Технические ограничения

Текущее состояние космических технологий, включая двигательные установки, навигацию, ресурсы и хранение данных, накладывает ограничения на развитие пилотируемых космических полётов в ближайшем будущем.

Расстояния

Астрономическая величина расстояния между Землёй и ближайшими звёздами является серьёзным препятствием для современного развития космических исследований. При текущей максимальной скорости 70,2 км/с зонд «Гелиос-2» доберётся до ближайшей звезды Проксима Центавра примерно за 18 000 лет, что намного дольше, чем продолжительность жизни человека, и поэтому требует гораздо более быстрых способов передвижения, чем те, что доступны в настоящее время. Эта максимальная скорость была достигнута благодаря эффекту Оберта, при котором космический аппарат ускорялся за счёт комбинации гравитации Солнца и собственной двигательной установки. Самая высокая скорость, с которой можно покинуть Солнечную систему, была у «Вояджера-1» — 17 км/с.

Двигательная установка и топливо

Плазменный двигатель VASIMR

С точки зрения силовой установки, основная проблема заключается в старте и начальном импульсе, поскольку в космическом вакууме нет трения. В зависимости от целей миссии, включая такие факторы, как расстояние, нагрузка и время полёта, тип силовой установки, который используется, планируется к использованию или разрабатывается, варьируется от химических топлив, таких как жидкий водород и окислитель (главный двигатель космического челнока), до плазмы или даже наночастиц. Другой двигательной установкой, которую можно использовать, является ионная двигательная установка.

Схема перспективного ядерного двигателя деления

Что касается будущих разработок, то теоретические возможности ядерных двигателей были проанализированы более 60 лет назад, такие как ядерный синтез (проект «Дедал») и ядерный импульсный двигатель (проект «Лонгшот»), но с тех пор НАСА прекратило практические исследования в этой области. Что касается более спекулятивных теорий, то теоретический двигатель Альcubierre представляет собой математическое решение для путешествий со скоростью, превышающей скорость света, но для этого потребуется масса-энергия Юпитера, не говоря уже о технических проблемах.

Человеческие ограничения

Человеческий фактор в пилотируемых космических полётах добавляет определённые физиологические и психологические проблемы и ограничения к будущим возможностям освоения космоса, наряду с проблемами хранения и жизнеобеспечения, а также массой и объёмом.

Физиологические проблемы

Перепады гравитации негативно влияют на ориентацию, координацию и равновесие. Без постоянной гравитации кости страдают от остеопороза из-за отсутствия нагрузки, и их минеральная плотность снижается в 12 раз быстрее, чем у среднестатистического пожилого человека. Без регулярных физических упражнений и питания может ухудшиться состояние сердечно-сосудистой системы и снизиться мышечная сила. Обезвоживание может привести к образованию камней в почках, а постоянный гидростатический потенциал в условиях невесомости может привести к смещению жидкостей в организме вверх и вызвать проблемы со зрением.

Кроме того, без окружающего Землю магнитного поля в качестве щита солнечное излучение оказывает гораздо более сильное воздействие на биологические организмы в космосе. Воздействие может включать в себя повреждение центральной нервной системы (нарушение когнитивных функций, снижение двигательных функций и возможные изменения в поведении), а также вероятность дегенеративных заболеваний тканей.

Психологические проблемы

Биосфера 2 – тепличная среда обитания

По данным НАСА, изоляция в космосе может оказывать пагубное влияние на психику человека. Согласно результатам социальных экспериментов НАСА, поведенческие проблемы, такие как низкий моральный дух, перепады настроения, депрессия и снижение межличностных взаимодействий, нерегулярный режим сна и усталость, возникают независимо от уровня подготовки. Самым известным из них, «Биосфера-2», был эксперимент, проводившийся в 1990-х годах в течение 2 лет с участием 8 человек, в попытке изучить потребности человека и его выживание в изолированной среде. В результате были отмечены напряжённые межличностные отношения и отстранённое поведение, в т. ч. ограничение и даже прекращение контактов между членами экипажа, а также неспособность поддерживать систему рециркуляции воздуха и запасы продовольствия.

Ресурсы и жизнеобеспечение

Учитывая возможность длительных миссий с экипажем в будущем, хранение и пополнение запасов продовольствия являются важными ограничениями. С точки зрения хранения, по оценкам НАСА, для 3-летней миссии на Марс потребуется около 24 тысяч фунтов (11 т) продовольствия, большая часть которого будет в виде предварительно приготовленных обезвоженных блюд весом около 1,5 фунтов (0,68 кг) на порцию. Свежие продукты будут доступны только в начале полёта, поскольку не будет холодильных систем. Относительно большой вес воды является ограничением, поэтому на Международной космической станции (МКС) потребление воды на человека ограничено 11 литрами (2,9 галлона США) в день по сравнению со средними 132 литрами (35 галлонами США) у американцев.

Система выращивания растений на МКС и красный салат-латук

Что касается пополнения запасов, то были предприняты усилия по переработке, повторному использованию и производству, чтобы сделать хранение более эффективным. Вода может быть получена в результате химических реакций водорода и кислорода в топливных элементах, а также разрабатываются и будут продолжать разрабатываться методы выращивания овощей в условиях микрогравитации. Салат-латук уже успешно выращивается в «системе выращивания овощей» на МКС и употребляется в пищу астронавтами, хотя крупномасштабное выращивание по-прежнему нецелесообразно из-за таких факторов, как опыление, длительные периоды роста и отсутствие эффективных посадочных подушек.

Разработка искусственного интеллекта и роботизированных космических аппаратов

Идея использования высокоуровневых автоматизированных систем для космических полетов стала желанной целью космических агентств по всему миру. Считается, что такие системы дают такие преимущества, как более низкая стоимость, меньший надзор со стороны человека и возможность исследовать более глубокие области космоса, что обычно ограничено длительной связью с людьми-контролерами. Автономность станет ключевой технологией для будущего исследования Солнечной системы, где роботизированные космические корабли часто будут находиться вне связи со своими людьми-диспетчерами.

Автономные системы

Автономность определяется тремя требованиями:

Способность самостоятельно принимать решения и выполнять их на основе информации о том, что они чувствуют в окружающем мире и в своём текущем состоянии.

Способность интерпретировать поставленную цель как список действий, которые необходимо предпринять.

Способность гибко реагировать на неудачи означает, что они могут постоянно менять свои действия в зависимости от того, что происходит в их системе и вокруг них.

В настоящее время существует множество проектов, направленных на развитие космических исследований и разработку космических аппаратов с использованием ИИ.

Автономный научный эксперимент НАСА

НАСА начало свой автономный научный эксперимент (ASE) на спутнике «Наблюдение за Землёй-1» (EO-1), который является первым спутником НАСА в рамках программы «Тысячелетие», запущенным 21 ноября 2000 г. Автономность этих спутников позволяет проводить бортовой научный анализ, перепланировать работу, обеспечить надёжное выполнение задач и диагностику на основе моделей. Снимки, полученные с помощью EO-1, анализируются на борту и передаются на Землю при возникновении изменений или интересных событий. Программное обеспечение ASE успешно предоставило более 10 000 научных изображений. Этот эксперимент стал началом многих других, разработанных НАСА для использования ИИ в будущем космических исследований.

Советник по полетам с ИИ

Цель НАСА в рамках этого проекта – разработать систему, которая может помогать пилотам, предоставляя им экспертные советы в режиме реального времени в ситуациях, которые не рассматриваются в ходе обучения пилотов, или просто направляя мысли пилота во время полёта. Система искусственного интеллекта Flight Adviser, основанная на когнитивной вычислительной системе IBM Watson, извлекает данные из большой базы релевантной информации, такой как руководства по эксплуатации самолётов, отчёты о происшествиях и отчёты о близких к катастрофе ситуациях, чтобы давать советы пилотам. В будущем НАСА планирует внедрить эту технологию для создания полностью автономных систем, которые затем можно будет использовать для исследования космоса. В этом случае когнитивные системы будут служить основой, а автономная система будет полностью определять ход выполнения миссии даже в непредвиденных ситуациях. Однако для этого по-прежнему требуется множество вспомогательных технологий.

В будущем НАСА надеется использовать эту технологию не только в полетах на Землю, но и для будущих исследований космоса. По сути, НАСА планирует модифицировать этот AI flight Advisor для применения на больших расстояниях. В дополнение к тому, что представляет собой технология сейчас, появятся дополнительные когнитивные вычислительные системы, которые смогут принимать решения о правильном наборе действий, основываясь на непредвиденных проблемах в космосе. Однако для того, чтобы это стало возможным, по-прежнему существует множество вспомогательных технологий, которые необходимо усовершенствовать.

Стереовидение для предотвращения столкновений

В рамках этого проекта цель НАСА состоит в том, чтобы внедрить стереоскопическое зрение для предотвращения столкновений в космических системах, которые будут работать и поддерживать автономные операции в условиях полёта. Эта технология использует две камеры в своей операционной системе, которые имеют одинаковое поле зрения, но в совокупности предоставляют большой объём данных, формирующих бинокулярное изображение. Благодаря системе из двух камер исследования НАСА показывают, что эта технология может обнаруживать опасности в сельской местности и дикой природе. Благодаря этому проекту НАСА внесло значительный вклад в разработку полностью автономного БПЛА. В настоящее время Stereo Vision может сконструировать систему стереовидения, обработать визуальные данные, убедиться, что система работает должным образом, и, наконец, выполнить тесты, определяющие диапазон мешающих объектов и рельеф местности. В будущем НАСА надеется, что эта технология также сможет определять траекторию, позволяющую избежать столкновения. Ближайшая цель технологии — иметь возможность извлекать информацию из облаков точек и помещать эту информацию в исторические картографические данные. Используя эту карту, технология могла бы затем экстраполировать препятствия и особенности в стереоданных, которых нет в картографических данных. Это помогло бы в будущих космических исследованиях, когда люди не могут видеть движущиеся объекты, которые могут повредить движущийся космический корабль.

[PHOT6CENTER]

Преимущества ИИ

Автономные технологии смогут выполнять действия, выходящие за рамки заранее определённых. Они будут анализировать все возможные состояния и события, происходящие вокруг них, и предлагать безопасные решения. Кроме того, такие технологии могут снизить стоимость запуска и уменьшить участие наземных служб. Производительность также повысится. Автономность позволит быстро реагировать на непредвиденные события, особенно при исследовании дальнего космоса, когда связь с Землёй будет занимать слишком много времени. Исследование космоса может дать нам знания о нашей Вселенной, а также случайно привести к изобретениям и инновациям. Полёты на Марс и дальше могут способствовать развитию медицины, здравоохранения, увеличению продолжительности жизни, развитию транспорта и коммуникаций, которые могут найти применение на Земле.

Разработка роботизированных космических аппаратов

Энергия

Изменения в разработке космических аппаратов должны будут учитывать возросшую потребность в энергии для будущих систем. Космические аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, будут оснащены усовершенствованными солнечными панелями, чтобы использовать окружающую их обильную солнечную энергию. Будущие разработки солнечных панелей направлены на повышение их эффективности при меньшем весе.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTEG или RTG) – это твердотельные устройства, в которых нет движущихся частей. Они вырабатывают тепло за счет радиоактивного распада таких элементов, как плутоний, и имеют типичный срок службы более 30 лет. В будущем атомные источники энергии для космических аппаратов, будем надеяться, станут легче и прослужат дольше, чем сейчас. Они могли бы быть особенно полезны для миссий во внешнюю часть Солнечной системы, куда попадает значительно меньше солнечного света, а значит, выработка значительной мощности с помощью солнечных панелей была бы нецелесообразной.

Частный сектор и коммерциализация космического пространства

НАСА продолжает сосредотачиваться на решении более сложных проблем, связанных с освоением космоса, таких как возможности дальнего космоса и совершенствование систем жизнеобеспечения человека. С учетом сказанного, НАСА поставило задачу коммерциализации космоса перед частной космической индустрией в надежде разработать инновации, которые помогут улучшить условия жизни людей в космосе. Коммерциализация космоса в частном секторе приведет к снижению стоимости полетов, разработке новых методов поддержания жизни человека в космосе и предоставит туристам возможность совершить путешествия по низкой околоземной орбите в будущем.

Ограничения на коммерциализацию космического пространства

Для того чтобы туристы могли побывать на низкой околоземной орбите, необходимо создать условия, позволяющие людям летать или проводить время в космосе. Эти условия должны решать следующие задачи:

1. Физиологические последствия жизни в условиях микрогравитации повлияют на химический состав вашего организма и вызовут такие симптомы, как укачивание из-за потери ориентации. Долгосрочные постепенные эффекты, обусловленные временем пребывания в космосе, включают атрофию костей из-за недостаточной гравитации окружающей среды, которая ограничивает поступление минералов по всему организму.

2. Будущие обитаемые модули предназначены для эффективной транспортировки с помощью ракетных систем, что означает, что эти модули будут небольшими и тесными, что приведёт к проблемам с ограничением пространства и физиологическим изменениям в поведении, таким как клаустрофобия.

3. Пребывание на орбите Земли лишает защиты озоновый слой, который поглощает вредное излучение, исходящее от Солнца. Находясь на орбите Земли, люди подвергаются воздействию в десять раз большей радиации, чем люди, живущие на Земле. Эти радиационные воздействия могут вызывать такие симптомы, как рак кожи.

Достижения компании в области коммерциализации

Коммерциализация космического пространства

SpaceX

В 2017 г. Илон Маск объявил о разработке ракетных двигателей для перевозки людей из одного города в другой менее чем за час. Илон поставил перед компанией SpaceX задачу улучшить путешествия по всему миру с помощью многоразовых ракетных двигателей, которые будут отправлять пассажиров по суборбитальной траектории в пункт назначения.

Virgin Galactic

Компания Virgin Galactic во главе с генеральным директором сэром Ричардом Брэнсоном разрабатывает ещё один способ достижения самолётами космических высот с помощью авиационных двигателей. Космический корабль под названием SpaceshipTwo представляет собой биплан, который несёт в качестве полезной нагрузки космический корабль WhiteKnightTwo и доставляет его на крейсерскую высоту, где ракета отделяется и начинает подниматься из земной атмосферы.

Blue Origin

На веб-сайте Blue Origin рассказывается о небольшой ракете-носителе, отправляющей полезные грузы на орбиту. Цель состоит в том, чтобы снизить стоимость отправки на орбиту полезных грузов меньшего размера с будущими намерениями отправить людей в космос. Первая ступень является многоразовой, в то время как вторая ступень является расходным материалом. Ожидается, что максимальные размеры полезной нагрузки, которая будет перевезена через линию Карман, составят около 530 кубических футов.

Нью — Гленн

Компания Blue Origin, являющаяся более крупным вариантом New Shepard, стремится увеличить свои возможности по загрузке полезной нагрузки, разрабатывая ракету высотой 95 метров, способную к многоразовому полету в космос. Ожидается, что его полезной нагрузкой будут спутники или он предоставит людям возможность обозревать космос без подготовки астронавтов. Blue Origin предполагает, что многократное использование ракеты продлится 25 полетов в космос, что снизит затраты и увеличит возможность коммерческих путешествий.

Blue Moon

Лунный посадочный модуль Blue Origin спроектирован как гибкий посадочный модуль, способный доставлять на поверхность Луны как грузы, так и экипажи. Эта среда обитания обеспечит постоянное присутствие человека, предоставляя необходимые средства, такие как системы жизнеобеспечения и луноходы для раскопок и разведки окружающей лунной поверхности. Дальнейшие разработки в рамках этого проекта включают систему посадки людей, которая представляет собой съёмные жилые помещения, предназначенные для крепления и отсоединения от лунного посадочного модуля Blue Moon.

Bigelow Aerospace

Аэрокосмическая корпорация Bigelow, основанная Робертом Бигелоу, имеет штаб-квартиру в Лас-Вегасе. Научно-исследовательская компания, специализирующаяся на создании космической архитектуры, способной разместить людей и создать условия жизни, подходящие для жизни в космосе. Компания отправила два субмасштабных космических аппарата, известных как Genesis I и II, на Низкую околоземную орбиту вместе с отправкой модуля, известного как Bigelow Expandable Activity Module (BEAM), который надувается и прикрепляется к Международной космической станции. Длина модуля составляет 14 футов, и его можно надувать или сдувать для удобства транспортировки. Bigelow Aerospace работает над разработкой собственных Модулей, независимых от Международной космической станции, для отправки туристов и посетительниц.