В небе орбиты расходами покрыты. На земле под Солнцем кошельки светят донцем. Кому выгодно поддерживать цену орбитального полёта настолько космической— и что с этим можно поделать всем людям доброй воли, ума, чести и совести?
Главная ракетная проблема
Сама ракета, а вы какой ответ ждали? Уравнение Циолковского безжалостно. Чтобы разогнать какую-то массу, нужно иметь на борту какую-то массу, а чем больше массы запасёшь, тем больше нужно массы для разгона.
Что с этим удручающим состоянием можно поделать? Разумеется, обойтись без ракеты!
Кит Лофстром и его удивительная орбитальная петля
Название в стиле подростковой фантастики столетней давности, что да, то да. Замысел, как ни странно – тоже. Исполинская конструкция длиной в пару тысяч километров и высотой около восьмидесяти способна закидывать миллионы тонн в год на околоземную низкую орбиту. Самое то для любой сколько-то масштабной транспортной связности Земля-Космос и полноценного освоения системы Земля-Луна.
Выглядит как очередная исполинская стройка из плохой советской фантастики 1950-1960, но передавать горячие приветы Ивану Ефремову пока рано. Концепция давно посчитана и вылизана десятилетиями работы критиков. Равно как и уточнения её для скептиков вели плюс-минус на скорости подтверждения современными компьютерами закона Мура.
Пятиминутка истории
Как и в случае большинства других интересных футурологических решений, петля Лофстрома появилась на заре восьмидесятых годов прошлого века. Уже в нынешнем тысячелетии, в ранние нулевые, Кит Лофстром повторил краткий обзор для нового поколения читателей.
Ну что же, прошло ещё двадцать лет, сменилось ещё одно поколение. Самое время описать концепцию ещё разочек!
Базовые возможности
Хорошая пусковая система на Земле обязана выполнять простые короткие требования. Любой запуск с неё достаточен, чтобы поместить космический аппарат на интересную для учёного либо выгодную для заказчика орбиту между Землёй и Луной. То есть, от выхода на околоземную низкую орбиту до перелёта Земля-Луна или Земля-Лагранж включительно. Что это значит?
В сухих цифрах это космическая скорость от 8 до 11 километров в секунду, ускорение взлёта порядка 3g и ниже, и пусковая трасса длинной в 2000 километров и высотой порядка 80. Этого в целом достаточно, чтобы вывести на орбиту многоразовую аэродинамическую пассажирскую капсулу или прикрытую разгонным колпаком грузовую платформу. Для скругления 500-км околоземной низкой орбиты капсуле хватит скромной дельты V 120 м/с - вместо лютых ~10 км/с которые обычно съедает традиционный и привычный нам ракетный пуск от Земли до орбиты. Как достичь этого выгодного результата? Разумеется, эффективным использованием разогнанной массы!
Эффект массы, бгг
Допустим, мы заключили в трубу поток материи, после чего разогнали его в магнитном поле. На каждый метр трубы — примерно три килограмма материи. Скорость движения — 14 километров в секунду. Этого с лихвой достаточно, чтобы выйти за пределы орбиты Земли. Отражаем поток на 180 градусов — и получаем 28 километров в секунду. Сила в точке отражения составит 1,2 миллиарда ньютонов. То есть, поток указанных свойств держит на себе заметно больше ста тысяч тонн любого нужного для нас рабочего обвеса.
Но мы, разумеется, избегаем настолько лобового решения как слишком энергоёмкого. Вместо этого магнит отбирает 3,5 м/с. Мы получаем силу в 150 тысяч ньютонов — а этого вполне достаточно, чтобы разгонять пять тонн на ускорении в 3g.
Цена вопроса
Указанное торможение обойдётся нам в дЖва Жигаватта энергии. Выделится при этом вполне ожидаемое количество мусорного тепла. Но к счастью, наш поток несёт 3 килограмма материи на метр разгонной трассы на скорости в 14 километров в секунду — а значит, вполне неплохо уносит это мусорное тепло вдаль по системе и «размазывает» до безопасного значения. Его там довольно мало, градусов по 80 Кельвина прибавки за пуск. Перегреть трубу до отказа магнитных свойств разгонного материала можно только очень большой серией пусков.
Косми-и-ический шла-а-анг!
Все, кто играли с пожарным шлангом, отлично помнят, каким жёстким делает его поток воды. И как весело этот шланг улетает куда ни попадя с опорой на струю внутри, если выпустить его из рук. Для электромагнитного разгонного трека эффект примерно тот же самый — весь исполинский трубопровод с опорой на кольцевые магниты выгнется горбом над землёй и поднимет себя на достаточную высоту.
Восемьдесят километров над Землёй — граница Линии Кармана, то есть, космоса. Атмосферная помеха околонулевая. Поток в трубе движется быстрее, чем нужно для выхода с земли на второй космической скорости. Пока в системе есть энергия, она поддерживает себя. Наши 3 килограмма на 14 километрах в секунду прекрасно держат на себе около семи килограммов на метр. Этого достаточно, чтобы поддерживать над Землёй сравнительно большие «псевдо-космические» структуры.
Магнетические силы
Для работы петли используются и сила притяжения и сила отталкивания. Магнитные потоки в системе движутся немного быстрее потока металла в разгонной трубе — и тянут металл за собой. На современных технологиях можно ожидать эффективность отлаженной системы выше 99% – хотя какие-то потери, конечно, будут.
На силе отталкивания движется всё, что навешено сверху — от сервисных элементов системы до орбитальных капсул в момент разгона.
Проблема динамической структуры
Наша петля, разумеется, подвержена сторонним воздействиям. Земля крутится, ветер дует. Разгон вызывает колебания. Поэтому, её нужно стабилизировать. То есть, крепить растяжками. До нужной высоты относительно удачно достаёт большая кевларовая растяжка, хотя чем выше — тем сильнее она превращается в паутину мелких растяжек тоньше основной части.
Ну и разумеется, стабилизировать петлю можно перпендикулярными ей петлями, сильно меньше размером и под совсем другой нагрузкой. Они же могут работать сервисными лифтами для высотных площадок обслуживания. Если кевларовую паутину крепить на основе этих вспомогательных петель, требования к их общему количеству можно значительно снизить.
Энергетические потери
Вакуум и магнитное поле заметно снижают потери на трение. Поток массы движется после исходного разгона с минимальными потерями энергии. Достаточный размер поворотного круга и запуск материала по второй трубе обратно эффективно закольцовывает нашу конструкцию.
Её физические размеры составят порядка 2700 километров, из которых 2000 — сама разгонная высотная трасса, где и происходит набор космической скорости. На один круговой полёт рабочего тела в трубе уходит примерно семь минут.
Идеальное расположение
Для пусковой таких размеров теоретически достаточно куска Тихого океана на экваторе. Там очень скучная для фильмов-катастроф погода, нет сколько-то заметных масс земли, тем более нет местного населения, наплавные платформы энергостанций, центра управления и обслуживания можно привести морем в любом количестве, а трубу перед запуском – собирать по частям притопленной на понтонах вдали от любого волнения.
В теории этот кусок земного шара прекрасно вместит сотни пусковых, относительно параллельных экватору. И каждая запросто отправит на орбиту многие тысячи тонн в сутки.
Помни о масштабе
Петля Лофстрома обладает довольно скромными габаритами. Это скорее трубопровод, чем здание. Ну, хорошо, несколько трубопроводов и паутина обвязок, креплений, сервисных элементов и дрон-станций.
Но она всё равно маленькая, и, можно смело заявить, изящная.
Стабилизация возвратной трассой
Назад поток идёт по второй трубе, расположена снизу относительно разгонной трассы и скреплена растяжками. Нужно это для того, чтобы стабилизировать последствия разгона. По этой же трубе можно развесить инфраструктуру точного лазерного геопозиционирования, мобильной и космической связи, наблюдения за планетой — аналогичную спутниковой и другое полезное оборудование.
Пусковая станция
Момент перехода из наклона в горизонталь порождает силу — и в точке изгиба ставится пусковая станция. Наклон в десять градусов порождает 200 миллионов ньютонов силы. Двадцать тысяч тонн — вполне приличный запас для пусковой станции массой около 5000 тонн. Остальное расходуется на кабели стабилизации до поверхности, лифтовую систему и её питание.
Пусковая станция на экваторе всегда на западе. Из-за высотного расположения её можно считать настоящей космической станцией. Да, там будет почти вакуум и почти земная сила тяжести, но гипотетическим живым рабочим придётся носить отапливаемые скафандры и спасательные парашюты.
Атмосферные помехи
Нижняя часть системы проходит через плотные слои атмосферы, где имеет набор проблем с ветром, температурными перепадами, дождём, снегом и грозами.
Это означает сравнительно тяжёлый обвес из систем обслуживания, борьбы со льдом, громоотводов, метеорологических приборов наблюдения за погодой и прочего.
Полярные орбиты
На территории России петлёй Лофстрома можно выводить полезную нагрузку на полярную орбиту. Трасса из Симферополя в Полярный, чуть севернее Мурманска, уже обладает интересными возможностями, а её вспомогательные системы проходят над основными населёнными регионами страны и дают всю пользу постоянной работы низковысотной группировки спутников без этих спутников.
Ещё интереснее в совокупности геополитических выгод может оказаться полярная разгонная трасса Шираз — Набережные Челны, Нью-Дели - Татарск или Фучжоу – Приаргунск
Ваще сикретно
Если на той же системе развесить устройства наблюдения, можно получить чисто военную практическую выгоду. Оптическая система на такой высоте запросто может наблюдать с разрешением 30 сантиметров на пиксель. Её легко обслуживать, а заменять можно сразу крупные блоки — с ремонтом на поверхности и повторным использованием.
Запуск по этой транспортной системе неядерных гиперзвуковых ракет в транспортно-орбитальной капсуле позволяет очень дешёвые космические удары по стратегическим целям в любой точке земного шара.
Достаточно мощная распределённая система отражения и перефокусировки направленного лазерного излучения на базе обвеса трассы может в теории оказаться надёжной противоракетной и противобаллистической системой, но тсс! Вот здесь побережём до поры нервы товарища майора!
Транспортные капсулы
Для людей нужен маленький шестиместный «типа самолётик», ограниченно пригодный к полёту в атмосфере под тягой, космическому ракетному полёту до пересадочной станции и самостоятельному заходу из космоса в плотные слои атмосферы. В принципе, вместо него можно разгонять и трёхместную капсулу более традиционного дизайна, выйдет приемлемо.
Полезные спутниковые нагрузки можно запихивать в лёгкий многоразовый обтекатель, который просто раскрывается на запуске и выпускает их в самостоятельный полёт, после чего уезжает на конечную станцию на повторное обслуживание.
Катастрофические отказы
Внутри системы энергия той ещё Хиросимы. Что будет, если по ней старательно жахнуть? Кроме людей это вполне по силам метеориту или цепочке пагубных случайностей. Спокойствие, только спокойствие! Говорить об апокалиптических последствиях отказа совершенно бессмысленно.
В момент катастрофического нарушения вакуумной изоляции рабочее тело достаточно безболезненно и быстро тормозит в набегающем потоке. Любая крупная платформа с оборудованием штатно садится на парашютах. Люди в транспортной капсуле самолётного или традиционного дизайна уходят на аварийную посадку. Грузы тормозят ленточным парашютом и садятся на аварийном в единой сцепке многоразовой разгонной капсулы.
Многократное дублирование
Частичные повреждения без масштабного разрушения конструкции можно сократить вводом дополнительных «стрелок» в единой системе. После строительства первой системы делать рядом третью, пятую, седьмую — пока не затошнит — в единой обвязке и с заранее предусмотренными дублирующими потоками совершенно оправдано.
Транспортный пучок с разведёнными на сотни километров наземными частями накрыть в один удар физически невозможно. Обрушение системы таким образом становится только частичным, а процесс восстановления можно вести без остановки пускового комплекса.
Экономическое итого?
Пятьсот килотонн материалов. Цена строительства около 500 долларов 2002 года — или, если верить экономистам, примерно 825 долларов года 2020. За очень скромные деньги, меньше 200 миллиардов рублей (или 20 миллиардов юаней), можно уместиться в идеальное строительство.
Это, конечно, фантастика. Но мы же тут про оптимистичную футурологию, верно?
При запуске малой петлёй 40 килотонн груза в год на околоземную низкую орбиту цена в теории просядет к 300 долларам за килограмм в ценах 2002 года. То есть, около 35 тысяч современных рублей (или 3350 юаней) за кило.
При запуске капитальной петлёй на 20 гигаватт входящей энергии шести миллионов тонн в год цена просядет и того сильнее — до скромных трёх долларов за кило. То есть, до 350 рублей за кило и соответственно 33,5 юаней.
Щепотка пессимизма
Разумеется, это идеальный подсчёт, который опирается на полную же загрузку. Ждать её имеет смысл после начала реального освоения космической системы Земля-Луна.
Но уже полмиллиона рублей за кило - сильно дешевле нынешней цены для килограмма на околоземной низкой орбите!
Вопрос масштаба
Кажется, что это бессмысленно огромные полезные нагрузки. Но только до ознакомления с материалом по транспортным потокам сколько-то большого города или области страны.
Допущение о заселённом космосе немедленно означает, что национальных и межнациональных петель нужно много, а суммарный грузовой оборот поверхность-орбита у космического государства в любой точке Лагранжа измеряется в сотнях миллионах тонн в год.
Движемся ввысь!
