学和工业，最后是为了休闲. 学习如何在太空中长时间生活和工作将使91111威斯尼斯人下载-91111威斯尼斯人下载安装V3.3.3-apple app store有可能到达其他可居住的行星. 也许有一天，人类甚至会与91111威斯尼斯人下载-91111威斯尼斯人下载安装V3.3.3-apple app store刚刚开始探索的广阔星系中的其他生命形式取得联系.

降低太空旅行的成本

自2011年美国航天飞机计划的最后一次任务以来, 中国和俄罗斯是仅有的将人类送入低地球轨道(LEO)并返回的国家. 但今年，在美国国家航空航天局的商业载人计划下，美国再次具备了载人太空运输的能力.

然而，进入轨道仍然非常昂贵，更不用说超越轨道了. 乘坐联盟号火箭飞往近地轨道的单人座位成本超过8000万美元(美国国家航空航天局搞笑 2016)。. 航天发射系统, 这是美国宇航局最新的火箭，旨在超越低地球轨道进行太空飞行, is projected to cost between $876 million and $2 billion per launch (美国国家航空航天局搞笑 2019; Vought 2019).

从消耗性到重用性

太空旅行成本惊人的主要原因之一是这些火箭是一次性的. 整个摩天大楼大小的火箭在一次飞行后就被丢弃了, 只有顶部的小太空舱能在发射中幸存下来，继续完成任务. 想象一下，如果飞机每次飞行后都被扔掉，航空旅行将会是什么样子! 如果有可能着陆的话, 燃料, 像飞机一样驾驶火箭, 发射的成本理论上可以和推进剂成本一样低——减少200X.

在过去的5年里，航天公司激发了人们对可重复使用的发射器的兴趣. 维珍银河和蓝色起源正在开发可重复使用的亚轨道发射器，可以到达大气层的边缘, 提供几分钟的失重状态. 2015年，SpaceX公司实现了世界上第一次轨道级火箭猎鹰9号的着陆. 该公司还实现了有效载荷整流罩的着陆和再利用. 50多次成功着陆, 还有35次助推器和6次整流罩飞行, SpaceX已经将重复利用作为其业务的正常组成部分, 大大降低了客户的太空飞行成本.

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图1空间加油示例, 在火星上就地生产推进剂, 控制上层和助推器的着陆，将前所未有的有效载荷送入火星. 来源:SpaceX.

需要突破

可重用性是不够的. 空间飞行器必须在接近推进剂成本下限的情况下实现类似飞机的运行. 需要在五个方面取得突破:

  • 助推级的推进式精确着陆(已经用猎鹰进行了演示)
  • 以甲烷和氧气为燃料的高性能发动机, 与化石燃料推进剂相比，在行星体(如火星)上，用合适的元素(碳, 氢, 和氧气)
  • 太空加油, “重置火箭方程式”，并大幅增加可发送到遥远行星的有效载荷
  • 控制进入和推进着陆的上层, 无论是在一个有厚厚的大气层的行星上(地球), 没有大气层(月球), 或者介于两者之间(火星)
  • 足够的有效载荷量，以携带货物和机组人员进行长途飞行.

SpaceX正在制造一种名为Starship的飞行器，以满足所有五个标准. 它将100%可重复使用，其有效载荷舱宽8米，高17米, 是目前火箭的两倍多. 它将向近地轨道运送100公吨的货物, 火星表面, 或者——木星, 使当今最强大的(一次性)火箭的能力相形见绌.

超越发行稀缺

完全可重复使用的火箭将创造一个发射丰富而不是发射稀缺的世界, 对于任何想要探索外太空的人来说，哪个是最重要的. 当轨道上的每一公斤都要花费天文数字, 当最大可运输载荷随距离下降时, 毫无疑问，航天器设计师们一直痴迷于最小化质量和体积. 缩小有效载荷的努力必然导致太空任务的高成本, whose budgets exceed initial estimates as much as tenfold (Billings 2010; GAO 2019).

放松或消除发射稀缺的限制可以从根本上降低任务成本。

  • 可以避免使用奇异的、超轻的材料，而是使用普通金属，如钢.
  • 现成的组件可以更容易地使用，没有尺寸和质量的限制.
  • 诸如折叠机制之类的复杂或结构复杂的设计将不再需要.
  • 成本更低、风险更大的太空任务可以在降低进入门槛的情况下得到容忍.

进一步的选择

符合上述标准的飞行器将使全新的太空任务类别成为可能:

  • 更大的太空望远镜能以更高的分辨率看到更远的地方, enabling new observations of exoplanets and the beginnings of this universe; stationing such telescopes in higher-energy orbits further improves observations by removing Earth’s brightness (Gaskin et al. 2019; Mennesson et al. 2016; NASA 2019)
  • 直接前往外行星的任务, 与需要行星引力辅助的复杂轨道相比，减少了多年的旅行时间(Lam等人). 2015)
  • 巨大的廉价地球轨道卫星星座(Gristey等). 2017)
  • 长途运输利用宇宙飞船技术，让普通的商务或休闲旅行者在到达地球目的地的途中接触太空
  • 在月球或火星上建立永久的人类基地.

最后一个是终极目标:在地球外建立一个自给自足的文明. 这一不朽的事业只有在未来发射丰富的情况下才有可能实现，而这将在未来50年内成为现实.

致谢

作者感谢Rob Manning, 蒂姆McElrath, 米格尔·桑Martín, Sara Seager, Feryal Ozel, 彼得-Huybers, 米歇尔低浓缩铀, 布莱恩堰, 保罗·伍斯特, 安东尼·西姆斯, 和Don Nguyen.

参考文献

比林斯L. 2010. 望远镜吞噬了天文学. 自然467 (7319):1028 - 30.

美国政府问责局. 2019. 詹姆斯·韦伯太空望远镜:机会即将到来，为项目能够满足新的成本和进度承诺提供了额外的保证(GAO-19-189). 华盛顿.

束帆索JA, 斯达, (AA, 泽尔F, Gelmis凯, 艾伦伯格JW, Bandler老, Bautz兆瓦, Civitani毫米, Dominguez一, 还有其他21个. 2019. 山猫x射线天文台:概述. 天文望远镜、仪器与系统学报5(2):021001.

陈建军，赵建军，陈建军，韩绍成，马立杰. 2017. 利用理论卫星星座测定高时间分辨率的全球地球向外辐射. 地球物理研究学报:大气学报，122:1114-31.

Lam T, Arrieta J, Buffington B. 2015. 木卫二任务:多个木卫二飞行轨迹设计的交易和挑战(AAS论文15-657). 天体动力学专家会议，8月9-13日，北京.

Mennesson B, 高迪年代, Seager年代, Cahoy K, Domagal——高盛的年代, Feinberg L, 盖恩啊, Kasdin J, Marois C, Mawet D, 还有其他16个. 2016. 可居住系外行星(HabEx)成像任务:初步的科学驱动和技术要求. 会议录第9904卷, 太空望远镜与仪器2016:光学, 红外, 和毫米波, 6月26日至7月1日, 爱丁堡. 

美国国家航空航天局. 2019. 最后报告. 华盛顿. 网址:http://asd.戈达德宇航中心.美国国家航空航天局.gov/luvoir/reports/LUVOIR_ - FinalRe port_2019-08-26.pdf.

NASA监察长办公室. 2016. 美国国家航空航天局商业船员计划:发展和认证工作的最新进展(第2号报告). IG-16-028). 华盛顿:美国宇航局审计办公室.

美国国家航空航天局搞笑. 2019. 美国国家航空航天局欧罗巴任务的管理(报告编号. IG-19-019). 华盛顿:美国宇航局审计办公室.

RT沃特公司. 2019. 管理和预算办公室致理查德·谢尔比阁下的信, 总统行政办公室, 10月23日. 华盛顿.

作者简介:据Shotwell (NAE)是总裁兼首席运营官，佬司布莱克摩尔是高级首席火星着陆工程师, 都在SpaceX.