Перспективные способы доставки грузов в космос

И первыми по списку идут классические ракеты носители. Конструктивно схожи с технически проработанными и испытанными межконтинентальными баллистическими ракетами, из-за чего космические державы, в начале космической эпохи предпочли именно этот способ полётов в космос.

Также ракеты относительно просты, что и позволило в конце 50-ых начале 60-ых начать освоение космоса. На этом положительные стороны ракет для отправки грузов в космос исчерпываются и начинаются весьма большие и заметные минусы.

Самый заметный из них — это необходимость нести на борту кислород, либо другой окислитель. В первой ступени ракеты-носителя "Союз 2", если округлённо, 4 тонны весит сама ступень, 11 с половиной тонн весит горючее (керосин, либо более современный нафтил) и 28 тонн весит кислород, почти вдвое превышая массу других составляющих ступени.

Если бы удалось заменить половину жидкого кислорода атмосферным, то тот же "Союз-2" из ракет среднего класса уверенно перешагнул бы в класс тяжёлых, приближаясь к сверхтяжу по американской классификации.

Второй минус — это дикая напряжённость материалов во время полёта ракеты. Самый мощный жидкостный ракетный двигатель РД-171-МВ, развивает тепловую мощность в 27 гигаватт, что не менее чем в четыре раза превосходит мощность Саяно-Шушенской ГЭС.

Из этого следует, что детали ракеты, испытывая немыслимые перегрузки, сильно теряют в надёжности. Даже первый полёт многих ракет заканчивается плачевно вследствие недоработок, весьма незначительных с точки зрения обывателя.

Применение же многоразовых ракет сопряжено с необходимостью проводить дефектоскопию большого количество деталей. У Спейс Икс, к примеру, в 2020-ом году на это уходил 51 день.

Впрочем, учёные и материаловеды космических держав преодолевают эту проблему, создавая всё более и более прочные и термостойкие материалы для космической промышленности.

Третий и, пожалуй, самый несущественный минус ракет, это гравитационные потери, которые съедают часть топлива на то, чтобы удерживать ракету в воздухе.

И на этом описание существующих способов доставки грузов на орбиту закончено. Можно, конечно же, вспомнить North American X-15, Страталаунч, Спинлаунч (это вообще отдельная тема), но к массовым запускам они так и не привели, выступая экспериментальной технологией. О них и поговорим далее.

Наземные системы запуска. Довольно таки расплывчатое определение, что определяется весьма существенными различиями между устройствами, входящими в этот класс.

Начнём мы с упомянутого в прошлом посте космического лифта и схожих проектов. Если использовать самые прочные доступные промышленности материалы (карбоновое углеволокно), то толщина троса должна составлять девять с четвертью тысяч километров, что как бы намекает на невозможность построения лифта на уровне современных технологий.

В теории углеродные нанотрубки проявляют требуемую прочность, но увы, на данный момент их максимальный размер составляет одну пятую миллиметра. Так что сторонникам космического лифта остаётся только ждать, когда учёные смогут сплести достаточно толстый и длинный... кхм... трос.

Также есть две вариации башни, основанные на кинетическом и магнитном эффектах. В первой верхняя часть башни поддерживается за счёт разгоняемого и ударяющегося об верх башни вещества. Во второй металлическая башня концентрирует (не спрашивайте как) магнитное поле Земли, превращаясь в гигантский статор магнитного двигателя. В первом случае идут большие затраты энергии, во втором — не учтена прочность башни, которая не выдержит саму себя.

Неким синтезом между космическим лифтом и последующим проектом выступает петля Лофстрома. Гигантских размеров канат натянутый на магнитных подшипниках вращается в вакуумной трубе длиной в две тысячи километров и высотой в сто километров.

Канат разгоняют до второй космической скорости, после чего груз доставляют на высоту в сто километров и, условно говоря, "цепляют" за канат при помощи магнитного поля.

Техническую сложность в этом проекте представляет потребность построить протяжённую трубу длиной в две тысячи километров как раз на высоте линии Кармана, то есть границы космоса. Не говоря уже о проблемах с подшипниками и вакуумацией нижней части петли.

И вот с этого момента мы подбираемся к действительно перспективным способам вывода грузов, которой в той или иной степени были воплощены в жизнь.

И начинают список из двух пунктов системы наземного разгона. До недавнего времени бывшие такой же фантастикой как космические лифты и петли Лофстрома, этот тип систем стал реальностью, хоть и экспериментальной.

Силами компании SpinLaunch и деньгами инвесторов была воздвигнута вакуумная центрифуга диаметром в 50 метров, которая на сегодняшний день разгоняет снаряды до скорости в 1600 километров час. Согласно планам компании, снаряд в центрифуге диаметром 100 метров должен будет разгоняться до скорости в восемь тысяч километров/час.

Те, кто помнит школьную физику, уже в тихую смеются прикинув цифирьки в уме. А всё дело в том, что ускорение, которое испытывает снаряд в конце разгона в 50 метровой центрифуге, равно 11 тысячам G. То есть снаряд весит в 11 тысяч раз больше, чем в нормальных условиях.

Этот момент ограничивает запускаемые центрифугой снаряды только самыми прочными аппаратами. О том, что человека от таких перегрузок превратит в кашицу, упоминать не стоит.

В общем же, концепция наземных запусков достаточно интересная. Наиболее перспективной в этой области мне видится концепция т.н. космического трамвая, когда космический корабль ускоряется на прямолинейной дороге. В теории космический трамвай способен разогнать груз до любых скоростей, но тут в дело вступает трение об атмосферу, которая на первой космической влёгкую раскаляет обшивку корабля до двух тысяч градусов по Цельсию.

В принципе, эта проблема решаема, но тут существует целый список возможных способов уменьшения теплопередачи и охлаждения обшивки корабля.

Ну и наконец, самый перспективный среди реалистичных и самый реалистичный среди перспективных способов вывода груза на орбиту, это орбитальный самолёт.

Наиболее проработанная замена ракетам, при этом не обладающая описанными ими недостатками. На сегодняшний момент некоторые проекты орбитальных самолётов уже успели стать историей, а некоторые реализуются сегодня.

Справедливости ради, современные орбитальные самолёты выводятся ракетами, что не отменяет того, что эти космические корабли возвращаются и используются снова. Наиболее автономным, на мой взгляд, был проект SR-71 Blackbird, который и стартовал и приземлялся полностью сам, при этом развивая скорость в 3 Маха (скорости звука).

Схожим, на первый взгляд, проект North American X-15, похож на SR-71, но у него было два отличия, делавших их машинами совершенно разных классов. SR-71 был по сути обычным самолётом, в то время как X-15 был ракетопланом, сиречь самолётом с ракетными двигателями. Кроме того, последний использовал воздушный старт, то есть стартовал прямо с крыла бомбардировщика B-52.

Следующими шагами в проектах орбитальных самолётов были всеми известные Буран и Спейс-шаттл. Увы, для выхода на орбиту им требовалась ракета-носитель, в случае с Бураном или просто огромные топливные баки, в случае со Спейс-шаттлом, который использовал опять таки ракетные двигатели.

На сегодняшний день единственным орбитальным самолётом является американский X-37B, выводимой в космос ракетой Атлас-5.

Увы, но до настоящих космических кораблей, которые стартуют с обычного аэродрома и потом возвращаются также, как и улетели (то есть без сбрасывания двигателей и топливных баков), нам ещё как пешком до Луны. Основной проблемой сегодня остаётся нежелание правительств тратится на гиперзвуковые аэродинамические трубы (хотя, на удивление, они строились ещё в 60-ые года прошлого века) и разработку подходящих двигателей. Поэтому самым самолётным двигателем является силовая установка гиперзвуковой противокорабельной ракеты Циркон, развивающей скорость в 8 Махов.

Надеемся, что когда-нибудь людям удастся построить воздушно-космический аппарат с комбинированным импульсным-детонационным-гиперзвуковым прямоточно воздушным двигателем для большей эффективности разгоняемый на рельсовой дороге протяжённостью в несколько десятков, желательно сотен километров.

Цена за килограмм на низкой опорной орбите упадёт до 300-3 долларов и именно тогда освоение космоса станет по-настоящему выгодным и массовым.

"Жаль только — жить в эту пору прекрасную

Уж не придётся — ни мне, ни тебе."