Гравитационный дом отдыха

Судя по всему, серьезная ставка при создании лунной базы делается на технологию 3D-печати. Иллюстрация NASA

Возвращение людей на Луну затянулось не случайно. Все известные проекты лунных баз имели непомерно высокую стоимость поддержания их деятельности при отсутствии экономической целесообразности. В соответствии с формулой Циолковского затраты на посещение лунной базы в среднем в 30 раз больше, чем затраты на посещение МКС.

Луна – топливный бак

В деньгах это выглядит так: в официальных расценках визит на станцию на полгода стоит 80 млн долл. на одного человека, или 160 млн в год на одно место на МКС, а визит на Луну соответственно будет стоить 4, 8 млрд долл. за место, или 19,2 млрд в год, за ротацию экипажа четырехместной базы. За десятилетие затраты на ротацию экипажа базы вырастут до 200 млрд долл. Таковы расходы при использовании современной техники. Цифры приблизительные, но близкие к действительным.

Конечно, применение новых ракет, имеющих повышенную грузоподъемность, и лунных взлетно‑посадочных модулей (без тяжелой тепловой защиты), используемых многократно, уменьшит затраты. Однако такая техника еще разрабатывается. Другой вариант при нынешней технике – лунное топливо. В три раза сократит расходы дозаправка транспортных модулей на Луне ракетным топливом, производимым из местных ресурсов – воды или реголита.

Производство ракетного топлива на Луне не только даст  экономию на обеспечении базы, но может принести и дополнительный доход от использования лунного топлива для запуска коммерческих спутников с низкой околоземной орбиты на геостационарную и высокоэллиптические орбиты. На данном этапе развития коммерческой индустрии запуска спутников доход может составить 6–9 млрд долл. в год. До 14–16 млрд долл. в год дополнительно может дать производство космических аппаратов в космосе из лунных металлов – технология 3D‑печати позволяет создавать ракеты и аппараты, готовые на 95%. В этом варианте создание базы на поверхности Луны получает экономическое обоснование.

Вместе с тем создание полноценной топливной индустрии на Луне будет не одномоментным процессом, а растянется как минимум на десятилетие. Поэтому актуальными остаются другие варианты сокращения затрат на обеспечение лунной базы даже при использовании улучшенных вариантов ракетно‑космического транспорта.

Другое направление радикального сокращения расходов – увеличение длительности вахты. Некоторые планы работы баз на Луне предполагали вахты длительностью в четыре года и больше. Такое время считалось вполне приемлемым на фоне планов экспедиций на Марс общей длительностью три года. Предполагалось, что наличие небольшой тяжести на Луне не нанесет серьезного ущерба здоровью космонавтов в отличие от невесомости на космических кораблях и орбитальных станциях. Соответственно каждый дополнительный год увеличения длительности вахты давал бы экономию до 20 млрд долл. в год для базы с персоналом из четырех человек. За пять лет экономия составляет 100 млрд долл. Сбереженные средства с большей пользой были бы использованы на создание лунной топливной индустрии.

Малая тяжесть – большие проблемы

Вместе с тем предположение о легкости увеличения длительности вахт на базах оказалось неверным. Малая тяжесть Луны столь же опасна, как и полная невесомость.

При низкой гравитации: теряется костная масса; ослабевают мышцы; возникают проблемы с легкими и сердцем; необратимо ухудшается зрение; ослабевает иммунитет. «Вероятнее всего, люди, которые проведут на Луне несколько лет, смогут адаптироваться, но на Землю они никогда не вернутся: их кости станут слишком слабы. Это билет в один конец», – считает академик РАН Лев Зеленый.

Тема противодействия вредному влиянию низкой гравитации Луны рассматривалась на 43-х ежегодных академических Королёвских чтениях по космонавтике в МГТУ имени Баумана в начале 2019 года.

Принципиальная схема тороидальной базы-центрифуги. 1 – жилой модуль (диаметр 3,2 м); 2 – путевая структура в виде газонаполненной тонкостенной трубы (диаметр 4,5 м); 3 – антирадиационный экран в виде насыпи реголита (длина 1407 м); 4 – колесо модуля; 5 – часть пневмоконструкции, выполняющей функцию опорной поверхности для колеса модуля; 6 – роверы (луноходы), для выполнения работ по выравниванию ложа путевой структуры и засыпке реголитом тороидальной центрифуги прицепным грунтометом. Иллюстрация автора

Способ создания искусственной гравитации известен давно – еще Константин Циолковский обосновал возможность использования центробежной силы в качестве аналога земной силы тяжести. Предложение Циолковского получило развитие в проекте вращающейся тороидальной орбитальной станции-бублика Вернера фон Брауна и в проекте тросовой центрифуги из пары космических кораблей Сергея Королева. Однако эти центрифуги рассчитаны на использование в космосе, а не на поверхности Луны или планет. Для лунной и марсианской станций потребуются новые технические решения.

В лунных условиях невозможно просто перенести решения, подходящие для низкоорбитальных станций. На низкой орбите экипаж станции защищен магнитным полем Земли от космической радиации. На лунной же поверхности нет такой защиты – жилые модули станции будут пронизываться потоком притонов от Солнца и галактическим потоком тяжелых частиц. Защита от космической радиации возможна, но она очень тяжела – толщина антирадиационного экрана из камня должна быть не меньше 1 м.

Необходимость защиты экипажа станции от радиации резко увеличивает массу жилого модуля – с 4–8 т. типового модуля советского проекта «Звезда» академика Владимира Бармина, масса модуля вырастает до 160 т. Соответственно тросовая центрифуга карусельного типа, очень простая для модулей без антирадиационной защиты, превращается в циклопическое сооружение в виде башни с двумя жилыми модулями общей массой 320 т. Массу модулей можно сократить при использовании кольцевой траншеи и насыпей вдоль окружности, по которой они вращаются. Однако больше половины поверхности модулей останется открытой, и общая масса сократится всего до 200 тонн. При этом придется дополнительно создавать кольцевую путевую структуру для предотвращения колебаний висящих на тросе модулей и столкновения со стенками траншеи.

Для исключения дискомфортного состояния (головокружения и тошноты) от сил Кориолиса радиус вращения модулей должен быть большим. Если радиус равен рекомендованным 224 м, то высота башни центрифуги-карусели будет около 38 м. Недостатком такой конструкции является риск обрыва троса, который подвержен действию микрометеоритной эрозии и не может быть защищен от ударов крупных метеоритов или осколков лунной почвы при падении метеоритов недалеко от базы.

Тороидальная центрифуга в виде базы-бублика также не подходит, потому что ее массогабаритные размеры избыточны для малочисленного экипажа базы. Придется также сооружать массивное основание для такой большой конструкции. Требуется иное решение.

На протяжении всей истории цивилизации человек строил планы колонизации Луны. Сегодня многие из них выглядят наивно, но не менее интригующе.  Обложка журнала «Техника-молодежи», № 8, 1953 год

Возможное решение – разделение антирадиационной защиты и жилого модуля. Модуль движется по окружности для получения нужной величины искусственной тяжести, а защита окружает траекторию движения модуля. Полная защита исключает использование тросов – канал движения модуля должен быть закрыт со всех сторон, то есть представлять собой кольцевой тоннель в грунте.

Такую масштабную, но очень легкую конструкцию можно создать. Прорывать тоннель под поверхностью не потребуется: для защиты трассы выгодно использовать сыпучий материал, в изобилии имеющийся на лунной поверхности, – реголит. Сама кольцевая трасса должна представлять собой пневматическую конструкцию, так как надувные сооружения работают на растяжение, что делает их массу на порядок меньше конструкций, работающих на сжатие, при высокой жесткости. Для создания требуемой жесткости достаточно   давления в 0,1 атм.

Расчеты показывают, что трасса для кольцевого движения жилого модуля базы, выполненная в виде трубы, может иметь массу всего 16 т. при изготовлении из листовой стали толщиной 0,1 мм. Использование современных сверхпрочных материалов уменьшит массу кольцевой трубы центрифуги до 2 т.

При монтаже трассы удобно использование трубопровода из нитинола – сплава с памятью, то есть с возможностью разворчаиваться (или сворачиваться), принимая исходную заданную форму. Секции трубы доставляются в компактном виде, саморазворачиваются на строительной площадке и герметично соединяются муфтами из нитинола. Затем в трубопровод подается воздух, и машины-грунтометы засыпают его реголитом. При умеренной мощности рабочих агрегатов на засыпку потребуется полтора месяца.

Трубопровод из сверхпрочного полиэтилена (СВМПЭ) доставляется в скрученном виде уже целиком, так как его масса около 2 т. Машина-укладчик разворачивает трубопровод на выровненном кольцевом участке с одновременной засыпкой реголитом для защиты от микрометеоритов, и после накачки воздухом конструкция центрифуги принимает рабочий вид. Внешний вид и способ работы надувной центрифуги показаны на принципиальной схеме.

На схеме видно, что реголит создает подпорную стенку со стороны действия центробежной силы. Подпорная стенка из реголита обеспечивает трубопроводу дополнительную жесткость при качении по нему колес жилого модуля. Минимальная толщина защитного слоя – 1 м, что обеспечивает защиту не только от радиации, но и от достаточно крупных метеоритов.

Получение на борту жилого модуля ускорения тяжести в 1 g обеспечивается при его движении со скоростью 168 км/ч. При диаметре модуля 3,2 м и диаметре трубопровода 4,5 м компенсация аэродинамического сопротивления требует привод мощностью 11 кВт. Компенсация сопротивления трению качения потребует дополнительно до 9 кВт. Эти мощности соответствуют проектным мощностям энергосистем будущих лунных баз. Количество модулей может увеличиваться по мере наращивания энергооборудования базы.

Рассмотренный проект получил название Gravicity (от англ. – Gravity City). В случае реализации он увеличит сроки пребывания на Луне до 3–5 лет, что сократит затраты на ротацию персонала. Если релаксация в центрифуге дешевле отправки персонала на Землю для реабилитации и последующего возвращения на Луну, то это решает вопрос о практически бессрочном пребывании человека на Луне. Имитация земных условий в виде силы тяжести, величины магнитного поля и низкого радиационного фона обеспечивает неограниченную жизнь людей на Луне. Возможно, в последующем базы будут комплектоваться постоянным персоналом из добровольцев, которые будут иметь возможность рожать и воспитывать детей на Луне.

Ростов‑на‑Дону