Обустроим ближний космос!

Сейчас уже очевидно, что затраты земных ресурсов слишком велики для мало-мальски результативных действий по космической экспансии. Попробуем поискать выход.

Парящий в стратосфере

Ближний космос, подлежащий обустройству в XXI веке, — это пространство между верхними слоями атмосферы и орбитой Луны, примерно 385 тысяч км. Почему Луна? Там лучшее место для создания базы экспансии человечества по меньшей мере в пределах Солнечной системы. А нижней границей примем стратосферу чуть ниже расположения озонового слоя, то есть 15–20 км над уровнем моря. Между этими границами должна быть создана транспортная система, способная перемещать грузы и людей с минимальными затратами ископаемых ресурсов Земли.

Базовым элементом такой системы послужит стратосферный аэрофил. Это ц, который движется без посадок, например, вдоль экватора на высоте 20 км над уровнем моря. Там уже нет облаков и не летает гражданская авиация или птицы: ничто не мешает развертыванию на этой высоте транспортной системы.

Энергию для своего движения аэрофил получает с летящей строго параллельно орбитальной станции, на которой развернуто большое поле солнечных батарей. Орбита станции не геостационарная, а соответствует вечной заре, то есть ее батареи круглые сутки ловят свет Солнца, проходящий мимо Земли, и при этом она нисколько не затеняет поверхность планеты. Со станции энергию на аэрофил скорее всего будут передавать импульсами микроволнового или лазерного излучения, как это предусмотрено в проектах орбитальных солнечных электростанций.

В принципе, если поле батарей вокруг станции будет достаточно большим, производство энергии может оказаться избыточным. Тогда через систему ретрансляторов ее станут передавать стратосферным потребителям в других местах. В общем, предстоит создать систему, о которой мечтал Тесла.

Небесный дракон со струей плазмы

Кроме этой полученной от Солнца электроэнергии аэрофилу для полета ничего не нужно, никакого топлива. Потому что рабочим телом (то есть веществом, выбрасываемым из дюз и создающим силу реактивного движения) для его двигателя служит сам окружающий воздух. Он в стратосфере разрежен, но не чрезмерно: плотность в десять раз меньше, чем на уровне моря, и составляет примерно 100 грамм на кубический метр. Сейчас самый энергетически выгодный и по топливу экономный двигатель для космоса — плазменный (ионный или на эффекте Холла), в нем реактивную плазменную струю разгоняют электромагнитными полями.

Наверняка такую схему для авиации специалисты не раз обсуждали, однако в СМИ никаких следов этого обсуждения нет. Видимо, было решено, что схема нереальна. Думаю, просто не удалось найти способ быстро и результативно конвертировать заданные объемы разреженного воздуха стратосферы в плазму. Задача эта новая, потому решать ее — удел не спецов, а изобретателей и теоретиков.

Зададим условия задачи: в стратосфере летит арофил, его энергообеспечение с орбиты не ограничено, ведь он получает электричество от вечно освещенных Солнцем орбитальных полей солнечных батарей. Надо преобразовать электроэнергию в энергию реактивной струи плазмы, которая обеспечивает движение самолета. А источником плазмы служит окружающий воздух. Как эту плазму быстро получить?

Вот мое решение: молниеносную и полную конверсию воздуха в плазму дает молния, она же высоковольтный разряд и вольтова дуга.

Конечно, воздух надо предварительно уплотнить; эта задача уже решена в виде воздухозаборника авиамоторов. Возможно, поступающий воздух удастся частично превращать в плазму прямо в воздухозаборнике. Ведь при образовании плазмы получаются тяжелые ионы, которые пойдут в ускоритель, и остаются легкие электроны. Для реактивного движения из-за малости массы они бесполезны, но их можно собрать в пучок и направить на поток приходящего воздуха для его ионизации.

Скорость плазменной струи и тягу нужно увеличивать до высоких, в идеале релятивистских значений, разгоняя плазму в электромагнитной пушке-ускорителе. Скорее всего аэрофил будет похож на воздушный змей с длинным хвостом, где разместится ускоритель ионов. Возможно, хвост придется оснастить крыльями для увеличения подъемной силы.

В принципе ионные двигатели хорошо известны, их используют для преодоления огромных расстояний к дальним планетам Солнечной системы. Тяга таких двигателей крайне мала, разгон длится годами, и это связано с ограниченным ресурсом энергии и малым запасом рабочего тела (в его качестве служит тяжелый ксенон), который космический корабль может взять с собой. В случае аэрофила таких ограничений нет: энергию дает Солнце, а рабочим телом служит окружающий воздух, оба этих ресурса безграничны. Новизна схемы аэрофила гарантирует, что его конструкция будет совершенствоваться еще долго и кардинально.

Орнитоптеру Леонардо да Винчи хвост был нужен для стабилизации полета, а подъемную силу создавала мускульная сила человека. У стратосферного аэрофила в длинном хвосте расположится линейный ускоритель плазмы, а тягу обеспечит вылетающая из хвоста реактивная струя

Небесный вокзал

Аэрофил служит стратосферным вокзалом: он принимает и отправляет далее грузы и людей. Да, это может быть большой объект. Особых аэродинамических ограничений на его размер не видно. Напротив, чем крупнее самолет, тем ниже лобовое сопротивление, а чем больше площадь крыльев, тем выше подъемная сила и грузоподъемность.

В чем выигрыш от стратосферного вокзала? В том, что основной вес космического корабля, взлетающего с Земли, составляет топливо: его надо сжечь для преодоления гравитации. Полет до стратосферного вокзала резко снижает потребность в топливе, ведь далее груз на орбитальную станцию можно доставлять либо с помощью троса, реализовав давно обсуждаемую идею космического лифта, либо на плазменном космолете; его «топливные» баки будут заправлены жидким воздухом, собранным аэрофилом. Фактически полет за пределами стратосферы идет без необходимости расходовать топливо, взятое с Земли: его получают на месте.

Посадку космолета на аэрофил сделает надежной и удобной для последующего старта своего рода стульчак в фюзеляже аэрофила — круглое отверстие в нем по форме космолета, чтобы корма заходила, а остальное нет. Космолет закреплен на стульчаке под углом носом вперед и чуть вверх, облегчая старт и минимизируя сопротивление воздуха. При старте струя плазмы сквозь отверстие уйдет под аэрофил, не касаясь фюзеляжа. А сначала дыра стульчака также пропустит струю и при посадке на него космолета.

Похожий плазменно-топливный гибридный челнок доставляет с Земли груз к аэрофилу и обратно. На взлете он использует высокоэнергичное ископаемое топливо, а на обратном пути работает плазменный двигатель, заправленный на аэрофиле. Тогда топлива потребуется немного, ведь челноку надо преодолевать не сотни, а два десятка километров против силы тяжести Земли, и не возить с собой лишние его запасы на возвращение. Значит, челнок может взять больше груза и в меньшей степени загрязнит атмосферу продуктами сгорания. Кроме того, меньше топлива — меньше угроза взрывов и пожаров, а это половина всех катастроф.

Полет на пыли

Пока речь шла о системе Земля — околоземная орбита. А что там с Луной? Лунный грунт, несомненно, это прежде всего руда для выплавки металла, изготовления солнечных батарей, в общем — главное сырье лунных и орбитальных заводов. И он же должен стать основой топлива для полетов за пределы околоземной орбиты. Для этого нужно на лунном заводе восстановить с помощью электролиза образующие его оксиды, собрать кислород, а твердые вещества сформировать в виде наночастиц.

Нанопорошки алюминия уже используют как энергетическую добавку к ракетному топливу, так что в таком решении нет ничего удивительного. Порошок можно облучать космической радиацией повышая число дефектов на поверхности и ее энергию. Слипание частиц можно предотвратить, придав порошинкам положительный заряд. На Луне с этим не должно быть проблем: протоны составляют основную часть солнечного ветра, свободно омывающего поверхность нашего спутника. Хранить наночастицы надо в вакууме, смешивая с кислородом при сжигании (сейчас их хранят в топливе). Хранение в вакууме отлично сохранит достигнутую измельчением и облучением энергию поверхности.

Продукты электролиза, запакованные в контейнеры, отправятся на околоземную орбиту в места расположения заправочных станций. Это можно делать, прицельно выстреливая контейнеры электромагнитной пушкой, благо на Луне вакуум и слабое тяготение, то есть для работы пушки не потребуется чрезмерных затрат энергии. Космобуксиры встретят свободно летящие контейнеры и сопроводят их к заправочным станциям. Станции-склады такого топлива надо равномерно распределять на околоземной орбите, чтобы оперативно и экономно пополнять запас топлива: он нужен для заправки космолетов.

В топливной камере космолета порошки и кислород будут сгорать, снова образуя оксиды. Из-за огромной поверхности частиц порошков процесс сгорания пойдет интенсивно и получится много энергии. Если же довести продукты сгорания до состояния плазмы, то за счет электромагнитного ускорения можно получить дополнительную реактивную силу. Будучи выброшенными с большой скоростью из дюз, они останутся в молекулярной, в крайнем случае кластерной форме. Далее распределившись по околоземному пространству, они не смогут сформировать крупные пылинки и представлять опасность для космических полетов.

Колоссальные и легкодоступные ресурсы ближнего космоса позволят держать огромную космическую флотилию разнообразных судов с минимумом запуска новых, так как всё будет ремонтироваться и реконструироваться в космосе. Потеря и сгорание объектов в атмосфере уйдут в историю: аппараты флотилии не покидают космоса, ремонтировать и утилизировать их станут роботы на орбитальных заводах. А легкая дозаправка космических буксиров обеспечит возможность периодической и неограниченной по числу раз коррекции орбиты спутников околоземной группировки. Основным ресурсом с Земли станет ресурс рабочего времени работников Центра управления полетами.