Ошибки фантастов или размышления о том, почему остановилась космонавтика

Весь двадцатый век фантасты много и талантливо писали об освоении космоса. Герои «Хиуса» подарили человечеству богатства Урановой Голконды, пилот Пиркс работал капитаном космических сухогрузов, по Солнечной системе ходили лидер-контейнероносцы и балкер-трампы, и я уж не говорю про всякую мистику путешествий к таинственным монолитам.

Однако 21 век не оправдал надежд. Человечество робко стоит в прихожей Космоса, не выбравшись на постоянной основе дальше земной орбиты. Почему так получилось и на что надеяться тем, кто хотел бы читать в новостях про повышение урожайности марсианских яблонь?

Скрипач не нужен

Первый парадокс, с которым мы столкнулись — человек не самый подходящий субъект для исследования космоса. Писатели-фантасты, которые придумывали космические экспедиции, могли опираться только на исторический опыт первопроходцев Земли — мореплавателей, полярников, первых авиаторов. Действительно, чем, вроде бы, покорение Марса будет отличаться от покорения Южного полюса? И там и там непригодная для жизни без предварительной подготовки среда, нужно везти с собой припасы, и за пределы корабля или дома нельзя выйти без надевания специального снаряжения. Но фантасты и футурологи не смогли предсказать развитие электроники и робототехники, и роботы-исследователи обычно описывались в анекдотическом ключе:

Мне пришлось на полчаса оторваться от письма и выслушать сетования моего соседа, кибернетиста Щербакова. Ты, вероятно, знаешь, что к северу от ракетодрома идет строительство грандиозного подземного комбината по переработке урана и трансуранидов. Люди работают в шесть смен. Роботы — круглые сутки; замечательные машины, последнее слово практической кибернетики. Но, как говорят японцы, обезьяна тоже падает с дерева. Сейчас ко мне пришел Щербаков, злой, как черт, и сообщил, что банда этих механических идиотов (его собственные слова) сегодня ночью растащила один из крупных складов руды, приняв его, очевидно, за необычайно богатое месторождение. Программы у роботов были разные, поэтому к утру часть склада оказалась в пакгаузах ракетодрома, часть — у входа в геологическое управление, а часть вообще неизвестно где. Поиски продолжаются.

Но никто из известных авторов не догадался, что робот в освоении космоса имеет массу преимуществ перед человеком:

• В отличие от человека, робот нуждается только в электропитании и обеспечении теплового баланса. Не надо тащить с собой десятки тонн оранжерей, еды, воды, кислорода, одежды и средств гигиены, лекарств и прочего.
• Робота можно отправить в одну сторону, без возвращения.
• Робот способен работать годами. Опыт «Вояджеров», марсоходов или «Кассини» говорит о том, что сейчас правильнее говорить уже не о годах, а десятилетиях.
• Робот способен работать годами в условиях, которые смертельны для человека. Зонд «Галилео» получил дозу в 25 раз превышающую смертельную для человека и после этого работал на орбите 8 лет.

В результате получилось так, что только роботы массой в несколько тонн вписались в технические возможности человечества отправить их к другим планетам за приемлемые деньги и стали единственным на сегодня способом удовлетворения научного любопытства и получения красивых фотографий.

Мы живем в логистической кривой

Вторая ошибка фантастов состояла в том, что они прогнозировали линейное или даже экспоненциальное развитие космонавтики. Хотя ещё в 1838 году было открыто такое явление как логистическая кривая. Что это за страшный зверь? Для примера возьмем историю авиации:

• 1900-е. Первые неуклюжие этажерки, первые рекорды — полеты на несколько километров с одним пассажиром.
• 1910-е. Первые разведчики, истребители, бомбардировщики, почтовые и пассажирские самолёты.
• 1920-1930-е. Освоение полётов ночью, первые трансконтинентальные перелеты.
• 1940-е. Авиация — серьезная военная и транспортная сила.
• 1950-е. Реактивные двигатели дают новый толчок развитию авиации — новые скорости, дальности и высоты, ещё больше пассажиров.
• 1960-70е. Первые сверхзвуковые и широкофюзеляжные пассажирские самолёты, авиация качественно более доступна.
• 1980-90е. Торможение. Разработка все дороже, фирмы-разработчики объединяются в гигантские компании. А самолёты все больше похожи друг на друга.
• 2000-е. Предел. Два гиганта «Боинг» и «Эйрбас» делают внешне одинаковые машины, сверхзвуковые пассажирские самолёты вообще вымерли.

Если перевести эти достижения в числа, получится вот такая вот картинка:


В космонавтике ситуация совершенно такая же:


Для наглядности на график S-кривой можно наложить график расходов на достижение этого уровня:


И печаль нашего «сегодня» состоит в том, что в космонавтике на существующих технологиях мы близки к уровню насыщения. Технически можно слетать в пилотируемом варианте на Луну и даже Марс, но как-то денег жалко.

Клади КЦ — получишь гравицапу

Следующий печальный аспект, тормозящий рывок в космос — пока не обнаружено что-то очень ценное, ради чего стоит тратить деньги на освоение космоса дальше земной орбиты. Обратите внимание, что на околоземной орбите сейчас находится масса коммерческих спутников — связи, ТВ и Интернета, метеорологических, картографических. И у всех у них есть осязаемая, выраженная в деньгах польза. А какая польза от пилотируемой программы полётов на Луну? Вот официальный список результатов лунной программы США стоимостью примерно $170 миллиардов (в ценах 2005 года):

• Луна — не первичный объект, это планета земной группы, со своей эволюцией и внутренним строением, аналогичным Земле.
• Луна древняя и хранит историю первых миллиардов лет эволюции планет земной группы.
• Самые молодые лунные скалы примерно такого же возраста, как самые древние земные. Следы самых ранних процессов и событий, которые, возможно, влияли на Луну и Землю, могут быть найдены сейчас только на Луне.
• Луна и Земля генетически связаны и сформированы из различных пропорций общего набора материалов.
• Луна безжизненна и не содержит живых организмов или органических веществ местного происхождения.
• Лунные скалы произошли от высокотемпературных процессов без участия воды. Они делятся на три типа: базальты, анортозиты и брекчии.
• Очень давно Луна была расплавлена на огромную глубину и сформировала океан магмы. Лунные горы содержат остатки ранних скал низкой плотности, которые плавали на поверхности этого океана.
• Океан магмы был сформирован серией ударов огромных астероидов, которые сформировали бассейны, заполненные потоками лавы.
• Луна несколько асимметрична, возможно, из-за влияния Земли.
• Поверхность Луны покрыта кусками скал и пылью. Это называется лунным реголитом и содержит уникальную радиационную историю Солнца, что важно для понимания изменения климата на Земле.

Это всё очень интересно (никаких шуток), но все эти знания обладают непоправимым недостатком — их нельзя намазать на хлеб, залить в бензобак или построить из них дом. Если бы на просторах космоса был бы обнаружен некий «элериум», «тибериум» или иной шишдостаниум, который можно было бы использовать как:

• Экономически выгодный источник энергии.
• Составной элемент производства чего-нибудь ценного и нужного.
• Еду/лекарство/витамин принципиально нового качества.
• Предмет роскоши или источник удовольствия.

Если бы он также рос только на Марсе или в поясе астероидов (и не воспроизводился на Земле) и мог быть добыт только человеком (чтобы хитрое человечество не отправило более дешевых и неприхотливых роботов), то тогда бы именно пилотируемое освоение космоса получило бы бесценный стимул. А в отсутствие него в пессимистическом сценарии в 2020-х годах человечество может лишиться постоянного присутствия даже на околоземной орбите — на фоне побитых политиками горшков международного сотрудничества налогоплательщики могут спросить: «А зачем нам новая станция после МКС?»

Проклятие формулы Циолковского

Вот она, Немезида космонавтики:

Здесь:

• V — конечная скорость ракеты.
• I — удельный импульс двигателя (сколько секунд двигатель на 1 килограмме топлива сможет создавать тягу 1 Ньютон)
• M₁ — начальная масса ракеты.
• M₂ — конечная масса ракеты.

V для случая полных баков будет запасом характеристической скорости, т.е., тем запасом скорости, которым мы можем разгоняться/тормозиться при необходимости. Это также называют запасом delta-V (дельта означает изменение, т.е. это запас изменения скорости).
В чем здесь проблема? Возьмем схему метро карту требуемых изменений скорости для Солнечной системы (большая картинка):


Представим теперь, что мы хотим слетать на Марс и обратно. Это составит:

1. 9400 м/с — старт с Земли.
2. 3210 м/с — уход с орбиты Земли.
3. 1060 м/с — перехват Марса.
4. 0 м/с — выход на низкую орбиту Марса (белый треугольник означает возможность торможения об атмосферу).
5. 0 м/с — посадка на Марсе (тормозим об атмосферу).
6. 3800 м/с — старт с Марса.
7. 1440 м/с — разгон с орбиты Марса.
8. 1060 м/с — перехват Земли.
9. 0 м/с — выход на низкую орбиту Земли (тормозим об атмосферу).
10. 0 м/с — посадка на Землю (тормозим об атмосферу).

В итоге получается красивая цифра 19970 м/с, которую мы округляем до 20 000 м/с. Пусть ракета у нас будет идеальная, и объем топлива никак не влияет на её массу (баки, трубопроводы ничего не весят). Попробуем рассчитать зависимость начальной массы ракеты от конечной массы и удельного импульса. Преобразуя формулу Циолковского, получим:
M₁=e^V/I*M₂
Воспользуемся бесплатным математическим пакетом Scilab. Конечную массу возьмем в диапазоне 10-1000 тонн, удельный импульс будет меняться от 2000 м/с (химические двигатели на гидразине) до 200 000 м/с (теоретическая оценка максимального импульса ЭРД на сегодня). Сразу скажу, что для максимальной массы и минимального импульса будет очень большое значение (22 миллиона тонн), поэтому шкала отображения будет логарифмической.

[m2 I]=meshgrid(10:50:1000,2000:5000:200000);
m1=log(exp(20000*I.^-1).*m2);
surf(m2,I,m1)

Этот красивый график, по сути, наглядный приговор химическим двигателям. Это не новость — на химических двигателях, как это прекрасно показывает практика, можно нормально запускать небольшие зонды, но даже на Луну слетать с экипажем уже несколько затруднительно.
Облегчим себе условия. Во-первых, допустим, что мы стартуем уже с орбиты Земли, и вместо 20 км/с нам понадобится 10. Во-вторых, обрежем «хвост» неэффективных химических двигателей, поставив минимальным значением I 4400 м/с (УИ водородного двигателя Спейс шаттла RS-25):

[m2 I]=meshgrid(10:50:1000,4400:5000:200000);
m1=log(exp(10000*I.^-1).*m2);
surf(m2,I,m1)

Логарифмическая шкала:


Линейная шкала:


Откажемся совсем от химических двигателей. Ядерный двигатель NERVA имел УИ 9000 секунд. Пересчитаем:

[m2 I]=meshgrid(10:50:1000,9000:5000:200000);
m1=exp(10000*I.^-1).*m2;
surf(m2,I,m1)

Линейная шкала:

Почему я повторяю эти однообразные графики? Дело в том, что плоский участок, обозначенный как «повод для оптимизма» показывает, что, когда появятся двигатели с УИ больше 50000 м/с, в пределах Солнечной системы станет возможно более-менее сносно летать без кораблей стартовой массой в миллионы тонн. А ЭРД, которые есть уже сейчас, имеют УИ 25000-30000 м/с (например, СПД 2300).
Впрочем, необходимо понимать, что повод для оптимизма весьма сдержанный. Во-первых, эти тысячи тонн надо доставить на орбиту Земли (а это крайне непросто). Во-вторых, существующие ЭРД имеют небольшую тягу, и, чтобы разгоняться с подходящим ускорением, надо ставить многомегаваттные реакторы.

Построим ещё один интересный график. Пусть нам известна конечная масса — 1000 тонн. Построим зависимость начальной массы от удельного импульса и конечной скорости:

[V I]=meshgrid(10000:2000:100000,50000:5000:200000);
m1=exp(V.*(I.^-1))*1000;
surf(V,I,m1)

Этот график интересен тем, что это в каком-то смысле взгляд в более далекое будущее человечества. Если мы захотим комфортного и быстрого перелета по Солнечной системе, то придётся выйти ещё на порядок выше в освоении удельного импульса — понадобятся двигатели с УИ в несколько сотен тысяч метров в секунду.

Здесь рыбы нет

Человечество отличается хитростью и изобретательностью. Поэтому множество идей было придумано для того, чтобы облегчить доступ в космос. Один из важнейших параметров, характеризующих тот барьер, который мы хотим перепрыгнуть — это цена выведения килограмма на орбиту. Сейчас, по различным оценкам (из Вики этот столбец убрали, вот, например, другой источник) для различных ракет-носителей, эта цена находится в диапазоне $4000-$13000 за килограмм на низкую околоземную орбиту. Что пытались придумать для того, чтобы проще, легче и дешевле выбраться хотя бы на околоземную орбиту?

• Многоразовые системы. Исторически эта идея уже успела один раз провалиться в программе «Спейс шаттл». Сейчас этим занимается Элон Маск, планирующий сажать первую ступень. Хочется пожелать ему всяческих успехов, но на основании прошлого провала не думаю, что это будет качественный прорыв. В лучшем случае, стоимость упадет на несколько процентов.
• Single Stage to Orbit. Не вышла за пределы проектов, несмотря на неоднократные попытки.
• Воздушный старт. Есть успешный проект для небольшой полезной нагрузки, но не масштабируется под тяжелые грузы.
• Безракетный космический запуск. Придумано очень много проектов, но все они имеют фатальный недостаток — требуются астрономические инвестиции, которые никак нельзя «отбить» без полного завершения проекта. Пока космический лифт, фонтан или масс-драйвер не будет полностью построен и запущен, прибыли от него никакой.

Чем сердце успокоится

Чем можно поднять настроение после этих печальных размышлений? У меня есть два аргумента — один абстрактный и фундаментальный, другой более конкретный.
Во-первых, прогресс в целом — это не одна S-кривая, а множество их, что образует вот такую вот оптимистичную картинку:



В истории авиации можно выделить, например:


И, наверняка, мы с вами стоим в похожей точке развития космонавтики. Да, сейчас наблюдается некоторый застой, и даже возможен откат назад, но человечество головами лучших своих представителей пробивает стену познания, и где-то, ещё не замеченные, пробиваются ростки нового будущего.

Второй аргумент — это идущие без особого ажиотажа новости о разработке атомного реактора для транспортно-энергетического модуля:


Последние по времени новости по этому проекту были летом — собрали первый ТВЭЛ. Работы, пусть и без регулярной огласки, очевидно, ведутся дальше, и можно надеяться на появление в ближайшие годы принципиально нового аппарата — ядерного буксира с ЭРД.