НАПЕЧАТАННЫЙ КОСМОПОРТ: ФАНТАСТИКА ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

Ракетный тормоз

О том, что экономический потенциал ближнего космоса исключительно высок, можно судить хотя бы по такой цифре: каждая тонна груза, выведенного на орбиту, дает мировой экономике до 20 млн долл. годового дохода. За счет чего? Преимущества космического пространства известны. Там имеются в изобилии бесплатный вакуум и сверхчистые пространства, невесомость и солнечная энергия — одним словом, все то, что необходимо для производства электронных компонентов, сверхчистых материалов, биологических продуктов и даже, собственно, спутников. К тому же, что не менее важно, космос — это своего рода естественный без налоговый офшор. То есть за размещение на орбите каких-либо орбитальных промышленных комплексов не надо платить арендную плату и т. п. Казалось бы, вот оно — Эльдорадо XXI века! Вот он — выход из глобального экономического кризиса!..

 

Однако ничего подобного почему-то не происходит. В чем же дело? Что активно сдерживает промышленное освоение космоса и развитие космического производства? Анализ причин приводит нас к неутешительному выводу: главный тормоз здесь — это ограниченные возможности современных ракетных космических систем. Выгода от космического промышленного производства наступает, когда появляется возможность увеличить грузопоток хотя бы до нескольких миллионов тонн в год. А это в тысячи раз больше, чем сейчас. И приходится признавать, что для существующих ракетно-космических систем это принципиально непосильная задача.

 

Что мы имеем сегодня? Пока что самую дешевую доставку груза на орбиту обеспечивает ракета-носитель «Протон». Цена вопроса здесь — 3950 долл/кг, т. е. почти 4 млн долл. за тонну! При этом на тонну груза, выводимого на низкую орбиту, сжигается более 27 тонн ракетного топлива.

 

Следовательно, актуальность разработки новых средств вывода грузов на орбиту сейчас высока как никогда. Теперь вопрос: а есть ли альтернатива запускам ракет-носителей? Увы, нет. Такие потенциальные решения, как воздушный старт или космический лифт, не позволяют кардинально решить проблему.

 

Воздушный старт поднимает ракету на высоту около 10–12 км, что позволяет экономить не более 20 % массы топлива первой ступени обычной ракеты-носителя. А это значит, что воздушный старт столь же расточителен, как и чисто ракетный.

 

Идея космического лифта теоретически позволяет полностью отказаться от использования ракетного топлива при выводе грузов в космос. Однако реально эта технология является неосуществимой, так как создание троса длиной более 36 тыс. км требует синтеза сверхпрочных материалов. Разработка таких материалов на современном уровне технологии пока невозможна.

 

А есть ли реальное и технически реализуемое на современном уровне развития техники решение проблемы? И вот здесь, на мой взгляд, есть резон рассмотреть возможность создания стратосферных космопортов.

Cтратосферные космопорты

История стратосферных сооружений относительно молода. В 1980 году в Университете Торонто (Канада) был разработан проект стратосферной башни высотой 20 км, собираемой из модулей в виде скрепленных между собой труб, надутых гелием или другим легким газом. Были проведены научные и экспериментальные исследования, подтвердившие техническую осуществимость этой, на первый взгляд, футуристичной идеи. Однако задачи дешевого вывода на орбиту эта конструкция не решала.

В 2013 году уже у нас, в России, была запатентована система вывода грузов на орбиту. Главное, что отличает российскую разработку от канадской, — это решение проблемы вывода грузов в космос с расходом топлива примерно в 80 раз меньше, чем при использовании ракет-носителей, стартующих с земных космодромов.

Конструкция стратосферного космопорта отличается от известных стратосферных башен тем, что на его вершине установлен центробежный ускоритель с мощным электрическим двигателем для разгона капсул стартовой массой до 1–2 тонн.

Стратосферный космопорт представляет собой башню высотой 30 км, выполненную из соединенных друг с другом аэростатических секций, наполненных газом легче воздуха и обладающих положительной плавучестью. Поэтому башня принципиально не может упасть и безопасна для эксплуатации. Требование плавучести в стратосфере влечет за собой необходимость разработки технологии производства стратосферных секций достаточно больших размеров — диаметром до 150–250 метров и не меньшей длины.

Выводимый груз поднимают на вершину космопорта в стратосферу с помощью лифтов и устанавливают в ускоритель в капсулах, содержащих систему расцепления при достижении ускорителем заданной скорости вращения. Разгон капсул центробежным ускорителем до субкосмических скоростей производится в стратосфере, где атмосфера сильно разрежена и аэродинамическое сопротивление в 60–70 раз меньше, чем на Земле. Тем не менее разгон до субкосмических скоростей потребует большой мощности. Современные технологии позволяют создавать электродвигатели с отношением крутящего момента на килограмм веса двигателя равным 30–40 Нм/кг. Электродвигатель мощностью 9 МВт, сделанный по такой технологии, будет весить примерно 6–7 тонн. С его помощью можно достигать скоростей разгона капсул порядка 1,8 км/с и забрасывать груз на высоты до 180 км. Центробежная перегрузка, создаваемая центробежным ускорителем радиусом в 50 метров, будет достигать 130–180 g. Это, конечно, непригодно для вывода пилотируемых объектов, однако приемлемо для доставки топлива и материалов.

Чтобы компенсировать центробежную силу, ускоритель должен разгонять одновременно две капсулы с грузом равной массы, а для компенсации реактивного вращающего момента он должен иметь компенсирующий маховик. В стратосферном космопорте высотная башня с лифтом выполняет роль первой ступени ракеты-носителя, а центробежный ускоритель выполняет роль второй ступени. Третья ступень остается ракетной и находится непосредственно в капсуле, запускаемой с помощью центробежного ускорителя.

Первые две ступени системы не используют ракетный принцип, а значит, они не сжигают топливо и расходуют только электрическую энергию. За счет этого экономится огромное количество топлива и возникает значительный экономический эффект. При этом система способна забросить капсулы на высоты порядка 120–200 км с нулевой конечной скоростью. Разгон капсул до космической скорости и вывод их на орбиту осуществляется собственными ракетными двигателями капсул. Так как разгон капсул до космических скоростей осуществляется в космическом вакууме, то тратится в сотни раз меньше топлива, чем при разгоне в атмосфере ракетным способом. При старте со стратосферного космопорта на тонну выводимого груза будет расходоваться всего 250–300 кг топлива. Это примерно в 80 раз меньше, чем при использовании ракет-носителей, стартующих с земных космодромов.

Оценка параметров предлагаемой системы показывает, что стоимость башни высотой 30 км, сделанной из углепластика, составит примерно 1,1 млрд долл., что примерно соответствует стоимости лучших высотных небоскребов или деловых центров мира.

Для сравнения: стоимость разработки современных ракетно-космических систем составляет 10–20 млрд долл., а их грузопоток не превышает 4,5 тыс. тонн груза за 20 лет эксплуатации.

При сроке службы стратосферного космопорта в 10 лет стоимость вывода груза составит 137 долл. за килограмм, а при сроке службы в 20 лет стоимость вывода снизится до 66–70 долл. за килограмм. Суммарный грузопоток системы за 20 лет эксплуатации может достичь 80 тыс. тонн. Т. е. предлагаемая система будет превосходить ракетные аналоги в 15–20 раз при сопоставимых затратах на разработку и при этом позволит сэкономить миллионы тонн ракетного топлива.

Оценка прибыли от реализации проекта показывает, что при затратах на проект порядка 2,7 млрд долл. при полной загрузке проект мог бы окупиться за 1–4 года и при коммерческой цене запуска в 500 долл. за тонну мог бы приносить ежегодную прибыль порядка 0,7–3,8 млрд долл.

Космическая граница на замке

Еще одна важная функция, которая вполне по плечу стратосферным космопортам, — решение задач воздушно-космической обороны. Представьте, что на вершине космопорта установлена лазерная пушка. И тогда речь уже пойдет о стратосферной крепости. Дело в том, что в стратосфере ослабление лазерного луча минимально, поэтому дальность его действия будет достаточно высокой. Кстати, химические лазеры воздушного базирования, разработанные компанией Boeing, уже обладают дальностью поражения ракет до 250 км.

Поразить стратосферный форпост высокоточными ракетами будет сложно. Лазеры способны уничтожать такие цели на дальности в сотни километров. Космопорты смогут отражать массовые атаки крылатых ракет и, по сути, станут надежными противоракетными зонтиками.

В особый период ретрансляторы, размещенные на стратосферных башнях, смогут решить проблему замещения потерянных спутников, обеспечить применение систем навигации и высокоточного оружия. Так как питание ретрансляторов будет осуществляться с земли, они могут быть значительно мощнее спутниковых.

Космопорты можно использовать для снабжения войск и скоростной доставки грузов в любую точку планеты.

Здесь, в общем-то, все просто — при достижении нужной дальности грузы — боеприпасы, продовольствие, топливо — можно опускать на парашютах.

Малые размеры и большое количество спутников — основа устойчивости космической группировки в особый период. Масса малозаметных микро- и наноспутников обеспечит их обладателям устойчивое присутствие в космосе. Космопорты позволят массово и скрытно запускать в космос небольшие спутники, обеспечивая устойчивость всей космической группировки.

Трехмерная печать на орбите

С 2013 года NASA финансирует разработку технологии объемной печати в невесомости. По замыслу разработчиков этой технологии, американской компании Tethers Unlimited, паукообразные роботы, оснащенные 3D-принтерами, смогут прямо на орбите «печатать» сегменты будущих космических станций. Другие роботы аналогичной конструкции будут собирать напечатанные сегменты в единое целое. Конструкция роботов повторяет форму тела пауков — на управляющей платформе располагается несколько сочлененных захватов, при помощи которых роботы передвигаются по создаваемой конструкции. Робот содержит картриджи с печатными материалами, солнечные панели, печатающее устройство, аккумуляторы, систему связи и управления. Основные проблемы, которые стоят перед разработчиками, — это фиксация слоев распечатываемых элементов и их правильного затвердевания в условиях как очень низких температур вне прямого попадания солнечных лучей, так и высоких температур под солнечным излучением.

Известно, что к 2020 году компания Tethers Unlimited намерена создать на орбите целую паучью фабрику SpiderFab, где «стая» роботов-пауков, взаимодействующих друг с другом, сможет «напечатать» первую конструкцию космического сооружения. Технология космической 3D-печати позволит сооружать на орбите космические сооружения практически любых требуемых размеров — от 100 метров и больше. Она хорошо сочетается с технологией доставки малоразмерных грузов с помощью стратосферных космопортов. Космическая 3D-печать — достаточно безопасный и экономичный способ сооружения космических объектов. Несмотря на внушительные размеры, напечатанные ажурные сооружения в случае аварийного падения бесследно сгорят в атмосфере, не достигнув поверхности планеты. Невесомость и вакуум значительно облегчают технологические процессы формирования композитных и металлокомпозитных конструкций сверхбольших размеров. Например, если размотать на орбите рулон углеткани, придать ему нужную форму с помощью предварительно «напечатанных» и собранных роботами технологических каркасов, а затем с помощью магнетронов нанести на ткань слой металла, зафиксировав нужную форму, то можно формировать резервуары-коконы из сверхпрочных металлокомпозитных материалов достаточно большого размера, хоть до 1 тыс. метров в диаметре.

Новое не будет похоже на ракеты

Действительно новые и революционные технологии не просто не похожи на своих предшественников. Они не похожи кардинально. Сравните парус и двигатель, лампы и микросхемы, дирижабль и самолет. Именно их кардинальная непохожесть давала толчок развитию отрасли. Поэтому действительно новые революционные космические технологии будут не похожи на ракетные. Они будут не похожи на них кардинально. И те компании, которые поймут это первыми, станут технологическими лидерами. Остальным придется догонять. На настоящем этапе развития космонавтики разработка стратосферных космопортов и технологии трехмерной печати их базовых элементов в космосе не кажутся слишком фантастическими и значительно опережающими технические возможности и потребности мировой космонавтики. Беспристрастные математические и технико-экономические расчеты показывают их реалистичность и уникальную прорывность. Именно этого не хватает отечественной космонавтике, чтобы выйти на следующий новый круг своего развития — промышленное освоение ближнего космоса.

Владимир Никитин, к.т.н., генеральный директор НТЦ «Интрофизика»