Интерстеллар: на пути к звездам
Там, где за кормой стихает солнечный ветер и вечность встает с нами рядом… Что ожидает тех, кто смог прорваться сквозь гелиопаузу и прикоснуться к свету далеких звезд? Призрачное сияние частиц пояса Койпера. Десятилетия полета без возможности замены выходящих из строя агрегатов. Попытки наладить связь с Землей с расстояния в 200 астрономических единиц.
Удастся ли при современных технологиях взять столь удаленные рубежи? Долететь туда, откуда радиосигналы приходят с задержкой в сутки? Перед громадным расстоянием пасует даже свет, но человеческий разум идет вперед.
Прыжок сквозь световой день
30 млрд. километров. 70 лет полета при использовании существующих разгонных блоков с ЖРД. Современные межпланетные станции не рассчитаны на подобные экспедиции. Спустя три-четыре десятилетия умирает радиоизотопная батарея. Кончается запас гидразина в двигателях ориентации АМС. Отключается связь, и уснувший навсегда зонд растворяется в бесконечном космосе.
На сегодняшний день человечеству удалось построить шесть “звездолетов”, превысивших третью космическую скорость и навсегда покинувших Солнечную систему.
Вот имена героев.
Автоматические межпланетные станции серии “Пионер” под номером 10 и 11. Запущенные в 1972-73 гг. “Пионеры” достигли области внешних планет, впервые передав на Землю фотоснимки и научные данные из окрестностей Юпитера и Сатурна. Совершив маневр в гравитационном поле планет-гигантов, они навсегда покинули область эклиптики и вступили в неравный бой с пространством и временем.
Связь с “Пионером-11” прервалась в 1995 году, когда тот находился уже далеко за орбитой Плутона. К настоящему времени зонд удалился от Солнца на 90 а.е. и продолжает свой путь в направлении созвездия Щита.
Его близнец продержался в открытом космосе ровно тридцать лет: последние научные данные с “Пионера-10” были переданы на Землю в 2002 году. Согласно расчетам, в 2012 году он должен был находиться в 100 а.е. от Солнца. Уснувший навсегда зонд с золотой пластиной на борту летит в сторону Альфы Тельца. Расчетное время прибытия — 2 000 000 год от Р.Х.
Следующие герои — участники умопомрачительной миссии “Вояджер”, крупнейшей экспедиции за все время межпланетных полетов. Два зонда отправились в путь в далеком 1977 году с надеждой посетить окрестности всех внешних планет. Основная миссия “Вояджеров” завершилась полным триумфом: зонды изучили с пролетной траектории Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, их кольца, а также 48 спутников планет-гигантов. В момент прохождения над верхним слоем облаков Нептуна, после 12 лет полета и 4 млрд. км пройденного пути, отклонение “Вояджер-2” от расчетной траектории составило невероятные 200 метров!
Сегодня, спустя 37 лет после их запуска, они продолжают свой путь в межзвездном океане, удалившись от Земли на расстояние 107 и 130 а.е. Задержка радиосигнала с борта “Вояджера-1” — 17 часов 36 минут. Мощность передатчика составляет всего 26 Вт, но его сигналы по-прежнему достигают Земли.
Объем памяти бортового компьютера “Вояджеров” в 100 раз меньше, чем у современного mp3-плеера. Уникальное ретро-оборудование продолжает свою работу, сквозь вихри электромагнитных бурь и десятки лет работы в открытом космосе. В баках осталось несколько литров драгоценного гидразина, а мощность радиоизотопного генератора все еще достигает 270 Вт. Уже за орбитой Нептуна программистам NASA удалось “перепрошить” бортовой компьютер “Вояджера”: теперь данные зонда кодируются высокозащищенным двойным кодом Рида-Соломона (любопытно, что во время запуска “Вояджеров” подобный код еще не применялся на практике). К началу нового века зонды перешли на резервный комплект двигателей системы ориентации (основной комплект к тому моменту произвел 353 тыс. коррекций), но датчику Солнца с каждым днем все труднее находить его тусклый свет на фоне тысяч ярких звезд. Существует угроза потери ориентации и утраты связи с Землей.
Летом 2012 году аппаратура “Вояджера-1” зарегистрировала резкое падение интенсивности заряженных частиц солнечного ветра — зонд пересек границу Солнечной системы, выбравшись из гелиосферы. Теперь сигналы зонда искажает новый, никогда ранее не регистрировавшийся звук — плазма межзвездной среды.
Вот уже девятый год бороздит космос автоматическая станция “Новые горизонты”, запущенная в январе 2006 г. Цель миссии — Плутон, о внешнем облике которого мы не знаем почти ничего. Расчетное время прибытия к цели — 14 июля 2015 года. Девять с половиной лет полета — и всего трое суток на близкое знакомство с самой далекой планетой.
“Новые горизонты” покинул околоземную орбиту с самой большой скоростью среди всех космических аппаратов — 16,26 км/с относительно Земли или 45 км/с относительно Солнца, что автоматически сделало “Новые горизонты” звездолетом.
Ожидается, что после пролета Плутона зонд продолжит свою работу в открытом космосе до середины следующего десятилетия, удалившись к тому времени от Солнца на 50-55 а.е. Меньшая продолжительность миссии по сравнению с “Вояджерами” обусловлена малой продолжительностью работы радиоизотопной “батареи” — к лету 2015 г. энерговыделение РИТЭГов составит всего 174 Вт.
Чуть позади “Новых горизонтов” летит другой примечательный объект — твердотопливный разгонный блок ATK STAR-48B. Третья ступень ракеты-носителя “Атлас-5”, что вывела зонд “Новые горизонты” на отлетную траекторию к Плутону, также набрала гелиоцентрическую скорость и теперь непременно покинет границы Солнечной системы. Вместе с ней по той же причине улетят к звездам два балансировочных груза. Вторая ступень (разгонный блок “Центавр”) осталась на гелиоцентрической орбите с периодом обращения 2,83 г.
Согласно расчетам, в октябре 2015 г. STAR-48B пройдет на расстоянии 200 млн. км от Плутона, а затем навсегда растворится в глубинах космоса.
Корабли уснут, и время потеряет для них значение. Через сотни тысяч, а может быть, миллионы лет, все эти рукотворные объекты доберутся до звезд. Но ученых интересует возможность создания ДЕЙСТВУЮЩИХ космических аппаратов, способных продолжить работу в межзвездном пространстве в течение продолжительного периода времени, удалившись от Солнца на расстояние сотен астрономических единиц.
Проект TAU
TAU (Thousand astronomical units). Концепт 1987 года, предполагавший отправку автоматической станции на расстояние 1/60 светового года от Солнца. Расчетное время в пути — 50 лет. Цель экспедиции: постройка грандиозного дальномера с базисом 1000 а.е., измерение с высокой точностью расстояний до звезд, в т. ч. находящихся за пределами нашей галактики. Второстепенные задачи: изучение области гелиопаузы, решение проблемы сверхдальней космической связи, проверка постулатов теории относительности.
Энергообеспечение зонда — малогабаритный ядерный реактор тепловой мощностью 1 МВт. Ионный двигатель с продолжительностью работы 10 лет. Авторы проекта TAU исходили исключительно из существующих на то время технологий.
В настоящее время наиболее проработанным и осуществимым проектом межзвездной экспедиции является Innovative Interstellar Explorer. Компактный по размерам зонд, несущий на борту 35 кг научного оборудования и оснащенный тремя РИТЭГами и системой космической связи, способной обеспечить устойчивую связь с Землей с расстояния в 200 а.е.
Разгон с использованием обычного ракетного ускорителя на химическом топливе, гравитационного маневра в окрестностях Юпитера и ионных двигателей, в котором рабочим телом является ксенон. Все три указанные технологии существуют и хорошо отработаны на практике.
Маршевый ионный двигатель зонда Deep Space-1
Для работы ионного двигателя необходимы две вещи: рабочее тело (газ) и несколько киловатт электричества. Ввиду ничтожного расхода рабочего тела ионный двигатель способен непрерывно работать на протяжении десяти лет. Увы, его тяга также ничтожна — десятые доли Ньютона. Это совершенно недостаточно для старта с поверхности Земли, но в невесомости, за счет непрерывной многолетней работы и высокого удельного импульса, подобный двигатель способен разогнать зонд до высоких скоростей.
В миссии Innovative Interstellar Explorer за счет трех способов ускорения ученые надеются разогнать зонд до скорости 35-40 км/с (свыше 4 а.е. в год). Это чрезвычайно много по меркам современной космонавтики (рекорд у “Вояджер-1” , 17 км/с), но вполне осуществимо на практике с использованием современных ЭРД и высокоёмких радиоизотопных генераторов энергии.
Исследования по программе Innovtive Interstellar Explorer ведутся специалистами NASA c 2003 года. Изначально предполагалось, что зонд будет запущен в 2014 г. и достигнет цели (удалится на расстояние в 200 а.е. от Солнца) в 2044 году.
Увы, ближайшее стартовое окно было упущено. Программа межзвездного зонда не является приоритетной программой NASА (в отличие от более реалистичных марсоходов, межпланетных станций и строящегося космического телескопа “Уэбб”).
Благоприятные условия для запуска межзвездного зонда повторяются каждые 12 лет (ввиду необходимости совершения маневра в гравитационном поле Юпитера). В следующий раз “окно” откроется в 2026 году, но далеко не факт, что и этот шанс будет использован по назначению. Возможно, что-нибудь решится к 2038 году, но, вероятно, концепт Innovative Interstellar Explorer к тому времени уже бесконечно устареет.
Уже сейчас инженеры работают над электротепловыми плазменными ускорителями (VASIMR), магнитоплазмодинамическими двигателями и двигателем Холла. Данные вариации электроракетного двигателя также обладают высоким удельный импульсом, сравнимым с уд. имп. ионных двигателей, но способны развивать на порядок большую тягу — т.е. разгонять корабль до указанных скоростей за более короткое время.
Информация