Автор: MechanicusJr. Вышел с коллегами в курилке разговор, что нам стоит Альфа-станцию построить – из того, что уже выведено на орбиту, в чем сложности. Почему не запустить МКС целиком к Марсу и как Циолковский, Ньютон и Эйнштейн подгадили всей научной фантастике на много лет вперед. Текст существенно упрощен, но коллектив сам проголосует. Ground Control to Major Tom: engines on – поехали! Никаких подробностей про Роскосмос не будет, мало ли – только физика.

Вместо предисловия

— Вообще–то никто никуда не полетит. — заявила Алиса.

Часть 1. Крайне низкого технического уровня, для ответов детям

Что у нас с МКС? Кислотных дождей в космосе нет, солью все подряд не посыпают, почему идет разговор о списании МКС? Ответ начну с того, что космос вне кино – место неприятное, а земная орбита особо неприятная, потому что:

На Земле все привычно, день – ночь, в сутках 24 часа. МКС летит чуть быстрей, в сутках 90 минут. День – ночь, нагрев – охлаждение, растяжение – сжатие, и так 16 раз в день. В станцию постоянно влетают ионизированные кислород, азот и водород, который вовсе не добавляют прочности сплаву АМГ. Прибавим радиационное старение всего – металлов, пластиков, даже кремния. Плюсуем летающие туда-сюда вторичные нейтроны и прочий радиационный пробой электроники, домножаем на специфическую атмосферу внутри станции. The smell, you know that gasoline smell, the whole ISS.

Салют-6 отработал 5 лет. Салют-7 прожил почти 9 лет, при запланированных 5 (4 года рабочих, 1982–1986, и 1986–1991 в автоматическом режиме). Мир отработал 15 лет, при этом последние годы значимая часть задач экипажа заключалась в ремонте того, что еще можно отремонтировать.

Первые модули МКС вывели на орбиту в 1998 году, и им уже 24 года. Выводы про общее состояние самого материала корпуса МКС можете сделать самостоятельно.

Интересный миф, который был в ранней космоопере – что микро трещины и пробоины можно заделать неким пластиком. Выпустил в воздух пластиковые шарики 0.5 мм размером, и их к микротрещинам притянуло. Увы, но не в этом случае – во первых, станция изнутри плотно опутана проводкой, панелями и теплоизоляцией (сходите в музей космонавтики, там есть фрагмент Мира), во вторых – микротрещины в данном случае правильней называть нанотрещинами. Они не так велики, это дефект шириной в несколько десятков, может сотен атомов, и утечка через каждую такую трещину незначительна.

Часть 2. В которой чуть больше скучной математики и где нам вредят Ньютон и Циолковский

Ладно, часть модулей МКС можно списать, но ведь часть новых модулей можно отделить и переправить на другую орбиту? Все так, переправить можно, но. Широта Байконура – 45°57, Восточного – 51°53, наклонение МКС – 51,63. Почему так – вот статья.

Начнем скучную математику, если у вас еще не было Kerbal. Мы хотим переставить четверть массы станции на 1 (один) градус. Текущая масса МКС – 420 тонн, возьмем 100 тонн для ровного счета. Рисуем вектор скорости туда, вектор скорости сюда, 7.8 км/с скорости, синус 1 градуса 0.0175 – нам нужно где-то взять 136 м/с скорости для 100 тонн. Нам даже не нужны открытые данные по 14Д30 Бриз-М для оценки плюс-минус пара сотен литров.

Пусть есть некий химический двигатель, со скоростью истечения рабочего тела 2500 м/с (у выше помянутого 14Д30 – 3200) – которым надо дать импульс 136 м/с * 100 тонн. Простое уравнение – масса топлива (в тоннах) * скорость в двигателе в м/с (2500) = 136*100. Делим обе части на скорость истечения – 2500 м/с, получаем 136*100/2500 = 5.44 тонны условного керосина (или НДМГ-АТ, или почти любым химическим топливом, кроме, конечно сверхтоплива странников). На каждый градус смены орбиты. Один Протон на каждые 4 градуса изменения. Хотим сменить орбиту на 45 градусов – готовим 10 Протонов. Может, дешевле новую станцию вывести блоками по 15–20 тонн? 100 тонн – 5 Протонов.

Может, я считаю неправильно? Окей, где то была формула Циолковского. 121 тонна всей конструкции на старте, 101 тонна на финише, 3200 м/с = 3200 * ln (1.2) = 3200*0.18 = 576 м/с с 20 тонн топлива и тонны на двигатель. Каждый градус обойдется нам в 136 м/с – или 4.2 градуса наклонения на каждый 20 тонный блок.

Можно менять орбиту ионным двигателем, скажете вы?

И будете правы, возможно! Берем NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), смотрим на Dawn – ценой 425 килограммов ксенона, спутник весом 747 кг (общая масса 1217 кг) может получить дельту вэ в 11 км/с. Отличная штука, скорость выхлопа ксенона порядка 30 км/с. Делим – 136*100/30000 = 0.45, всего полтонны ксенона на градус поворота. А надо 45 градусов. А ускорять станцию можно только в 2 точках орбиты, то есть примерно 10% времени, но вот только .. тяга там 0.09 ньютонов на двигатель. Нам не жалко, давайте посчитаем сразу 111 двигателей! Каждый ионный двигатель, согласно открытым источникам, обходится от 250 тысяч долларов за штуку, (NSTAR с топливом обошелся в 40 миллионов) производят их не сотнями штук, но посчитаем! 111 двигателей дадут тягу в 10 ньютонов, то есть разгонят 10 килограмм на 1 м/с за секунду, 10 тонн – на 1/1000, 100 тонн – 1/10.000 метров в секунду за секунду. 1/10^-4 – для разгона на 136 метров /секунду – 1.360.000 секунд, / 86400 секунд в сутках – чуть меньше 16 дней, но. Но время работы на каждом витке – не больше 10% времени, так что какие-то полгода времени, 111 движков – и орбита станции изменится на целый градус. Выходит, 100 тонн станции на 111 ионных движках дойдет до желаемой полярной орбиты всего за (40/2) – 20 лет.

Но ведь есть же уже почти* готовый атомный буксир?

Ну как есть.. новости есть – 2015, 2020, 2021, 2022. И тяга ИД-500 в 375–750 мН. Посчитаем по среднему, 500 мН (м – это же милли?), 4 двигателя – 2 ньютона тяги. Выше был расчет для 10 Н для смены орбиты. Но может тогда сразу на Марс? 2Н разгонят два килограмма на 1 м/с за секунду, 2 тонны разгонят на 1/1000, 20 тонн – за 1/10.000. В теории можно было бы разгоняться на 8.64 м/с за сутки, но у меня цифры все равно не сходятся. Гомановская траектория потребует набора 2.9 км/с, Марс-96 набирал 3725 м/с, а тут – В то же время на средней, марсианской дистанции, время полёта практически сравнивается со Старшипом и занимает около одного года против 4–9 месяцев. Но есть один нюанс, Нуклон может за такой же промежуток вернуться обратно на Землю.

Концепция таких буксиров обсуждается давно, но результатов как-то не видно. Есть еще VASIMR, но к нему все равно нет реактора.

Послесловие

Столпившиеся пионеры замолчали.

— Никто никуда не полетит, — с нажимом повторила девочка из будущего, тряхнув своим каре, — и странно, что вы этого не замечаете.

Кому-то может показаться, что «все плохо и все очень грустно и автор нагнетает» – вовсе нет. Но космос сейчас (и всегда) – это не только про героев-покорителей, но и про скучную математику, и про редкие интересные события. После 29 августа запланирован пуск комплекса Орион-SLS к Луне с запуском кубсатов, 26 сентября в планах стоит пышь-пышь в астероид, 22 декабря отправляется очередной луноход.

Про Эйнштейна будет в другой раз, когда начнем в курилке обсуждать проблему КПД реактора, соотношения киловатт на килограмм, и куда девать остальное тепло.