Как выйти на орбиту? Старые сра... споры о выводе на орбиту.

Итак. Вот уже 68 лет как первый искусственный спутник Земли достиг орбиты. Это сделала ракетоноситель Р-7, разработанный в нашей стране. С тех пор реактивные химические ракеты становятся все совершеннее, но принципиально ничего не меняется. Давайте вспомните какие альтернативные или хотя бы экономящие ресурсы способы вывода грузов на орбиту существуют кроме мейнстрима. 

1. Воздушный старт (Air Launch)

Статус: Используется (Pegasus, Virgin Orbit).
Описание: Самолёт поднимает ракету на высоту 10–15 км, после чего она стартует.
Плюсы:

• Экономия топлива за счёт высотного старта.
• Гибкость в выборе точки запуска.
  
  
• Критика:
• Ограниченная масса полезной нагрузки (до 500 кг).
• Высокая стоимость запуска.
  Полезная нагрузка: 100–500 кг (НОО).
  Космонавты: Нет (только малые спутники).

2. Электромагнитная катапульта (SpinLaunch)

Статус: Испытания (тестовые запуски с 2021).
Описание: Центрифуга разгоняет ракету до гиперзвуковых скоростей, затем включается двигатель.
Плюсы:

• Сокращение расхода топлива.
• Возможность частых запусков.
  
  
• Критика:
• Огромные перегрузки при разгоне (10 000 g), разрушающие электронику.
• Ограничение по массе.
  Полезная нагрузка: До 200 кг (заявлено).
  Космонавты: Нет (технически невозможно из-за перегрузок).

3. Космический лифт

Статус: Теоретическая концепция.
Описание: Трос от поверхности Земли до орбиты, по которому движутся грузы.
Плюсы:

• Дешёвая доставка грузов.
• Постоянный доступ в космос.
  
  
• Критика:
• Нет материалов для троса (нужна прочность выше современных возможностей).
• Угрозы от космического мусора.
  Полезная нагрузка: Теоретически тонны, но не определено.
  Космонавты: Теоретически да, но в отдалённом будущем.

4. Лазерные/микроволновые системы

Статус: Эксперименты (проекты LaserMotive, JP Aerospace).
Описание: Лазер или микроволны нагревают рабочее тело аппарата, создавая тягу.
Плюсы:

• Отсутствие топлива на борту.
• Возможность многократного использования.
  
  
• Критика:
• Огромные энергозатраты (требуются мегаватты энергии).
• Низкий КПД на больших расстояниях.
  Полезная нагрузка: Экспериментально 1–10 кг.
  Космонавты: Нет.

5. Солнечный парус

Статус: Испытаны (LightSail-2, IKAROS).
Описание: Давление солнечного света толкает ультратонкий парус.
Плюсы:

• Бесконечный ресурс (не требует топлива).
• Подходит для межпланетных миссий.
  
  
• Критика:
• Сверхмалая тяга (микроньютоны).
• Не подходит для вывода на орбиту с Земли.
  Полезная нагрузка: Только для коррекции орбиты спутников.
  Космонавты: Нет.

6. Ядерные тепловые двигатели (Nuclear Thermal Propulsion)

Статус: Разработки (NASA, Роскосмос).
Описание: Ядерный реактор нагревает рабочее тело (водород), создавая тягу.
Плюсы:

• Высокий удельный импульс (~900 с против 450 у химических).
• Быстрый полёт к Марсу.
  
  
• Критика:
• Радиационная опасность. Радиационное загрязнение окружающей среды.
• Политическое сопротивление. Использование ядерных технологий в космосе на данный момент запрещено.
  Полезная нагрузка: Теоретически 10–20 тонн (НОО).
  Космонавты: Да, но только в межпланетных миссиях.

7. Гиперзвуковые летательные аппараты

Статус: Эксперименты (Stratolaunch Talon-A, Boeing X-51).
Описание: Разгон до гиперзвуковых скоростей (Вплоть до МАХ 20) с последующим выходом в космос. МАХ 20 не хватает для выхода на орбиту, но возможна доработка чем-то. Все технологии гиперзвука пока что у военных.
Плюсы:

• Многоразовость.
• Быстрая доставка.
  
  
• Критика:
• Высокие температуры и износ материалов, но Россия решила эти проблемы. См. Авангард. 
• Ограниченная грузоподъёмность.
  Полезная нагрузка: До 500 кг.
  Космонавты: Нет.

8. Ракетные поезда (многоступенчатые системы)

Статус: Используются (все современные ракеты).
Описание: Последовательный сброс ступеней для уменьшения массы.
Плюсы:

• Высокая эффективность.
• Возможность вывода тяжёлых грузов.
  
  
• Критика:
• Высокая стоимость из-за потери ступеней. Маск пытается работать с этой проблемой. 
• Экологические риски.
  Полезная нагрузка: До 100+ тонн (Starship).
  Космонавты: Да (Союз, Crew Dragon).

9. Запуск с воздушного шара (Bloostar)

Статус: Проект Zero 2 Infinity (тесты в 2010-х).
Описание: Груз поднимается стратосферным шаром на 30 км, затем запускается ракета.
Плюсы:

• Дешевле, чем воздушный старт с самолёта.
  
  
• Критика:
• Низкая точность и зависимость от погоды.
• Малая грузоподъёмность.
  Полезная нагрузка: До 100 кг.
  Космонавты: Нет.

10. Орбитальные кольца или тросовые системы

Статус: Теоретическая концепция.
Описание: Вращающаяся конструкция в космосе, «подтягивающая» грузы с Земли.
Плюсы:

• Постоянный доступ в космос.
  
  
• Критика:
• Нереализуемо с текущими технологиями. Близко по идее к орбитальному лифту, но можно не держать  трос постоянно натянутым.
• Гигантская стоимость.
  Полезная нагрузка: Теоретически неограниченно.
  Космонавты: Теоретически да.

Итоговая таблица

Вывод

• Реалистичные      сегодня: Воздушный старт, SpinLaunch, ядерные двигатели (для      межпланетных миссий).
• Перспективные,      но далёкие: Космический лифт, орбитальные кольца.
• Для      людей: Только традиционные ракеты и перспективные ядерные системы.

Большинство альтернатив пока уступают химическим ракетам в мощности, но могут стать дополнением для нишевых задач (запуск микроспутников, межпланетные миссии).

О возможности использования рельсотронов для вывода грузов на орбиту.

. Принцип работы рельсотрона

• Как      это работает:
  Рельсотрон использует электромагнитную силу Лоренца для разгона снаряда      вдоль двух проводящих рельс.
  • Ток,       проходящий через снаряд, создаёт магнитное поле, которое толкает его       вперёд.
  • Цель:       достичь скорости, близкой к первой космической (7.8 км/с).
• Для      орбитальных запусков:
  Гипотетически рельсотрон мог бы разгонять контейнеры с материалами до      нужной скорости, после чего они поднимались бы в космос по баллистической      траектории или включали двигатели для коррекции орбиты.

2. Потенциальные преимущества

• Экономия      топлива: Нет необходимости в химических двигателях для старта.
• Снижение      стоимости: Многоразовая система с низкой себестоимостью запуска.
• Частота      запусков: Возможность десятков запусков в день (теоретически).

3. Технические и физические проблемы

a) Энергопотребление

• Для      разгона до 7.8 км/с даже небольшого груза (1 кг)      требуется энергия:

E=12mv2=12⋅1⋅(7800)2≈30 мегаджоулей.E=21mv2=21⋅1⋅(7800)2≈30мегаджоулей.

Это эквивалент 8.3 МВт·ч — столько потребляет небольшой город за час.

• Нужны      сверхмощные и компактные источники энергии (например, суперконденсаторы),      которых пока не существует.

b) Атмосферное сопротивление и нагрев

• На      низких высотах плотная атмосфера создаёт сопротивление, которое:
  • Замедляет       снаряд.
  • Вызывает       экстремальный нагрев (как при входе в атмосферу, но в обратном       направлении).
• Для      защиты груза потребуется тяжелая теплозащита, что снижает полезную      нагрузку.

c) Перегрузки

• Ускорение      в рельсотроне может достигать 10 000–100 000 g.
  • Большинство       материалов и электроники разрушатся при таких нагрузках.
  • Подходят       только сверхпрочные, простые грузы (металлические заготовки, сыпучие       материалы).

d) Точность и стабилизация

• Снаряд,      выпущенный с поверхности, должен:
  • Точно       выйти на орбиту (ошибка в скорости на 1% = отклонение на сотни км).
  • Иметь       систему коррекции траектории (двигатели, гироскопы), что усложняет       конструкцию.

4. Заявленные параметры и эксперименты

• Проект      Quicklaunch (США):
  • Предполагал       использование подводного рельсотрона для запуска грузов.
  • Заявленная       грузоподъёмность: до 450 кг на НОО.
  • Статус:       проект закрыт из-за финансирования и технических проблем.
• Китайские      исследования:
  • В       2016 году сообщалось о тестах рельсотрона для запуска спутников, но       подробности засекречены.

5. Для каких грузов это возможно?

• Конструкционные      материалы:
  • Металлические       балки, плиты, сырьё для 3D-печати на орбите.
  • Грузы       без сложной электроники (например, вода, топливо в защищённых       контейнерах).
• Ограничения:
  • Масса:       не более 100–500 кг (из-за энергии и перегрузок).
  • Форма:       компактные и прочные объекты (сферы, цилиндры).

6. Критика концепции

• Нереалистичная      энергетика: Современные технологии не позволяют генерировать и хранить      нужные объёмы энергии.
• Экология:      Выбросы от сжигания ископаемого топлива для питания рельсотрона свели бы      на нет преимущества.
• Орбитальная      механика: Снаряд, выпущенный с Земли, будет двигаться по      баллистической траектории, но для выхода на устойчивую орбиту потребуется      дополнительный импульс (двигатели), что усложняет систему.

7. Альтернативы

• SpinLaunch:      Центрифуга для разгона грузов (уже тестируется).
  • Перегрузки: 10       000 g, грузоподъёмность: до 200 кг.
• Электромагнитные      катапульты на Луне:
  • В       условиях вакуума и низкой гравитации рельсотроны могли бы запускать грузы       с лунной поверхности.

Итог

Рельсотроны для орбитальных запусков — технически возможная, но непрактичная идея на текущем уровне развития технологий.

• Плюсы:      Теоретическая экономия ресурсов.
• Минусы:      Непреодолимые (пока) энергетические, инженерные и физические барьеры.

Где это могло бы работать:

• Запуск      прочных материалов с Луны или астероидов (где нет атмосферы и низкая      гравитация).
• Экстренная      доставка сырья для орбитальных фабрик в далёком будущем.

Пока же рельсотроны остаются инструментом футуристических проектов и военных исследований, но не космической логистики.

Имеет ли смысл постройка космодрома на высокогорных плато, чтобы снизить затраты преодоления первых самых плотных слоев атмосферы?

Строительство космодрома на высокогорном плато имеет как потенциальные преимущества, так и серьёзные недостатки. Рассмотрим их, опираясь на физику, экономику и существующие примеры.

Преимущества высокогорного космодрома

1. Снижение      атмосферного сопротивления:
   • На       высоте 2–4 км плотность атмосферы на 20–40% ниже,       чем на уровне моря. Это уменьшает потери на аэродинамическое       сопротивление, что теоретически позволяет:
     • Сэкономить 1–3%        топлива (для ракет с тяжёлой полезной нагрузкой это может дать        выигрыш в десятки тонн).
     • Увеличить        массу полезной нагрузки на 1–5% (например, для Falcon 9        это +100–500 кг).
2. Уменьшение      гравитационных потерь:
   • Старт       с возвышенности сокращает время работы первой ступени в плотных слоях       атмосферы, где гравитационные потери максимальны (ракета дольше движется       вертикально вверх).
3. Безопасность:
   • Удалённость       от населённых пунктов снижает риски при авариях на старте.

Недостатки и сложности

1. Логистика:
   • Доставка       компонентов ракет (особенно крупногабаритных, как ступени Starship) в       горные райны требует:
     • Строительства        дорог, выдерживающих многотонные грузы.
     • Использования        спецтранспорта (например, вертолётов или поездов с усиленными путями).
   • Пример:       Космодром Байконур (Казахстан) расположен в степи, что       упрощает логистику, а строительство в горах обошлось бы в 2–3       раза дороже.
2. Ограниченная      выгода:
   • Атмосферные       потери составляют лишь 10–15% от общих энергозатрат       ракеты. Основные потери связаны с гравитацией и достижением орбитальной       скорости.
   • Для       сравнения:
     • Запуск        с экватора (как в Куру, Французская Гвиана) даёт +15–20% к        полезной нагрузке за счёт скорости вращения Земли (465 м/с).
     • Высота        же добавляет менее 5%, что менее выгодно.
3. Климатические      проблемы:
   • Высокогорные       плато часто имеют:
     • Сильные        ветра (опасность для вертикальных ракет).
     • Низкие        температуры (усложняют работу с криогенным топливом, например, жидким        кислородом).
     • Разряженный        воздух (проблемы для персонала и оборудования).
4. Ограничения      по траекториям:
   • Горный       рельеф может мешать безопасным траекториям запуска (особенно для полярных       орбит).

Существующие примеры

1. Космодром      Алкантара (Бразилия):
   • Расположен       на высоте 40 м, но близко к экватору (2° ю.ш.).
   • Преимущество: экваториальное       положение, а не высота.
2. Космодром      Цзюцюань (Китай):
   • Находится       на высоте 1000 м, но основная причина выбора — удалённость от       населённых пунктов, а не аэродинамическая выгода.
3. Проект      «Свободный» (Россия):
   • Планировался       на высоте 200–300 м, но закрыт из-за нерентабельности.

Сравнение: экватор vs высота

Когда это может быть оправдано?

1. Сверхтяжёлые      ракеты:
   • Для       носителей вроде Starship (грузоподъёмность 100+ т) даже       5% экономии дают +5 т полезной нагрузки. Но логистика остаётся проблемой.
2. Локальные      проекты:
   • Если       горный регион уже имеет инфраструктуру (например, Швейцарские       Альпы), затраты снижаются.
3. Специальные      орбиты:
   • Для       вывода спутников на полярные орбиты, где экваториальное преимущество не       работает.

Итог

Строительство высокогорного космодрома не имеет коммерческого смысла при текущих технологиях.

• Главный      недостаток: Мизерная выгода (+1–5% грузоподъёмности) не компенсирует      колоссальные затраты на логистику и строительство.
• Альтернативы:
  • Воздушный       старт (высота 10–15 км) даёт больше преимуществ.
  • Экваториальные       космодромы (Куру, Морской старт) эффективнее за счёт скорости       вращения Земли.

Вывод: Высокогорные плато пригодны лишь для нишевых военных или научных проектов, но не для массовых коммерческих запусков.