Орбитальная разгонно-тормозная платформа
Представьте себе, что развитие человечества дошло до состояния полномасштабного освоения Солнечной системы. Каждые сутки в космос отправляются тысячи тонн грузов и не меньше возвращается. Каким образом было бы возможным обеспечить такой грузопоток? Совершенно очевидно, что современные одноразовые химические ракеты на такое не способны. Многоразовые одноступенчатые ядерные ракеты возможно и смогут чем-то помочь, но существует более экономичный способ запуска и возврата космических аппаратов на орбиту и далее.
Нам в этом помогут естественно законы физики. В любой ракете для ее разгона энергия тратится как на разгон самой ракеты, так и наразгон рабочего тела. С другой стороны, если масса рабочего тела стремится к бесконечности, то это рабочее тело практически не разгоняется и энергия на его разгон не тратится. Таким образом, при отталкивании от очень массивного тела практически вся энергия тратится только на разгон космического аппарата. Желающие могут выписать уравнения движения Ньютона и убедиться самостоятельно.
С другой стороны, разогнали мы ракету до первой космической скорости. Для того, чтобы вернуть ее на Землю, нужно опять потратить много энергии для того, чтобы эту скорость погасить. Но мы можем этого избежать, если у нас будет на орбите буферная масса, которую мы можем использовать для разгона космического аппарата при его запуске. Когда потребуется вернуться, мы можем использовать эту же массу для торможения. Итого, у нас тройная экономия. С одной стороны, мы получаем рабочее тело "бесконечной" массы, т.е. более эффективно тратим энергию на разгон. С другой стороны, при возвращении мы просто возвращаем отнятый у буферной массы импульс и тем самым экономим рабочее тело самого космического аппарата. Ну и третий момент, разгоняемый относительно поверхности Земли аппарат относительно движущейся массы тормозит. Энергию, выделяющуюся при торможении можно запасти и позднее использовать для разгона относительно буфера, т.е. для дальнейшего разгона аппарата для запуска в дальний космос, либо для возврата его на Землю.
Отсюда мы приходим к концепции орбитальной разгонно-тормозной платформы. Сейчас обсудим что она может из себя представлять. Представьте себе длинную фермовую конструкцию, в которой проложена электромагнитная катапульта. Эта катапульта и сможет производить разгон или торможение аппаратов. Сейчас о размерах. Один из самых хрупких грузов, которые выводятся в космос - это тело человека. Сейчас чаще всего используется ускорение при выводе, соответствующее перегрузке в 4g. На деле человек более-менее неплохо выдерживает перегрузку 8g. Большая перегрузка уже становится опасной и переносить ее человек может очень непродолжительное время. Отсюда мы получаем длину платформы: 1600 км для 4g. При этом конструкция должна быть хоть немного жесткой, а значит ее толщина должна быть порядка 1% от длины. Итого, целевая конструкция в долгосрочной перспективе: 1600 км длина, и 16 км в диаметре.
Как видим, платформа должна иметь фантастические масштабы. При этом особые требования будут предъявляться к прочности всей конструкции, поскольку она будет встречать груз на скорости 8 км/с. Например, обычные материалы со скоростью звука порядка 6 км/с скорее всего не выдержат ударной волны от разгоняемого/тормозимого груза. Большими скоростями звука обладают такие материалы как алмаз, углеродное волокно, бор, бериллий. От них и придется видимо плясать при разработке материала платформы. Но в любом случае построить совершенно жесткую ферму таких размеров невозможно, а следовательно придется обеспечивать систему стабилизации и выравнивания отдельных участков, гашения ударных нагрузок и прочие ухищрения.
Отдельный вопрос - это масштабы строительства. Чтобы построить такую грандиозную платформу, нужно доставлять на нее каждый час порядка нескольких тысяч тонн материалов, чтобы уложиться в 50 лет. Очевидно, что с Земли поднимать такое количество грузов не реально. Источником сырья будет являться Луна. Запуск капсул со слитками материала может осуществляться с помощью электромагнитной катапульты, которая будет аэродинамически гасить часть скорости в атмосфере. Как это повлияет на атмосферу - это вопрос для дальнейшего изучения.
Но не все так страшно. Уже 5-10 километровая платформа позволить принимать грузы с Луны и отправлять обратно пустые капсулы (и другой груз) с перегрузками порядка 100-200g. Это огромные перегрузки, но для груза слитков металла они не представляют никакой опасности. Только нужно обеспечить достаточную прочность самой капсулы и ее электроники. 15-20 километров платформы уже позволят заметно экономить на запуске и торможении пилотируемых кораблей, обеспечивая порядка 1 км/с характеристической скорости на ускорении 8g. Т.е. каждый новый километр платформы позволит значительно снизить стоимость дальнейшего строительства платформы и даже использовать ее в других миссиях.
Для строительства 5-км участка потребуется порядка 10-15 тысяч 20 метровых балок или около 40 тыс. тонн грузов с Луны. Еще примерно столько же потребуется для строительства систем разгона и торможения грузов, включая реакторы. Масса огромная, но уже не фантастическая.
Очевидно, что начало строительства платформы возможно только после разворачивания промышленного комплекса на Луне и запуска в эксплуатацию лунной электромагнитной катапульты. Расположить платформу имеет смысл на высоте порядка 1000 км на экваториальной орбите. Для России может это и не очень удобно, но только такая орбита позволит достичь максимального грузооборота между платформой и Землей. Запуск к платформе первое время может осуществляться как и раньше - одноразовыми ракетами, но по мере роста длины, можно перейти на многоразовые суборбитальные космические самолеты, которые будут подхватываться платформой и разгоняться, а затем тормозиться.
Первым этапом строительства будет вывод на орбиту цеха по производству балок (элементов конструкции) из сырья, доставляемого с Луны. Вокруг этого цеха платформа и будет разрастаться во все стороны, но прежде всего назад и вперед. Со временем понадобятся заводы для изготовления элементов электромагнитной катапульты, множество ядерных реакторов и другие элементы. Очевидно, что имея такой промышленный комплекс на орбите, его можно в дальнейшем развивать и задействовать для промышленного производства продукции в условиях невесомости и вакуума или сборки космических кораблей на орбите.
К моменту окончания строительства платформы, она уже может превратиться в огромный орбитальный город, обслуживающий нужды космической транспортировки. Стоимость запуска в космос сможет приблизиться к стоимости трансконтинентального перелета. Т.е. отправиться в космическое путешествие смогут себе позволить не только богачи или представители коммерческих фирм, но и средний класс. Более дешевых средств доставки в космос и обратно придумать сложно. Стоимость космических грузоперевозок снизится настолько, что Луна сможет стать поставщиком значительной части ресурсов или даже готовых изделий. Запуск с платформы в сторону Марса и других планет позволит обеспечить аппарату 8 км/с орбитальной скорости, плюс 8-12 км/с дополнительной скорости. Это позволит планомерно заняться освоением всей Солнечной системы.
Если предположить, что освоение Луны начнется лет через 20 и к 2060 году на ней возникнет необходимый промышленный комплекс, то завершение строительства платформы можно ожидать к середине следующего века.
Ну и пару слов об эстетической стороне стройки тысячелетия. Только представьте себе как будет выглядеть ночное небо на юге, перечеркнутое длинной светящейся нитью через полнеба.