Если б я был султан, я б имел трёх жён. Но один раз начав собирать гарем, трудно остановиться. Что если окольцевать сразу Землю – или хотя бы часть её? И зачем это надо для покорения космоса?
Логистические ворота
Ракеты заметно уступают своим альтернативам по цене килограмма на околоземной низкой орбите. Это базовое физическое ограничение, которое следует из смысла формулы Циолковского. Замена ракет с реактивными двигателями конструкциями, в которых рабочее тело движется по цене электричества, гораздо выгоднее.
Космическая промышленность, активное заселение космоса и большая группировка пилотируемых и беспилотных космических аппаратов сильно выигрывают при любой безракетной транспортной схеме. Какой?
Стратосферный нимб
Большое замкнутое транспортное кольцо над землёй на основе примерно тех же технологий, что лежат в основе петли Лофстрома очень выгодно.
Такое кольцо может поддерживать системы прямого разгона космических аппаратов, работать большой скоростной транспортной системой, мощным ретранслятором связи, а также предоставлять собственное жилое пространство и ограниченно компенсировать расходы на своё поддержание с помощью обвеса собственными электростанциями. Оценочная стоимость килограмма постоянной нагрузки в такой системе достаточно скромная – каких-то восемь-девять тысяч рублей за килограмм.
Важное уточнение
Цифра выше относится именно к цене за килограмм постоянной нагрузки. То есть, всего, что постоянно размещено на главной активной части разгонной инфраструктуры как её дополнительный обвес.
Список полезной нагрузки достаточно широк – солнечные батареи, устройства связи, ангары сервисных дронов, склады критически важных расходников, жилое пространство для инженеров и обслуживающего персонала, туристические базы для сверхвысотных парашютистов, элитные рестораны и другие экзотические способы немного окупить заоблачную стоимость конструкции. Но это побочные достоинства конструкции. В чём же её сверхзадача?
Большое Транспортное Кольцо
Освоение системы Земля-Луна – дело затратное. По современным подсчётам нужно полмиллиона тонн полезной нагрузки для начала покорения Луны и заселения ближнего космического пространства Л4/Л5.
Выход за пределы ближней системы – к Церере или лунам Марса и того дороже, порядка миллиона тонн полезной нагрузки. Конечно, всё это на протяжении где-то полувека, но цифры всё равно заоблачные. Как так получилось и что с этим делать?
Человек, счёт!
Коммерческие цифры для частных заказчиков на 2022 год непринуждённо выскочили за пять миллионов за килограмм и сейчас находятся в районе 5,4-5,8 миллиона рублей. Конечно, есть и свои нюансы - двухсоткилограммовый спутник на солнечно-синхронной орбите стоит порядка 440 тысяч рублей всё за тот же килограмм. Увы, попытка уточнить стоимость тут же влечёт за собой целый ворох малоприятных «но».
Значит, нужна безракетная транспортная система при сильно меньшей цене за килограмм на орбите. Как выбрать её ключевые параметры?
Система «ниппель»
Ключевые требования к экономически состоятельной безракетной транспортной системе Земля-орбита крайне просты. Для её строительства применят уже доступные материалы в массовом коммерческом производстве без значимых прорывов материаловедения. Она позволит запускать в космос людей. Через радиоактивные пояса Ван Аллена капсулы с экипажем и уязвимый груз пройдут быстро. Разумеется, капсулы смогут пристыковаться к защищённому транспорту космос-космос. Стыковки пройдут в пределах околоземной низкой орбиты с низким радиационным фоном. Ну и разумеется, система окажется прочна и заведомо ремонтопригодна. Запас прочности в проект закладывают в расчёте на случайные и намеренные повреждения.
Эти простые короткие требования уже исключают космические лифты, орбитальные крюки, супер-пращи, разгонные пушки и орбитальные кольца. Что остаётся?
Электромагнитная активная система
В рамки технического задания всё ещё умещаются любые основные электромагнитные системы активной поддержки. То есть, космический фонтан, петля Лофстрома и заякоренное стратосферное кольцо.
Все они построены на замкнутом движении постоянных активных элементов за счёт достаточного расхода электричества. Что должна уметь по-настоящему эффективная система?
Рабочие требования
Электромагнитная транспортная система Земля-орбита регулирует поток материала на всём своём протяжении. Она лишена «узких мест» - в которых нужно предельно эффективно разгонять или тормозить поток. Её система разгона действует постоянно и с низкой интенсивностью. Поток рабочего тела в системе – разновидность бесконечной ленты под высокую нагрузку. Этот поток максимально единообразен по всей длине конструкции. Точки «поворота на пятачке» в большом кольце отсутствуют чисто геометрически. Поток искривляется на всём его протяжении с низкими общими нагрузками. Ну и разумеется, очень скромные последствия катастрофического отказа. Рабочая сборка физически устойчива к единичному тарану или обстрелу. Стрелять по якорям почти бесполезно, а достать цель на тридцать втором километре в небо достаточно трудно само по себе.
Космический фонтан или петля Лофстрома в требования выше умещаются лишь частично. У большого заякоренного транспортного кольца требования, наоборот, удовлетворены полностью. Как же работает формально лучшее из доступных человечеству решений?
Принцип действия БТК
Постоянно заякоренное стратосферное кольцо рассчитано на длину окружности между 50% и 95% диаметра Земли. То есть, да, оно линейно меньше планеты и в рабочем состоянии воспаряет над поверхностью нимбом. Внутри нимба постоянно движется как минимум одно подвижное кольцо рабочего тела. В нормальных условиях, разумеется, такое кольцо растянется и разлетится по частям. Но в конструкции его постоянно удерживает активный электромагнитный подвес.
Над поверхностью Земли нимб держится благодаря сумме векторов. Она сложена из центробежной силы рабочего тела, земного притяжения и материальных привязей якорей на поверхности. Достаточной прочностью обладает уже доступное нам углеволокно. Якоря на суше и в море активно управляют натяжением привязей. Они же регулярно пропускают через себя отдельные привязи для обслуживания и замены. Насколько это всё дорого?
Экономическое обоснование
По умолчанию проект считали для кольца на высоте 32 километра. ГОСТ 4401-81, «Атмосфера стандартная», даёт большую разницу плотности атмосферы с уровнем моря. Она меньше на порядки – 0,0136 против 1,225 килограммов на кубометр. Плотность атмосферы на большей высоте кажется ещё выгоднее. Для 80 километров ещё на два порядка. Но здесь всё портит уже цена якорей достаточной прочности.
Оценка стоимости конструкции приближается к цифре в 3,760 триллиона рублей. При КПД в 50% цена за килограмм на орбите сильно падает. Нижняя планка может просесть до 150 рублей за килограмм. Насколько же изменится путешествие с Земли на орбиту?
Ф КОСМАС, ДЁШЕГО
Пассажиры и груз прибывают на кольцо в обычных лифтах. На базовой транспортной станции их помещают на борт космической транспортной капсулы. Находится она внутри большой разгонной трубы с искусственным вакуумом. Там капсула разгоняется мощными электромагнитами. Плазменный экран блокирует рабочий конец трубы.
После выхода из системы космический транспорт должен стабилизировать орбиту в апогее. Для околоземной низкой орбиты хватит единичных сотен метров в секунду дельты V. Малого запаса химического топлива уже хватит на подлёт к орбитальному буксиру или космической станции. Назад капсула возвращается своим ходом. Короткого тормозного импульса хватит. Всё остальное решается за счёт атмосферного торможения.
Сопутствующие выгоды
Система вполне эффективно заменяет межконтинентальную авиацию. Транспортная капсула движется в бесконечной трубе между регионами, странами и континентами. Движется на многократной сверхзвуковой скорости, буквально километры в секунду. Труба из углепластика значительно дешевле, что тоннеля метро, что наземки. Её рабочая высота позволяет выкупать лишь относительно скромные участки земли под якоря. В основном – на пустошах, или вовсе посреди океана.
Угонять капсулу осмысленно примерно в той же мере, в какой оправдан угон трамвая. Её крайне тяжело превратить в оружие террора. В случае катастрофического отказа капсула безболезненно планирует на раскладных крылышках, тормозит решётками и спасается на грузовых парашютах.
Большая солнечная электростанция
Панели на кольце расположены значительно выше облаков. Каждый их день – солнечный. Геометрический центр кольца над полюсами значительно улучшает инсоляцию. Достаточно освещённые участки отыщутся всегда.
В разреженной атмосфере сокращаются и атмосферная помеха и запыление. На уровне моря солнечная электростанция получает на квадратный метр лишь 1/5 светового потока на околоземной ближней орбите. На высоте соотношение заметно лучше, да и солнечные батареи при ожидаемых -40 по Цельсию работают эффективнее.
КАСМИЧЕСКАЯ МОЩ
Система в рабочем состоянии после запуска хранит в себе 58 тераватт-часов кинетической энергии. Энергию можно добавлять и отнимать на разных участках системы. Она превращается в эффективное средство передачи электричества на межконтинентальные расстояния.
Привязи между кольцом и якорями достаточно прочны, чтобы передавать энергию на землю. Всего лишь полпроцента энергии кольца эквивалентны литий-ионному аккумуляторному банку рыночной ценой в пятьдесят триллионов рублей. А это лишь побочный эффект работы многократно более дешёвой системы.
Услуги связи
Основная проблема космических спутников – их малый срок жизни на орбите. Да, чем ниже цена за килограмм на орбите, тем доступнее обслуживанием многоразовых спутников. Но кольцо само по себе – отличная система псевдо-космической связи!
Оно физически ближе к Земле примерно в 17 раз. Возведём эту цифру в квадрат и вуаля! Кольцо почти в триста раз эффективнее по количеству идеальных подключений на километр квадратный. Да и обслуживать этот обвес проще.
Человек в высотной банке
Транспортное кольцо, разумеется, требует разумного минимализма. Но в пассивный обвес реально добавить жилые модуля. Их достаточно легко снабжать, обеспечивать и защищать от любых посторонних гостей.
И уж совершенно точно подобное жильё станет престижным – сразу и надолго.
Потенциал к совершенствованию
Любой классический научно-технический прорыв к супер-технологиям делает конструкцию орбитального нимба проще и дешевле. Сложные автономные дроны. Углеродные нано-материалы высокой прочности. Дешёвая термоядерная энергия.
Без разницы, что именно, все они, в случае реализации «как описано» дополнительно снизят цены. Любые – что строительства, что обслуживания.
ФИНАНСОВЫЙ УЖОСНАХ
Противопоставление активных разгонных систем ракетным даёт нам простую цифру. Сорок восемь квадриллионов рублей за ракетную доставку полутора мегатонн полезной нагрузки для освоения Луны и ранних постоянных баз на ближних границах Солнечной за пятьдесят лет. Около квадриллиона рублей в год.
Понятно, что это совершенно фантастическая цифра. Как же от неё избавиться с помощью транспортного кольца?
Гулять так гулять!
Четыре рубля за киловатт-час. Один рубль и двенадцать копеек за мегаджоуль. Пятнадцать километров в секунду на выходе из разгонной трубы. Отдельные капсулы сразу выходят за пределы околоземной низкой орбиты. Суммарно три мегатонны полезной нагрузки.
Сто. Восемьдесят. Восемь. Миллиардов. Рублей. Меньше четырёх миллиардов в год на протяжении указанного выше полувека.
Итого?
Наше кольцо даёт нам дешёвый космический транспорт, массовый наземный межконтинентальный транспорт, мощные услуги связи, экзотическое жилое и досуговое пространство и эффективную систему межгосударственной передачи электроэнергии. Оно же частично компенсирует затраты энергии на свою работу за счёт высотных солнечных электростанций.
При этом конструкцию можно построить на уже доступных технологиях за меньшее финансирование, чем ежегодно потребляют эксперименты с термоядом. Здорово, правда?
