Проект Longshot. Дотянуться до звёзд

как выспаться за час. Холодное сияние звезд особенно красиво на зимнем небе. В это время становятся видны самые яркие звезды и созвездиями: Орион, Плеяды, Большей Пёс с ослепительным Сириусом…

Четверть века назад семь мичманов Военно-морской академии задались необычным вопросом: насколько современное человечество близко к звездам? Результатом исследований стал подробный отчет, получивший известность как проект «Лонгшот» («Дальний выстрел»). Концепт автоматического межзвездного корабля, что способен долететь до ближайших звезд за разумный промежуток времени. Никаких тысячелетий полета и «кораблей поколений»! Зонд должен достигнуть окрестностей Альфы Центавра уже через 100 лет с момента его запуска в космос.

 

Гиперпространство, гравицапы, антиматерия и фотонные ракеты… Нет! Главной особенностью проекта стала ставка на существующие технологии. По мнению разработчиков, конструкция «Лонгшот» позволяет построить звездолет уже в первой половине XXI века!

Сто лет полета при существующих технологиях. Неслыханная дерзость, учитывая масштабы космических расстояний. Между Солнцем и Альфой Центавра лежит «черная бездна» шириной 4,36 св. года. Свыше 40 трлн. километров! Чудовищный смысл этой цифры становится понятен на следующем примере.

Если уменьшить размеры Солнца до размеров теннисного мяча, то вся Солнечная система поместится на Красной площади. Размеры Земли в выбранном масштабе уменьшатся до размеров песчинки, при этом, ближайший «теннисный мяч» — Альфа Центавра — будет лежать на площади Сан-Марко в Венеции.

Полет до Альфы Центавра на обычном «Шаттле» или КА «Союз» занял бы 190000 лет.

Страшный диагноз звучит как приговор. Неужели мы обречены сидеть на своей «песчинке», не имея ни малейших шансов добраться до звезд? В научно-популярных журналах встречаются расчеты, доказывающие, что разогнать звездолет до околосветовых скоростей невозможно. Для этого потребуется «сжечь» всю материю Солнечной системы.

И всё же шанс есть! Проект «Лонгшот» доказал, что звезды гораздо ближе, чем мы можем себе представить.


На корпусе "Вояджера" закреплена пластина с картой пульсаров, показывающей местонахождение Солнца в Галактике, а также подробной информации об обитателях Земли. Ожидается, что пришельцы когда-нибудь найдут этот "каменный топор" и пожалуют к нам в гости. Но, если вспомнить об особенностях поведения всех технологический цивилизаций на Земле и историю завоеваний Америки конкистадорами, рассчитывать на "миролюбивый контакт" не приходится…

Задача экспедиции

Добраться за сто лет до системы Альфы Центавра.

В отличие от других «звездолетов» («Дедал»), проект «Лонгшот» подразумевал выход на орбиту звездной системы (Альфы и Беты Центавра). Это заметно усложняло задачу и удлиняло время перелета, но позволило бы провести подробное исследование окрестностей далеких звезд (в отличие от «Дедала», который бы промчался мимо цели за сутки и бесследно сгинул в глубинах космоса).

100 лет займет перелет. Еще 4,36 года потребуется для передачи информации на Землю.



Большие надежды с проектом связывают астрономы — в случае успеха у них появится фантастический инструмент для измерения параллаксов (расстояний до других звезд) с базисом 4,36 св. года.

Вековой полет сквозь ночь также не пройдет бесцельно: аппарат проведет изучение межзвездной среды и позволит расширить наши познания о внешних границах Солнечной системы.

Выстрел к звездам

Главной и единственной проблемой космических перелетов являются колоссальные расстояния. Решив данный вопрос, мы решим все остальные. Сокращение полетного времени снимет вопрос о долговременном источнике энергии и высокой надежности систем корабля. Решится проблема с присутствием человека на борту. Кратковременный полет делает ненужными сложные системы жизнеобеспечения и гигантские запасы еды/воды/воздуха на борту.

Но это — далекие мечты. В рассматриваемом случае необходимо доставить к звездам беспилотный зонд в течение одного столетия. Мы не умеем разрывать пространственно-временной континуум, потому выход один: увеличить путевую скорость «звездолета».

Как показал расчет, для перелета к Альфе Центавра за 100 лет необходима скорость хотя бы 4,5% от скорости света. 13500 км/с.

Не существует никаких фундаментальных запретов, позволяющих телам в макромире перемещаться с указанной скоростью, тем не менее, её значение чудовищно велико. Для сравнения: скорость самого быстрого из космических аппаратов (зонда «Новые горизонты») после отключения разгонного блока составляла «всего лишь» 16,26 км/с (58636 км/ч) по отношению к Земле.



Как разогнать межзвездный корабль до скоростей в тысячи км/с? Ответ очевиден: необходим двигатель с большой тягой и удельным импульсом не менее 1000000 секунд.

Удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя. Зависит от молекулярного веса, температуры и давления газа в камере сгорания. Чем больше разница давлений в камере сгорания и во внешней среде, тем больше скорость истечения рабочего тела. И, следовательно, выше эффективность двигателя.

Лучшие образцы современных электрореактивных двигателей (ЭРД) имеют удельный импульс 10000 с; при скорости истечения пучков заряженных частиц — до 100000 км/с. Расход рабочего тела (ксенона/криптона) составляет считанные миллиграммы в секунду. Двигатель тихо гудит на протяжении всего полета, медленно разгоняя аппарат.

ЭРД подкупают своей относительной простотой, низкой стоимостью и потенциальной возможностью достижения высоких скоростей (десятки км/с), но из-за низкого значения тяги (менее одного Ньютона) разгон может занять десятки лет.

Другое дело — химические ЖРД, на которых держится вся современная космонавтика. У них огромная тяга (десятки и сотни тонн), но максимальный удельный импульс трехкомпонентного ЖРД (литий/водород/фтор) — всего 542 с, при скорости истечения газов чуть более 5 км/с. Это предел.
Жидкостные ракеты позволяют за короткое время увеличить скорость КА на несколько км/с, но на большее они не способны. Звездолету потребуется двигатель на иных физических принципах.

Создатели «Лонгшота» рассмотрели несколько экзотических способов, в т.ч. «световой парус», разгоняемый с помощью лазера мощностью 3,5 тераватт (способ признан неосуществимым).

На сегодняшний день единственным реалистичным способом, позволяющим долететь до звезд, является импульсный ядерный (термоядерный) двигатель. Принцип работы основан на хорошо изученном в лабораторных условиях лазерном термоядерном синтезе (ЛТС). Концентрация большого количества энергии в малых объемах вещества за короткий промежуток времени (
В случае «Лонгшота» ни о какой стабильной реакции управляемого термоядерного синтеза речи не идет: длительного удержания плазмы не требуется. Для создания реактивной тяги полученный высокотемпературный сгусток нужно немедленно «вытолкнуть» магнитным полем за борт корабля.

Топливом служит смесь гелия-3/дейтерия. Необходимый запас топлива для межзвездного перелета составит 264 тонны.





Подобным образом планируется достичь невиданной эффективности: в расчетах фигурирует значение удельного импульса 1,02 млн. секунд!

В качестве основного источника энергии для питания систем корабля — лазеров импульсного двигателя, систем ориентации, связи и научных приборов — выбран обычный реактор на тепловыделяющих урановых сборках. Электрическая мощность установки должна составить не менее 300 кВт (тепловая мощность — почти на порядок выше).

С точки зрения современной техники, создание реактора, не требующего перезарядки в течение целого века, является делом непростым, но возможным на практике. Уже сейчас на боевых кораблях применяются ЯСУ, чья активная зона имеет срок службы, соизмеримый со сроком службы кораблей (30-50 лет). С мощностью также полный порядок — к примеру, ядерная установка ОК-650, установленная на подводных атомоходах ВМФ России, имеет тепловую мощность 190 мегаватт и способна обеспечить электроэнергией целый город с населением 50000 человек!

Такие установки избыточно мощны для космоса. Здесь требуется компактность и точное соответствие заданным характеристикам. К примеру, 10 июля 1987 года был запущен «Космос-1867» — советский спутник с ядерной установкой «Енисей» (масса спутника — 1,5 тонны, тепловая мощность реактора — 150 кВт, электрическая — 6,6 кВт, срок работы — 11 месяцев).

Это означает, что 300-киловаттный реактор, используемый в проекте «Лонгшот», является делом ближайшего будущего. Сами инженеры посчитали, что масса такого реактора составит около 6 тонн.
Собственно, на этом заканчивается физика и начинается лирика.

Проблемы межзвездных путешествий

Для управления зондом потребуется бортовой вычислительный комплекс с задатками искусственного интеллекта. В условиях, когда время передачи сигнала составляет свыше 4 лет, эффективное управление зондом с Земли невозможно.

В области микроэлектроники и создания научно-исследовательских приборов за последнее время произошли масштабные изменения. Вряд ли создатели «Лонгшота» в 1987 году догадывались о возможностях современных компьютеров. Можно считать, что данная техническая проблема за прошедшие четверть века была успешно решена.



Столь же оптимистично выглядит ситуация с системами связи. Для уверенной передачи информации с расстояния 4,36 св. года потребуется система лазеров, работающих на долине волны 0,532 микрон и с мощностью излучения 250 кВт. В этом случае, на каждый кв. метр поверхности Земли будет падать 222 фотона в секунду, что гораздо выше порога чувствительности современных радиотелескопов. Скорость передачи информации с максимального расстояния составит 1 кбит/с. Современные радиотелескопы и системы космической связи способны расширить канал обмена данными в несколько раз.

Для сравнения: мощность передатчика зонда «Вояджер-1», находящегося в настоящий момент на расстоянии 19 млрд. км от Солнца (17,5 световых часов), составляет всего лишь 23 Вт — как лампочка в вашем холодильнике. Однако, этого вполне достаточно для передачи на Землю телеметрии со скоростью несколько кбит/с.

Отдельной строкой стоит вопрос о терморегуляции корабля.

Ядерный реактор мегаваттного класса и импульсный термоядерный двигатель являются источниками колоссального количества тепловой энергии, притом, в вакууме возможно лишь два способа теплоотвода — абляция и излучение.

Выходом может стать установка развитой системы радиаторов и излучающих поверхностей, а также теплоизоляционный керамический буфер между двигательным отсеком и топливными баками корабля.

На начальном этапе пути кораблю потребуется дополнительный защитный экран от солнечного излучения (подобный тому, что использовался на орбитальной станции «Скайлэб»). В районе конечной цели — на орбите звезды Бета Центавра — также возникнет опасность перегрева зонда. Необходима теплоизоляция оборудования и система переноса излишков тепла от всех важных блоков и научных инструментов к излучающим радиаторам.






Чрезвычайно сложен вопрос защиты корабля от микрометеоритов и частиц космической пыли. При скорости движения 4,5% от световой любое столкновение к микроскопическим объектом способно серьезно повредить зонд. Создатели «Лонгшота» предлагают решить проблему путем установки мощного защитного экрана в передней части корабля (металл? керамика?), одновременно являвшимся излучателем излишков тепла.

Насколько надежна такая защита? И возможно ли использование научно-фантастических систем защиты в виде силовых/магнитных полей или «облаков» микродисперсных частиц, удерживаемых магнитным полем впереди по курсу корабля? Будем надеяться, что к моменту создания «звездолета» инженеры найдут адекватное решение.

Что касается самого зонда, то он традиционно будет иметь многоступенчатую компоновку с отделяющимися баками. Материал изготовления корпусных конструкций — алюминий/титановые сплавы. Общая масса собранного корабля на околоземной орбите составит 396 тонн, при максимальной длине 65 метров.

Для сравнения: масса Международной космической станции составляет 417 тонн при длине 109 метров.





Как и МКС, сборка «Лонгшота» может производиться блочным методом на низкой околоземной орбите. Реалистичные размеры корабля позволяют использовать в процессе его сборки существующие ракеты-носители (для сравнения — могучий «Сатурн-V» вывести на НОО за раз груз массой 120 тонн!)

Необходимо учесть, что запуск импульсного термоядерного двигателя на околоземной орбите — слишком рискованное и неосторожное мероприятие. Проект «Лонгшот» предусматривал наличие дополнительных разгонных блоков (химические ЖРД) для набора второй и третьей космической скорости и увода корабля из плоскости эклиптики (система Альфы Центавра расположена на 61° выше плоскости вращения Земли вокруг Солнца). Также, не исключено, что для этой цели будет оправдан маневр в гравитационном поле Юпитера — подобно космическим зондам, которым удалось вырваться из плоскости эклиптики, используя «бесплатный» разгон в окрестностях гигантской планеты.

Эпилог

Все технологии и компоненты гипотетического межзвездного корабля существуют в реальности.

Массогабаритные параметры зонда «Лонгшот» соответствуют возможностям современной космонавтики.

Если мы начнем работы сегодня, велика вероятность, что к середине XXII века наши счастливые правнуки увидят первые снимки системы Альфы Центавра с близкого расстояния.

Прогресс имеет необратимую направленность: каждый день жизнь продолжает удивлять нас новыми изобретениями и открытиями. Не исключено, через 10-20 лет все вышеописанные технологии предстанут перед нами в виде действующих образцов, выполненных на новом технологическом уровне.

И всё же путь до звезд слишком далек, чтобы об этом имело смысл рассуждать всерьез.

Внимательный читатель уже наверняка обратил внимание на ключевую проблему проекта «Лонгшот». Гелий-3.

Где взять сто тонн этого вещества, если годовое производство гелия-3 составляет всего 60000 литров (8 килограммов) в год по цене до $2000 за литр?! Смелые фантасты связывают надежды с добычей гелия-3 на Луне и в атмосфере планет-гигантов, но никаких гарантий по этому поводу никто дать не может.

Имеются сомнения в возможности хранения такого объема топлива и его дозированной подачи в виде замороженных «таблеток», необходимых для питания импульсного термоядерного двигателя. Впрочем, как и сам принцип работы двигателя: то, что более-менее работает в лабораторных условиях на Земле, еще далеко от применения в открытом космосе.

Наконец, беспрецедентная надежность всех систем зонда. Участники проекта «Лонгшот» пишут об этом прямо: создание двигателя, способного без остановки и капитального ремонта проработать в течение 100 лет, станет невероятным техническим прорывом. Это же касается всех остальных систем и механизмов зонда.

Впрочем, отчаиваться не стоит. В истории космонавтики существуют примеры беспрецедентной надежности космических аппаратов. «Пионеры-6, 7, 8, 10, 11», а также «Вояджеры-1 и 2» — все они проработали в открытом космосе свыше 30 лет!



Показательна история с гидразиновыми трастерами (двигателями системы ориентации) этих космических аппаратов. «Вояджер-1» перешел на запасной комплект в 2004 году. К этому времени основной комплект двигателей отработал в открытом космосе 27 лет, выдержав 353000 включений. Примечательно, что катализаторы двигателей все это время были непрерывно раскалены до 300°С!

На сегодняшний день, спустя 37 лет после запуска, оба «Вояджера» продолжают свой безумный полет. Они уже давно покинули пределы гелиосферы, но продолжают исправно передавать на Землю данные о межзвездной среде.

Любая система, зависящая от человеческой надежности, ненадежна. Однако стоит признать: в плане обеспечения надежности космических аппаратов нам удалось достигнуть определенных успехов.

Все необходимые технологии для осуществления «звездной экспедиции» перестали быть фантазиями ученых, злоупотребляющих каннабиноидами, и воплотились в виде четких патентов и действующих образцов техники. В лабораторных условиях — но они существуют!

Концептуальный проект межзвездного корабля «Лонгшот» доказал: у нас есть шанс вырваться к звездам. На этом тернистом пути предстоит одолеть немало трудностей. Но главное — известен вектор развития, и появилась уверенность в собственных силах.



Более подробную информацию о проекте Longshot можно найти здесь: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19890007533.
За инициацию интереса к данной теме выражаю благодарность "Почтальону".

От бортового оборудования до космической электробритвы

Американский беспилотник X-37B уже больше года находится на орбите

«Буран

Космонавтика имеет безграничное будущее, и ее перспективы беспредельны, как сама Вселенная (С. П. Королёв)

Наш путь лежал через Луну...