В 1968 году выходит научно-фантастический фильм "2001: Космическая одиссея" ("2001: A Space Odyssey"). Фильм, помимо основной сюжетной линии, повествует о космическом быте человечества будущего. И самым фантастичным для зрителей конца 1960-х годов были вовсе не показанные орбитальные станции и космические корабли, а электронные портативные устройства коммуникации с искусственным интеллектом, способные понимать человеческую речь и осознанно отвечать на заданные вопросы.
Сегодня, в 2021 году, всё в точности наоборот. Фантастика оказалась реальностью, а то, что казалось неизбежной реальностью недалекого будущего, оказалось фантастикой.
Задача покорения космического пространства оказалась чрезвычайно сложной и дорогой, как с ресурсной сточки зрения, так и с экономической.
Качественно продвинуться в решении технологических задач, которые были поставлены ещё на заре космонавтики, нам не помогли ни симуляции на суперкомпьютерах, ни разработка новых концепций пилотируемой космонавтики.
Сегодня можно констатировать, что по прошествии почти 60 лет со дня первого полёта человека в космос космонавтика является самой медленно прогрессирующей отраслью за всю индустриальную эпоху человечества.
И дело не в том, что мы «деградировали». Ведь мы уже высаживались на Луну раньше, а в 2020 году у человечества должна была быть построена самоподдерживающаяся база на Марсе. Всё дело в нашем раннем представлении о покорении космоса, который оказался не «пустым вакуумом».
Космические корабли, на которых мы должны были уже летать лет эдак 20, сегодня технически невозможны, и ахиллесова пята таких кораблей – энергоснабжение.
Конструкторские решения, заложенные в 1960-х, до сих пор являются актуальными, а какого-либо кардинального повышения эффективности технологии ракетного двигателестроения что-то не наблюдается.
Мы столкнулись со сложными представлениями о скорой космической экспансии и о технологиях, которые нам для этого нужны.
То же самое произошло в термоядерной энергетике. Так, например, Управляемый Термоядерный Синтез, по самым пессимистичным прогнозам учёных начала 1970-х, должен был быть осуществлён не позднее 1999 года. В итоге же, человечество пришло к выводу, что без всемирной кооперации прогресс в этой обрасти очень маловероятен.
Поэтому был инициирован проект Международного Экспериментального Термоядерного Реактора. Строительство самого сложного сооружения за всю историю человечества должно завершиться в конце 2025 года, а полноценный запуск произойдёт только в 2035 году.
То же самое ждёт будущую космонавтику: из-за чрезвычайной сложности и дороговизны освоение космического пространства возможно только в мировой кооперации.
Для этого нам нужно решить три фундаментальные проблемы. Рассмотрим их поподробнее.
1. Защита от космической радиации.
Человек внутри современного космического аппарата может находиться в космосе около 500 суток. Предел пребывания человека вне защитного поля Земли без серьёзного ущерба здоровью - 1,5 года (при спокойной обстановке, то есть при отсутствии вспышек на Солнце).
Выходит, что события, которые произошли сотни лет назад на расстоянии сотен световых лет, оказывают серьёзное воздействие на незащищённый человеческий организм в открытом космическом пространстве.
НАСА, которое в начале 21 века поставило ставку на пилотируемую космонавтику, рассматривает наиболее перспективную возможность решения вопроса с радиацией следующим образом:
медикаментозное воздействие на организм и отбор людей с генетической предрасположенностью к быстрому восстановлению при радиационном облучении.
То есть пилотируемая космонавтика все ещё продолжает быть делом избранных людей. Теоретически, этого должно хватить для безопасного путешествия до Марса.
Но, конечно, никто таких опытов не ставил даже на животных.
Ведь реальный ровень радиации таков, что экранироваться от него не получится даже при применении листового алюминия толщиной в 30 см:
- На МКС - 0,54 мЗв в сутки;
- На поверхности Луны - 1,4 мЗв в сутки;
- На поверхности Марса - 0,7 мЗв в сутки.
Для сравнения: на поверхности Земли уровень радиации составляет всего 1 мЗв в ГОД!
2. Космическая энергетика.
Аппараты, запускаемые в космос, имеют чрезвычайно малую электрическую мощность, но при этом стоят сотни миллионов долларов США.
Более подробно про энергетику в космосе я писал в статье "Российский Ядерный Космический Буксир создаётся не для исследования космоса".
Так как космическое пространство представляет собой очень разрежённую среду с температурой реликтового излучения -270,4 °C, то объект, помещённый в такое пространство, будет отдавать своё тепло до тех пор, пока не охладится до температуры реликтового фона (войдёт в температурное равновесие с окружающей средой, согласно закону сохранения тепловой энергии).
Охлаждаться в вакууме он может только посредством излучения. То есть охлаждение происходит из-за потери массы объекта, которая улетает в космическое пространство в форме электромагнитных волн.
Это самый неэффективный способ охладить объект.
Например, звёзды, относящиеся к классу "белые карлики", остывают посредством излучения, и остынут они до температуры реликтового излучения через квадриллион лет, что в 72,5 тысячи раз больше нынешнего возраста Вселенной.
Вакуум космоса создаёт фундаментальную проблему для работы высокоэнергетического источника электрической энергии.
Для функционирования подобного генератора нужно создать потенциал, например, в виде потока тепловой энергии от горячего тела к холодному.
Сложность заключается в создании подобного эффективного потенциала в условиях вакуума.
Проще говоря, для работы ядерного реактора требуется охлаждение его контуров. В космосе это проблематично по вышеуказанной причине, что препятствует созданию космических ядерных реакторов больших мощностей.
Для эффективного отвода тепла и создания потенциала с разностью температур ядерной энергетической установке требуется радиатор-излучатель площадью 0,75 квадратных метра на каждые 1 кВт мощности. То есть для охлаждения атомного реактора на современной подводной лодке понадобится радиатор площадью в 14 гектар. Вот тогда ядерный реактор мощностью в 190 МВт заработает в космосе и сможет обеспечивать нас электрической мощностью в 70 МВт.
Самые современные и дорогие солнечные панели с аналогичной площадью, используемые в космических зондах, которые расположены, например, на Луне, выдадут 30 МВт электрической мощности. На орбите Марса мощность упадёт до 16 МВт, а на орбите Юпитера - уже около 1,5 МВт.
3. Космические корабли.
Сегодня космический корабль всё еще представляет собой маленький лёгкий цилиндроподобный объект. 60 лет конструкторских решений не позволили нам создать что-либо иное для космических путешествий.
Венцом космической инженерии человечества стала МКС с применением консервативных технологий (энергия - от солнечных батарей, радиационная защита - от магнитного поля Земли.
Всё упирается в массу выводимой полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (примерно 200 км над поверхностью Земли). Именно этот критерий не позволяет вывести целостную конструкцию больших размеров, способную хоть как-то улучшить защищённость космонавтов.
Например, для безопасного путешествия по Солнечной системе требуется сухая масса космического корабля в 10 тысяч тонн.
Напомню, масса МКС составляет 417 тонн, и строили её всем миром.
Для постройки на орбите космического корабля в 3000 тонн (для марсианской экспедиции), как планировал Сергей Павлович Королёв, сегодня нужно подобие космического дока.
На Земле мы можем строить корабли массой в 100 тысяч тонн, и даже спецкорабли массой в миллион тонн.
Сегодня всё, на что способно человечество в космической инженерии, это стыковка одного модуля к другому, как полвека назад.
4. Двигатели.
Создать тягу в космическом пространстве сегодня возможно только посредством отброса части массы в противоположную сторону (по принципу реактивного движения). Именно так работают ракетные двигатели, сжигая тонны горючей смести для придания большей скорости струи истечения. У самого мощного в мире жидкостного ракетного двигателя - РД-170 - мощность струи истечения достигает 27 ГВт, развивая тягу в 800 тонн.
В конструировании химических ракетных двигателей человечество, безусловно, добилось серьёзных успехов. Двигатели семейства РД (РД-170/180/191 и т.д.) безопасно работают практически на грани прочности современных материалов: тепловые потоки в камере сгорания достигают 50 МВт на квадратный метр, а давление - 254 атмосферы.
Для сравнения: двигатели семейства "Merlin от SpaceX" имеют безопасное максимальное давление в камере сгорания - 97 атмосфер.
Вся эта колоссальная мощность нужна, чтобы вывести на орбиту пару всего десятков тонн полезной нагрузки.
Химические ракетные двигатели позволяют быстро набрать вторую космическую скорость и, теоретически, в пилотируемом режиме долететь до Марса. Но это предел их физической возможности по перемещению в космосе.
Для дальних космических перелётов разрабатываются электрические ракетные двигатели. Но на сегодня однокамерный РД-191 превосходит по мощности перспективный плазменный двигатель «VASIMR» (самый мощный из когда-либо проектировавшихся) в 34 тысячи раз. Следовательно, взлёт с поверхности планеты Солнечной системы на плазменных двигателях не представляется возможным в среднесрочной перспективе.
В итоге у нас нет технологий, чтобы безопасно доставить людей до Марса, не говоря уже о том, чтобы их вернуть обратно на Землю. И в ближайшее годы таких технологий и не предвидится.
Сегодня отправлять людей на Марс – это подвергнуть их физическое здоровье и моральное психическое состояние большой опасности.
И это понимают во всех странах, у которых есть свои космические программы. Единственным правильным выходом будет создание «плацдарма», с которого будет осуществлять дальнейшая экспансия космоса.
И тут на сцену выходит наша родимая Луна, которая является просто подарком судьбы для подобного проекта.
При нынешних технологиях создание Лунной базы вполне возможно. Если затем там создать некое подобие верфи, то появятся мощности для строительства крупноузловых конструкций космических кораблей, которые могут быть значительно более тяжёлыми и защищёнными.
На Луне без вреда для экологии можно использовать более мощные ядерные ракетные двигатели, способные выводить на орбиту Земли в 10 раз большую массу (старт с Луны, затем выход на земную орбиту).
Это позволит создать полноценные космические корабли с эффективной радиационной защитой, просторные, многотоннажные и быстроходные.
Плазменный двигатель мощностью в 1 МВт, предварительно разогнанный ядерным ракетным двигателем до 12 км/сек, позволит долететь до Марса за месяц.
Именно поэтому Луна является путём к освоению Солнечной системы. И поэтому национальные космические программы нацелены именно на колонизацию Луны, а не Марса. Без принятие во внимание Луны наивно полагать, что можно построить соответствующий космический корабль, который безопасно доставит людей на Марс и вернёт их обратно.
Мы с вами являемся свидетелями старта новой гонки, призом в которой станет освоение Луны. Очевидно, что закончится эта гонка предсказуемо – мировым объединением усилий по покорению космоса.
В следующей статье поговорим о Лунных программах России, США, Китая и остальных государств, сделавшие ставку на Луну.
================================================================
С информационными источниками, которые использованы в основе публикации, можно ознакомиться в закреплённом комментарии.
