美国的标志
本期文章
编者注:通往未来的桥梁
前言:50周年特刊
总统视角:意外后果
工程世纪技术统治的诱惑
2070年的健康建筑
作者
下载
这座桥: 50周年特刊
2021年1月7日 体积 50 问题 S
本期特刊以50篇文章来庆祝NAE旗舰季刊出版50周年，展望未来50年的工程创新. 工程学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? 不同的作者和主题让读者有很多思考!

50年后的太空发射:最终的富足?

2020年12月23日，星期三

作者: 据E. Shotwell和佬司布莱克摩尔

太空旅行是人类进化的下一个必要步骤. 确保人类可以生活在多个星球上，在恒星之间，探索宇宙e, 既是人类生存的关键，又是伟大的灵感源泉.

但目前的一次性火箭使进入轨道的成本过高, 随着距离的增加，最大可运输载荷变得越来越小. 在接下来的50年里, 完全可重复使用的火箭，可以在太空中加油，将消除这些限制, 加快发展太空经济，使太空旅行惠及广大民众.

发射充足, 全新类型的太空任务将成为可能, 包括殖民月球和火星. 这些殖民地将为人类探索外太空提供路径点, 起初是为了科学和工业，最终是为了休闲. 学习如何在太空中长期生活和工作将使银河贵宾手机网-银河贵宾手机网排名-apple app store-银河排行榜有可能到达其他宜居行星. 也许有一天，人类甚至会与共享银河贵宾手机网-银河贵宾手机网排名-apple app store-银河排行榜刚刚开始探索的广阔星系的其他生命形式取得联系.

降低太空旅行的成本

自2011年美国航天飞机项目的最后一次任务以来, 中国和俄罗斯是仅有的将人类送入近地轨道并返回的国家. 但今年，美国在NASA商业载人项目下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花费超过8000万美元(美国国家航空航天局搞笑 2016). 太空发射系统, 美国国家航空航天局的最新火箭将用于近地轨道以外的太空飞行, 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消耗性的. 整个摩天大楼大小的火箭在一次飞行后被丢弃, 只有顶部的小太空舱能在发射后继续完成任务. 想象一下，如果每次飞行后飞机都被扔掉，空中旅行会是什么样子! 如果能着陆的话, 燃料, 像飞机一样发射火箭, 发射成本理论上可以和推进剂成本一样低——减少200倍.

在过去的5年里，航天公司重新激起了人们对可重复使用的发射器的兴趣. 维珍银河(Virgin Galactic)和蓝色起源(Blue Origin)正在开发可到达大气层边缘的可重复使用的亚轨道发射器, 提供几分钟的失重. 2015年，SpaceX实现了轨道级火箭猎鹰9号的全球首次着陆. 该公司还实现了有效载荷整流罩的着陆和再利用. 有超过50次成功着陆, 还有35个助推器和6个整流罩, SpaceX已经将重复利用作为其正常业务的一部分, 大大降低了客户的太空飞行成本.

肖特韦尔图1.gif
图1空间加油实例, 在火星上原地产生推进剂, 以及控制上层和助推器的着陆，将前所未有的有效载荷送往火星和从火星返回. 来源:SpaceX.

需要突破

可重用性还不够. 太空飞行器必须在成本接近推进剂的-下限的情况下实现类似飞机的操作. 需要五项突破:

  • 助推级的推进精确着陆(已经在猎鹰上演示过)
  • 以甲烷和氧气为动力的高性能发动机, 与化石燃料相比，这种燃料可以相对容易地在行星体(如火星)上产生，并具有正确的元素(碳, 氢, 和氧气)
  • 太空加油, 为了“重置火箭方程式”，并大幅增加可以发送到遥远行星的有效载荷
  • 控制进入和上一级的推进着陆, 无论是在一个有厚厚的大气层的星球(地球)上, 没有大气层(月球), 或者介于两者之间(火星)
  • 为长途飞行载运货物和机组人员的足够有效载荷.

SpaceX正在创造一种满足所有五个标准的飞船Starship. 它将100%可重复使用，有效载荷舱宽8米，高17米, 是目前火箭的两倍多. 它将运送100公吨的货物到近地轨道, 火星表面, 或者——木星, 使当今最强大的(可消耗的)火箭的能力相形见绌.

超越发行稀缺性

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, 对于那些想要探索外太空的人来说，哪个是最重要的呢. 轨道上的每一公斤都是天文数字, 当最大可运输载荷随距离直线下降时, 宇宙飞船的设计者一直痴迷于最小化质量和体积，这并不奇怪. 缩小有效载荷的努力必然会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，而是使用常见的金属，如钢.
  • 现成的组件可以更容易地使用，没有尺寸和质量限制.
  • 像折叠机构这样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是可以容忍的，同时降低进入的财务障碍.

进一步的选择

满足上述标准的飞行器将使全新类型的太空任务成为可能:

  • 更大的太空望远镜，看得更远，分辨率更高, 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迹相比，将旅行时间缩短了数年(Lam等人). 2015)
  • 由廉价的地球轨道卫星组成的巨大星座(Gristey et al. 2017)
  • 利用宇宙飞船技术的长途运输，使标准的商务或休闲旅行者在前往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. 这一里程碑式的事业只有在未来发射数量充足的情况下才有可能实现——这将在未来50年成为现实.

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, 和唐·阮.

参考文献

比林斯L. 2010. 吞噬天文学的望远镜. 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，仪器和系统杂志5(2):021001.

Gristey JJ, Chiu JC, Gurney RJ, Han S-C, Morcrette CJ. 2017. 利用卫星理论星座在高时间分辨率下确定全球地球发射辐射. 地球物理研究杂志:大气122:1114-31.

林T，阿里塔J，巴芬顿B. 2015. 木卫二任务:多次木卫二飞掠轨迹设计交易和挑战(AAS论文15-657). AAS/AIAA天体动力学专家会议，8月9-13日，Vail CO ..

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16个. 2016. 可居住系外行星(HabEx)成像任务:初步科学驱动和技术要求. 诉讼程序第9904卷, 空间望远镜与仪器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. 最终报告. 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. NASA商业乘员计划:发展和认证工作的最新进展(报告编号:. 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. 美国宇航局木卫二任务管理(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. 管理和预算办公室给尊敬的理查德·谢尔比的信, 总统执行办公室, 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工作.