В этом проекте обсуждается способ строительства космического корабля для полетов к Марсу. Корабль строится из материалов имеющихся в космосе. Основным сырьем могут служить астероиды или лунный грунт. Отсюда и название - искусственный астероид и условное название корабля "Астероид".

Данный проект написан как результат дискуссии, в которой предлагалось использовать астероиды для полетов в космосе.

После этапа изучения Марса с орбиты, наступит этап изучения Марса экспедициям, которые высадятся на поверхность. Со временем будут созданы марсианские научные станции, которые первое время будут работать вахтовым методом. В отдаленной перспективе потребуется обеспечивать долговременные марсианские станции, которые возможно превратятся в постоянные поселения. Для обеспечения перевозки грузов и людей нужны будут корабли большой вместимости и комфорта. Главное препятствие для дальних полетов в космос – наличие невесомости и высокой радиации. Очевидно без решения технических проблем связанных с этими проблемами массовое переселение людей на Марс будет сильно замедленно.

1. Концепция

За основу принята идея космического такси, которое летает по стабильной орбите вокруг Солнца переодически сближаясь с Землей и Марсом подобно астероидам (Дорога на Марс: С Голубой планеты на Красную).

Требования к кораблю типа "Астероид":

1. Стабильная околосолнечная орбита (как у астероидов;

2. Периодическое пересечение орбиты Земли в то момент когда рядом находится Земля;

3. Обеспечение искусственной силы тяжести;

4. Высокая степень противорадиационной защиты;

5. Комфорт;

6. Вместимость.

Первые два условия обеспечиваются при запуске "Астероида" на стабильную орбиту вокруг Солнца.

Остальные определяются конструкцией.

На самом деле "искусственный астероид" это достаточно вместительный корабль с толстой противорадиационной защитой созданный с использованием космических ресурсов. Для определенности рассмотрим использование лунных материалов.

На Луне можно добыть металлы: Ni, Ti, Fe, Al и реголит, как сыпучий материал. Возможно есть запасы воды.

"Астероид" может иметь следующее устройство.

Два шара радиусом 10 м и эффективной толщиной стенок, например от 10 см до 1 м, расположенные на концах длинного (100 м) тоннеля и вращающиеся вокруг центра масс.

По сравнению с цилиндром или тором, модель “гантели” выбрана из соображений экономии. Сферически симметричная противорадиационная защита имеет меньшую массу при максимальном внутреннем объеме.

Для лучшей микрометеоритной и радиационной защиты стенки сделаны многослойными.

При толщине стенок в 10 см из железоникелевого сплава масса каждого шара без внутренней начинки порядка 1000 т. Плотность радиационной защиты в этом случае 80 г/см². Но это не предел.

Полная масса корабля порядка 2500 т

Общий для двух шаров свободный объем 8000 м³ или примерно 80 трехкомнатных квартир или 4 подъезда пятиэтажного дома.

Линейные размеры: длина вдоль оси порядка 200 м, радиус вращения порядка 120 м.

Сравнение с МКС, с самым большим космическим сооружением в настоящее время. Масса примерно 120 т, длина порядка 47 м, свободный объем свыше 400 м³.

Сферы соединяются герметичным тоннелем, в котором перемещается лифт.

Перпендикулярно тоннелю вдоль оси вращения расположены платформа со стыковочными узлами для малых космических кораблей и на противоположном конце ядерный реактор с радиаторами охлаждения и теневой защитой.

Примерный вид строящегося корабля показан на рис.1.

Разогнать это сооружение нужно только один раз. Потом достаточно просто корректировать орбиту.

Для проекта марсианского такси понадобиться два (четыре) таких "астероида", летающие между орбитами Земли и Марса в противофазе.

Преимущества по сравнению с естественным астероидом. Летит туда куда нужно, эффективно используется внутренний объем, имеет минимальную массу, есть возможность отправить его на любую другую траекторию, и внутри создается искусственная сила тяжести в 1g.

Рис. 1. Межпланетный корабль - "искусственный астероид" в процессе сборки.
1. Жилой отсек. 2. Силовой туннель. 3. Узел вращения. 4. Радиатор. 5. Биозащита.
6. Реактор. 7. Порт 8. Челнок.

2. Технология изготовления

После того как на Луне будет создана производственная база и начата добыча полезных ископаемых возможно изготовление "искусственного астероида".

В начале из лунных минералов выплавляется титан, алюминий и отливаются основные детали конструкции. Переработка минералов производится путем плавления в основном самородочных металлов (железо, никель, титан и другие тугоплавкие элементы) с помощью индукционной печи, питаемой от ядерного реактора. Способ получения алюминия зависит от химического состава минералов и пока не обсуждается.

Из выплавленных металлов путем прокатки или иным способом изготовляются профилированные детали, например швеллера 50х20 мм. Прокатываются пластины из алюминия, различной толщины.

Понятно, что для таких работ на Луне должен быть развернут мини завод. Строительство такого рода производств следует ожидать после завершения начального этапа освоения Луны.

Сборка ферм и каркасов ведется путем сварки в вакууме профилированных деталей плазменным лучом и газовой сваркой. После сборки детали каркаса с помощью взлетной платформы доставляется на орбиту Луны. Это можно сделать, поскольку масса каркасных изделий относительно не велика. Так каркас сферы с шагом колец 15 градусов из указанных выше алюминиевых профилей будет иметь массу порядка 20 т.

Хотя можно и все собирать на орбите Луны, но это может быть не очень оптимально и более трудоемко.

В принципе имеется возможность все самые сложные детали доставлять с Земли и первоначальную сборку корпуса осуществить на орбите Земли.

Каркас покрывается первым слоем тонких алюминиевых пластин. Толщина пластин порядка 1 см, это первый герметичный корпус. Масса порядка 30 т. Контроль сварки осуществляется с помощью рентгена.

Внутри можно разметить как минимум шесть жилых этажей с высотой потолка 2.5 м. и два технических этажа. В центре находится лифт. Примерная компоновка сферы показана на рис.2. Один или больше и этажей выделен под оранжерею. Площадь помещения для оранжереи может быть свыше 200 м², что при наличии стеллажей для размещения растений позволит обеспечить растительной пищей как минимум 20 - 30 человек (на одного человека нужно 40 м² оранжереии для полноценного обеспечения). Напомню, что таких сфер в составе корабля будет две и этажей под оранжерею может быть выделено больше одиного.

На межэтажные перегородки потребуется примерно 10-15 т алюминиевых конструкций.

С учетом поперечных перегородок и лифтовой тоннеля общая масса корпуса сферы будет порядка 100 т.

Если к тому времени будут созданы носители типа “Вулкан”, то возможна сборка сферы на Земле и выведение на орбиту целиком. Однако потребуется доставка этой сферы на орбиту Луны, что в целом может сделать все мероприятие более дорогостоящим, чем изготовление сферы на Луне.

Затем готовятся противорадиационные плиты. Их делают из реголита путем прессования с добавлением вяжущего наполнителя. В качестве вяжущего наполнителя может быть использована вода, если таковую найдут на Луне. Тогда просто реголит смешивается с водой, в камере наполненной воздухом и помещается в тень с помощью раздвижного навеса. Вода замерзает, и плиты упаковывают в тончайшую светоотражающую пленку, чтоб не таяли на солнце, и доставляют на орбиту, где ими обклеивают корпус корабля. Для лучших механических качеств и экономии воды возможно в воду придется добавлять некий латекс или композит.

Плиты можно изготовить путем спекания. Спекать небольшие плиты можно даже в фокусе параболического зеркала.

Размеры плит: площадь - 1 м², а толщина – 10 - 15 см. Масса 300 – 400 кг. На Луне они будут весить от 50 до 70 кг. Значит их можно будет перемещать как вручную (два космонавта), но и с помощью простых механизмов.

Доставка легких грузов в частности плиток на орбиту Луны осуществляется с помощью электромагнитной катапульты.

Скорее всего, противорадиационных слоев будет несколько. Реголитово-ледяной слой чередуется с оболочкой из алюминия, железоникелевого сплава или титана.

Реголит пористый материал и по идее адсорбирует много воды, поэтому такие плитки насыщенные водой (льдом эффективно поглощают протоны.

Для теплоизоляции (солнечный нагрев) возможно придется прокладывать слои прокладками из экранно-вакуумной изоляции. В качестве такой теплоизоляции изоляции сгодится даже вата получаемая из лунного базальта.

Толщина противорадиационного покрытия ограничивается только энергетическими возможностями разгонных блоков, с помощью который корабль отправляется на околосолнечную орбиту.

Так при толщине покрытия в 1 м и плотности порядка 2500 кг/м³ (как у легкого бетона) масса радиационного покрытия составит уже примерно 10 тысяч т, а полная масса “астероида” возрастет свыше 20000 т.

Для сравнения подобную массу имеет каменный астероид диаметром всего 12 м. или железоникелевый астероид диаметром 9 м.

Для вывода “астероида” на околосолнечную орбиту потребуется набрать где-то порядка 3 км/с дополнительной скорости. Это можно сделать с помощью специального буксира, который потом отстыковывается и возвращается обратно.

Для обеспечения комфортных условий жилые помещения обруются системой жизнеобеспечения замкнутого или полузамкнутого типа.

Реактор вынесен в сторону на продольной ферме. На ферме перед реактором размещены радиаторы охлаждения. Здесь же возможно размещение дополнительных отсеков с техническими системами или размещение дополнительных внешних оранжерей.

Оба шара вращаются с такой скоростью, чтобы обеспечить достаточную силу тяжести. Хотя возможно для подготовки колонистов к марсианской тяжести скорость вращения будет уменьшена и ускорение будет выставлено порядка 0.3 - 0.5 g. Тогда потребуется скорость вращения примерно 1 – 2 оборота в минуту.

Важным моментом является обеспечение механической жесткости тоннеля, соединяющего вращающиеся шары. Здесь можно использовать стальные канаты-струны или детали из титана. Центробежные силы - одна из причин, почему может потребоваться уменьшение силы тяжести.

Узел вращения сделан на основе магнитной подвеске, чтобы исключить трение.

В узле вращение сделана шлюзовая камера, через которую космонавты проходят во внутрь корабля.

Принципиально ничто не мешает собрать четырехэлементный "астероид". Как уже отмечалось выше собирать огромный тор скорее всего будет не рентабельно из-за огромной массы радиационной защиты.

На борту корабля типа "астероид" сразу от 50 до 500 человек сможет путешествовать от Земли к Марсу и обратно.

С постройкой таких кораблей станет возможной практическая колонизация Марса.

3. Перспективы использования "астероида" для "эфирных" поселений

По аналогичной технологии можно построить и небольшие поселения, размещенные в космосе на круговой орбите вокруг Солнца, где уже постоянно смогут проживать люди. Рой таких сооружений расположенных рядом на одной орбите образуют своеобразный космический "город". Основные достоинства таких сооружений - наличие нормальной силы тяжести и удовлетворительной радиационной защиты сделает возможным проживание в космосе именно людей, а не киберов. Для длительно проживания "астероид" придется оснастить другими помещениями, которые монтируются на вынесенных фермах. В этих помещениях можно разместить дополнительные оранжереи и мини заводы по переработке космического сырья. "Астероид" размещенный возле настоящего астероида станет производственной базой по разработке полезных ископаемых.