Космос наш — или вообще–то никто никуда не полетит
Вышел с коллегами в курилке разговор, что нам стоит Альфа-станцию построить — из того, что уже выведено на орбиту, в чем сложности. Почему не запустить МКС целиком к Марсу и как Циолковский, Ньютон и Эйнштейн подгадили всей научной фантастике на много лет вперед. Текст существенно упрощен, но коллектив сам проголосует. Ground Control to Major Tom: engines on — поехали! Никаких подробностей про Роскосмос не будет, мало ли — только физика.
Вместо предисловия
— Вообще–то никто никуда не полетит. — заявила Алиса.
Часть 1. Крайне низкого технического уровня, для ответов детям.
Что у нас с МКС? Кислотных дождей в космосе нет, солью все подряд не посыпают, почему идет разговор о списании МКС? Ответ начну с того, что космос вне кино — место неприятное, а земная орбита особо неприятная, потому что:
На Земле все привычно, день — ночь, в сутках 24 часа. МКС летит чуть быстрей, в сутках 90 минут. День — ночь, нагрев — охлаждение, растяжение — сжатие, и так 16 раз в день В станцию постоянно влетают ионизированные кислород, азот и водород, который вовсе не добавляют прочности сплаву АМГ. Прибавим радиационное старение всего — металлов, пластиков, даже кремния. Плюсуем летающие туда-сюда вторичные нейтроны и прочий радиационный пробой электроники, домножаем на специфическую атмосферу внутри станции.The smell, you know that gasoline smell, the whole ISS.
Салют-6 отработал 5 лет. Салют-7 прожил почти 9 лет, при запланированных 5 (4 года рабочих, 1982–1986, и 1986–1991 в автоматическом режиме). Мир отработал 15 лет, при этом последние годы значимая часть задач экипажа заключалась в ремонте того, что еще можно отремонтировать.
Первые модули МКС вывели на орбиту в 1998 году, и им уже 24 года. Выводы про общее состояние самого материала корпуса МКС можете сделать самостоятельно.
Интересный миф, который был в ранней космоопере — что микро трещины и пробоины можно заделать неким пластиком. Выпустил в воздух пластиковые шарики 0.5 мм размером, и их к микротрещинам притянуло. Увы, но не в этом случае — во первых, станция изнутри плотно опутана проводкой, панелями и теплоизоляцией (сходите в музей космонавтики, там есть фрагмент Мира), во вторых — микротрещины в данном случае правильней называть нанотрещинами. Они не так велики, это дефект шириной в несколько десятков, может сотен атомов, и утечка через каждую такую трещину незначительна.
Часть 2. В которой чуть больше скучной математики и где нам вредят Ньютон и Циолковский.
Ладно, часть модулей МКС можно списать, но ведь часть новых модулей можно отделить и переправить на другую орбиту? Все так, переправить можно, но. Широта Байконура — 45°57, Восточного — 51°53, наклонение МКС — 51,63. Почему так — вот статья.
Начнем скучную математику, если у вас еще не было Kerbal. Мы хотим переставить четверть массы станции на 1 (один) градус.
Текущая масса МКС — 420 тонн, возьмем 100 тонн для ровного счета. Рисуем вектор скорости туда, вектор скорости сюда, 7.8 км/с скорости, синус 1 градуса 0.0175 — нам нужно где-то взять 136 м/с скорости для 100 тонн. Нам даже не нужны открытые данные по 14Д30 Бриз-М для оценки плюс-минус пара сотен литров.
Пусть есть некий химический двигатель, со скоростью истечения рабочего тела 2500 м/с (у выше помянутого 14Д30 — 3200) — которым надо дать импульс 136 м/с * 100 тонн. Простое уравнение — масса топлива (в тоннах) * скорость в двигателе в м/с (2500) = 136×100. Делим обе части на скорость истечения — 2500 м/с, получаем 136×100/2500 = 5.44 тонны условного керосина (или НДМГ-АТ, или почти любым химическим топливом, кроме, конечно сверхтоплива странников). На каждый градус смены орбиты. Один Протон на каждые 4 градуса изменения. Хотим сменить орбиту на 45 градусов — готовим 10 Протонов. Может, дешевле новую станцию вывести блоками по 15–20 тонн? 100 тонн — 5 Протонов.
Может, я считаю неправильно? Окей, где то была формула Циолковского. 121 тонна всей конструкции на старте, 101 тонна на финише, 3200 м/с = 3200 * ln (1.2) = 3200×0.18 = 576 м/с с 20 тонн топлива и тонны на двигатель. Каждый градус обойдется нам в 136 м/с — или 4.2 градуса наклонения на каждый 20 тонный блок.
Можно менять орбиту ионным двигателем, скажете вы?
И будете правы, возможно! Берем NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), смотрим на Dawn — ценой 425 килограммов ксенона, спутник весом 747 кг (общая масса 1217 кг) может получить дельту вэ в 11 км/с. Отличная штука, скорость выхлопа ксенона порядка 30 км/с. Делим — 136×100/30000 = 0.45, всего полтонны ксенона на градус поворота. А надо 45 градусов. А ускорять станцию можно только в 2 точках орбиты, то есть примерно 10% времени, но вот только … тяга там 0.09 ньютонов на двигатель. Нам не жалко, давайте посчитаем сразу 111 двигателей! Каждый ионный двигатель, согласно открытым источникам, обходится от 250 тысяч долларов за штуку, (NSTAR с топливом обошелся в 40 миллионов) производят их не сотнями штук, но посчитаем! 111 двигателей дадут тягу в 10 ньютонов, то есть разгонят 10 килограмм на 1 м/с за секунду, 10 тонн — на 1/1000, 100 тонн — 1/10.000 метров в секунду за секунду. 1/10–4 — для разгона на 136 метров /секунду — 1.360.000 секунд, / 86400 секунд в сутках — чуть меньше 16 дней, но. Но время работы на каждом витке — не больше 10% времени, так что какие-то полгода времени, 111 движков — и орбита станции изменится на целый градус. Выходит, 100 тонн станции на 111 ионных движках дойдет до желаемой полярной орбиты всего за (40/2) — 20 лет.
Но ведь есть же уже почти* готовый атомный буксир?
Ну как есть. новости есть -2015, 2020, 2021, 2022. И тяга ИД-500 в 375–750 мН. Посчитаем по среднему, 500 мН (м — это же милли?), 4 двигателя — 2 ньютона тяги. Выше был расчет для 10 Н для смены орбиты. Но может тогда сразу на Марс? 2Н разгонят два килограмма на 1 м/с за секунду, 2 тонны разгонят на 1/1000, 20 тонн — за 1/10.000. В теории можно было бы разгоняться на 8.64 м/с за сутки, но у меня цифры все равно не сходятся. Гомановская траектория потребует набора 2.9 км/с, Марс-96 набирал 3725 м/с, а тут — В то же время на средней, марсианской дистанции, время полёта практически сравнивается со Старшипом и занимает около одного года против 4–9 месяцев. Но есть один нюанс, Нуклон может за такой же промежуток вернуться обратно на Землю.
Концепция таких буксиров обсуждается давно, но результатов как-то не видно. Есть еще VASIMR, но к нему все равно нет реактора.
Послесловие.
Столпившиеся пионеры замолчали.
— Никто никуда не полетит, — с нажимом повторила девочка из будущего, тряхнув своим каре, — и странно, что вы этого не замечаете.
Кому-то может показаться, что «все плохо и все очень грустно и автор нагнетает» — вовсе нет. Но космос сейчас (и всегда) — это не только про героев-покорителей, но и про скучную математику, и про редкие интересные события. После 29 августа запланирован пуск комплекса Орион-SLS к луне с запуском кубсатов, 26 сентября в планах стоит пышь-пышь в астероид, 22 декабря отправляется очередной луноход.
Про Эйнштейна будет в другой раз, когда начнем в курилке обсуждать проблему КПД реактора, соотношения киловатт на килограмм, и куда девать остальное тепло.
