За пределами Земли. В поисках нового дома в Солнечной системе - Чарльз Уолфорт

Главный технический директор был разгневан и показывал это как мог, вопреки неумению выражать свои эмоции, на что его жена часто жаловалась на сеансах семейной терапии. Q-двигатель представлял собой технологический прорыв, который спасет человечество от вечного прозябания на Земле. Построенный его командой аппарат сократит путешествие к Титану с 7 лет до 18 месяцев. Вся Солнечная система окажется в пределах досягаемости.

Встреча закончилась договоренностью о том, что кораблю необходима ракетная ступень, достаточно сильная, чтобы вывести его за пределы видимости с космической станции, после чего заработает Q-двигатель. Технический директор вернулся в свой офис, полыхая изнутри, стиснув зубы и продумывая месть директору по маркетингу, зная, что никогда ее не осуществит. На самом деле в первой ступени был смысл — она позволит скорее преодолеть земное тяготение.

Созданная командой технического директора ракетная ступень питалась от того же реактора, от которого питается Q-двигатель. Водород из внешних баков направлялся через реактор, где мгновенно разогревался и выбрасывался в виде выхлопа. Во время этой фазы разгона большие, хрупкие кольца Q-двигателя остаются сложенными. После опустошения баков с водородом корабль начинает баллистический полет (нулевое ускорение), пока развертываются коллекторы. Затем Q-двигатель включается и постепенно наращивает скорость корабля на протяжении путешествия.

Главный маркетинговый директор был счастлив. Но на следующем совещании директор по безопасности указал на то, что ускоритель первой ступени обдаст мировых лидеров сверхразогретым водородом. Следующим изменением в проекте был «буксир», с помощью которого аппарат выводили из космического дока перед включением главных двигателей.

«Картинка» отбытия с помощью буксира оказалась идеальной. Не слишком быстро, не слишком медленно.

Главный технический директор начал разработку буксира.

Для того чтобы отправление выглядело должным образом, проекту потребовалось несколько лишних лет, но Titan Corp. справилась. Стоимость проекта выросла на треть.

Настоящее

В NASA даже астронавты, готовые рисковать, осознают потребность в более быстрых двигателях. Если путешествие на Марс возможно на грани сил и при предельно допустимом воздействии радиации, то, добравшись туда, мы окажемся в тупике. История «Аполлона» учит нас не действовать на краю наших возможностей, совершая грандиозное, но ни к чему не ведущее усилие. С трудом приземлившись на Марс, мы можем опять прождать следующего шага 50 лет; так уже произошло, когда мы расширили границы возможного и добрались до Луны. Для того чтобы исследование не прекращалось, каждый шаг должен вести к следующему шагу, тогда мы сможем идти все дальше и дальше, а не ждать новых идей в течение нескольких поколений.

Кроме того, чем больше мы узнаем о Марсе, тем менее интересным он кажется в качестве конечного пункта назначения. Мы захотим пойти дальше.

В Космическом центре имени Джонсона Марк Макдональд, глава Группы разработки перспективных миссий, будучи хорошим инженером, представляет этот вопрос в виде баланса ограничений. Путешествие во внешнюю часть Солнечной системы потребует быстрого полета — и не только из-за радиационной угрозы. В длительное путешествие с собой придется взять слишком много еды и топлива. С ростом массы корабля проблема двигательной установки становится еще острее. «Дальнобойный» исследовательский космический корабль должен быть легким и быстрым, а его двигатели — эффективными и требовать мало топлива.

Наверное, топливо можно было бы добыть на астероиде, если подвернется многообещающий «булыжник» и если его можно будет передвинуть в нужное место и оставить там в качестве заправки. Марк считает, что огромная стоимость и сложность поиска и перемещения астероида, его разработки и переработки топлива будет иметь смысл только для зрелого космического флота с большим количеством клиентов, но не для одиночного полета. Более вероятно то, что топливо и припасы будут размещаться на пути к Титану автоматическими кораблями. Более медленные и крупные космические корабли без людей на борту оставят склады, а пилотируемая миссия будет следовать за ними по пятам и дозаправляться в пути.

Но этому плану присущ риск, связанный со всеми этими запусками и остановками, каждая из которых подразумевает встречу в дальнем космосе. Даже если они пройдут идеально, они займут время. Также Марк указывает на то, что эта идея не учитывает основной проблемы — стоимости использования ракет на химическом топливе во внешней Солнечной системе. Каждая дополнительная тонна топлива, поднятая с Земли и запущенная в открытый космос, крайне дорога. А для миссии в дальний космос потребуются сотни тонн топлива.

Современные химические ракеты хороши для непродолжительного производства огромной тяги, но они неэффективны, а подходящее им топливо слишком тяжело для долгого путешествия. Макдональд проводит аналогию с Диким Западом. Если бы лошади поселенцев, пересекающих прерии, не могли пастись по пути, то каждому из них понадобился бы длинный обоз с заготовленным кормом. Никто не смог бы позволить себе такое путешествие.

Гарольд Уайт, известный как Сонни, работает у Макдональда. Он думает о том, какой необходим фундаментальный прорыв для того, чтобы построить космический аппарат, не требующий всего этого груза и поддержки. Он — простой и симпатичный парень, чья скромность не вяжется с той потрясающей работой, которую он делает. С помощью понятной немногим физики он изобретает реальные машины, обретая в процессе новое понимание свойств Вселенной. Но о своей работе на переднем крае теории он говорит с тем же обыденным энтузиазмом, с каким показывает картинки в своем телефоне. После фотографии ядерного двигателя 1960-х гг. в пустыне, сделанной во время семейной поездки, он признается: «Я такой “ботаник”!»

Но он «ботаник», только если вы готовы назвать так человека на зарплате у NASA, разрабатывающего штуки, впервые придуманные в сериале «Звездный путь». Как мы увидим в главе 12, Сонни работает над двигателем будущего. Он супергерой среди «ботаников».

Обычным смертным вроде нас трудно понять то, о чем говорит Сонни. Приведем пример.

Ракеты, самолеты и суда ускоряются согласно третьему закону Ньютона. Для каждого действия существует равное по силе, но противоположно направленное противодействие. Мотор лодки крутит винт, который толкает воду назад; противодействием этому является движение массы лодки вперед. Двигатель самолета разгоняется за счет массы воздуха, пропускаемого через турбину или пропеллер. Летящая сквозь космос ракета не опирается ни на воздух, ни на воду и не может использовать их в качестве рабочего тела. Поступательное движение является противодействием выбросу реактивной массы. Независимо от того, какой используется источник энергии и какова скорость выброса, поступательное движение обычной ракеты ограничивается, согласно третьему закону Ньютона, массой рабочего тела у нее на борту. Если это ограничение применить к лодкам и самолетам, они могли бы совершать лишь очень краткие рейсы.

Делу может помочь улучшенный источник энергии и более эффективный двигатель. Во внутренней части Солнечной системы солнечные батареи способны вырабатывать достаточно электричества для питания двигателя. Электрические космические аппараты в качестве рабочего тела используют ксенон. Ксенон — негорючий инертный газ; он лишь рабочее тело, а не топливо. В таких двигателях, называемых ионными, электричество, вырабатываемое солнечными батареями, ионизирует атомы ксенона, унося с них электроны и создавая положительно заряженные ионы, которые можно разогнать магнитным полем. Ионы ксенона разгоняются и выталкиваются через хвостовую часть ракеты, чем и обеспечивается ее поступательное движение. Во внешней Солнечной системе, где лучи Солнца слабее, ионный двигатель может получать электричество от реактора ядерного деления вместо солнечных батарей. Реакторы существуют уже давно: например, один из них был установлен в старой ракете, фотография которой была у Сонни в телефоне[69].