Как Россия и Соединенные Штаты вместе осваивают космос

Оригинал взял уzelenyikot тема: Как Россия и Соединенные Штаты вместе осваивают космос



Сотрудничество в космической сфере противоборствующих в «холодной войне» сверхдержав началось задолго до окончания этой войны. А с приходом 90-х годов ученые и инженеры России и США смогли наконец свободно обмениваться опытом, проводить совместные исследования и открывать космос друг для друга и для всего человечества. Сегодня совместная работа продолжается, хотя и есть поводы переживать о ее будущем. Совместно с научно-популярным порталом "Чердак Наука" рассказываем, как развивалось и устроено сотрудничество стран — пионеров космонавтики.

Помнишь, как всё начиналось?

Одним из самых ярких примеров советско-американского сотрудничества была программа «Союз — Аполлон», которая завершилась в 1975 году стыковкой космического корабля «Союз-19» и Apollo. После стыковки и возвращения с орбиты совместная работа в пилотируемой космонавтике оказалось свернута почти на 20 лет, но технические результаты легли в основу дальнейшего сближения уже в 90-е.

Менее известны примеры сотрудничества ученых США и СССР в исследовании дальнего космоса. Так, в 1964 году советскому астрофизику Аркадию Кузьмину потребовалось провести эксперимент по определению степени поляризации радиоизлучения Венеры, чтобы установить температуру поверхности ближайшей к Земле планеты. Предыдущие данные по собственному радиоизлучению Венеры давали противоречивые результаты о высокой и умеренной температуре на поверхности, и уточнить данные можно было только при помощи американского радиоинтерферометра «Оуенс-Велли». Кузьмин отправился в США, провел наблюдения совместно с американскими коллегами и подтвердил, что Венера — действительно горячее место. Это позволило улучшить конструкции автоматических зондов и совершить успешную посадку «Венеры-7» в 1970 году. (Подробнее можно прочесть в книге Павла Шубина pilot_pirks «Венера. Неукротимая планета».)

Неоднократные совместные эксперименты проводили в 60—70-х годах советские и американские астрофизики. В октябре 1969 года 43-метровый радиотелескоп американской обсерватории Green Bank объединился с 22-метровым радиотелескопом Крымской астрофизической обсерватории в единый радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ).



А в 70-е годы в гигантскую РСДБ-сеть вошли уже практически все крупные радиотелескопы Земли, независимо от политических предпочтений руководства стран, в которых они размещались.

Известен пример американской помощи советским водителям «Лунохода-2», который высадился на спутнике Земли в январе 1973-го. В те же дни на международной конференции в Москве американские ученые передали 17 снимков лунной поверхности, полученные в ходе полета Apollo 17. На снимках был регион, где села «Луна-21» с «Луноходом-2» на борту. Советский Союз на тот момент не имел технической возможности получить снимков Луны подобного качества, поэтому американские дары очень помогли им в планировании маршрута экспедиции. Отчасти благодаря этой помощи «Луноход-2» смог пройти в четыре раза больше своего предшественника.

С 1971 года начала работу советско-американская совместная рабочая группа по исследованиям в области космической медицины и биологии, которая продолжает работу в настоящее время.

Ракеты и двигатели

В 90-е годы, с прекращением «холодной войны», между учеными и инженерами США и России практически не осталось никаких препятствий, связанных с политическими противоречиями государств. Кроме сотрудничества в науке и технике большая работа была проведена для выведения российских ракет на международных рынок. В США были созданы компании International Launch Systems и Sea Launch для продажи мест на российских «Протонах» и российско-украинских «Зенитах», с тех пор на российских ракетах в космос были запущены сотни спутников, в том числе и американских.

Российские конструкторы ракетных двигателей, создававшие двигатели для советской сверхтяжелой ракеты «Энергия», получили миллиардный контракт на сотню двигателей для американских средних ракет Atlas III и тяжелых ракет Atlas V. НПО «Энергомаш» создало совместное предприятие RD Amros с американской Pratt & Whitney с целью продажи двигателей и передачи технологий американцам.



Однако свое производство они так и не наладили, ограничившись заказами из России.

Тогда же американские производители ракет заинтересовались советскими двигателями НК-33, которые находились в консервации на СНТК имени Н.Д. Кузнецова в Самаре. Совместно с российскими инженерами представители компании Aerojet проводили испытания и занялись модернизацией двигателя, который стал называться AJ-26. Aerojet приобрело 37 двигателей НК-33 по цене $ 1 млн за штуку. Первый полет AJ-26 состоялся в 2013 году на ракете «Антарес» компании Orbital. Прошло четыре успешных пуска, но на пятом, в 2014 году, произошло разрушение двигателя, и в дальнейшем от самарских двигателей отказались.



Тем не менее Orbital сохранила интерес к российскому двигателестроению и заказало партию из 20 двигателей РД-181 на НПО «Энергомаш» за $ 224,5 млн.

"Мир"

В 90-е же началось активное сотрудничество инженеров, ученых, космонавтов и астронавтов США и России в пилотируемой космонавтике. В 1994 году NASA выделило $ 400 млн на продолжение эксплуатации и модернизацию бывшей советской долговременной орбитальной станции «Мир». Российское предприятие РКК «Энергия» получило контракт на создание стыковочных узлов для американских Space Shuttle, чтобы те могли стыковаться с «Миром». Пригодились технологии, которые обеспечили стыковку «Союза» и Apollo в 1975-м. В ходе программы «Мир» — «Шаттл» американские челноки совершили 11 полетов к станции «Мир» и семь раз стыковались с ней.



На $ 100 млн из США в России смогли подготовить к запуску модули «Спектр» и «Природа» — после их пристыковки к «Миру» американские астронавты использовали их как свои лабораторные и жилые модули. Всего на «Мире» астронавты пробыли около 1 тыс. дней, проводя эксперименты, набирая опыт длительных орбитальных полетов и взаимодействия международных экипажей. Тогда же начались первые смешанные полеты космических кораблей, когда на американских шаттлах летали российские космонавты, а на российских «Союзах» — астронавты.

В таком космическом сближении Америкой двигал не только альтруизм или стремление к освоению космоса. Каждая сторона учитывала и политические, и технологические, и экономические факторы. Важным мотивом выделения средств на поддержку российской космонавтики (а по факту — спасение) стала обеспокоенность Госдепа вопросами распространения ракетных технологий. Внешнеполитические интересы США состояли в том, чтобы российские ракетно-космические технологии оставались в России. Российские ракеты внесли важный вклад в развитие космической экономики, предоставив доступ в космос многим мировым, и в том числе американским, коммерческим производителям и операторам спутниковой техники. Тем временем NASA получало важный опыт создания и эксплуатации долговременных орбитальных станций, т.к. со времен Skylab в 70-е и до самого «Мира» американские астронавты не совершали полетов длительностью свыше двух недель.

МКС

Весь опыт совместных полетов к «Миру» был развит в программе Международной космической станции, которая строилась в 2000-е из российских и американских модулей, с добавлением европейских и японского. Здесь тоже не обошлось без финансовой поддержки со стороны США: первый модуль «Заря», ставший первым в МКС и входящий в российский сегмент станции, фактически принадлежит NASA и создавался ГКНПЦ им. Хруничева за $ 220 млн. Еще один российский малый исследовательский модуль «Рассвет» запускался американским шаттлом.



Конструкция МКС предполагала неравнозначное использование модулей. Значительная часть функций управления полетом станции лежит на российском сегменте и служебном модуле «Звезда». Коррекция орбиты производится либо при помощи двигателей «Звезды», либо при помощи пристыкованных российских грузовиков «Прогресс». Также через российский сегмент и «Прогрессы» осуществляется водоснабжение станции и заправка топливных баков «Звезды». Американский сегмент станции по большей части состоит из лабораторных модулей, и при помощи американских солнечных батарей обеспечивается электропитание всей станции. Также в основном через американскую систему спутниковой связи TDRS осуществляется передача данных и связь с Землей, включая телетрансляции. Российские системы связи работают напрямую с Землей, и только тогда, когда станция пролетает над Россией. Только сейчас на российском сегменте осуществляется установка и настройка оборудования для связи через отечественную спутниковую систему «Луч».

После 2011 года, когда закрылась программа Space Shuttle, на Россию легла ответственность за доставку всех экипажей МКС. Практически на каждом пуске трехместного российского «Союза» к станции отправлялись один-два астронавта США, Канады, Европы или Японии. Американская сторона оплачивает «пассажирские места» на российских кораблях, и за все время существования МКС Россия получила около $ 3,4 млрд только за услуги «такси». Экипаж МКС составляет до шести человек, при этом там всегда присутствует один-двое русских, что суммарно отдает первенство России в количестве космонавтов на станции. В то же время основную финансовую нагрузку за станцию несет США, так что можно с большой долей уверенности утверждать, что российская пилотируемая космонавтика сегодня существует и развивается в значительной степени на американские деньги, ибо без МКС у нее не было бы смысла для существования.

Сотрудничество России и США не ограничивается пилотируемой космонавтикой, ракетами и двигателестроением. Продолжаются также совместные научные программы и исследование космоса.

Марс

В 2001 году к Марсу отправился зонд NASA Mars Odyssey. На своем борту он нес нейтронный спектрометр HEND, разработанный на деньги Роскосмоса в Институте космических исследований РАН. Задачей спектрометра было обнаружение воды в марсианском грунте на глубине до 1 м. За несколько лет водные запасы Марса в приповерхностном слое были картографированы, и ученые получили первые представления о распределении важного для жизни ресурса на, казалось бы, пустынной планете. Оказалось, что вода присутствует в грунте у экватора до 5%, а ближе к полюсам концентрация доходит до 70—90%.



В 2008 году данные с HEND были подтверждены непосредственным изучением водяного льда в приполярных областях Марса зондом NASA Phoenix.

В 2011 году на Красную планету полетела марсианская научная лаборатория, более известная как марсоход Curiosity. Среди десяти его научных приборов нашлось место и для российского нейтронного спектрометра DAN. На сей раз российским планетологам представилась возможность изучать Марс практически с поверхности. Марсоход прошел 17 километров, сканируя грунт в процессе движения. Оказалось, что на сухой местности у экватора, где с орбиты HEND показывает усредненные 5% воды, в разных участках концентрация может колебаться от 3 до 10%. Вероятнее всего, это не открытая влага или лед, а вода, находящаяся в химических соединениях вроде гипса.

Луна

Успех HEND способствовал продолжению совместных исследований. В 2009 году к Луне полетел спутник NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. В числе прочих приборов LRO доставил на низкую окололунную орбиту прибор LEND, который занялся поиском лунной воды. LEND был усовершенствован по сравнению с HEND при помощи т.н. «коллиматора», который позволял получать уточненные данные по местности. Например, обнаружилось, что высокая концентрация воды регистрируется не только в приполярных кратерах, что ожидалось, но и на вершинах приполярных гор, что не вписывается в современные физические модели устройства Луны.



Не первый год российские и американские планетологи прорабатывают возможность совместного создания космического аппарата для длительного пребывания на поверхности Венеры. Россия сможет внести в проект прежний советский опыт посадок на Венеру, а Америка — современную высокотемпературную электронику, которая сможет противостоять суровым условиями Утренней звезды.

РадиоАстрон

В астрофизике российские и американские ученые также сотрудничают, активно развивая начатое в советские годы направление в радиоастрономии. Сейчас на околоземной орбите летает российский радиотелескоп «РадиоАстрон» с диаметром зеркала 10 метров. Совместно с наземными радиотелескопами «РадиоАстрон» формирует радиоинтерферометр со сверхдлинными базами, превышающими в несколько раз диаметр Земли. Это дает уникальные возможности наблюдать удаленные источники радиоизлучения с высочайшей детализацией, которая недоступна наземным телескопам.



Практически все крупные наземные радиотелескопы работают с «РадиоАстроном», в том числе и американские: 100 метровая тарелка в Green Bank, всемирно известный Arecibo и другие. Более того, в обсерватории Green Bank в интересах «РадиоАстрона» работает уже известная нам 43-метровая тарелка, которая теперь занята приемом данных и траекторными измерениями нашего космического телескопа, когда он пролетает над Западным полушарием. В 2011 году ее модернизировали за российский счет, и сейчас ее работа является одним из немногих примеров, когда Россия платит Америке за услуги, а не наоборот.

«РадиоАстрон» — международный проект, поэтому любой радиоастроном из любой страны может разместить заявку и предложить наблюдения. От общего числа ученых, работающих в исследованиях «РадиоАстрона», американцы составляют 15%. При этом заявки, где авторами или соавторами являются американцы, составляют 63%, и с 2011 года по 2016-й этот объем практически не меняется.

Еще одно направление совместной науки — медико-биологические исследования на Земле, биоспутниках и на МКС. Совместные биологические эксперименты начались еще в 80-е годы у советских и американских ученых и впоследствии активно расширялись. Американские эксперименты отправлялись на орбиту в нескольких российских биоспутниках серии «Бион». Отчасти ученых США привлекал большой опыт российского Института медико-биологических проблем, отчасти — возможности проведения экспериментов на животных, с целью избежать возмущения американских зоозащитных организаций.



Наконец, сегодня в стенах ИМБП РАН реализуется новый международный научный проект SIRIUS, поддержанный со стороны Human Research Program NASA. Цель проекта — проведение серии изоляционных экспериментов длительностью от 14 суток до 1 года для подготовки длительных экспедиций в дальнем космосе.



В это же время Роскосмос начинает подготовку к совместному с NASA созданию окололунной посещаемой станции Lunar Orbital Platform-Gateway, которая сможет облегчить доступ к поверхности Луны и полетам на Марс. Эксперимент SIRIUS рассматривается как часть этой подготовки для будущего освоения Солнечной системы.

Небольшой апдейт к "Ядерной реальности космических баз"

Оригинал взят уtnenergy в Небольшой апдейт к "Ядерной реальности космических баз"

Год назад у меня был пост про различные проекты ядерных энергоустановок для обеспечения энергией будущих местообитаний человека на других планетах. И вот появились некоторые новые мысли, которыми можно дополнить прошлогодний пост.

Речь пойдет про южный полюс Луны, который с высокой достоверностью содержит довольно приличные по объему запасы воды в вечно затененных кратерах. В то же время "вечная затененность" отсекает простое использование солнечных батарей, которые при прочих равных выигрывают у ядерных источников электроэнергии с разгромным счетом. Однако, хорошо известно, что рядом с вечно затемненными кратерами располагаются и "пики вечного света". Мне всегда было интересно, насколько "вечным" является свет на этих пиках, насколько они велики, насколько сложной и дорогой будет в целом солнечная электростанция, которую там можно будет построить.


Район южного полюса луны, снятый японской станцией "Кагуйя" с обозначенными пиками вечного света. Эти же точки обсуждаются в тексте ниже.

Первый ответ на эти вопросы найти не сложно - пики “вечного” света, примерно десяток которых разбросаны в пределах 100 км от южного полюса, освещены не 100% времени. Для лучшей локации, расположенной на ободе кратера Шеклтон Солнце светит в течении 86% лунного года, а целом же “вечно освещенными” считают площадки, где Солнце светит больше 70% времени.

Однако за этим знанием встает более животрепещущий вопрос: а какова максимальная длительность периодов тени? Если солнечные панели на орбите земли уже имеют весовую отдачу в 100+ ватт на килограмм массы, то лучшие литий-ионные аккумуляторы космического исполнения - 100 ватт*час на килограмм массы. Уже через час аккумуляторы сравняются по весу с солнечной электростанцией, отдающей такую же мощность, через сутки превзойдут ее в 24 раза, а через неделю вес солнечной батареи окажется ошибкой округления на фоне веса АКБ. А тем временем на экваторе Луны ночь длится 2 земных недели…



Солнечные батареи UltraFlex космического аппарата InSight, имеющие весовую отдачу в 80 Вт/кг на орбите Земли.

Здесь легко ввести весовой критерий: если взять, к примеру проект лунной АЭС от NASA Fission Surface Power System (FSP) с полезной мощностью в 40 кВт и весом в 5800 кг, то просто солнечные панели будут легче примерно в 10 раз (с учетом веса поддерживающих конструкций: энергомассовое совершенство панелей дано для невесомости). Однако в условиях хотя бы суточных затмений FSP окажется уже в два раза легче, чем ВИЭ-электростанция.



Рендер АЭС FSP на Луне - сам реактор закопан в грунт, из которого торчит только большой радиатор-излучатель сбросного тепла

Теперь можно возвратиться к первому вопросу: какова длительность тени на пиках “вечного” света? Спасибо kiri2ll, который заметил, что эти данные появились на википедии, которая ссылается на статью 2010 года по моделированию освещенности южного полюса Луны. Исследователи отмечают две точки - “A” на ободе кратера Шеклтон и “B” на горной гряде в 10 километрах от этого кратера. Точка “А” освещена 81% времени в течении года, точка “B” - 82%. Однако затемнения этих кратеров происходят по разному - на ободе Шеклотона Солнце максимально отсутствует в течении примерно 90 часов, а в худшем лунном дне (который длится 28 земных) освещенность этой точки падает до 44% времени. Безымянному кряжу неподалеку от Шеклтона повезло больше (точнее может повезти будущим колонистам) - максимальная непрерывная длительность тени всего лишь 24 часа, хотя в худший месяц затененность составляет 56%, и включает в себя 12 дней, когда солнце выглядывает совсем не надолго, затем снова скрываясь на период от 12 до 24 часов.

Точка “B” при этом является местом с самым “вечным” светом на Луне, а совместно с расположенной в 5 километрах точкой A обеспечивает вообще 94% времени засветки Солнцем.



На этой диаграме показано моделирование освещенности в течении 6 месяцев (т.е. 6 лунных дней). Каждая точка показывает направление на солнце и его высоту (отрицательную относительно идеального горизонта) для периода в 1 земной день. Светлые цвета означают освещенность в течении всего дня, темные - что пик находится в тени какое-то время.

В отличии от ситуации расположения солнечной батареи на экваторе, где понадобится сверхтяжелый аккумуляторный бэкап, масса солнечной электростанции, размещенной в точке “B” и питающей поселение внутри кратера Шеклтон хотя бы сравнима с ядерной электростанцией, и теоретически дополнительный вес может окупиться за счет ухода от возни с радиационно-опасным объектом и за счет исключения расходов на разработку лунной АЭС. Но не спешите.



Топографическая карта окресностей южного полюса Луны. Круг до 80 градусов имеет диаметр 560 км, кратер Шеклтон, на ободе которого расположен сам южный полюс имеет диаметр 21 км. Как видно, по вертикали район южного полюса очень изрезан.

Есть еще одно соображение - дистанция. На картах может показаться, что между дном кратера Шеклтон и точки “В” рукой подать, на деле же между ними больше 20 км по горизонтали и 5(!) километров подъема. Даже здесь, на Земле, прокладка ЛЭП на такое расстояние по такой местности - крайне неприятное мероприятие, которого стараются избежать всеми силами. На Луне же, как мне кажется, этот момент ставит крест на красивой идее запитки “вечным светом”, во всяком случае в для поселения внутри кратера Шэклтон в обозримом будущем.



Карта NASA. где на южный полюс наложены основные дороги г. Хьюстон и нарисованы точки "вечного света"

Отсюда можно сделать вывод: несмотря на относительно положительные для солнечной энергетики цифры по освещенности пиков вечного света, любая серьезная активность в местах залежей водяного льда на Луне потребует ядерных энергоисточников, как минимум на начальном периоде.

Марсианские льды показались в профиль



Недавно были опубликованы снимки прямых наблюдений слоев льда под поверхностью Марса в средних широтах. Рассказываем краткую историю марсианской воды и последних новостей совместно с научно-популярным порталом «Чердак».
Collapse )

Обзор термоядерных стартапов мира, часть I

Думаю, очень полезным будет сделать обзор стартапов работающих в области термоядерной энергии. Почему стартапов, а не университетских научных команд, скажем? Стартап - это форма организации проекта с четко поставленной практической целью, и такая форма позволяет максимально жестко и четко тестировать разнообразные идеи практикой. В то время, как задача науки в целом - это добыча знаний без какой-то особой сортировки на “полезные” и “бесполезные” (бесполезные когда-то знания о том, что ток в проводе вызывает появление магнитного поля определяют нашу жизнь сегодня).


Спасибо за помощь в создании статьи Андрею Гаврилову.


Я попробую не только перечислить стартапы, но и оценить их “продвинутость” на этой магистральной дороге - от идеи о работающих термоядерных электростанций, построенных на базе этой идеи. Кроме того, я дам краткую характеристику по отношению экспертного сообщества к той или иной концепции термоядерного реактора. Для того, чтобы оценивать технологическую зрелость, предлагаю ставить баллы от 1 до 7 в соответствии с такой табличкой

Collapse )

ИТЭР: Диагностические сборки

Оригинал взят у tnenergy в ИТЭР: Диагностические сборки

Спросите себя, “почему ИТЭР строится так долго”? Если вы честно читали мои заметки по этому проекту, то первое что приходит в голову - “это запредельно сложная установка”.



Одна из двух десятков диагностических сборок реактора ИТЭР о которых сегодня пойдет речь.

Сложность инженерных сооружений - трудноизмеримая субстанция, в отличии, к примеру, от алгоритмов. Исторически, человечество непрерывно усложняло свои сооружения, машины и системы, и боролась c возрастающей сложностю проектирования как путем декомпозиции на более мелкие работы и выполнения их параллельно, так и стандартизации полученного опыта. Первый подход можно проиллюстрировать, например вот так: здание проектируется не путем отрисовки готовых кусочков со всеми элементами (структура, электрика, вентиляция, фасады, водяные коммуникации и т.п.), а параллельно из общей концепции разными людьми. Второй подход проявляется в использовании стандартных компонентов, проработке готовых алгоритмов и решений (“для медного провода проводки используется максимальное значение тока 8-10 ампер/мм2” - не надо каждый исследовать вопрос, какой ток не вызовет пожара, это уже положено в нормы и правила разработчика).

Collapse )

ИТЭР: Система питания электромагнитов

Оригинал взят у tnenergy в ИТЭР: Система питания электромагнитов

15 декабря в НИИЭФА прошли испытания мегаваттного резистора системы защиты сверхпроводящих катушек ИТЭР от потери сверхпроводяшего состояния (т.н. квенч). Магнитная система реактора ИТЭР превосходит все предыдущие магниты по величине запасаемой энергии - 55 гигаджоулей (12 тонн тротилового эквивалента), что в 5 раз больше предыдущего рекорда - 27 километрового магнита БАК. В случае потери сверхпроводящего состояния, эту энергию необходимо быстро отвести от катушек и сбросить в резисторы, пока катушки не поплавились.

Резисторная сборка мощностью 2,5 гигаватта, поглощающая до 55 гигаджоулей, изготавливается в России, в НИИЭФА им. Ефремова. Думаю, начало испытаний таких резисторов - повод рассказать о всей системе электропитания сверхпроводящих магнитов токамака ИТЭР.

Рис. 1. Модуль воздухоохлаждаемого резистора. Всего таких будет 1200 штук в системе защиты.

Collapse )


Радиационная опасность: реакторы деления против реакторов синтеза.

Оригинал взят у tnenergy в Радиационная опасность: реакторы деления против реакторов синтеза.



Это симпатичное синее свечение Вавилова-Черенкова - единственная возможность для человека напрямую ощутить (в данном случае - увидеть) радиацию. К сожалению, наши органы чувств ничего не скажут нам, даже если мы попадем под удар ионизирующего излучения, которое убивает за минуту. Радиационная опасность АЭС стала частью современной культуры, на которой играет множество конкурентов ядерной энергетики - и идеологи термоядерных программ не остаются в стороне, обещая “чистую”, лишенную радиации, энергетику.

Collapse )


Токамак ARC добавит шансов тороидальным ловушкам в борьбе за термоядерное будущее.

Оригинал взят у tnenergy в Токамак ARC добавит шансов тороидальным ловушкам в борьбе за термоядерное будущее.

У любого человека при знакомстве с текущей ситуацией по управляемому термоядерному синтезу может возникнуть вопрос: почему существует такой перекос в финансировании УТС - не меньше 3/4 достается токамакам, когда есть множество других замечательных концепций? Ответ довольно прост: в 70х годах токамаки резко вырвались вперед, за 20 последующих лет достигнув breakeven’a - т.е. получения количества термоядерной энергии, сравнимого с затратами на нагрев реагирующей плазмы.


Обслуживающий робот внутри токамака JET.

Collapse )