Проект бюджетной лунной базы отлеживается в архиве

Принципиальная схема работы твердофазной ловушки системы Moontrap. Иллюстрация автора

Ведущие национальные космические агентства имеют детально проработанные планы создания базы на Луне. Казалось бы, существует полная ясность и согласие специалистов по вопросу, что делать для возвращения на Луну. Однако, как показали последние события в США, это далеко не так. Начался бунт политической и научной элит против имеющихся планов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) по причине их чрезмерной дороговизны и медлительности.

Частная лунная альтернатива

План строительства окололунной орбитальной станции Gateway подвергся жесткой критике как ненужный и чрезмерно дорогой. Строительство обойдется американским налогоплательщикам не менее чем в 50 млрд долл. При этом не предусмотрено строительство лунной базы, которая будет стоить минимум столько же.

Американская неправительственная организация Open Lunar Foundation посчитала, что для основания лунной колонии нужно 2–3 млрд долл. с учетом удешевления ракетной техники. Потребуются и другие новые технологии, которые Open Lunar планирует заимствовать у внешних разработчиков из открытых источников. В итоге под давлением критики президент США Дональд Трамп некоторое время назад призывал директора NASA Джеймса Брайденстайна рассмотреть альтернативные проекты освоения Луны.

Российская космонавтика находится в такой же ситуации: у нее также нет недорогих и быстрых в реализации планов создания лунной базы. При этом в отличие от NASA Роскосмос не имеет мощной финансовой поддержки, что объективно делает его еще более заинтересованным в поиске альтернативных планов.

Однако в России нет такой мощной, как в США, оппозиции неэффективным официальным планам создания лунной базы. Тем не менее альтернативные планы освоения Луны были разработаны вне бюджетных учреждений и рассмотрены на уровне госучреждений.

Таким перспективным общественно‑частным альтернативным планом по сокращению расходов является проект Moontrap, созданный в инициативном порядке частной организацией. Он прошел апробацию на академических научных чтениях по космонавтике, в Московском космическом клубе и в рабочей группе SpaceNet (подразделении AeroNet) Национальной стратегической инициативы. 21 февраля 2018 года проект был представлен Роскосмосу – состоялось его рассмотрение на межотраслевом семинаре в Информационно‑аналитическом центре (ИАЦ) Роскосмоса.

Система Moontrap основана на рационализации нескольких конкурирующих логистических схем в космосе. Известно три основных способа обеспечения строительства и работы базы на Луне. Рассмотрим их.

Бармин, Галимов и Марвик

Первый способ – доставка конструкций базы в готовом виде с Земли на Луну. Этот способ можно условно назвать способом Бармина, по фамилии разработчика советской лунной базы «Звезда» академика Владимира Павловича Бармина и его сына Игоря Бармина, члена‑корреспондента РАН, президента Российской академии космонавтики, отстаивающего способ сооружения базы доставкой на Луну полностью готовых конструкций.

Второй способ – доставка на Луну 3D‑принтеров, которые напечатают из металла нужные части конструкции базы, и добывающе‑перерабатывающего оборудования по производству из реголита (поверхностный слой сыпучего лунного грунта) алюминия, титана и железа – сырья для 3D‑принтеров. Этот способ можно условно назвать способом Галимова, по фамилии пропагандиста этого способа академика Эрика Михайловича Галимова. Он утверждает: «С Земли есть смысл везти только то, что нецелесообразно делать на Луне: электронику, блоки управления. Это не так много весит. А вот титановый корпус хоть на 50 тонн там можно сделать автоматически – сегодня у нас есть 3D‑принтеры».

Третий способ – доставка на Луну только сырья (конструкционных и расходных материалов) и обрабатывающего оборудования, на котором изготавливают части базы. После завершения строительства базы поставки сырья продолжаются для обеспечения экипажа и ракетной техники. Этот способ имеет право называться способом Марвика, по фамилии американского изобретателя Эдварда Ф. Марвика, его предложившего, – патент US 4775120.

Способ Бармина требует использования сверхтяжелых ракет, что само по себе проблематично для Роскосмоса ввиду длительных сроков и высоких затрат на НИОКР. Но даже в случае применения обычных тяжелых ракет это самый дорогой способ сооружения базы. Согласно формуле Циолковского, затраты доставки грузов на Луну приблизительно в 10 раз больше затрат доставки на МКС. Смена экипажа базы при помощи обычной ракетно‑космической техники будет в 30–50 раз дороже визитов на МКС.

Вместе с тем при организации на базе производства ракетного топлива из лунного сырья смена экипажа базы может стать дешевле в 3–5 раз при заправке ракет топливом на Луне. В дальнейшем при поставках лунного топлива на топливозаправочные станции на низкой околоземной орбите снизится и стоимость отправки к Луне с околоземной орбиты.

Однако организация добычи и переработки лунного сырья ставит под сомнение целесообразность способа Бармина. Если на Луне появляется промышленность по производству кислорода не только из воды на полюсах, но также из реголита в других зонах Луны, отходами которой неизбежно будут железо, алюминий, титан, магний и кремний, то способ Галимова получает очевидное преимущество, особенно на фоне роботизации производства. Доставив на Луну 3D‑принтеры, роботизированные комплексы построят базу из местного сырья. Это обойдется многократно дешевле, доставки готовых блоков с Земли, масса которых многократно превышает массу принтеров.

У способа Галимова, однако, тоже есть проблемы с эффективностью. Для работы агрегатов по получению металлов из реголита требуется приблизительно в 200–300 раз больше энергии, чем для печати конструкций базы из металлических расплавов. Скорость выделения металлов из лунного сырья также многократно отстает от скорости нанесения металлов на формируемое изделие. К примеру, требуется 1–2 часа для выделения железа из лунного ильменита методом прямого восстановления металлов из оксидов водородом. В итоге агрегаты для переработки лунного сырья оказываются значительно массивнее 3D‑принтеров.

Способ Марвика избавляет строителей базы от проблем с добывающим и перерабатывающим оборудованием. Сырье для 3D‑принтеров доставляется с Земли и потому практически сразу может быть использовано в строительстве. На первый взгляд способ Марвика – это возвращение к способу Бармина, поскольку в обоих случаях масса грузов, доставляемых с Земли, одинакова. Однако это не так – выигрыш и экономия есть.

В способе Бармина космический аппарат с грузом совершает реактивную мягкую посадку, тогда как в способе Марвика используется способ баллистического нереактивного спуска грузовой капсулы на Луну и ударного торможения в специальном устройстве на поверхности. Дело в том, что большинство видов необходимых для строительства сырых материалов не нуждаются в дорогостоящей мягкой посадке – они способны переносить ускорения в тысячи g. В результате масса груза увеличивается в 7–8 раз за счет устранения тормозной ступени и запаса топлива для ее двигателей. С учетом стоимости устраненной тормозной ступени стоимость доставки груза на Луну по безракетному способу Марвика сокращается на 80–90% по сравнению с ракетным способом.

Тормозное устройство Марвика – это труба длиной 300 м, заполненная аэрозолем и оснащенная быстродействующим шлюзом на входном торце. Капсула с грузом направляется космическим аппаратом во входной шлюз, после прохождения которого она на скорости 2500–3000 м/с входит в газонаполненную трубу с аэрозолем переменной плотности и начинает замедляться за счет аэродинамического торможения. Средняя величина перегрузок – 1500 g, что значительно меньше перегрузок, испытываемых при выстреле артиллеристским снарядом.

Твердофазные ловушки

Безракетный способ Марвика необходим на этапе развертывания базы. Затем по завершении строительства начинается использование местных ресурсов по способу Галимова. В связи с тем что на Луне имеется дефицит некоторых веществ, необходимых лунной промышленности, например углерода, потребуется их доставка с околоземных астероидов и спутников Марса, так как обойдется на порядки дешевле доставки с Земли. В этом случае безракетный метод посадки грузов на Луну снова будет востребован.

Альтернативный проект Moontrap – проект, в котором система безракетной посадки Эдварда Марвика является прототипом. Недостатки системы Марвика, обусловленные циклопическими массогабаритными характеристиками, устранены в системе Moontrap.

Масса типичной ловушки грузов системы Moontrap равна 100 т при длине всего 12 м. Масса доставляемой с Земли оболочечной конструкции составляет всего 1 т. Ловушка Moontrap – это цилиндрический тонкостенный контейнер, который заполнен реголитом и оснащен механическими и газодинамическими затворами для обеспечения герметичности после приема порций высоколетучих веществ. Реголит выполняет функцию тормозной среды.

Забрасываемые в ловушку грузы, массой 30–50 кг порция, имеют форму пенетраторов – сильно удлиненных цилиндрических контейнеров, заполненных веществами, необходимыми для снабжения базы. Наполнителями являются жидкие кислород, метан, водород, хлор, фтор, вода. Каждое вещество доставляется в свой тип ловушки.

Для доставки металлов и углерода используются пенетраторы, изготовленные из этих материалов. Ловушки для таких материалов могут быть в виде простых насыпей реголита.

Точность попадания пенетраторов в ловушку обеспечивается теми же способами, что и точность попадания высокоточных ракет и снарядов в цель, наводимых лазерными указателями, радиомаяками и системой GPS. Космический аппарат при помощи навигационной системы выходит на окололунную орбиту. Вдоль проекции орбиты на поверхность Луны размещены лазерные и радиомаяки, задающие точную траекторию движения космического аппарата к ловушке. Достаточная точность – 30–50 см.

Так как у Луны нет атмосферы, высота орбиты может проходить всего в нескольких метрах над ловушкой. При подлете к ловушке пенетраторы опускаются вниз из космического аппарата на выдвижной штанге на требуемое расстояние. За несколько секунд до столкновения держатель пенетратора раскрывается и штанга втягивается. Пенетратор продолжает движение и попадает в ловушку со скоростью, почти равной скорости космического аппарата, а сам аппарат переходит на траекторию возращения к Земле для перезарядки и повторного использования. Возможны более сложные схемы, использующие многократный пролет аппарата по орбите над ловушкой перед возвращением.

По расчетам РКК «Энергия», цена доставки груза на Луну, например топлива на обратный путь, составила бы 52 тыс. долл/кг. Система Moontrap сокращает эту цену до 17 тыс. долл/кг как минимум. Таким образом обеспечивается существенная экономия на замены экипажа базы.

Процесс захвата пенетраторов в твердофазных ловушках системы Moontrap отличается от процесса захвата в тормозной аэродинамической системе Марвика. Процесс описывается уравнением, названным именем академика Михаила Лаврентьева, первым понявшего природу высокоскоростного удара. Применение пенетраторов хорошо освоено на практике благодаря военным исследованиям высокоскоростных ударов.

Технология Moontrap хорошо сочетается с технологиями обработки реголита водородом с получением в результате металлов для 3D‑принтеров и сырья для производства ракетного топлива – воды. Например, подача водорода в коллектор с лунным ильменитом при температуре 300 градусов на 1 кг водорода дает почти 28 кг железа и 9 кг воды. Выход продукции составляет 37 кг, что эквивалентно доставке груза на Луну в среднем по цене 460 долл/кг (17 тыс. долл. / 37 кг = 460 долл/кг). Так обеспечивается возможность снабжения базы ресурсами до решения проблемы добычи воды на Южном полюсе Луны.

На данный момент проект Moontrap после получения поддержки ряда ведущих специалистов вылеживается в архивах ИАЦ Роскосмоса, где после презентации проекта появился уже третий директор. Очевидно, что без критического давления проект скорее будет реализован в NASA, чем в Роскосмосе.