Тихое архимедово восхождение: сможет ли стратостат долететь до Луны
Общепринятая граница атмосферы для летательных аппаратов проходит на высоте 100 км, но для физика это лишь юридическая условность. Данные миссии SOHO подтверждают: земная газовая оболочка тянется далеко вглубь космоса — на сотни тысяч километров. Выходит, Селена движется вовсе не в безвоздушном пространстве, а внутри нашей атмосферы, точнее той ее части, которая называется экзосферой. И тут возникает соблазн: если вокруг все еще есть газ, можно ли доплестись до Луны на стратостате, заменив бешеную скорость ракет тихим архимедовым восхождением? Попробуем разобраться, где в этой теории скрыт инженерный тупик.
Каким должно быть устройство стратостата
Стоит признать: линия Кармана не является физической стеной. Это лишь условная высота, где воздух становится настолько разреженным, что самолету для создания подъемной силы пришлось бы лететь с первой космической скоростью.
Но что, если скорость нам не важна? Если мы решим подниматься неспешно, час за часом, полагаясь исключительно на плавучесть?
Линия Кармана — это условная граница между атмосферой Земли и космосом, принятая Международной авиационной федерацией (ФАИ). Она находится на высоте 100 км над уровнем моря. Чтобы удержаться на такой высоте без падения, летательный аппарат должен двигаться с первой космической скоростью — около 7,8 км/с.
Очевидно, что для подобного подъема потребуется некий «предельный стратостат» — гипотетический воздушный шар массой с практически невесомой оболочкой, способной расширяться до любых пределов. Внутри него — водород. У поверхности Земли это скромный 10-килограммовый мяч диаметром около двух с половиной метров. Пока он вытесняет массу газа, превышающую его собственный вес, сила Архимеда тянет его вверх. Никакой ракетной динамики — чистая статика.
Казалось бы, раз экзосфера тянется за Луну, то и путь открыт. Однако дьявол, как водится, кроется в составе среды.
Как меняется атмосфера Земли с набором высоты
Главная проблема в том, что по мере набора высоты атмосфера меняется не только количественно, но и качественно. До рубежа в 100 км мы находимся в так называемой гомосфере. Здесь газы постоянно перемешиваются ветрами, сохраняя привычный «коктейль»: 78% азота и 21% кислорода. Эта тяжелая смесь отлично держит шар, хотя ее плотность и падает в геометрической прогрессии — сокращаясь вдвое на каждые пять километров.
Реальные инженерные рекорды наглядно показывают цену каждого метра в этой среде. В 2002 году японский беспилотный стратостат BU60-1, запущенный агентством JAXA, достиг высоты 53,7 км. Чтобы поднять крошечный блок научной аппаратуры массой в 10 кг, его оболочка из полиэтиленовой пленки толщиной всего 3,4 микрона на пике раздулась до 50 м в диаметре.
Однако выше 100–120 км начинается гетеросфера, где перемешивание прекращается и газы выстраиваются в очередь по весу. Тяжелый азот и молекулярный кислород оседают ниже, а верхние эшелоны захватывает атомарный кислород, затем гелий и, наконец, водород. На канонической границе космоса (100 км) нашему 10-килограммовому аппарату уже нужно стать сферой диаметром 330 м — это масштаб доброго стадиона.
Дальше — больше. На отметке 150 км плотность среды падает так драматично, что шар должен вырасти до исполинского диаметра в два километра. И здесь инженерная логика беспощадно убивает мечту: площадь пленки у такого монстра такова, что даже ее собственный вес превращает стратостат в неподъемное грузило.
Температурный парадокс экзосферы
На этом этапе возникает соблазнительная идея: а что, если подогреть водород внутри оболочки? По закону Шарля, нагретый газ расширяется, его плотность падает, и теоретически он должен стать «легче» внешнего холодного водорода. Но тут нас ждет неожиданный физический сюрприз.
Дело в том, что в экзосфере газ уже экстремально горячий. Температура разреженного водорода там достигает 1000–1500°С из-за солнечного излучения. Однако «температура» здесь — это просто скорость движения отдельных атомов. Поскольку частиц почти нет, они не могут передать это тепло оболочке стратостата. Внутри же нашего шара газ должен иметь хоть какое-то давление, чтобы держать форму, а значит, молекул там в триллионы раз больше. Чтобы сделать этот внутренний водород «легче» внешнего, нам пришлось бы разогреть его до температур в миллионы градусов — до состояния плазмы, которую не выдержит ни одна материальная оболочка.
Где заканчивается атмосфера Земли
Допустим даже невозможное: наш шар каким-то чудом держит объем при нулевой массе оболочки. Но на подступах к Луне нас поджидает финальный капкан. Здесь атмосфера окончательно вырождается в геокорону — призрачный шлейф из чистого атомарного водорода. Возникает чисто химический парадокс: чтобы всплывать в водороде, внутри пузыря обязан находиться газ еще легче водорода. Однако в таблице Менделеева за первым элементом — лишь пустота. Единственный физический лаз — откачать из шара все и поддерживать внутри вакуум. Но такая затея требует сверхпрочного каркаса, чей вес мгновенно ставит крест на любой плавучести.
Цифры же на лунной дистанции и вовсе проваливаются в область сюрреализма. Плотность среды там — ничтожные 0,2 атома на кубический сантиметр. Чтобы вытеснить из этой «пыли» хотя бы 10 кг веса, нашему стратостату пришлось бы раздуться до радиуса в 19 тыс. км. Это, на минутку, три земных радиуса.
Становится кристально ясно: физическая атмосфера как опора для полета заканчивается там, где ее плотность падает ниже плотности любого твердого вещества. Обычно этот «потолок» — те самые 120–150 км, выше которых статика просто бессильна.
Как далеко сможет долететь стратостат
Так почему же мы не в силах «доплыть» до Луны, раз она геометрически не покидает земных пределов? Ответ — в жестком клинче физических принципов. Аэростат по определению — заложник среды, он судорожно ищет в ней точку опоры. Но на высотах за пределами термосферы материя становится настолько разреженной, что перестает существовать как нечто цельное, способное давить на оболочку. На дистанции в 384 тыс. км среднее расстояние между атомами водорода сопоставимо с габаритами самого аппарата. Здесь понятие «плавучести» окончательно теряет физический смысл.
Наш эксперимент лишь подтверждает старую истину: как бы мы ни расширяли границы атмосферы в учебниках, «настоящий космос» остается зоной, где статика пасует. Стратостат неизбежно застрянет в нижних слоях, превратившись в неподвижный памятник закону Архимеда.
Чтобы преодолеть оставшуюся бездну «земного водорода», придется сменить парадигму: отбросить оболочку и набрать первую космическую скорость. Полет к Луне — это всегда баллистика. И никакая протяженность газовой короны не превратит его в неспешное путешествие под куполом аэростата.
А вы знали, что будет, если запустить бумажный самолетик с МКС? Отвечали на этот вопрос здесь.
На обложке генерация ProКосмос
