2021: Космическая Одиссея

 Спутник Сатурна Япет, снимок сделан зондом «Кассини». Наверное где-то в этом кратере Дейв Боумен увидел полуторакилометровый параллелепипед с отношением сторон 1:4:9 (квадраты первых натуральных чисел) 

    В фильме «2001: Космическая Одиссея» корабль «Дискавери» летит к Юпитеру, хотя в одноименном романе Кларка он направлялся вдвое дальше, до Сатурна (максимальное удаление этих планет от Солнца 817 и 1 513 млн. км). В 1968 не было современных возможностей компьютерной графики, а перфекционист Кубрик не рискнул изобразить кольца Сатурна доступными в то время средствами. И правильно сделал, учитывая мультимедийную эстетику своего шедевра! Возможно ли хотя бы в 2021, через 20 лет после событий романа Кларка осуществить такую вдохновляющую экспедицию?     

   Автор отправил «Дискавери» к Сатурну, потому что у него есть замечательный спутник Япет. Это — хронологически вторая из лун Сатурна, открытая Кассини в 1671 через 15 лет после Титана. Разумные существа, посетившие Землю на заре человечества 3 млн. лет назад, оставили на Япете пространственно-временной портал. Они рассчитывали на то, что будущие поколения мыслящих существ, в которых через миллионы лет эволюционируют питекантропы, найдут на Луне и своим прикосновением активируют передатчик узконаправленного сигнала в направлении к Сатурну, запеленуют его и догадаются искать на этом спутнике послание пришельцев. В качестве маяка Япет подходит идеально! Он все время повернут к Сатурну одной стороной, как Луна к Земле. Одно из полушарий Япета значительно светлей другого (см. фото), и при вращении вокруг планеты он подставляется Земле яркой и темной стороной через каждые пол-периода (~40 дней). Такой «проблесковый маячок» было бы трудно не заметить. Вот почему через 10 месяцев полета «Дисквавери» затормозил и вышел на орбиту Япета со скоростью около 1 300 км/час, израсходовав последние запасы топлива. 

МАСК И МАРС

    Сегодня даже вдвое более короткий полет к Юпитеру не рассматривается в качестве цели в обозримой перспективе. Совсем другое дело Марс! Основатель частной компании Space X, которая достигла блестящих успехов в создании возвращаемой на Землю космической ракеты,  недавно произвел фурор. Илон Маск озвучил план колонизации Марса с помощью ракет, которые предполагается создать на основе существующих технологий.

    На первый взгляд эта затея кажется еще одной коммерческой авантюрой, каких немало происходит вокруг Марса (например Mars One). Но от таких оценок должен удерживать тот факт, что, помимо всего прочего, компания Space X успешно испытала ЖРД «Раптор» с тягой около 320 тонн. Это является рекордом для двигателей с одной камерой, существующих сегодня. Советский мотор РД-170, который применяется до сих пор, создает тягу около 800 тонн, но имеет 4 камеры сгорания. Однокамерный F-1 для первой ступени «Сатурна-5″ развивал около 700 тонн. Space X собирается построить ракету, которая будет немногим больше, но в 3.5 раза тяжелей «Сатурна-5″, и установить на первую ступень 42 «Раптора». Это напоминает о печальной судьбе советской, лунной ракеты Н-1, которую погубила попытка использовать аналогичную гроздь движков и неспособность обеспечить их синхронную работу. Однако, эта проблема не выглядит принципиальной, и если бы руководство СССР проявило больше терпения в той ситуации, история нашей страны и человечества могла бы развиваться по другому.

   100 000 км/час межпланетной скорости, показанные в анимации, практически недостижимы с помощью ЖРД. В этом случае приращение скорости при уходе с околоземной орбиты составило бы ~20 км/сек. Скорость истечения газовой струи из ЖРД не превышает 4 км/сек, у «Раптора» ~3.8 км/сек. Из формулы Циолковского: 

\frac{M}{M_0}=\exp{\frac{\Delta V}{u}}         (1) 

где M_0 и M — масса корабля с пустыми и полными топливными баками, u — cкорость истечения струи из сопла,  \Delta V — приращение скорости. Отсюда имеем отношение массы топлива к массе пустого корабля около 150. Это у того, который дозаправляется на околоземной орбите. Поэтому до 100 000 км/час разогнаться не получится. Движение с такими скоростями с помощью традиционных ракет на ЖРД практически неосуществимо.

   Но в докладе Маска было озвучено реалистичное, минимальное время полета 80 дней, что отвечает средней скорости, немногим превышающей вторую космическую, а в среднем 115 дней. Интересно, что в статье http://extremal-mechanics.org/archives/19390, где анализируется возможность миссии на Марс с помощью ЖРД, получена оценка времени полета «туда» 114 дней. Стоит заметить, что многие параметры из моей статьи недалеки от тех,  которые получены в Space X.  Например, масса корабля при отправлении с околоземной орбиты ~2 000 т, из них ~1 600 т топлива для выхода на орбиту к Марсу и ~250 т для торможения и маневрирования по прибытии (предполагается выход на околомарсианскую орбиту). У Маска стартовая масса ~2 300 т, из них ~1 500 т топливо, но реактивное торможение не предусмотрено. За счет этого у корабля внушительная, полезная нагрузка 450 т.

АЭРОДИНАМИКА

     В отношении торможения у Марса проект Space X продуман плохо. Предполагается использовать сопротивление атмосферы, но для корабля с массой больше 500 тонн она слишком разряжена. У поверхности Марса ее плотность не превышает 0.02 кг/куб.м, что отвечает высоте 30 км над Землей. Боеголовки некоторых МБР при входе в атмосферу разворачиваются основанием конуса вперед и сбрасывают скорость с 6 — 7 км/сек до около 3 км/сек, чтобы не сгореть подобно метеору http://extremal-mechanics.org/archives/9573. По-видимому, это происходит выше 30 км. Таким образом можно допустить, что боеголовка МБР была бы способна сбросить 3 — 4 км/сек от сопротивления атмосферы Марса.

   Как видно из доклада Маска, корабль Space X подойдет к Марсу на относительной скорости около 8.5 км/сек. Эта оценка вполне реалистична. Как доказано в статье http://extremal-mechanics.org/archives/19390, при старте от Земли с 2-й космической скоростью,  без учета гравитации, в момент прибытия относительная скорость не может быть меньше 4,06 км/сек. Тяготение Марса добавит еще 5 км/cек (вторая космическая скорость), хотя здесь складываются не модули, а векторы скоростей (впрочем почти сонаправленных). Таким образом, придется сбросить скорость вдвое больше, чем это делает боеголовка МБР, что означает вчетверо большую работу сил сопротивления.

Презентация проекта марсианской, транспортной системы Space X.    

    Но главная проблема заключается в том, что задача о торможении в атмосфере не масштабируется, т.к. кинетическая энергия корабля  и сила аэродинамического сопротивления пропорциональны кубу и квадрату его размера соответственно. Можно сказать, что для торможения в 1 000 раз более массивного тела при той же средней плотности и форме придется 10 раз повторить путь в атмосфере, который прошло малое тело в процессе торможения (при этом сила сопротивления большого тела будет в 100 раз больше). Похожее соотношение имеют массы корабля Space X и боеголовки МБР. Вместо нее можно рассматривать спускаемые аппараты марcоходов вроде «Quriosity». Им удается гасить значительную часть скорости за счет аэродинамики, причем ведут они себя в точности как боеголовки. Аналогичным образом тормозятся спускаемые аппараты кораблей при возвращении на Землю, но их массы в сотни раз меньше, чем у марсолета Space X. Парашюты ему также не помогут. Спускаемый аппарат «Союз» раскрывает тормозной парашют  на высоте 9 — 10 км, где плотность воздуха достигает 0.4 кг/куб.м., т.е., в 20 раз больше, чем у поверхности Марса.

   Таким образом, для корабля с массой в сотни и даже десятки тонн полное, аэродинамическое торможение в атмосфере Марса выглядит крайне сомнительно. Без реактивного торможения он просто шлепнется на поверхность планеты и разлетится вдребезги. Неудача зонда «Скиапарелли», который 19.10.2016 разбился при посадке на Марс, несмотря на наличие тормозного парашюта, убедительно напомнила о том, как сложно опуститься на Красную планету даже небольшому аппарату. 

    Но в остальном идея Маска выглядит разумно. Хотя не очень ясно, чем будут заниматься колонисты. Одно дело — небольшая группа исследователей и совсем другое — тысячи, а в перспективе миллионы людей, которых нужно чем-нибудь занять, чтобы они не превратили свою жизнь в ад. Не говоря об экономике проекта! Необходимо найти что-нибудь очень ценное на Марсе, допустим природный плутоний-239, чтобы организация колонии была экономически оправдана. Слушая доклад бизнесмена Маска легко понять, что у него нет на сей счет вразумительного плана. 

   Кроме того, Space X недооценивает фактор радиации  http://www.infoniac.ru/news/Radiaciya-stanet-glavnym-prepyatstviem-dlya-poletov-lyudei-na-Mars.html. За несколько месяцев перелета к Марсу человек получит дозу радиации, которая при одноразовом приеме способна вызвать лучевую болезнь в слабой форме (тошнота и слабость). Учитывая постепенность облучения, оно может себя не проявить. Но если во время полета корабль попадет под солнечную вспышку, что с большой вероятностью произойдет не раз, то доза радиации будет многократно большей. Заполненный сотней пассажиров корабль едва ли сможет обеспечить каждому надежное убежище на те несколько дней, что продлится вспышка. Но даже если люди прибудут на Марс более-менее здоровыми, в дальнейшем доза облучения будет неуклонно нарастать. Очевидно, что первым колонистам придется много времени работать на поверхности планеты. Трудно представить, как будет выживать колония из больных лейкемией в той или иной стадии.

ЦЕЛЬ - САТУРН

   По-видимому, с организацией колонии на Марсе можно подождать, но человеку нужно обязательно слетать туда. Страна, которая первой осуществит эту великую мечту, получит политический капитал, который не измеряется деньгами. При этом слетать на Марс не так уж сложно — было бы желание и политическая воля. Осуществить такой проект можно в течение 3 — 5 лет. И даже, может быть, замахнуться на Юпитер! Согласно оценкам из статьи http://extremal-mechanics.org/archives/19390, такой полет выглядит выполнимым за 3 года (туда-обратно). Но такая миссия стала бы критически сложной в отношении здоровья экипажа, т.к., помимо накопления облучений за три года в космосе, огромные дозы ждут космонавтов в радиационных поясах Юпитера. Из-за чудовищной концентрации заряженных частиц большой энергии на самые интересные спутники этого монстра — Ио и Европу лучше не соваться вообще. То же касается попыток пролететь над верхней кромкой юпитерианских облаков, что так красиво описал в своем романе Кларк. При этом речь идет не о здоровье космонавтов, а о жизни! 

     Сатурн — совсем другое дело. Его магнитное поле примерно в 90 раз слабей, чем у Юпитера. Это означает, что средняя энергия заряженных частиц, которые дрейфуют вдоль силовых линий, меньше в 90^2 = 8 100 раз. Таким образом, радиационные пояса Сатурна несравнимо безопасней, чем Юпитера. Более того, зона вблизи колец почти свободна от заряженных частиц, поэтому самые восхитительные моменты экспедиции будут проходить в относительно безопасной, радиационной обстановке. 

   Кроме Япета, посещение которого будет исполнено волнующего символизма, крайне интересным объектом является крупнейший спутник Сатурна Титан. Давление его атмосферы в 1.5 раза больше Земной, на этой луне есть жидкость и органические вещества. На Титане космонавты смогут обходиться без герметичных скафандров под внутренним давлением, в которых трудно двигаться и работать. Им будет достаточно надеть кислородные маски и защитные комбинезоны с подогревом. Атмосфера также обеспечит дополнительную защиту от радиации, поэтому на Титане можно будет находиться долго и в относительно комфортных условиях. 

 Траектория, по которой не следует лететь к Сатурну (желтый эллипс).

    Итак, мы полетим к Сатурну на корабле, который будет собран на околоземной орбите. Как это сделать? С точки зрения экономии топлива и, соответственно, стартовой массы наиболее  привлекателен полет по траектории, которая показана на рисунке. Его можно совершить, ускорившись на ~11 км/cек, чтобы подойти к Сатурну с гелиоцентрической скоростью, которая меньше его орбитальной скорости 9.7 км/сек. Из-за удаленности  Япета и Титана от своей планеты, 3.5 и 1.2 млн. км соответственно, кораблю не придется выходить на низкую околосатурнианскую орбиту, для чего пришлось бы тормозить и потом разгоняться на ~10 км/сек. Если он подойдет на расстояние около 3.5 млн. км с малой относительной скоростью, то выйдет на высокоэллиптическую орбиту вокруг Сатурна и сможет легко отправиться с нее в обратный путь к Земле. Поскольку орбитальные скорости Япета и Титана равны 3.3 км/сек и 5.5 км/сек соответственно, перелеты на них можно осуществить с помощью небольшой, вспомогательной ракеты. Гравитация Япета весьма незначительна, а у Титана она немного меньше Лунной, поэтому высадки на эти спутники не вызовут затруднений.

   Все это выглядит прекрасно за одним неприятным исключением. С помощью 3-го закона Кеплера легко получить, что полет по такой (желтой) траектории продлится 15 лет в один конец. Поэтому необходим другой маршрут. 

МАРШРУТ

   В научно-популярном ТВ сериале «BBC: Космическая одиссея. Путешествие по планетам» предлагается весьма наивная идея использовать гравитационный разгон от Солнца до скорости, которая позволит за разумное время посетить Плутон. По замыслу авторов корабль отправляется к Солнцу и огибает его значительно ближе орбиты Меркурия, прикрываясь от радиации специальным щитом, в результате чего развивает огромную скорость и отправляется к Юпитеру. Но закон сохранения энергии не позволяет использовать Солнце для ускорения в гелиоцентрической системе отсчета. Как только корабль удалится от светила на то же расстояние, с которого начал движение к нему, скорость примет свое исходное значение. Ускориться за счет солнечной гравитации невозможно, т.к. она заберет обратно все, что даст. Эффект гравитационной пращи работает с планетами потому, что они движутся относительно Солнца. Но этот эффект слишком слаб, чтобы сократить путь к Сатурну до 1 — 1,5 года. Кроме того, его нельзя будет использовать на обратном пути. Какие еще идеи есть в нашем распоряжении?

Полет к Сатурну по гиперболическим траекториям в оба конца (вместо ветвей гипербол изображены их ассимптоты). 

    Чтобы значительно сократить время полета, корабль должен двигаться по гиперболической орбите. Это означает, что траекторию можно приблизительно считать прямой линией — ассимптотой гиперболы (в фокусе которой Солнце). Для оценки времени полета воспользуемся следующей расчетной схемой. Пусть R_0\approx 1.5\cdot 10^8 км и R\approx 1.43\cdot 10^9 км — радиусы орбит Земли и Сатурна. В качестве последнего взята большая полуось эллиптической орбиты. Разделим отрезок [R_0, R] на N=100 равных частей точками R_i , где i=0,1,\ldots, N и R_N=R. Предполагаем, что корабль получает импульс скорости на сравнительно коротком участке разгона, и в дальнейшем движется только под действием Солнечной гравитации. Именно это происходит в фильме/книге «2001: Космическая Одиссея», т.к. на «Дискавери» царит невесомость, за исключением центробежной гравитации в кабине. Пусть v_i — скорость корабля в положении, когда он удален от Солнца на расстояние R_i . В силу закона сохранения энергии:

v_{i+1}=\sqrt{2GM_s\left(\frac{1}{R_{i+1}}-\frac{1}{R_i}\right)+v_i^2}        (2)

где M_s=2\cdot 10^{30} кг — масса Солнца и G — гравитационная постоянная. Величины v_i исчисляются в гелиоцентрической системе отсчета, так что v_0 есть сумма орбитальной скорости Земли (30 км/сек) и скорости корабля относительно нее, достигнутой в процессе ухода с околоземной орбиты на гиперболическую (с Солнцем в фокусе).

   Время полета T от Земли до Сатурна по гиперболической траектории можно оценить следующим образом:

 \sum_{i=0}^{n-1}\frac{R_{i+1}-R_i}{v_i}\leq T\leq   \sum_{i=0}^{n-1}\frac{R_{i+1}-R_i}{v_{i+1}}         (3)

Важно заметить, что пока мы никак не учитывали влияние гравитации Земли и Сатурна, но это будет учтено поправками к стартовой скорости.   

   В романе Кларка корабль «Дискавери» промчался по касательной к Юпитеру на скорости около 40 км/сек, ускорившись за счет эффекта гравитационной пращи всего на ~3 км/сек. Время в пути до Сатурна составило 10 месяцев. Используя эти данные, с помощью формул (2), (3) и EXCEL-а легко получить, что «Дискавери» вышел на гиперболическую орбиту с гелиоцентрической скоростью 55 км/сек и должен был лететь 11 месяцев. Остается лишь снять шляпу перед тем, насколько глубоко был продуман роман о Космическом Одиссее! 

  Однако, скорость прибытия к Сатурну cоставит 40 км/сек без учета его гравитации. Поскольку корабль пересечет орбиту планеты почти перпендикулярно, эту скорость придется гасить за счет торможения. Чтобы упростить эту задачу, лишь немного увеличив время полета, примем значение начальной гелиоцентрической скорости 50 км/сек. Тогда полет продлится около 14.5 месяцев и корабль прибудет к Сатурну на скорости ~30 км/сек без учета его гравитации. Относительная погрешность левой и правой частей неравенства (3) составляет 0.1%, поэтому полученный результат достаточно точен. 

   Однако для того, чтобы выйти на гиперболическую орбиту, имея гелиоцентрическую скорость V_0=30 + 20 = 50 км/сек, корабль должен будет уйти с околоземной орбиты, ускорившись на 23 км/сек. В этом случае его геоцентрическая скорость составит 8 + 23 = 31 км/сек, из которых чуть больше 11 км/сек «съест» гравитация Земли в процессе удаления от нее, так что в итоге получим искомые 20 км/сек относительной скорости.

   Возвращение на Землю произойдет аналогичным маршрутом и за то же время (это возможно в силу обратимости во времени движения консервативной, механической системы). Общая продолжительность экспедиции, включая около 2-х недель пребывания возле Сатурна, составит 2.5 года. Этот временной период позволяет вернуться к Земле оптимальным образом. Сделав за это время 2.5 оборота она будет «ждать» корабль именно там, где нужно (см. рисунок выше). В этом случае его относительная скорость составит 20 км/сек, как и в начале путешествия. 

ДОЗАПРАВКА

   При таком профиле полета сложнее всего будет ускориться на немногим больше 30 км/сек, находясь на высокоэллиптической орбите Сатурна. Если пытаться сделать это с помощью ЖРД, развивающих удельный импульс u=4 км/сек, то из формулы (1) получим, что запас топлива будет весить в 1 800 раз больше пустого корабля. Для рагона на околоземной орбите получим отношение ~300. При массе пустого корабля в 200 тонн это дало бы 60 000 тонн стартовой массы, что в 20 раз тяжелей «Сатурна-5″ на пусковом столе! Однако, с пустыми баками к Сатурну лететь нельзя, если мы собираемся возвращаться обратно.

   Чтобы прочувствовать сложность этой задачи заметим, что «Дискавери» в романе Кларка совершал рейс только в один конец. Возвращение на Землю предполагалось на другом корабле, который будет построен и через 7 лет прилетит к Сатурну, пока космонавты коротают годы в гипернации. Это — глубокий сон в охлажденном состоянии (в фильме о марсианской программе СССР https://www.youtube.com/watch?v=zRUWNYlSAuc&feature=youtu.be есть рассказ об исследованиях данной проблемы, которая называется гипобиозом). Возможно, что они так и не проснулись бы, не дождавшись корабля с Земли и оставшись возле Япета навечно. Но мы хотим вернуться и как можно быстрее!  

 Центробежная гравитация в кабине «Дискавери» (фрагмент из «2001: Космическая Одиссея»).     

    Таким образом, следует решительно отбросить всякие попытки слетать туда-обратно, используя традиционную ракету с ЖРД. Важно заметить, что противоречие между желаниеми сократить время полета и снизить расход топлива непредолимо. Если мы не хотим лететь к Сатурну по эллиптической кривой 10 — 15 лет и столько же возвращаться с сомнительными шансами не умереть за время путешествия (фактор радиации никто не отменял!), то нам придется решать проблему разгона/торможения до скоростей, которые практически недостижимы с помощью ЖРД. 

   Главным препятствием служит формула Циолковского (1), в которой записано проклятие космических ракет. Львиная доля полезной энергии, выделяющейся при сгорании топлива, расходуется на разгон самого топлива, а не полезной нагрузки! Многоступенчатые ракеты проблему не решают, т.к. массы сбрасываемых ступеней малы по сравнению с массой топлива. При старте с Земли многоступенчатая компоновка лучше преодолевает гравитацию, и в целом она оптимизирует ракету, но отнюдь не снимает «проклятие Циолковского». 

   Если бы мы могли не возить топливо с собой, а получать его каким-то образом извне, то это принципиально изменило бы ситуацию. В таком случае зависимость массы топлива от требуемой скорости была бы не экспоненциальной, а линейной. Но как передать его снаружи на борт? Для этого топливо нужно разогнать до скорости ракеты, чтобы она могла перекачать его в свои баки. Ниже мы рассмотрим вариант того, как это можно было бы сделать, а пока оценим выгоды линейной зависимости.

    Предположим, что корабль с массой m последовательно получает извне n относительно малых порций топлива по 0.1m, загружая очередную порцию только после того, как израсходована предыдущая. Тогда при удельном импульсе двигателя u км/сек результирующее приращение скорости \Delta v оценим следующим образом:

n\frac{u}{11}\leq \Delta v\leq n\frac{u}{10}    км/сек            (4)

Из этой формулы для ЖРД с u=4 км/сек получим, что разгон на 23 км/сек потребует не больше 6.4m тонн топлива, разделенного на n=64 порций. При массе корабля 200 т это дает 1 280 т горючего, что почти в 50 раз меньше, чем получается по формуле (1). Оценка топлива, которое будет затрачено для ускорения на 30 км/сек при уходе на траекторию возвращения, даст еще более внушительную разницу: 1 650 против ~360 000 тонн! Все это топливо будет разделено на n=83 порции. 

   Для транспортировки топлива, в т.ч. до Сатурна, оно должно быть в гранулированном виде. Такого рода технологии были отработаны в советских, межконтинентальных баллистических ракетах, которые все еще находятся в арсенале РФ. Хотя не факт, что после разгрома российской науки за годы «перестройки» и особенно «вставания с колен» остались специалисты, способные работать в этом направлении. Кроме того не ясно, сможет ли гранулированное топливо обеспечить удельный импульс 4 км/сек. Впрочем, эти вопросы не являются принципиальными.

 ЖРД И ЯРД

    Но как разгонять топливо до скоростей, при которых ускоряющийся корабль будет стыковаться с очередной порцией, имея нулевую скорость относительно нее? Ясно, что ЖРД для этого не годятся, т.к. мы просто вернулись бы в исходную точку. Из реально  осуществимых сегодня движков с серьезной тягой можно рассчитывать только на ядерные. Проблемы и возможности таких моторов доступно и грамотно описаны в статье http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/06/panevin.html. Она не утратила актуальности за истекшие с ее написания 38 лет, т.к. «золотая эра» ядерных двигателей продолжалась с 50-х до 70-х прошлого века. С тех пор наблюдается застой и потеря государственного интереса, что также можно отнести к пилотируемой космонавтике.  

   На сегодня для непосредственной, инженерной разработки доступны только твердофазные ЯРД, которые были глубоко изучены и протестированы в опытных образцах. Из таких двигателей можно «выжать» удельный импульс u=8.5 км/сек. Тогда, согласно формуле (1), чтобы разогнать танкер с топливом на 30 км/сек потребуется запас рабочего тела (водорода), который в 33 раза превышает его массу. Это много, но технически осуществимо. Что касается разгона от Земли на 23 км/сек, то аналогичное отношение = 14. Поскольку корабль будет стыковаться с порциями топлива на различных (возрастающих) скоростях, целесообразно выводить их в космос отдельными ракетами, которые оснащены твердофазными ЯРД  с рабочим телом H_2

   А что мешает поставить ЯРД на корабль? Во-первых, это резко утяжелит его биологической защитой. Во-вторых, эта защита не будет 100% из-за рассеянной от краев экрана,  а также наведенной радиации. Последняя даст о себе знать, как только космонавт покинет кабину, даже если окружить ее биозащитой со всех сторон. Это добавит проблем со здоровьем экипажа, который и так будет вынужден 2.5 года сопротивляться действию космического и солнечного излучения. В-третьих, в отличие от ЖРД ядерные движки не любят частые выключения/включения (http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/06/panevin.html), которые должны происходить при каждой стыковке с танкером. Поэтому моторами основного корабля пусть пока будут ЖРД.

  ВОЗВРАЩЕНИЕ ОРИОНА

    Итак, для ухода с околоземной орбиты потребуется 64 беспилотных ракет-танкеров, каждая из которых несет полезную нагрузку в 20 т гранулированного, композитного топлива для ЖРД. Масса каждой такой ракеты в стартовом состоянии, предположительно, может быть удержана в пределах 600 т, из которых до 560 т приходится на рабочее тело ЯРД (водород). Это сравнимо со стартовым весом ракеты «Протон» (450 т), несущей полезную нагрузку немногим больше 20 т.

    С временным интервалом в 1 — 2 минуты танкеры будут выходить на различные орбиты, каждой из которых отвечает некоторая скорость в диапазоне от 11 до 31 км/сек относительно Земли. Через несколько часов после последней ракеты стартует корабль с экипажем. Он последовательно нагоняет танкеры, дозаправляется от них и ускоряется после каждой заправки настолько, чтобы догнать следующий танкер. После 64-й дозаправки, т.е. ориентировочно через неделю после старта, корабль выходит на расчетную траекторию к Сатурну, имея начальную скорость V_0=50 км/сек относительно Солнца. В принципе танкеры можно вернуть на Землю для вторичного использования, но это усложнит их конструкцию и увеличит расход рабочего тела. 

    Корабль приблизится к Сатурну на скорости V\approx 65.5 км/сек относительно Солнца,  из которых ~35.5 км/сек придаст гравитация планеты. Войдя по касательной в атмосферу он выполнит аэродинамическое торможение, для чего кораблю следует придать форму усеченного конуса подобно «Аполлону» или «Джемини» (вход основанием конуса вперед). Такое торможение можно произвести в относительно комфортном для экипажа и безопасном для конструкции режиме, учитывая огромные  размеры, глубину и неограниченную плотность сатурнианской атмосферы. Необходимо будет погасить чуть больше 30 км/сек скорости, чтобы выйти на высокоэллиптическую орбиту около Сатурна, имея относительную скорость в ближайшей точке немногим меньше 35.5 км/сек. 

     Для выхода на траекторию возвращения потребуется 83 аналогичных ракеты-танкера, несущих по 20 т топлива для корабля. Масса каждой такой ракеты в стартовом состоянии, предположительно, может быть удержана в пределах 1 700 т, из которых до 1 650 т приходится на рабочее тело ЯРД. Это близко к половине стартовой массы «Сатурна-5″. Они выйдут на различные орбиты, каждой из которых отвечает некоторая скорость в диапазоне от 0 до 30 км/сек относительно Сатурна. Затем стартует корабль с экипажем, повторяя последовательность действий при разгоне от Земли. После 83-й дозаправки он выйдет на расчетную орбиту возвращения.   

 Анимация проекта «Орион» корабля с импульсным ядерным двигателем, который разрабатывался в 60-х. 

     Но как доставить к Сатурну 83 ракеты-танкера с массой 50 т каждая, включая 20 т топлива для корабля, а также от 70 000 до 80 000 тонн водорода для ЯРД ? Ответ может быть таким: танкеры полетят все вместе, но без водорода и «обычным рейсом» с начальной гелиоцентрической скоростью ~41 км/сек. Транспортным средством послужит грузовая платформа без экипажа, на которой зафиксированы танкеры, приводимая в движение внешними ядерными взрывами малой мощности по принципу «Ориона» (см. анимацию). Через 15 лет платформа приблизится к Сатурну и выйдет на высокоэллиптическую орбиту.  Все это время нам придется ждать, но так мы сможем ограничить число ядерных взрывов одной тысячей, а это является принципиальным обстоятельством. Очень сомнительно, что толчковая плита и блок амортизации выдержат несколько тысяч плазменно-лучевых ударов экивалентных 100 тонн ТНТ.  

      Но что делать с 70 — 80 тысячами тонн водорода для запуска танкеров с орбиты около Сатурна? О доставке с Земли такой огромной массы даже не стоит думать. Но атмосфера газового гиганта содержит 96% водорода и 3% гелия. Эта смесь является почти идеальным рабочим телом для ЯРД. Если бы можно было закачивать в баки ядерных ракет газ из атмосферы Сатурна, то проблема их заправки для возвращения на Землю была бы решена. Не вредно пофантазировать о коммерческой добыче водорода на Сатурне и отправке его на Землю. Вот о чем нужно было думать Маску вместо Марса, который не сулит пока никакой прибыли ))

ДОБЫВАНИЕ ВОДОРОДА

    Заставить Сатурн поделиться водородом крайне сложно. Наивный вариант — спустить с орбитальной станции шланг и закачивать через него газ из атмосферы — сразу отметается. Как его качать, если верхний конец шланга и так находится в вакууме? Сам по себе газ наверх не пойдет, а спустить станцию прямо в атмосферу невозможно.    

   Можно было бы разработать крылатый летательный аппарат, оснащенный прямоточным ядерным двигателем. Грубо говоря, следует убрать из ПВРД (ramjet) камеру сгорания и на ее месте устроить активную зону реактора, продуваемую газом. Идея ядерного ПВРД весьма соблазнительна для плаваний в водородном океане Сатурна. Почти земной уровень гравитации, высокая плотность атмосферы и ядерное топливо позволяют рассчитывать на многодневные полеты аппарата, который использует подъемную силу крыльев и способен выходить за пределы атмосферы на низкую орбиту. Но вход в атмосферу с орбиты и обратно — это не легкая прогулка, чтобы повторять ее часто. Аэродинамический нагрев не позволит разгоняться в режиме самолета до скоростей, сколько-нибудь близких к орбитальным. Для выхода в космос придется использовать ракетные ЯРД и ускоряться на почти 25 км/сек за пределами атмосферы, не имея возможности получать рабочее тело прямо из окружающей среды.  Этому будет предшествовать стадия подъема в атмосфере на относительно низкой скорости, преодолевая гравитацию Сатурна. Последнее означает, что тяга ЯРД должна быть больше веса аппарата.   

   Но проблема добывания водорода из атмосферы Сатурна, даже при наличии такого летательного аппарата, останется принципиально сложным делом. Кажется разумной идея накачивать газом элластичные баллоны типа воздушных шаров, после чего гроздьями буксировать их на космическую орбиту. Стоит заметить, что при температуре 100 К и давлении в 1 атм 1 650 тонн водорода, необходимых для разгона танкера на 30 км/сек, заняли бы объем шара с диаметром 240 м. Ракета вполне могла бы толкать перед собой такой баллон, который не испытывает никакого сопротивления движению, стравливая газ в ядерный двигатель. 

   Из-за ничтожной теплопроводности вакуума и относительно слабого излучения с поверхности баллона при температуре 100 К — его мощность порядка 1 МВт мала по сравнению с внутренней энергией газа ~1 ТДж — заметного остывания газа в баллоне за время работы ЯРД не произойдет и он будет подаваться в двигатели под стабильным давлением 1 атм. Одновременно мы видим, что для накачки баллона придется совершить работу в несколько ТДж. Если компрессор будет иметь мощность порядка 10 МВт (что соответствует компрессорам TРД), то для накачки такого баллона потребуются несколько суток. Компрессоров может быть несколько и необходимо обеспечить такими баллонами в пределах 90 ракет-танкеров (включая запасные), потребности которых уменьшаются в обратном порядке к очередности запуска. Такая работа могла бы быть завершена за 1 — 2 месяца.

Вид Земли от Сатурна, снимок зонда Кассини.   

   Однако, возникает проблема удержания баллонов до завершения накачки и их транспортировки на орбиту в условиях нестабильной атмосферы Сатурна, где часто возникают гигантские ураганы со скоростью ветра в сотни км/час. Данная трудность выглядит непреодолимой. Можно попытаться сжижать газ по мере откачки, что значительно уменьшит объем резервуаров для его хранения. Например, рассмотренное выше количество уместилось бы в шаре диаметром 35 м. Но все же он не настолько мал, чтобы противостоять сатурнианским ураганам.     

  ЗДОРОВЬЕ СБЕРЕГАЮЩАЯ СХЕМА  

   Таким образом, добыча рабочего тела для ЯРД из атмосферы Сатурна кажется захватывающим проектом, который мог быть лечь в основу экономической эксплуатации, а значит и колонизации окрестностей этой планеты. Но его техническая реализация выглядит чрезвычайно сложной. Для первой экспедиции на Сатурн было бы лучше обойтись без этого.  Что мы и сделаем, еще раз обратившись к «Ориону». Пусть та же грузовая платформа, которая доставит танкеры к Сатурну, разгонит их и выведет на нужные орбиты подобно тому, как платформа разведения МБР выводит  боеголовки на идивидуальные траектории. 

   Такая схема позволяет отказаться от ракет-танкеров для разгона от Сатурна, заменив на топливные баки с узлами для стыковки. Это резко снижает их массу, которую принимаем равной 22 т, включая дополнительную тонну топлива для маневрирования и 1 т веса конструкции. Расход ядерных зарядов оценим, принимая их массу 100 кг и КПД импульсного движителя ~10%, а также предполагая массу грузовой платформы ~1 000 т, из которых основная часть приходится на плиту для приема толчков и узел амортизации. Будем считать, что ядерные взрывы имеют выход в 1 000 тонн ТНТ. 

   Рассмотрим план такой экспедиции, опуская этапы вывода корабля, грузов и ракет-танкеров на низкую, околоземную орбиту, а также сборку на ней грузовой платформы. 

1.  За 15 лет до старта корабля с экипажем, с околоземной орбиты к Сатурну уходит грузовая платформа, несущая 90 баков весом 22 т с топливом для ЖРД (7 запасных), ракету для перелетов в системе Сатурна и 3 400 ядерных зарядов в качестве груза, а также заряды для собственного разгона. Брутто-масса платформы ~3 400 т. Она стартует, имея геоцентрическую скорость 8 км/сек, и ускоряется на \Delta v\approx 3 км/сек.

2.  По прибытии к Сатурну грузовая платформа совершает незначительное торможение с помощью ядерных зарядов и выходит на высокоэллиптическую орбиту вокруг планеты с максимальным удалением ~3.5 млн. км, пересекающую орбиту Япета. Управление платформой осуществляется с Земли. Подготовка к старту корабля с экипажем начинается сразу после ее выхода на орбиту около Сатурна. 

3.  Непосредственно перед стартом корабля с экипажем на участок его разгона отправляются 70 автоматических ракет-танкеров с интервалом в 1 — 2 минуты, несущих по 21 т топлива для ЖРД (6 танкеров являются запасными).

4. Через несколько часов после последней ракеты корабль с экипажем старует с околоземной орбиты и ускоряется на \Delta V\approx 23 км/сек, последовательно догоняя 64 танкера и дозаправляясь от них. 

5. После последней заправки корабль выходит на гиперболическую траекторию полета к Сатурну, который продлится 14.5 месяцев.

6. По прибытии к Сатурну корабль входит в его атмосферу по касательной и гасит около 30 км/сек скорости за счет аэродинамического торможения.

7. По завершении торможения корабль покидает атмосферу и выходит на высокоэллиптическую орбиту вокруг Сатурна, на которой вращается грузовая платформа. 

8.  В течении 2 — 4 недель корабль остается на орбите Сатурна, с помощью вспомогательной ракеты экипаж совершает высадки на спутники Япет и Титан, готовится к обратному полету. 

9.  Непосредственно перед стартом корабля к Земле отправляется грузовая платформа, несущая 90 баков с топливом для ЖРД (7 запасных) в качестве груза и 3 400 ядерных зарядов для собственного разгона. Брутто-масса платформы ~3 300 т. Она стартует, имея орбитальную скорость ~35.5 км/сек, и ускоряется на \Delta v\approx 30 км/сек. 

10. В процессе своего разгона грузовая платформа последовательно выводит на индивидуальные орбиты 90 баков с топливом. Завершив свои операции, платформа отходит далеко в сторону от траектории разгона. Управление ею осуществляется с корабля на орбите около Сатурна.

11. Через несколько часов после запуска платформы корабль с экипажем старует с высокоэллиптической орбиты и ускоряется на \Delta V\approx 30 км/сек, последовательно догоняя 83 танкера и дозаправляясь от них. 

12. После последней заправки корабль выходит на гиперболическую траекторию возращения к Земле.

13. Через 14.5 месяцев полета корабль приближается к Земле, имея относительную скорость ~31 км/сек. Он входит в атмосферу по касательной, совершает аэродинамическое торможение до ~8 км/сек и снова покидает атмосферу, выходя на околоземную орбиту. 

СОМНЕНИЯ

     Несмотря на значительное число использованных, ядерных зарядов общий расход оружейного плутония не превысит 22 тонн из расчета массы делящегося материала 6 кг (как в бомбе «Толстяк», сброшенной на Нагасаки). Это не так уж много на фоне его запасов в России и США, в сумме превышающих 200 т без учета ядерных боеприпасов. Такое использование делящихся материалов является расточительным, т.к. при взрыве в 1 kт лишь около 1% плутония успеет выделить энергию, а 99% будет потеряно впустую. Повышать мощность ядерных зарядов дальше нельзя, т.к. проблема амортизации толчков и защиты плиты от испарения и без того крайне сложна. Но существует проблема утилизации излишков оружейного плутония, накопленного за годы холодной войны, и потратить малую долю ради космических полетов — это хорошее решение, даже если материал расходуется не так рационально, как в боеприпасе.    

   Данная схема полета максимально использует преимущества ядерного, импульсного двигателя прямого действия, ограждая экипаж от радиации. Если баки с топливом и вспомогательную ракету выполнить из пластиков, наведенная на них радиация будет незначительной. Металлический двигатель и другие узлы вспомогательной ракеты можно доставить на корабле с экипажем.  Часть жизнеобеспечения (продукты,  воду и кислород), по-видимому, также можно будет доставить на грузовой платформе без радиационного заражения. Хотя сама платформа станет мощным источником наведенной радиации, все операции с ней могут осуществляться дистанционно на удалении в десятки, а лучше сотни км (в условиях вакуума излучение не рассеивается, а только теряет интенсивность пропорционально квадрату расстояния).

   Однако, из-за больших и крайне неэффективных затрат плутония такая схема полета является одноразовой, что резко снизит его ценность и послужит демотивирующим фактором для принятия политического решения. 

   Сомнительно, что можно добиться устойчивой работы толчковой плиты и блока амортизации в режиме нескольких тысяч ядерных ударов. Основная часть из них приходится на этап разгона около Сатурна, а от надежности механизма ускорения платформы будет зависеть судьба экипажа. Если при одном из взрывов произойдет избыточный выброс энергии или нарушится симметрия нагрузки на плиту, то это может привести к ее разрушению, повреждению блока амортизации или вращению платформы. Последнюю можно в дальнейшем стабилизировать с помощью ЖРД ориентации, но сама возможность такого рода проблем на расстоянии 1,5 млрд. км от дома резко повышает степень риска. Другое дело — этап разгона грузовой платформы от Земли, когда космонавты еще в безопасности и многие ошибки могут быть исправлены, в т.ч. отправкой ремонтной бригады, так что разгон платформы будет доведен до конца с большей вероятностью.  

 Сцена с искусственной гравитацией из «Интерстеллар». Корабль летит к Сатурну )) Влияние романа Кларка очевидно.    

ОРИОН И ЯРД

    Итак, идею с посылкой грузовой платформы к Сатурну следует отбросить, как слишком экстремальную. Не остается иного выхода, кроме как поставить на корабль с экипажем твердофазный ЯРД. При «сухой» массе в 200 т ему потребуется 6 600 т водорода в качестве рабочего тела, чтобы уйти от Сатурна на траекторию возвращения к Земле. Этот запас станет наилучшей защитой от быстрых нейтронов для экипажа, кабина которого будет отделена от ЯРД емкостями с водородом. Их следует отправить к Сатурну заранее по эллиптической траектории с наименьшим временем полета, которое можно обеспечить с помощью ядерной платформы, разгоняемой по принципу «Ориона». Чтобы обезопасить экипаж от радиации на этапе разгона от Земли, его следует выполнить на ЖРД по схеме с дозаправками, которая обсуждалась выше.

   При использовании 15-летней траектории с начальной геоцентрической скоростью ~11 км/сек значительное торможение по прибытии к Сатурну не потребуется, а количество ядерных зарядов, по-видимому, можно будет удержать в пределах 600. На это уйдет меньше 4 т плутония, что выглядит приемлемо и оставляет возможность повторять такие экспедиции. Заметим, что для организации второго полета в систему Сатурна отнюдь не обязательно ждать окончания первого. Если самый сложный этап — вывод емкостей с водородом на расчетную траекторию пройдет успешно, то можно будет через несколько лет или месяцев отправить рабочее тело для следующей экспедиции. 

   Это имело бы смысл в ситуации, которая снова выводит нас в область научной фантастики. А именно, первая экспедиция могла бы оставить на орбите Сатурна станцию с экипажем из двух человек, которую довезет грузовая платформа. За 15 лет путешествия уровень радиации, наведенной на конструкцию станции ядерными взрывами, значительно понизится, хотя полностью не исчезнет. Однако, если станция будет экранирована от «точки X» емкостями с транспортируемым водородом, то наведенная радиация с самого начала будет незначительной, а за 15 лет сойдет на нет. В этом неожиданная польза от полета по т.н. гомановской орбите (желтая на рисунке выше). Экипаж орбитальной станции будет эвакуирован с нее следующей экспедицией к Сатурну через, скажем, пол-года. Разумеется, на ней будет организована центробежная гравитация, для чего необязательно использовать дизайн большого бублика (см. видео выше).

   Проблема утечки жидкого водорода в течение 15 лет, по-видимому, нерешаема даже в условиях космического холода, т.к. баки будут нагреваться Солнцем. Но можно управлять этой утечкой так, чтобы газ скапливался в эластичных баллонах, которые будут постепенно раздуваться. Для дополнительного надува компрессорами можно использовать компактный, ядерный реактор и турбогенератор в общем замкнутом цикле. Все 6 600 тонн водорода, испарившись, при температуре 100 K и давлении в 1 атм заняли бы объем шара с диаметром 380 м. Баллоны с газообразным водородом можно буксировать за грузовой платформой, т.к. фаза разгона ядерными взрывами продлится лишь несколько часов. Разумеется, что никакого сопротивления движению под действием гравитации огромные баллоны не окажут. Не очень ясно, как именно корабль будет с ними сопрягаться. По-видимому, несколько удлиненных баллонов можно было бы буксировать на вынесенных поперечно фермах, длина которых достаточна для того, чтобы балоны не подвергались действию газовой струи из ЯРД.

   Важным отличием данной схемы является то, что из-за сравнительно малого приращения скорости грузовой платформы можно ограничиться ядерными зарядами с выходом в 200 тонн ТНТ. Это значение соответствует тому, что было предусмотрено в исходном проекте «Орион». Поэтому толчковая плита и блок амортизации будут работать в существенно менее напряженном режиме.

ПЛАН ЭКСПЕДИЦИИ

 1.  За 15 или несколько меньше лет до старта корабля с экипажем, с околоземной орбиты к Сатурну уходит грузовая платформа, несущая 6 600 тонн водорода, ракету для перелетов в системе Сатурна и другие грузы, а также ~600 ядерных зарядов для собственного разгона. Брутто-масса платформы ~8 000 т. Она стартует, имея геоцентрическую скорость 8 км/сек, и ускоряется на \Delta v\approx 3 км/сек или немного больше.

2.  По прибытии к Сатурну грузовая платформа совершает незначительное торможение с помощью ядерных зарядов и выходит на высокоэллиптическую орбиту вокруг планеты с максимальным удалением ~3.5 млн. км, пересекающую орбиту Япета. Подготовка к старту корабля с экипажем начинается сразу после ее выхода на орбиту около Сатурна. 

3.  Непосредственно перед стартом корабля с экипажем на участок его разгона отправляются 70 автоматических ракет-танкеров с интервалом в 1 — 2 минуты, несущих по 21 т топлива для ЖРД (6 танкеров являются запасными).

4. Через несколько часов после последней ракеты корабль с экипажем старует с околоземной орбиты и ускоряется на \Delta V\approx 23 км/сек, последовательно догоняя 64 танкера и дозаправляясь от них. Маршевым двигателем служит ЖРД.

5. После последней заправки корабль выходит на гиперболическую траекторию полета к Сатурну, который продлится 14.5 месяцев.

6. По прибытии к Сатурну корабль входит в его атмосферу по касательной и гасит около 30 км/сек скорости за счет аэродинамического торможения.

7. По завершении торможения корабль покидает атмосферу и выходит на высокоэллиптическую орбиту вокруг Сатурна, на которой его ждут баллоны с водородом. 

8. Корабль остается на орбите в течении 2 — 4 недель, стыкуется с баллонами и готовится к обратному полету, меняет маршевый ЖРД на ЯРД. Экипаж с помощью вспомогательной ракеты совершает высадки на спутники Япет и Титан. 

9.  Корабль с экипажем стартует с высокоэллиптической орбиты и ускоряется на \Delta V\approx 30 км/сек, расходуя 6 600 т рабочего тела из баллонов и сбрасывая их по мере опустения. По завершении разгона выходит на гиперболическую траекторию возращения.

10. Через 14.5 месяцев полета корабль приближается к Земле, имея относительную скорость ~31 км/сек. Он входит в атмосферу по касательной, совершает аэродинамическое торможение до ~8 км/сек и снова покидает атмосферу, выходя на околоземную орбиту. Путешествие окончено!

    Предполагаемая масса корабля в 200 т (без топлива) значительно превышает массу станции «Скайлэб» (75 т), которая обеспечивала комфортное пребывание 3-х космонавтов. По-видимому, в таком корабле можно создать условия для выживания 2-х членов экипажа в течение 2.5 лет полета, максимально используя регенерацию ресурсов. Возможно также обеспечить искусственную гравитацию во время сна и отдыха за счет вращения пары индивидуальных кабин, выдвигающихся за пределы корабля. Разумеется, существуют другие технические решения.

 

ГАЗОФАЗНЫЙ ЯРД

   Рассмотренный выше план путешествия до Сатурна основан на том, что в настоящее время можно очень быстро спроектировать и построить твердофазный ЯРД с удельным импульсом u=8.5 км/сек. Можно даже попытаться дотянуть его до 9 км/сек, что обеспечивал советский образец РД-0401. Но дальше повышать удельный импульс твердофазных двигателей невозможно, поскольку при температурах существенно выше 2 000 градусов ТВЭЛы плавятся. Чтобы повысить температуру рабочего тела хотя бы до 5 — 6 000 К, что дало бы удельный импульс в 12 — 15 км/сек, уран должен быть в газообразном состоянии (слабоионизированной плазмы). Температуру активной зоны в этом случае можно в принципе повышать неограниченно, достигая значений удельного импульса в десятки и даже сотни км/сек. 

    Но фундаментальная проблема т.н. газофазных ЯРД заключается в том, что трудно исключить перемешивание урана с рабочим телом с последующим выносом через сопло наружу. Если мы позволим ядерному топливу вылетать в космос подобно тому, как это происходит в ЖРД после сгорания, то ЯРД придется питать не только рабочим телом, но и ураном в больших количествах, что сведет на нет его фантастическую энергоэффективность. До сих пор внятного технического решения данной проблемы нет, хотя идей витает множество.

   По-видимому, наиболее близка к реальности красивая идея двигателя с «реактором-лампой»,  который схематически изображен на рисунке и описан в разделе Газофазные ЯРД http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/06/panevin.html. Считается, что такой дизайн способен дать искомые 12 — 15 км/сек удельного импульса, хотя сомнительно, что кварцевое стекло сможет устойчиво работать в контакте с газом при температуре в 5 — 6 тысяч К даже при охлаждении водородом с другой стороны. На мой взгляд, кварц быстро потеряет прозрачность в поверхностном слое со стороны активной зоны, поэтому такой ЯРД работать не будет. Кроме того неясно, как уберечь от экстремального нагрева систему впрыска ядерного топлива. Или оно будет подаваться непрерывно? Тогда куда оно вытекает после отработки? Такого рода вопросов будет много, если пытаться воплотить красивую картинку в эскиз реальной установки.

    До сих пор не было построено ни одного работающего образца газофазного ЯРД, хотя считается, что такие движки возможны. Нужно лишь придумать, как эффективно разделить газообразный уран с водородом, не строя между ними стенок (которые тут же расплавились бы при температурах, ради которых такой ЯРД задуман). Допустим, что у нас есть двигатель, способный выдать u=15 км/сек. 

   Тогда экспедиция на Сатурн становится принципиально менее сложным делом. По формуле (1) получим, что для разгона на 30 км/сек корабля с массой 200 т потребуются 1 280 т водорода. Это уже в 5 раз меньше! Для ускорения массы в 1 500 тонн на 23 км/cек, включая все маневры, хватит 5 500 т рабочего тела. Итого получим стартовую брутто-массу корабля на околоземной орбите всего 7 000 т. Не нужно никаких грузовых платформ, отправляемых к Сатурну за 15 лет до старта, жутковатых схем разгона ядерными взрывами и ухищрений с дозаправками на участке разгона. Последние по-прежнему желательны, но если наш корабль стартует от Земли на газофазном ЯРД, то разгонять танкеры нечем, т.к. на них необходимо ставить более «быстрые» движки (иначе вся эта затея потеряет смысл). 

   Итак, при наличии газофазного ЯРД экспедиция к Сатурну с возвращением могла бы состояться за те же 2.5 года и по такому же маршруту, но уже в традиционном варианте на корабле со стартовой массой немногим больше 2-х «Сатурнов-5″. Однако, создание такого ЯРД является крайне сложной задачей, реалистичное решение которой пока не просматривается. Кроме того, установка ЯРД на корабль с экипажем нежелательна ввиду того, что фактор радиации и так является критическим во время длительного полета в глубоком космосе. Хотя запас водорода, как рабочего тела для ЯРД, позволит значительно уменьшить  действие нейтронов, по мере исчерпания запасов водорода эффективность такой защиты будет неуклонно падать. Полное устранение биологического вреда от реактора потребует утяжеления корабля, которое сделает его разгон и торможение практически неосуществимыми.

   Но газофазный ЯРД пока остается в области фантастики. Наиболее реалистичная схема пилотируемого полета к Сатурну и обратно, на основе уже существующих технологий за разумное время 2.5 года, описана в параграфе ПЛАН ЭКСПЕДИЦИИ. Интересно, что в фильме «Интерстеллар» полет до Сатурна в одну сторону длится 2 года, при этом космонавты пребывают в гипернации. Такое состояние могло бы значительно снизить вред от радиации, однако пока не ясно, возможно ли ввести в него человека на несколько месяцев с гарантированным пробуждением без последствий. Маршрут к Сатурну следует спланировать так, чтобы пролететь как можно ближе от поверхности Марса (десятки км). Но Юпитером придется любоваться в телескоп, о свидании с радиоактивным монстром не может быть и речи. Даже в этом случае маловероятно, что космонавты вернутся из экспедиции здоровыми людьми. Но такова будет их плата за бессмертие! 

P.S. Родственникам членов будущего экипажа в ходе сеансов связи  следует иметь ввиду, что между отправкой голосового сообщения на корабль около Сатурна и получением ответа на него пройдет не меньше 2-х часов 45 минут ))

д.ф.-м.н. Дмитрий Зотьев

Copyrighted.com Registered & Protected  Y1O2-J9GC-HYN1-JK6C

2021: Космическая Одиссея: 4 комментария

  1. Эта статья написана под впечатлением недавнего выступления Илона Маска, но посвящается она не Марсу, а Сатурну ))

  2. Просто нет слов. Крутейшие у вас статьи! Давно с таким увлечением не читал блоги. Спасибо.

    • И Вам спасибо за столь лестный отзыв ))

  3. Эффектная анимация миссии зонда Кассини. Потрясающее достижение! Хотя после 30-летней (и продолжающейся) Одиссеи Вояджеров трудно удивляться успехам NASA в исследовании дальних планет. Впрочем, чему я восторгаюсь? Отправить зонд на долгое свидание с Сатурном — это не ЧМ по футболу или Олимпиаду провести. Здесь им до нас далеко. Тупыыые америкосы, что с них взять!