Космический буксир: мирный атом или ненаучная фантастика?
Седьмой десяток лет человечество осваивает космическое пространство. Все начиналось с дерзких вылазок – робких, но размашистых шагов в неизвестность, в ледяную темноту космоса. Сейчас же космос кажется многим чем-то обыденным, рутинным, чем-то уже давно привычным и освоенным. Между тем человечество сумело освоить лишь бесконечно малую часть Вселенной, крохотную полоску околоземного пространства.
Даже такой маленький кусочек космоса дал нам многое: навигацию и связь в любой точке земного шара, телевидение, разведку погоды и природных ресурсов и много, много чего еще. Сложно даже представить, сколь масштабный прогресс может принести дальнейшая экспансия в космос.
Космический застой
Со стороны может показаться, что бурное развитие космонавтики осталось в XX веке, и сейчас мы лишь пожинаем плоды тех времен. В рамках данного материала мы не будем разбирать ошибочность такого суждения, однако поговорим о том, почему оно появилось.
Здесь сразу несколько причин, и ключевая из них – «дальность». В прошлом веке человечество постоянно расширяло зону своего присутствия, космонавты и астронавты, беспилотные аппараты совершали вылазки все дальше и дальше от Земли. Нога человечества ступила на Луну, а взоры были обращены еще дальше – на Марс и Венеру. Так почему же в итоге, за исключением нескольких пилотируемых полетов к Луне, человеческая цивилизация так и не вышла за пределы околоземной орбиты? Что мешает нам отправлять людей все дальше и дальше в космос?
Почему так близко?
Ключевая проблема здесь – энергетика. Для полетов на высокие орбиты, к Луне и другим планетам необходимо колоссальное количество энергии, дабы придать кораблю необходимый импульс. Например, для вывода корабля на низкую околоземную орбиту (НОО), необходимо поднять его на соответствующую высоту и придать скорость порядка 7,7 км/с, или же ≈ 27800 км/ч. Даже эти цифры впечатляют, но, например, для того чтобы покинуть земную орбиту, необходима скорость уже в 11,2 км/с, или ≈ 40300 км/ч. Чуть меньшие, но все еще впечатляющие скорости нужны для путешествия на Луну – около 10,8 км/с или же ≈ 38900 км/ч.
На данный момент человечество освоило на практике только один способ достижения таких высоких скоростей – принцип реактивного движения при сгорании топливной смеси. Именно этот физический принцип позволил открыть дорогу в космос, и он же сейчас не дает нам двигаться вперед. Чем дальше от Земли надо вывести космический корабль, чем большую надо придать ему скорость, тем больше ему необходимо топлива.
Для понимания масштаба проблемы достаточно провести элементарное сравнение: комплекс из ракетоносителя «Союз-2.1а» и корабля «Союз-МС» стартовой массой ≈ 310 т обладает достаточной энергетикой для вывода на низкую околоземную орбиту и последующего возвращения трех человек. Одновременно с этим ракета-носитель «Сатурн-5», позволившая с последующим возвращением на землю доставить на орбиту Луны все тех же трех человек со спуском двух из них на поверхность спутника земли, имеет стартовую массу уже в ≈ 3000 т, то есть практически в 10 раз больше. И речь тут идет всего лишь про ближайший к нам крупный космический объект, стартовые массы комплексов для полета к Марсу и Венере будут еще более колоссальными.
Главная проблема здесь даже не в безумном количестве потребного топлива, а в экспоненциально возрастающей стоимости и сложности как самой ракеты-носителя, так и всего остального комплекса. Отправка килограмма груза на низкую околоземную орбиту оценивается в $10÷25 тыс., тогда как доставка килограмма груза на поверхность Луны оценивается уже в $1,2 млн, то есть в 50–120 раз дороже.
Пути решения
Проблему большой энергоемкости космических полетов, и особенно дальних полетов пытаются решать с самого начала космической эры. Многократно рассматривались и до сих пор прорабатываются различные варианты – как организационные (применение многоразовых ракет, заправка в космосе, вывод кораблей по частям в несколько запусков), так и технологические (другие способы создания тяги – солнечный парус, ионные двигатели, применение ядерной энергии и даже лазерного луча). Многие из этих способов заслуживают отдельного рассмотрения, однако в данном материале мы остановимся лишь на одном из них – использование энергии ядерной реакции.