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.
Содержание
- 1 Альтернативные виды реактивных запусков
- 1.1 Лазерная реактивная тяга
- 1.2 Стратосферные запуски и космические самолеты
- 2 Стационарные и динамические транспортные системы
- 3 Катапультные системы
- 3.1 Электрические
- 3.2 Химические
- 3.3 Механические
- 4 Каким будет будущее на самом деле?
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.
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.
