Трудный путь на орбиту⁠⁠

«Земля – колыбель человечества , но нельзя вечно жить в колыбели», писал К. Э. Циолковский в своей повести «Грёзы о небе и земле» в 1895 году. Не знаю, как вы, но я с детства зачитывался фантастикой и, так же как и он, мечтал о том, как увижу начало освоения человечеством хотя бы ближнего космоса.

Увы, прошли годы, но мало что изменилось со времён моего детства. Человечество слетало на Луну, а разговоры о полёте на Марс сейчас мне кажутся лишь «пиаром», настолько они далеки от реальности.

Давайте попытаемся понять, почему мы всё ещё «в колыбели» (в которую мы уже едва помещаемся) и какие у нас есть возможности из неё выбраться. (очень длиннопост!)

Мы с вами живём на дне колодца. Глубокого гравитационного колодца, выбраться из которого нам удалось только в 1957 году с запуском первого искусственного спутника Земли. С тех пор мы используем химические ракеты, чтобы доставить на орбиту грузы и людей.

Нам не повезло родиться на планете со сравнительно высокой силой тяжести. Чтобы её преодолеть, подняться выше атмосферы и разогнаться достаточно, чтобы остаться на орбите и не упасть обратно на Землю, необходимо, чтобы наш двигатель смог разгонять наш груз с нуля до скорости 7,9 км/с, при этом ещё потерять на сопротивлении атмосферного воздуха 1,5 – 2 км/с. (Именно поэтому космические ракеты стартуют вертикально вверх, а не под углом к горизонту, как казалось бы выгоднее)

Чтобы этого достичь, мы вынуждены сжигать огромное количество топлива. Космическая ракета – по большому счёту – большой топливный бак. В наилучших конструкциях, отношение массы полезной нагрузки к массе ракеты достигает всего 7–8%. Остальная масса – топливо. При этом мы подошли почти вплотную к теоретическому максимуму для химического топлива, а это значит, что надеяться на то, что в будущем какие-либо инновации позволят нам создавать ракеты с большей массовой долей полезной нагрузки, не приходится.

С другой стороны, нам в чём-то даже повезло, потому что, если бы диаметр Земли был всего в 1,5 раза больше, порядка 20 тыс. км, то мы бы вообще не смогли выйти в космос, так как никакое химическое топливо не дало бы нам необходимую характеристическую скорость.

Сейчас мы не можем строить космические поселения, потому что очень дорого. Лишь немногие государства могут себе позволить космическую промышленность, и до сих пор стоимость запусков исчисляется миллионами долларов, а возможности для начала крупномасштабных строек на орбите Земли, требующих вывода на орбиту десятков, сотен, не говоря уже о миллионах тонн груза, попросту отсутствуют.

При этом, колонизация космоса (во всяком случае – Солнечной системы) была бы относительно простым делом, если бы только мы смогли преодолеть главный барьер – найти дешёвый способ массово поднимать грузы на орбиту.

Сегодня я хочу рассмотреть несколько альтернатив химическим ракетам, хотя бы теоретически способных решить данную проблему.

Космический лифт

Одной из таких возможностей может стать космический лифт. Идея довольно проста – нам «всего-то» нужен трос (или несколько тросов) длиной чуть более высоты геостационарной орбиты (35 786 км), привязанный к какому-либо противовесу (астероиду или даже космической станции). По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли. Проблема в том, что сейчас нет достаточно лёгкого, и, в то же время, прочного материала, способного выдержать хотя бы собственный вес, не говоря уже о какой-либо дополнительной нагрузке.

Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65—120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Этих фактов было достаточно, чтобы скептики похоронили данную технологию, отнеся её к ряду «фантастических», однако в современном материаловедении в последнее время наблюдаются определённые подвижки. Так, однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины. В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.

Следует так же отметить, что хотя мы пока и не можем создать космический лифт на Земле, мы уже сейчас можем создать подобное сооружение, например, на Луне или Марсе, где сила тяжести гораздо меньше.

Поскольку самым большим препятствием для нас в этой идее является длина троса в 37 тыс. км, давайте посмотрим, можно ли эту длину сократить?

Орбитальное кольцо

В некотором отношении, это сооружение даже лучше космического лифта (мне, во всяком случае, оно наиболее симпатично), хотя и не так «распиарено». Напряжения в этой конструкции на порядки меньше и вполне по силам существующим конструкционным материалам. Данное сооружение, как и следует из названия, представляет собой гигантское кольцо вокруг экватора на высоте несколько сотен километров.

После его строительства (которое действительно потребует весьма серьёзных капиталовложений), стоимость доставки грузов на орбиту не будет превышать текущую стоимость коммерческих авиаперевозок.

Как же это работает? Наиболее просто данную технологию реализовать, если просто вывести на орбиту длинный закольцованный проводник, который вращается вокруг Земли с орбитальной скоростью. Если пропустить по нему электрический ток, то мы сможем создать левитирующую на магнитной подушке «тележку», которая, двигаясь относительно кольца, будет в то же время неподвижна относительно точки земной поверхности под ней. С данной тележки можно спустить трос до поверхности. Данный трос (вернее, несколько тросов) стабилизируют кольцо на месте, а так же играют роль транспортной магистрали до орбиты (по аналогии с космическим лифтом). В отличие от космического лифта, длина такого троса должна составлять всего несколько сотен километров, а следовательно – мы уже сейчас располагаем материалами, способными выдержать подобные нагрузки.

Одной из замечательных особенностей данной конструкции является так же и то, что кольцо не обязательно делать вокруг экватора, его можно провести через любые точки земного шара, а так же можно сделать несколько колец.

В дальнейшем, кольцо можно модернизировать, превратив его в трубу, внутри которой расположить сверхпроводящие магниты. Данные трубы можно использовать для перемещения материи, а так же как гигантский ускоритель частиц (по сравнению с которым БАК покажется детской игрушкой).

С уменьшением стоимости подъёма груза, строительство дополнительных сооружений на орбите значительно облегчится, что позволит соорудить дополнительные кольца, что ещё больше снизит стоимость вывода полезного груза на орбиту.

Можем ли мы построить такое кольцо уже сейчас? Вполне! Что же нас останавливает? Цена! Стоимость подобного проекта на начальном этапе составляет триллионы долларов (помните, поднять элементы подобного кольца на орбиту при помощи ракет – очень дорого). Однако, если бы мы доставляли строительный материал, например, с Луны, то его стоимость можно было бы существенно снизить (особенно, если на Луне будет космический лифт).

И так, космический лифт пока невозможен, орбитальное кольцо возможно, но слишком дорого. Но не будем отчаиваться. На первое время мы можем воспользоваться «небесным крючком» (Skyhook).

Skyhook (Небесный крючок)

Данная технология мне напоминает по принципу своего действия средневековое осадное орудие – требуше, и работает по схожему принципу. Вместо строительства дорогостоящего кольца, мы можем ограничиться лишь тросом-буксиром, «свисающим» с более высокой орбиты до самого её «краешка». Спутник, с которого протянут буксир, осуществляет вращение в вертикальной плоскости, таким образом, чтобы другой конец буксира оказывался то ниже орбиты (у самого края атмосферы), то выше.

Запуск груза проходит в несколько этапов. Сначала, груз запускается на самолёте, затем, в стратосфере, стартует до края атмосферы на маломощной и сравнительно недорогой ракете, после чего производит стыковку с окончанием буксирного троса, который в этот момент имеет скорость значительно ниже орбитальной скорости на заданной высоте. Вращение буксира затем увлекает полезный груз на более высокую орбиту, после чего отпускает. Разумеется, орбита спутника-тягача после такой процедуры снизится, и ему необходимо будет придать дополнительный разгон, чтобы восстановить исходную орбиту, однако суммарный расход топлива будет на порядок ниже, чем если бы аналогичный груз запускался при помощи обычной ракеты.

Нельзя сказать, что данный метод запуска грузов на орбиту лишён недостатков. Процесс стыковки с буксиром требует большой синхронности и грозит обернуться потерей груза, если что-то пойдёт не так, да и в целом, данный способ вывода грузов на орбиту по себестоимости будет обходиться гораздо дороже, чем при помощи космического лифта или орбитального кольца, однако, это всё решаемые с технической точки зрения проблемы.

На этом наши возможности не ограничены, давайте рассмотрим более экзотические проекты:

Пусковая петля (петля Лофстрома)

Этот метод концептуально похож на орбитальное кольцо, однако значительно меньшего размера.

В основе проекта лежит закольцованный шнур (петля), непрерывно движущийся с огромной скоростью (12—14 км/с) внутри вакуумной трубы. Чтобы шнур не соприкасался со стенками трубы, они разделены между собой магнитной подвеской. В целом это устройство представляет собой грандиозное сооружение длиной около 2000 км, а сама петля должна подниматься на высоту до 80 км над уровнем океана и держаться на ней за счёт импульса вращающегося шнура. Вращение шнура по сути переносит вес всего сооружения на пару магнитных подшипников, которые его поддерживают, по одному на каждом конце.

Высоты 80 км вполне достаточно, чтобы устранить сопротивление воздуха практически полностью, при этом на данной высоте всё ещё не стоит сильно опасаться космического мусора. Лучше всего размещать подобную структуру на экваторе, чтобы с максимальной выгодой использовать вращение Земли вокруг своей оси.

Петля имеет форму трубки, полой внутри и называемой оболочкой. Внутри оболочки подвешена другая сплошная трубка, называемая ротором, который представляет собой шнур или цепь. Ротор сделан из железа и имеет диаметр примерно 5 см. Он движется по окружности внутри петли со скоростью 14 км/с.

Хотя петля очень длинная, примерно 4000 км, ротор сам по себе довольно тонкий, около 5 см в диаметре, а оболочка не намного большего размера. Ротор выполнен из ферромагнитного железа в виде шнура или трубки, с продольными компенсаторами через каждый метр или около того. Ротор отделяется от оболочки серво-стабилизирующими магнитными подшипниками. Оболочка герметичная, с поддержанием вакуума, чтобы свести к минимуму сопротивление, оказываемое на ротор.

В состоянии покоя петля будет находиться на уровне земли. Затем ротор начнёт ускоряться линейным двигателем, который будет потреблять несколько сот мегаватт мощности. При нарастании скорости ротор будет искривляться и приобретать форму дуги. Оболочка вынудит его принять форму кривой круче, чем баллистическая кривая. В свою очередь ротор будет передавать центробежную силу на оболочку, держа её в воздухе. Петля примет нужную форму и получит ограничение по максимальной высоте ≈80 км за счёт крепления кабеля к земле. При использовании генератора мощностью 300 МВт потребуется около двух месяцев для достижения полной скорости. После полной раскрутки ротор будет совершать один оборот примерно за пять минут.

Чтобы произвести запуск, транспортное средство поднимают на «лифтовом кабеле», который свисает с западной погрузочной станции с высоты 80 км, и размещают на направляющих рельсах разгонного участка. Разгонный блок создаёт магнитное поле, благодаря которому в быстро движущемся роторе возникают вихревые токи. Они-то и поднимают полезный груз над кабелем и толкают его вперёд с ускорением 3g (30 м/с²). Полезный груз разгоняется ротором до тех пор, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости, после чего он покидает разгонный участок.

Если необходима стабильная или круговая орбита, то в момент достижения полезным грузом самой верхней точки траектории нужно включить бортовой ракетный двигатель («ускоритель») или другое средство, необходимое для направления траектории на соответствующую орбиту вокруг Земли.

Хотя данный проект при желании можно воплотить в жизнь за 30-50 млрд. долларов, лично мне этот проект не приглянулся, так энергия, которую запасает подобная петля, сопоставима с энергией ядерного оружия, и если что-то сломается, то результат будет поистине катастрофический.

Есть ли альтернативы? Конечно!

Космический трамвай (StarTram)

Эта технология чем-то напоминает HyperLoop Илона Маска, с тем лишь исключением, что предназначена она не для транспортировки грузов и людей по земле, а для перемещения грузов с поверхности Земли на орбиту.

Технология представлена в 2 «поколениях», первое из которых предполагает разгон непилотируемого аппарата с ускорением 30g через 130 километровый тоннель, конец которого расположен на высоте около 6000 метров (на вершине горы). Тоннель не содержит воздуха, его верхнее отверстие блокируется при помощи «плазменной шторы». Разгон левитирующего на магнитной подушке снаряда осуществляется при помощи электромагнитов. На выходе из тоннеля снаряд будет иметь орбитальную скорость, однако в первые секунды будет испытывать торможение об атмосферу, в результате которого он потеряет 0,8 км/с, так что после выхода за её пределы потребуется дополнительный импульс в ~0,63 км/с при помощи ракетного двигателя для выхода на круговую орбиту.

Во второй версии планируется поднять высоту тоннеля до 22 км и разгонять пилотируемые капсулы с ускорением 2-3 g, однако длина тоннеля в силу более щадящего разгона должна будет составлять уже 1000-1500 км при цене несколько десятков миллионов долларов за километр.

Видите, не так-то просто выбраться из гравитационного колодца нашей родной планеты. Одним из сдерживающих факторов при строительстве подобных супер-сооружений является колоссальная высота, на которую приходится поднимать конструкции (для сравнения, высочайшее сооружение в мире – здание Бурдж-Халифа в Дубаи имеет «скромную» высоту всего в 828 м).

Сооружения требуемой нам высоты потребуют иных принципов строительства. Для усиления несущих конструкций необходимы механизмы, так называемой «активные структуры», то есть структуры, требующие постоянной энергетической подпитки. Использование подобного подхода заложено в технологию космического фонтана.

Космический фонтан

Эта технология, как нетрудно догадаться из названия, действует так же, как действовал бы обычный фонтан, с той лишь разницей, что вместо воды используются специальное гранулированное вещество. На поверхности планеты потоку гранул сообщается высокая кинетическая энергия при помощи ускорителя. Первая стадия подъёма происходит в вакуумной трубе, чтобы сократить затраты на преодоление сопротивления воздуха.

Вещество быстро движется вверх от нижней части башни, и передаёт эту энергию в верхней её части, после чего под воздействием силы тяжести падает обратно, это будет удерживать башню от падения.

(ждём искромётных комментариев к этой картинке)

На самом деле, возможно, мы и не захотим возвращать это вещество обратно на Землю после стольких трудов по его подъёму. Грузы по космическому фонтану можно поднимать двумя способами: с помощью специальных систем наподобие лифта в зданиях или с потоком гранул.

Данная технология хотя и не позволит обеспечить поднятому веществу орбитальную скорость, однако, позволит существенно сократить расход топлива и увеличить массу полезной нагрузки, если запускать космические аппараты с вершины этой башни.

В заключение, для того, чтобы остудить немного ваш пыл, я хотел бы сказать о недостатках, в той или иной мере касающихся каждой из перечисленных технологий. Они не являются, разумеется, непреодолимыми препятствиями – с теми или иными оговорками любой из предложенных методов доставки грузов на орбиту осуществим, однако, их следует учитывать при проектировании и строительстве.

1. Микро-метеориты. Наша атмосфера является надёжной бронёй против тонн космического мусора, тонны которого ежегодно в ней сгорают. Тем не менее, чем выше мы поднимаем наши сооружения, тем меньшую защиту будет давать атмосфера, и тем больше внимания необходимо будет уделять защите от космического мусора.

2. Атмосферное электричество. Между небом и землёй накапливается колоссальная разность потенциалов, разряды которого мы все имели возможность наблюдать в виде молний. При строительстве астро-сооружений внимание так же необходимо уделять и защите от молний.

3. Эрозия материалов атомарным кислородом. В верхних слоях атмосферы присутствует атомарный кислород, является сильнейшим окислителем и способен разрушать материалы со скоростью до 1 мкм в месяц, вследствие чего, вероятно потребуется покрывать конструкции специальным защитным покрытием, которое так же увеличит её массу.

4. Астро-сооружения, такие как орбитальное кольцо, может потребовать внесение серьёзных корректировок в орбиты уже действующих искусственных спутников, а так же потребует серьёзного дальнейшего планирования с целью исключения возможных столкновений и развития синдрома Кесслера.

В следующей части я попробую описать хотя бы сотую долю того, чего мы могли бы достичь, будь у нас дешёвый способ выхода в космос.