Дорогие читатели, в последнее время появляется всё больше сообщений о планах в самом ближайшем будущем отправить космонавтов на Луну и Марс и даже построить там обитаемые базы. Этой теме посвящены многочисленные образовательные программы и конкурсы, в которых участникам предлагают разработать проект обитаемой базы на других планетах (например NASA’s “Imagine Mars Project”, или Vivify’s “Design a Mars Colony: STEM Project” [1]). Кое-кто из бизнесменов, политиков и ученых всерьез рассматривает эти проекты колонизации космоса как побег с нами же загаженной Земли. Подробно мы обсуждали эту тему в нашей недавней статье «Побег с Земли – это наш следующий шаг?». А в этой статье я хочу более подробно поговорить о современных технологических возможностях совершать пилотируемые полёты в дальний космос.
В последние 50 лет прогресс был очень интенсивен во многих областях знаний. Очень бурно развиваются микроэлектроника, информационные технологии, биотехнология и медицина. С другой стороны, например, в автомобилестроении мы продвинулись гораздо скромнее. Современные автомобили напичканы электроникой, но двигатели принципиально не отличаются от тех, которые использовались 50 лет назад. В самолётостроении ситуация ещё более интересная. В современных самолётах используется новейшая электроника, авионика (радары) и программное обеспечение (прогресс в микроэлектронике и информационных технологиях «на лицо»), но двигатели – те же, дизайн корпусов самолётов не менялся с 70-х прошлого века; более того, были сделаны шаги назад. Пассажирские сверхзвуковые самолёты, такие как Конкорд и Ту-144, использовавшиеся с семидесятых годов для коммерческих полётов, в начале 2000-х перестали эксплуатироваться по причине высокой стоимости полётов [2]. Похожая история произошла с самым быстрым военным самолётом Lockheed SR-71 Blackbird. Первый полёт этого самолёта был произведен еще в 60-х годах, а в конце 90-х он был снят с эксплуатации по причине нерентабельности [3]. На данный момент нет никакой реальной альтернативы сверхбыстрым пассажирским и военным самолётам, так что в этом смысле прогресс отрицательный.
Ситуация с прогрессом в области космонавтики ещё более запутанная. За последние годы, тысячи навигационных, коммерческих и научных спутников было выведено на околоземные орбиты. По Луне и по Марсу колесят луно- и марсоходы, запущены автоматические космические аппараты к спутникам Юпитера и к Солнцу, «Вояджер-2» вообще где-то за границей Солнечной системы…
А с другой стороны, самый дальний на сегодня пилотируемый полет (на Луну в рамках проекта Apollo) состоялся еще в 1972 году. Самая мощная ракета-носитель Saturn V, способная вывести на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку в 140 тонн, была снята с эксплуатации в далеком 1973 году. Следующая по мощности ракета-носитель Space Shuttle, выводившая на орбиту 27.5 тоны, была снята с эксплуатации в 2011 году. На сегодняшний день нет ни одной эксплуатируемой ракеты-носителя класса «Super Heavy-Lift» (то есть способную вывести на низкую околоземную орбиту более 50 тон полезной нагрузки)! [4]
А причина этого «застоя» в двигателях! На сегодняшний день, как и пятьдесят лет назад, для вывода объектов в космос используются химические ракетные двигатели. Они мощные и относительно надёжные, но у них есть принципиальное ограничение: 90% (!) от стартовой массы такой ракеты отводится на топливо, около 5% — на двигатели и корпус ракеты, и только 5% — на полезную нагрузку. При этом чаще всего и ракета-носитель, и космический аппарат – одноразовые. Как результат, техническая сложность перевозки больших масс (таких как межпланетный космический корабль с большим количеством топлива) дополняется экономической составляющей (стоимость запуска полезной нагрузки от 4,000$ до 20,000$ за килограмм). Конечно, уже разрабатываются различные способы удешевить отправку «посылок» на орбиту — например, сделать дорогостоящие ракетоносители и космические аппараты многоразового использования. Кстати, в программе Space Shuttle и космический аппарат (орбитер) и два твердотопливных ускорителя были многоразовыми, и лишь внешний топливный бак был одноразовым (оранжевый на иллюстрации).
Но даже это не помогло снизить стоимость запуска: стоимость подготовки корабля к полёту остается очень высокой (примерно 250 миллионов долларов США). Кстати, для сравнения, запуск одноразового «Союза» с примерно той же полезной нагрузкой стоил вдвое дешевле. Основатель компании SpaseX Илон Маск утверждает что за счёт использования «инновационной» идеи многоразовых ступеней его ракеты-носителя Falcon 9 и его варианта Falcon Heavy, удастся значительно снизить стоимость запуска, но пока его слова, уж извините — это просто пустая болтовня (запуск Falcon Heavy в 2018 году с виртуальной нагрузкой в виде электрокара Илона Маска обошёлся в 1,2 миллиарда долларов).
Чтобы понять какие у нас есть перспективы, давайте постараемся разобраться, какие космические двигатели существуют сегодня, и что мы вправе ожидать в ближайшем будущем. На сегодняшний день мы используем три типа двигателей для полетов в космос: твердотопливные ракетные двигатели (обычно используются как ускорители на старте), жидкотопливные ракетные двигатели (используются во всех ступенях), и ионные двигатели.
У каждого из этих двигателей есть принципиальные ограничения. У твёрдотопливных ракет — большая тяга (сила, толкающая ракету по направлению движения), но очень небольшой удельный импульс (показатель эффективности расхода топлива — чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения). Кроме того, после зажигания твердотопливной ракеты – процесс нельзя остановить, она работает непрерывно пока не сгорит всё топливо (обычно 3-4 минуты для самых больших ракет). У жидкотопливных ракет тоже большая тяга (но меньше чем у твердотопливных), и небольшой удельный импульс (но больше чем у твердотопливных). Жидкотопливный двигатель можно включать и выключать несколько раз. Низкий удельный импульс приводит к тому, что у химических ракет (твердо- и жидкотопливных) больше 90% стартовой массы – это топливо, необходимое чтобы вывести полезную нагрузку (<5%) на околоземную орбиту. Ионные двигатели очень эффективны (большой удельный импульс), но у них очень маленькая тяга – в миллионы раз меньше, чем у химических двигателей. Поэтому (и не только) с помощью ионных двигателей невозможно вывести космический корабль на орбиту, и их используют как вспомогательные двигатели для коррекции орбиты спутников. И даже если ракета будет стартовать с околоземной орбиты, мощности такого двигателя не хватит, чтобы доставить даже незначительный груз к отдаленным пунктам назначения за нормальное время. Например, к Марсу такой полёт возьмёт сотни лет…
Как ультимативное решение проблемы топлива последние лет двадцать активно обсуждается идея использования Солнечного паруса. Давайте разберёмся вместе: что это за штука такая…
Солнечный парус – это огромный парус из очень легкого и отражающего свет материала, который можно развернуть в открытом космосе. Космический корабль будет плыть под этим парусом, используя вместо ветра солнечный свет (весьма интенсивный в открытом космосе). Идея хоть и не очень новая (впервые предложена Иоганном Кеплером в 1610 году), но от этого не менее гениальна (специфический импульс практически бесконечный). Но каков должен быть размер такого паруса, чтобы дать существенную тягу? Оказывается, чтобы дать достаточное ускорение кораблю в несколько сот килограммов (размер небольшого автоматического спутника) солнечный парус должен быть квадратом со стороной в несколько сот километров! А как такой огромный парус вывести на орбиту Земли? Не говоря уже о том, что такой парус в открытом космосе получает постоянное ускорение от солнечного ветра, и, потенциально, может набрать огромную скорость. А как тормозить для выхода на орбиту, скажем Марса? В случае с ракетными двигателями – ответ простой: половину пути — с постоянным ускорением, а вторую половину пути – с постоянным торможением (вопрос: где взять столько топлива?). Но в случае с солнечным парусом торможение невозможно. На сегодняшний день единственный солнечный парус, изготовленного из полиимида и с размерами 40 x 40 метров, был создан Японским космическим агентством в рамках проект IKARUS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). В 2010 году он был запущен вместе с космическим аппаратом к Венере, и за пять лет полёта система ускорилась примерно до 400 м/сек (чуть больше скорости звука – крошечная скорость по масштабам космических перелётов). Технологически конструкция этого паруса совершенна: толщина паруса всего ~7.5µm со встроенными тонко-плёночными жидкими кристаллами и солнечными батареями (кстати, для сравнения толщина человеческого волоса ~70 µm). Однако его двигательные характеристики чрезвычайно скромны: тяга всего в 0.012 Ньютонов (для ракетного двигателя – до 12,000,000 Ньютонов) [5].
Ученые также рассматривали идеи, как увеличить тягу солнечных парусов и адаптировать их к дальним (межзвёздным) перелётам (чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света на парус). Для этого предлагается использовать сверхмощные лазеры или микроволновые излучатели, расположенные на Земле, чтобы они своим концентрированным излучением толкали солнечный парус вперёд. Например, в 2016 году был открыт проект «Breakthrough Starshot», в котором планируется запустить спутник в несколько килограмм к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра. Проблема только в том, что чтобы разогнать солнечный парус с подобным спутником, потребуется фазированная решётка из десятков тысяч лазеров (все лазеры излучают с одной и той же фазой) с суммарной мощностью в 100 Гигаватт (!) [6]. Для сравнения мощная атомная электростанция даёт мощность около 5 Гигаватт. То есть нам потребуется 20 мощных атомных электростанций, чтобы «надуть» такой парус.
То есть, пользуясь существующими на сегодня технологиями, отправить космонавтов на Луну или Марс теоретически возможно, но исключительно сложно (де-факто нет в арсенале землян нет такой сверхтяжёлой ракеты-носителя) и очень дорого (проект высадки на Марс оценивается минимум в 500 миллиардов долларов [7]).
Кстати, экономический аспект является ключевым и основным фактором закрытия космических проектов. Это была официальная причина закрытия проекта Apollo в 1972 году, после четырёх успешных полётов человека на Луну, причина закрытия в 1993 году грандиозного проекта «Space Exploration Initiative» [8], в котором планировалось создать обитаемую базу на Луне и высадку человека на Марс (сумма в приблизительно 500 миллиардов долларов оказалась слишком значительной даже для международного проекта). В 2009 году по этой же причине была отменена программа «Constellation Program», ставившая своей целью полёт человека на Луну и на Марс. В 2017 году стартовала аналогичная (пока ещё не отменённая) программа «Artemis Program». Но поскольку в этой программе используются такие же технологии, что и в предыдущих программах (небольшие модификации ракетных двигателей проекта Apollo и Space Shuttle) [9], то скорее всего её стоимость (сотни миллиардов долларов) будет аналогична стоимости предыдущих программ. Так-что прогноз на успешную реализацию проекта весьма неоптимистичный… И это лишь краткий список отменённых космических программ за последние десятилетия.
Интересно (и при этом очень грустно) отметить, что разработки значительно более эффективных двигателей, которые бы могли сделать реальными пилотируемые космические полёты дальше низкой околоземной орбиты были отменены много лет назад в виду высокой стоимости и длительности проектов.
Так, проект Orion (Nuclear pulse propulsion) был закрыт еще в 1965 году. Предлагалось выбрасывать небольшой атомный заряд позади корабля, и взрывы этих атомных бомб весьма эффективно толкает корабль вперёд. Такой двигатель обладал огромной тягой и очень большим удельным импульсом. Примечательно, что все технологии для осуществления проекта Orion уже существовали на тот момент, а значит, что уже в 60-70 годы ученые могли создать космический корабль, способный долететь дo Марса и обратно за 175 дней(!) с восьмью космонавтами и 100 тоннами груза на борту. [10]
Проект NERVA (Nuclear thermal rocket engine) был закрыт в 1973 году после более 20 лет разработки. Идея ученых заключалась в создании тяги посредством пропускания потока водорода через атомный реактор и, таким образом, нагревания его до очень высокой температуры. Тяга такого двигателя немного больше чем у химического, но удельный импульс (эффективность) втрое больше. NERVA продемонстрировал, что двигатель, созданный на этом принципе, вполне работоспособен и подходит для исследования космоса. В конце 1968 года SNPO (Space Nuclear Propulsion Office) подтвердил, что новейшая модификация NERVA, NRX/XE, отвечает требованиям для пилотируемого полета на Марс. Хотя двигатели NERVA были испытаны и считались готовыми к установке на космический аппарат, бо́льшая часть американской космической программы была отменена администрацией президента Никсона.
Учитывая всё сказанное выше, невольно возникает вопрос: а с чего вдруг такой ажиотаж в средствах массовой информации и социальных сетях вокруг полёта человека на Луну и на Марс? Учитывая состояние космических технологий на сегодня, чтобы отправить космонавтов на Марс человечество должно отказаться от войн (для справки: официальный годовой оборонный бюджет США — около 600 миллиардов долларов). Но к превеликому сожалению, мы, по-моему, к этому шагу пока не готовы…
[1] https://mars.nasa.gov/imagine/students/
[2] https://www.thetravelinsider.info/2003/0411.htm
[3] Graham, Richard (7 July 1996). SR-71 Revealed: The Inside Story. Zenith Press. ISBN 978-0760301227.
[4] «Seeking a Human Spaceflight Program Worthy of a Great Nation» (PDF). Review of U.S. Human Spaceflight Plans Committee. NASA. October 2009.
[5] http://www.jaxa.jp/press/2010/07/20100709_ikaros_j.html
[6] «Breakthrough Initiatives». breakthroughinitiatives.org. Retrieved 25 December 2017.
[7] Taylor, Fredric (2010). The Scientific Exploration of Mars. Cambridge: Cambridge University Press. p. 306. ISBN 978-0-521-82956-4.
[8] Steve Dick. «Summary of Space Exploration Initiative». NASA.
[9] Chris Bergin (October 4, 2011). «SLS trades lean towards opening with four RS-25s on the core stage». NASASpaceFlight.com. Retrieved January 26, 2012.
[10] G.R. Schmidt; J.A. Bunornetti; P.J. Morton. Nuclear Pulse Propulsion – Orion and Beyond (PDF). 36th AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Huntsville, Alabama, 16–19 July 2000. AlAA 2000-3856
Featured image by 272447 from Pixabay.