В предыдущей статье рассматривался вопрос эффективности полетов на Марс. Я продолжаю быть убежденным в том, что марсианская гонка, равно как и лунная, дает нам шанс вырваться вперед в покорении космоса. Пока все ведущие страны заняты бросанием пыли в глаза, мы можем перетянуть лидерство за счет выбора правильного направления. Прежде всего потому, что Марс – это большая иллюзия. Неэффективная трата сил и энергии.
Сначала сформулируем посыл: необходимо создать флот из космических буксиров, свободно передвигающихся по солнечной системе пусть даже на малой удельной тяге, но достигающих самых удаленных точек. А исследования сосредоточить на малых планетах – в поясе астероидов, спутников газовых гигантов. В будущем – объектов пояса Койпера. Почему - да потому, что садиться и взлетать с них можно с минимальным запасом химического топлива! Любая высадка на тяжелую планету, включая крупные спутники типа Европы, Ганимеда или Титана – это 70-80 процентов полезной массы впустую, на горючее. Бессмысленная трата. Проще «порхать» по Солнечной системе, а планеты исследовать в автоматизированном режиме. Те же астероиды – неисчерпаемые источники ценных металлов. Со временем можно окупить все затраты.
А теперь рассмотрим подробнее.
Сначала поговорим о расстояниях, орбитах и скоростях. Есть два варианта движений по орбитам: пассивное и активное. Пассивное движение – это на самом деле движение по эллиптическим орбитам вокруг Солнца таким образом, чтобы пересечься с круговыми орбитами (почти круговыми если уж быть совсем точным) других планет. Движение проходит по Гомановской траектории. Вот схема движения для полета на Марс:
Главная проблема движения по пассивным траекториям – это время. Лететь долго. Время полета на то же Марс занимает около 8,5 месяцев. До спутников Сатурна около 7 лет (без учета гравитационных маневров). Это неприемлемо для пилотируемых полетов. Хороший ориентир расстояния для полетов в Солнечной системе – это 3-5 астрономических единиц. Приблизительно столько лететь до пояса астероидов или юпитерианских лун. Времени - до 6-9 месяцев в одну сторону. Если опустить долгие рассуждения и расчеты, то в сухом остатке остается следующее – для перемещения к объектам Солнечной системы необходимо двигаться в среднем со скоростями 30-50 км/сек.
Однако достигнуть этих скоростей с использованием химических реактивных двигателей невозможно. Всем известная формула реактивного движения говорит о том, что для достижения скорости в 30 км/сек потребуется запас горючего в 20 000 раз большего, чем конечная масса полезного аппарата. Вся проблема в скорости истечения реактивной струи, которая ограничена энергией химических процессов.
Поэтому для покорения солнечной системы нужны космические аппараты с двигателями на других принципах. Такие двигатели уже есть, это электрические ракетные двигатели: ионные или плазменные. Пока не будем останавливаться на технических деталях. Самое главное – типовая скорость истечения горючего в таких двигателях – около 30 километров в секунду. И запас топлива к полезной массе приближается к числу «e» за минусом единицы, т.е. к ~1,7. Это многовато, но уже почти то, что нужно. Еще лучше соотношение при скорости истечения в 100 км/сек – всего 30% от полезной массы, почти как у автомобиля.
НО есть одна загвоздка, которую мало кто принимает во внимание.
Если мы помним курс школьной физики, то энергия у нас это mv^2/2, а импульс mv. Т.е. для достижения более высоких скоростей истечения реактивной струи, необходимая энергия растет по квадратичной зависимости. А прирост скорости мы получаем по линейной. Для наглядности я приведу одну таблицу – мощность, которая нужна для разгона 1 килограмма реактивной струи в секунду для различных скоростей истекания:
Обратите внимание на главное. Как растет тяга, и как мощность.
Мы видим достаточно печальную картину – для выброса 1 кг горючего в секунду при скорости 100 км/сек, требуется колоссальная мощность. 5 Гигаватт – это мощность крупнейшей земной электростанции.
И, кстати говоря, даже при такой мощности ускорение не очень. Поэтому для сколько-нибудь серьезных полетов потребуется очень мощная и очень компактная энергетическая установка. На сегодня вариантов такой установки немного. По сути, он единственный - ядерный реактор.
А вот с этим у нас, я подчеркиваю – именно у нашей страны – все не так плохо. Мы не продавились под зеленую повестку, и такие ректоры уже имеются.
Приведу еще таблицу, которая даст понять основную проблематику дальних космических перелетов.
Тут мы видим, что при мегаваттом реакторе разгон очень слабый. И даже для реального 20 мегаваттного реактора ускорение слабовато. С другой стороны, при движении в вакууме за сутки разгона мы увеличиваем скорость на вполне осязаемые 288 или 86,4 метров в секунду. При этом 20 мегаватт полезной мощности – это вполне достижимая мощность, в атомных подводных лодках она выше.
Вывод простой. Для межпланетных полетов в солнечной системе требуются:
- Ионные или плазменные двигатели, чем мощнее, тем лучше.
- Компактные ядерные реакторы, работающие в космосе и условиях невесомости.
Все выкладки выше – это чистой воды физика, т.е. законы природы. И никаких способов обойти их нет. Тем не менее, несмотря на определенные ограничения, оснащенный атомным реактором орбитальный корабль вполне способен преодолевать значительные расстояния за разумные сроки.
Теперь о главном.
У нас имеется атомные реактор мегаваттного класса. Больше ни у кого его нет. Отставание других стран от нас – 10-15 лет.
У нас уже есть ионно-плазменные двигатели киловаттного класса и если их поставить достаточно много – то можно обеспечить необходимую тягу, приближающуюся к указанной в таблице. А если немного напрячься и сделать двигатели помощнее, то проблема решена. Если дело не запороть, то мы можем создать своего космического странника в ближайшие 10 лет. Затем отладить его работу. И через 20 лет быть готовым к покорению Солнечной системы!
Поэтому не следует тратить средства на марсианскую гонку, а надо вкладывать усилия и средства в буксир! Это будет безусловным и бесспорным лидерством.
Какие технологии мы разовьем
1. Атомная энергетика в условиях невесомости и космического пространства.
2. Электрические ракетные двигатели.
3. Роботостроение и искусственный интеллект.
4. Космическая верфь на орбите.
5. Отвод тепла в условиях космического пространства (это отдельная интересная тема).
6. Защита космонавтов от радиации, искусственная гравитация и комфортная среда для путешествий.
Сложности и вызовы.
Безусловно, имеются значительные сложности.
1. Создать верфь на орбите, даже чисто сборочную – это серьезная задача. Потребуется свой собственный орбитальный комплекс (МКС в топку, здравствуй МИР-2).
2. Потребуется решить проблему с отводом тепла. А она не такая уж и простая. Мы же понимаем, что мегаватт полеpной мощности – это на самом деле 2-3-4 мегаватта тепловой? А как отвести тепло в безвоздушном пространстве? Ведь рабочим телом реактора является вода.
На Земле для охлаждения и конденсации пара используются вот такие градирни:
А в космосе тепло можно отвести только одним способом – излучением в пространство. Закон Стефана-Больцмана все помнят? Четвертая степень абсолютной температуры. Это намного медленнее, и требует непростых технологических решений. И потребуется спроектировать систему отвода тепла, с радиаторами очень большой площади (сравнимых с футбольным полем).
Небольшой пример. Чтобы устойчиво отводить 4 Мвт тепловой мощности при температуре охладителя в 70 градусов Цельсия, потребуются радиаторы с эффективной площадью излучения приблизительно в 6 тысяч квадратных метров. С учетом двусторонности, это квадрат со стороной в 55 метров. Художники отобразили систему отвода тепла, видимо здесь:
Не понятно правда зачем при этом солнечные панели (для красоты видимо), но главное – размер панелей маловат.
3. Потребуется создание роботов для автоматизации сборки, контроля управления, и исследовательских аппаратов.
4. Потребуется более досконально изучить воздействие радиации за пределами земной магнитосферы и построить жилые модули с учетом необходимого уровня защиты. Хотя, опять же таки, не все так страшно. Детальный анализ показывает, что заряженные тяжелые частицы легко останавливаются небольшим по толщине экраном, легкие электроны можно отклонять магнитным полем да и они неплохо экранируются, а нейтронов не так уж много. Остаются высокоэнергетические космические частицы и гамма+рентнен излучения. Придется поработать над оптимальным составом стенок. Возможно, сделать толстые капсулы для сна и отдыха, и менее защищенные – для активного движения.
На самом деле все эти проблемы – мелочи по сравнению с теми, которые были преодолены на первых шагах выхода в космос. Когда технологии были намного менее совершенные, компьютеры занимали целые здания, а страна находилась в условиях постоянной военной гонки (кто там говорит про нынешние проблемы – ау…).
Я убежден, что все это решаемо. И будущее должно быть за нами!
Пишите, делитесь своими соображениями. Главное - не нужно пессимизма. Будет цель, вызов - пойдут изменения. Станут востребованы научные и технические профессии, поднимется престиж инженерного образования. По цепочке поднимутся технологии и промышленность.
PS. По уточнению участника обсуждения - Сармат Курицын - отдельная благодарность, привожу более точный концепт буксира "Зевс". Здесь видно, что решена проблема теплоотвода.