Ошибки фантастов или 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 карту требуемых изменений скорости для Солнечной системы:

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

9400 м/с — старт с Земли.
3210 м/с — уход с орбиты Земли.
1060 м/с — перехват Марса.
0 м/с — выход на низкую орбиту Марса (белый треугольник означает возможность торможения об атмосферу).
0 м/с — посадка на Марсе (тормозим об атмосферу).
3800 м/с — старт с Марса.
1440 м/с — разгон с орбиты Марса.
1060 м/с — перехват Земли.
0 м/с — выход на низкую орбиту Земли (тормозим об атмосферу).
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=eV/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.

Постскриптум

Это несколько непричесанные мысли, назовём их первой итерацией. Хочется получить обратную связь — может, я что упустил или неверно определил значимость явления. Кто знает, может, после обработки фидбека получится более стройная концепция или придумается что-нибудь интересное?

Авор: lozga