Эффективные способы защиты от космических факторов в межпланетном корабле и внеземной колонии

 
​Межпланетные перелёты и колонизация планет требуют решения проблем защиты от следующих космических факторов: солнечной и галактической радиации, невесомости во время длительного перелёта и гипогравитации на внеземных базах.
Александр Олегович Майборода, директор научно-исследовательской компании ООО «АВАНТА-Консалтинг», Ростов-на-Дону, Россия, mayboro@gmail.com
 
 


English

NEW SPACE ERA

EFFECTIVE METHODS OF PROTECTION AGAINST SPACE FACTORS IN AN INTERPLANETARY SHIP AND AN OUTSIDE COLONY

Alexander O. MAYBORODA, member of the SpaceNet NTI working group, CEO, AVANTA-Consulting research company, Rostov-on-Don, Russia, mayboro@gmail.com

The author of the drawings – Alexander Mayboroda
Drawing graphics – Dmitry Anisimov

ABSTRACT: Interplanetary flights and the colonization of planets require solutions to the problems of protection from the following space factors: solar and galactic radiation, weightlessness during a long flight, and hypogravity on extraterrestrial bases. The solutions proposed: protection from space radiation is provided by connecting the ships of the squadron into a package that forms a protective cocoon around the living quarters; colonists are protected from hypogravity by placing space-type colonies on planets, which create artificial gravity by rotating on special platforms with minimal friction.

Keywords: proton radiation, galactic radiation, radiation shielding, interplanetary spacecraft package, weightlessness, hypogravity, artificial gravity, space colonies, Mars
 

Межпланетные перелёты и колонизация планет требуют решения проблем защиты от следующих космических факторов: солнечной и галактической радиации, невесомости во время длительного перелёта и гипогравитации на внеземных базах. Предлагаемые решения: защита от космической радиации обеспечивается соединением кораблей эскадры в пакет, который образует защитный кокон вокруг жилых отсеков; защита колонистов от гипогравитации обеспечивается размещением на планетах колоний космического типа, которые создают искусственную силу тяжести за счёт вращения на специальных платформах с минимальным трением.

Введение

Полёты на Марс и его колонизация – составная часть идеи космической экспансии. Инженерный проект экспедиции на Марс (Das Marsprojekt) был подготовлен Вернером фон Брауном в 1948 году и стал первым «технически всеобъемлющим проектом» такой экспедиции. Он был опубликован в 1952 году под названием The Mars Project [ 1 ].

В предисловии к проекту фон Браун заявил, что его исследование ещё не завершено. Он сказал, что опустил детали некоторых тем, которые необходимо будет рассмотреть дополнительно, включая долгосрочные последствия космических полётов для людей. Дальнейшие открытия подтвердили его предположения. Опасность высокоэнергетического солнечного и галактического излучения, а также длительной невесомости не была известна в 1948 году.

Фон Браун не планировал защиту экипажей от такого излучения ни в межпланетном перелёте, ни на поверхности Марса. Длительная невесомость также не рассматривалась как угрожающий космический фактор.

До сих пор сильны сомнения в возможности полётов на Марс до 2040 года. Для межпланетных перелётов нужны не только ракеты и корабли, но и защита экипажа от космической радиации. Одним из главных препятствий является угроза здоровью космонавтов от космической радиации, испускаемой Солнцем и галактическими источниками. В результате воздействия тяжёлых заряженных частиц галактических лучей на головной мозг космонавты, летящие на Марс, могут потерять координацию и память уже в полёте.

Для защиты требуется снабдить корабль обшивкой толщиной более одного метра из веществ с атомами лёгких химических элементов, но это приведёт к его чрезвычайному утяжелению и нереальному потреблению ракетного топлива. «На Марс люди точно полетят, но сейчас мы к этому не готовы технологически. В 2040 – 50-х годах это можно будет сделать», – утверждает Игорь Митрофанов, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН [ 2 ]. Возможным решением проблемы радиации, альтернативным утолщению обшивки, он считает быстрый перелёт.

Быстрый перелёт означает, что вместо типичных для самой экономной траектории полёта Гомана 260 суток время перелёта необходимо сократить в несколько раз. С учётом законов небесной механики время можно сократить до 90 и 30 суток. Для этого желательно иметь корабль с ядерными тепловыми двигателями, поскольку ракеты с термохимическими двигателями потребуют значительного увеличения стартовой массы. Вместе с тем при использовании многоразовых ракет не исключена возможность многократного сокращения затрат на обеспечение топливом ракет, направляемых к Марсу по коротким траекториям.

На 67-м Международном конгрессе по астронавтике в Гвадалахаре 27 сентября 2016 года Илон Маск, глава компании SpaceX, представил проект межпланетной транспортной системы, предполагающей применение многоразового космического транспорта для доставки людей на Марс. Время полёта до Марса составит около 90 дней [ 3 ].

Однако даже имея эффективную транспортную систему, компания SpaceX до первого полёта к Марсу должна решить ещё множество проблем, связанных с предотвращением отрицательного воздействия факторов космического полёта, таких как радиация, невесомость и ограниченность пространства для экипажа.

Сложно решаемой является проблема торможения корабля возле Марса на субпараболической скорости – сохранится риск промаха при вхождении в узкий коридор допустимых отклонений, когда корабль недостаточно затормозится и уйдёт в межпланетное пространство или столкнётся с поверхностью Марса. Высокая скорость вхождения в атмосферу требует решения проблемы высокой надёжности теплозащиты в связи ростом теплового излучения пропорционально температуре в четвёртой степени.

Вероятно, требуется предварительное торможение ракетными двигателями перед торможением в атмосфере Марса. Поэтому остаётся актуальной задача нахождения не только способов быстрого перелёта, но и способов эффективного экранирования радиации при относительно медленном перелёте.

Для антирадиационной защиты можно использовать ресурсы вещества астероидов – космический корабль, на котором находятся астронавты, направляющиеся на Марс, может встретиться с одним из попутных астероидов, когда он проходит мимо Земли, и путешествовать с ним, пока не приблизится к Красной планете.

Антирадиационная защита из ресурсов вещества на попутных астероидах

Институт перспективных концепций NASA (NIAC) в Атланте, штат Джорджия, США, профинансировал исследование, чтобы выяснить, можно ли использовать астероиды для защиты от радиации. Исследование провела Даниэлла Делла-Джустина, студентка Аризонского университета в Тусоне, США [ 4 ].

Небольшая группа астероидов регулярно проходит по своим орбитам мимо Земли и Марса. Проект предлагает использовать этих попутчиков – космический корабль, на котором находятся астронавты, направляющиеся на Марс, может встретиться с одним из попутных астероидов, когда он проходит мимо Земли, и путешествовать с ним, пока не приблизится к Красной планете.

В одной из версий проекта корабль совершает посадку на астероид и астронавты закапывают его в реголите. Так космический корабль будет защищён от космических лучей в течение 6–10-месячного путешествия на Марс. Толщина защитного слоя может быть несколько метров.

В другой версии собранный роботами или астронавтами материал можно поместить в полую оболочку, окружающую космический корабль, без посадки на астероид. Оболочка из реголита послужит защитой от радиации.

Делла-Джустина составила список из 40 астероидов, орбиты которых пересекают орбиты Земли и Марса. В рамках своего исследования она будет наблюдать за этими объектами, чтобы увидеть, являются ли они астероидами B-типа, которые содержат относительно небольшую долю тяжёлых элементов. Тяжёлые элементы производят опасные вторичные частицы при столкновении с космическими лучами, поэтому они не подходят для защиты от излучения при относительно небольшой толщине покрытия из реголита.

Есть и проблемы. Одна из них состоит в том, что с материалом на поверхности астероидов может быть не так просто работать из-за статического электричества. Ожидается, что ультрафиолетовый свет от Солнца вызовет накопление электрического заряда на поверхности астероидов, что это может привести к прилипанию кусков материала и склеиванию любых механизмов, которые могут использоваться для обработки поверхности астероида. Другая проблема – необходимо подстраивать скорость отлёта корабля от Земли к фактической скорости астероидов, которая может быть далека от оптимальной. Поэтому поиск новых способов защиты необходимо продолжить.

Благодаря большой численности эскадры создаётся возможность использовать для защиты от радиации сами корабли, а не порции реголита с попутных астероидов. Каждый корабль по отношению к другим кораблям является готовым экраном, частично защищающим от космической радиации. При высокой плотности роя кораблей в эскадре и правильной ориентации корабля жилые отсеки могут быть эффективно защищены многометровыми слоями топлива в баках ракет.

Проект Testudo. Рой космических кораблей как автозащита кораблей эскадры от космической радиации

Создание на Земле защитных экранов для запуска с космическим кораблём добавило бы кораблю такую большую дополнительную массу, что стоимость миссии увеличилась бы до иррациональных величин. Так обстоит дело с эскадрами из небольшого количества кораблей, летящих на Марс.

Вместе с тем план полётов на Марс, разработанный компанией SpaceX, предусматривает отправку в короткий срок эскадры численностью от 100 кораблей в первом запуске до 1000 кораблей через десятилетие. «Маск заявил, что планирует отправить на Марс один миллион человек к 2050 году. SpaceX построит флот из 1000 звездолётов, чтобы переправить их туда» [ 5 ]. По его словам, в ближайшие 10 лет SpaceX планирует построить 1000 космических кораблей многоразового пользования DragonCrew (100 аппаратов в год), которые сегодня разрабатываются на заводе компании в Техасе. SpaceX планирует отправлять на Марс космические корабли с пассажирами примерно раз в 26 месяцев [ 6 ].

Таким образом, благодаря большой численности эскадры создаётся возможность в случае изменения расписания – отправки кораблей на Марс не поочередно в течение одного месяца, а большой и компактной группой в один день, аккумулируя их перед стартом на орбите, – использовать для защиты от радиации сами корабли, а не порции реголита с попутных астероидов. Каждый корабль по отношению к другим кораблям является готовым экраном, частично защищающим от космической радиации.

При высокой плотности роя кораблей в эскадре и правильной ориентации корабля жилые отсеки могут быть эффективно защищены многометровыми слоями топлива в баках ракет. Низкая молекулярная масса метана и кислорода повышает эффективность экранирования.

Для 1000 кораблей оптимальная конфигурация построения представляет собой сферу, поверхность которой образована пакетом ракет в один слой или два слоя, ориентированных жилыми отсеками к центру сферы. Такое защитное построение эскадры подобно построению римского военного отряда, называемым testudo, или «черепаха». Резонно защитным пакетам ракет различной формы дать общее наименование Testudo («Тестудо»).

На рис. 1 «Варианты радиального построения кораблей эскадры в пакет Testudo» показаны возможные конфигурации пакетов кораблей при большой и малой численности эскадр. Для эффективного использования двуслойной сферы, которая не показана на рисунке, внешний слой должен собираться из непилотируемых аппаратов, которые транспортируют только топливо и грузы.

Рис. 1. Варианты радиального построения кораблей эскадры в пакет Testudo

Формирование пакетов кораблей целесообразно осуществлять после того, как каждый корабль будет выведен бустером на траекторию полёта к Марсу – вибрация от работающих двигателей может потребовать усиления креплений в пакете. При достаточно плотном построении эскадры собирание пакета потребует не более суток, что не приведёт к получению экипажем значительной дозы облучения. Теоретически пакет может формироваться и лететь без механического контакта ракет и сохранять минимальную дистанцию благодаря корректирующей работе ЭРД малой тяги. Однако механическое соединение предпочтительнее.

При подлёте к Марсу за несколько часов производится расформирование пакета. Каждый корабль самостоятельно совершает посадку или выходит на орбиту вокруг планеты, где разгружается челноком, курсирующим между планетой и орбитой.

Эффективная защита экипажа от радиации позволяет вернуться к классической траектории Гомана при полёте на Марс, что существенно сократит расходы топлива и стоимость перелёта. Вероятно, будет выбран какой-нибудь средний по оптимальности вариант времени перелёта на Марс – в интервале между 88 и 259 сутками. За счёт экономии топлива создаётся возможность полного ракетного торможения (на 2,128 км/с) или частичного (за счёт атмосферы) при выходе на низкую круговую орбиту спутника Марса, что повышает безопасность полёта. В этом варианте выгодно не совершать посадку на Марс в корабле перелёта, а для доставки пассажиров и грузов использовать челноки на марсианском топливе, курсирующие между планетой и кораблями на орбите.

Перелёт кораблей в составе эскадры, собранной в пакет, имеет дополнительное преимущество – Testudo позволяет иметь единый центр охлаждения криогенных компонентов ракетного топлива. За счёт эффекта масштаба он обеспечит максимальную удельную мощность, недостижимую для отдельной ракеты. Через сеть газопроводов, соединяющую топливные баки ракет пакета, в которой циркулирует охлаждённый газообразный гелий, криогенный центр будет сохранять неограниченно долго метан и кислород в жидком виде.

Для пассажиров преимущество состоит в том, что повышается безопасность перелёта на участке торможения у Марса и решается проблема ограниченного объёма жилого отсека корабля – жилые отсеки всех кораблей пакета соединяются переходами, что увеличивает не только обитаемое пространство, но и число социальных контактов минимум в 10 раз. Это предотвращает развитие конфликтов, характерных для малых длительно изолированных групп.

На рис. 2 «Варианты параллельного построения пакетов Testudo и расположения отсеков ракет» показаны возможные конфигурации пакетов ракет и положения жилого отсека.

Рис. 2. Варианты параллельного построения пакетов Testudo и расположения отсеков ракет. Пакет 19 × 2 = 38 ракет

В месте стыка головных частей двойного пакета ракет из 38 ракет для усиления защиты от радиации возможно размещение дополнительного внешнего параллельного слоя из 12 грузовых ракет. Общее число ракет в пакете возрастёт до 50 штук.

Вместе с тем если использовать нестандартное, но возможное центральное расположение жилого отсека (между топливными баками, а не в носовой части), то вполне эффективным по защите будет пакет из 19 ракет, внутри которого размещены 7 пилотируемых кораблей, защищённых 12 грузовыми кораблями. За счёт переноса грузового отсека и части топливных ёмкостей из пилотируемых кораблей в грузовые вместимость такого пакета кораблей существенно не сократится, так как число пассажиров каждого корабля увеличится со 100 до 200.

В пакете из 65 ракет число грузовых ракет во внешнем слое равно 24 штукам, тогда как в защищённой сердцевине находится 41 пассажирская ракета.

Вернер фон Браун в своём втором, почти забытом ныне проекте экспедиции на Марс (со стартом 12 ноября 1981 года) предусматривал создание искусственной гравитации на борту кораблей и многоразовых бустеров-челноков Nuclear Shuttle, выводящих корабли на траекторию полёта к Марсу, а затем возвращающихся на околоземную орбиту [ 7 ].

В рассматриваемом проекте нет необходимости использования челноков с ядерными двигателями, но челноки с термохимическими двигателями будут полезны для сохранения необходимого запаса топлива в межпланетных кораблях. Необходимо иметь треть или четверть топлива в баках ракет, чтобы их пакет мог служить защитным коконом от радиации. Для сохранения нужной порции топлива требуется помощь бустеров-челноков, экономящих топливо ракет, которые отлетают к Марсу.

На рис. 3 «Пакеты Testudo с искусственной гравитацией» показана связка тросами пакета кораблей, раскрученных для создания искусственной силы тяжести. Сила искусственного тяготения может выбираться равной земной или марсианской.

Рис. 3. Пакеты Testudo с искусственной гравитацией

После исчерпания полётного ресурса корабли Starship выгодно использовать как элементы конструктора с типовыми деталями при создании больших околомарсианских и околоземных колоний, защищённых от радиации и от невесомости. Возможно, план колонизации Марса будет откорректирован – на первом этапе, по мере исчерпания рабочего ресурса кораблей Starship (12-15 полётов), одновременно с напланетными колониями непосредственно на поверхности Марса будут создаваться космические колонии как опорные базы усиленной экспансии, поскольку этот этап обеспечен ресурсами.

Топливные баки орбитальных колоний могут продолжать использоваться по назначению – служить хранилищем топлива для курсирующих кораблей. Заполнение баков станций водой также целесообразно. Вода будет поставляться как с Марса, так и с его спутников. При налаживании добычи воды на Фобосе и Деймосе баки отслуживших ракет будут заполняться водой.

Спутники Марса богаты соединениями углерода, который эффективен в качестве материала антирадиационной защиты. Жидкие или порошкообразные соединения углерода также могут служить наполнителями баков ракет, «поставленных на прикол» в орбитальных колониях.

Корабли Starship, исчерпавшие полётный ресурс, также выгодно использовать для создания поселений на поверхности Марса в виде кольцевых пакетов с искусственной силой тяжести. Технически это осуществимо при использовании кольцевых эстакад из лёгких решётчатых ферм.

Если использовать ракеты Starship, обеспечивающие снабжение лунных баз, то к моменту первой отправки эскадры на Марс (100 штук) может накопиться достаточный запас кораблей с почти исчерпанным лётным ресурсом, чтобы использовать их для построения колоний и на орбите, и на поверхности.

При необходимости GraviCity может быть городом для населения в десятки тысяч колонистов – на Луне, Меркурии, Церере и Титане. Особенностью Титана будет использование ветра для поддержания вращения конструкции. Малое тяготение и плотная атмосфера Титана позволяют также создавать парящие привязные города.

Искусственная гравитация для городов на Луне, Марсе и других небесных телах

Долететь до Марса и совершить посадку на него недостаточно. Слабое тяготение Марса так же опасно, как и длительная невесомость. Население инопланетных колоний, живущее в условиях гипогравитации, рискует обрести различные побочные последствия жизни в условиях малого тяготения. От последствий невесомости ущерб для здоровья отличается только более поздним их наступлением. Компактные центрифуги короткого радиуса, в которых космонавты и колонисты должны периодически проходить сеансы погружения в квазигравитацию, к сожалению, тоже не устраняют негативные последствия потери веса, но только отдаляют их наступление.

Возможность создания искусственной силы тяжести в инопланетных колониях ранее была показана в проекте GraviCity. Первый вариант проекта был предложен в конце 2013 года, но его значение для космической экспансии осознаётся только в последнее время. Проект GraviCity был предложен для небольшой долговременной инопланетной базы с малочисленным персоналом. Вместе с тем нет принципиальных ограничений на его масштабирование.

При необходимости GraviCity может быть городом для населения в десятки тысяч колонистов. На рис. 4 «Цилиндрический город с искусственной гравитацией» показан лунный аналог орбитальной колонии на 10 000 человек. Меркурий, Церера и Титан также подходят для строительства таких городов. Особенность Титана – в использовании ветра для поддержания вращения конструкции. Малое тяготение и плотная атмосфера Титана позволяют также создавать парящие привязные города.

Рис. 4. Цилиндрический город с искусственной гравитацией

На рис. 5 «Тороидальный город с искусственной гравитацией» показан вариант города для Марса. Аналогом города является вращающаяся тороидальная конструкция орбитальной колонии. Город может масштабироваться поэтажно вглубь Марса.

Рис. 5. Тороидальный город с искусственной гравитацией

Выводы

  1. Проект Testudo показывает возможность сокращения дозы облучения экипажа не только за счёт сокращения времени перелёта при использовании энергоёмких околопараболических траекторий, но и за счёт создания эффективной антирадиационной защиты при большом времени перелёта по экономной траектории Гомана. Проект Testudo осуществим при соединении в пакет минимум 19 кораблей типа Starship.
  2. Пакеты Testudo из отработанных кораблей Starship открывают возможность строительства межпланетных топливных депо и защищённых от радиации больших орбитальных станций с искусственной гравитацией возле колонизируемых планет.
  3. Космические поселения на Луне, Марсе, Церере, Титане и других небесных телах могут быть защищены от гипогравитации, присущей типовым напланетным поселениям. Вращение жилых модулей поселения, создающих искусственную силу тяжести, возможно не только в космосе, но и на планетах при незначительных затратах по сравнению с орбитальными поселениями. Независимо от решения проблемы медикаментозной защиты населения от гипогравитации, поселения-центрифуги обеспечат космическую экспансию по всем малым телам Солнечной системы.

 

Автор рисунков – Александр Майборода

Графика рисунков – Дмитрий Анисимов

Литература

1. Wernher von Braun, Henry J. White. The Mars Project. University of Illinois Press, 1953. 91 p.

2. В РАН усомнились в колонизации Марса до 2040 года [Электронный ресурс] // Интерфакс. 2016. 13 октября. URL: https://www.interfax.ru/russia/532369 (Дата обращения: 20.08.2021).

3. Роб Коппингер. Как Илон Маск собирается колонизировать Марс [Электронный ресурс] // BBC News. Русская служба. 2016. 28 сентября. URL: https://www.bbc.com/russian/news-37494703 (Дата обращения: 20.08.2021).

4. David Shiga. Hitch hike to Mars inside an asteroid [Электронный ресурс] // New Scientist. 2006. October 23. URL: https://www.newscientist.com/article/dn10358-hitch-hike-to-mars-inside-an-asteroid/ (Дата обращения: 20.08.2021).

5. Grace Dean, Tim Levin. Elon Musk said he'd sell all his houses to fund colonizing Mars – but he's kept one in California that he rents out for 'events' [Электронный ресурс] // Business Insider. 2021. Juny 10. URL: https://www.businessinsider.com/elon-musk-texas-california-house-rent-bay-boca-raton-mars-2021-6 (Дата обращения: 20.08.2021).

6. Кристина Астафурова. Маск запланировал отправить на Марс миллион человек к 2050 году [Электронный ресурс] // РБК. 2020. 19 января. URL: https://www.rbc.ru/technology_and_media/19/01/2020/5e23e77c9a7947f70aa3a847 (Дата обращения: 20.08.2021).

7. David Baker. Wernher von Braun’s forgotten mission to Mars [Электронный ресурс] // BBC Sky At Night Magazine. 2019. July 16. URL: https://www.skyatnightmagazine.com/space-missions/wernher-von-brauns-forgotten-mission-mars/?fbclid=IwAR2XAFyI8mfibv-dxW70FDo56VIYC1Y515vZWwgILdyvT8jbdnVn0C-ZAuo (Дата обращения: 20.08.2021).

8. Майборода А. О. Долговременная лунная база с искусственной гравитацией и минимальной массой конструкции // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 3. С. 36-43.

 

References

1. Wernher von Braun, Henry J. White. The Mars Project. University of Illinois Press, 1953. 91 p.

2. V RAN usomnilis' v kolonizatsii Marsa do 2040 goda. Interfaks, 2016, October 13. Available at: https://www.interfax.ru/russia/532369 (Retrieval date: 20.08.2021).

3. Rob Koppinger. Kak Ilon Mask sobiraetsya kolonizirovat' Mars. BBC News. Russian, 2016, September 28. Available at: https://www.bbc.com/russian/news-37494703 (Retrieval date: 20.08.2021).

4. David Shiga. Hitch hike to Mars inside an asteroid. New Scientist, 2006, October 23. Available at: https://www.newscientist.com/article/dn10358-hitch-hike-to-mars-inside-an-asteroid/ (Retrieval date: 20.08.2021).

5. Grace Dean, Tim Levin. Elon Musk said he'd sell all his houses to fund colonizing Mars – but he's kept one in California that he rents out for 'events'. Business Insider, 2021, Juny 10. Available at: https://www.businessinsider.com/elon-musk-texas-california-house-rent-bay-boca-raton-mars-2021-6 (Retrieval date: 20.08.2021).

6. Kristina Astafurova. Mask zaplaniroval otpravit' na Mars million chelovek k 2050 godu. RBK, 2020, January 19. Available at: https://www.rbc.ru/technology_and_media/19/01/2020/5e23e77c9a7947f70aa3a847 (Retrieval date: 20.08.2021).

7. David Baker. Wernher von Braun’s forgotten mission to Mars. BBC Sky At Night Magazine, 2019, July 16. Available at: https://www.skyatnightmagazine.com/space-missions/wernher-von-brauns-forgotten-mission-mars/?fbclid=IwAR2XAFyI8mfibv-dxW70FDo56VIYC1Y515vZWwgILdyvT8jbdnVn0C-ZAuo (Retrieval date: 20.08.2021).

8. Mayboroda A.O. Dolgovremennaya lunnaya baza s iskusstvennoy gravitatsiey i minimal'noy massoy konstruktsii. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 3, pp 36-43.

© Майборода А. О., 2021

История статьи:

Поступила в редакцию: 11.08.2021

Принята к публикации: 04.09. 2021

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Майборода А. О. Эффективные способы защиты от космических факторов в межпланетном полёте и внеземной колонии // Воздушно-космическая сфера. 2021. № 3. С. 32-41.

ранее опубликовано

все статьи и новости