Введение

Современные космические корабли, созданные человечеством, открывают перед нами новые горизонты для исследования Вселенной. С каждым годом мы все ближе подходим к покорению космоса и освоению новых планет. С развитием космической отрасли все больше внимания уделяется созданию надежных и эффективных космических аппаратов (КА). Одним из ключевых аспектов обеспечения надежности КА является использование искусственного интеллекта (ИИ) для контроля, диагностики и управления его техническим состоянием, а также применение нанотехнологий для улучшения характеристик КА.

Сегодня технологии искусственного интеллекта приобретают статус стратегических, поскольку потенциально способны оказывать огромное влияние на различные сферы деятельности человека, в том числе и в космической отрасли [1]. Например, спутник, названный PhiSat-1 – первый спутник с искусственным интеллектом на борту - в настоящее время парит со скоростью более 329 530 км в час на солнечно-синхронной орбите на высоте около XNUMX км над головой.

PhiSat-1 содержит новую гиперспектральную тепловизионную камеру и встроенную обработку искусственного интеллекта благодаря Intel® Movidius™Myriad™ 2 Vision Processing Unit (VPU) — такой же чип используется во многих интеллектуальных камерах. PhiSat-1 на самом деле является одним из пара спутников в миссии по мониторингу полярных льдов и влажности почвы, а также тестированию систем межспутниковой связи для создания будущей сети объединенных спутников.

В качестве рабочего тела большинства современных ракетных двигателей (РД)  служат газы, образующиеся при сжигании топлива. Энергия, выделяемая при горении топлива, используется для ускорения газов, истекающих из двигателя. Ракетный двигатель называется жидкостным, если его топливо включает только жидкие вещества[2]. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) является ракетным двигателем, использующим химическое топливо, которое является одновременно источником энергии и рабочим телом для получения тяги. Характерная особенность ЖРД по сравнению с другими РД – высокие удельные расходы топлива (массовый расход топлива, приходящийся на единицу развиваемой тяги), что объясняется необходимостью иметь на борту аппарата горючее и окислитель.  Важное значение имеет плотность компонентов, коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам, токсичность, чувствительность к удару (взрывоопасность). Например, азотная кислота (HNО3), четырехокись азота (N2О4), аммиак (NН3), перекись водорода (Н2О2), хлорная кислота (НСlО4) агрессивны и токсичны; несимметричный диметилгидразин (СН3)2 N2Н2 и гидразин (N2H4) токсичны; перекись водорода и хлорная кислота взрывоопасны. Все вышеуказанное необходимо учитывать при создании ЖРД [3].

Создание межпланетных космических аппаратов является актуальной и новой областью исследований, поскольку это открывает возможности для изучения дальних планет и их спутников, а также для поиска жизни в других мирах. Межпланетные космические аппараты позволяют проводить исследования в условиях, недоступных для земных лабораторий, и получать информацию о свойствах планет, их составе и возможной обитаемости. Кроме того, создание таких аппаратов требует разработки новых технологий и материалов, что также является новым и актуальным направлением в науке и технике.

Современные космические аппараты также не обходятся и без нанотехнологий. Данные технологии используются в современных КА для создания легких и прочных материалов, способных выдерживать высокие температуры и воздействие радиации. Также нанотехнологии используются для создания новых типов двигателей и систем связи, а также для улучшения характеристик существующих систем.

Например, использование нанотрубок в качестве теплоизолирующих материалов позволяет снизить массу систем охлаждения и увеличить эффективность работы двигателей. Также нанотехнологии позволяют создавать антенны и другие устройства для систем связи с меньшими размерами и более высокой эффективностью.

Цель прогнозирования изобретений космических аппаратов состоит в определении будущих инноваций и технологических решений, которые будут использованы в космических миссиях и космической индустрии. Прогнозирование в этой области помогает обеспечить развитие космической технологии, увеличить эффективность космических миссий и обеспечить безопасность космического пространства. Основной целью прогнозирования изобретений космических аппаратов является предвидение технологических изменений и новшеств, которые могут принести прорывы в космической исследовательской и коммерческой деятельности.

Задачи прогнозирования изобретений космических аппаратов включают:

• Идентификацию существующих тенденций и технологических разработок: Прогнозирование начинается с анализа текущих достижений и тенденций в космической технологии. Это включает в себя изучение существующих исследований, проектов и публикаций, а также консультации с экспертами в области космической индустрии.
• Анализ потенциальных инноваций: Задача заключается в выявлении перспективных технологий, которые могли бы применяться в будущих космических аппаратах. Это включает в себя оценку новых материалов, двигателей, систем навигации, систем обеспечения жизнеобеспечения и других ключевых компонентов.
• Оценку возможных применений и выгод: Прогнозирование должно также включать в себя анализ того, какие конкретные миссии и задачи могли бы быть реализованы с использованием новых технологий, и какие преимущества они могли бы принести в сравнении с существующими методами.
• Определение потенциальных препятствий и рисков: Важной задачей является выявление возможных технических, финансовых и политических проблем, которые могли бы возникнуть при внедрении новых технологий. Это включает в себя анализ потенциальных ограничений и вызовов.
• Прогнозирование временных рамок и степени внедрения: Оценка, когда и в какой мере новые технологии могут стать доступными для практического использования в космических миссиях и как они будут взаимодействовать с существующими системами и программами.

Основная часть

В свете будущих задач по исследованию и использованию космического пространства необходимо значительно увеличить мощность энерго двигательного оснащения космических аппаратов. Для реализации таких целей в ближнем и далеком космосе предполагается использовать принципиально новый вид транспорта - космический буксир с мощной энергодвигательной установкой (мощность на уровне сотен киловатт и мегаватт) на основе солнечной или ядерной энергии и многодвигательной электроракетной двигательной установкой, состоящей из маршевых электроракетных двигателей и дополнительных двигателей для ориентации космического аппарата.

В сравнении с традиционными средствами на основе жидкостных ракетных двигателей, использование электрических ракетных двигателей за счет их высокого удельного импульса тяги может значительно улучшить технические, эксплуатационные характеристики и целевые возможности космических средств различного назначения для транспортных задач в ближнем и дальнем космосе.

Космические аппараты 2100 года должны использовать не просто элементы искусственного интеллекта, а полноценный ИИ, решающий во время космических миссий следующие задачи:

• Контроль и диагностика работы КА и пассажиров. ИИ сможет использоваться для анализа данных, поступающих с датчиков на борту КА, с целью выявления возможных проблем или аномалий. Это может включать контроль за работой двигателей, навигационных систем, систем связи и других важных компонентов, а также состояние людей на борту.
• Управление КА и его техническим состоянием. Современные автомобили не обходятся без автопилота. Почему не перенести данную систему в космические корабли? ИИ может помочь в принятии решений о том, какие действия следует предпринять для оптимального межорбитального маневра, а также поддержания или улучшения технического состояния КА. Например, ИИ может рекомендовать замену или ремонт определенных компонентов, изменение настроек систем или проведение профилактического обслуживания.
• Обучение и анализ данных, полученных во время полёта. ИИ также может быть использован для анализа больших объемов данных, полученных с КА, с целью обучения моделей и выявления закономерностей. Это может помочь в улучшении работы КА и повышении его надежности, а также при изучении космических объектов и новых форм жизни.

Нанотехнологии в КА через 77 лет.

Наноматериалы имеют уникальные свойства, которые могут значительно улучшить различные аспекты космической технологии и миссий. Вот несколько мыслей о том, как наноматериалы могут быть использованы:

Легкие и прочные материалы: Нанокомпозиты и нанокомпозитные материалы обладают выдающимися прочностными характеристиками при низком весе. Их использование может уменьшить массу космических кораблей, что сократит расходы на ракетное топливо и позволит более эффективно доставлять грузы и астронавтов в космос.

Защита от радиации: Наноматериалы могут быть использованы для создания более эффективных систем защиты от космической радиации. Это критически важно для долгих миссий вне Земли, таких как полеты на Марс или даже в межзвездное пространство.

Умные материалы: Наноматериалы могут быть интегрированы в "умные" материалы, которые способны реагировать на изменяющиеся условия в космосе. Например, они могут изменять свои свойства, чтобы адаптироваться к экстремальным температурам, воздействию космического мусора или солнечной радиации.

Энергетические наноматериалы: Нанотехнологии могут быть использованы для создания более эффективных солнечных батарей, ядерных источников энергии и батарей. Это поможет обеспечивать космические аппараты более долгими и надежными источниками энергии.

Микросистемы и нанодвигатели: Наноматериалы могут быть использованы в создании микросистем и нанодвигателей, что позволит кораблям маневрировать более точно и эффективно.

Самоисцеляющие материалы: Нанотехнологии могут помочь в создании материалов, которые способны ремонтировать себя при повреждениях, что увеличит надежность космических аппаратов в долгих миссиях.

Фантастические идеи космического кораблестроения также предлагают уникальные решения, которые могут расширить наши возможности и перевести нас в новую эру космической исследовательской деятельности. Давайте рассмотрим несколько из них подробнее.

• Антиматерия в космическом корабле:

Антиматерия - это субстанция, которая является антагонистом обычной материи. Концепция использования антиматерии в космических кораблях представляет собой сюжет научной фантастики, но она может стать реальностью в будущем. Антиматерия может обеспечить огромное количество энергии и значительно увеличить скорость и эффективность космических полетов.

• Интерпланетарные "скользящие" космические корабли:

Идея кораблей, способных планировать между планетами, наподобие аэропланов, представляет собой увлекательное направление исследований. Эти корабли могли бы использовать атмосферы планет и спутников в качестве натуральных "драпировок" для изменения траектории и достижения межпланетных целей.

• Звездолеты:

Звездолеты, способные достигать скоростей близких к скорости света, являются одной из самых амбициозных идей космического кораблестроения. Эта концепция включает в себя использование теории относительности для сокращения времени путешествия между звездами и исследования далеких миров.

Заключение

В обсуждении перспектив космического кораблестроения мы подчеркнули, что эта область науки и технологии предоставляет уникальные и захватывающие возможности для будущих исследований и космических миссий. Научно-фантастические концепции, такие как использование антиматерии в космических кораблях, интерпланетарные "скользящие" космические суда и звездолеты, приближающиеся к скорости света, открывают перед нами перспективы, которые могут перевести человечество в новую эру космической исследовательской деятельности.

Антиматерия, как источник огромной энергии, может значительно повысить эффективность космических полетов. Интерпланетарные "скользящие" корабли могут использовать атмосферы планет для планирования межпланетных перелетов, что представляет собой увлекательное направление исследований. Звездолеты, способные приближаться к скорости света, открывают двери для исследования далеких миров в гораздо более короткие сроки.

Все эти концепции предоставляют потенциал для расширения наших возможностей в космической исследовательской деятельности и открывают новые горизонты для человеческой экспансии в космос. Несмотря на то, что многие из них на данный момент остаются в сфере научной фантастики, быстрое развитие научных знаний и технологий может превратить эти идеи в будущую реальность, изменяя наш взгляд на космическое кораблестроение и исследование Вселенной.