Серия «Интересное из мира науки»

По информации СМИ, модуль «Наука» столкнулся с техническими проблемами. Они могут существенно осложнить стыковку с Международной космической станцией.

«Наука» / ©роскосмос

Главная надежда «Роскосмоса» — недавно запущенный модуль «Наука — вероятно, не сможет штатно пристыковаться к МКС. По информации источников в космическом ведомстве, датчик не показал выдвижения штанги антенны системы «Курс», которую используют для сближения и стыковки аппарата. Неизвестно, кроется ли проблема в штанге или самом датчике.

Также не ясно, может ли проблема всерьез помешать стыковке с МКС. Есть запасной вариант проведения операции вручную, однако многое зависит от состояния модуля. Дополнительные трудности накладывают большие размеры «Науки».

©Роскосмос

По информации, представленной на форуме NASASpaceFlight, имеют место трудности с ИКВ датчиками горизонта и системой управлением движением (двигателями причаливания и стабилизации).

Кроме того, стало известно о переносе работ с модулем «Пирс», на место которого хотят пристыковать «Науку». «Так, ребят, более глобальные изменения на сегодняшний день. Отменились все работы касательно СО (стыковочный отсек «Пирс». — Прим. ред.), они перенесены на завтра», — сказал специалист Центра космонавтам Олегу Новицкому и Петру Дуброву, которые находятся на борту станции.

С чем связан перенос подготовительных работ и отразится ли это на дате расстыковки «Пирса», не уточняется.

Модуль «Наука» запустили при помощи ракеты-носителя «Протон-М» 21 июля. Старт провели с пусковой установки № 39 площадки № 200 космодрома Байконур.

Запуск модуля «Наука» / ©Naked Science, Парфенов Василий

Сближение со станцией должно произойти с помощью двигателей модуля. Вывести «Науку» в зону стыковки намерены за восемь суток. Стыковка назначена на 29 июля: актуальны ли эти сроки сейчас — не сообщается.

Многофункциональный лабораторный модуль «Наука» во всех смыслах знаковый. Это один из главных российских «долгостроев»: создавать комплекс начали еще в 1995 году, а после определения первых сроков пуска (2007 год) их неоднократно переносили.

Будучи одним из самых больших модулей станции, «Наука» важна и с точки зрения престижа России на мировой арене.

Источник

P.S. Помянем...

Огромные скорости и мгновенные превращения, загадочная стройность форм и ошибки в расчетах — все смешалось в этой картине. Вокруг стремительно мчащегося самолета вдруг возникает туманный конус, но это не «звуковой барьер». С конусом связано много неверных штампов и распространенных мифов. Аэродинамика туманного конуса интересна, и любопытно разобраться, как он возникает и почему имеет такой вид. Никто и никогда не разбирал это так, как мы.

Снимок сделан на авиасалоне, прошедшем на авиабазе MCAS Miramar в Калифорнии 4 октября 2008 года.

Перед вами — палубный истребитель-бомбардировщик и штурмовик F/A-18F Super Hornet, летящий со скоростью, близкой к скорости звука. Задняя часть самолета скрыта за туманным конусом с ровными очертаниями: он, словно широкая юбка, окутал хвостовое оперение. Что это и откуда он взялся?

Скорость полета и число Маха

Полеты самолетов бывают дозвуковые и сверхзвуковые. Разница между ними принципиальная: физика обтекания самолета набегающим потоком воздуха на этих режимах радикально различается. Между этими разными формами полета находится область околозвуковых скоростей с переходными явлениями. Здесь и лежат места обитания туманного конуса.

Скорость в аэродинамике рассматривается относительно окружающего воздуха, а не относительно земли или, скажем, палубы авианосца. Воздух при этом становится для самолета обтекающим его потоком. В любом полете важно не только то, медленнее он или быстрее звука, но и насколько медленнее или быстрее: это определяет картину обтекания.

Скорость звука всегда рассматривается местная, в данных условиях полета, поскольку она зависит от температуры воздуха и поэтому может меняться с изменением высоты, погоды и времени года. В летнюю жару скорость звука растет, в зимние морозы — снижается. На уровне моря при стандартных условиях атмосферы скорость звука составляет 340,29 метра в секунду. С ростом высоты она меняется только из-за температуры: изменение атмосферного давления и плотности никак не влияет на скорость звука. При подъеме до стратосферы скорость звука падает с усилением тамошнего мороза, снижаясь до 295 метров в секунду. С середины стратосферы и до ее верха скорость звука растет с прогревом воздуха, за стратосферой снова убывает, а потом опять растет.

Число Маха, обозначаемое буквой M, — скорость полета или течения воздуха (в общем случае газа) в сравнении со скоростью звука. Можно сказать, число Маха — это весы, взвешивающие скорость в «звуках». В мультфильме «38 попугаев» такой получилась длина удава, измеренная в длинах попугая. Точно так же скорость полета можно измерить в скоростях звука — и получится число Маха, вернее, его численное значение.

Число Маха не имеет единицы измерения, лишь значение. Одни метры в секунду (рассматриваемую скорость) число Маха делит на такие же метры в секунду (скорость звука) — эти одинаковые единицы измерения взаимно сокращаются, и остается просто дробь, только число. Таковы все критерии подобия — принятые в аэродинамике безразмерные числа, к которым относится и число Маха. Поэтому единицы «Мах» или «мах» нет в принципе, и говорить о «скорости в три Маха» или «пять Махов» неправильно — это лишь небрежный жаргон.

Так же неверно говорить о «скорости в три числа Маха» или «с тремя числами Маха», ведь число Маха не является константой с постоянным значением. Это переменная величина, принимающая любое конкретное значение. Каждой скорости соответствует свое значение числа Маха. Если М=1, то это ровно местная звуковая скорость. При М<1 (например, М=0,7) полет дозвуковой, при М>1 (например, М=2,3) — сверхзвуковой.

Вблизи скорости звука, или Рождение скачка уплотнения

Возьмем М=0,8 на небольшой высоте. Стандартная скорость звука у земли — 340 метров в секунду. Умножение ее на М даст 272 метра в секунду — это скорость самолета относительно воздуха. А с какой скоростью воздух обтекает самолет? Кажется, конечно, с такой же — 272 метра в секунду. Но, как ни парадоксально, это не так.

На выпуклых местах — поверхностях крыла и киля, кабины, воздухозаборников — обтекающий воздух локально ускоряется. В результате скорость обтекания в разных точках самолета оказывается разной. Больше всего эта разница проявляется на крыле.

Верхняя поверхность крыла самолета более выпуклая, чем нижняя. На ней течение воздуха ускоряется сильнее.

Давление при ускорении дозвукового течения снижается, что описывается законом Бернулли для дозвукового потока. Это проявляется великий принцип неразрывности потока, или среды. Пониженное давление над крылом «подсасывает» его вверх, создавая подъемную силу. Рост местной скорости воздуха над крылом зависит от скорости самолета и кривизны обтекаемой поверхности и может достигать + 0,2 М.

При скорости самолета около М=0,8 местное ускорение обтекающего потока приводит к возникновению на верхней поверхности крыла точки со звуковой скоростью (здесь скорость течения M=1). При скорости около М=0,85 эта точка разрастается в маленькую сверхзвуковую область над крылом, которая заканчивается сзади плоской поверхностью, перпендикулярно стоящей в потоке. Воздух на ней мгновенно уплотняется, а его скорость резко падает до дозвуковой.

Это сверхзвуковой скачок уплотнения — поверхность ударного газодинамического сжатия воздуха.

Сжатие происходит здесь мгновенно, скачкообразно, на расстоянии всего пары пробегов молекул, за одну десятимиллиардную долю секунды. Скачок уплотнения существует только в сверхзвуковом потоке, поэтому возникает не перед крылом, где обтекание еще дозвуковое, а в сверхзвуковом течении на средней части крыла.

С дальнейшим ростом скорости самолета область сверхзвукового течения и скачок уплотнения растут и протягиваются перпендикулярно от крыла в окружающее самолет пространство. При М=0,9 сверхзвуковую область начинает создавать и слегка выпуклый низ крыла. При М=0,95 сверху и снизу крыла образуются большие сверхзвуковые области, а скачки уплотнения сдвигаются к задней кромке крыла и удлиняются на десяток метров вверх и вниз от него.

С переходом на сверхзвуковой полет скачки уплотнения отклоняются назад и объединяются за самолетом с появившейся ударной волной от передней кромки крыла, образуя на расстоянии от самолета расходящийся в пространстве конус Маха.

Сверхзвуковой скачок уплотнения может оставлять поток за собой и сверхзвуковым, и дозвуковым — смотря по тому, насколько он сильный. В любом скачке течение всегда замедляется и за счет этого уплотняется (отсюда и название скачка) — утрамбовывается налетающим сверхзвуковым потоком. С размаху бьет он по скачку огромной энергией своего движения, как молотом; этот удар производит ударное газодинамическое сжатие в сверхзвуковом скачке, образуя его. В полученном утрамбованном и уплотненном состоянии сжавшийся воздух выдавливается за скачок новыми порциями сжимаемого прибывающего потока.

За скачком уплотнения воздух может оставаться сжатым и текущим без расширения — например, на жестких наклонных поверхностях, ставших причиной возникновения скачка. В сжатом потоке плотность, давление и температура такими и остаются, не возвращаясь к доскачковым значениям. Значит, нет и волнового процесса с его возвращением к начальным параметрам.

Нас интересует другой вариант — дальняя часть сверхзвукового скачка, протянувшаяся в окружающее пространство. Здесь уплотненный скачком воздух не подпирается никакой жесткой поверхностью. Будучи сжатым, он сразу беспрепятственно расширяется, возвращаясь к атмосферному давлению и плотности. Этот возврат к начальному состоянию демонстрирует наличие волнового процесса, и сверхзвуковой скачок уплотнения вместе с измененным за ним воздухом образует ударную волну.

Ударная волна – кисть, рисующая туманом

Ударная волна — распространяющееся в воздухе со сверхзвуковой скоростью сильное упругое сжатие с последующим восстановлением параметров воздуха до атмосферных. Сжатие в лице скачка уплотнения — начало ударной волны, ее передняя поверхность и самая характерная часть. Здесь происходит кратный рост плотности, давления и температуры. Сжатие порождает большую упругую силу, которая, получив свободу действовать, становится большой силой расширения. Она стремительно нивелирует возникшее сжатие до атмосферного давления.

Расширение газа — форма движения материальных точек.

Чем быстрее это движение, тем больше его инерция. Неважно, в какой форме оно будет реализовано: масса инертна, а инерция хранит движение. Быстро достигая атмосферных параметров, разогнавшееся расширение воздуха проскакивает их без остановки и инерционно продолжается дальше, «выгибая» давление в обратную сторону и создавая разрежение.

Давление, плотность и температура в нем опускаются значительно ниже атмосферных. Возникшее разрежение запускает обратный процесс — сжатие его окружающей атмосферой. Там, где давление окончательно выравнивается с атмосферным, ударная волна заканчивается. По своей природе это обычные для волны горб и впадина на графиках параметров воздуха.

При очень сильных ударных волнах с огромным сжатием во фронте (намного большим, чем в конусе Маха) инерционная сила расширения способна создать более глубокое разрежение. Тогда восстановление до атмосферного давления тоже может обладать инерцией, достаточной для второго небольшого сжатия, после которого последует второе расширение. Такой колебательный цикл сжатия-расширения возникает в мощных ударных волнах от больших фугасных зарядов, ядерных взрывов, при падении из космоса крупных болидов. Но туманный конус вокруг самолета формируется только однократным сжатием-расширением.

Волновой портрет ударной волны имеет характерные особенности на графиках плотности, давления и температуры: островерхий пик, высокий, поэтому и короткий, а также неглубокую, но протяженную впадину. Хотя разрежение в задней части ударной волны довольно сильное (больше, чем в области дозвукового понижения давления над крылом), разность с атмосферой в нем в разы меньше, чем в передней области сжатия. А значит, меньше и сила, выравнивающая разрежение до атмосферного давления. Поэтому разрежение воздуха «затягивается» потревоженной атмосферой медленнее, существуя значительно дольше сжатия.

Если воздух вокруг самолета влажный, его температура может оказаться близкой к точке росы: температуре выпадения тумана при данной влажности. Когда температура, падающая в ударной волне вместе с давлением, опускается ниже этой точки, прозрачный водяной пар мгновенно конденсируется в туман из капелек воды. Туманный конус делает видимой область с температурой ниже точки росы. Как только температура снова поднимается выше точки росы, туман так же мгновенно превращается обратно в невидимый пар.

На этой фотографии самолета, летящего низко над океаном, видны небольшие туманные зоны за локальными скачками уплотнения, порожденными выступающими формами: над кабиной пилотов, под воздухозаборниками (небольшой клок тумана снизу примерно посередине самолета). За крыльями и стабилизаторами сформировались отдельные конусы. Фото с сайта nationalinterest.org

Теперь физическая картина происходящего становится понятна. Самолет не «преодолевает звуковой барьер», как часто неправильно говорят в такой ситуации. Это выражение фигурально и не несет никакого физического смысла, поскольку реально — физически, аэродинамически — никакого «звукового барьера» не существует. Это лишь метафора достижения людьми технологического уровня, позволяющего сверхзвуковые полеты.

В форме тумана видна холодная область — зона краткосрочного охлаждения воздуха в задней части ударной волны, возникшей вокруг самолета.

На самом деле, самолет летит здесь с постоянной, установившейся дозвуковой скоростью порядка М=0,9. На нем и вокруг него образовались зоны сверхзвукового течения. Они породили скачки уплотнения, за которыми сложилась структура ударной волны, как и должно быть в открытом окружающем воздухе. Поверхность скачка подпирается позади тонким сжатым слоем, за которым идет в разы более толстый и долгий слой инерционного разрежения и охлаждения. В «сильной» части этой разреженной зоны воздушная влага сконденсировалась туман. Атмосфера «схлопывает» вмещающее туман разрежение, поднимая температуру выше точки росы, и туман возвращается в пар.

Почему четкий конус, а не бесформенное облако?

Кто дал туману эту форму — вперед как конус, сзади ровный? Вблизи поверхности крыла сильнее скорость возросла; сверхзвуковой скачок мощнее, чем вдалеке, где все слабеет к исчезновению скачка. Мощнее сжатие в скачке на поверхности крыла — быстрее расширение и ближе за скачком проход точки росы падающей температурой. С удалением вверх и вниз от крыла уплотнение в слабеющем сверхзвуковом скачке снижается, и на самом дальнем краю сверхзвуковой области, возникшей вокруг крыла, скачок уплотнения исчезает. Продолжаясь еще немного в пространстве слабеющими волновыми эффектами. Это пока большой местный скачок, заканчивающийся неподалеку, в десятке метров от самолета.

По мере приближения к его краю расширение в слабеющей ударной волне идет медленнее, растягиваясь во времени, и точка росы достигается позже и поэтому дальше за скачком. Чем выше от крыла, тем позже и на более короткий срок возникает туман, проходя в потоке более короткую линию своей жизни. Эти линии существования тумана сокращаются по мере удаления от поверхности крыла, начинаясь позже и складываясь в конус.

Атмосфера окончательно восстанавливает давление за скачками на крыльях примерно на одном расстоянии, обрезая конус сзади перпендикулярно потоку и параллельно скачку впереди.

Поэтому чем дальше от крыла, тем позже и на более короткий срок возникает туман, образуя своим выпадением наклонную поверхность конуса и его истончение к краям. А задняя поверхность тумана, соответствующая обратному прохождению точки росы, ровная.

Можно сказать, туманный конус — это «развертка» волнового процесса, происходящего во времени, на пространство вокруг самолета.

Встречаются рассказы о том, что туманное разрежение в конусе вызывает перетекания в него воздуха из близлежащих областей. На самом деле, движения воздуха из прилегающих областей в конус нет. Течение газа и волновое колебание — две принципиально разные формы движения. В потоке здесь идет вперед ударно-волновой процесс. Он слишком быстр: не создает перетеканий с разных мест. Только сжатие-расширение, без возникновения упорядоченного течения. Заполнение туманного конуса окружающим воздухом — один из его мифов.

Он на сверхзвуке или нет? По фото можно дать ответ?

Из-за сверхзвуковых скачков уплотнения вокруг самолета аэродинамическое сопротивление сильно увеличивается. Сверхзвуковой скачок всегда создает газодинамические потери, расходуя на них часть энергии потока, или, что то же самое, отнимая часть кинетической энергии самолета, снижая его скорость. Чтобы не замедлиться, самолету нужно увеличить реактивную тягу — и тоже сильно.

Если приглядеться, за соплами самолета на главной фотографии видна полоса с тусклыми светлыми пятнами. Это реактивная сверхзвуковая форсажная струя с типичными дисками Маха — тоже скачками уплотнения, в форме которых происходит торможение сверхзвуковой струи в атмосфере. В тот момент, когда было сделано фото, двигатели «Супершершня» работали в форсажном режиме. Увеличенная форсажная тяга позволяет самолету лететь на околозвуковой скорости, компенсируя возросшее сопротивление. Форсаж при этом неполный: в режиме полного форсажа F/A-18 идет на малой высоте с «полноценным» сверхзвуком (М=1,2).

Фотография была сделана во время показательных полетов на авиасалоне. Если бы самолет летел на сверхзвуковой скорости, ударная волна конуса Маха могла оглушить вплоть до повреждения барабанных перепонок и легкой контузии или даже повалить зрителей и выбить стекла в зданиях. Сверхзвуковые полеты на малой высоте запрещены. Их использовали на армейских учениях для имитации ударной волны ядерного взрыва, и волна била жестко.

Однажды двух летчиков-истребителей ПВО командировали участвовать в общевойсковых учениях на большом полигоне. Их задачей было пройти парой на сверхзвуковых Су-9 на небольшой высоте над войсками. И сделать этот проход на сверхзвуковом режиме, имитируя ударную волну ядерного взрыва. Одновременно в «эпицентре взрыва» должны были взорвать несколько бочек с бензином для имитации атомного грибовидного облака.

Для более реальной имитации волны от взрыва летчики выбрали самый сильный, почти прямой скачок при скорости 1300 километров в час, рассчитали и согласовали место и время перехода на сверхзвук, длительность прохода на нем и маршрут полета, запас топлива для форсажного расхода. Взлетели, подошли к войскам, снизились до трехсот метров, ниже брать не стали для спокойствия на сверхзвуке в условиях возможного проявления казахского мелкосопочника. Пройдя ориентиры рубежа, разожгли форсаж, вышли на сверхзвук и пошли низко над рельефом на скорости 1300 километров в час — примерно с М=1,15, с учетом холодной погоды.

Действие получилось отличным. За черным грибом дыма от взорванных бочек по войсковым подразделениям прокатилась ударная волна. Высокопоставленные наблюдатели, стоявшие с биноклями и смотревшие на действия войск, тоже непонятно каким образом оказались в зоне согласованного маршрута пролета пары. Ударная волна оглушила и сбила наблюдателей с ног, повалив на землю. Фуражки дружной стайкой улетели в казахстанскую степь. После чего раздавалось много начальственных возмущений в адрес летчиков и организаторов «ядерного удара». Но летчики лишь четко выполнили поставленную им задачу. Автор хорошо знал одного из них, рассказавшего, как все происходило.

На фотографиях с туманным конусом обычно «позируют» самолеты палубной авиации — чаще всего варианты «Шершня» F/А-18 Hornet. У летающих на них пилотов большой опыт полетов низко над водой, накопленный во время заходов на посадку на палубу авианосца и пролетов возле него, который летчики демонстрируют на авиашоу. Близкая поверхность океана насыщает нижние слои воздуха влагой, облегчая рождение тумана.

Туман волновой и неволновой.

Ударно-волновой туман возникает не только вокруг самолетов. Он случается вокруг ракет-носителей во время движения на околозвуковых режимах при соответствующих условиях атмосферы. В силу геометрии обтекателя головной части ракеты форма тумана может отличаться от конуса, принимая иногда цилиндрический вид. И тогда кажется, что спереди на ракету-носитель надета муфта из тумана. В силу быстрого разгона ракеты такой туман возникает на несколько секунд и долго не держится, исчезая с ростом числа Маха.

Также выпадение тумана в ударной волне иногда видно визуально во время сильных взрывов во влажном воздухе. Например, при взрыве мощных фугасных авиабомб заметны быстро разбегающиеся белесые поверхности, пузырем окружающие взрыв и разлетающиеся в стороны. Это визуализируются зоны разрежения в ударных волнах. Быстро проходящие туманные поверхности видны и на съемках ядерных и термоядерных взрывов — то же самое мгновенное выпадение тумана ударно-волновой природы.

Нужно отметить, что далеко не всякое разрежение создается волновым процессом.

Туман может возникать в разрежениях любой природы — вплоть до «дымка» от выстрела пробки из бутылки шампанского. Часто видимые туманные вихревые шнуры, тянущиеся за концами крыльев самолетов, не имеют никакого отношения к ударно-волновым делам: разрежение в виде нитевидной внутренности вихревого шнура создается быстрым вращением воздуха с инерционно-центробежным механизмом снижения давления внутри вихря. Точно так же возникает дождевая погода в циклоне, где зона пониженного давления с конденсацией облаков образуется за счет особой циркуляции огромной, размером в сотни километров, вращающейся массы воздуха.

Пример неволнового разрежения и выпадения тумана. Самолет движется существенно медленнее звука, поэтому не возникает местных скачков уплотнения и туманный конус не формируется. Выпадение тумана происходит только в зоне разрежения, протянувшейся над крылом и создающей подъемную силу самолета. Здесь визуализируется не ударно-волновой процесс, а действие закона Бернулли для дозвукового потока / © Bruce Thomson с сайта flickr.com

Но именно коническая форма тумана вокруг самолета и ровная, без струй и завихрений, задняя граница конуса показывают ударно-волновую природу тумана на этих фотографиях. Поэтому туманный конус — верный признак околозвуковой скорости.

Еще один пример неволнового выпадения тумана — он возникает только сверху самолета, в зоне пониженного давления над крылом и корпусом, создающей подъемную силу. Эта зона и визуализируется туманом. Скорость самолёта значительно ниже околозвукового диапазона. Фото: Марина Лысцева / ИТАР-ТАСС.

Что будет дальше? С переходом к сверхзвуковому полету (например, с М=1,3) развернувшаяся вокруг задней части самолета волновая картина сильно изменится. Скачок уплотнения над крылом сместится на его заднюю кромку и отклонится назад. Сжатие в скачке уплотнения вырастет, восстановление атмосферного давления за ним станет очень быстрым, коротким. Зона разрежения тоже превратится в тонкий слой. Туман станет «воплощением» внутренней поверхности конуса Маха, протягиваясь от самолета далеко в пространство полупрозрачным коническим покрывалом. А если самолет попадет в более сухой воздух, то исчезнет и он, не оставляя никаких визуальных следов обтекания.

Миф о Прандтле и Глоерте

С туманным конусом связана еще одна распространенная ошибка. Его часто называют «эффектом Прандтля — Глоерта» (например, есть такая статья в Википедии). Это название широко растиражировано, однако ни в одном учебнике аэродинамики и ни в одном научном труде вы не найдете упоминания о таком эффекте. Его попросту не существует.

Есть понятие сингулярности Прандтля — Глоерта (Prandtl–Glauert singularity). Немецкий физик Людвиг Прандтль (Ludwig Prandtl) в начале ХХ века искал математическое описание сверхзвукового движения. Из-за неправильных допущений он пришел к неверному результату: из его уравнений выходило, что давление воздуха и его сила сопротивления полету при скорости М=1 стремятся к бесконечности. Что странно: в то время уже отлично летали сверхзвуковые винтовочные пули и снаряды, которые при бесконечной силе сопротивления воздуха не только сразу упали бы, но и, вероятно, разогнались бы этой бесконечной силой в обратном направлении.

Прандтль тем не менее включил свои результаты в курс, который преподавал студентам. Но первым их опубликовал английский аэродинамик немецкого происхождения Герман Глоерт (или Глауэрт, англ. Hermann Glauert — не совсем ясно, как этот английский немец или немецкий англичанин сам произносил свою фамилию, по-немецки или по-английски). Поэтому и сам метод, и следующую из него сингулярность (бесконечность давления) стали называть именами обоих ученых.

На самом деле, преобразования, предложенные Прандтлем, при приближении к М=1 не работают, но разобраться в этом в то время было непросто, поскольку в экспериментальных исследованиях сверхзвуковых течений тогда делали самые первые шаги (при активном участии самого Прандтля, который эти шаги и делал)

Людвиг Прандтль. Взгляд провидца сверхзвуковой области / © WikiHow

Людвиг Прандтль, несмотря на ошибку с сингулярностью, был выдающимся аэродинамиком, основоположником, очень много и плодотворно работавшим со сверхзвуком. Это он впервые предложил теорию сверхзвуковой ударной волны, которой мы коснулись выше. Он рассчитал и построил первую в мире сверхзвуковую аэродинамическую трубу. А позже придумал метод расчета сверхзвукового сопла, по которому сегодня рассчитывают все сопла ракет. Он создал мощную школу аэрогазодинамики, превратившуюся в сегодняшнее Общество Макса Планка. Его по праву называют отцом аэродинамики, а его имя носит один из аэродинамических критериев подобия (к которым относится и число Маха) — число Прандтля. Он дожил до полетов сверхзвуковой авиации, возникшей на базе его работ, оставив этот мир в 1953 году.

Приписываемый же Прандтлю и Глоерту «эффект» возник из вольного народного творчества и занял место в ряду других аналогичных мифов, которые в наше время так легко распространяются. Ни Прандтль, ни Глоерт его не формулировали, не описывали туманных конусов, не предсказывали их — да и вообще не имеют к ним никакого отношения. Остается лишь удивляться, сколь причудливо иногда преломляются в аэродинамике ошибочные представления, порождая мифы.

Автор: Николай Цыгикало

Источник: Naked Science

Абсолютно фантастический варп-двигатель, с теоретической точки зрения, интересен тем, что принцип его работы сам по себе не нарушает никаких законов физики. Вот только для работы такого устройства потребуются несуществующие материалы с невозможными свойствами — например, отрицательной плотностью энергии. Однако немецкий физик внимательно изучил более ранние научные работы по теме и нашел хитрую лазейку, которая позволяет хотя бы теоретически описать подобный способ передвижения без использования экзотических и аномальных материй.

©Paramount Domestic Television, Wikimedia

Практически любая космическая фантастика в той или иной форме содержит описания способов перемещения быстрее скорости света — ведь путешествия по тысяче лет (в лучшем случае) до ближайшей звезды выглядят невообразимо скучно. Но такова известная на сегодня реальность: открытые до сих пор законы физики запрещают сверхсветовые полеты. Естественно, ученые тоже люди, и не все из них довольны таким положением дел. Поэтому существует множество исследований, направленных на поиск способов «обмануть» ограничения Общей теории относительности (ОТО).

С очередной небезуспешной попыткой выступил немецкий физик Эрик Ленц (Erik Lentz) из Геттингенского университета имени Георга-Августа (University of Göttingen). Он оформил свои весьма многообещающие умозаключения в научную работу, которую опубликовал рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity. И выводы, к которым Ленц пришел, как минимум заслуживают внимания.

В своей работе Ленц предлагает новое оригинальное решение уравнений Эйнштейна для искривленного определенным образом пространства-времени. Фактически, по мнению этого ученого, существует такая конфигурация искривлений, при которых для их создания не требуется отрицательная энергия. В модели Эрика пространство-время образует солитоны — компактные устойчивые единичные волны, сохраняющие форму и постоянную скорость движения в неустойчивой среде.

Правда, есть нюанс: несмотря на всю теоретическую реалистичность выкладок, для создания такой волны все равно потребуется фантастическое количество энергии. Фактически, чтобы создать из солитона пространства-времени устойчивый пузырь диаметром 100 метров, потребуется преобразовать в энергию массу трех десятков Юпитеров. Но это все равно проще, чем придумать вещество с отрицательной плотностью энергии.

Ленц отмечает, что во время подготовки вычислений он уже нашел несколько путей для повышения эффективности модели. А если учесть другие научные работы по теме, возможно удастся снизить количество требуемой для создания такого пузыря энергии на 30-60 порядков. Это будет следующим этапом изысканий молодого физика.

«Лазейку» в существующих физических моделях Эрик нашел, изучая несколько десятков уже опубликованных научных статей, посвященных сверхсветовому движению. В частности, его идея по виду сильно напоминает знаменитый Пузырь Алькубьерре. На деле сходство есть, но оно заключается лишь в принципе перемещения быстрее скорости света — помещении космического корабля в статичную область пространства, которая движется за счет формирования волн перед ней и за ней в пространстве-времени. Отличается же сам механизм создания этих волн.

Может показаться, что подобные исследования — бред сумасшедших ученых. Но это важная область исследований, тестирующих ограничения известных «теорий всего», главная из которых — ОТО. Несмотря на множество спорных идей, такие изыскания получают некоторое финансирование, причем даже для проведения практических экспериментов. В некоторых из них уже наблюдались эффекты, требующие пристального изучения, поскольку они не вписываются в предсказанные следствия теории относительности.

Автор: Василий Парфенов

Источник: Naked Science

От меня. Поскорее бы свалить уже с этой планеты.

Второй раз в своей истории человечество запустит летательный аппарат под чужим небом — и впервые в истории он будет тяжелее местного «воздуха». Помимо этого, Perseverance сможет прояснить ряд вопросов, имеющих заметное значение для изучения и даже колонизации Марса. Впрочем, можно с большой долей уверенности предсказать и то, чего он не сможет: решить вопрос, есть ли жизнь на Марсе. Но это уже не его вина, а общая проблема непилотируемых экспедиций на Красную планету. Разбираемся в деталях.

Марсоход Perseverance и, рядом с ним, первый внеземной вертолет, Ingenuity. Подобные ему в перспективе могут использоваться для изучения огромных марсианских пещер / ©NASA-JPL

В июле 2020 года NASA отправило на Марс новый планетоход, а вчера, 18 февраля, он, наконец, достиг поверхности Красной планеты. Точкой высадки стал кратер Езеро — в прошлом довольно крупное озеро, рядом с которым до сих видно высохшую дельту когда-то впадавшей в это озеро реки.

Название кратера похоже на русское слово «озеро» потому, что назвали его в 2007 году в честь города Езеро в Республике Сербской (Босния и Герцеговина), и слово это означает именно «озеро».

Надежды на обнаружение жизни: чисто теоретические

Место посадки выбрали не столько потому, что там был водоем. На Марсе вообще немало былых озер, морей и рек. И ранее тот же Curiosity уже проходил по таким местам. Но у Езеро есть то, что в других местах редкость — орбитальные снимки NASA показали, что по краю этого кратера идут карбонатные породы. На Земле подобные породы — часто след былой жизни.

Так в представлении художника выглядело марсианское озеро Езеро миллиарды лет назад / ©NASA/JPL-Caltech

Известно, что в теории в марсианских условиях могут существовать цианобактерии. В прошлом Земли они часто образовывали цианобактериальные маты — их еще называют «строматолитами». На нашей планете их возраст достигает 3,7 миллиарда лет, и иногда ветер обнажает наносы над ними так, что следы древних цианобактерий оказываются едва ли не на поверхности. В теории аналогичное событие у Езеро способно позволить Perseverance исследовать остатки древней марсианской жизни.

К сожалению, это теория, а на практике выставленные «наружу» древние карбонатные породы могут быть так сильно изменены ветровой эрозией (бомбардировкой пылью и песчинками), а равно и космической радиацией, что их изучение не позволит однозначно интерпретировать находку вполне настоящих строматолитов.

Современная ситуация с кратером Езеоро. Искусственными цветами обозначены высоты / ©NASA/JPL-Caltech

Разумеется, рядом, буквально под десятками сантиметрами песка, могут быть и неплохо сохранившиеся следы древней жизни. Но «достать» до них нечем: имеющиеся у Perseverance инструменты, как и у его брата-близнеца Curiosity, банально не позволяют углубляться в грунт более чем на несколько сантиметров.

А чем он все-таки отличается от Curiosity?

Мы упомянули, что системы для сверления поверхностных пород у нового планетохода те же, что у старого, еще работающего на Марсе спустя девять лет после высадки. Но есть у новой машины и отличия — причем весьма интересные.

Во-первых, это самый тяжелый из когда-либо созданных людьми планетоходов. Если Curiosity весил 900 килограммов, то новый аппарат — 1025 килограммов. Основное утяжеление — результат изменения шести колес машины. На Curiosity алюминий ободьев оказался выбран не совсем корректно: слишком тонкий. В итоге местный грунт быстро наделал в нем дырок. Двигаться все еще можно, но проходимость от этого, конечно, не улучшилась, а затраты энергии при движении возросли.

Сами колеса Perseverance — для увеличения все той же проходимости — прибавили в диаметре, составив 525 миллиметров против 500 миллиметров у Curiosity. Спицы колес оставили титановыми, но изогнули, чтобы повысить общую прочность колес. Все это не пустая перестраховка: главная причина гибели всех планетоходов — их застревание в грунте. Поэтому лучшая надежность колес имеет большое значение.

Колеса Perseverance / ©Wikimedia Commons

Другое важное отличие: аппарат MOXIE, которого на старом марсоходе не было. MOXIE поставит эксперимент по разложению СО2 — главного газа марсианской атмосферы — на СО и О2 (угарный газ и кислород). Теоретическая польза от эксперимента очевидна: он покажет, реально ли получать кислород прямо из марсианского «воздуха», где собственного кислорода практически нет. MOXIE должен нарабатывать до 22 граммов О2 в час на протяжении 1230 часов — примерно такое количество кислорода в единицу времени поглощает человек под регулярными физнагрузками. Казалось бы, это поможет будущим пилотируемым экспедициям.

Практически все не так красочно. Добывать кислород из крайне разреженной местной атмосферы более энергозатратно, чем при банальном разложении воды на кислород и водород электролизом. 15-килограммовый MOXIE потребляет 300 ватт при пиковой нагрузке (впрочем, недолгой). Практически все планировщики будущих пилотируемых экспедиций считают, что высаживать их надо там, где близко к поверхности Марса находится водяной лед. Разложив его воду, получить кислород куда проще.

Алюминиевые пластины электродов MOXIE покрыты тонким слоем золота / ©NASA/JPL-Caltech

Вот только марсоход не умеет копать. Поэтому ему, как жертве интоксикации этиловым спиртом из анекдота, приходится «искать ключи не там, где потерял, а под фонарем, где светлее» — ставить не тот эксперимент, что полезнее всего для будущих экспедиций, а тот, который позволяют весьма ограниченные возможности земных планетоходов.

Третье важное отличие от Curiosity: российский нейтронный детектор воды ДАН разработки Института космических исследований РАН заменили на радар RIMFAX, направленный вниз и излучающий на частоте в 150-200 мегагерц. Он, в отличие от нейтронного детектора, плохо видит воду, связанную в минералах. Зато должен различать водяной лед и следы жидкой воды на глубине до 10 метров. Это крайне важный прибор: ДАН видел воду не глубже пары метров. А чем глубже, тем выше температура — и вероятность наличия жидкой соленой воды. Правда, насыщенные водой минералы ему различать заметно сложнее, в отличие от нейтронного детектора.

В теории часть собранных Perseverance образцов в 2026 году может быть забрана следующим марсоходом NASA и затем отправлена на Землю. Смысл в том, что «транспортный» марсоход будет легче «универсального». А доставка образцов с Марса на нашу планету и так потребует экспедиции с огромной посадочной массой: чтобы взлететь с Красной планеты, топливо придется привезти с Земли.

Наконец, есть одно отличие, которое глазами не заметишь, но душу американской стороне оно все же греет. Perseverance импортозаместил источник энергии: на его борту не российский плутоний-238, а американский аналог, производство которого в последние годы, наконец, наладили в Соединенных Штатах. Мощность радиоизотопного генератора на этом плутонии осталась той же: чуть более 100 ватт, примерно как мощная лампочка накаливания.

Отдельная миссия: второй летательный аппарат под чужим небом

Perseverance несет с собой легкий дрон Ingenuity. Технически это вертолет соосной схемы типа «камовских». Размах лопастей там 1,2 метра, вес — всего 1,8 килограмма. Скорость вращения лопастей составит до 40 оборотов в секунду. Такие огромные размеры и скорость вращения нужны потому, что атмосфера Марса по плотности в 100-150 раз уступает земной. Эксперименты в гермокамере показали, что при меньших параметрах аппарат там просто не взлетит.

Дрон Ingenuity / ©Wikimedia Commons

Мощность дрона — до 350 ватт, больше, чем у источника энергии марсохода. Поэтому мини-вертолет сперва накапливает заряд в бортовой литиевой батарее на 0,27 килограмма, а затем летит, но не дольше трех минут.

Чтобы не оставить Ingenuity без заряда, его не будут отпускать от марсохода более чем на сотню метров. Однако для будущих миссий ситуация может несколько измениться. В случае изучения спусков в лавовые трубки Марса дрон потенциально почти незаменим. Дело в том, что роботы исключительно плохо двигаются по сложным наземным поверхностям (что и погубило немало марсоходов даже на равнине). А вот полет — сравнительно однородное занятие, где даже без человеческого интеллекта выживание аппарата более вероятно.

Поэтому дроны — едва ли не единственный реальный путь разведки марсианских лавовых пещер. Считается, что там немало водяного льда. А подальше от входа может быть и значительно теплее, чем на поверхности. Было бы неплохо проверить обе эти гипотезы, потому что тепло и вода — хорошие предвестники возможной жизни. Кстати, ряд ученых уверены, что искать ее на Марсе следует именно в таких трубках.

Разумеется, Ingenuity — лишь первый шаг на этом пути. Для полноценной разведки пещер потребуются куда более крупные аппараты, но сперва надо проверить, справляется ли там хотя бы мелкий, «учебный» дрон.

Если Ingenuity удачно взлетит, это будет огромное достижение. До сих пор аппарат, предназначенный для длительного полета под небом чужой планеты, летал только у СССР — и очень давно, аж в 1984 году (миссии «Вега-1» и «Вега-2»). Прошло уже более 36 лет — пора, наконец, обновить то давнее достижение.

Аэростат миссии «Вега», экземпляр с земных испытаний / ©Wikimedia Commons

Подведем итоги. Perseverance — не слишком дорогая (порядка 2,5 миллиарда долларов) автоматизированная миссия, которая, скорее всего, сможет проработать на Марсе много лет. Как и все подвижные космические автоматы, она недостаточно универсальна, чтобы решить вопрос, «есть ли жизнь на Марсе». Даже пройдя буквально в метре над подпочвенной бактериальной колонией, Perseverance ничем не сможет до нее добраться: нет нормального бура.

Схема полета первого атмосферного летательного аппарата, созданного специально для других планет, советского аэростата миссии «Вега» / ©Wikimedia Commons

Но это не его особенность: современные планетоходы в принципе лишены таких возможностей. Даже не требующие мобильности неподвижные посадочные аппараты типа Insight NASA не могут успешно копать более чем на десятки сантиметров в глубину.

Однако ограниченность возможностей миссий на Марс — не навсегда. С высокой вероятностью в ближайшие десять лет туда отправится носитель с возможностями Starship, более крупной посадочной платформы, чем когда-либо созданные человечеством. Если это случится, на Марсе окажутся и люди. А им, безусловно, удастся докопаться до марсианской подповерхностной жизни — если она там, конечно, есть. Ведь, в отличие от роботов, наши конечности куда универсальнее, а ум — намного гибче.

Автор: Александр Березин

Источник: Naked Science

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

Ракета «Енисей» так навсегда и останется только на рендерах. Это был последний шанс «Роскосмоса» создать такую конструкцию с обликом, не сформированным влиянием Starship. Следующий носитель российского космического агентства в той или иной степени, но неизбежно будет копией новой разработки SpaceX. Все остальные варианты просто не имеют шансов добраться до космоса в новых технологических условиях / ©Роскосмос

Ранее в этом месяце Совет по космосу РАН опубликовал итоги своего декабрьского заседания, на котором призвал отложить на неопределенный срок проект сверхтяжелой ракеты до Луны. Официальные причины: нужно проработать метановый многоразовый двигатель для такой ракеты, иначе она будет неконкурентоспособна. Неофициальная уже не раз звучала как в кулуарах, так и озвучивалась Дмитрием Рогозиным: денег на принципиально новые конструкции большого размаха нет. Мол, «все деньги «Роскосмоса» уходят на выплату долгов Хруничева». Так вот, оба эти объяснения неверны.

Начнем с первого. У России есть двигатель РД-0177, находящийся в фазе испытаний. В декабре источник РИА Новости в «Роскосмосе» уже отмечал, что на сходном метановом двигателе можно сделать не только легкую ракету «Амур-СПГ», но и один из двух вариантов сверхтяжелой лунной ракеты «Енисей», в котором в роли первой ступени будет пакет первых ступеней метановой «Амур-СПГ».

Выбор метанового двигателя крайне важен. В отличие от керосина, метан не дает нагара и поэтому позволяет использовать первую ступень космического носителя до сотни раз. В силу этого разрабатываемые российские метановые двигатели многоразовые и потенциально вполне конкурентоспособны. Хотя, судя по известным данным, не так сильно, как более амбициозный Raptot SpaceX (у того полная газификация топлива перед сгоранием, у российских аналогов — неполная).

Три метановых двигателя Raptor внутри прототипа Starship / ©SpaceX

«Определяться» с российским метановым двигателем некуда: его нужно либо делать, либо нет. Очевидно, если его не создавать, то конкурентоспособности в плане ракетных конструкций не добиться. Ведь американский метановый Raptor уже летает, хотя пока только в атмосфере.

Делать метановый двигатель на сверхтяжелую ракету для России надо было еще вчера, как Маск поступил с разработкой Raptor. Делать российский аналог Raptor не сегодня, а завтра, означает отстать на многие годы. Учитывая, что SpaceX и так развивает технологии создания космических носителей быстрее всех в мире, отстать от нее на годы — все равно что потерять любые шансы на конкурентоспособность во всей обозримой перспективе.

Может, дело во втором, альтернативном объяснении руководства «Роскосмоса»? И у России просто нет денег на сверхтяжелую ракету до Луны? Здесь все сложнее: вопрос о том, есть ли у нашего государства деньги на те или иные цели, в основном философский. С одной стороны, у государства, держащего в резерве полтриллиона долларов, определенно есть деньги. На то же самое указывает разработка Россией — первой в мире — активно маневрирующего на гиперзвуке оружия, термоядерных автономных торпед и крылатых ракет с бортовыми ядерными реакторами. И многого другого.

Исходный вариант «Енисея» с самого начала был весьма скромным для сверхтяжелого носителя, намного меньше советской лунной ракеты, не говоря уже о «Сатурне» или Starship. Теперь руководство нашей космической отрасли решило, что и это слишком крупная цель. Что же, вполне логичная мысль, если исходить из ложной концепции о практической бесполезности дальних пилотируемых космических полетов. Одна беда: в реальной жизни эта концепция неверна / ©Wikimedia Commons

С другой стороны, совершенно очевидно, что тот, у кого есть такая «заначка», не смог бы ее скопить, если бы не умел четко отделять важные траты от второстепенных. У «Роскосмоса» действительно небольшой бюджет — всего в разы больше, чем у SpaceX. Поскольку он выполняет и целый ряд задач, которых перед Маском не стоит, логично, что средств ему не хватает.

Но, во-первых, SpaceX как-то справляется с разработкой сверхтяжелого носителя и на свои ограниченные средства. Во-вторых, если бы «Роскосмос» мог убедительно объяснить главе государства, зачем ему деньги на сверхтяжелый носитель, ему бы, скорее всего, резко увеличили бы бюджеты. Проведем умственный эксперимент: поставим себя на место главы «Роскосмоса» и попробуем обосновать, зачем такой носитель может быть нужен России.

Переломный момент в развитии цивилизации

Традиционно космос воспринимается политиками и космическими администраторами нашей страны в рамках знаменитой фразы: «Королёв работает на ТАСС, Янгель (отличные боевые баллистические ракеты. — Прим. ред.) — на нас (военно-политическое руководство. — Прим. ред.), а Челомей — на унитаз (намек на некоторые неудачи КБ В. Н. Челомея. — Прим. ред.)». Иными словами, гражданские космические полеты Москва считает средствами научно-технологической рекламы России. Из серии: «А теперь бухти мне, как космические корабли бороздят просторы Большого театра».

Балет — это прекрасно, но выбрасывать на него миллиарды долларов в год как-то неразумно. Именно поэтому лунную гонку после смерти Сергея Королёва СССР проигрывал автоматически.

Проблема точки зрения «космос — это чистый пиар» в том, что она капитально устарела. Человечество вступило в эпоху, принципиально отличающуюся от времен Королёва. У ученых есть серьезные основания полагать, что на Марсе есть не только следы жизни, но и сама современная жизнь.

Речь не только о метане, который там то появляется (в теплый сезон), то исчезает (в холодный). Как мы теперь знаем, точно так же весной там появляется кислород, а к осени исчезает. Сходным образом должна меняться концентрация кислорода, если его выделяют подпочвенные бактерии: когда тепло, они метаболически активны. На Земле есть бактерии, способные жить там, где нет света, и выделять при этом кислород за счет разложения перхлоратов. На Марсе, что характерно, в грунте довольно много перхлоратов.

Выбросы малых количеств кислорода следуют за сезонным ростом температур на поверхности Марса. Это означает заметную вероятность того, что их порождают микроорганизмы / ©Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard

Напротив, неорганические процессы с участием кислорода не должны вести к его появлению в атмосфере марсианским летом. Ведь чем теплее, тем легче кислород связывают типичные компоненты марсианского грунта (окислы железа). От этого «органическое» объяснение кислородной загадки пока выглядит куда проще, чем «неорганическое». Иными словами, шансы на существование жизни на четвертой планете довольно велики.

Как мы уже отмечали, сегодняшнее изучение Красной планеты автоматами вряд ли закончится обнаружением такой жизни: они не умеют прилично копать и бурить. А вот пилотируемая экспедиция такого недостатка лишена, поэтому может в короткие сроки найти следы подпочвенных микроорганизмов.

В случае их обнаружения станет очевидным обозначенный еще Циолковским факт: мы не одни во Вселенной. И просто в силу больших чисел космос вокруг нас может буквально кишеть цивилизациями, которые намного развитее нашей.

Открытие жизни на Марсе мгновенно поставит космические полеты в тот же статус, что и атомное оружие в середине XX века.

Современные земляне похожи на австралийских аборигенов до прибытия европейцев: они считают, что за пределами их земли жизни нет, поэтому даже не пытаются плавать вдаль. Открытие внеземной жизни мгновенно заставит все ведущие государства приступить к строительству «больших лодок» (сверхтяжелых носителей) и полетам на них к Марсу — и много куда еще. Такое открытие запустит своего рода «линкорную гонку» начала прошлого века, только в космосе. А потом и «колониальную гонку» — с целью застолбить как можно больше удачных мест под марсианские базы.

Осознание существования внеземной жизни приведет к выводу в космос серьезных систем вооружения. Поводом может «назначить» астероидную угрозу. В конце концов, ядерное и лазерное оружие космического базирования — действительно самое эффективное средство защиты от угрожающих Земле крупных астероидов.

Для стран — лидеров этой гонки в ней будет приятный побочный продукт: рано или поздно они получат серьезный перевес над любой державой, у которой нет развернутых в космосе систем вооружения. Поэтому тот, кто отстанет в этой области, объективно рискует стать второразрядной военной державой или как минимум казаться таковой окружающим. Между тем для России в военной сфере «казаться» никак не менее важно, чем «быть». Нападения западных государств в Отечественную и Вторую мировую войны просто не могло бы состояться, если агрессоры хотя бы примерно представляли себе реальную военную силу России.

Следовательно, близкая «марсианская гонка» станет переломным моментом в развитии как человеческой цивилизации. С одной стороны, она развернет ее лицом к угрозам необъятного космоса. С другой, полностью изменит технический облик военно-политического противостояния на Земле. Тот, кто здесь не успел, завтра навсегда опоздал.

Луна: каша из топора

В 1963 году Станислав Лем, касаясь некоторых аспектов перехода человеческой цивилизации в космическую фазу, написал: «Без сомнения, ученым потребуется сначала “воспитать” целое поколение руководителей, которые согласятся достаточно глубоко залезть в государственный карман, и притом для выполнения целей, столь подозрительно напоминающих традиционную научно-фантастическую тематику».

Проблема этой идеи в том, что а) ученые не слишком хорошие воспитатели, б) любой, кто близко видел политиков, знает, что они с трудом воспитываются, если воспитуемы в принципе. Разумеется, это не значит, что ученые, инженеры и связанные с ними научно-технические администраторы не могут убедить политиков залезть в государственный карман. Вполне могут.

Например, они убедили американских политиков дать на программу шаттлов больше денег, чем на более результативную в научном плане лунную программу. Ровно та же ситуация с летающей над нашими головами МКС: она тоже выходит дороже пилотируемых полетов на Луну, но дает при этом меньший научный результат. Вывод: ученые могут заставить политиков дать деньги на проекты любой степени бессмысленности, иначе ни шаттлов, ни Международной космической станции просто не случилось бы.

Первый полет шаттла, 1981 год. Этот многоразовый носитель выводил грузы в космос дороже, чем одноразовые «Сатурны», которые он заменил / ©NASA

Почему это происходит? Потому что политикам не хватает полноценного образования, особенно технического. Когда NASA рассказывало президенту Никсону сказки о том, что шаттлы будут летать дешевле «Сатурнов», у него просто не было достаточных знаний, чтобы понять: этого никогда не случится — просто в силу дефектов концепции этих самых шаттлов.

Хотя в целом специалисты — да что там, даже журналисты! — той эпохи поняли это довольно быстро. Еще до первого запуска шаттла пресса точно и аккуратно предсказала, что этот проект — тупик. Такая же история с МКС и тому подобным. Беда в том, что это журналист может сесть и начать рыть в новой для него области знаний. У политиков в норме просто не бывает для этого ни времени, ни искренней любви к техническим деталям.

В России есть свой пример того, как научно-техническая интеллигенция заставляет государство финансировать исходно тупиковый проект. Это ракета «Ангара», разработчики которой годами рассказывали руководству, что она выйдет дешевле «Протонов» за счет унификации блоков. На практике, конечно, «Ангара» вышла много дороже «Протонов». Опять-таки: уже при первом взгляде на ее технический облик человек со специальными знаниями не мог не заметить, что ракета глубоко устарела еще на этапе эскизного планирования.

Достаточно вспомнить, что она не применяет даже переохлажденный кислород — а это делал еще Королёв на ракетах Р-9. Как сказал по этому поводу бывший работник «Роскосмоса», «у нас вообще особо напрягаться не любят…».

Зато напрягаться любит Маск, поэтому в его ракетах переохлажденные «по-королёвски» компоненты топлива используют. Не надо думать, что Маск обладает какими-то оккультными знаниями, скрытыми от остального человечества. В 2000 году он вообще ничего не знал о ракетах. Но в начале нулевых добыл слегка заплесневелый советский учебник по ракетостроению и изучил его внимательнейшим образом.

Увы, на планете нет политиков, которые бы смогли повторить такой трюк. Поэтому все, что им остается, — верить специалистам, рассказывающим про дешевые шаттлы, «Ангару» и МКС. Они не могут гарантированно отличить заведомо устаревший проект от проекта революционного, прорывного — и регулярно платят за это из госбюджета.

Получается, Лем неправ и ученым не нужно воспитывать политиков, достаточно просто обманывать их? Все не так просто. Если вы добиваетесь чего-то, втирая очки и манипулируя — как делало NASA, рассказывая сказки о мегадешевом шаттле, — то зачастую получаете от манипулируемого не то, что вам нужно, а то, на что удастся его «развести».

Прототип Starship на взлете / ©SpaceX

Конкретно в случае космической программы это означает, что ученые и инженеры не могут заставить политиков строить носители для освоения Марса. Хотя, разумеется, многим ученым очевидно, что именно это наиболее осмысленная цель для пилотируемого космоса.

Да, политик может не знать, почему переохлажденное топливо так важно. Но он не может не понимать, что Марс далеко, а Луна — близко. Поэтому практически все перспективные разработки носителей и космической техники приходится делать по методу «каши из топора».

Сначала немного недалеким политикам предлагают «морковку»: сейчас мы быстро и дешево сделаем вам ракету для высадки на Луне. Это дешево и выгодно в смысле пиара: флаг воткнем, селфи сделаем — медийная бомба, одним словом. Слоган в стиле «Мы снова высадимся на Луне» понравился Трампу, и можно гарантировать, что он понравится новому президенту США Джо Байдену.

Иными словами, Луна — «топор» из русской сказки: разработчики новых ракет обещают политикам быстро сварить из нее «кашу», якобы без крупных затрат.

На деле сами разработчики прекрасно понимают, что топор несъедобен. Илон Маск обоснованно считает Луну неперспективной для серьезного освоения. Там вряд ли найдешь жизнь, а гравитация в одну шестую земной делает спутник бесперспективным для колонизации. (Зачем нужна сама колонизация — мы уже писали.)

Человеческое тело приспособлено исключительно для больших нагрузок (на суше нет существа выносливее нас). Поэтому в условиях современной цивилизации оно страдает от недогрузки даже при земной гравитации. Проживание при одной шестой от нашей силы тяжести несовместимо с длительным выживанием. Наши кости при малых нагрузках космоса становятся слишком хрупкими, теряя большую часть массы через считанные годы.

Марс в этом смысле тоже не курорт. Но его 0,38 от земной гравитации радикально лучше лунных 0,17. Кроме того, поверхность земного спутника просто невозможно терраформировать, а в его открытом грунте нельзя сделать парники для выращивания растений. А вот в марсианском грунте вполне плодоносят сельхозкультуры. Да и близкая к земной продолжительность суток делает грунтовой парник довольно простым проектом.

Обещания сделать из Starship «дешевый носитель для освоения Луны» — обещания Маска сварить кашу из топора. Оплатив полеты на Starship до земного спутника, не слишком образованные американские политики оплатят SpaceX научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по носителю, на деле с самого начала создаваемого для колонизации Марса. Полет к Луне — это такая же завлекалочка для политиков, как «дешевый шаттл» для Никсона или «дешевая «Ангара» — для российских политиков.

Но чтобы эта завлекалочка сработала, SpaceX все-таки придется посадить Starship на Луну.

В чем тут трагедия «Роскосмоса»

Как мы уже отметили выше, «Роскосмос» вообще не в курсе всей этой темы. Он продолжает думать, что гражданский космос — это средство пиара, продвинутый способ показать статусное превосходство своей страны в практически бесполезной, но пафосно выглядящей области. Именно об этом свидетельствуют многочисленные заявления его руководителей:

«А зачем нам лететь на Луну? Что мы там можем найти полезного?»

Или

«Прежде чем лететь на Марс или на Луну, надо сначала разобраться в собственном доме и привести в порядок собственную Землю». (Отличный демагогический прием, поскольку, как показывает вся история человеческого вида, навести порядок на Земле нельзя и за сотни тысяч лет — то есть под этим предлогом можно не летать в дальний космос вообще никогда.)

Или

«И если в Америке сказали, что можно производить жвачку на Луне, то это вовсе не означает, что к этому надо относиться с серьезной миной и делать то же самое. Не надо делать то же самое, что и они, у нас должен быть свой, очень прагматичный выбор, у нас денег намного меньше, ресурсов меньше, надо тратить их с большим умом»

Смысл этих заявлений достаточно прозрачен: непропагандистское значение высадок людей на Луну и Марс руководству нашей космической отрасли действительно неясно. О перспективах открытия на Марсе жизни и значении такого открытия оно не то чтобы в курсе.

Поэтому, чтобы избежать пиар-провала в момент западной высадки на Луну, «Роскосмос» пытается подстелить себе соломку: объяснить, что он и не хотел там высаживаться, поэтому якобы Штаты его и опередили.

Проблема подобной позиции в том, что убедить так кого-то, кроме самого себя, просто не получится. Полет Starship на Марс с высокой вероятностью случится уже в этом десятилетии. Достаточно очевидно, что первые же пилотируемые экспедиции на четвертую планету имеют большие шансы открыть там жизнь. А вот автоматические экспедиции нашего времени (в которых участвует и Россия) этого сделать не могут (здесь мы писали почему).

Starship создан для высадки на планетах с атмосферой: именно там он может повернуться брюхом поперек набегающего потока воздуха и тем самым сэкономить топливо для посадки без перегрева части конструкции. Именно такой перегрев был бичом шаттлов / ©SpaceX

После открытия марсианской жизни любые рассказы «Роскосмоса» о ненужности «жвачки на Луне» будут вызывать у прессы и населения лишь иронию, примерно как рассказы девственницы о том, что секс неинтересен.

Но эта пиар-катастрофа, неизбежная для российского космического агентства в 2020-х, — не самая большая его проблема. На деле она станет для него благом. После нее руководство «Роскосмоса» неизбежно зачистят. И новый руководящий состав будет прекрасно понимать, что он либо создаст сверхтяжелый носитель, либо вылетит с работы. Американская высадка на Марсе автоматически заставит создавать сверхтяжелую ракету — так что мы должны ждать ее, как соловей — лета.

Беда в том, что если вы не разрабатываете новые ракеты постоянно, то неоткуда взяться людям, которые смогут разработать их и в будущем. Именно поэтому нынешний отказ от хотя бы эскизного планирования «Енисея» — большая ошибка «Роскосмоса». Лучше чертить ракету, которая никогда не полетит, чем ничего не чертить десять лет, внедрять исходно неконкурентоспособную «Ангару», а потом спохватиться и начать срочно копировать Starship. Без тренировки на «бумажном» «Енисее» копия Starship будет даваться очень тяжело.

Зачем России метановый сверхтяж: не только тренировки на кошках

Может показаться, что сама идея сверхтяжелой ракеты на метане — типа отмененного «Енисея» — России не нужна. В самом деле: она планировалась в трех версиях: на 70, 100 и 150 тонн полезной нагрузки, выводимых на низкую околоземную орбиту.

Но все три вариант пригодны лишь для полетов на Луну: они могут доставить на ее орбиту не более 21 тонны. Нормальная масса для лунного корабля, но этого радикально недостаточно для корабля, способного отправиться к Марсу. В чем же смысл проработки «Енисея» — только в том, чтобы конструкторы не разучились делать новые конструкции?

Как ни странно, смысл в этом есть и более приземленный.

Все дело в том, что сверхтяжелая многоразовая (100 раз+) метановая ракета, способная выводить на низкую околоземную орбиту 100 тонн+, — не только Марс. Попутно она сильно изменит жизнь на Земле.

Ithacus в представлении художника. Индивидуальные ракетные ранцы для кратких полетов также, как ни странно, проектировали еще в шестидесятых / ©Douglas illustration via Scott Lowther

Простейший пример такого рода — спутники Starlink, которые SpaceX уже начала массово выводить на орбиту. Не стоит ждать от них вытеснения типичных наземных провайдеров в России. Чтобы ловить спутниковый сигнал с высот ниже 500 километров (именно там находятся аппараты Starlink), нужен недешевый приемник сигнала. Такая система не потеснит дешевых провайдеров в России, но легко оторвет большую часть рынка у провайдеров американских. На их рынке царит олигополия, поэтому конкуренция низка, а цены — высоки

Сегодня SpaceX выводит эти спутники десятками за пуск, ибо Falcon больше не потянет. После появления Starship речь пойдет о сотнях за пуск. Такой массив спутников почти наверняка будет использовать не только для раздачи интернета, но и для «сторонних услуг». Например, на них можно поставить камеры, а затем торговать полученными низковысотными снимками. SpaceX получит массив «гражданских» разведывательных спутников, в чей «фокус» попадут огромные площади. Военные спутники США сегодня такого охвата с малых высот не дают. Трудно отделаться от мысли, что Пентагон «попросит» SpaceX поработать на него в этой области.

Starship может иметь еще менее приятное влияние на мировой военно-политический баланс. Известно, что на его основе SpaceX планирует возить пассажиров в любую точку мира всего за полчаса — по цене авиабилета бизнес-класса. Не факт, что это разрешат власти самых разных стран. Но вот американские военные интересовались таким космическим средством доставки войск в любую точку планеты еще полвека назад (проект Ithacus). Сложно предположить, что помешает им покупать такие услуги у SpaceX.

Идем дальше: США все меньше сотрудничают с Россией в области ограничения вооружений, а позицию Пекина по этому вопросу Вашингтон в принципе никогда не учитывал. В такой ситуации нельзя исключить, что Пентагон захочет прикупить себе Starship и в качестве носителей оружия «глобального быстрого удара» (Prompt Global Strike). Еще недавно на его место прочили гиперзвуковые маневрирующие ракеты американского производства. Но пока они серьезно запаздывают, а вот российские ракеты, маневрирующие на гиперзвуке, уже летают.

В такой ситуации для Штатов логично воспользоваться преимуществом. И сделать Starship своего рода космическим бомбардировщиком, несущим любой тип вооружений — вплоть до вольфрамовых стержней. Кстати, в случае падения на наземную цель на скорости несколько километров в секунду вольфрамовый стержень выделит примерно ту же энергию, что и тротил равного объема.

DE-STAR / Astrowatch.net

Более интересно приложение Starship двойного назначения: спутниковые группировки для создания сверхмощных лазерных импульсов типа американского проекта DE-STAR. Такая «Звезда Смерти» (английское название проекта намеренно сделано созвучным) в виде гибко модифицируемого концепта была предложена несколько лет назад как группа спутников, способных складывать импульсы своих лазеров по принципу активной фазирующей решетки.

В теории проект направлен на борьбу с астероидами и метеороидами типа Челябинского или того, что убил все крупные наземные существа 66 миллионов лет назад.

На практике, однако, лазерные импульсы можно будет «складывать» не только вверх, но и вниз — и в стороны. Та страна, у которой на орбите будет своя «Звезда Смерти», легко уничтожит там любые спутники противника, оставив его слепым к внезапному ракетно-ядерному нападению. Без спутниковой разведки и спутников ГЛОНАСС воевать на поверхности планеты будет не очень весело.

Наконец, DE-STAR — объективно лучшее технически реализуемое на сегодня средство перехвата межконтинентальных баллистических ракет. Американские противоракеты для этого практически не годятся, тем более что новые российские МБР активно маневрируют на траектории. А вот лазерному лучу в верхних слоях атмосферы все это маневрирование не помеха: он движется куда быстрее любой мыслимой ракеты.

Приземление подобного средства перевоза «космических десантников» в представлении художника / ©Douglas illustration via Scott Lowther

Подытожим. Отказываясь от разработки сверхтяжелого носителя, пригодного для освоения Марса, Россия автоматически отказывается от дешевого средства вывода больших грузов на орбиту Земли. США, получив такое средство, могут развернуть спутниковую группировку немыслимых масштабов. И при желании просто обнулить угрозу от российских МБР.

Пойдет ли на это Вашингтон? Никто не знает будущего, но вот знания о прошлом вполне могут его подсказать. Пентагон пытался прорабатывать подобное даже в 1980-х, когда цена доставки грузов в космос — спасибо шаттлам — была заоблачной. Starship сможет выводить грузы в космос как минимум в 100 раз дешевле шаттлов.

Не похоже, что американские военные упустят такой шанс. Ведь с такими средствами выведения — и «Звездой Смерти» на орбите — межконтинентальные баллистические ракеты могут устареть так же сильно, как доставка ядерных бомб самолетами в эпоху ракетной ПВО.

Концепция Ithacus в новых технологических условиях в итоге может стать реальностью / ©Douglas illustration via Scott Lowther

Это навсегда изменит стратегический баланс сил на планете. До тех пор, пока Россия не получит сходного по качеству носителя, она никак не сможет защититься ни от подобного сценария, ни от американских МБР.

Вывод прост, но печален. Руководство «Роскосмоса» просто не понимает, что происходит прямо на его глазах. Его представители смотрят на проблему предельно узко: видят только фанатика покорения Марса и его безумные фантазии. Да, Маск — фанатик, которому нужна колонизация Красной планеты, а не военные проекты. Да, он сделал Starship для Марса, а не для звездных войн 2.0. Но он живет в США и, что бы ни хотел, отказать местным военным не сможет.

Отказ «Роскосмоса» от разработки метанового сверхтяжа — игра на стороне Вашингтона. Игра на приобретение им статуса страны, вновь получившей атомную монополию, как в 1945-1949-х. Излишне напоминать, что американские военные планировали эту монополию применить — посредством разрушения советских городов ядерными ударами.

Концепт Space Laser Satellite Defense System, 1984 год. Легко видеть, что США думали о лазерном перехвате МБР еще до того, как это стало технически и экономически осмысленным. Starship сделает космические полеты в 100 раз дешевле, и трудно себе представить, что Пентагон не воспользуется этим ради оживления старых идей / ©U.S. Air Force

Это вполне могло бы случиться, если бы не советский атомный проект: достаточно вспомнить идеи Макартура о «превентивном» атомном ударе по коммунистическому блоку. Понятно, что из-за советской атомной бомбы Трумэн не мог принять подобного предложения Макартура. Но никто не знает, что сделал бы американский президент, обладай он такой монополией и в 1950-х.

Чтобы покончить с опасной атомной монополией, Советский Союз, как известно, украл в США данные, позволившие создать атомную бомбу быстрее, чем считали возможными западные ученые и политики.

Сегодня мы оказываемся в аналогичной ситуации, но с куда худшими картами на руках. На Западе снова создается технология, полностью меняющая военно-политический баланс на планете. Но, в отличие от Манхэттенского проекта, ее никто не прячет. Стоящий за всем этим Илон Маск сам регулярно хвастается ею в твиттере.

Вот только у нас сегодня нет тех, кто способен увидеть значение новой технологии. Сталин ведь тоже не сам запустил атомный проект: к нему пришли советские ученые (академики Иоффе и Вернадский) и объяснили, что значит перспектива создания атомного оружия на Западе.

К нынешнему главе государства никто не придет. Руководство «Роскосмоса» — не академик Иоффе. Поэтому впереди нас ждут большие проблемы.

Источник: Naked Science

Автор: Александр Березин

Орфография и пунктуация автора сохранена.