Программа освоения космоса

Итак, вот приблизительно моё частное мнение по поводу программы освоения космоса.

1. Цели. Чтобы получить хорошую, годную программу, нужно хотя бы приблизительно представлять себе, зачем нам космос нужен. Поскольку дело это априори недешёвое, выделить деньги на программу могут лишь те, у кого они есть. То есть крупные корпорации и государства (которые в массе суть выразители интересов групп тех же корпораций, объединённых по национальному признаку, красные исключения рассмотрим отдельно). В чём заинтересована корпорация? В превосходстве над другими корпорациями. Превосходство обеспечивается доступом к дешёвой рабочей силе и богатым потребителям. И то, и другое зависит от технологического превосходства (затратить меньше человекочасов на производство условного айфона за счёт автоматизации, предложить на рынке, за который идёт борьба, более дешёвое и/или более качественное изделие) и политического веса (возможность препятствовать введению ограничений на импорт слабым соседом, загоняя его собственную промышленность в каменный век и принуждая население работать за гроши, возможность безнаказанно самому вводить такие ограничения, лишая конкурентов доступа к внутреннему рынку и получая "родную" кучку пашущих хомячков). Политический вес прямо коррелирует с военной мощью, военная мощь - с экономической мощью, что даёт элементарный замкнутый контур с положительной обратной связью (технический уровень зависит от выделенных на него денег, то есть от той же экономической мощи). Следовательно, все выгоды от космоса, которые могут получить власть имущие (впрочем, как и выгоды, которые они могут получить от чего угодно ещё), делятся на три категории:

1.1. Военное превосходство, то есть на текущий момент - технология производства баллистических ракет, спутниковое наведение для тех же ракет, а также самолёт-снарядов и многоразовой авиации (да и пихоте с танчиками навигаторы зело кошерны), спутниковая разведка (многоплановая, начиная от общих видов территории вероятного противника, что позволяет не только всаживать атомные бомбы в круг радиусом десять метров, но и знать, ГДЕ должен располагаться этот самый круг для уничтожения хитро замаскированного под свечной заводик злобного производителя бронетехники, и заканчивая метеоданными, что критично для авиации, и свежими фотографиями фронтовой полосы, чтоб танки знали, куда ехать), спутниковая связь (чтоб не тянуть тысячи километров кабелей, или, хотя бы, не так сильно от них зависеть), орбитальная система предупреждения о ракетном нападении, технология производства противоракет, возможность натурально сбивать вражеские спутники, которые делают всё вышеперечисленное, словом - улучшений чисто количественного свойства хватит до следующего столетия, борьба снаряда и брони же. В ближайшей перспективе могут появиться и качественно новые космические технологии военного назначения (подробности ниже).

1.2. Возможность делать что-то дешевле, чем без космических технологий. Банальный пример - добыча космических ресурсов. Но с дешевизной тут всё очень плохо. Пример менее банальный для фантастов, но гораздо более жизненный - применение космических технологий для удешевления производства на Земле. Те же метеоспутники - это не только фронтовая авиация, возможность предсказывать погоду хотя бы за неделю критически важна элементарно для сельского хозяйства (для среднестатистического россиянина покупка продуктов питания, которые продуктами оного представлены почти на 100%, влетает в сумму от четверти до половины личного дохода, в США и КНР эта доля меньше, но не драматически, а в какой-нибудь Индии - даже больше), авиа- и морских перевозок гражданского свойства (важность танкеров и сухогрузов для мировой экономики расписывать надо?), гидроэлектростанций (про солнечные и ветряные ЭС вообще молчу), оперативной переброски групп по ремонту линий электропередач и кабельной связи, тушения лесных пожаров - в общем, дофига всего. По тому же GPS ориентируются те же танкеры и сухогрузы, не говоря о авиалайнерах. Мы не задумываемся, но без спутников элементарно выросла бы в цене в полтора раза вся американская техника, ибо её было бы тупо дороже везти (и дороже доставлять до американских электростанций арабскую нефть, как и до европейских). Опять же, в ближайшем будущем фактор космического превосходства будет только расти.

1.3. Долговременные исследования. То, что не имеет практической ценности сейчас, но принесёт её через полвека. Для этого направления характерны две особенности: во-первых, заранее неизвестно, что именно приведёт к успеху, поэтому деньги обычно выделяются понемногу и на большой массив проектов, из которых плоды заведомо принесут единицы, во-вторых, возможность вкладывать туда деньги имеют исключительно мировые лидеры, то бишь США, КНР в обнимку со своей колонией, частично Европа, и, в перспективе ближайших двадцати лет, Индия и Бразилия.

2. Средства. Они для каждой группы целей специфические, поэтому рассматривать их мы будем также в три этапа.

2.1. Поскольку военный космос сейчас можно разделить на две категории (ракетное оружие и спутниковые группировки самого различного назначения), рассмотрим каждую в отдельности. Ракетное оружие сегодня представлено преимущественно межконтинентальными баллистическими ракетами шахтного и подводного базирования, для занятых локальными конфликтами государств (aka Индия и Пакистан, а также Израиль, Иран и прочая ближневосточная мошна) представляют интерес ракеты малой и средней дальности. США, РФ и, учитывая уровень секретности, с высокой долей вероятности, КНР обладают технологиями противоракетной обороны, включая сами противоракеты, ЗГРЛС и орбитальные группировки СПРН. Развитие этих отраслей в ближайшем будущем может быть связано, во-первых, с развитием самой начинки ракет (прежде всего в области маневрирования на всех этапах траектории с целью уклонения от ПРО/ маневрирования самих противоракет с целью поразить мишень), что к космосу, в принципе, отношения особо не имеет, а имеет к программному обеспечению и производству высокотехнологичного железа для мозгов, во-вторых, с удешевлением производства оных, что даёт возможность наклепать больше ракет/противоракет и с большим шансом пробить вражескую ПРО/отразить вероломное ракетно-ядерное нападение. Удешевление связано с повсеместным распространением твердотопливной первой ступени, поскольку оная дешевле жидкостной на порядок, и использованием ЖРД только для небольшой коррекции траектории и донаведения (опционально разведения блоков, хотя есть мнение, что стратегически оправдан возврат к моноблочным ракетам, ибо уменьшает эффективность вражеского превентивного удара, а значит, снижает его вероятность). Развитие орбитальных группировок связано с развитием, опять же, начинки, которая, опять же, к космосу отношения не имеет, зато имеет к целому ряду отраслей науки и промышленности, а также с удешевлением запуска, что уже комплексный вопрос и требует более детального рассмотрения. Но об этом позднее. Примером перспективной военной технологии является суборбитальный бомбардировщик, который несёт как воздушно-реактивный двигатель, так и ЖРД, набирает высоту и скорость порядка 20 км и 2М, после чего включает ЖРД до расхода половины окислителя, преодолевает значительное расстояние вне атмосферы, тормозит аэродинамически, сбрасывает бомбу, после чего снова набирает на обычном реактивном двигателе высоту и скорость, снова врубает ЖРД и возвращается по суборбитальной траектории на базу, после чего заправляется и снова летит бомбить кого бы то ни было.

2.2. Развитие космоса экономического связано прежде всего с удешевлением запусков. Чтобы сильнее удешевить производство, в котором применяется космическая поддержка, нужно удешевить космическую поддержку. То есть мы возвращаемся к той же задаче, что стоит для космоса военного. В добыче космических ресурсов для доставки на Землю смысла, в принципе, нет. Популярная идея про гелий-3 упирается в тот простой факт, что гелий нам нужен не как самоцель, а как энергоноситель. За него платят такие деньги потому, что применяют преимущественно в исследовательских целях, в которых он незаменим (для изучения свойств гелия-3 нужен гелий-3, невозможно для этой цели взять уголь или уран аднака). Если мы построим термоядерный реактор и начнём таскать к нему топливо с Луны, а на выходе получим банальную электроэнергию, которая на Земле стоит, конечно, не копейки, но на порядки меньше, чем итог нашей термоядерной деятельности. И её никто не купит. Единственная добыча ресурсов в космосе, которая может окупиться - это добыча топлива для космоса же. Стоимость килограмма топлива на НОО равняется стоимости доставки килограмма груза на НОО плюс стоимость самого топлива, коей пренебрежём. Если мы запустим на орбиту тот же килограмм груза и добьёмся того, чтобы он доставил на НОО полтора килограмма топлива, полученного прямо в космосе, прежде чем в этом килограмме сломается какая-нибудь деталь, мы ничуть не удешевим запуски на НОО, но изрядно удешевим запуски на ГСО и критически с точки зрения массовых запусков удешевим доставку килограмма груза к Луне и другим планетам. Тем более - если наш килограмм груза достанет нам не полтора килограмма топлива, а десять. Строительство топливодобывающей станции на Луне действительно может быть выгодно чисто коммерчески, не считая возможностей по освоению дальнего космоса, которые откроются перед её владельцами. Благо воду вроде как недавно нашли в нескольких районах в достаточном количестве, что позволяет получать как минимум пероксид водорода в качестве монотоплива, а если хорошо поработать и поизвращаться, то можно сварганить что-нибудь с топливной парой "перекись - трисилан (Si3H8)" - может, именно с этой рабочей лошадкой историки XXII века будут связывать "небывалый прорыв человека в космос в прошлом столетии".

2.3. Фундаментальные исследования, прежде всего, связаны с тем, что мы будем в космосе изучать. Изрядная часть стоимости таких миссий - само научное оборудование. Но есть один нюанс. При отправке всякого барахла для исполнения некой задачи на орбиту куча денег тратится на каждый килограмм груза. Это вынуждает использовать более дорогое оборудование, имеющее меньшую массу, но способную выполнить ту же задачу. Рано или поздно наступает равновесная точка, в которой снижение стоимости запуска за счёт уменьшения массы ПН (линейного) полностью компенсируется увеличением стоимости самой ПН (нелинейным), а дальше запуск снова начинает дорожать. Дороговизна оборудования связана, в первую очередь, именно с этим. Если мы удешевим запуски, мы автоматически сможем отправить и более дешёвое оборудование - равновесная точка сместится.

3. Итак, мы пришли к двум первоочередным задачам для тех, кто желает развития космической отрасли - это удешевление запусков на НОО и строительство топливодобывающего комплекса на Луне. Вслед за этим всё остальное придёт само. Переходим к непосредственным решениям.

Стоимость запуска складывается из зарплат специалистов, которые его обеспечивают (под специалистами понимаются не только сотрудники конкретного космического агентства, а вообще все, кто вкладывает свой труд в запуск, конструктора в КБ, собирающие ракету рабочие, люди, которые производят отдельные детали ракет, топливные баки, компрессоры, турбины, камеры сгорания, электронные компоненты, пишут ПО, вплоть до шахтёров, которые добыли руду, из которой выплавили металл, из которого сделали детали, из которых собрали ракету). Соответственно, уменьшаем зарплаты = удешевляем запуск. Нет, это не шутка. Зарплата, как известно, обратно пропорциональна количеству кандидатов и прямо пропорциональна количеству вакантных мест, а также лет, потраченных на обучение. Готовим вдвое больше специалистов, из которых нанимаем то же количество, что и раньше - экономим кучу бабла. И никаких возвращаемых ступеней и прочего хлама, чистая экономика. Сокращаем образовательные программы за счёт лучшей подготовки преподавателей - экономим кучу бабла. Никаких аэрокосмических систем, чистая теория обучения. Максимально автоматизируем производство всякого ракетного хлама, пусть и ценой надёжности - теряем пять процентов грузов на старте, зато платим за вышедшее на орбиту вдвое меньше. Надёжные ракеты ручной сборки бережём для хрупких человеческих тушек и особо ценных грузов, которые сами по себе приближаются по цене к запуску. Никакой техномагии, чистая оптимизация производства.
Далее, цена запуска может быть снижена за счёт уменьшения стартовой массы ракеты, что достигается тремя путями: повысить конструктивное совершенство ракет, увеличить эффективность сжигания топлива и запустить её с как можно более высокой точки и с как можно более высокой стартовой, то есть достигнутой без участия самой ракеты, скоростью. Эффективность сжигания топлива определяется формой сопла, температурой и давлением в КС и молекулярной массой истекающих газов. Форма сопла рассчитывается как оптимальная для конкретного внешнего давления, именно с этим связаны работы над клиновоздушными соплами, которые теоретически должны иметь достаточно высокую эффективность на всех высотах. Но при запуске с большой высоты это становится неактуально. Температура и давление жёстко ограничены возможностями конструкционных материалов КС, если здесь и будет какой-то прогресс, то он придёт со стороны материаловедов (как и для конструктивного совершенства). А вот молекулярная масса газов поддаётся прогрессу напрямую. Проблема тут вот в чём: наиболее эффективная топливная пара (водород-фтор) является в то же самое время весьма токсичной. Решение - создание международной пусковой площадки с общепризнанной зоной отчуждения и всеобщим доступом. Теоретически, с развитием конструкционных материалов станет возможным строительство башни 15-20 километровой высоты, что позволит свести к нулю аэродинамические потери и уменьшить гравитационные. Таким образом, дельта для выхода на низкую опорную орбиту в 250 километров составит порядка 8200 м/с. Скорость истечения для пары "водород-фтор" при таком давлении - 4500 м/с. Это даёт нам соотношение полной и пустой массы в 6,17 для одноступенчатого носителя и 2,48 для каждой ступени двухступенчатого. Если мы принимаем k=10, соотношение массы одноступенчатого носителя к массе ПН выходит равным тринадцати, Карл! Это удешевление в два с половиной раза только за счёт выбора правильной стартовой площадки.

Про лунную топливодобывающую станцию потом допишу.