Предварительные исследования Луны

Никому неизвестно, что может быть использовано на Луне. Программа «Аполлон» существенно расширила наши знания, но образцы были взяты лишь в шести точках всей поверхности. Не производилось извлечения образцов при глубоком погружении в грунт и не исследовались полярные области, а обратная сторона Луны не изучалась вовсе. Таким образом, первым шагом при возобновлении изучения Луны, вероятно, будут детальные геохимические исследования с орбиты. США и СССР заинтересованы в спутниках Луны на полярных орбитах, а европейские ученые предлагали создание таких спутников наряду с беспилотными посадочными модулями и аппаратами для взятия образцов грунта в рамках проектов Европейского космического агентства на 80-е годы. Опыт, полученный по программам «Аполлон» и «Викинг», позволит производить такие операции для проведения широких исследований всей лунной поверхности. Вместе с тем, если нам предстоит разрабатывать ресурсы Луны, необходимо возобновить полеты человека на нее, но когда и с какими затратами?

В 1970 г. в апогее осуществления программы «Аполлон» НАСА имело обширные планы создания лунной базы. В качестве основного элемента транспортной системы предлагалась ракетная ступень с ядерным двигателем «Нерва» (с. 214-216). Она предназначалась для «челночной» транспортировки людей и грузов с околоземной орбиты и обратно; предполагалось, что ее обслуживание будет осуществлять корабль «Спейс Шаттл», а на окололунных орбитах - посадочные модули или буксир «Таг» на химическом топливе. За один полет ступень «Нерва» способна доставить 90 т груза на окололунную орбиту и почти половину этой массы на поверхность Луны. Из-за сокращений программы НАСА создание ступени «Нерва» было прекращено, однако последние исследования, проведенные в Англии и США, показали, что она может не потребоваться вообще в связи с успехами в развитии неядерной техники.

НАСА и фирма «Рокетдайн» уже проводят испытания перспективного космического двигателя тягой 1020 кгс, работающего на кислороде и водороде. Он имеет удельный импульс выше 476 с, по меньшей мере на 16 с больше удельного импульса основного двигателя корабля «Спейс Шаттл». В рабочем состоянии двигатель имеет диаметр немного более 1 м и длину около 2,5 м. Для транспортировки в грузовом отсеке корабля «Шаттл» двигатель может быть сложен и укорочен до размера 1,3 м.

Создание такого двигателя имеет важное значение. Установленный на межорбитальном транспортном аппарате, или буксире, который может быть выведен на орбиту в грузовом отсеке корабля «Шаттл», он обеспечит проведение космических операций за пределами низких околоземных орбит. Разработки такого буксира ведутся уже более десяти лет, в частности Европейской организацией по разработке ракет-носителей (ЕЛДО). Один из предложенных вариантов представляет собой буксир с полной массой 12,5 т. В состав буксира входят один большой бак жидкого водорода и четыре небольших бака жидкого кислорода, расположенных вокруг двигателя. Но в данном случае размеры обманчивы - большой бак содержит жидкий водород с плотностью, составляющей менее 1/10 плотности воды. Фактически 85% массы топлива буксира составляет масса жидкого кислорода.

Для полетов к Луне в грузовом отсеке корабля «Шаттл» потребуется разместить связку из двух буксиров по тандемной схеме. Первый буксир сообщит связке скорость около 2 000 м/с, отделится и совершит обратный полет на околоземную орбиту «Шаттла». Второй буксир доставит груз массой 7 т на окололунную орбиту и, используя оставшееся топливо, пустой возвратится на околоземную орбиту.

Орбитальный завод по производству топлива В соответствии с этой концепцией, предложенной специалистами фирмы «Конвэр», вода, доставляемая на околоземную орбиту на борту «Шаттла» как часть полезного груза, будет перерабатываться в жидкий кислород и жидкий водород для их последующего использования в качестве компонентов ракетного топлива космического буксира «Спейс Таг». Технологический модуль доставляется на орбиту «Шаттлом» и на орбите крепится к подвесному баку. Энергия вырабатывается фотоэлектрическими батареями большой площади, а избыточное тепло рассеивается тремя радиаторами, установленными на торце технологического модуля.

«Профак» (аккумулятор жидкого топлива) Перемещаясь по орбите у границы плотных слоев атмосферы на высоте около 120 км, «Профак» захватывает разреженный воздух, сжимает и охлаждает его путем газодинамического сжатия в заборнике и в компрессорах, выделяет жидкий кислород и использует оставшийся азот в ядерном электрореактивном двигателе для компенсации потерь на аэродинамическое сопротивление. Большая часть внешней поверхности аппарата занята радиаторами для сброса избыточного тепла от энергетической установки, компрессоров и установки для сжижения. Компактный ядерный реактор требуется в связи с тем, что большая площадь солнечных батарей, применение которых выгодно в космическом пространстве, вызвала бы нежелательное увеличение аэродинамического сопротивления. Ядерный реактор будет не единственным источником энергии на борту аппарата; предусматривается обычная ракетная система для перевода аппарата на более высокую орбиту в аварийных ситуациях и для разгрузки. В штатных операциях аппарат «Профак» обеспечит заправку жидким кислородом буксира «Спейс Таг». Экономическая эффективность системы «Профак» в сильной степени зависит от располагаемой мощности энергетической установки на единицу массы. Представляется возможным создание аппарата, способного в течение 30- 40 сут вырабатывать количество жидкого кислорода, масса которого равна собственной массе аппарата.

Специалисты НАСА убеждены, что к 2000 г. корабли «Шаттл» обеспечат стабильный грузопоток на орбиту для выполнения экспериментов и развития космического производства. Некоторые задачи будут решаться на низких околоземных орбитах, доступных для корабля «Шаттл», однако для выполнения других задач «Шаттлу» потребуется дополнительная верхняя разгонная ступень, которая позволит выводить на высокие орбиты грузы, а впоследствии и людей, обеспечивая их безопасное возвращение на орбиту ожидания «Шаттла». Такая верхняя ступень, первоначально названная специалистами НАСА «Спейс Таг» («Космический буксир»), может использоваться и для лунных операций. Подобно «Шаттлу», буксир «Спейс Таг» должен быть многоразового и универсального применения и рассчитан на перевозку как грузов, так и людей. На первом этапе буксиры будут возвращаться на Землю после каждого полета, но впоследствии будут заправляться топливом на орбите и постоянно базироваться в космосе. Для запуска полезного груза на орбиту вокруг Луны корабль «Шаттл» выведет в грузовом отсеке на низкую околоземную орбиту два тандемно расположенных буксира «Спейс Таг» и модуль с полезным грузом. Первый буксир переведет всю сборку на высокоэллиптическую орбиту вокруг Земли, отделится и вернется на низкую околоземную орбиту для встречи с «Шаттлом». Второй буксир с полезным грузом достигнет окололунной орбиты с достаточным запасом топлива для обратного полета на околоземную орбиту «Шаттла». Посадка на Луну может быть выполнена с помощью третьего буксира, имеющего в отличие от предыдущих посадочные опоры и радиолокационную установку.
Значительную часть общей стоимости транспортировки грузов на Луну составляет стоимость топлива. Для доставки 1 т груза на поверхность Луны необходимо вывести 4-5 т топлива на околоземную орбиту. Показаны две системы, обеспечивающие снижение стоимости топлива на орбите: орбитальный завод по производству кислорода и водорода из воды, доставляемой на борту корабля «Шаттл» как часть его полезного груза, и система «Профак» для выделения кислорода из воздуха, собираемого при движении по околоземной орбите у границы плотных слоев атмосферы. Вместе с тем самой экономичной схемой представляется получение жидкого кислорода на Луне из лунной породы.

Существенную роль в снижении расходов играет рациональная организация системы связи. При эксплуатации корабля «Шаттл» будет использоваться спутник «ТДРС» на геостационарной орбите, заменяющий систему связи, развернутую по всему миру для обеспечения программы «Аполлон». Для лунных операций может потребоваться аналогичный спутник на гало-орбите (вокруг точки Лагранжа L₂), обеспечивающий связь с объектами на обратной стороне Луны. Спутник связи необходимо также иметь в точке либрации между Землей и Луной для обеспечения радиосвязи с базами на стороне Луны, обращенной к Земле.

Буксир «Спейс Таг» - основное звено лунной транспортной системы. Он должен быть приспособлен для заправки и обслуживания в космосе без возвращения на Землю в течение длительного времени. Хотя большую часть объема баков буксира занимает жидкий водород, 86% (по массе) топлива составляет жидкий кислород. Унифицированная конструкция буксира должна допускать выполнение всех возможных oneраций как в одноступенчатом, так и в многоступенчатом исполнении. Для полетов к Луне оптимальной представляется максимальная заправка буксира топливом массой около 12,5 т, однако возможны полеты с неполной заправкой топливом. Буксир будет снабжен посадочными опорами и радиолокационной установкой для осуществления снижения и мягкой посадки на поверхность Луны.

Освоение Луны не имеет исторических аналогов. Северная Америка и Австралия были колонизированы аграрными странами, что сразу предоставило возможности выгодного производства в рамках потребностей того времени. Луна же будет освоена обществом с высокоразвитой техникой, в котором золото и земля не будут иметь первостепенного значения. В наше время некоторую аналогию можно найти в организации поселений в Антарктике или на северном склоне Аляски, но для основания лунного поселения потребуется более высокая степень автономии.

Создание постоянной населенной базы на Луне будет в основном зависеть от разработки эффективных, экономичных транспортных систем, действующих между Землей и Луной. Как и при реализации программы «Аполлон», в будущих перелетах будет использован принцип встречи на окололунной орбите. Груз, оборудование и астронавты будут доставляться с околоземной орбиты по двухступенчатой схеме выведения на окололунную орбиту, а оттуда переправляться на поверхность специальным аппаратом, обслуживающим только эту трассу. На начальном этапе такая операция, возможно, будет выполняться за два последовательных запуска. В дальнейшем более экономичным может стать создание танкера на окололунной орбите для регулярной заправки.

Создание первой базы

Для доставки груза на поверхность Луны потребуется модифицированный буксир, оснащенный посадочными опорами и радиолокационной установкой. Каждая посадка потребует двух полетов на окололунную орбиту - одного для доставки груза и другого для доставки топлива, заправляемого в посадочный буксир. Пилотируемые операции могут быть достаточно эффективно выполнены с использованием той же матчасти с доставкой до шести человек при каждой посадке. При стоимости пуска «Шаттла» в ценах 1980 г. доставка на Луну 1 кг груза обойдется в 8000 долл., а одного человека - в 9 млн. долл., т. е. в десять раз дороже, чем при выведении на околоземную орбиту.

Такая транспортная система позволила бы создать первую базу, рассчитанную, вероятно, на пребывание не более 12 человек в течение 3-6 мес в заранее построенных специальных помещениях. Система могла бы развиваться с постепенным повышением экономической эффективности.

Группа специалистов фирмы «Дженерал дайнемикс/Конвэр» пришла к выводу, что при операциях в пределах околоземной орбиты «Спейс Шаттл» не всегда может нести полную нагрузку. Будучи в состоянии вывести на орбиту почти 30 т груза, он может возвратить лишь 14,5 т из-за ограничений по летным характеристикам. Если помимо 14,5 т груза выводить 15 т топлива, появится возможность заправлять буксир в космосе без его возвращения на Землю. К сожалению, в грузовом отсеке «Шаттла» недостаточно свободного объема для размещения топлива, особенно столь легкого, как водород. Группа из фирмы «Конвэр» предлагает в качестве топлива доставлять воду в специальных балластных баках, расположенных в свободных объемах кон-струкции корабля. На орбите на специальном космическом заводе вода разлагается путем электролиза на кислород и водород и таким образом используется для заправки буксиров. Балластные баки могут составлять часть конструкции корабля «Шаттл», и их можно заправлять в самую последнюю очередь, когда уже составлена ведомость на загрузку корабля. По оценкам, заправка водой будет возможна в 44% полетов корабля «Шаттл».

Если дешевый источник топлива на околоземной орбите обеспечит снижение стоимости транспортировки на Луну, то источник топлива на самой Луне еще более снизит расходы.

Как упоминалось выше, некоторые компоненты лунной породы являются окислами, причем кислород, возможно, является наиболее распространенным элементом на Луне, а именно, он составляет 85% всего топлива, необходимого для заправки ракет.

НАСА уже рассматривало схемы выделения кислорода из лунной породы. Исследования показывают, что в расчете на грузоподъемность одного буксира потребуется небольшой химический завод производительностью около 100 кг жидкого кислорода в сутки с использованием солнечного излучения в качестве источника энергии. Лунная порода при высокой температуре реагирует с метаном с выделением окиси углерода и водорода. Затем в низкотемпературном реакторе окись углерода опять превращается в метан и воду в реакции с водородом. Затем вода конденсируется и путем электролиза разлагается на водород и кислород; кислород поступает в резервуар для хранения, а водород повторно используется в производственном цикле. Важно то, чо в состав «шлака», образующегося в процессе производства, будут входить свободный кремний и извлекаемые окислы металлов; поэтому шлак может быть в свою очередь использован для производства других материалов.

Сначала лунный кислородный завод будет производить кислород для нужд исследователей на поверхности, потребности которых будут умеренными. Группе из 12 человек потребуется лишь 350 кг кислорода в месяц, а лунный завод будет производить жидкий кислород в количестве, равном массе самого завода, приблизительно за 8 сут непрерывной работы. Две или три такие установки полностью удовлетворят потребности в жидком кислороде для заправки аппаратов, прибывающих на Луну с целью регулярного материально-технического снабжения небольшой постоянно действующей лунной базы.

Более того, организация постоянного хранения топлива на Луне позволит более гибко проводить различные операции. Не потребуется снабжать каждого астронавта (или группу астронавтов) индивидуальным аппаратом для передвижения. Вместо этого может быть создана служба, подобная аэрофлоту с регулярным графиком работы.

Когда будет достигнут подобный уровень развития, стоимость доставки 1 кг груза на Луну может снизиться до 2000 долл., т. е. станет примерно втрое превышать стоимость его доставки на околоземную орбиту. Если в 90-х годах «Спейс Шаттл» будет заменен более эффективными транспортными системами, можно ожидать дальнейшего снижения стоимости. И все это без привлечения ядерной энергетики со всеми проблемами ее использования.

Но даже если и применять ядерную энергетику, то совсем не обязательно в варианте «Нерва». Значительно больше освоена технология получения электроэнергии от ядерного источника. Электроядерные аппараты с ионными двигателями, хотя и требуют большего времени на перелеты, могут стать эффективным транспортным средством. Создание таких средств планируется, но в настоящее время предполагается применение электроядерной энергетики для доставки больших автоматических аппаратов к дальним рубежам Солнечной системы для исследования гигантских планет и их многочисленных спутников.