Космос ждет: российские ученые нашли экологически безопасный способ запуска космических ракет

Цена прогресса

Совсем скоро космический туризм станет такой же обыденностью, как и поездки в другие страны. Частные полеты миллиардеров тому доказательство. И, безусловно, это большой шаг в освоении космоса человеком. Но за красивой картинкой скрывается серьезный ущерб окружающей среде.

Например, при запуске ракеты с четырьмя пассажирами на борту выделяется примерно 200-300 тонн углекислого газа. Он вместе с другими вредными веществами, которые образуются при сжигании керосина, жидкого водорода или другого топлива, попадает сразу в верхние слои атмосферы. Там вся эта ядовитая смесь задерживается минимум на два-три года, разрушая озоновый слой. Что уж говорить о территориях, на которых производится запуск ракет, и близких к ним населенных пунктах.

Марина Лямкина из села Каракокша на Алтае знает об онкологии если не все, то многое. Ее отец умер от рака. Соседи тоже. В каждом доме на ее улице кто-то или живет с онкологическим заболеванием или умер от него. Помимо злокачественных опухолей, людей атакуют кожные заболевания и проблемы с дыханием. Жители Каракокши уверены, что причина в расположенном неподалеку космодроме Байконур.

Между селом и ближайшей районной больницей несколько десятков километров. Зато обломки ракет падают прямо во дворы домов и растущий рядом лес. Но это еще не самое страшное. Каждый запуск провоцирует большой выброс гептила – компонента ракетного топлива, и распространение его остатков по близлежащей территории. Как канцерогенное вещество гептил влияет на иммунную, дыхательную, сердечно-сосудистую и другие системы человека. Даже небольшое превышение концентрации этого вещества в воздухе может нанести непоправимый вред здоровью.

Использование топлива, не содержащего гептил, лишь незначительно снижает степень вреда, который наносит людям и окружающей среде запуск ракет. Остатки горючего все равно проникают в воду и почву, делая их непригодными для жизни. Да и пожары в радиусе запуска — нередкое дело. Но жителям таких территорий остается только ждать, когда на смену нынешним технологиям придут более безопасные для жизни.

Космические гиганты

Первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) под названием Р-7 была запущена в августе 1957 года с космодрома Байконур. Аппарат длиной почти в 32 метра и весом в 280 тонн, 250 из которых приходилось на топливо, пролетел 6 тыс. км, достигнув испытательного полигона на Камчатке. Головная часть ракеты полностью сгорела при входе в плотные слои атмосферы. Тем не менее, испытания были признаны успешными — аппарат отвечал необходимым для межконтинентальной ракеты требованиям.

Создателем Р-7 был советский ученый Сергей Королев. Постепенно им была создана целая группа советских ракет-носителей — ракет, предназначенных для выведения исследовательского оборудования в космическое пространство.

Уже в октябре 1957 года облегченный вариант МБР, ракета-носитель «Спутник», отправился в космос для выведения на орбиту Земли первого искусственного спутника планеты. Необходимая для движения в космосе скорость была достигнута благодаря принципу многоступенчатости. Это значит, что ракета-носитель состоит из двух или более соединенных между собой небольших ракет, которые и называются ступенями. В процессе полета ступени, выполнившие свои функции и выработавшие запасенное в них топливо, отделяются. А оставшееся топливо тратится на ускорение лишь небольшой части ракеты, благодаря чему и достигается такая высокая скорость.

Самые мощные из ныне действующих ракет тяжелого класса позволяют выводить на низкую околоземную орбиту от 21 до 25 тонн полезного груза. Среди них российская ракета-носитель «Протон-М», европейская «Ариан-5» и американская «Дельта-IV Heavy».

Но есть среди современных ракет и представитель сверхтяжелого класса — двухступенчатая ракета-носитель Falcon Heavy от частной американской компании SpaceX, которая впервые была запущена в 2018 году. Для сравнения, на низкую околоземную орбиту Falcon Heavy способна вывести до 64 тонн груза. В рамках проектов по высадке человека на Луну были созданы и более мощные ракеты, но сейчас они не используются.

Falcon Heavy стала более сложной модификацией хорошо отработанной ракеты тяжелого класса Falcon 9. Ее отличительная особенность — два ускорителя, которые закрепляются по бокам первой ступени. Выглядят они как огромные цилиндры с защитными конусами на верхушке. В каждом из ускорителей находятся девять двигателей, которые расположены по кругу с одним двигателем в центре.

Первая ступень также оборудована девятью ракетными двигателями. Внешне она выглядит аналогично ускорителям, немного превышая их по длине. В верхней части первой ступени находится переходной отсек. А в нем спрятан двигатель второй ступени, которая по сути — лишь укороченная копия первой. В ней расположен только один двигатель, который может быть многократно перезапущен для доставки полезного груза на различные орбиты.

На данный момент Falcon Heavy — абсолютный рекордсмен по количеству двигателей среди успешно летавших ракет-носителей — всего 28 штук, 27 из которых работают одновременно уже прямо на старте. Это и пугает и завораживает одновременно.

Сердца ракет

Двигатели — одна из самых важных частей ракет-носителей. Без них теряется сам смысл ракеты. Но принцип работы ракетных двигателей отличается от привычных нам автомобильных, например. Если последние производят энергию вращения, приводя в движение колеса автомобиля, то ракетные двигатели ничего не вращают. Они реактивные и работают по принципу «на каждое действие есть равное противодействие».

Чтобы представить этот процесс, достаточно надуть воздушный шарик и, не завязывая его, отпустить. Шарик будет лететь до тех пор, пока из него не выйдет весь воздух. Еще один пример: отдача в плечо при стрельбе из ружья. А если стрелять из ружья, стоя на роликах или коньках, отдача спровоцирует еще и поездку в противоположном направлении. Так и с ракетным двигателем, только в бОльших масштабах.

Двигатель работает на топливе. Обычно оно двухкомпонентное. Один из компонентов — горючее. Он выполняет основную работу по высвобождению необходимой для движения энергии. Второй — окислитель. Он нужен для того, чтобы обеспечить нужную интенсивность сгорания горючего. Особенно это необходимо в верхних слоях атмосферы и в космосе, где или очень мало или совсем нет естественного окислителя — атмосферного кислорода.

Оба компонента поступают в специальную камеру двигателя, где происходит химическая реакция горения до тех пор, пока топливо не закончится. В результате этой реакции образуются продукты сгорания — газы, температура которых достигает нескольких тысяч градусов. Они и формируют мощную, направленную назад реактивную струю, которая отталкивает ракету от земли.

Это завораживающее зрелище имеет свои последствия. Территория, на которой происходил запуск ракеты, погружается в огромное облако дыма. Продукты горения токсичного топлива оседают на землю, растения и ближайшие населенные пункты, делая их непригодными или опасными для жизни.

К счастью, экология и здоровье людей заботит ученых не меньше, чем освоение космоса. Поэтому уже сейчас ведутся работы по созданию безопасного топлива, разрабатываются электрические двигатели высокой мощности и моделируются безвредные способы запуска ракет.

Без вреда и с пользой

Поиском наименее вредных способов запуска космических ракет решили заняться ученые Пермского национального исследовательского политехнического института. И им уже удалось разработать математическую модель установки для подводного запуска ракет. Идея такого «холодного» запуска не нова, но до сих пор ученые не работали даже над теоретическими моделями.

Согласно задумке специалистов, запуск ракеты будет происходить за счет давления столба воды на пусковой поршень, который поможет преобразовать энергию воды в механическую работу. Для этого сначала из затопленной в водоеме шахты через отверстие внизу, или клапан, насосом откачают воду. Затем закроют это отверстие, установят на дне шахты пусковой поршень и поставят на него ракету. Когда все будет готово, в шахте откроют входной клапан, быстрый поток воды попадет в поршень и выбросит ракету из шахты. А двигатели ракеты включатся уже после запуска на безопасном от земли расстоянии — это и поможет снизить негативное влияние ракет на экологию, снизит вероятность возникновения пожаров на близлежащих территориях и позволит уменьшить выбросы токсичных веществ в воду и почву. Отдельно ученые отмечают снижение акустического, то есть звукового, загрязнения окружающей среды. Если обычный запуск ракеты слышен за несколько километров, то в случае с «холодным» пуском звук будет глушиться в шахте.

Вся конструкция, включающая в себя пусковую шахту, поршень, насос, клапаны и саму ракету, будет удерживаться на плавучей платформе. Шахта при этом должна быть значительно больше ракеты, чтобы у нее было свободное пространство для разгона. Работать эта система сможет с различными типами ракетных двигателей: воздушно-реактивным, жидкостным и твердотопливным.

Свои расчеты пермские ученые делали с помощью инженерного программного обеспечения Mathcad. Они помогают понять влияние диаметра шахты, глубины погружения ракеты и величины ее нагрузки на скорость движения. Например, при глубине шахты в 300 метров, диаметре в 1,4 метра и массе космического аппарата с поршнем в 3 тонны, ракета может развить свою максимальную скорость в 155,8 метров в секунду. Разогнаться настолько сильно она сможет практически сразу, за 2,1 секунды.

Подводный способ запуска ракет-носителей будет не только экологически безопаснее, но и экономически выгоднее, чем обычный. Потому что теперь просто пропадет необходимость в создании дополнительной защиты оборудования от горячей реактивной струи. Благодаря этому устройство ракет может стать проще и легче без ущерба для функциональной составляющей. Взамен появится возможность увеличить массу полезного груза и ускорить процесс изучения космоса.