Звездолёты – тема очень эмоционально окрашенная. Когда я был мальчишкой, фантастика была в моде, и в моде были полёты в космос, и общее настроение такое было, что, мол, на Луну уже слетали, на Марс полетим скоро – ну, до конца века, может быть, или около того, и уж точно лет через сто построим звездолёт. Разнообразные звездолёты пересекали страницы разнообразных фантастических книг, и казалось, ну, ладно, тирьямпампация какая-нибудь придёт нам на помощь, а до тех пор надо бы построить или аннигиляционный или хоть термоядерный двигатель, чтоб хоть ближайшие звёзды посетить, ну хоть одним глазком посмотреть!
Но время шло, на Марс никто не летел, а звездолёты так и оставались в фантастических книжках. Постепенно приходило осознание того, что дешёвой энергии у человечества не будет, а, значит, межзвёздный полёт, неважно, по какой технологии, останется чудовищно дорогим. Просто-таки невообразимо дорогим. Вот такое сравнение пришло на ум. Давно посчитано, из скольких каменных блоков сложена пирамида Хеопса. Можно посчитать, из скольких микроскопических ракушек древних моллюсков сложен каждый блок.
Так вот, получается, что межзвёздный полёт во столько раз дороже полёта в космос на Международную космическую станцию, сколько ракушек во всей пирамиде Хеопса. Не подумайте, что я хочу преувеличить, дела обстоят именно так. Отчего всё настолько плохо?
В семидесятые годы, когда интерес к космонавтике уже спадал, но ещё не сошёл на ноль окончательно, как сейчас, энтузиасты из любительской организации «Британское Межпланетное Общество» решили определить, можно ли построить звездолёт, который бы смог достичь одной из ближайших звёзд за время, пока ещё живы хотя бы некоторые из его создателей. Ограничение – нельзя использовать «фантастические» допущения, все технологии должны в какой-то мере существовать (уже тогда, то есть, в семидесятые прошлого века!). По мере проработки проект конкретизировался – лететь к Летящей звезде, открытой Эдвардом Барнардом (тогда считалось, что у неё есть планеты, и она ближе всех звёзд, кроме только системы Альфы Центавра), полёт должен занять не более 50 лет, торможения не предусматривается, всё топливо будет израсходовано на разгон, и исследования происходят только на пролёте. Расстояние известно, время известно, скорость получается простым расчётом – нужно несколько больше одной десятой скорости света, с учётом разгона, примерно одна восьмая. Это 36 000 километров в секунду, или примерно в 4500 раз больше, чем скорость на околоземной орбите. Значит, чтобы разогнать до такой скорости космический корабль, ему нужно сообщить энергию в двадцать миллионов раз большую, при том же весе корабля. Ясно, что используемые в нынешних ракетах двигатели на жидком кислороде и керосине (или даже жидком водороде) не годятся.
Наиболее реалистичным из 1973 года выглядел импульсный термоядерный двигатель – крошечные мишени из замороженных гелия-3 и дейтерия сжимаются и нагреваются ионными пучками, происходит крошечный термоядерный взрыв, продукты которого магнитным полем направляются в одну сторону – своеобразное сопло без твёрдых стенок. Магниты должны были быть сверхпроводящие, только они могли создать нужное поле. Гелий-3 необходим потому, что продукты термоядерного взрыва, уносящие энергию реакции, должны быть заряженными, чтобы магнитным полем можно было управлять ими, а в реакции дейтерия и трития, которую запустить легче всего, энергию уносят нейтроны, которые лететь будут равномерно во все стороны и тяги не создадут.
Даже при таком двигателе, чтобы достичь скорости в 36000 км в секунду, корабль нужно сделать двухступенчатым, что дополнительно увеличивает стартовую массу. Авторы идеи рассчитали, что, при массе полезной нагрузки межзвёздного зонда в 100 тонн стартовая масса «Дедала» должна была составить примерно 54 000 тонн.
Большую часть этой массы должно составить термоядерное топливо – и 3/5 массы топлива приходится на Гелий-3, который нынче добывать предлагается на Луне.
После того, как программа возвращения американцев на Луну была официально отменена, NASA в лице Болдена заявила, что теперь сосредоточится на «новых технологиях», которые должны повысить возможности достижения отдалённых объектов. Но насколько отдалённых? Ведь до Плутона можно добраться и вполне традиционными двигателями, что подтверждает полёт автоматической станции «New Horizons», которая пролетела мимо Плутона в июне 2015 года.
А вот зонд «Dawn» мало того, что использовал ионные двигатели, так ещё и питал их от солнечных батарей. И, хотя изменение скорости «на своём топливе» у него больше, чем у «Новых горизонтов», далеко от Солнца так улететь сложно. Ведь чем дальше – тем меньше солнечные батареи дают электричества. Так что звездолёту либо ядерный, либо термоядерный реактор необходим.
А, может, и то, и другое сразу... Для получения электричества в течение многих десятилетий полёта использовать реактор на тории, возможно, удобнее, чем любой термоядерный, в который нужно постоянно добавлять расходуемое вещество. А вот реактор деления можно спроектировать таким, что он 50 лет не потребует перегрузки топлива. Это сложно, но осуществимо уже сейчас.
Все 60-е годы XX века можно было наблюдать, как инженеры фирмы Grumman, проектирующие LM, сбрасывают оковы и шоры. За 7 лет от первого эскизного проекта до реального лётного корабля его внешний вид изменялся раз пять. Это был первый космический корабль, не предназначенный для взлёта с Земли или возвращения на неё. Угловатый «паучок» с торчащими ногами, тонюсенькими стенками, большими-пребольшими баками и замысловатой системой управления. Вот тогда у тех, кто фантазировал над обликом межзвёздных транспортных средств будущего, начало крепнуть понимание того, что они, эти будущие звездолёты, вообще не будут ничего общего иметь с нынешними космическими кораблями. И строиться, скорее всего, будут прямо на орбите. Ну, по крайней мере, собираться на орбите. Но, если для межпланетных кораблей сборка на орбите из модулей, поднятых с Земли, ещё годится, для звездолётов, с их стартовыми массами в десятки тысяч тонн, поднимать всё с нашей планеты выходит чересчур накладно. Даже при наиоптимальнейшей конструкции химических ракет полезная нагрузка может составлять не больше 4-5% от стартовой массы. То есть, пятьдесят тысяч тонн превратятся в миллион. Скажем, триста ракет «Сатурн-5», пятьсот «Энергий» или три тысячи полётов «Шаттла». С другой стороны, и термоядерное топливо, и конструкционные материалы можно добыть и вне Земли, вопрос только в том, удастся ли нам уложиться в меньшее количество ракет «Энергия», для того, чтобы создать во Внеземелье полноценную звездолётостроительную промышленность? Большинство классических техпроцессов создавались без оглядки на то, насколько распространён тот или иной вид сырья, и сколько весит оборудование, а, тем более, на какого размера кусочки его можно разделить без ущерба для его свойств. Конечно, материалоёмкость старались снижать, но, в основном, так, чтоб это не повышало конечную цену продукта. Для Внеземелья это встанет во главу угла. Например, углеволокно получается термическим разложением довольно сложного органического волокна, при этом заметная часть исходной нити улетучивается. Причём, что на Луне, что на астероидах, требуемых для акрилонитрила водорода и азота почти что и нет. А вот стекловолокно получать можно в больших количествах, потому что оксида кремния хоть завались. Но что делать со стекловолокном, если нет эпоксидной смолы? Кремний, алюминий, кислород, и, отчасти, углерод – главные строительные материалы будущего звездолёта. Любая органика будет в дефиците. Или не будет? Может, наоборот, надо построить оранжерею, и выращивать в ней ту самую органику, чтоб стала сырьём для космического химпрома? Но где брать в вакууме воду и азот? Так что первыми строительными материалами для этой оранжереи будут силумин и обычное кварцевое стекло. Силумин – это сплав алюминия и кремния, он довольно прочен, но хрупок, хорош для литья, но не годится для обработки давлением. Для пластичных сплавов нужны магний, марганец, медь, а они на астероидах в дефиците. В крайнем дефиците. На Луне магния достаточно, но Луна сама по себе порядочный гравитационный колодец. Но начинать всё равно придётся с Луны.
Итак, посчитаем, сколько будет весить комплект оборудования для получения алюминиево-кремниевых и алюминий-магниевых сплавов. И ещё печь для варки стекла. И ещё то, что потребуется для разделения лунного грунта на отдельные элементы или их оксиды. Электролиз хлорида алюминия вместо его оксида позволяет снизить температуру в электролизёре до 700 градусов, при этом анод становится почти нерасходуемым, что для фабрики во Внеземелье очень важно, ибо кокс в дефиците. «Квантом» для всего служит размер полезной нагрузки ракеты «Протон-М», ну, или «Ангара-5», или «Ариан-5G+», то есть, примерно 22 тонны на низкой орбите. Дальше кусочек лунной колонии стыкуется с разгонником, и тот доставляет его на LLO. Там он стыкуется с другим аппаратом, который сажает наш «Квант» на Луну. Разгонник на кислород-водородном топливе может доставить к Луне лишь вдвое меньше, чем его собственный вес, поэтому наш разгонник будет ядерным и многоразовым.
Вот возможный список блоков:
1. ядерный реактор для питания всей нашей лунной базы или колонии
2. ядерный разгонник для доставки его на окололунную орбиту
3. посадочная ступень на химическом топливе, частично добываемом на Луне (кислород), частично доставляемом вместе с разгонником (водород, его надо в 6 раз меньше, чем кислорода).
4. первый жилой модуль для персонала лунной базы
5. второй жилой модуль для персонала лунной базы
6. модуль дооснащения лунной базы
7. химический реактор для хлорирования лунного грунта
8. солнечный концентратор для печек, работающих напрямую от тепла и радиатор для ядерной электростанции. Их выгодно объединить в одну конструкцию, потому что радиатор хорошо работает в тени зеркала концентратора.
9. электролизёр для получения первичного алюминия
10. печь для получения кремния и плавки силумина
11. обрабатывающий центр, который будет нам делать из полученного металла прокат и из проката – все конструкционные элементы
12. рабочее тело для ядерного разгонника – видимо, аргон, хватит на 10-20 перелётов LEO-LLO
13. криогенная машина для получения жидкого кислорода.
14. водород для посадочной ступени – вот его хватит всего на три посадки
15. ещё на три посадки
16. и ещё на три посадки
17. и ещё.
Итого – 17 ракет «Протон-М». Плюс ещё три на доставку расходников. И как-то надо ротировать экипажи. Вот это – самая большая проблема, ведь их не повезёшь на ядерном разгоннике, а, значит, нужен сверхтяжёлый носитель размерности SLS. Наверняка я что-то забыл, но это не повлияет сильно на общую раскладку – примерно 20 тяжёлых ракет плюс одна сверхтяжёлая. Или, примерно, 20000 тонн стартовой массы.
И дальше эта штука сможет развиваться самостоятельно. Конечно, изготавливаемые на Луне конструкции из АМг-6 и силумина будут тяжелее земных, но, как только суммарная масса изготовленных конструкций превысит вдвое то, что мы доставляли на Луну, мы точно будем в выигрыше.
И полетим дальше – завоёвывать астероиды и спутники планет-гигантов.
Но уйдёт на этот этап лет сорок, а то и пятьдесят. Зачем нам туда?
А вот зачем - там будет базироваться флот атомных SCRAMJET-ов, которые будут носиться по границе сатурнианской атмосферы, конденсировать эту атмосферу, гелий-3 накапливать на борту, а всё остальное использовать для создания реактивной тяги.
У Юпитера чудовищная первая космическая, на уровне видимой границы это 42,1 км/с, поэтому придётся забираться дальше, в систему Сатурна, который создаст условия полегче. Немного помогает то, что скорость самой атмосферы почти 10 км/с, и, к тому же, состоя в основном из водорода, она увеличивает эффективность "воздушно"-реактивного двигателя. Число Маха для нашего аппарата на рабочем режиме будет составлять лишь около 15-20, так как скорость звука в водороде 1,3 км/с. Для выхода же обратно на орбиту нужно набрать меньше 10М - остальное добавляет сама атмосфера.
Хотя в абсолютных величинах, конечно, затраты энергии велики, по сравнению с выходом на околоземную орбиту. Но аэродинамика вполне просматривается, и то, что годилось для Х-43 и Х-51 в земной атмосфере, будет годиться и в сатурнианской, несмотря на куда большие скорости в метрах в секунду.
И, конечно, ничего "гореть" в наших двигателях не будет - нужно просто нагревать водород теплом от реактора так быстро, как только получится, и выбрасывать его через сопло. Он и сам нагреется при сжатии в атмосферозаборнике, но надо нагреть его куда сильнее - до предела возможностей материалов, где-нибудь 3000 К.
Итак, наш волнолёт взлетает на ТфЯРДе с Энцелада, возможно, даже, разбегаясь по ледяной ВПП, даёт тормозной импульс такой величины, чтобы "царапнуть" атмосферу Сатурна, пролетает примерно четверть длины экватора гиганта, это сто тыщ км, как-никак, правда, на скорости в 17 км/с, поддерживаемой ядерными прямоточниками, это займёт лишь немногим больше полутора часов, затем "выпрыгивает" из атмосферы и ТфЯРДом даёт импульс, чтоб подняться обратно до высоты орбиты Энцелада, где приземляется и сливает в подземное хранилище "добычу".
И ангар придётся делать подземный, подлёдный, ну, в общем, что там, на Энцеладе, есть?
И там же придётся строить каморку для человеков, на большой глубине, чтоб защититься от радиации, и будут эти человеки разруливать проблемы большого флота автоматических ловцов сатурнианского "воздуха". Конечно, жить им там постоянно будет сложно, но ещё сложней их менять, уж очень велика радиационная нагрузка на поверхности Энцелада. Хотя и сильно меньше, чем была бы в системе Юпитера. А что делать? Чем больше задача, чем сложнее и многопластовее, тем сложнее обойтись чистой автоматикой.
Значит, понадобится что-нибудь типа свинцового лифта-катапульты, могущего с перегрузкой пусть 10 "же" эвакуировать человеков в ядерный же планетолёт, с тем, чтоб и дальше с максимальной возможной перегрузкой убраться из радиационных поясов Сатурна и вернуться на Титан.
Ибо большая обитаемая база в системе Сатурна может быть только там. Возможно, там будет и полноценная колония, на самообеспечении - льда и минералов на Титане достаточно, условия, в общем, не хуже, чем на Луне, только солнечную энергию придётся концентрировать. И строить наш термоядерный звездолёт тоже возле Титана, и там же его заправлять дейтерием и гелием-3.
Ибо запасов гелия-3 на Луне хватит лишь на земную энергетику.
Да и стартовать звездолёту лучше подальше от Земли, ну очень уж велика мощность его движков, даже рассеянная струя вызовет в земной магнитосфере возмущения, как при сильнейших солнечных вспышках, если мы не отодвинем старт подальше. Система Сатурна как раз подойдёт.