Чому ракети круглі в перетині? Чому все, що вони тягнуть в космос, теж кругле, або «вписується» в круглі ж обтічники? Правда ж, ідіотське питання? Відповідь на нього знають навіть молодші школярі. Та чи так буде завжди? Я спробував промоделювати, яких форм може набути космічна архітектура найближчими роками та десятиліттями.
Я впевнений, що циліндричний діжко-подібний форм-фактор елементів космічних споруд, (можливо і самих ракет) в осяжному майбутті набуде радикальних змін. І станеться це під тиском тих самих чинників, які призвели до появи загальносвітового стандарту масових мультимодальних перевезень — універсальних 20-ти та 40-ка футових контейнерів TEU та FEU. Але окрім того, через асиметрію космічного трафіку та необхідність поставити космічне будівництво на поток.
Головна проблема космічної логістики — асиметрія трафіку
З початком реальної експансії, номенклатура і тоннажність вантажоперевезень за межі Землі виросте на порядки. Необхідність створення заправних станцій, пунктів базування сервісної та орбітально-клінінгової техніки а в подальшому і об’єктів космічних індустрій, включно з верфями та постійними поселеннями, вимагатиме не просто виведення вантажів на орбіту. Способи доставки мають бути уніфіковані таким чином, аби самі «космічні контейнери» могли бути використані в якості будівельних модулів будь-яких споруд. Адже вантажний трафік поверхня-орбіта довгий час буде дуже асиметричним. На орбіту підніматимуть всі і все, а зворотній вантажопотік, — це буде переважно тільки людська протоплазма. Космічна індустрія якщо і спускатиме щось на Землю, то лише товари з дуже високим співвідношенням ціна/маса. З іншого боку, друге місце (після паливних ресурсів) у вантажопотоку на орбіту, природно посядуть конструкційні елементи високого ступеню заводської готовності та обладнання для створення позаземних споруд. Возити їх всередині традиційних діжок, потім на орбіті виколупувати з тих діжок, а порожні вже діжки, порожняком гнати на Землю? Нонсенс.
Тара, як конструкційний елемент
Рішення цих проблем може лежати в подвійному призначенні транспортної тари. Після розвантаження насипних і штучних вантажів в точці прибуття, така тара одразу має бути готовою до використання на будівництві в якості своєрідного LEGO-елемента. Тобто, тара має бути жорстко уніфікована для всіх перевізників на ринку. За геометричними параметрами, за конструкцією систем стикування і складання в надійні, легко масштабовані споруди потрібного призначення — від танкерних місткостей, ангарів, складів і т.п., аж до готелів чи комфортного житла.
Очевидно, що і зараз є всі передумови для того, аби увімкнути таку схему. Наприклад, можна було б підлаштувати обтічники, що захищають корисне навантаження під час проходу атмосфери так, аби їх можна було б далі використовувати в якості будівельних елементів, але з них мало чого корисного побудуєш, з тих круглих шкаралупок. Хіба що танкерні ємності. Та й то, будівництво з оболонок обтічників потребуватиме дуже багато морочливої ручної праці на орбіті. До того ж доведеться там же проводити дооснащення їх інженерними системами, можливо додатковою теплоізоляцією та всім іншим, що відрізняє порожній барель від споруди.
Ще одна незручність використання адаптованих круглих обтічників чи інших циліндричних елементів криється в тому, що з циліндрів не збереш суцільний масив приміщень. Як ти не тули циліндри одне з одним, вони матимуть прямий контакт з космічним простором майже всією боковою поверхнею. А отже питання термостабілізації кожного модулю буде окремою задачею, як для окремого апарату. Організувати прокладання інженерних мереж і проходи в спорудах з циліндричних елементів буде доволі легко лише в одному напрямку — через «денця діжок». Саме так як це зроблено на МКС. І ви бачите, до чого веде таке рішення. МКС НЕ красива. Вона погано пристосована для життя і роботи.
Бо вона конструктивно вкрай не оптимально побудована. Звісно, не зі зла проектантів а як вимушене рішення, що диктоване логістичними можливостями 20-го століття. Але далі так будувати в космосі не можна.
А з чого ж тоді і як будувати в космосі? Давайте спробуємо сформулювати вимоги для «цеглинок» космічного будівництва
Вимоги до космічної тари, що має стати конструкційним елементом
- Модульність і структурна самодостатність. Як і звичайні контейнери для морських перевезень, «космічні контейнери» повинні бути доволі міцними, аби не лише захистити вантаж під час старту з Землі, але й забезпечувати стійкість споруд, в конструкцію яких вони увійдуть. Деякі з тих споруд обертатимуться для створення гравітації. Складання їх до купи має відбуватися з мінімумом монтажних операцій
- Функціональна форма . Виходячи з фізики ракетного старту, «космічний контейнер» має бути за формою якомога ближчим до форми сучасних обтічників і одночасно таким, що дозволить їхню щільну упаковку в єдиний масив, як те ви бачили на фото морських контейнерних терміналів
- Високий ступінь заводської готовності. Чим більше вдасться зробити на Землі, тим менше буде мороки на орбіті. Тому «космічний контейнер» має бути ще на Землі по максимуму оснащений інженерним начинням та оздобою. Само собою, з урахуванням майбутнього призначення.
- Монтажні рішення. Засоби поєднання контейнерів повинні бути найпростішими, надійними та ергономічними. Для прикладу згадаю залізничну вагонну зчіпку. Не як готове рішення, а як приклад гарного інженерного рішення
- Внутрішні транспортні шляхи. Конструкція контейнерів має бути такою, аби після складання споруди, можна було легко і швидко організувати транспортні шляхи (коридори) для переміщення людей і вантажів крізь анфілади приміщень під час експлуатації комплексу.
Ідея рішення, що забезпечує виконання цих вимог, спала на думку, коли я ласував медом заради укріплення імунітету. Згадав, що Природа вже все винайшла, і рішення лежить на поверхні. Буквально перед носом. Бджолині соти. Саме шестигранні призми складають потрібну суцільну і компактну структуру.
Гексагони
Вимальовується приблизно таке бачення «космічного контейнера»: правильна шестигранна призма з максимальним перетином близьким до перетинів найбільших головних обтічників наявних чи проектованих ракет (на сьогодні, це 9 метрів у SUPER HEAVY) і висотою, яку дозволить динаміка запуску (Starship проектують висотою 50 метрів). Шестигранна призма, тому що з усіх правильних фігур, які здатні утворювати суцільне заповнення площини (без зазорів), правильний шестикутник є найближчою до кола геометричною фігурою.
Ймовірні масо-габарити Гексагонів
Зважаючи на те, що подібний контейнер все одно вимагатиме якогось конічного (пірамідального) аеродинамічного оголовку, можна в першому наближенні прийняти висоту контейнера 20 метрів.
Такий Гексагон матиме внутрішній об’єм близько 1000 кубометрів. Для порівняння: герметичний об’єм МКС зараз становить приблизно ту ж величину (931,57 м³, станом на 28 травня 2016).
Спробуємо визначити масу подібного Гексагону.
Одна бокова грань контейнера матиме площу 90 м2. За товщини металу 2 мм і умовної густини металу 8000 кг/м³, її вага складатиме близько 1,4 тони. «Денце» матиме площу біля 52 м2 і це дає приблизну його вагу 0,85 тони. Отже разом, обшивка такого контейнера важитиме трохи більше 10 тон. Навмання подвоїмо цю цифру на елементи підсилення конструкції (ребра жорсткості) і плюс до того, додамо ще 10 тон на інфраструктурні елементи типу: герметичних дверних блоків в центрі кожної грані, двигунів орієнтації, запасів робочого тіла для тих двигунів (води), акумуляторних батарей, панелей сонячних батарей, електрообладнання, внутрішньої оздоби в залежності від майбутнього призначення. Виходимо на дуже грубу цифру 30 тон.
Багато це, чи мало? На перший погляд, здається, що це дуже багато. Адже жоден Протон не здатний витягти таку махину на орбіту. Але не забуваємо, що для корабля типу Starship прийняте цільове значення payload capacity 100+ тон. І це не лише дозволятиме виводити на орбіту подібні Гексагони. Це означає, що сам Гексагон можна дозавантажити. Будь-чим, що знадобиться на будівництві. Технологічним обладнанням, металевими напівфабрикатами, надувними ємностями і всяким таким. Або стороннім комерційним навантаженням. Або запасами води. Або набрати всього помаленьку. І гранична межа такого «дозавантаження» лежатиме біля позначки 70 тон. Це значно більше, ніж важать Заря (19323кг), Звєзда (20320кг) Пірс (3580кг), Поіск (3670кг), Рассвєт (8000кг) разом узяті.
Загалом, увесь герметичний російський сегмент МКС важить близько 55 тон. Тобто, в такий Гексагон можна було б запхати все, що росіяни створили на МКС за 20 років. Ще й запасу лишилось би у 15 тон.
Як з Гексагонів збирати споруди?
Простим складанням шестигранних призм боковими гранями одна до одної. Як саме виглядатиме механізм первинного поєднання Гексагонів важко зараз сказати. Ясно лише, що він повинен бути не складнішим за дверний гачок. І так само має легко вручну оперуватися, як фіксатор відкидних бортів у авто-вантажівки. Головне, слід розуміти, що коли два Гексагони поєднаються, їхні дотичні грані перетворяться із зовнішніх на внутрішні, а отже вже не потребуватимуть «космічного» ущільнення і теплоізоляції. Це дозволить значною мірою зменшити трафік конструкційних матеріалів з поверхні Землі.
Як вже зазначено вище, кожна грань Гексагону повинна мати як мінімум один дверний блок з герметичними дверима. Тоді після поєднання модулів у суцільну конструкцію, двері можна повідкривати і вільно пересуватися між Гексагонами. Такі пари герметичних дверних блоків можуть також виконувати функцію внутрішніх відсічних шлюзів, що будуть дуже корисними в разі якихось аварій з втратою герметичності того чи іншого Гексагону. Ці ж дверні блоки можуть бути концентратором інженерних комунікацій — енергопроводів, повітро- і водо-проводів, пневмопошти, сигнальних магістралей, систем каналізації, тощо. В разі виходу з ладу одного Гексагона, достатньо розвинута споруда зможе організувати «обхід» враженого місця всіма інженерними мережами простою перекомутацією потоків. Причому, зробити це майже миттєво. Таким чином, живучість споруди, її здатність протистояти аваріям буде набагато вищою, аніж в тої ж МКС. Власне, за таким же ідеологічним принципом працює Інтернет, який свого часу був задуманий військовими як найнадійніша система комунікації, навіть в умовах ядерної війни.
Специфіка окремих «професійних» спеціалізацій Гексагонів.
Цілком очевидно, що маючи однаковий каркас та оболонку, технічне начиння Гексагонів буде сильно відрізнятися в залежності від тої функції, якій він слугуватиме. Глянемо на основні з них.
Негерметичні склади
До них можна скидати все, що не потребує систем життєзабезпечення і не є газами чи рідинами. Наприклад, орбітальне сміття в очікуванні ремонту чи утилізації. Або нестандартні конструкції та обладнання, що очікують своєї черги в будівельно-монтажних роботах — ті ж сонячні панелі або дзеркала-концентратори плавильних установок, запчастини та дублюючі вузли і всякий подібний крам. З початком сировинної розробки малих небесних тіл Системи, негерметичні склади знадобляться в якості бункерів накопичення сировини і складування готової продукції та пустої вже породи.
Вимоги до забезпечення Гексагонів, що будуть такими складами, мінімальні: лише електроенергія, і то досить скромна: на освітлення та такелажні роботи.
Герметичні склади-танкери
Одна з найперших ролей, яку опанують космічні споруди, природно стане обслуговування пальним всього довколишнього трафіку. А отже, потрібні будуть значного обсягу ємності для накопичення та зберігання як сировини для вироблення пального, так і готових компонентів.
Дальнє від нас денце споруди застелене фотоелектричними батареями для енергозабезпечення технологічних процесів і підтримання температурного режиму в місткостях. Особливо, якщо готові компоненти зберігатимуться в рідкому стані. На ближчому до нас денці споруди, в його центрі, може бути розташована «бензоколонка», до якої стикуватимуться кораблі для дозаправки. Там же, в центральному Гексагоні можуть розміститися електролізні установки і реактори синтезу (якщо ми про метан). Можливо, приміщення для тимчасового проживання персоналу вахти.
Цілком очевидно, що танкерні Гексагони повинні бути оснащені для надійного утримання газів та рідин. Причому, можливо кріогенних рідин. А отже мусять мати додаткову теплоізоляцію. Крім того, знадобиться розгалужена трубопровідна мережа, аби дебет ПММ відбувався без значного порушення динамічної рівноваги всієї споруди, особливо, якщо вона буде закручена для створення в танках мікрогравітації.
Герметичні склади General Store
Ті приміщення, куди люди постійно зазиратимуть без скафандрів. За болтиком М12 чи за баночкою пива. Вимоги до забезпечення таких модулів майже такі, як для житлових приміщень. Хіба що енергії потребуватимуть менше, вода взагалі під питанням, але повітря має бути.
Житлові приміщення
Гексагони для «апартаментів», безумовно, будуть найбільш оснащеними. Окрім супернадійного біологічного захисту та повного спектру інженерних комунікацій, знадобиться і раціональне зонування/планування доступних об’ємів житлових Гексагонів. Не зупинятимуся детально на цій важливій, але несуттєвій, в розрізі предмету обговорення, темі. Зауважу лише, що кубатура кращого за звичайне земного помешкання на 100 м2 становить близько 300м3. Тобто, в одному Гексагоні з комфортом можуть проживати дві-три родини. Або 5…20 людей, якщо ми про гуртожиток/казарму.
Безпека і форс-мажори
Про локалізацію загрози штибу раптової декомпресії одного чи декількох Гексагонів уже згадано вище.
В разі загрози руйнування споруди від непереборних сил (наприклад, метеороїду, або вантажного корабля, що втратив керування і йде курсом на зіткнення), цілісний комплекс споруди може бути швидко роз’єднаний на окремі Гексагони і кожен з них перетвориться на рятувальну шлюпку з хоч і малою, але реальною можливістю маневрування.
Захист від радіаційних загроз космічного простору забезпечується добре відомими способами: розміщенням між помешканнями та Сонцем запасів води, важкого технологічного обладнання, негерметичних складів і ємностей-танкерів.
Підсумки
- Суцільна «контейнерізація» космічних перевезень неминуча, як вона стала незамінною в товарних потоках на поверхні Землі.
- Через сильну асиметрію логістичних потоків між поверхнею Землі та Космосом, використання транспортних контейнерів в якості «цеглинок» для створення космічних споруд, виглядає дуже доброю ідеєю
- Правильні шестигранні призми уніфікованого розміру дозволятимуть складати суцільні масиви космічних споруд, при цьому їхня форма максимально наближена до можливостей ракетоносіїв і умов виводу за межі атмосфери