Космическое безракетное будущее: каким оно может быть
Борьба с гравитацией при космических запусках – задача не из простых. Обычные ракеты очень дорогие, производят много мусора и, как показывает практика, очень опасные. К счастью, наука не стоит на месте и все больше и больше появляется альтернативных способов, которые обещают нам более эффективные, менее затратные и более безопасные пути покорения космического пространства. О том, каким образом человечество будет летать в космос в будущем, сегодня и поговорим.
Но перед тем, как начать, следует указать, что химические реактивные двигатели (ХРД), использующиеся сейчас в качестве основы для всех космических запусков, являются критически важным инструментом для развития космической сферы, поэтому их использование продолжится еще не один десяток лет, пока не будет найдена и — что самое важное – не раз протестирована технология, способная обеспечить безболезненный переход на принципиально новый уровень космических запусков и полетов.
Но уже сейчас, когда стоимость запусков может составлять несколько сотен миллионов долларов, становится понятно, что ХРД – это тупик. В качестве примера можно взять новейшую разработку Space Launch System. Именно эта система рассматривается аэрокосмическим агентством NASA в качестве основы для освоения дальнего космоса. Специалисты подсчитали, что стоимость одного запуска SLS будет составлять около 500 миллионов долларов. Теперь, когда космос стал не только делом государств, но и частных компаний, стали предлагаться и более дешевые альтернативы. Например, стоимость запуска Falcon Heavy компании SpaceX будет составлять около 83 миллионов долларов. Но это все равно очень и очень дорого. И это мы еще не затрагиваем вопрос экологичности космических запусков на базе ХРД, которые, без сомнений, наносят ощутимый вред окружающей среде.
Радует то, что ученые и инженеры уже предлагают альтернативные способы и методы космических запусков, и некоторые из них действительно обладают потенциалом в течение ближайших десятилетий превратиться в эффективные технологии. Все эти альтернативные варианты можно обобщить под несколькими категориями: альтернативные виды реактивных запусков, стационарные и динамические транспортные системы, а также катапультные системы. Разумеется, они объединяют далеко не все предложенные идеи, однако в этой статье разберем наиболее обещающие.
Альтернативные виды реактивных запусков
Лазерная реактивная тяга
Перенаправление потока плазмы для повышения тяги
Использующиеся сейчас ракеты требуют использования огромного количества твердого или жидкого топлива, и чаще всего их дальность полета и эффективность ограничены тем, сколько этого топлива они могут с собой нести. Однако есть вариант, который в будущем позволит преодолеть эти ограничения. Решением могут стать специальные лазерные установки, которые будут отправлять ракеты в космос.
Российские физики Юрий Резунков из Института разработки оптоэлектронных инструментов и Александр Шмидт из Физико-технического института имени Иоффе недавно описали процесс «лазерной абляции», согласно которому тяга летательного аппарата будет генерироваться с помощью лазерного излучения, создаваемого лазерной установкой, находящейся вне космического аппарата. В результате воздействия этого излучения будет сжигаться материал принимающей поверхности и создаваться плазменный поток. Этот поток и будет обеспечивать необходимую тягу, способную разгонять космический корабль до скоростей в десятки раз больше скорости звука.
Если опустить всю фантастичность данного метода, перед созданием подобной системы нужно будет решить две проблемы: лазер в этом случае должен быть невероятно мощным. Настолько мощным, что будет способен в буквальном смысле испарять металл на расстоянии нескольких сотен километров. Отсюда и другая проблема – этот лазер можно будет использовать в качестве оружия уничтожения других космических аппаратов.
Стратосферные запуски и космические самолеты
Менее концептуальным и более реальным кажется метод запуска космических аппаратов с помощью специальных мощных несущих воздушных тягачей
Кто сказал, что метод, предложенный компанией Virgin Galactic, может использоваться только для космического туризма? Компания планирует использовать свой аппарат LauncherOne в качестве транспортировочной системы для вывода на орбиту Земли компактных спутников весом до 100 килограммов. Учитывая то, с какой скоростью происходит миниатюризация космических систем сейчас, – задумка весьма интересная.
Другими примерами системы для стратозапуска являются космический аппарат XCOR Aerospace Lynx Mark III (на изображении выше) и аппарат Orbital Sciences Pegasus II (на фото ниже).
Одним из преимуществ космических запусков из воздушного пространства является то, что ракетам не придется преодолевать отрезок очень плотной атмосферы. В результате этого на сам аппарат снизится нагрузка. Кроме того, воздушный аппарат гораздо проще запустить. Он менее подвержен атмосферным погодным изменениям. В конце концов, особенность таких запусков открывает более широкие возможности в плане выбираемого масштаба.
Еще одним вариантом являются космические самолеты. Эти многоразовые летательные аппараты будут аналогичны «вышедшим на пенсию» шаттлу и «Бурану», но, в отличие от последних, не будут требовать использования огромных ракет-носителей для вывода на орбиту. Одним из самых перспективных и передовых проектов на этот счет является британский космоплан British Skylon (на фото выше) – одноступенчатый летательный аппарат для выхода на орбиту. Реактивная тяга аппарата будет создаваться за счет двух воздушно-реактивных двигателей, которые будут разгонять его до скорости в 5 раз выше скорости звука и поднимать на высоту почти 30 километров. Однако это всего лишь 20 процентов от необходимой скорости и высоты, необходимых для выхода в космос, поэтому космоплан после набора потолка высоты будет переключаться на так называемый «ракетный режим».
К сожалению, на пути реализации этого проекта по-прежнему имеются многие технологические трудности, которые еще предстоит решить. Например, ожидается, что космопланам придется сталкиваться с незапланированным изменением траектории подъема вследствие высокого динамического давления и чрезмерных температур, которые непременно будут воздействовать на самые чувствительные части летательного аппарата. Другими словами, такие космопланы могут быть опасными.
Еще одним примером разрабатываемых космопланов является аппарат Dream Chaser, разработанный Sierra Nevada Corporation для аэрокосмического агентства NASA (на видео выше).
Стационарные и динамические транспортные системы
Если не летательные аппараты, то решением могут служить огромные сооружения, возвышающиеся до невероятных высот или даже прямиком в космос.
Например, Джеффри Лэндис, ученый и фантаст, предложил идею строительства гигантской башни, чья верхушка будет достигать пределов земной атмосферы. Расположенная на высоте около 100 километров над поверхностью Земли, она может использоваться в качестве пусковой платформы для обычных ракет. На такой высоте ракетам практически не придется бороться ни с каким воздействием земной атмосферы.
Еще одним вариантом сооружения, привлекшим внимание многих представителей научного и околонаучного сообществ, является космический лифт. На самом деле эта идея берет свое начало еще с 19-го века. Современный вариант предлагает протянуть на высоту 35 400 (что находится за пределами расположения большинства коммуникационных спутников) километров над поверхностью Земли сверхпрочный кабель. После проведения всех необходимых балансировок по кабелю предлагается пускать работающие на лазерной тяге транспортные аппараты с грузом.
Иллюстрация космического лифта на Марсе
Идея космических лифтов действительно обладает потенциалом создания настоящей революции в вопросах космических транспортировок на околоземную орбиту. Но воплотить эту идею в реальной жизни будет очень сложно. Пройдет немало времени до того, как ученые создадут материал, способный выдерживать вес такой конструкции. Рассматриваемыми вариантами сейчас являются углеродные нанотрубки, а точнее структуры на базе микроскопических алмазных сплетений с ультратонкими нановолокнами. Но даже если мы найдем способ постройки космического лифта, всех проблем это не решит. Опасные вибрации, интенсивные колебания, столкновения со спутниками и космическим мусором – это лишь малая часть задач, с которыми придется разбираться.
Еще одной предложенной альтернативной является гигантские «орбитальные маховики». Маховики представляют собой вращающиеся спутники с расходящимися в две разные стороны длинными тросами, концы которых при вращении будут соприкасаться с атмосферой планеты. При этом скорость вращения конструкции частично или полностью будет компенсировать орбитальную скорость.
Портал Orion’s Arm объясняет принцип их работы:
«На нижней части троса, расположенной возле планеты размером с Землю, будет иметься стыковочная платформа, находящаяся на высоте 100-300 километров над поверхностью (при этом сама длина тросов, идущих от центра маховика, будет составлять несколько тысяч километров). Такая высота выбрана потому, что здесь будет минимизировано воздействие атмосферы на сам «маховик», а также минимизированы гравитационные потери стыкующихся челноков. Стыковка будет происходить при очень низких скоростях как самого маховика, так и стыковочного шаттла, как правило, на пике параболической суборбитальной траектории, заданной ракетой-носителем. В этом случае шаттл будет находиться относительно «маховика» практически без движения и может быть пойман специальным крюком, а затем притянут к стыковочному шлюзу или посадочной платформе. Для правильного позиционирования на орбите «маховики» будут использовать маневровые двигатели».
Так как маховики будут находится полностью в космосе, не закреплёнными к Земле, им не придется испытывать таких же физических нагрузок, как космическому лифту, поэтому данная идея в конечном итоге может оказаться жизнеспособнее.
Что касается динамических сооружений, то журнал Popular Mechanics описывает по крайней мере два основных варианта:
«Такие строения, как «космический фонтан» и «петля Лофстрома» будут сохранять свою структурную целостность благодаря электродинамическим эффектам или импульсам, двигающимся внутри них частей, а также грузам и пассажирам, отправляющимся на орбиту. Более интересным концептом представляются ротоваторы. Эта идея предлагает строительство большого орбитального строения с тросом, вращающимся в плоскости орбиты таким образом, чтобы в ближайшей к Земле точке окружности скорость конца троса относительно центра была противоположна орбитальной скорости. Таким образом, трос, проходя минимум, может подхватывать нужный объект, имеющий скорости ниже первой космической, и отпускать его в точке максимального удаления со скоростью уже большей первой космической».
Выглядеть это будет примерно так, как на «гифке» выше
Другой альтернативой космическому тросу и лифту является вертикальная надувная башня, способная вырастать на 20-200 километров в высоту. Предложенная Брэнданом Квином и его коллегами конструкция будет возведена на верхушке горы и отлично подойдет для атмосферных исследований, установки теле- и радиокоммуникационного оборудования, запусков космических аппаратов и туризма. Сама башня будет создана на базе нескольких пневматических внешне управляемых выдвижных секций.
«Выбор в пользу башни поможет избежать проблем, связанных с космическим лифтом. Речь идет о прочности материала для строительства, подходящего для работы в условиях космоса, сложности производства кабеля длиной как минимум 50 000 километров и решении вопросов, связанных с метеоритной угрозой на низкой околоземной орбите», — говорят исследователи, предложившие проект башни.
Для проверки своей идеи они построили 7-метровую модель башни с шестью модулями, каждый из которых был создан на базе трех трубок, установленных вокруг цилиндрического отсека, заполненного воздухом.
Что интересно, аналогичная технология может быть использована при строительстве «космического пирса», предложенного Джоном Сторрсом Холлом. Согласно данному концепту, предлагается возвести сооружение высотой 100 километров и длиной 300 километров. При подобной схеме лифт будет двигаться прямиком к точке запуска. Сам же запуск полезной нагрузки на орбиту будет происходить с ускорением всего в 10g.
«Данный гибридный вариант игнорирует недостатки предложенных вариантов с орбитальной башней (размеры пирса гораздо меньше, следовательно, его проще построить) и сложности, с которыми придется столкнуться при электромагнитных запусках (плотность и сопротивление воздуха на высоте 100 километров в миллион раз меньше, чем на уровне моря)», — говорит Холл.
Катапультные системы
Если все предложенные идеи для рядового читателя могут показаться совсем уж научной фантастикой, то следующие – гораздо ближе к реальности, чем может показаться на первый взгляд. Еще одной альтернативой ракетным запускам являются катапультные системы, в которых космические аппараты будут запускаться в космос как из пушки.
Вполне очевидно, что в данном случае сам груз должен будет рассчитан на воздействие экстремальных сил. Однако катапультные системы могут стать действительно эффективным инструментом отправки полезной нагрузки в космос, где его будут подхватывать находящиеся там космические корабли.
Катапультные системы можно разделить на три основных типа: электрические, химические и механические.
Электрические
В этот тип входят рельсотроны, или электромагнитные катапульты, работающие по принципу электромагнитных ускорителей. Во время запуска космический аппарат будет помещаться на специальные направляющие рельсы и резко ускоряться с помощью магнитного поля. Силы ускорения при этом будет хватать для того, чтобы вывести аппарат за пределы земной атмосферы.
Однако особенность конструкции подобных систем будет делать их очень массивными и дорогими в строительстве. Кроме того, такие системы будут потреблять огромный объем электроэнергии. Несмотря на свою мощность, электромагнитным катапультам все равно придется сталкиваться с некоторыми проблемами, связанными с гравитацией и плотной атмосферой Земли. Если их и использовать, то скорее на планетах с более низкой гравитацией и разряженной атмосферой.
Химические
Здесь предлагается запускать объекты в космос с помощью огромных орудий, работающих на горючем газе вроде водорода. Однако, как и в случае любой катапультной системы, отправляемому в космос грузу придется испытывать повышенные нагрузки при запуске. Кроме того, такие системы невозможно использовать для отправки людей в космос. Помимо этого, пришлось бы использовать дополнительное оборудование, которое позволило бы выводить груз, например, компактные спутники, на постоянную орбиту. В противном случае запущенный объект, набрав максимальную высоту, просто упадет обратно на Землю.
Проект HARP (Проект высотных исследований, High Altitude Research Project). Данная пушка запустила снаряд-ракету «Martlet-2» на высоту 180 километров. Рекорд удерживается до сих пор
Логичным развитием проекта HARP стал проект SHARP (Проект сверхвысоких исследований, Super High Altitude Research Project). В 90-х годах прошлого века исследователи из Lawrence Livermore Lab провели демонстрацию запуска снарядов со скоростью 3 километров в секунду (правда, не в высоту, а на земле). В конце концов ученые пришли к выводу, что на строительство реального рабочего образца подобного орудия потребуется не менее 1 миллиарда долларов. Картину сгущал еще и тот факт, что запланированной скорости полета снаряда в 7 километров в секунду ученым добиться не удалось.
Механические
Альтернативой электромагнитным и химическим пушкам могут служить механические. Правда пушками такие системы называть не совсем корректно. Скорее это своеобразные рогатки. Примером может служить проект Slingatron компании HyperV Technologies Corp. Сама система представляет собой спиралевидную полую внутри структуру. Помещенный внутрь спирали объект получает ускорение за счет вращательных движений всей структуры вокруг фиксированной точки.
Теоретически «слингатрон» способен придать необходимое ускорение. Однако, как указывают сами разработчики, система не подойдет для запуска людей и больших грузов на орбиту. Но данный способ мог бы использоваться для отправки в космос небольших грузов, вроде запасов воды, топлива и строительного материала.
Полноразмерный вид слингатрона будет выглядеть примерно так
Каким будет будущее на самом деле?
Предугадать, каким будет ответ на этот вопрос, – крайне сложно. Неожиданные технологические открытия и созданные ими эффекты могут привести к тому, что все рассматриваемые сегодня варианты безракетных космических запусков станут в один ряд эффективности. Сейчас это не так, о чем можно убедиться хотя бы из сравнительной таблицы вот здесь.
Взять хотя бы потенциал технологии молекулярной сборки в качестве примера. Как только мы освоим эту сферу, нам больше не потребуется запускать ничего в космос. Мы просто будем ловить находящиеся в Солнечной системе астероиды и создавать из них (а точнее полезных материалов, содержащихся в них) все что захотим прямо в космосе. Самое интересное, что прогресс в этом направлении виден уже сегодня. Например, астронавту NASA Барри Уилмору как-то потребовался компактный разводной ключ. Казалось бы, в чем проблема – сходить в ближайший магазин инструментов? Только вот ближайшего магазина инструментов на тот момент рядом с Уилмором не было, так как астронавт находился на борту Международной космической станции! NASA вышло из положения изящно – отправило по электронной почте на МКС схему нужного ключа и предложила Уилмору самостоятельно его распечатать на имеющемся на борту 3D-принтере. Это лишь один из примеров, показывающих, что в относительно скором времени нам вообще не потребуется ничего запускать в космос. Все будет создаваться уже на месте.
Что касается нужных ресурсов, то это тоже перестанет быть проблемой. Астероидный пояс полон необходимого материала: его объем равен почти половине массы нашей Луны. Когда-нибудь мы придем к тому, что целый рой «Филы»-подобных космических зондов просто будут высаживаться на очередном астероиде или метеорите и производить на них добычу полезных ископаемых. NASA хочет в 2020 году провести первую подобную миссию. Планируется поймать небольшой астероид, вывести его на стабильную лунную орбиту и уже там высадить на него астронавтов, которые смогут изучить космический булыжник и даже собрать интересные образцы его грунта.
Доставка людей в космос – это другая проблема, особенно если учитывать, что в будущем планируется переход к массовой отправке людей в космос. Некоторые из предложенных идей вроде космического лифта действительно могут сработать. Но только в том случае, если речь идет не о покорении дальнего космоса. Поэтому в этом вопросе нам придется еще долгое время полагаться на традиционные реактивные ракетные запуски. Свои идеи уже озвучиваются как на государственном уровне, так и в частной сфере. Взять опять же того же Элона Маска со своим проектом колонизации Марса.
Еще мы должны принять во внимание тот факт, что человеческий организм на самом деле не рассчитан на очень долгое пребывание в космосе. Поэтому до тех пор, пока мы не придем к эффективным технологиям, позволяющим создавать искусственную гравитацию, частичным решением этой проблемы могут стать роботы. Роботов можно отправить в космос и удаленно управлять с Земли, используя дополненную или виртуальную реальность.
Роботы имеют реальный шанс стать ключом к началу нашего освоения дальнего космоса. Вполне возможно, в более удаленном будущем мы научимся оцифровывать свой мозг и передавать эту информацию в суперкомпьютеры на борту удаленных космических станций, где она будет загружаться в самые разные виды роботов-аватаров, с помощью которых мы будем прокладывать свой путь к дальним космическим рубежам.