Para.

100 yıllık uzay aracı operasyonlarının kaç yönetim, rejim, devrim, savaş vb. için finanse edilmesi gerekecek? Verileri geri almayı bekliyorsanız, antenleri ve / veya foton kovalarını (lazer iletişimi için) nesneye doğru tutmanız gerekecek ve bu varlıkları zaman içinde muhafaza etmeniz ve muhtemelen değiştirmeniz gerekecektir. 100 yıllık bir süre boyunca tamamen otonom bir şey tasarlamanız pek olası değildir, bu nedenle uzay aracına komuta edecek bir ekip tutmanız da gerekecektir. Bilim ne olursa olsun, aletleri işaret edecek ve hangi verilerin ne zaman toplanacağını söyleyecek birine ihtiyacınız olacak. Muhtemelen uzay aracında gezinmeniz ve yörünge belirleme ve manevra oluşturma için bir ekip tutmanız gerekecek. Eğer bu bir numune iadesi ise, o zaman birine şeyi bulması, alması ve iade edilen numuneler üzerinde bilimi yürütmesi için ödeme yapmanız gerekecektir. 100 yıl sonra.

Mükemmel derecede iyi birçok uzay aracı, parasızlık nedeniyle kapatıldı. Gelecekte bunu yapma tehditleri devam ediyor.

Muhtemelen bir çok sorun vardır, ancak bazı kolay olanlarla başlayalım:

• Termal bisiklet

Aracın her iki tarafı farklı Bir taraf güneş ışığında, diğer taraf gölgede olacağından sıcaklık oldukça yüksektir. Apollo'nun aya giderken yaptığı gibi çevirme rulo yapabilirsiniz, ancak bu, yeryüzünde bir antenle kilitlenmeyi daha zor hale getirir.

Ne olursa olsun, araç hangi malzemeden yapılırsa yapılsın genişler ve büzülür , sıcaklıklardaki geniş dalgalanmalar nedeniyle çok fazla ve bu aşınma ve yıpranmaya neden olur.

Kaynak ve lehim çatlayabileceğinden devre kartları buna pek iyi gitmez.

• Radyasyon hasarı

Yeterli korumaya sahip olmayan elektronikler, doğal olarak karşılaşacakları yüksek enerjili protonlar veya beta radyasyonu ile boğulacaktır.

Koruma ne kadar iyi olursa olsun, 100 yılı aşkın bir zaman dilimi içinde bir miktar hasar meydana gelme olasılığı yüksektir.

Güneş panelleri zamanla bozulur, dolayısıyla hangi güç kaynağını seçerseniz seçin, Şu anda pek olası olmayan 100 yıllık zaman diliminde ayakta kalmalıdır.

• Sarf malzemeleri

İstasyon tutma / yörünge düzeltme için kullanılan her ne olursa olsun, sonunda tükenecektir.

• Güç Sistem süresi
• Mekanik aşınma
  • termal döngü
  • hasara etki
  • operasyonel titreşim
  • sürtünme aşınması
• radyasyon hasarı
• Malzeme seçimleri

Güç Sistemi Süresi

Bir uzay aracına bir güç kaynağından daha temel bir ihtiyaç yoktur. En eski uyduların bazıları dışında, uzay araçları temelde elektronik sistemlerdir.

Radyo-termal jeneratör uzun süreli bir cihaz olsa da, birincil arıza noktaları termokuplların aşınmasıdır. Voyager sondasının 470We çıkışı artık önemli ölçüde azaldı - yakıt azalmasına bağlı olarak hala 350We civarında olmalı ... ama şu anda 300 watt'ın altında. Birçok eski nesil prob, RTG termokupl korozyonu nedeniyle çalışmayı durdurdu.

Güneş panelleri de zamanla bozulur, bu da diğer faktörlerin bir kombinasyonu ne kadar hızlıdır. Yine de, güneş enerjisi kesildiğinde, uydu ölür.

Tam bir nükleer reaktör, uzay aracı için en kompakt ve güçlü elektrik kaynaklarından biridir. Isıdan elektriğe dönüşüm sistemleri, RTG'lerinkinden farklı olmayan, korozyon ve radyasyon hasarı, artı yakıt sınırı sorunlarına sahiptir. Yakıt kullanıldıktan sonra kullanılır. Ayrıca, yakıt kullanılsın veya kullanılmasın bozulur; uranyum-233, 234, 235, 238 için çürüme önemsizdir, ancak kendisi diğer sistemlere zarar verebilir.

Mekanik Aşınma

Çeşitli mekanik aşınma kaynakları önemlidir. En önemlisi termal döngüdür - bir nesne ısındıkça genişler (4 ° C'nin altındaki su gibi birkaç istisna dışında) ve soğudukça daralır. Bu, bükülmeye ve kırılganlığa ve hatta bileşenlerin çatlamasına neden olabilir. Bunun kaynakları arasında aletlerin çalıştırılması, alınan güneş ışığı ve operasyonel sıvıların havalandırılması (kasıtlı olsun ya da olmasın) bulunur.

Çoğu uzay aracı hareket halindedir. Bu aynı zamanda yerel uzay ortamında başka nesnelerle karşılaşma olasılıklarının yüksek olduğu anlamına gelir. Bu tür nesnelerle etki, güneş panellerinin arızalarının birincil nedenidir ve aynı zamanda çeşitli sensörlerin arızalarına da neden olabilir. Aynı zamanda hem düşük seviyeli olaylar (güneş rüzgarı hasarı gibi) için oldukça öngörülebilir hem de yüksek enerjili olaylar (insanlar bunu "etkiler" olarak adlandırabilir) için oldukça öngörülemez.

Operasyonel titreşim, cihaz çalıştırma döngüsü ile üretilebilir, aletleri hareket ettirmek için motorlar ve küçük darbeler. Termal genleşmede olduğu gibi, bu aynı türden bükülme hasarına neden olur. Ayrıca, uygun şekilde tasarlanmamışlarsa konektörleri gevşetmek için de not edilir; çoğu uzay ajansı bunu hesaba katıyor.

Sürtünme aşınması, A parçasının B parçasının üzerinde hareket etmesinden kaynaklanan herhangi bir aşınmadır. Genellikle tahmin edilebilir, ancak aynı zamanda bir ısıtma kaynağıdır ve dolayısıyla termal genleşmenin mekanik aşınmasıdır. Çoğu sürtünme aşınması uzay aracı için tahmin edilebilirdir; inişçiler / geziciler için, çevresel değişkenler nedeniyle daha azdır.

Radyasyon Hasarı

Radyasyonun uzay aracı üzerinde birden çok etkisi vardır.

Radyasyon, katı hal elektroniği; mikro devre ne kadar küçükse, bunun etkisi o kadar fazladır. Bu etki genellikle uzun vadeli kullanım ömrü açısından önemli değildir, ancak değişen kod nedeniyle ani sonlandırmalara neden olabilir. Ayrıca rutin olarak korumalıdır.

Malzemeler üzerindeki radyasyon, özellikle metallere karşı alfa ve beta izotopik değişikliklere ve / veya fisyona (normalde "bölünemeyen" materyallerde bile) neden olabilir; Zamanla bu, aşamalı olarak iletkenlik, kırılganlık ve gerilme mukavemetinde değişikliklere neden olabilir. Bu değişiklikler özellikle yavaştır, ancak RTG'ler ve Nükleer Reaktörler için gereken hususların bir parçasıdır.

Radyasyon, devre bitlerini kaldırarak (partikül) veya devreleri aşırı yükleyerek (EMF ve elektron radyasyonu) devreye doğrudan zarar verebilir. Bunlar korumalı olabilir ve genellikle öngörülebilir, ancak değişikliklere tabidir.

Radyasyonla ilgili en büyük sorun, uzay aracının birden fazla radyasyon kaynağı (antenler, RTG'ler ve / veya nükleer reaktörler) taşıması ve hem gemideki hem de gemideki kaynakları hesaba katacak şekilde tasarlanması gerektiğidir.

Malzeme Seçimleri

Kullanılan tüm malzemeler uzun süreli dayanıklı değildir. Bazıları kendi reaktiviteleri için seçilir - bu, kimyasal deneylerdeki reaktifler ve yakıtlar için geçerlidir - ve diğerleri beklenen çalışma ömrü boyunca belirli özellikler için geçerlidir.

Seçime göre reaktivite örnekleri, iticiler için hidrazin ve çeşitli Marslı karaya iniş uçakları üzerinde yapılan birçok kimya deneyi.

İstenen belirli özelliklerin örnekleri, yakıt sistemlerindeki conta malzemelerini içerir - contalar zayıf bir noktadır ve zamanla bozulur, ancak beklenen süreleri için yeterince kararlıdır. NASA SRB'lerinde kullanılan contalar, örneğin bir dizi sıkıştırılmış gaz vanası veya ISS hava kilidi kapısındaki contalardan farklı bir malzemedir.

Yüz Yıllık Misyon?

Termokuplların uçuş sırasında değiştirilebilmesi koşuluyla, radyo-termal jeneratörler muhtemelen bu kadar uzun süre faydalı olacak şekilde tasarlanabilir.

Hem yakıt sızıntısı hem de doğal sebeplerden dolayı yararlı tahrik sistemleri son derece sınırlı olacaktır. Sınırlı delta-V sorunları.

Bu sürenin mekanik aşınması bir sorundur - modern malzemeler bu tür süreler için yeterince test edilmemiştir ve yarı modern malzemeler nadiren bu tür bir süre için dayanıklılığa sahiptir.

Bir ölü düşme hedef araştırması, 100 yıllık bir görevi, yani sadece tespit için bir hedef olan ve aktif gereksinimleri olmayan bir sondayı, etkileri engelleyerek kolayca başarabilir, ancak süreler arttıkça etkiler önemli ölçüde artar. daha olası.

Ve benzer şekilde, Pioneer 10 ve 11 görevlerinin, düşük güç nedeniyle (çoğunlukla termokupllardaki korozyon kayıplarından kaynaklandığından şüphelenilen) probların kendilerinin yanıt verememesine rağmen, hala çalıştığı kabul edilmektedir; misyonlarının küçük bir kısmı aptal hedefler olmaktı. Mevcut teleskop teknolojisi ile bulunabilirler ve böylece pozisyonları izlenir ve görevlerinin devamına izin verir. Ancak aktif görev aşamaları 1990'larda sona erdi.

Referanslar

• http://www.nasaspaceflight.com/2013/09 / the-unknown-voyager-1-starts-interstellar-space-adventure /
• http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1

Mark Adler, bunun bir finansman meselesi olduğu konusunda iyi bir fikir veriyor, ancak her zaman olduğu gibi, madalyonun iki yüzü var. Benzetme yaparsak, yüz yıl çalabilecek bir müzik kutusu yaparsak, onu on sentle besleyecek birine de ihtiyacımız olur. Gerçekten o kadar dayanıklı olsaydı, içine para attığın kadar müzik de çıkarırdın. Ama aynı zamanda ilk yatırımınızı yüz yıl amorti ediyorsunuz ve bu çok fazla kuruş demek. Madalyonun diğer kısmı da bu. Müziğini yüz yıl dinlemeyi kabul etsek, onu kim inşa ederse zengin ederdi. Analojiden uzaklaşacak olursak, bizim durumumuz açısından zengin, tek bir uzay sondasıyla yapılan çok sayıda değerli bilim anlamına geliyor.

Dolayısıyla ekonomik anlamda, bu açıkça arzu edilebilir olmalıdır. Siyasi anlamda, tek bir melodiden oldukça hızlı bir şekilde bıktık (okuyun: bunun için faturaları imzalayan başka politikacılar da olacak), bu nedenle cihaz birçok farklı zevke hitap etmelidir. Yani, bir asır boyunca finansmanını mazur gösterecek bir teşvik, siyasi bir motivasyon olmalı. Bu kadar uzun süre dayanacak şekilde inşa etmekten daha zor olabilir. Ancak bunu yapabileceğimizi ve uzay aracını inşa etmenin ve fırlatmanın ilk büyük maliyetlerini yüz yıl içinde amorti etmeyi seçtiğimizi varsayarsak, ondan paha biçilmez bir bilim ve onun için geliştirilen tüm yan teknolojiler çok daha kısa sürede elde ederiz. hatta.

Elbette, bu kadar uzun süre çalışacağını varsayarsak. Ve bu tek başına kolay bir başarı olmazdı. Güneş'ten uzaklaştıkça, yenilenebilir enerji kaynakları kıt ve olanaksız hale gelir (güneş ışınımı, kaynağa olan uzaklığa ters bir kare ile azalır), bu nedenle uzun süre dayanacak bir güç kaynağını paketlemeniz gerekir. Yolculuğun ilk ayağı için, güneş ışınımlı enerji olayı hala yüksekken güneş panelleri kullanılabilir, ancak sonunda depolanan enerji kaynaklarına, örneğin RTG 'lere güvenmeniz gerekir. Bu noktada, pil boşalması, radyoizotop bozunması vb. Nedenlerle aşırı ısı üretmeye başlarsınız.

Bu ısının bir kısmı, uzay aracının kendisini ısıtmak ve tüm ekipmanını termal ortamın içinde tutmak için kullanılabilir. için tasarlandığı zarf. Ve güneş panelleri artık fazla ısı radyatörleri olarak ikiye katlanabilir, ancak zaten itici gazların üzerinde bir sarf malzemeniz daha var ve şimdi uzay sondasını daha önce olduğu gibi döndürerek kolayca halledilemeyen yerel ısı cepleri üretiyorsunuz. Dış radyasyon kaynaklarına yakınlık nedeniyle iç Güneş sistemi (en büyük endişeniz artık içeriden geliyor), bu nedenle artık tüm uzay aracı termal genleşme nedeniyle aşınma ve yıpranmaya maruz kalıyor ve yalnızca hareketli parçaları değil (daha az sık sık operasyondan kaynaklanan hasarı azaltmak için, ancak bu seçenek termal genleşme için gerçekten mevcut değil).

Bu sorunlar çözülebilir mi? Muhtemelen, ancak yüz yıllık bir operasyonu garantilemek zor bir iştir ve bu ya henüz bilmediğimiz malzeme biliminde ilerlemeler gerektirecektir ya da uzay sondasının fazlalık göz önünde bulundurularak inşa edilmesi gerekecekti. aynı acımasız ortama maruz kalsalar bile bekleme birimlerinin geri kalanını çalışır durumda tutarken, çalışan bir bileşene başarısız bir bileşen. Materyal biliminde (ve diğer alanlarda) büyük ilerlemeler olmadan bugün de fazlalık olan bir uzay aracı inşa edebilirdik, ancak ağır, fırlatılması zor, kendi itici güçlerinden daha fazlasını tüketecek ve ulaşması daha uzun zaman alacaktı. ilgi alanları (yani, genellikle roket denkleminin tiranlığı olarak adlandırdığımız şey), parçalarının başarısız olma olasılığının artmasıyla daha da karmaşık hale gelir (örneğin, iyi bir örnek, RAID disk dizileridir. yedeklilik nedeniyle çalışma ömürleri uzatılabilir, sadece aynı muhafazayı paylaşarak daha fazla ısı üretmesi için birim başına daha kısa ömre sahip olabilir) ve belki de daha da önemlisi, esasen pek çok uzay sondası hiçbir avantaj olmadan tek bir taneye doldurulmuş olabilir. sadece çeşitli yönlerde, her biri 10-20 yıllık beklenen operasyona sahip birçok ürünü piyasaya sürmekten daha fazlası. Ve bunlardan birinde veya birkaçında öngörülemeyen bir şey olursa, diğerleri olay sırasında güvenli bir mesafede ve başka bir yerdeydi.

Bu da beni vurgulamak istediğim noktaya getiriyor. Muazzam zorluklar olsa bile, muhtemelen yapabilirdik, ancak yatırım için, basitçe, çalışacakları hedefler için daha özel olabilecek birden çok, daha basit ve daha az dayanıklı uzay sondalarına sahip olabilirsiniz. hepsinden daha uzun süre dayanırdı, ama gemide yüz yıllık bilimsel ekipman taşırlar Yüz yıl süren bir uzay aracının hiçbir faydası yok. Bence bu, bir uzay aracının ömrünün nihai sınırıdır. Bununla kendi sabrımız.

Geoffc'ın cevabına ek olarak, birkaç tane daha vereyim.

• Piller- Sonunda bunlar tükeniyor. Bu, diğer görevler kadar değil, LEO görevleri için biraz anlaşmadır.
• Mekanik arıza- Tepki çarkları en yaygın olanıdır, sadece olayların sonsuza kadar dönmesini sağlayamazsınız.

Güneş içi yolculuk, alçak dünya yörüngesinden çok daha öngörülebilir ve daha az serttir, bu nedenle, bir şeyi 100 yıl ayakta tutacak malzeme ve teknolojiye sahibiz. Sorun, elektrik güç sistemlerinin, özellikle güneş panellerinin ve pillerin kimyasal olarak ayrışmasıdır. Açıkçası yedek bileşenlere ihtiyacımız var. Ancak yedekler, yedekler dağıtılmadan önce meydana gelen kimyasal bozulma sorununu çözemez. Bu nedenle, sınırlayıcı faktör, elektrik güç bileşenlerinin kullanılmadıklarında ne kadar hızlı bozunduğudur.

Mühendislerin Uluslararası Uzay İstasyonunu 15 yıl boyunca havada tutarken karşılaştığı sorunlar göz önüne alındığında diğer tüm sorunlar çözülebilir. .

Termal hususlar: test ve analiz yoluyla çözüldü. Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki termal ortamın, her 90 dakikada bir güneş ışığına girip çıktığı için insansız bir intra güneş sondasından çok daha karmaşık olduğunu düşünün. ISS ayrıca yüksek yörünge açılarında günlerce doğrudan radyasyona dayanır. İnsan yaşam alanları, insansız bir sondanın içindeki inorganik ekipmanı korumak için gerekenden çok daha fazla koruyucu termal koruma gerektirir. Büyük yaşanabilir modüller, diğer büyük ekipman parçalarıyla yakın bir şekilde gruplandırılır ve mekanik bağlantılar ve diğer sistemler üzerinde gölgeler oluşturarak karmaşıklığa katkıda bulunur. Bizim probumuz, büyüklük sıraları daha küçük olacaktır ve nispeten statik termal ortam nedeniyle tüm termal durumları kapsamak için çok daha az analiz gerektirir.

Mekanik hususlar: test ve analiz yoluyla çözüldü. Mekanik ekipmanın kullanım ömrü, hizmet süresi ile ölçülememelidir. Bir otomobilin değerini yaşa göre değil, kat edilen kilometre sayısına göre ölçmemizin bir nedeni vardır ve "otoyol milleri", "şehir millerinden" daha az sıkıntı verici olarak kabul edilir. Aynı kavram uzay yolculuğu için de geçerlidir; güneş içi seyahat, 'otoyol millerini', gezegen yörüngesini 'şehir millerini' temsil eder. Mekanik bir bağlantı, gerekli "döndürülen derece" veya "açma / kapama" döngüleri gerektirebilir. Bu rakamlar, özellikle yıllarca güneş sistemi boyunca hareketsiz bir şekilde kayması amaçlanan bir ekipman parçası için önceden bilinecekti. ISS'de, ikisi son birkaç yıldır 90 dakikada bir ~ 360 derece hareket eden çok sayıda döner bağlantı vardır. Temel olarak, 100 yıllık hizmet ömrüne sahip mekanizmalar yaratacak teknolojiye sahibiz.

Diğer Ortam analiz yoluyla çözüldü: asteroit kuşaklarından kaçının, muhtemelen iyi olacaksınız. Sondaya bir asteroit çarpıp çarpmayacağı konusunda bir derece belirsizlik var , ancak benim tahminime göre gezegenler arası uzaydaki enkaz akışı, alçak yeryüzüdekinden çok daha düşük. Yörünge şu anda ISS tarafından işgal ediliyor.

Boş uzayda sürüklenerek 100 yıl sürecek bir nesne inşa edebiliriz. Bu, insan ölçeğinde uzun bir süre gibi görünüyor, ancak uzay aracında kullanılan iyi anlaşılmış malzemeler açısından hiçbir şey değil. Asıl soru, araştırmadan ne yapmasını istediğimizdir.

yörünge mekaniğini görmezden gelerek ve yalnızca güç yönetimi ve diğer benzer konulara odaklanarak günümüz teknolojisi kullanılarak yapılabilir mi?

Evet. Bu, olasılıktan çok bir fizibilite meselesi. Güneş panelleri bozulur, piller deşarj derinliklerini azaltır, reaksiyon çarkları momentum yanıklarına ihtiyaç duyar, ancak tüm bunlar sadece daha büyük / daha yüksek ömür başlangıcı performansının gerekliliğini belirtir. Örneğin, kullanım ömrü sonunda güneş panellerinden 5W'lık bir güce ihtiyaç duyarsak ve panellerin her yıl% 1 oranında azaldığını bilirsek, panellerin (1-0.01) ^ 100 = 0.634 * orijinal güç çıkışında çalışacaklarını bilirsek hayat. Öyleyse, gerekli yaşam gücünü bulmak için 5W / 0.634 = 7.88W yapabiliriz. Bu nedenle, 7.88W verecek uygun boyutta güneş panellerine ihtiyacımız var. Bu sayıların hiçbiri gerçekten uygun değildir, bozulma çok daha yüksek olabilir ve ihtiyaç duyulan güç de muhtemelen çok daha yüksek olabilir.

Mekanik arıza farklı bir konudur. Bununla baş etmenin tipik yolu, başarısızlık olasılığını hesaplamak ve olasılığın kabul edilebilir bir eşiğin altında olması için yeterli fazlalık sağlamaktır. Bu, uzay aracının kütlesini ve fiziksel boyutunu artıracaktır.

Özetlemek gerekirse, 100 yıllık bir süre için bir uzay aracı inşa etmek mükemmel bir şekilde mümkündür. Ancak böylesine büyük bir uzay aracının fizibilitesinin elverişli olması pek olası değildir.

Son bir nokta, son derece hassas yörünge mekanikleriyle bir uzay aracını güneş sistemi turu sağlayacak bir yörüngeye yerleştirebilir ve Dünya'ya geri çarpmasını sağlayın. Bu uzay aracının bu yolculuğun veya sonraki çarpışmanın herhangi bir noktasında çalışmasına gerek yoktur. Ancak bu, gereksinimlerinizi karşılar.

Voyager 1 ve 2, 36 yıldır faaliyettedir; Bugüne kadarki en uzun süreli uzay görevlerimiz olduğuna inanıyorum. Hala çalışır durumdalar. Radyotermal güç jeneratörleri muhtemelen on yıl kadar sonra tükenecek, ancak Voyager benzeri bir sondanın 100 yıllık bir ömre sahip yapılamaması için herhangi bir temel neden görmüyorum. Daha fazla / daha büyük RTG'ler daha uzun süre dayanır, ancak gemiye ağırlık eklemeyi gerektirir ve bunun için sensör yükünü azaltarak veya daha büyük bir fırlatıcı kullanarak ödenmesi gerekir.