Межзвёздный полёт может быть начат уже в 2032 году

Подняться по лестнице обычно проще, чем запрыгнуть в окно — особенно когда окно находится на уровне третьего этажа. Как гласит древняя зулусская мудрость, слона надо есть по частям.

Когда Колумб плыл в Америку, ему здорово помог тот факт, что он направился в неизвестность не прямо из Испании, а от Канарских островов, которые лежат на некотором отдалении от побережья. Как знать, если бы этих островов не было, возможно, Колумб бы в 1492 году до Америки бы и не доплыл.

Так вот, к чему я это пишу. Раньше я предполагал, что человечеству нужно готовить экспедицию сразу к Альфе Центавра или ещё к какой-нибудь звезде — а наши технологии для этого пока что слишком слабы. Однако к большому моему воодушевлению я выяснил, что, оказывается, весьма важно было бы долететь для начала хотя бы до межзвёздного пространства, которое начинается «всего лишь» в 230 астрономических единицах от нашей планеты.

Для понимания масштабов. От Альфы Центавра нас отделяют 4,3 световых года. От межзвёздного пространства — всего лишь 32 световых часа, в тысячу раз меньше.

Исследовательскую экспедицию в межзвёздное пространство уже просчитывают, и если финансирование будет выделено, даже есть некоторые шансы увидеть отправку космического корабля за пределы Солнечной системы уже в 2032 году. Про это рассказывается в статье Владимира Игрицкого, к.т.н., доцента, научного руководителя Молодежного космического центра МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Вот эта статья:

--- Начало статьи ---

Как улететь на край Вселенной

Давайте сегодня оставим ненадолго земные дела и заглянем за пределы Солнечной системы.
В апреле этого года по всем СМИ и интернету прошли (например, http://rusbase.com/news/milner-to-space/) сообщения о том, что российский миллиардер Юрий Мильнер объявил, что вложит $100 млн в проект межзвездных наноспутников «Breakthrough Starshot», которые предполагается отправить с помощью мощных лазеров к звезде Альфе Центавра, которая является ближайшей к Солнцу. Сообщалось также, что к проекту уже присоединились такие всемирно известные персоны как физик-теоретик Стивен Хокинг и глава «Facebook» Марк Цукерберг.

Предполагалось, что разогнанные наземным лазером, по сути дела, микросхемы достигнут скорости в 1/5 скорости света и за 20 лет смогут долететь до Альфы Центавра, хотя в настоящее время такая технология полёта ещё совсем не отработана. Однако у всех такого рода проектов есть одна общая «ахиллесова пята» — это практическая невозможность передачи на Землю полученных данных. Наноспутники, которые в проекте «Breakthrough Starshot» планируется отправить к ближайшей звезде, по факту не будут способны связаться с Землёй даже с орбиты Марса просто из-за недостатка мощности для передатчика, даже если их будут пытаться услышать в самый крупный радиотелескоп. С этой точки зрения данный проект выглядит идеалом распила средств спонсоров, потому что результат невозможно будет проверить вообще никак, пока на Земле не научатся строить полноценные звездолёты.

Тем не менее, давайте рассмотрим подробнее на сколько далеко сейчас реально может дотянуться «рука» Человечества во Вселенной?

Как известно, подавляющее большинство современных физиков считают Вселенную бесконечной, однако на практике всё, что нам известно относится к Видимой части Вселенной, которая имеет вполне себе ограниченные размеры, за которые, в силу различных причин, телескопы заглянуть пока не могут. Если же провести эту параллель чуть дальше, и определить только доступную для непосредственного посещения и изучения часть Вселенной, то она съёжится до совсем уж небольших размеров.

Как известно, человек не залетал дальше орбиты Луны, а самый далеко улетевший робот — стартовавший ещё в 1977 году американский космический аппарат «Вояджер-1» улетел на 132 астрономические единицы (1 а. е. равна радиусу орбиты Земли) или 18 световых часов от Солнца. Стоит отметить, что если до «Вояджера-1» радиосигналу сейчас нужно идти 18 часов, то до ближайшей к нам, не считая Солнца, звезды Проксима Центавра (ближайшего компонента тройной звезды Альфа Центавра) тот же сигнал будет идти больше 4-х лет.

Нетрудно прикинуть, что если бы «Вояджер» летел в направлении этой звезды, то достиг бы её не ранее, чем через 70 тысяч лет. Учитывая, что источники энергии аппарата, как ожидается, смогут протянуть примерно до 2025 года, то очевидно, что за пределы 200 а. е. аппарат вылетит уже неработоспособным.

Такое состояние дел ставит ещё один вопрос: есть ли между Солнцем и другими звёздами хоть что-то за чем стоило бы тянуться в такую даль? Впрочем, на этот вопрос ответить совсем не сложно. Каждый слышал о магнитных бурях, но мало кто чётко представляет себе, что это такое. Мы здесь тоже не будем вдаваться в подробности, отметив лишь, что эти самые бури порождаются воздействием возмущений так называемого солнечного ветра, испускаемого нашим светилом. Однако понятно, что далеко от Солнца этот ветер настолько ослабевает, что уступает межзвёздному ветру, «дующему» как раз примерно с того направления, куда полетел «Вояджер-1», благодаря чему этот космический аппарат недавно достиг области так называемой Гелиопаузы, где эти ветра нейтрализуют друг друга.

Однако достичь областей невозмущённого межзвёздного вещества, способного рассказать немало совершенно нового об окружающем нас мире, этот аппарат, скорее всего, уже не сможет, так как по некоторым оценкам для этого ему бы пришлось преодолеть расстояние как минимум в 230 а. е. Между тем, экспедиция в эти края не только принесла бы уникальные новые данные, важные в практическом смысле для лучшего понимания механизмов возникновения магнитных бурь, но и с полным правом могла бы называться «межзвёздной» поскольку межзвёздный ветер как объект непосредственного исследования практически никаким боком не относится к Солнечной системе.

Если же вернуться к первому вопросу, о возможности таких полётов, то, казалось бы, ответ очевиден: раз «Вояджер-1» смог пролететь почти сколько нужно, проще всего взять такой же аппарат, разогнать его буквально чуть сильнее — и всё получится. Однако на самом деле вопрос гораздо более сложен, чем кажется. На самом деле «Вояджеру» невероятно повезло, ведь гарантия производителей его оборудования, составлявшая всего 5 лет, истекла уже 32(!) года назад. А теперь представьте себя на месте производителя нового космического аппарата — сможете ли Вы дать гарантию, что он тоже отлетает почти 40 лет, особенно учитывая, что реальные гарантийные сроки современной электроники не бывают больше 20-25 лет?

С другой стороны каждый лишний километр в секунду в космосе даётся весьма высокой ценой, поскольку в формулу стоимости экспедиции скорость входит даже не в квадрате или в кубе, а как показатель степени. Если взять, с запасом, требуемое расстояние в 300 а.е., а длительность полёта — 20 или 25 лет, то требуемая средняя скорость космического аппарата составит 71 или 57 км/с соответственно. Для сравнения: рекордная на настоящий момент для покидающих Солнечную систему аппаратов скорость того же «Вояджера-1» составляет 17 км/с. Поэтому гарантированное достижение столь больших дальностей — это задача уже совершенно другого порядка сложности.

К счастью, современная космонавтика уже знает ответ на вопрос как получить такие скорости — это сочетание высокоэффективных, но потребляющих огромное количество электроэнергии на единицу тяги электроракетных двигателей с ядерным реактором, способным обеспечить их этой энергией даже на больших удалениях от Солнца. Вместе с тем хотя бы более-менее подробный расчёт такого рода полёта «на пальцах» провести затруднительно.

Прошлым летом Молодёжный космический центр МГТУ им. Н.Э. Баумана в 20-й раз проводил Международную молодёжную научную школу «Исследование космоса: теория и практика», в рамках которой более 100 студентов и аспирантов из ведущих вузов России, США, Франции, Швейцарии и других стран в течение двух недель разрабатывали проект космической экспедиции для исследования межзвёздной среды.

Им была поставлена задача: достигнуть за 20 или, на крайний случай, 25 лет расстояния в 250, а лучше 300 а.е. от Земли. Фактически был поставлен вопрос: насколько далеко реально может долететь космический корабль с использованием существующих и активно разрабатываемых в настоящее время технологий.

Само собой, при такой постановке вопроса для запуска была выбрана находящаяся сейчас на стадии проектирования сверхтяжёлая американская ракета-носитель «SLS», как самая грузоподъёмная (до 130 тонн на низкую околоземную орбиту) из ныне существующих и реально разрабатываемых. В российских официальных планах создание такой ракеты предусматривалось около 2030 года, но конкретного её облика пока нет. В комплекте с «SLS» использовался и самый мощный разгонный блок, предусмотренный для этой ракеты — «Large Upper Stage 2xJ-2X».



С учётом того, что лететь требуется примерно в том же направлении, куда движется относительно межзвёздного вещества и вся Солнечная система, была выбрана дата запуска автоматического зонда, обеспечивающая его дополнительный разгон за счёт гравитационного взаимодействия с планетами Юпитер и Уран — 7 февраля 2032 года.

Однако львиную долю скорости космический аппарат приобретёт с помощью входящего в его состав специально разработанного разгонного блока. Этот блок будет в течение пяти лет постепенно ускоряться с помощью двух самых мощных при многолетней работе на сегодняшний день космических ядерных реакторов «SAFE-400» и самого мощного из разрабатываемых электроракетного двигателя «VASIMR». И реакторы, и двигатель в результате практически полностью выработают свой ресурс, израсходовав в общей сложности 14,5 тонн жидкого аргона, выбрасываемого всё это время из двигателя со скоростью 50 километров в секунду в виде плазмы.



В результате этих мер скорость собственно научного зонда, созданного на базе доработанных корпуса от американского аппарата «Новые горизонты» и антенны российского космического радиотелескопа «Радиоастрон», достигнет невероятных для современной космонавтики 94,8 километров в секунду, что заметно больше всех скоростей, ранее достигнутых Человечеством. Для сравнения: близкий по назначению «Вояджер 1» имеет рекордную скорость удаления от Солнца всего лишь в 17 км/с, а ныне действующий рекордсмен — западногерманско-американский зонд «Helios-B», который, пролетая рекордно близко к Солнцу, кратковременно достиг за счёт гравитации светила скорости в 70,22 км/с.

Это позволит достигнуть расстояния в 300 а.е. за 18,3 года, а за максимально возможные 25 лет преодолеть целых 434 а.е. Теоретически, если электроника таки проживёт подольше, то и аппарат мог бы улететь гораздо дальше. Однако здесь начинает действовать как раз тот фактор, который делает практически мертворождёнными проекты типа «Breakthrough Starshot» — это необходимость получения данных с космических аппаратов посредством соответствующей радиолинии. В рассматриваемом проекте зонд массой в несколько сотен килограммов с расстояния 300 а.е. не мог быть услышан ни одним из существующих радиотелескопов, несмотря на наличие на аппарате антенны диаметром 7,5 метров, делающей сигнал весьма остронаправленным и потребляемую в момент передачи немалую мощность в 4,5 киловатта. Фактически, для обеспечения такого полёта потребуется создать 50-метровый орбитальный радиотелескоп. А 100-метровый орбитальный телескоп смог бы принять его сигналы и с расстояния примерно 900 а. е. (сигнал с такого расстояния будет идти больше 5 дней) и будет это через 48,3 года после его старта в далёком пока от нас 2080 году.

Остаётся только два вопроса: где же здесь отечественная космическая техника и как скоро проект полёта в межзвёздную среду может быть реализован на практике? На самом деле ответ на них, по сути, один: вскоре в нашей стране должна быть завершена разработка транспортно-энергетического модуля, в котором электроракетные двигатели будут снабжаться энергией от ядерного реактора мегаваттного класса, в несколько раз превосходящего по мощности применённую в проекте ядерную энергоустановку:

http://ruxpert.ru/Крупные_российские_проекты_(строящиеся)

Понятно, что с его использованием такой проект может быть реализован без особых затруднений, потребовав, по-видимому, двух-трёх запусков ракеты «Ангара-А5В», что вполне реалистично было бы сделать к тому же 2032 году. И основная причина, по которой этот вариант не был реализован в студенческом проекте — это то, что необходимые для расчётов точные характеристики транспортно-энергетического модуля ещё не появлялись в открытой печати. Однако дело не только в этом — как и практически любой другой проект в области освоения Дальнего космоса, такая экспедиция потребует огромных финансовых и интеллектуальных затрат, которые гораздо рациональнее собрать всем миром. И научиться делать это, работая вместе, невзирая на культурные различия и политические сложности, и является, на самом деле, главной целью такого рода студенческих проектов, потому, что именно эти студенты к тому времени станут ведущими специалистами, которым и придётся согласовывать между собой такого рода проекты.

--- Конец статьи ---

Добавлю от себя, что проекты такого рода стоят довольно дорого, однако если Соединённые Штаты урежут свой военный бюджет хотя бы на 10%, освободившихся денег хватит, чтобы снаряжать не одну и не две серьёзных космических экспедиции ежегодно.

Опять-таки, сейчас Штатам стоит уделять больше внимания своим внутренним проблемам, котёл толерантности рано или поздно перестанет выдерживать увеличивающееся давление. Американское общество готово уже взорваться от малейшей искры:

http://ruslanostashko.livejournal.com/47953.html

Конечно, я не такой оптимист, чтобы всерьёз надеяться на кардинальное снижение уровня агрессивности Западной цивилизации… однако если человечество успешно пройдёт подступающий кризис, возможно, мы всё же меньше будем тратить деньги на ведение войн и больше – на постройку телескопов и космических кораблей.