Статья спасена из Яндекс.Кью
Чтобы лучше понимать космические новости, полезно выработать интуицию: что вообще означает "полететь в космос", почему это сложно и от чего эта сложность зависит. После этого вы также начнете получать больше удовольствия от "Марсианина", "Семиевия" и вообще книг Энди Вейера и Нила Стивенсона (и меньше от другой космической фантастики)
Космос не наверху
Большинство людей интуитивно представляют себе полёт в космос совсем неправильно, так, как будто задача состоит в том, чтобы взлететь куда-то очень высоко. Это не так, и подобное интуитивное заблуждение мешает понимать почти всё, что с космосом связано. Например, чем полёты на МКС, на Луну и на Марс отличаются друг от друга, и что из этого во сколько раз сложнее и дороже. Например, почему противоракетная оборона от межконтинентальных баллистических ракет настолько безумно сложна, хотя сами они являются технологией середины прошлого века. Тем более это касается полуфантастических вещей вроде космических лифтов и орбитальных поселений.
это высоко, но это не космос
Даже люди с высшим физико-математическим образованием часто в теории знают, как оно на самом деле, но интуицией на этот счёт не обладают, потому что никто не научил их простому мнемоническому правилу: космос это не высоко, космос это быстро.
Например, международная космическая станция летает примерно на высоте 400 километров над поверхностью. А радиус Земли почти в 20 раз больше. Если представить себе Землю как баскетбольный мяч, то МКС от него на расстоянии меньше сантиметра. Гравитация там во всех смыслах такая же, как и "внизу". Невесомость на станции не потому, что станция высоко, а потому что она находится в свободном падении. Невесомость, которую можно чувствовать до раскрытия парашюта или в падающем самолёте, это не какое-то похожее ощущение или имитация, это в точности тот же самый эффект.
Но станция не только "падает вниз", она ещё и "летит вбок" со скоростью несколько километров в секунду. Поэтому "падение" её всё время только заворачивает, и мимо поверхности она "промахивается". Это и есть орбита.
Чтобы полететь в космос, не нужно улетать далеко, достаточно оказаться за пределами атмосферы, а это пустяки, километров сто, в границах Москвы есть точки, находящиеся на таком расстоянии друг от друга. Но ещё нужно не упасть сразу же обратно, а вот это уже требует очень, очень быстро двигаться "вбок". Это "очень-очень" как раз и называется "первой космической скоростью", чуть меньше 8 километров в секунду. Почему это так сложно?
Гиперзвуковая взрывчатка
Во-первых, кинетическая энергия объекта, движущегося на скорости 3 км/c, уже больше, чем тротиловый эквивалент (то есть больше количества энергии, сколько высвобождается взрывчаткой той же массы).
Достижение даже первой космической скорости требует ещё раз в семь-девять раз больше энергии, и именно поэтому летать в космос так опасно.Чтобы вывести в космос, например, 100 кг, нужно каким-то образом управляемо потратить больше энергии, чем выделилось бы при взрыве тонны взрывчатки.
это вот "кинетическое оружие": если что-то летит очень быстро, то уметь взрываться ему уже не обязательно
Вообще, тот факт, что объект, движущийся на скорости 2Х, несёт вчетверо больше энергии, вроде бы должен быть знаком каждому со школы, но мало кто его как следует чувствует. Вообще-то, например, в контексте авто-мото-безопасности полезно осознавать, что 120 километров в час это не вдвое опасней, чем 60, а вчетверо.
Во-вторых, на самом деле даже "тонна взрывчатки на центнер полезного веса" это очень серьезная недооценка. Потратить нужно во много раз больше, об этом чуть ниже в разделе про уравнение Циолковского. Вот поэтому "из пушки на Луну", как в старинной фантастике, полететь не получится, вот поэтому летать в космос так опасно и так дорого, вот поэтому от ракет отстреливают лишние ступени, вот поэтому всё это так эпично, вот поэтому rocket science это синоним сложного.
И, кстати, вот именно поэтому ваша детская идея построить очень высокую башню "до космоса" была неверна, а вовсе не потому, что её построить дорого. Космический лифт это нечто иное и из всех потенциальных безракетных методов вывода на орбиту он далеко не самый реалистичный, перспективный и привлекательный.
Формула Циолковского и перспективные космические тела
Тут какие-то логарифмы, ничего непонятно. Но если выразить M_2 (стартовую массу) через M_1 (полезную нагрузку), V (на самом деле лучше называть эту штуку deltaV) и I, станет чуть понятней, почему формула ракетного движения важна: M_2 окажется экспоненциально зависящей от deltaV. Как все знают, экспонента растёт очень-очень быстро, быстрее не только квадрата, но и любого многочлена. Например, химическая ракета (то есть ЛЮБАЯ из пока что существующих в реальности ракет) в принципе не может достичь релятивистских (межзвёздных) скоростей: чтобы разогнать до них таким способом один протон, не хватит топлива во всей вселенной. Тем удивительней, что мечта о звездолётах, в общем, вполне реалистична (но это предмет отдельной записи).
спойлеры!
Откуда такой ужас с экспонентой берётся? Из-за того, что топливо нам нужно не только для разгона полезной нагрузки, но и для разгона того топлива, которое мы ещё не потратили. Соответственно, если топливо на достижение скорости 1 км/c будет весить как 20% полезной нагрузки, то чтобы достичь 10 км/c, нам его нужно не 200%, а 520% (то есть ракета будет состоять из топлива не на две трети, а на 85%. А если нам вдруг зачем-то нужно ещё 10км/c deltaV, то на 98%, что уже не особенно реалистично, поэтому понадобятся всякие множественные старты, дозаправки прямо на орбите и т.п.
А зачем нам может быть нужно много deltaV? Например, чтобы куда-нибудь сесть, а потом с этого чего-нибудь взлететь. То есть, типа, колонизировать что-нибудь! Именно из формулы Циолковского следует, что космические колонии стоит устраивать где-нибудь в не слишком глубоких гравитационных колодцах, по крайней мере, пока они не самодостаточны.
Например, взлететь с Луны стоит в 22 раза меньше энергии, чем с Земли (см. вики https://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_скорость#Первая_и_вторая_космические_скорости_для_различных_небесных_тел, и помним про квадрат). На самом деле с учетом отсутствующей атмосферы ещё дешевле: для интуиции можно считать, что в 30 раз меньше энергии. То есть, наверное, вполне можно построить длинный линейный ускоритель и запускать всякие полезные штуки, вовсе не тратя топливо.
Правда, из такой штуки также, видимо, можно будет обстреливать Землю болванками, падающими примерно с первой космической скоростью, см.тротиловый эквивалент и всё такое. Надеюсь, не поэтому все сверх- и почти-сверхдержавы одновременно нацелились строить колонии на Луне. Точнее, не только поэтому.
Марс в этом смысле куда менее пригоден. На Марсе, в отличие от Луны, люди не побывали не только потому, что Марс далеко (как вы, наверное, знаете, в космосе не так важно линейное расстояние), но и потому что на переходный маневр по пути туда, взлёт с Марса и переходный маневр по пути обратно нужно гораздо больше deltaV. Впрочем, если бы мы на Марсе жили изначально, то стать космической цивилизацией нам было бы проще, чем на Земле.
Колонии на Венере это вообще жесть, даже если как-то справиться с тем фактом, что Венера по условиям на поверхности это планета из ада, например, устраивать там летающие города в облаках. Венера по размерам как Земля, то есть deltaV, чтобы вернуться, ещё столько же, сколько нужно, чтобы туда прилететь.
Конечно, самая классная идея -- вообще не возить с собой топливо на обратный путь. Если на том конце есть чем подзаправиться, то достаточно попасть только туда! Например, предположим, там, куда мы летим, есть вода. Воду мы можем разложить на кислород и водород и использовать как топливо, энергию для этого нам дадут солнечные батареи. Кстати, ещё воду можно пить и растворять в ней пищевые концентраты, а кислородом дышать, так что и этих субстанций тоже можно взять с собой меньше. Воды в Солнечной системе очень много, вроде бы и на Луне есть, не очень понятно пока, сколько (в твердом виде, конечно). Короче, навскидку для колонизации Луна выглядит лучше всего, хорошо, что она недалеко.
А вот было бы классно, если бы вода была на околоземной орбите в любых количествах, и мы по цене вывода на НОО могли бы летать куда угодно! Вообще говоря, это выглядит как идея, правда? Берём какое-нибудь кометное ядро, ставим на него солнечные батареи, установку для электролиза воды, кислород-водородный двигатель, и сюда это ядро потихонечку толкаем.
Ну что может пойти не так?