[Перевод] Почему в будущем космические корабли будут делать методом экструзии
Прошло 50 лет с момента посадки человека на Луну [и 62 года с момента вывода первого искусственного спутника на орбиту / прим. перев.], но, несмотря на все невероятные достижения технологий, полученные с того момента, нам ещё предстоит выйти в глубокий космос дальше, чем делала программа «Аполлон». Гигантский скачок, которого все ждали после прилунения, к примеру, пилотируемый полёт на Венеру, так и не случился. С тех пор мы застряли на низкой околоземной орбите (НОО), а возвращение в глубокий космос постоянно откладывается ещё на несколько лет.
Но почему? Если кратко, то путешествия в космосе чрезвычайно дороги. Они также опасны и сложны, однако последние аргументы меркнут перед невероятным счётом, с которым столкнётся любая страна, попытавшаяся отправить людей в космос более, чем на несколько сотен километров над поверхностью Земли. Чтобы у нас появился шанс улететь с этого камня, стоимость вывода килограмма груза на орбиту должна резко упасть.
К счастью, мы, наконец, начинаем наблюдать положительные подвижки на этом фронте Частные космические компании начинают понижать стоимость вывода полезной нагрузки в космос. В лучшие годы космический шаттл мог выводить на НОО 27500 кг груза по $500 млн за запуск. Сегодня Falcon Heavy от SpaceX может выводить 63800 кг груза меньше, чем за $100 млн. Пока ещё не мелочь, но практически революционное изменение.
Модуль полезной нагрузки ракеты Falcon Heavy
Однако тут есть нюанс. Производимые SpaceX и другими частными компаниями ракеты относительно малы. Пусть Falcon Heavy и поднимает груз более чем в два раза больший, чем у шаттла, однако его внутренний объём гораздо меньше. Это не было бы проблемой, если бы мы возили в космос свинцовые кирпичи, однако любой космический корабль, предназначенный для людей, придётся делать относительно большим, и в нём должно быть довольно много свободного пространства. К примеру, самый крупный модуль МКС физически не влез бы в обтекатель Falcon Heavy, хотя его масса составляет всего 15900 кг.
Для максимизации возможностей ракет с ограниченным объёмом необходимо сменить подход к разработке и постройке пилотируемых кораблей. Особенно предназначенных для долговременных полётов. Оказывается, именно на эту тему ведутся очень интересные исследования. Вместо того, чтобы отправлять на орбиту собранный корабль, есть надежда, что в итоге мы сможем отправлять в космос необработанные материалы, и печатать всё на месте.
Требуется дополнительная сборка
Чтобы собрать МКС до её текущего состояния, потребовалось более 20 лет и 36 запусков шаттлов, однако в сумме все модули составляют примерно 400 000 кг. Если бы мы могли работать только с общей массой, если бы можно было расплавить МКС и вывести её на орбиту в более плотном виде, коммерческие ракеты вроде Falcon Heavy или New Glenn от Blue Origin могли бы сделать это за несколько полётов.
Очевидно, не существует технологий, позволяющих нам собрать на орбите работающую космическую станцию или корабль для полёта на Марс из какой-то жижи. Но даже с текущим состоянием технологии моделирования методом наплавления (ММН), или 3D-печати, по мнению некоторых исследователей, мы сможем создавать крупные структуры на орбите. Представьте, что мы запустили под завязку заполненную ракету с исходным сырьём и роботизированным принтером, способным изготавливать экструзией и собирать из деталей структуры.
Роботизированные руки собирают направляющие 3D принтера
В таком случае одна тяжёлая ракета в принципе может набрать материала для строительства фермы, размер которой превысит всё, что человечество когда-либо выводило в космос. По завершению печати остова следующие запуски могут доставлять и устанавливать оборудование, к примеру, солнечные батареи и жилые модули для команды. И хотя их создание всё равно потребует работы по сборке на Земле, возможность создать «скелет» на орбите невероятно уменьшит время и стоимость постройки таких структур.
Этот вариант может показаться вам научной фантастикой, но именно для демонстрации таких возможностей компания Made In Space из Маунтин-Вью, Калифорния, недавно получила контракт на $74 млн от НАСА. В ближайшие несколько лет компания планирует запустить спутник «Архинавт-1», способный применять в космосе технологию 3D-печати, которую она впервые представила на борту МКС в 2014-м. Выйдя на орбиту, спутник создаст две балки длиной 10 метров, выходящие с обеих сторон корабля. В случае успеха «размах крыльев» «Архинавта» будет больше, чем у шаттла; несмотря на то, что он отправится в космос в миниатюрном отсеке ракеты-носителя «Электрон» шириной 1,2 м.
Распечатка мокрой мастерской
При разработке массивной ракеты «Сатурн-5» для программы «Аполло» у Вернера фон Брауна появилась замечательная идея. Почему бы не использовать вторую ступень ракеты в качестве отдельной космической станции, вместо того, чтобы отбрасывать её после того, как она израсходует топливо?
Он считал, что ёмкость из-под жидкого водорода даст астронавтам достаточно места для того, чтобы там можно было жить и работать — им понадобится только вывести оставшийся газ в космос. Затем команда, прилетевшая на второй ракете, откроет люк в верхней части ёмкости и введёт туда «модуль оборудования», в котором будут инвентарь, оборудование и шлюз для стыковки.
К сожалению, эта гипотетическая станция, которую назвали «мокрой мастерской», поскольку она должна была отправиться в космос с жидким водородом внутри, так и не вышла за пределы чертёжных досок. В итоге НАСА решило оборудовать третью ступень «Сатурн-5» отдельной космической станцией прямо на Земле, и запустить её в космос напрямую. Т.н. «сухая мастерская» в итоге превратилась в Skylab, первую американскую космическую станцию.
И, хотя 3D печать не такая «мокрая», как представлял себе Вернер фон Браун в те годы, она в итоге может позволить нам создавать космические станции на похожем принципе. Такие компании, как Lockheed Martin и Relativity Space уже используют 3D-печать для создания топливных ёмкостей на Земле. Если попытки печати ферм в космосе увенчаются у Made In Space успехом, следующим логическим шагом может стать оптимизация этой технологии печати цистерн для космоса.
Если в космосе можно будет распечатать полый цилиндр достаточной прочности и диаметра, в него можно будет установить люки и нагнать воздуха. Проверив на утечки, команды людей могли бы устанавливать в такие цилиндры оборудование и все инструменты, необходимые для превращения их в жилые модули для станций или кораблей. Такие распечатанные модули можно будет делать любой длины, в зависимости от нужд миссии — включая такие длины, которые намного превышают возможности ёмкостей для полезной нагрузки на любой из существующих или планируемых ракет.
К Луне и далее
Распечатанные на орбите структуры могут сыграть свою роль в возвращении человечества на Луну и в будущем путешествии на Марс. Потенциальная экономия посредством запуска ракет со строительными материалами слишком велика, чтобы её можно было игнорировать. Определённо у этого подхода есть свои технические проблемы, но они не выглядят непреодолимыми, учитывая те исследования, что уже проводятся с 3D-печатью на борту МКС.
Однако, вне зависимости от того, как именно люди доберутся до нашего ближайшего небесного соседа, Красной планеты, они почти наверняка сочтут 3D-печать бесценным инструментом. Хотя мы ещё только учимся печатать в космосе, у нас есть много десятилетий опыта аддитивного производства на твёрдой земле. Уменьшенная гравитация на Луне или Марсе не изменит фундаментально физику ММН, а местные материалы могут оказаться подходящими для создания из них крупных структур.
Так что, будут ли люди использовать 3D-печать для создания космической станции, где они тренируются, корабля, на котором они покинут Землю, или структур, где они будут вести исследования на поверхности планет, очевидно одно: эта технология станет бесценным инструментом для будущего изучения иных миров.
