Новости науки

6 993 подписчика

Свежие комментарии

  • Юрий Пережогин
    Фантазийная маниловщина! Чем терять зазря драгоценное время, и без того, короткой жизни, лучше занялись бы науками. В...Технологии освоен...
  • Karmadon
    Чо мы там забыли? Сиди на печи, да ешь калачи!Технологии освоен...
  • Борис Осипов
    Надо сидеть дома...Технологии освоен...

Когда мы полетим на Марс и Венеру? Колонизация Солнечной системы

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 9

В июле 1969 года едва ли кто-то мог усомниться в том, что маленький шаг Нила Армстронга — со ступени спускаемого аппарата на лунный грунт — стал огромным скачком для всего человечества. Самым смелым писателям уже грезились стеклянные купола лунных городов и новый Дикий Запад в поясе астероидов — с ордами старателей, добывающих минералы. Авторы менее романтичные, взяв за основу реальный опыт колонизации Антарктиды, описывали сеть исследовательских баз в лунных кратерах и ржавых пустынях Марса.

Аналогия с Антарктидой действительно казалась убедительной. Но что-то пошло не так.

База на Луне

Сравнивать Антарктиду с Луной — гиблое дело. И вовсе не потому, что Луна очень далеко и там совершенно нет воздуха. Связанные с этим затруднения считались преодолимыми ещё полвека назад. Просто большая часть исследований возле Южного полюса имеет прикладное, а в некоторых случаях даже стратегическое значение. Луна же пока представляет чисто академический интерес. И он настолько мал, что в середине 70-х годов прошлого века в её исследованиях наступил длительный перерыв. Рассматривая в сверх-чёткие телескопы поверхность ближайшего к нам небесного тела, астрономы не находили там решительно ничего интересного.

Не менее важна и разница в характере научной работы. В Антарктике исследуют в первую очередь процессы, протекающие в ледовом панцире, атмосфере и магнитосфере. Изучение процесса предполагает регулярные измерения, а для этого нужны постоянные базы. На Луне же вообще ничего не происходит. Слой реголита (спёкшейся под воздействием жёстких излучений космической пыли) растёт слишком медленно, чтобы наблюдать его в реальном времени.

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 3

Сверхтяжёлые (массой 2–3 тысячи тонн) ракеты-носители вроде «Сатурна», на котором запускали «Аполлоны», сейчас практически вышли из употребления. Миниатюризация космических аппаратов приводит к тому, что и спрос на тяжёлые (500–800 тонн) РН тоже невелик

Тем не менее в истории освоения Луны и Антарктиды есть явные параллели. После «престижного» этапа, когда Южный полюс рассматривался только как точка, в которую любой ценой необходимо вонзить древко флага, к Антарктике надолго потеряли интерес. Затем наступила фаза первых научных экспедиций, совершивших неожиданные и громкие открытия: оказалось, что подо льдом по извилистым тоннелям текут реки, а в глубине континента есть таинственные каменные оазисы…

И Луна, сыграв роль приза в состязании великих держав, пережила десятилетия забвения. Но уже в XXI веке, когда за первым, крайне поверхностным этапом изучения последовал второй, более продуманный, поразительные открытия не заставили себя ждать. Оказалось, что на спутнике Земли в недоступных солнечным лучам приполярных кратерах есть вода! Причём древняя, ещё входившая в состав протопланетного диска, из которого образовалась Земля. Такая вода — помимо того, что она имеет огромную историческую ценность, — может многое рассказать о составе первичных океанов нашей планеты.

Полярные кратеры, температура в которых всегда остаётся близкой к абсолютному нулю, могут оказаться ещё и идеальным местом для размещения инфракрасного телескопа, способного «видеть» очень холодные и почти не освещённые космические тела на границе Солнечной системы. Вот и ответ на вопрос, зачем нам нужна база на Луне!

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 1

Мысль использовать лунную воду для нужд базы выглядит соблазнительно, но в этом едва ли есть смысл. Добыча и переработка содержащей лёд породы с помощью доставленного с Земли оборудования наверняка обойдётся дороже, чем доставка ресурсов с Земли для двух-четырёх человек (NASA/GSFC/Arizona State University)

Технологии не стоят на месте, и если в 1960-х для отправки астронавтов на Луну требовалась ракета массой почти 3000 тонн, то теперь можно обойтись ракетами в полтора раза легче. Сегодня возможен более быстрый, дешёвый и безопасный «прямой» перелёт — без разделения и последующей стыковки на лунной орбите посадочного и возвращаемого модулей, как делалось в рамках программы «Аполлон». И тяжёлых ракет понадобится совсем немного: база не должна быть более масштабным сооружением, чем давно и плодотворно работающая на орбите МКС. Затевать на Луне капитальное строительство нецелесообразно. Устройство форпоста будет модульным, как у орбитальной станции, — с той лишь разницей, что стыковать модули необходимости нет.

Если ограничиться отработанными в 1980-х годах 2000-тонными РН, то после посадки на Луну каждый модуль будет иметь массу около 20 тонн. Шестая её часть придётся на опоры, двигатели и опустошённые во время торможения топливные баки. Останутся 17 тонн полезной нагрузки — вполне хватит на двухместный корабль с достаточным для возвращения на Землю запасом горючего. В тесных пилотируемых модулях персонал будет прибывать на Луну и покидать её. А жить и работать космонавты смогут в относительно комфортных жилых модулях, по объёму (80–100 кубометров) сравнимых с первыми советскими орбитальными станциями «Салют».

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 8

Концепт лунной колонии, художник Pat Rawlings для NASA

Помимо одного-двух жилых модулей, базе понадобится ещё и модуль энергетический — с ядерным реактором. Солнечные батареи бесполезны на дне полярного кратера. Сажать этот модуль, конечно же, лучше подальше от остальных и за какой-нибудь естественной преградой.

Возможно, нужен будет специальный интеграционный модуль с катушками проводов, по которым электроэнергия будет передаваться от реактора к прочим модулям базы, в число которых непременно войдут инфракрасный телескоп и буровая установка. Ведь лёд должен залегать под слоем реголита толщиной от одного до восьми метров. Потребуются ещё грузовые модули для доставки припасов и техники и как минимум один межпланетный рефрижератор для отправки добытого льда на Землю.

Ценой четырёх-шести пусков тяжёлых РН в год деятельность базы можно будет поддерживать несколько лет. Потом в реакторе выгорит уран, телескоп устареет, а механизм буровой установки безнадёжно заклинит смятым тюбиком из-под борща. Конечно, можно доставить с Земли другую… только зачем? Первоначальная программа исследований наверняка будет выполнена, а если появятся новые идеи, то и базу разумнее создать новую — там, где нераскрытых пока тайн больше, а мусора, соответственно, меньше.

Человек на Марсе

Сейчас, когда возможности автоматики стремительно растут, будущее пилотируемой космонавтики вызывает вопросы. Тем не менее в обозримой перспективе полёты с экипажем останутся экономически оправданными. На орбите космонавты выполняют функции наладчиков, ремонтников и лаборантов. Регулярное техническое обслуживание приборов, возможность настройки, устранения неполадок и многократного использования одного устройства в разных схемах позволяют сделать эксплуатацию оборудования более эффективной.

Вторая причина отправлять человека в космос связана со скоростью связи. Задержка сигнала между Землёй и Луной — меньше двух секунд. Но и это очень затрудняло управление луноходами. До Марса же даже в момент максимального сближения свет идёт три минуты. Кроме того, мощность передатчика межпланетной станции не может быть велика. Приходящий с космического расстояния сигнал слаб и тонет в шумах. Его восстановление и расшифровка требуют колоссальных вычислительных мощностей и занимают уйму времени. А находящийся поблизости оператор сможет с помощью дрона обследовать большую территорию и отсматривать приходящую с камер автомата «картинку» в реальном времени. Фокусируя аппаратуру на интересных деталях, человек соберёт в 10 или даже в 100 раз больше информации, чем робот.

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 11

Концепт марсианской колонии (NASA)

Пилотируемая экспедиция на Марс имеет смысл. Но сперва нужно создать электроядерный (плазменный) двигатель, разработки которого сейчас ведутся в РФ и США.

При наличии реактора мощностью 4 мегаватт можно доставить на Марс трёх человек за 140 суток на корабле массой около 150 тонн. На припасы и полезную нагрузку придётся 20–25 тонн, а на гелий, который будет служить рабочим телом двигателя, всего 40 тонн. Расходуя по 140 килограммов газа в день, плазмолёт сможет двигаться с крошечным, но постоянным ускорением. Причём увеличивать скорость, сокращая общую массу корабля или повышая мощность двигателя, смысла нет. Оптимальная с точки зрения небесной механики продолжительность миссии — 14 месяцев — останется прежней.

Корабль массой 150 тонн, в принципе, можно полностью подготовить к полёту на Земле и вывести на орбиту уже с экипажем на борту. Но это едва ли оправданно, так как рассчитанный на 10 или 20 лет эксплуатации (реактор потребуется периодически обслуживать) аппарат должен быть приспособлен именно к заправке и погрузке в космосе.

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 10

Чем легче газ, тем выше скорость реактивной струи. Но «выхлоп» ЖРД состоит преимущественно из водяного пара (энергия выделяется в процессе окисления водорода) — достаточно тяжёлого газа (на фото — «Союз TMA-13M», фото NASA/Joel Kowsky)

Из-за более сильной гравитации и наличия атмосферы взлететь с Марса значительно сложнее, чем с Луны. Но если лунный пилотируемый модуль направится сразу на Землю, то марсианскому достаточно выйти на низкую орбиту, где его подберёт корабль. С учётом этого можно создать посадочный модуль массой не более 25 тонн — а значит, доставка человека на Марс вполне осуществима. Хотя программу исследований придётся сократить до минимума: посадка, произнесение исторических реплик, установка флага, фотосессия, сбор камешков на память и поспешный отлёт. Едва ли стоит строить электроядерный крейсер только для этого.

Как минимум первая экспедиция (а единственный плазмолёт позволит отправить не меньше пяти) должна полететь не на Марс, а к Марсу. Полезную нагрузку при этом составит кассета с орбитальными и спускаемыми аппаратами. Спутники займутся разведкой, определяя точки, куда стоит высадить марсоходы и куда затем отправятся миниатюрные челноки — для подъёма на орбиту капсул с собранными образцами грунта.

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 4

Большинство тел Солнечной системы лишены ионосферы, отражающей радиосигнал. А значит, для дистанционного управления аппаратами, кроме базы на поверхности, необходимы спутники на орбите

Поскольку экипаж из трёх человек не сумеет эффективно управлять большим количеством дронов, после первой экспедиции в околомарсианском пространстве останется сколько-то неиспользованных аппаратов. Задействовать их, пусть и с куда меньшим эффектом, можно будет и с Земли. Если стратегической целью останется именно высадка человека, в последующих миссиях полезную нагрузку составит сначала обитаемый модуль, потом грузовой — с припасами и оборудованием. И только в последнюю очередь на орбиту Марса будет доставлен посадочный аппарат.

Предварительная разведка дронами, управляемыми с орбиты, и создание временной базы как минимум из двух служебных модулей позволят произвести высадку там, где найдётся нечто интересное и требующее особой аккуратности при изучении. Выполнять тонкие манипуляции киркой и лопатой, слишком ответственные для того, чтобы поручить их роботам, космонавты смогут в течение нескольких недель.

Термоядерная эпоха

Главным недостатком плазменного двигателя, пожалуй, окажется его бесполезность для чего-либо, кроме исследований Марса. Можно ещё слетать к Венере, даже к Меркурию, если кондиционеры позволят, но Юпитер уже слишком далеко. Экспедиция продлится около четырёх лет и потребует огромных затрат.

На земной орбите к кораблю придётся стыковать дополнительные баки с гелием и ядерные ускорители для разгона. Да и самих кораблей понадобится минимум два: первый доставит экипаж на место, второй, заранее отправленный к краю гравитационной ямы Юпитера, эвакуирует экспедицию. А если ставить перед миссией серьёзные исследовательские цели — изучение атмосферы Юпитера с низкой орбиты и получение образцов льда с Европы и Ганимеда, — потребуется ещё и третий корабль: транспортёр автоматических станций.

Когда мы полетим на Марс и Венеру? 6

Ближайшая к Земле планета — Венера. Но создать базу на её поверхности (при давлении 90 атмосфер и температуре 400 градусов) не получится. Трудно представить и базу, парящую в атмосфере. Как стыковать к ней транспортные ракеты, не уничтожив аэростаты реактивной струёй?

Предпосылки для детального исследования, а затем и колонизации всей Солнечной системы появятся лишь после разработки термоядерного двигателя. Его появление ожидается только через 50–100 лет: пока что есть целый ряд неразрешимых препятствий к созданию этого устройства. Но когда их преодолеют, оборудованный ТЯД космолёт уже будет полностью отвечать ожиданиям нынешних фантастов. Исключая разве что гиперпространственные скачки и наличие искусственной гравитации на борту. Масса корабля, во всяком случае, станет вполне фантастической — от 1000 тонн без груза. Собирать его придётся уже на орбите.

Динамические характеристики, несмотря на относительно медленный разгон тоже окажутся вполне достойными. С полезной нагрузкой 2000 тонн термоядерный корабль достигнет орбиты Луны за двое суток (как и ракета с ЖРД), Марса за 40–90 суток (в зависимости от взаимного расположения с Землёй), Юпитера за 120, Сатурна за 180, а Нептуна — за 380 суток. Причём почти вся нагрузка действительно будет полезной: даже на рейс к Нептуну и назад потребуется израсходовать не более 150 тонн лития и 25 тонн водорода. Если же принять на борт вместо груза 1500 тонн гелия для разгона на холодной тяге, полёт до самой дальней из планет Солнечной системы продлится всего 100 дней.

Не будет соответствовать фантастическим ожиданиям только внешний вид корабля. «Хребтом» его станет 100-метровая труба двигателя, состыкованная из доставленных с Земли отрезков. Всё прочее — груз, обитаемые отсеки, кабина управления — будет представлять собой набор из десятков 30–50-тонных модулей, крепящихся к стыковочным узлам. Максимальные габариты и масса модулей будут зависеть от вместимости воздушно- космических самолётов, доставляющих грузы на орбиту. Назначение же модуля может оказаться любым — от бака с гелием до капитанской рубки корабля или купейного вагона.

Когда мы полетим на Марс и Венеру?

Пробурить 100-километровый ледяной панцирь спутника Юпитера, Европы, чтобы убедиться в наличии жизни в её океанах, разумеется, не выйдет. Но кора Европы периодически обновляется в результате извержений, и обнаружить микроорганизмы (вполне вероятно, даже сохранившие жизнеспособность) можно, взяв пробы льда из свежих трещин с глубины всего 50–100 метров

В термоядерную эпоху туры на Луну будут осуществляться массово, прогрессивным контейнерным способом. Герметичный модуль с туристами, внутренняя поверхность которого представляет собой сплошной экран наружного обзора, запечатывается в космопорту, после чего транспортёром доставляется на борт орбитального самолёта с прямоточными двигателями.

На орбите манипулятор извлекает модуль из грузового отсека шаттла и стыкует к лунному лайнеру. Потом — полёт на термоядерной тяге до орбиты Луны и доставка модуля ядерным буксиром до поверхности, где электрический шагоход, подняв пассажирский контейнер и включив электронного гида, проведёт экскурсию к месту посадки Армстронга… Если прогулка в скафандрах не включена в программу и никому в салоне не потребуется срочная операция, то туристический модуль можно вообще не распечатывать до возвращения на Землю.

* * *

Появление термоядерного двигателя откроет новую эпоху, когда немыслимое станет реальным. В течение 20–30 лет вблизи Земли станет не продохнуть от космолётов, заполонивших парковочные и погрузочные орбиты. Ведь на доставку одной тонны груза из кольца астероидов до поверхности Земли придётся потратить лишь 20 килограммов лития-6. А он стоит недорого. Сожжённый челночными самолётами водород вообще ничего не будет стоить, так как энергия для его получения электролизом воды будет добыта ценой неразличимо малых затрат того же лития.

Когда расходы на строительство космофлота и создание баз, добывающих и исследовательских (ведь внеземные сокровища прежде всего нужно найти), превратятся в прибыльное вложение средств, планеты Солнечной системы сразу станут намного ближе.

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх