«Звездный трамвай», лифт или кольцо вокруг экватора: как попасть на орбиту без ракеты

Идея о безракетном доступе в околоземное космическое пространство звучит несколько парадоксально. Трудно себе представить, как сегодня можно достичь орбиты без ракеты-носителя. Тем не менее существует множество теоретических концепций, которые, впрочем, пока еще очень далеки от практической реализации. Среди них — космический лифт, пусковая петля Лофстрома, «звездный трамвай», Общепланетарное транспортное средство и многие другие. О смелых мечтах теоретиков в новой лекции Pro Космос рассказал главный ученый секретарь АО «ЦНИИмаш» Валерий Клюшников.

— Безракетные методы отправки грузов в космос пока существуют на уровне теорий, но все же довольно активно обсуждаются. Почему так происходит и что не так с обычными ракетами?

— Современные ракеты-носители пока нас удовлетворяют. Эффективность этого процесса характеризуется коэффициентом конструктивного совершенства. Это отношение пассивной массы ракеты-носителя, то есть сухой массы металлических конструкций, к активной массе, то есть к массе топлива. Этот коэффициент исчерпывающим образом характеризует и технологию производства, и конструктивные решения, их совершенство. В качестве примера можно привести ракету Falcon 9 (многоразовая тяжелая ракета орбитального класса, разработанная и изготовленная американской компанией SpaceX — прим. ред.), у которой конструктивное совершенство будет выше, чем у других носителей, примерно в два раза — оно составляет 20.

От конструктивного совершенства зависят экономические показатели процесса выведения. Для Falcon XX (концепция ракеты-носителя, которую предлагала SpaceX, но проект так и не был реализован — прим. ред.) стоимость выведения одного килограмма полезного груза на орбиту составляет порядка $2,5 тыс. У других носителей больше.

Современный носитель — это достаточно сложная техническая система, которая характеризуется, помимо высокой сложности, высокой стоимостью производства, высокой ценой отказа. Пока нас такие характеристики ракет-носителей вполне устраивают — устраивают для решения традиционных задач выведения на орбиту космических аппаратов, предназначенных для обеспечения связи, навигации, дистанционного зондирования Земли.

Но в будущем, когда речь зайдет о развитии промышленной инфраструктуры в околоземном космическом пространстве, нам нужны будут неизмеримо большие потоки полезных грузов в космос и из космоса. И тогда нам нужно будет что-то более совершенное и перспективное, чем существующие в настоящее время ракеты-носители. Таким средством должно стать средство безракетного доступа в космос.

— В чем основная сложность для воплощения в жизнь идеи о безракетном освоении космоса?

— Самое главное — выбраться из гравитационного колодца, который представляет собой силу тяжести, действующую на все, что находится на земле (согласно концепции, чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец — прим. ред.). Это дается достаточно высокой ценой. Пока это возможно с помощью ракет-носителей. Но если мы поднимемся на высоту, скажем, геостационарной орбиты или даже на орбиту высотой порядка нескольких сотен километров, то дальше это уже дело техники.

На этих орбитах в ходе развития промышленной инфраструктуры в космосе мы будем способны строить фабрики, доки, заправочные станции. А организация перелетов к другим планетам, к астероидам — это дело техники. Эта проблема решается значительно проще, чем преодоление силы тяжести. Вот в этом заключается перспектива развития безракетных средств доступа в космос с точки зрения освоения Солнечной системы.

— Какие концепции безракетных космических запусков сегодня существуют?

— Начнем с космического лифта. Идея происходит из Советского Союза и нашла отклик во многих умах: ее выдвинул в 1960-х годах наш ученый Юрий Арцутанов. Космический лифт представляет собой громадный трос, который закреплен на поверхности Земли одним концом, тогда как другой конец у него находится на высоте выше геостационарной орбиты — примерно 36 000 километров. Такое расположение обеспечивает достаточное натяжение троса с тем, чтобы некая транспортная капсула двигалась по нему с Земли, используя простейшие средства передвижения, и достигла околоземной орбиты.

К недостаткам космического лифта относится, во-первых, то, что такое устройство предполагает действие на трос Силы Кориолиса (одна из сил инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения — прим. ред.), в результате которого тросовая система будет раскачиваться. Во-вторых, транспортная капсула, которая двигается по тросу, делает это с невысокой скоростью — порядка 100 метров в секунду, или 360 километров в час — и какое-то время движется через радиационные пояса Земли. Такие космические радиационные условия будут воздействовать и на экипаж (поэтому для человека вряд ли пригодно использование космических лифтовых систем), и на полезный груз. Как известно, радиация неблагоприятно влияет на технические устройства, особенно на электронику. Поэтому не исключено, что что-то будет выходить из строя.

Наконец, космический лифт очень чувствителен к массе капсулы. Если ее перетяжелить, то сместится центр тяжести космического лифта, он придет в движение, и вся эта конструкция может рухнуть на землю, что окончится, естественно, катастрофой.

— И все же можно ли реализовать идею космического лифта на практике?

— По оценкам ученых, стоить это будет порядка $10 трлн и может занять несколько сотен, а то и тысяч лет. Но реализуемость космического лифта крайне проблематична. Для того чтобы это реализовать, нужны в первую очередь материалы с малой плотностью и очень прочные — порядка 100 гектопаскалей (единица измерения атмосферного давления — прим. ред.). Это может быть в принципе сделано на основе однослойных углеродных трубок (цилиндрические структуры, состоящие из одного слоя графена — прим. ред.). В Университете Южной Калифорнии в США получены образцы углеродных трубок с прочностью около 60 гектопаскалей. Но длина этих трубок составляет всего лишь порядка 150 микрометров. То есть до того, чтобы получить волокна и изготавливать такой трос космического лифта, еще достаточно далеко.

— Помимо космического лифта какие еще концепции предлагаются?

— Есть проект электромагнитной центрифуги компании SpinLaunch — она представляет собой достаточно большую конструкцию, которая основана на эффекте пращи. В этой конструкции ракета с космическим аппаратом раскручивается и выбрасывается из установки, достигая на выходе из динамического ускорителя массы скорости примерно два километра в секунду.

По достижению высоты около 60 километров на ракете включается двигатель, и ракета довыводится на собственном двигателе. Конечно, это экономит энергетику, но основным недостатком всех динамических ускорителей массы, в том числе и SpinLaunch, являются очень большие перегрузки. На QuickLaunch перегрузка может доходить до 10 000 g (для нетренированного человека предел перегрузок составляет от 4 до 8 g — прим. ред.). Не всякое электронное устройство может выдержать такие перегрузки.

Наиболее такие экзотичные, но, наверное, более приемлемые для практики в перспективе являются геоинженерные сооружения. Первое такое сооружение появилось в США — петля Лофстрома, названная так по имени ученого, который выдвинул эту концепцию (американский инженер-электрик Кит Лофстром — прим. ред.). Пусковая петля Лофстрома представляет собой металлический проводник, который двигается в трубе, причем закольцованной, диаметром семь метров. Длина этой конструкции составляет порядка 2000 километров. И вот за счет движения проводника в этой трубе возникает сила, которая стремится поднять всю эту конструкцию вверх от земли. Поднимается она, по замыслу Лофстрома, примерно на высоту 80 километров, и по этой трубе может двигаться космический аппарат, который по достижении определенной скорости отделяется от этой конструкции и выходит в околоземное космическое пространство.

Для того чтобы поддерживать конфигурацию пусковой петли Лофстрома, используются магнитные левитаторы, известные как маглев (это поезд или трамвай, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля — прим. ред.). Левитация поддерживается за счет двух проводников, один из которых крепится к трубе, а второй находится на поверхности земли. Достигаются силы магнитной левитации, которые позволяют поднять конструкцию за счет очень высоких токов. Так, на земном проводнике должен протекать ток около 280 мегаампер, а на проводнике, который крепится к поверхности трубы, — 14 мегаампер.

Таким образом, требуется очень высокая энергетика для того, чтобы это устройство работало. Особенность пусковой петли Лофстрома заключается в том, что она должна все время быть в движении. Проводник, который проходит по трубе, должен непрерывно двигаться. Труба закольцована. Как только проводник перестает двигаться, то сразу же вся конструкция рушится и падает на землю.

Следующее геоинженерное сооружение — это так называемый StarTram («Звездный трамвай»), или космический поезд, который был предложен также в США в 1980-х годах. Конструкция сходна в чем-то с пусковой петлей Лофстрома, но она не закольцована. Она представляет собой трубу, которая поддерживает конфигурацию, направленную от Земли вверх. Конструкция, которая должна быть выведена в околоземное пространство (будем называть это ракетой или снарядом), движется в вакууме и за счет этого движения под действием сил магнитной левитации достигает космических скоростей в размере 12-14 километров в секунду, а затем через плазменное окно выходит в околоземный космос.

— Есть ли недостатки у такой конструкции?

— Конструкция получается циклопическая и очень тяжелая. Если длина вот этой трубы должна составлять порядка 1,5 тыс. километров при диаметре семь метров, то на основание трубы действует нагрузка порядка 10 тонн на квадратный метр. Это очень много. Поэтому основание должно быть очень прочным.

Лучше проработанной геоинженерной идеей среди всех, о которых я говорил, является Общепланетарное транспортное средство (ОТС) Анатолия Эдуардовича Юницкого. Оно представляет собой кольцо, расположенное на экваторе и опоясывающее Землю. В кольце находятся вакуумированная полость, в которой движутся ленточные маховики. В кольце находятся отсеки для полезного груза и пассажиров, а также гидравлические цилиндры. И вот это кольцо по мере раскручивания ленточных маховиков тоже начинает раскручиваться и постепенно набирает высоту.

Причем сначала раскручивается один маховик, достигая высоких скоростей — это 10-12 километров в секунду. Кольцо начинает постепенно расширяться и подниматься на все более высокие области околоземного пространства. За счет того, что в конструкции предусмотрены гидравлические цилиндры, кольцо будет расширяться. И расширяется оно примерно на 1,5% диаметра на каждые 100 километров. После достижения некоторой высоты один из маховиков переходит в режим генерации электроэнергии, и за счет этого начинает раскручиваться второй маховик.

Таким образом, Общепланетарное транспортное средство может подниматься, опускаться и переносить в течение года порядка миллионов тонн полезного груза в околоземный космос. Количество таких подъемов в год может достигать порядка сотни.

— Через сколько лет, по вашим прогнозам, можно будет реализовать какой-либо проект по безракетному доступу в космос?

— В ближайшее время такие проекты вряд ли осуществимы по целому ряду причин. Но прогнозировать, когда это будет, — задача неблагодарная. Как мы видим, многие прогнозы не реализуются. Это можно показать на очень многих примерах.

Но в то же время могут быть какие-то скачки. Взять хотя бы тот же проект Starship (полностью многоразовая сверхтяжелая ракета-носитель, предназначенная для экономичной доставки грузов и людей на околоземные орбиты, а также для межпланетных полетов на Луну и Марс — прим. ред.). Никто не ожидал еще 5-10 лет назад, что будет создана ракета, которая способна достичь Марса, которая будет многоразовой и в которой будут реализованы многие технические революционное решения.

Я не возьмусь предсказывать, но думаю, что это будет возможно к концу этого века. Если не мечтать о будущем, то будущее может и не наступить.