Прослушал лекцию Эдварда Кроули про развитие космических исследований, и стало грустно. В общем, предлагается традиционный путь развития космонавтики, который, на мой взгляд, себя исчерпал. Много рассуждений про правительство, рекламу и поддержку проекта, общественное мнение. В общем, с такими оглядками и темпами в космос человечество не выйдет. Тем более, Марс представляется очень странной итоговой целью проекта. В ближайшие лет 30-50, а вернее, около 100 - он не нужен. Создавать там постоянное поселение – бессмысленно.
Коммерческие космические рейсы – это тоже бред и неразумный расход ресурсов: ведь коммерческим группам придётся проходить путь создания ракет заново, что очень дорого, или использовать промышленные разработки СССР или США, что ставит вопрос: зачем переплачивать кому-то при выведении грузов в космос и не запускать эти ракеты из “первых рук”?
В конце 2011 года был конкурс по космической тематике, посвящённый 50-летию полёта Гагарина. Здесь одна из работ, которая не прошла на очный тур конкурса.
С момента начала космической эры минуло уже 50 лет, но многие смелые мечты Королёва так до сих пор и не осуществились. Несмотря на значительное развитие космических технологий, появление спутниковых систем связи, полёты зондов к другим планетам, ключевой принцип космонавтики остался прежним: весь полёт от первых секунд и до посадки планируется на Земле, и если что-то серьёзно отходит от этого плана – следует катастрофа. Все орбитальные станции, спутники связи, исследовательские и разведывательные спутники – это всё устройства, ресурс которых просчитан ещё до старта и после его истечения изделие приходит в негодность даже от небольшой поломки, устранить которую в земных условиях не составило бы особого труда. Все они полностью зависят от Земли и не самостоятельны. С такой точки зрения, человечество в Космос ещё не вышло.
Полным выходом Человека в космос можно считать создание автономных, самоподдерживающихся и развивающихся поселений за пределами атмосферы. А для этого надо научиться их проектировать, строить в условиях вакуума и невесомости, разработать методы ремонта и диагностики, создать системы энергетики и жизнеобеспечения. В этой работе рассмотрены некоторые, на первый взгляд фантастические, но вполне реализуемые даже при нынешнем техническом уровне технологии.
Выход за пределы атмосферы
В настоящее время принцип выведения грузов на орбиту остаётся незыблемым со времён Королёва: это ракета. Растёт мощность двигателей, грузоподъёмность, меняются виды топлива, но качественного движения нет. В то же время, ракета, как устройство выведения грузов на орбиту, имеет крайне низкий КПД. Масса полезного груза составляет лишь малую часть стартовой массы ракеты. Кроме того, ракета – это сложное, но весьма хрупкое устройство, наполненное высокоэнергетическим, а зачастую и токсичным топливом. Ещё один неустранимый недостаток ракет – это ограничение размеров и предельной массы выводимых грузов. Для того, чтобы строить по настоящему большие космические станции требуется качественно иная система выведения грузов на орбиту.
Учёными были предложены и рассчитаны разнообразные астроинженерные конструкции, предназначенные для выведения огромного количества грузов на орбиту. Главным недостатком многих их них являлись титанические размеры, как следствие изобилие деталей и высокий риск выхода из строя. Кроме того, в устройства была изначально вложена огромная энергия, которая при аварии выделится разрушительным образом.
Предположим, нам необходимо устройство, способное разогнать до скорости 10 км/сек груз массой 1т. Если считать, что изначально груз покоился, то его конечная кинетическая энергия будет равна 5*1010Дж. Эта энергия сопоставима с полной теплотой сгорания всего 1,2 т дизельного топлива и, в общем-то, не столь уж велика. Большая часть современных электростанций оперирует значительно большими мощностями и энергиями. Для разгона можно применить, например, рельсовый электромагнитный ускоритель, усиленный магнитным полем. Принципы его работы известны ещё из работ Ампера: рамка с подвижным проводником при пропускании тока стремится увеличить свою площадь, что приводит к движению подвижного проводника (рис 1)
На этом принципе были построены рельсовые электромагнитные ускорители, разгоняющие предметы до скоростей порядка нескольких км/сек. Например, в 2011 году в Интернете была статья об испытании ВМФ США корабельной пушки работающей по этой схеме. Основным недостатком этого в целом бесполезного изобретения был очень большой износ электродов, ведь для разгона снаряда на ограниченной и довольно небольшой длине разгонного пути требовалось пропускать огромные токи. Если же разгонный путь увеличить, то ток потребуется значительно меньший, который не вызовет образования дуги и разрушения рельсов. Для улучшения действия ускорителя можно добавить ещё действие электромагнитной индукции, возникающей, если разгоняемое тело (образующее модель рамки с током) будет двигаться в постоянном магнитном поле. (Рис 2)
Силы на рис 1 и 2 суммируются, что приводит к большему ускорению
Наконец, для устранения сопротивления воздуха, которое на подобных скоростях будет иметь существенный характер, всю систему необходимо вакуумировать.
Что необходимо для постройки подобного ускорителя. Горная гряда из прочных пород в сейсмически неактивном районе с вершинами до 5-6 км для разгонного туннеля. Сверхпроводящие кабели с рабочей температурой кипения жидкого азота для создания катушек, генерирующих мощные постоянные магнитные поля. Система накопления энергии, способная долговременно работать в импульсном режиме большой мощности (например, батарея конденсаторов). Система вакуумных насосов для откачки разгонного туннеля.
Подобная конструкция уже была построена и испытана, хотя она до настоящего времени так не работает на проектную загрузку. Это Большой Адронный Коллайдер. Необходимо добавить, что подобный ускоритель космического назначения требует меньшей точности исполнения, чем БАК, а значит, построить его будет технически проще. Предположим, он будет делать один запуск в час. В этом случае, за год работы он поднимет на орбиту 8760 тонн.
Наиболее непроработанной и уязвимой частью установки являются контактные рельсы. Они должны обеспечить возможность большого количества запусков до ремонта и надёжный электрический контакт при работе. В то же время, на скоростях более 3 км/сек, твёрдое тело взаимодействует с преградой по законам, описываемым гидродинамикой и, по сути, является моделью ударного ядра, формируемого при обжатии взрывом кумулятивной выемки. Для предохранения рельсов от механического контакта со снарядом и в то же время обеспечения протекания тока в оголовье снаряда можно размещать небольшой заряд баллистита, пропитанный летучими солями щелочных металлов, либо пористый тугоплавкий металл, пропитанный жидкой эвтектической смесью калия и натрия. Подаваемый в зону контакта снаряда и рельса проводник (пар или аэрозоль соли или капельно-жидкий металл) при протекании тока формирует плазменную токопроводящую подушку, удерживающую снаряд на расстоянии от рельса. Необходимо учитывать, что после расширения плазмы, она может накоротко замкнуть рельсы и прекратить тем самым разгон. Для противодействия этому нужно рассчитать установку таким образом, чтобы к моменту плазменного замыкания снаряд покинул направляющие, и подача тока прекратилась.
К серьёзным недостаткам ускорителя можно отнести его неприменимость для людей (так как стартовые ускорения слишком велики) и для электроники (так как возникающий при старте электромагнитный импульс выведет её из строя) Даже просто катушки электрических кабелей, необходимые при космических работах, придётся выводить ракетами, так как в них будут наводиться большие токи.
Строительство станции подскока
При выходе в дальний космос необходимо преодолевать радиационные пояса Земли (пояса Ван Аллена). Уровень облучения в них существенно выше, чем за их пределами, поэтому требуется либо быстрое преодоление этих зон, либо надёжная противорадиационная защита челнока. От действия нижнего пояса защититься проще, так как он в основном представлен протонами, проникающая способность которых невелика (хотя они способны к проведению ядерных реакций и наведению радиации). Верхний пояс представлен электронами, которые при соударении с корпусом корабля генерируют рентгеновское излучение большой проникающей способности. Для быстрого преодоления радиационных поясов требуется использование активно работающих реактивных двигателей, следовательно, значительное количество топлива. Заправка челнока, курсирующего сквозь радиационный пояс должна осуществляться на станции подскока, расположенной на высоте порядка 300-350 км. Станция подскока будет основным получателем грузов с Земли и узлом формирования караванов к основной станции, расположенной дальше. Станция подскока может быть собрана по принципам постройки МКС, из готовых блоков, выводимых на орбиту ракетами.
Строительство удалённой орбитальной станции
Итак, система выведения грузов на удалённую орбиту построена, теперь необходимо из этого сырья создавать орбитальную станцию. Материалы корпуса станции будут представлять из себя готовые к монтажу болтами, заклёпками или сваркой пластины металла сравнительно небольшого размера, если снаряд будет поднимать их в нарезанном виде, либо ленты металла, если в снаряде будет уложен рулон. Кроме того, часть снарядов будет поднимать силовые трубчатые элементы и арматуру. Сборка внешних ферм станции должна проводиться в условиях атмосферы, то есть в предварительно выведенном при помощи ракеты большом блоке. Это необходимо, так как соединять большое количество некрупных деталей, работая в скафандрах в открытом космосе, чрезвычайно нерационально, а если те же операции проводить в условиях атмосферы, то получается сборочный цех обычного завода металлоконструкций с отработанными технологическими решениями. Далее готовые фермы монтируются в открытом космосе, образуя корпус станции. Металлические узлы, выводимые на орбиту, можно соединять без тщательной герметизации. Их роль заключается в формировании прочного корпуса, выдерживающего давление атмосферы внутри станции. Далее в собранный корпус помещается специально изготовленный герметичный полимерный мешок и наполняется воздухом, равномерно заполняя объём будущей каюты или лаборатории. Стенки “пузыря” после формирования усиливаются металлом и/или заливкой мономеров. В этом случае герметичность создаёт полимер (предварительно протестированный на Земле), а металл обеспечивает механическую прочность конструкции. Постепенно собирается вся станция. Полученный орбитальный комплекс – это верфь для постройки космических аппаратов в условиях невесомости. Пустые оболочки снарядов могут играть роль слоя биологической защиты от радиации, либо роль источника металла.
Строительство космических аппаратов на орбитальной базе сильно упрощается, так как снимается целый ряд требований по размерам и форме аппаратов и их механической прочности (ведь они не должны выдерживать перегрузки при запуске или помещаться в корпус ракеты). В дальнейшем, по мере заселения космоса, роль станции может измениться на роль посадочного вокзала или заправочного комплекса.
Строительство лунной базы
После постройки станции на орбите Земли, в ней собирается комплекс массой порядка нескольких тысяч тонн для полёта к Луне. Комплекс должен обеспечить посадку лунного модуля, бурение и последующую герметизацию шахты глубиной 30-50 м и организацию подлунного поселения в системе тоннелей на этой и большей глубине. Слой лунного грунта обеспечит надёжную защиту от космического излучения, что даст возможность многолетней работы без риска переоблучения.
Строительство тоннеля базы на Луне может протекать в четыре принципиальных этапа: бурение тоннеля стандартным проходческим оборудованием в условиях атмосферы; облицовка тоннеля металлокерамическими блоками; герметизация тоннеля полимерной плёнкой; обустройство гермозатвора.
Наличие атмосферы в тоннеле (пусть даже и непригодной для дыхания) стандартизирует операцию бурения тоннеля до привычных земных условий (с поправкой на значительно меньшую гравитацию) и снимает необходимость конструирования специального оборудования, рассчитанного на работу в вакууме.
Металлокерамические блоки могут состоять на 25-40% из алюминия или его сплавов и на 60-75% из прочного керамического наполнителя (любой природы). Подобный класс материалов уже разработан, это металлобетоны. (Например, А.С. 558887 СССР, МКИ2 С 04 В 29/02.) Металлокерамические блоки должны изготавливаться на Луне путём переработки лунных пород. Первоначально возможна заливка блоков алюминием, доставленным с Земли, в дальнейшем необходимо рассчитывать на “лунный” алюминий. Необходимо также отметить, что металлобетоны можно производить и монтировать в вакууме, в отличие от бетонов на основе гидравлических вяжущих.
Технология герметизации полимерной плёнкой аналогична применённой для строительства орбитальной базы. Кроме того, возможность стандартизации блоков и создания инертной атмосферы (либо вакуума) в туннеле позволит использовать специальное оборудование для автоматизированной сварки блоков в герметичную “трубу”.
Гермозатвор играет роль защиты в случае аварийной разгерметизации тоннеля (например, при подвижке лунных пород или падении метеорита)
Космос
После создания развитой лунной базы с многочисленным постоянным персоналом и опираясь на её ресурсы можно приступить к строительству больших межпланетных космических аппаратов и долговременным пилотируемым полётам в пределах Солнечной системы. Материалы для постройки аппаратов необходимо добывать переработкой лунных пород (попутно получая кислород и другие газы), а в последующем возможна даже доставка металлических астероидов. Поставки конструкционных материалов с Земли (металлы, полимеры) к этому моменту, скорее всего, сведутся к нулю, так как массовая добыча их в космосе будет проще и быстрее. Взлёт с поверхности Луны обеспечит электромагнитный ускоритель, тем более что вакуум и доступность всей территории спутника Земли позволит его сделать настолько большим, что стартовые ускорения будут незначительными даже для людей, не говоря уже о технике. Для защиты от микрометеоритов, ускоритель придётся проложить под поверхностью Луны на некоторой глубине.
Приложения
Экранирование станции
Для защиты станций от механических напряжений, возникающих из-за расширения материалов при нагревании их на свету и последующем охлаждении в “ночное” время корпус станции можно размещать в тени специального экрана. В таком случае станция будет находиться в постоянных условиях притока и излучения тепла и тепловые деформации будут сведены к минимуму. Сам экран может одновременно выполнять роль источника энергии и, ввиду его значительной площади, солнечного паруса, который может использоваться для движения станции под действием солнечного ветра. (Рис 3)
Регенерация кислорода и производство продуктов питания
Регенерировать кислород на космической станции и лунной базе можно либо за счёт электролиза воды либо с помощью растений или водорослей.
На земле уже были попытки масштабной реконструкции биосферы, проекты “Биосфера 2” (который, в общем-то, провалился), и значительно более простые БИОС 1-3 (в общем, успешные). Поэтому хотя проблема воссоздания биосферы в целом не решена, использование освещаемых культур зелёных водорослей вполне успешно позволяет регенерировать кислород и удалять углекислоту. Однако экологический цикл развития водорослей получается незамкнутым, а следовательно, до конца не стабильным.
Наиболее похожим на “космическое хозяйство” является рост и развитие гидропонных культур, тем более что в космосе иного варианта реализовать и невозможно, ввиду отсутствия почвы. Для стабильного воспроизводства растений, как правило, нужны насекомые-опылители. Самыми простыми решениями кажутся разведение пчёл в условиях лунной базы или использование самоопыляющихся сортов культурных растений. Отходы растениеводства после предварительного гидролиза можно перерабатывать метансинтезирующими бактериями (анаэробы, следовательно, возможна переработка без использования кислорода) в концентрат гуминовых кислот и фосфатов (пригоден как удобрение, а в целом будет использован для получения почвы) и биогаз, который после очистки и конверсии в жидкие углеводороды может использоваться как реактивное топливо. Некоторые вопросы вызывает использование удобрений. Так как на Луне нет атмосферы, то азот присутствует лишь в незначительном количестве в горных породах и не может рассматриваться как источник удобрений. Аналогично, на Луне трудно ожидать скопления калийных солей или фосфатов. И если калий и фосфор в общем, можно получить из лунных пород, то связанный азот придётся поставлять с Земли или со спутников планет-гигантов.
Металлургия в космосе
В условиях вакуума основным конструкционным материалом должен стать металл и композиты на его основе. Гидравлические вяжущие не могут быть использованы из-за быстрого испарения воды; керамика может быть недостаточно газонепроницаема. Полимеры деградируют под действием ионизирующего излучения, кроме того, их получение требует углеводородов, которые долгое время будут доступны только благодаря поставкам с Земли.
Практически все конструкционные металлы могут быть получены переработкой лунных пород, однако и здесь есть масса нерешённых вопросов. Металлургия в космосе (по крайней мере, первое время) будет характеризоваться следующими чертами: избыток тепловой и электрической энергии при остром недостатке углерода. Получение практически всех конструкционно-значимых металлов требует углерода. Алюминий требует для электролиза расходных угольных анодов, титан при хлорировании требует восстановителя, которым также выступает углерод, металлургия железа основана на углероде (хотя её можно перевести на водород, доступный электролизом воды). Исключением является магний, для выделения которого из оливина (или схожих пород) требуется оборотная соляная кислота, однако магний трудно применять для получения металлобетонов с лунными породами из-за возможности протекания окислительно-восстановительных реакций. Использование чистого магния потребует слишком большого расхода последнего.
Предположим, что развив достаточно мощную систему гидропоники и метантенков мы сможем наладить рециркуляцию восстановленной формы углерода (в виде метана, или элементарного углерода). В этом случае в системе постепенно начнёт накапливаться избыточный кислород, который придётся периодически стравливать в космос или использовать как реактивное рабочее тело космических аппаратов.
Помимо углерода необходимо учитывать и потери других элементов, необходимых при нынешней технологии. Например, при электролизе алюминия всегда имеются потери фтора, восполнить которые на Земле несложно, но на Луне может быть очень затруднительно.
Из положительных моментов металлургии в вакууме можно отметить полную дегазацию металлов и сплавов, что в значительной мере улучшает их свойства.
Новые металлокерамические материалы
Для повышения рабочих температур узлов и изделий космической техники требуются новые материалы, сочетающие высокую прочность на разрыв, низкую ползучесть при высокой температуре, устойчивость к вибрации и газовой эрозии при температурах порядка 2000ºС. Наиболее перспективными представляются металлокерамические материалы с высокопрочной упорядоченной керамической матрицей. Примером последних может быть густая упорядоченная керамическая сетка, залитая металлической матрицей из тугоплавкого металла или сплава. Рассмотрим возможные варианты реализации таких материалов.
Керамическая матрица должна иметь высокую прочность на разрыв, устойчивость при нагревании, отсутствие полиморфных превращений до 2000ºС. Примером последней может служить карбид вольфрама. Подобную матрицу можно сформировать из вольфрамовой проволоки, которую затем карбонизировать при нагревании в атмосфере углеродсодержащих газов, например ацетилена или метана. После превращения вольфрама в карбид требуется отжиг материала для снятия напряжений, возникающих при реакции и рекристаллизации в карбидвольфрамовое волокно. Затем требуется заполнение керамической матрицы тугоплавким металлом, например цирконием или гафнием, переносимыми газотранспортной реакцией с иодом по методу ван Аркеля и де Бура. Итоговый композит, особенно на гафниевой основе, должен обладать исключительной механической и температурной устойчивостью.
Из некоторых недостатков можно упомянуть невозможность ремонта подобных изделий после выхода из строя и их высокую плотность, а следовательно и массу.
