Дедал, Икар и Мильнер с Хокингом
Прошло уже больше месяца с объявления широкой общественности о проекте Breaktrough Starshot — идее отправки однограммовых зондов к Альфе Центавра. Сейчас уже несколько осела пыль, многие высказались, кто с поддержкой, кто с критикой. Я же хотел бы сравнить этот проект с уже существующими проектами межзвездных зондов, потому что они выглядят, увы, куда более рациональными, нежели озвученное Мильнером и Хокингом предложение.
Постановка задачи
Почему человечество еще не отправило зонды к ближайшим звездам? Говоря совсем простым языком, расстояния между звездными системами настолько велики, что с теми скоростями, с которыми мы уже умеем запускать беспилотные аппараты, они будут лететь десятки тысяч лет. Например, если бы самый быстрый из запущенных за пределы Солнечной системы аппаратов, Вояджер-1, летел к Альфе Центавра, то 4,36 световых года до цели с текущей скоростью в 17 км/с он бы пролетел примерно за 77 тысяч лет. А если мы захотим долететь быстрее, то упремся в ограничения используемых ракетных технологий. Допустим, мы хотим отправить зонд к Альфе Центавра массой в одну тонну (а это очень мало) и хотим, чтобы он долетел за 100 лет (а это очень небыстро). Для этого нам надо его разогнать до 13 000 км/с (всего 0,04 скорости света). Цифра не кажется страшной, но, если мы будем разгонять зонд при помощи химических двигателей на топливной паре водород/кислород с максимальным из используемых сейчас удельным импульсом, то по формуле Циолковского одного только топлива, не учитывая массу двигателей и баков, потребуется 4,5×101277 килограмм. Проблема — масса видимой Вселенной оценивается в 1054 кг. То есть нам придется примерно двадцать раз заменять каждый атом во Вселенной на всю видимую Вселенную, чтобы получить такое количество вещества. Почему так получилось? Дело в том, что существующие ракетные двигатели выбрасывают вещество слишком медленно для межзвездных путешествий. Представьте, что вы стоите на скейтборде. Если у вас в карманах только теннисные мячи, то, кидая их назад, вы далеко не уедете. Если у вас есть ружье, или, еще лучше, автомат, то, выбрасывая вещество с большей скоростью, вы сможете уехать дальше.
Тут я хотел привести пример с YouTube
Химические двигатели позволили нам выбираться на орбиту, теряя ~97% массы по пути, очень задорого слетать на Луну и запускать небольшие беспилотные аппараты к внешним планетам Солнечной системы, долетая до Плутона всего за 10 лет. Но для межзвездных путешествий нам нужны другие двигатели, которые позволят выбрасывать вещество более эффективно, «халявная» тяга паруса или еще какая-нибудь хитрость.
Под такую музыку, при наличии больших запасов сарказма, этот ролик можно назвать аллегорией нынешнего состояния космонавтики
Атомный Орион
В 1950-х в США родилась концепция импульсного атомного взрыволета Orion, который должен был разгоняться за счет взрыва ядерных бомб за кормой. Специальная бомба представляла собой направленный атомный заряд, который должен был испарять вольфрамовый диск, образуя облако высокоскоростной плазмы: 
Это облако должно было бить по двухступенчатому амортизатору, который бы принимал на себя импульс и разгонял бы корабль: 
Была успешно испытана масштабная модель на обычной взрывчатке, но договор о запрете атомных испытаний 1963 года, экологические проблемы проекта и категорическое неприятие президентом Кеннеди военного варианта «Ориона» привели к закрытию проекта в районе 1965 года. Парадоксально, но «Орион» является единственным межзвездным кораблем, который может быть построен на уже существующих технологиях. По разным расчетам с различным весом оборудования и параметрами двигательной установки корабль на такой тяге может уложиться в массу меньше миллиона тонн, стоить меньше, чем годовой ВВП США и долететь до соседней звезды за срок от сотни до тысячи лет, что переводит его из категории совсем нереализуемых в категорию возможных для постройки коллективными усилиями человечества.
Более подробно почитать о проекте и виртуально на нем полетать можно тут.
Термоядерный Дедал
Если вы помните миф о Дедале и Икаре, то знаете, что, в отличие от мечтателя Икара, Дедал руководство по летной эксплуатации крыльев не нарушал и до цели долетел вполне успешно. Отсюда растет и название проекта межзвездного зонда, который смог бы добраться до любой из ближайших звезд за срок, не превышающий сотню лет, используя при этом существующие или ожидающиеся в ближайшем будущем технологии. Проект разрабатывался Британским межпланетным обществом с 1973 по 1978 год, и в итоге получился корабль массой всего 54 000 тонн, из которых 500 тонн занимала научная полезная нагрузка, а 50 000 тонн — топливо.
Двигательная установка зонда должна была использовать инерциальный термоядерный синтез, одно из перспективных направлений управляемого термоядерного синтеза. Топливные пеллеты из дейтерия и гелия-3 должны были поджигаться электронными пучками, а получающаяся плазма — вылетать через магнитное сопло, создавая тягу. «Дедал» должен был лететь в общей сложности 50 лет, с крейсерской скоростью 36 000 км/с (12% скорости света). Расчет показывает, что от двигателя ожидался удельный импульс в районе 3 миллионов секунд, что в тысячу раз больше, чем у существующих двигателей. Эффективность двигателя компенсировалась небольшой тягой — две ступени зонда должны были работать в общей сложности почти четыре года, создавая среднее ускорение 29 см/с или 0,03 g.
Вторая ступень представляла собой большой и сложный космический корабль. Для защиты от микрометеоритов, столкновение с которыми было бы опасно на скорости в 12% световой, впереди располагался 50-тонный бериллиевый диск. Более крупные частицы, которые бы могли пробить диск, должны были встречаться автономными роботами, которые летели бы на расстоянии 200 км перед зондом. Робот должен был выпустить облако пыли, которое бы на такой большой скорости отклоняло или уничтожало опасный объект. За диском располагались пятиметровый оптический и двадцатиметровый радиотелескоп. Кроме того, «Дедал» должен был нести автономные зонды, которые бы сбрасывались, начиная за семь лет до цели, и расходились бы в стороны. Зонд и автономные аппараты должны были пролететь через систему-цель, не останавливаясь, и передать собранную информацию, используя главный зонд как ретранслятор, а сорокаметровое сопло двигателя — как антенну. Еще одной интересной особенностью были автономные роботы-«смотрители», которые должны были лететь на главном зонде и ремонтировать его.
Несмотря на высокую проработанность проекта, оценка доступности главной технологии — двигателя оказалась слишком оптимистичной. Управляемый термоядерный синтез до сих пор не покорен человечеством, и не факт, что двигатель на инерциальном синтезе окажется в итоге лучшим выбором.
Что бы построить на МКС?
В 1980-х, когда США собирались строить свою орбитальную станцию Freedom, родился концепт межзвездного зонда, который можно было бы построить на этой станции. Проект Longshot отличался меньшими размерами, нежели «Дедал», и должен был иметь начальную массу 396 тонн (для сравнения, МКС сейчас уже тяжелее). Двигательная установка походила на «Дедал», использовала то же топливо и так же исходила из необходимости создать двигатель в тысячу раз более эффективный, чем существующие. Longshot должен был лететь к Альфе Центавра B 100 лет, что позволяло снизить скорость втрое относительно «Дедала» и донести до цели примерно 30 тонн, почти в десять раз больше в относительных числах, чем «Дедал». Необходимость минимизировать разгоняемую массу привела к другому инженерному решению — вместо двух ступеней Longshot сбрасывал пустые баки.
Как и «Дедал», Longshot сейчас ждет изобретения в тысячу раз более эффективного двигателя.
«Икар»
Британское межпланетное общество не прекратило разработку межзвездных зондов. Начиная с 2009 года проект «Икар» разрабатывается как новая версия «Дедала» с возможными улучшениями на новых технологиях. В некоторых источниках пишут про закрытие в 2011 году, но это неверно — в 2015 году Icarus Interstellar успешно собрала на Kickstarter $22 000 на конференцию Starship Congress. Разработка еще не завершена, поэтому финальная конструкция еще не определилась, но, по имеющейся информации, разработчики сохраняют опору на двигатель на инерциальном термоядерном синтезе.
«Тин-тин»
Из множества других малоизвестных проектов еще хочется выделить «Тин-Тин», в котором к звездам предлагается отправлять кубсаты. В типоразмер 3U (3 кубика 10×10х10 см) помещается межзвездный зонд, который должен суметь достичь ближайшей звезды за 25 000 лет, в три раза быстрее, чем летящие сейчас «Вояджеры» и «Пионеры». Срок в 25 000 лет сложно назвать приемлемым, но зонд базируется на уже существующих технологиях и, как минимум, может оказаться полезным для изучения окрестностей Солнечной системы. Первый кубик, по замыслу разработчика, будет содержать двигательную установку на полевом эффекте (FEEP, такая уже стоит на аппарате LISA). Очень небольшая тяга двигателя компенсируется высоким удельным импульсом. Второй кубик содержит радиоизотопный генератор и двигатель Стирлинга, которые вместе вырабатывают энергию. А третий — полезную научную нагрузку. Также зонд оснащен небольшим солнечным парусом, который добавляет «бесплатной» скорости от Солнца и служит как антенна.
Breakthrough Starshot
Ну и, наконец, свежий проект от Мильнера и Хокинга. Лазерная установка гигаваттного класса должна ускорять однограммовый зонд с ускорением 20 000 g десять минут, чтобы он долетел до Альфы Центавра за 20–30 лет. Физический разбор проблем проекта сделан в статье «Двойка по физике Мильнеру с Хокингом», если вы ее еще не прочитали, обязательно ознакомьтесь. Лично же мне не нравится кажущаяся чуть ли не намеренной авантюрность проекта. Зачем десять минут разгонять однограммовый зонд гигаваттным лазером с ускорением 20 000 g, если на много порядков проще разгонять килограммовый зонд с ускорением 1 g мегаваттной установкой месяцами, и, если надо, годами? От небольшого ускорения вырастет точность наведения, килограммовый зонд гораздо легче сделать, а на фоне длительности полета в 30 лет время на разгон все равно несравнимо меньше.
В целом, у меня возникает ощущение, что авантюрных космических проектов становится больше. Может быть, зря нет публичного осуждения проваленного проекта Mars One? Не удивлюсь, если через несколько лет на проект сборки межзвездного зонда в гараже будут собирать деньги краудфандингом, пока не дискредитируют и космонавтику и краудфандинг. Впрочем, есть еще вариант, что я незаметно для себя стал слишком консервативным и ошибаюсь. Но в этом случае я буду только рад ошибиться.
