Перш, ніж фантазувати щодо освоєння космосу, непогано-б розібратися, як ми в цей самий космос будемо потрапляти. Тому як у мене є великі сумніви в світле майбутнє космонавтики, витрачає десятки мільйонів доларів на кожен запуск ракети.
Ось і давайте прикинемо, що у нас є і що реально можна зробити. Саме реально - без всяких там космічних ліфтів, пускових петель, розгінних кілець навколо всього екватора, антигравітації та іншої фантастики.
Варіантів залишиться не так вже й багато: ракети, ракетоплани і гармати. Це те, що реально можна здійснити і може бути застосовано в найближчому майбутньому.
Це чертовски марнотратні пристрої, які виводять на орбіту всього 2-3% від власної стартової маси. Причому, найдешевший старт вантажний ракети обійдеться в суму близько 10 млн. Доларів. Найдешевший. А типовий старт ракети варто 60-80 мільйонів. Якщо-ж вам потрібно закинути щось на геостаціонарну орбіту - готуйтеся викласти більше сотні мільйонів. І це тільки сам запуск без вартості корисного вантажу.
Давайте тепер подивимося на пілотовану космонавтику. Дивитися, правда, особливо нема на що: російський "Союз", американський "Спейс шаттл", китайська копія "Союзу" - "Шеньчжень".
Китайські клони при наявності оригіналу враховувати не будемо. Шатли теж можна не брати до уваги - вони вже закінчують свої польоти. Що, взагалі-то й не дивно, при вартості запуску шатла в півмільярда доларів. Правда, Шаттли були восьмимісному проти тримісних Союзів, але ж і запуск російських кораблів обходиться "всього" в 40 мільйонів.
З перспективних кораблів можна звернути увагу на "Dragon", розроблений приватною американською компанією. Він уже літав в автоматичному варіанті і, швидше за все, буде літати і далі. Тому як NASA, залишившись без власних кораблів, вже підписало контракт з розробниками Дракона на 12 запусків сумою 1,6 млрд. Доларів. Тобто, один запуск обійдеться в 130 мільйонів. Оскільки корабель семимісний, отримуємо 19 млн. На людину. Не дешево!
Давайте подумаємо, як поліпшити характеристики ракет. Хоча, думати-то особливо і не треба. Рецепт хорошою ракети прописаний в формулах Ціолковського: зменшення стартової маси ракети щодо маси корисного вантажу, збільшення швидкості витікання робочого тіла, збільшення кількості щаблів ракети.
Втім, понад три ступенів зазвичай не роблять, тому що при більшій кількості ступенів характеристики поліпшуються незначно, а складність помітно зростає.
Значить, залишається зменшувати масу конструкцій ракети і збільшувати швидкість робочого тіла. Однак і конструкцію ракети не можна зменшувати до нескінченності - вона повинна витримувати виникають при старті перевантаження. Конструкції ракет вже і так полегшені до межі. Наприклад, "суха" маса "Протона" - 47 тонн, а палива в нього заправляють 620 тонн!
Так що всі надії тільки на удосконалення двигунів. А вони нині хімічного типу. Тобто, засновані на горінні палива. Не будемо перераховувати всі види палива і окислювача (їх занадто багато), згадаємо тільки водень і гас, окислюються киснем. При цьому питома імпульс (швидкість витікання) для гасу - близько 3000 м / с, для водню - 4500. А тому нам потрібні більші швидкості, треба дивитися на інші типи двигунів.
І такі двигуни є, і вони навіть застосовуються. Це іонні двигуни, питома імпульс яких досягає сотень кілометрів в секунду! Але нажаль! Тяга цих двигунів вимірюється грамами, на відміну від сотень тонно-сил тяги хімічних двигунів. Для польотів куди-небудь до Юпітера постійно працює іонний двигун навіть краще, ніж працює кілька хвилин хімічний. Однак, для старту з поверхні планет іонний двигун не годиться.
Дивимося, що у нас є ще. Плазмові, електричні, магнитогидродинамические. Все - туфта! Занадто маленька тяга. Єдине, що нас рятує - ядерні ракетні двигуни. Їх тяга порівнянна з тягою хімічних двигунів, зате питомий імпульс набагато вище. Наприклад, розроблений в Радянському Союзі твердофазний ядерний двигун РД-0410 має питомий імпульс 9000 м / с. Здавалося-б, всього в 3 рази вище, ніж у гасу. Однак, ці "всього 3 рази" на практиці виливаються в колосальну різницю. Наприклад, для виведення десятитонного супутника на орбіту висотою 250 км потрібна "гасова" ракета вагою 300 тонн або-ж ядерна вагою 30! Помітна різниця, чи не так-ли?
Принцип роботи ЯРД дуже простий - нагрівання робочого тіла при його прокачування через ядерний реактор. І не варто лякатися слова "ядерний": при штатній роботі двигуна радіоактивного зараження не відбувається, а на випадок аварій безсумнівно будуть передбачені відповідні засоби безпеки. До того-ж, ці двигуни очевидно будуть встановлюватися на багаторазові космічні кораблі, відповідно вони будуть акуратно приземлятися для повторного використання.
Ще більш високі показники забезпечать Рідкофазний і газофазних ядерні двигуни. У них діляться речовина розпечене до такої міри, що знаходиться в рідкому і навіть газоподібному стані. Питома імпульс цих двигунів - 15000 і більше 30000 м / с відповідно! При таких параметрах для виходу ракети на орбіту буде досить одного ступеня, а польоти до Марса або Венери стануть буденною справою. В принципі, немає ніяких нездоланних проблем для розробки таких двигунів. В СРСР навіть був розроблений діючий зразок тепловиділяючої збірки газофазного ЯРД. Основна причина того, що ці двигуни не використовуються - боязнь можливого радіоактивного зараження при аваріях космічних апаратів.
Але, схоже, справа зрушила з мертвої точки: Роскосмос заявив про початок розробки уніфікованих модулів атомних силових установок великої потужності для космічних апаратів. Перші робочі екземпляри повинні бути готові через 5-8 років. Правда, ці реактори будуть застосовуватися не в ЯРД, а як джерела енергії для іонних двигунів. Однак, є надія, що експлуатація цих реакторів змінить упереджене ставлення до мирного атома в космосі і справа таки дійде до розробки ЯРД.
2. Ракетоплани (повітряно-космічні літаки)
При підйомі в космос ракета долає земне тяжіння, але не найефективнішим способом: адже до висоти 30-40 кілометрів цілком можна використовувати підйомну силу атмосфери. До того-ж, до таких висот можна і окислювач для палива не в баках везти, а брати прямо з навколишнього повітря. У наявності подвійна економія.
Звичайно, від 40 кілометрів до космосу ще підніматися і підніматися, але ж і основний витрата палива доводиться на перший ступінь ракети. І будь-який відсоток економії тут буде більш помітний.
На жаль, при використанні хімічних двигунів надзвичайно складно побудувати "класичний" одноступінчатий ракетоплан, який досягає орбіти тільки на власних двигунах без прискорювачів і скидаються баків. А ЯРД на нього навряд-чи поставлять. У всякому разі, найближчим часом.
Тому має сенс розглянути двоступеневі системи, яких придумано вже достатня кількість. Відразу можна згадати Зенгер, МАКС, Спіраль. Деякі елементи цих систем вже були втілені "в залізі": для проекту МАКС створені унікальні трикомпонентні двигуни РД-701, для проекту Спіраль побудований і випробовувався експериментальний орбітальний літак. На жаль, жодна з цих систем з різних причин (в основному фінансового плану) не була доведена до кінця.
Однак, я не сумніваюся, що такі системи будуть застосовуватися в майбутньому. Крім енергетичної ефективності виведення вантажів на орбіту у них є й інші переваги.
Для них не потрібно будувати дорогі космодроми - зліт літака-носія може проводитися з звичайного аеродрому. Посадка орбітального літака також проводиться на аеродром. А завдяки тому, що старт відбувається в повітрі, можна виробляти запуск з будь-якої точки світу, зокрема, з самого енергетично вигідного місця - з екватора.
Оптимальний варіант "першого ступеня" - гіперзвукової літак-носій. У перспективі він може розганятися до швидкостей 10-15м (3-4,5 км / с), що становить половину швидкості, необхідної для виходу на орбіту. Фактично, маючи таку швидкість, гіперзвукової розгонщики можна використовувати і як суборбітальний літак для "покатушек" космічних туристів. Розігнавшись в атмосфері, він по параболічної траєкторії зможе досягти висоти понад 500 км, а час перебування в невагомості складе понад 10 хвилин.
Крім того, суборбітальний літак можна використовувати і як транспортний засіб, що дозволяє за пару годин долетіти в будь-яку точку планети.
На жаль, гіперзвукових літаків поки не існує. Їх розробка пов'язана з безліччю технічних проблем, для вирішення яких необхідні величезні фінансові ресурси. Одна з проблем полягає в тому, що гіперзвукової двигун починає ефективно працювати зі швидкості 6-8м, до якої його потрібно розігнати. Розгін до таких швидкостей можна зробити двома способами:
1) за допомогою ракетного двигуна
2) за допомогою надзвукового прямоточного повітряно-реактивного двигуна (СПВРД)
Але і сам СПВРД, як зрозуміло з назви, працює на надзвукових швидкостях, до яких його теж потрібно розігнати. Зробити це можна звичайними турбореактивними двигунами. Однак, це зовсім "негарно" з інженерної точки зору - встановлювати на один літак аж три різних типи двигунів! Тому придумали більш цікавий варіант - комбінований гіперзвукової / надзвуковий ПВРД. До швидкостей приблизно 5М (залежить від конструкції) він працює як СПВРД, а далі змінює геометрію і переходить в режим ГПВРД. В цьому випадку літальний апарат може обійтися таким комбінованим двигуном і звичайними ТРД для розгону до швидкості звуку і маневрів при посадці.
Друга велика проблема - дуже сильне нагрівання корпусу апарату при польоті в атмосфері на таких швидкостях. Носова частина фюзеляжу, передніх кромок крил і повітрозабірника можуть нагріватися до температур близько півтора тисяч градусів, тобто до температури плавлення сталі. Отже, потрібно виготовляти ці частини апарату зі спеціальних жаростійких матеріалів, встановлювати систему охолодження і дуже швидко позбавлятися від величезної кількості тепла. Тут теж є пара варіантів:
1) при зберіганні палива у вигляді рідкого водню можна прокачувати через подвійні стінки літального апарату рідкий водень, який буде випаровуватися і направлятися в рухову установку
2) при використанні гасу його можна розкладати в присутності каталізаторів на водень і інші вуглеводні, при цьому відбувається поглинання великої кількості тепла. Зрозуміло, продукти розкладання також йдуть в двигуни і забирають тепло з собою.
Другий варіант використовується в абсолютно фантастичною на перший погляд системі "Аякс". Читаєш, і не віриш: МГД генератори, МГД прискорювачі, зниження опору середовища іонізацією повітря, управління аеродинамікою апарату за допомогою плазми. Остаточно чманієш, коли дізнаєшся, що частина з цих технологій вже успішно випробувана!
Втім, це, дійсно, справа не найближчого майбутнього. Зате вже зараз є непоганий кандидат на роль повітряної стартового майданчика - Ан-225 "Мрія". Саме цей літак повинен використовуватися в багатоцільовий авіакосмічної системі (МАКС). Звичайно, швидкості тут набагато менше - дозвукові, зате цей літак вже давно літає, та й інші частини системи цілком відпрацьовані. Собівартість виведення вантажів за допомогою МАКС складе всього 1 тис. Доларів / кг.
Напевно ви читали "З гармати на Місяць" Жюля Верна. Звичайно, це суцільна фантастика, але, дійсно, чомусь б не запускати космічні кораблі, вистрілюючи ними з гармати? Відповідь вам дасть будь-який школяр, що не прогулювали уроки фізики. Причин кілька:
1) Величезні прискорення, що виникають при пострілі. 5000g - це смертельно не тільки для людини, але і для більшої частини звичайної "начинки" супутників
2) Мала швидкість поширення порохових газів - близько 2 км / с, що дуже далеко від першої коспіческой швидкості. А снаряд не полетить швидше, ніж штовхають його гази.
3) Навіть якщо-б швидкість була достатньою, супутник полетів-б по еліптичній орбіті, яка проходить через стовбур гармати. Тобто, фактично, врізався-б в Землю.
Можна-ли впоратися з цими проблемами? Можна, можливо! Давайте розбиратися по черзі.
Так, вони великі. Але на орбіту потрібно відправляти чимало вантажів, які запросто переживуть такі прискорення: ракетне паливо, кисень, вода та інші рідкі та сипучі вантажі. Звичайно, в снаряді поміститься відносно небагато вантажу, зате це компенсується низькою ціною виведення. І звільнить дороге місце в вантажних космічних кораблях для інших, більш крихких вантажів.
Це, насправді, не велика проблема. Досить забезпечити снаряди власними двигунами для корекції траєкторії. Подібна технологія вже давно застосовується в керованих артилерійських снарядах і ракетах, якими стріляють з танкових гармат.
Невелика швидкість порохових газів
Ця проблема вирішується застосуванням низькомолекулярних газів, які мають найвищу швидкістю розширення. Ідеальний варіант - водень. І такі гармати вже випробовувалися. На водневої гарматі SHARP вдалося досягти швидкості снаряда 3 км / с, а після модернізації планувалося отримати 7 км / с. На жаль, через припинення фінансування проект був закритий. Але на гарматі попереднього покоління (проект HARP) вдалося закинути снаряд на 180 км вгору. На жаль! І цей проект закрили.
Однак, "впало прапор" підхопила недавно організована компанія Quicklaunch. Ця фірма обіцяє запускати на орбіту апарати масою 450 кг, які будуть вилітати з гармати зі швидкістю 6 км / с. Уже в космосі апарат включить власний двигун, скоректує траєкторію і розженеться до орбітальної швидкості.
Гармата у Quicklaunch буде немаленькою - більше кілометра завдовжки. А щоб не будувати підпори для додання потрібного кута стовбура, гармата буде плавати в морі, занурена в воду під кутом. Орієнтовна вартість виведення вантажів складе всього 550 $ за кілограм! З огляду на, що зараз мінімальна вартість - близько 3 тис. Доларів (за умови повного завантаження ракети-носія), виходить в 6 разів дешевше.
Залишилося знайти півмільярда доларів, щоб побудувати гармату.
Отже, що-ж нас чекає в майбутньому? Який проект переможе? Особисто я не знаю. Швидше за все, будуть одночасно використовуватися кілька способів виведення вантажів на орбіту. В ідеалі, хотілося-б побачити реалізацію проекту "Аякс" і використання на космічних кораблях ЯРД, однак, не думаю, що це відбудеться в найближчі років 20. За цей час можна буде тільки побудувати "суперпушку" і нарешті доробити проект МАКС. Та й то тільки в тому випадку, якщо знайдуться джерела фінансування.