• Вернуться и еще раз вернуться
• Стыковка с мусором, ремонт на орбите
• Корабль под солнечным парусом
• Защита от излучения
• Что могут космические принтеры

Вернуться и еще раз вернуться

Первый ключевой элемент любой космической миссии – двигатель. Один их тип предназначен для вывода аппарата на орбиту, другой – для работы в безвоздушной среде. Разница – в гравитации. Стартуя с поверхности Земли, Луны или другого небесного тела, нужно преодолеть гораздо большее притяжение, чем в открытом космосе. На орбите другая сложность: двигатель потребляет топливо, которое «летает» по камере, что заметно осложняет его забор (к разработкам в этой сфере мы вернемся позже).

Развитие земных ракетных двигателей идет долгим эволюционным путем. За последние десятилетия главная инновация – электронные системы управления, способные эффективно (и, главное, быстро) в автоматическом режиме включать и отключать зажигание, к тому же многократно и независимо друг от друга. Например, запускать только три из 33 двигателей на одном носителе. Это один из ключевых компонентов, обеспечивших появление возвращаемых ракет, таких как Falcon 9 от SpaceX.

Быстрее, выше, дальше: три направления конкуренции между космическими державами

Китайская компания Galactic Energy недавно представила новый подход к запуску ракет – электромагнитную катапульту. Теоретически такие системы просчитывались и раньше, но на практике это может стать первой ласточкой. С помощью сверхпроводников катапульта создает магнитное поле, в котором ракета либо корабль предварительно разгоняется до сверхзвуковой скорости и только потом включает двигатели. Это должно существенно уменьшить расход топлива и повысить эффективность систем запуска в целом. Первый такой пуск китайцы обещают в 2028-м.

Также сейчас стоит задача сделать возвращаемым не только носитель (ускоритель), но и сам корабль. Такие проекты уже были, мы помним печальную историю челноков «Буран» и Space Shuttle. Та же SpaceX работает над Starship – монументальным носителем, вторая ступень которого представляет собой и ракету, и непосредственно корабль, то есть место, где должны находиться люди (как правило, корабль – отделяемая капсула с маневровыми двигателями малой мощности).

Слабое место таких систем – защита от высокой температуры при входе в атмосферу. Корабли типа «Союз», Starliner или Crew Dragon защищать сравнительно легко: они небольшие, у них почти нет компонентов, которые должны срабатывать после входа в атмосферу, только тормозные парашюты. У Starship все сложнее: он должен не просто упасть, но, войдя в атмосферу, включить двигатели и начать маневрировать. Уже в первых испытаниях это успешно удавалось.

Для защиты от высоких температур используются специальные композитные материалы, преимущественно керамические. SpaceX экспериментирует с их доработкой и необходимым количеством: специально убирает ряд плиток, чтобы тестировать предельные возможности защиты.

Ведутся и новые исследования. Например, Radian Aerospace в марте объявил о создании Dur-E-Therm – многослойного материала, способного выдерживать многократные входы в атмосферу. По мнению компании, это откроет возможности для одноступенчатых полетов на орбиту, иными словами, вернет концепцию шаттлов к жизни.

Мгновенное решение ИИ

Применение алгоритмов искусственного интеллекта и машинного обучения – обязательное сегодня условие в космической индустрии. Инженеры SpaceX активно используют ИИ для усовершенствования своих ракет. Стартап Miles Space, разработавший новый эффективный тип ионного двигателя для спутников, сделал это с помощью ИИ-алгоритмов. Ну а современные лунные миссии прибегают к помощи компьютерного зрения для выбора наиболее подходящей площадки при посадке.

ИИ-алгоритмы станут критически важным элементом будущих космических миссий. Чем дальше аппарат от командного центра, тем выше задержка передачи сигнала. В случае форс-мажора ИИ на борту сможет принять мгновенное не алгоритмизированное решение, что позволит не только выполнить конкретную задачу, но и, возможно, реализовать проект полностью. Например, китайские инженеры недавно сконструировали нового робота для добычи полезных ископаемых на других планетах. Вполне вероятно, что работать он, как и многие другие аналоги, будет в автоматизированном режиме.

Стыковка с мусором, ремонт на орбите

Чем дальше от Земли, тем больше проблем, требующих решения. Например, каждая стыковка с Международной космической станцией (МКС) – отдельная комплексная задача, с которой умеют справляться только «Роскосмос», Китай (для своей станции) и американский SpaceX. Ну, еще Boeing, но полет их Starliner в прошлом году едва ли можно считать показательным: почти всё там пошло не по плану.

Но что делать, если нужно состыковаться с другим объектом – небольшим и, самое главное, «мертвым»? Уже сейчас на орбите летает несколько тысяч нерабочих спутников, частей ракет-носителей и иного мусора, который не удалось сжечь в атмосфере Земли. В течение 10 лет количество таких объектов может вырасти кратно за счет тех же низкоорбитальных спутников, которых уже много тысяч. Но человечество до сих пор не умеет эффективно справляться с космическим мусором.

Этим вопросом занимается целый ряд стартапов. Самым ярким примером можно назвать японскую компанию Astroscale. В 2024-м она провела детальное изучение одного из орбитальных обломков в непосредственной близости – 15 метров. Аппарат ADRAS-J анализировал траекторию отработанной ступени ракеты-носителя и подстраивался под нее, чтобы инженеры поняли, как они смогут взаимодействовать с таким неконтролируемым объектом.

В этом году британское подразделение компании договорилось с Airbus об установке на их спутники стандартизированной системы стыковки, сочетающей оптическую маркировку (схожую с QR-кодом) для определения вращения, физический и магнитный захваты. Если все производители спутников примут такой стандарт, ожидается, что сводить аппараты с орбиты можно будет в 3–7 раз дешевле, чем это представляется сейчас.

На самом деле доработанная система стыковки решила бы множество проблем, в том числе ключевые – дозаправку и ремонт. История, конечно, знает примеры починки телескопа «Хаббл» на орбите, но это исключительные случаи. Многие спутники можно было бы реанимировать, будь у космических агентств реальная возможность пристыковать к ним если не аппараты с людьми, то хотя бы роботов-манипуляторов с дистанционным управлением. Кстати, SpaceX уже разрабатывает систему стыковки двух Starship на орбите: один везет топливо для второго, который должен отправиться в дальний полет, например, на Марс.

Корабль под солнечным парусом

Вернемся к разговору о двигателях, ведь с космическими аппаратами для полетов за пределы земной орбиты ситуация гораздо интереснее. Главная задача, которую пытаются решить инженеры, – энергоэффективность. У корабля в космосе не так много (прямо сказать, вообще нет) источников энергии – только топливо, которое он везет с собой. Чем дальше полет, тем больше нужно горючего и тем меньше иная полезная нагрузка. Причем требуется оно и для разгона, и еще примерно столько же – для торможения.

Битвы звездных прагматиков: чем отличается космическая гонка XXI века от соперничества 1960-х

Ученые много лет ищут, как бы отказаться от традиционного топлива в пользу более эффективного. Перспективные разработки на сегодняшний день – плазменные и ионные двигатели. Не вдаваясь в технические подробности, объясним упрощенно: как правило, их основной принцип – переработка водорода с помощью электричества и магнитных полей в энергию движения. Водород добывать проще всего – это самый распространенный элемент во Вселенной.

Американский стартап Miles Space, к примеру, сконструировал миниатюрный и энергоэффективный ионный двигатель, работающий на воде. Пока он предназначен для орбитальных спутников, но его можно масштабировать и для межпланетных перелетов.

Разработки более привычных форматов двигателей ведутся и в России. В феврале ученые из Троицкого института «Росатома» представили плазменный ускоритель, в качестве топлива использующий также водород. По словам инженеров, благодаря ему полет до Марса сократится до одного-двух месяцев. Первый полет, как ожидается, состоится в 2030-х. А ученые из Перми в начале года сообщили о создании новой математической модели, которая поможет усовершенствовать ионные двигатели для будущих космических полетов.

Нельзя не отметить и другой тип двигателей, не дающий покоя ученым еще с середины ХХ века, – солнечный парус. Идея проста: аппарат выводят на орбиту традиционным путем, затем он разворачивает сверхтонкий отражающий материал диаметром несколько метров, и в него «стреляют» из лазера на Земле. Фотоны бьют в парус и толкают его вместе с зондом или кораблем в космос. Затраты энергии в космосе нулевые.

В отдалении от Земли ускорение будет придавать уже солнечный ветер – в космическом пространстве достаточно много фотонов. Идея пока не нашла практической реализации, но инженеры не теряют надежды: голландские ученые недавно представили новый материал, который должен быть максимально эффективным и надежным для таких задач.

Новые способы космосвязи

Обеспечение связи многочисленных космических аппаратов с Землей и между собой – еще один важный элемент будущей внеземной инфраструктуры.

NASA разрабатывает проект «Сеть ближнего космоса» – Near Space Network (NSN), предполагающий создание постоянной системы связи на околоземной орбите, на Луне и в диаметре 2 млн км от Земли (это недалеко: минимальное расстояние до Марса – около 56 млн км). Раньше агентство решало задачу самостоятельно, но в конце 2024 года привлекло четыре частные компании, от которых вполне можно ждать инновационных решений.

Новые способы связи исследуют и многие стартапы. Американский Spire Global, например, смог наладить оптическую (лазерную) связь между двумя кубсатами (CubeSat – сверхмалый искусственный спутник) на расстоянии 5 тыс. км. Такой тип связи становится все популярнее: он намного более защищен, чем радиосвязь, и работает точнее.

Защита от излучения

Вторая главная задача в дальнем космосе – защита от радиации. Точнее, так: если отправлять туда человека, то это должна быть комплексная система жизнеобеспечения. Эти разработки тоже активно ведутся многими аэрокосмическими компаниями. Они лягут в основу новых орбитальных станций и кораблей. Но радиационный фон в космических миссиях – отдельная проблема.

Есть два подхода к ее решению. Первый – технический: построить защитный экран. Обшить корабль свинцовыми пластинами, конечно, можно, но тяжело и дорого: поди вывези дополнительно тонны свинца на орбиту и дальше в космос. Впрочем, любопытную альтернативу недавно продемонстрировали бельгийские ученые: специальный гидрогель, который можно «влить» в обшивку корабля или скафандра, и он будет практически полностью поглощать излучение.

Второй подход – биологический. Ученые давно изучают тихоходок – микроскопических беспозвоночных, которые могут выживать в открытом космосе и в том числе защищаться от радиации. Биологам из Гарвардской медицинской школы и Массачусетского технологического института удалось извлечь из них белок, отвечающий за эти функции, и вживить его в организм лабораторных мышей. Оказалось, он может успешно прижиться и существенно снизить негативные эффекты от излучения.

Что могут космические принтеры

Судя по последним годам, человечество всерьез вернулось к идее расширения ареала обитания. В XX веке не получилось: были планы по строительству лунных и иных баз, но ни один так и не воплотился в жизнь. Теперь ставка на XXI век. США хотят освоить Луну (от программы «Артемида» пока не отказались) и – в лице главного бенефициара Илона Маска – Марс. КНР пока целится только в Луну, хотя часто об амбициозных планах китайского космического агентства мы узнаем уже ближе к реализации. Россия тоже собирается участвовать.

И на Марсе будет гаолян цвести: перспективы космической программы КНР

О планах на развертывание в 2030-х лунных станций известно уже довольно давно, повторяться не будем. Но вот кое-что новенькое: в марте китайские ученые предложили идею (а их теории стали часто воплощаться в конкретные проекты) организовать установку радиотелескопа на дальней стороне Луны. Это чисто научный проект, который демонстрирует амбиции страны, в конце концов, именно она первой успешно прилунила свои аппараты на невидимой с Земли стороне спутника. И ее миссии на Луну сейчас самые частые и системные по сравнению с другими государствами.

Для будущих космических колоний (и миссий в целом) потребуется наладить местное производство в промышленных масштабах: нужны будут детали для оборудования, компоненты для систем, которые слишком сложно возить с Земли, наконец, банальные стены для внеземных строений. Во всех этих процессах инженеры по-прежнему рассчитывают на аддитивные технологии, или, проще говоря, 3D-печать.

В космической индустрии на Земле ее сейчас активно осваивают. Самый известный пример – Relativity Space, которая строит ракеты с помощью аддитивных технологий. Носитель легкого класса Terran 1 производителю так и не удалось вывести на орбиту: тестовый полет в 2023 году провалился из-за отказа двигателя. Но компания привлекла дополнительные инвестиции и переключилась на Terran R – ракету тяжелого класса, в том числе для дальних полетов. А в марте Relativity Space возглавил Эрик Шмидт – один из руководителей Google в золотые годы корпорации.

Но главный вызов, конечно, 3D-печать в космосе и на поверхности других небесных тел. В середине прошлого года американская Virgin Galactic провела испытания SpaceCAL – 3D-принтера, работающего в невесомости. Тест прошел успешно: за две с лишним минуты аппарат напечатал четыре пластиковые детали с высокой точностью.

Китай тем временем изучает возможности применения аддитивных технологий для строительства лунной базы, которую страна хочет развернуть в первой половине 2030-х. Ученые из Хуачжунского университета науки и технологии (HUST) изучили образцы лунного грунта, привезенные в рамках последних китайских миссий, и освоили 3D-печать кирпичей из схожего вещества. Параллельно тестируется роботизированная система сборки объектов из них. Таким образом КНР готовится к автоматизированной постройке зданий на Луне полностью из местных ресурсов, и эта задача представляется выполнимой, причем уже в ближайшее десятилетие.