Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса

Разрушить такую преграду можно, и даже не трудно, но для этого надо заранее принять соответствующие конструктивные меры. (например, "тупые" боеголовки в этом отношении лучше конических, так как создают более горячую ударную волну). Обнаружить наличие такой преграды дистанционно тоже можно, но это тоже надо предусматривать заранее. В крайнем случае, стратосферный ядерный взрыв может локально решить эту проблему.

Дальше идеи мирные, и где-то полезные, хотя и не все оригинальные:

6. Орбитальная заправочная станция для приёма топлива с Земли (в капсулах или в замороженном виде). Идея конечно не моя, ей лет 150 или больше. Здесь только анализ возможных вариантов.

В первом приближении, всё выглядит крайне просто: над Землёй (желательно вдоль экватора) на высоте 180-200 км летит одна или несколько орбитальных станций; на поверхности земли (или в стратосфере, мы уже знаем как это сделать) расположена одна, или целая цепочка, катапульт, которые "подбрасывают" вверх топливные брикеты или капсулы, а орбитальная станция их ловит.

Есть разные варианты, прежде всего, по скорости запуска топливных капсул. Проще всего подбрасывать их просто вверх со скоростью 2 км/с, так чтобы в точке рандеву они имели нулевую скорость относительно Земли; но тогда скорость встречи со станцией будет большой, более 7 км/с, и потребуются, во-первых, сложные устройства для приёмки; и, во-вторых, что более существенно, большой избыточный импульс, передаваемый станции, придётся компенсировать, затрачивая на это топливо, имеющееся на борту; причём, топлива надо затратить хотя бы вдвое меньше, чем получено, а значит, удельный импульс двигателя на борту станции должен быть не менее 15 км/с, что потребует ионного двигателя с большой тягой и мощными источниками энергии, или большими солнечными батареями.

Более привлекателен вариант катапультирования топлива с Земли сразу с I космической скоростью, так чтобы скорость встречи со станцией составляла сотни метров в секунду. Тогда упрощается конструкция приёмного устройства на борту, и передаваемый импульс можно компенсировать, сжигая небольшую часть полученного топлива в обычном ракетном двигателе. Но в этом случае усложняется конструкция и увеличивается вес наземных устройств.

Компромиссный вариант может предполагать запуск груза с промежуточной скоростью, 5-6 км/с, и приём на борт со скоростью 2-3 км/с. В этом случае на компенсацию недостающего импульса затрачивается примерно половина получаемого с Земли топлива.

Основным фактором для выбора варианта доставки является устройство для приёма топлива на борт и его возможности. При скорости сближения от 100-200 до 1500-2000 м/с можно использовать механические ловушки вроде сачка из тонкой сетки, большим плюсом которых является не только простота конструкции, но и очень большая (почти неограниченная) площадь приёмного отверстия, которое может быть действительно большим (десятки-сотни метров в диаметре, почти без увеличения массы).

Для такого варианта потребуются катапульты или пушки с большой начальной скоростью снаряда, до 7-8 км/с, но зато требования к точности очень небольшие, достаточно попадать с дистанции 500-1000 км примерно в футбольное поле.

Варианты с меньшей начальной скоростью снаряда (и соответственно большей скоростью приёмки на борт) кажутся проще, но это не так. При скорости встречи более 2 км/с уже не удастся использовать большой сачок, и придётся применять какой-то вариант активной "обратной катапульты" – газовые поршневые устройства типа пушки, или "магнитные пружины", утилизирующие кинетическую энергию снаряда. Эти устройства не только имеют большую массу, но и очень требовательны к точности попадания и входа в них снаряда, вплоть до десятков сантиметров. Это можно сделать; но всё же намного проще такие же по массе устройства разместить на Земле или в стратосфере, и запускать топливные капсулы сразу со скоростью 7-8 км/с, а ловить большим сачком. Это снимает проблему точности попадания, снимает проблему компенсации импульса, и делает бортовые устройства простыми по конструкции и лёгкими.

Для высоких орбит, или тем более для отправки топливных капсул на очень большие расстояния, через межпланетное пространство, всё же потребуются устройства и способы корректировки траектории снарядов с очень большой точностью, в том числе в промежуточных точках. Это можно будет сделать, с неограниченной точностью, до сантиметров, и на любое расстояние, до сотен миллионов километров; но для низкой околоземной орбиты такие сложные способы доставки пока не требуются.

Можно создать устройства для приёма на борт топливных капсул и грузов при скорости в десятки км/с, либо непосредственно использовать топливные заряды в двигателе; есть разные варианты, как это сделать, но мы поговорим об этом позже, в главе про термо-, газо- и магнитно-кинетические двигатели с внешним топливом.

Если в ближайшем будущем будут созданы лёгкие и эффективные высокоскоростные электромагнитные или газовые пушки с массой снарядов порядка граммов и начальной скоростью более 20 км/с, то в околоземном пространстве можно будет развернуть систему лазерной корректировки траекторий микро снарядов, позволяющую попасть в <монетку> сопло ракеты или приёмное устройство на расстоянии в миллионы километров. В принципе, это частично снимет проблему освоения ближайших планет.

7. Моя, вполне оригинальная идея; во всяком случае, за 20 лет я нигде не нашёл упоминаний. Хотя, вероятно, китайцы по тихому разрабатывают, потому что через 5-10 лет это станет необходимостью:

"Лунный парашют": разные варианты систем бестопливной посадки на Луну и безатмосферные планеты. В зависимости от скорости, возможны варианты на тросах и ленточках, пыли, газовых и электромагнитных устройствах, практически на любой бюджет, скорость и грузопоток.

Для Луны, это вполне актуально, и вполне доступно для реализации при существующем уровне техники.

При посадке на Луну ракета имеет начальную скорость 2500 м/с, и при торможении двигателем затрачивает 50% своей массы, причём эта масса стоит весьма дорого. Для регулярной доставки грузов система безракетной посадки окупится достаточно быстро.

Для других безатмосферных тел Солнечной системы – комет, астероидов, Меркурия и спутников планет – это тоже возможно, но сложнее из-за большей скорости. При этом, помимо торможения с целью посадки, можно использовать местные ресурсы небесных тел для маневрирования с целью изменения траектории движения, и даже для разгона.

7.0 Самый дешевый вариант: пылевой "лунный парашют" на местном грунте.

Принцип крайне простой: создать на небольшой высоте над поверхностью плотное протяжённое облако пыли, при вхождении в которое со скоростью до 2-3 км/с аппарат сможет тормозить либо прямо корпусом, либо с помощью специального устройства, подобного парашюту.

Если траектория ракеты будет направлена по касательной к ровному протяжённому участку поверхности или склону, то путь торможения может иметь длину в десятки километров, и при этом проходить на высоте в десятки метров над поверхностью, что позволит практически без затрат в нужный момент поднять на эту высоту большую массу пыли или грунта.

Недостатком такого способа является низкая эффективность передачи импульса по отношению к массе используемого рабочего тела (пыли), поскольку после столкновения с корпусом пылинки останавливаются, и по мере торможения удельный импульс рабочего тела будет снижаться.

Такой способ торможения будет эффективным только в ограниченном диапазоне скоростей, примерно от 0,2 до 2 км/с, так как при малой скорости рабочее тело даёт очень малый удельный импульс; а при очень большой будет быстро нагреваться и разрушаться рабочая поверхность.

"Поднимать пыль" в нужный момент можно разными способами. Технически проще всего заранее установить на поверхности ряд небольших автономных устройств, типа маленького экскаватора, который будет заблаговременно заготавливать необходимое количество пыли, и в момент пролёта ракеты над ним подбросит её вверх на высоту 10-100 метров с помощью механического устройства типа ленточного транспортёра или газового метательного устройства. В общем, лунный аналог земснаряда. Производительность таких устройств может быть достаточно большой, так что масса используемой пыли может в десятки-сотни раз превышать массу самих устройств на поверхности, и такая система может быть достаточно лёгкой и дешёвой, чтобы окупиться уже за 1 посадку.

Минусом такой системы является, во-первых, необходимость предварительной доставки оборудования на поверхность, но по массе стационарных устройств этот вариант один из самых экономичных; масса оборудования на поверхности может быть в несколько раз меньше массы груза, принимаемого за 1 раз, а рабочее тело (пыль) имеется в неограниченном количестве, и может использоваться многократно.

Также необходимо наличие дополнительных элементов конструкции на самой ракете (собственно парашюта), но его масса будет на порядок меньше, чем масса топлива для ракетной посадки.

И, самый большой недостаток – это невозможность таким способом снизить скорость до 0, так что на последних 200-300 м/с этот способ всё же придётся комбинировать с другими – ракетным торможением (но это потребует в 10 раз меньше топлива), либо с механическими (тросовыми) системами финиширования.

В целом, это дёшево и эффективно. Коммерческая прибыль может равняться половине стоимости всех доставляемых на Луну грузов.

7.1 Модификация варианта с пылью, но без каких-либо устройств на поверхности: почему бы ракете самой не поднимать пыль впереди себя, с помощью бортовых устройств.

Для Луны это не очень актуально, так как в данном случае проще 1 раз установить стационарную систему; но при разовой посадке на какой-нибудь далёкий астероид или комету, неплохо было бы обойтись без предварительной доставки грузов на поверхность.

Это можно сделать разными способами, в зависимости от имеющихся бортовых энергетических ресурсов, внешних ресурсов, и скорости.

Самый простой и универсальный, но энергетически затратный способ – испарять кометный грунт с помощью лазера или другого энергетического воздействия, и тормозить в получившемся облаке пыли и газа. Энергии надо много, но по удельному импульсу будет всё же лучше ракетного двигателя.

Возможна интересная модификация, когда при движении в уже существующем разреженном облаке естественной или искусственной пыли (кометном хвосте, например), с помощью дистанционного энергетического или силового воздействия пылинки не испаряются, а собираются в нужное место, чтобы повысить их концентрацию.

Также возможна модификация, когда вместо энергетического луча используются микро снаряды, выстреливаемые с борта ракеты вперёд, которые при взрыве испаряют или поднимают грунт с поверхности.

Возможен также вариант, когда предварительное энергетическое воздействие оказывает не сам аппарат, который надо затормозить, а летящий на некотором расстоянии впереди него "лидер". В частности, это может быть отдельный модуль, привязанный к большой ракете тросом. Либо наоборот, ракета летит впереди, а парашют на длинном тросе позади неё.

Возможен и совсем экзотический вариант, когда аппарат не тормозит, а разгоняется за счёт внешних ресурсов. Но в этом случае потребуется затрата бортовых энергетических ресурсов, и, возможно, бортового запаса топлива, хотя удельный импульс может быть больше, чем при прямом использовании топлива в ракетном двигателе.

7.2 Механические (тросовые) системы торможения и ловушки.

Самый простой вариант – сбрасывать всё, что можно расфасовать в виде небольших капсул (замороженное топливо, кислород, воду и т.д.), и ловить сачком. В принципе, для скорости 2,5 км/с это возможно.

Более крупные грузы и аппараты тоже можно тормозить с помощью троса, даже при скорости 2,5 км/с и более (при прочности троса 10 ГПа, и плотности материала 3 г/см3).

При этом возможно множество вариантов: во-первых, по месту нахождения троса до использования – на борту ракеты или на поверхности. Размещение на поверхности и многократное использование троса предпочтительнее для серийного грузопотока, но для однократной посадки возможен и вариант использования бортового устройства типа якоря.

Во-вторых, есть разные способы силового взаимодействия троса с ракетой и поверхностью. Самый простой вариант – выстреливать конец троса с поверхности и цеплять за низко летящую ракету, а затем пассивно разматывать остальной трос из бухты. При этом импульс ракеты частично передаётся массе троса по мере увеличения его длины, а затем, после снижения скорости в 2-3 раза, можно дополнительно тормозить трос внешней силой. При этом точка приложения этой силы неподвижна относительно поверхности, что позволяет использовать для торможения простое стационарное устройство типа лебёдки с тормозом.

Недостатком такого способа является большая масса троса и устройств на поверхности – в несколько раз больше массы ракеты, так что он проигрывает варианту с пылью. Но можно модифицировать этот вариант таким образом, что трос имеет небольшую длину и массу, а точка приложения тормозящей силы к концу троса перемещается относительно поверхности. Это сложнее сделать, но в этом случае масса стационарных устройств может быть уменьшена.

Вариантом такого способа торможения может быть разновидность якоря, сбрасываемого с борта ракеты, конец которого тем или иным способом, контактно или дистанционно взаимодействует с грунтом на поверхности, или со специально подготовленной поверхностью (посадочной полосой, рельсом, жёлобом, неподвижным тросом и т.д.)

7.3 Отдельной разновидностью механических способов торможения является прямое торможение корпусом о предварительно подготовленный грунт при жёсткой посадке по касательной к поверхности. В принципе, для скорости 2,5 км/с это можно осуществить без разрушения аппарата, но потребуется очень прочный и массивный корпус, либо дополнительные затраты на подготовку поверхности. Но такие варианты тоже надо рассматривать, при определённых условиях посадка на специальную поверхность (посадочную полосу) при скорости 2-3 км/с может оказаться возможной, и менее затратной, чем другие варианты.

Более эффективным будет вариант торможения по предварительно подготовленной поверхности специальными устройствами (полозьями, шасси, магнитными катушками), что позволит снизить вес дополнительных бортовых устройств до нескольких процентов от массы ракеты; при этом потребуется строительство и подготовка специальной посадочной полосы или рельса, но в целом этот вариант может оказаться более эффективным, чем "пылевой", хотя и более затратным по массе стационарных устройств.

В целом, для серии из очень малого числа посадок (1-10) я бы предложил всё же пылевой вариант с окончательным торможением двигателем; это требует минимальной предварительной подготовки, и позволяет относительно свободно маневрировать при заходе на посадку.

Для больших серий и постоянного грузопотока лучше всё-таки построить посадочную полосу со специальным покрытием для контактного или магнитного торможения, возможно с предварительным сбросом скорости другими способами.

7.5 Активные электромагнитные системы торможения.

Самый дорогой при строительстве и эксплуатации вариант. При отсутствии фантазии, может потребовать колоссальных вложений в разработку и сооружение, до 12-значных цифр. Очевидно, именно по этой причине его выберут китайцы – ведь университетам надо с чего-то кормиться в течении десятилетий… и не важно, что альтернативный вариант мог быть разработан пятью студентами за месяц, и доставлен в одном чемодане.

8. "Лунный самолёт": спутник на низкой орбите, который может без использования топлива произвольно маневрировать: отклоняться от траектории на километры – десятки километров, при необходимости с большой точностью следуя за рельефом местности на сверх малой высоте, до метров; "нырять" вниз, менять скорость полёта вплоть до полной остановки, и даже подхватывать грузы с поверхности или на небольшой высоте над ней. Можно использовать для фотографирования поверхности с большим разрешением, взятия проб грунта, или подъёма грузов с поверхности (младший брат орбитального лифта).

На самом деле, это не один спутник, а два (или больше), связанные длинным тросом и вращающиеся вокруг общего центра масс. Понятно, что бесплатных чудес не бывает, и центр масс будет двигаться по обычной круговой орбите. (Устойчивость круговых орбит вокруг Луны – это отдельная тема, но в данном случае эту проблему можно решить).

При отношении масс 1:5 или более, массивное тело будет лететь практически по постоянной орбите, но более лёгкая часть будет описывать сложную траекторию, в виде спирали или растянутой циклоиды, в некоторые моменты приближаясь к поверхности, насколько позволяет длина троса. При этом длина троса может быть очень большой: лимитирующим фактором для такой системы будет не максимальное расстояние между компонентами, а их относительная линейная скорость. При прочности троса из углеродного волокна в 10 ГПа, скорость может достигать 2-3 км/с, что превышает скорость движения по низкой круговой орбите (1,7 км/с), так что в моменты максимального приближения к поверхности спутник может быть почти неподвижен относительно неё, или даже двигаться назад.

При этом период обращения компонент вокруг центра масс не обязательно должен быть постоянным – трос можно втягивать или вытягивать лебёдкой на более массивном спутнике, изменяя его длину, и соответственно линейную скорость и период обращения компонент, что позволит изменять амплитуду и период, получая сложные траектории.