9170官方金沙-9170官方金沙入口-金沙9170登录线路最新地址 -行业NO1-NAE网站-太空发射50年:终于富足了?

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大桥:50周年纪念特刊

2021年1月7日, 体积 50 问题 S

本期特刊以50篇文章展望工程创新的下一个50年，庆祝NAE旗舰季度出版的第50年. 工程技术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:终于富足了?

2020年12月23日，星期三

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, 两者是人类生存的关键，也是伟大的灵感来源吗.

但目前的一次性火箭使进入轨道的费用过高, 最大可运输载荷随着距离的增加变得越来越小. 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，这将消除这些限制, 加快发展航天经济，让更多人口享受到太空旅行.

与发射丰富, 全新类型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带来到达其他宜居行星的令人兴奋的可能性. 也许有一天，人类甚至会与共享9170官方金沙-9170官方金沙入口-金沙9170登录线路最新地址 -行业NO1刚刚开始探索的浩瀚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两个载人往返近地轨道(LEO)的国家. 但今年，在NASA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. 一个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打算飞到低地球轨道以外的太空, 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

太空旅行花费惊人的一个主要原因是这些火箭是消耗品. 整个摩天大楼大小的火箭在一次飞行后被丢弃, 只有栈顶的小太空舱能在发射后存活下来，继续完成任务. 想象一下，如果飞机每次飞行后都被扔掉，空中旅行将会是什么样子! 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，航天公司重新激发了人们对可重复使用发射器的兴趣. 维珍银河和蓝色起源正在开发可重复使用的亚轨道发射装置，可到达大气层边缘, 提供几分钟的失重状态. 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重用. 50多次成功着陆, 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空间加油实例, 在火星上就地生成推进剂, 以及控制上一级和助推级的着陆，以便向火星和火星之间发送前所未有的有效载荷. 来源:SpaceX.}

需要突破

可重用性是不够的. 太空飞行器必须实现像飞机一样的操作，成本接近推进剂的下限. 需要五个突破:

助推级的推进、精确着陆(已经在猎鹰上演示过)
依靠甲烷和氧气运转的高性能发动机, 与化石燃料推进剂相比，在行星(如火星)上有合适的元素(碳, 氢, 和氧气)
太空加油, “重置火箭方程式”，大幅增加可发射到遥远星球的有效载荷
控制进入和上一级的推进着陆, 无论是在大气层很厚的行星(地球)上, 没有大气层(月球), 或者介于两者之间(火星)
足够的有效载荷容量，以运送货物和人员进行长途飞行.

SpaceX正在创造一种符合所有五个标准的运载工具——星际飞船. 它将100%可重复使用，有效载荷舱8米宽，17米高, 是目前火箭的两倍多. 它将把100吨的重物送到低地球轨道, 火星表面, 或者——木星, 使当今最强大的(消耗性的)火箭的能力相形见绌.

除了发射稀缺

完全可重复使用的火箭将创造一个发射充裕而不是发射匮乏的世界, 对于任何想要探索外太空的人来说，什么是最重要的呢. 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下降时, 航天器设计者们一直痴迷于最小化质量和体积，这一点也不奇怪. 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).

放松或取消发射稀缺性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，而使用常见的金属，如钢.
现成的组件可以在没有尺寸和质量限制的情况下更方便地使用.
复杂或结构复杂的设计，如折叠机构将不再需要.
可以容忍成本更低、风险更大的太空任务，同时降低进入的财务障碍.

进一步的选择

符合上述标准的运载工具将使全新的太空任务成为可能:

更大的空间望远镜，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, 与需要来自行星的重力辅助的复杂轨迹相比，它的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. 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到太空
在月球或火星上建立永久的人类基地.

最后一个是最终目标:在地球之外建立一个自给自足的文明. 这一伟大的事业只有在未来发射大量卫星的情况下才有可能实现——这将在未来50年成为现实.

致谢

作者们感谢Rob Manning, 蒂姆McElrath, 米格尔·圣·马丁, 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. 摧毁天文学的望远镜. 自然467 (7319):1028 - 30.

美国政府问责局. 2019. 詹姆斯韦伯空间望远镜:机会即将来临，为项目提供额外的保证，以满足新的成本和进度承诺(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, 和21人. 2019. 山猫x射线天文台:概述. 天文望远镜、仪器与系统杂志5(2):021001.

Gristey JJ, Chiu JC, Gurney RJ, Han S-C, Morcrette CJ. 2017. 利用理论卫星星座在高时间分辨率下测定全球地球输出辐射. 地球物理研究杂志:大气122:1114-31.

Lam T, Arrieta J, Buffington B. 2015. 木卫二任务:多次木卫二飞过弹道设计交易和挑战(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, 和16人. 2016. 宜居系外行星(HabEx)成像任务:初步的科学驱动和技术要求. 学报》卷9904, 空间望远镜与仪器2016:光学, 红外, 和毫米波, 小君26-Jul 1, 爱丁堡.

美国国家航空航天局. 2019. LUVOIR:最终报告. 华盛顿. 在http://asd在线.戈达德宇航中心.美国国家航空航天局.gov / luvoir /报告/ LUVOIR_ - FinalRe port_2019-08-26.pdf.

美国国家航空航天局监察长办公室. 2016. NASA商业乘员计划:开发和认证工作的最新进展(报告No .. 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的管理(第1号报告). IG-19-019). 华盛顿:美国宇航局审计办公室.

RT沃特公司. 2019. 行政管理和预算局致理查德·谢尔比阁下的信, 总统执行办公室, 10月23日. 华盛顿.

关于作者:格温·肖特韦尔(NAE)是总裁兼首席运营官，拉尔斯·布莱克莫尔是火星登陆高级首席工程师, 在SpaceX.