Стратосферные катапульты вместо ракет-носителей

Теоретически стратосферные катапульты могут обеспечить грузопоток до двух тысяч тонн в год при стоимости вывода ниже 150 долларов за килограмм. Они не жгут топливо и не загрязняют окружающую среду. С них может начаться промышленное освоение космоса.

Сколько грузов нужно космосу?
Космический грузопоток составляет примерно 1.5 тысячи тонн в год. Это одна стотысячная доля процента от всего мирового грузопотока, который составляет 12 млрд. тонн в год. Тем не менее, рынок космических услуг превышает 300 миллиардов долларов в год. А каждая тонна выведенного в космос груза дает мировой экономике 20 миллионов долларов в год! Это высочайший показатель.
В 21-м веке Интернет и телекоммуникационные компании стали локомотивом мирового развития. Они формируют 80% рынка космических услуг. Постиндустриальная экономика активно виртуализируется, перетекая в сетевые облака. Стремительно растут скорости передачи информации и частоты, но падает проникающая способность радиоволн. Возникает проблема скорости сетей. И это при том, что Интернетом охвачено всего 20 % населения и только 5% территории планеты. Космос, и только космос может решить эти проблемы.
В космосе, где в изобилии дешевый вакуум, невесомость и энергия - производить электронные компоненты и сверхчистые материалы значительно дешевле, чем на Земле. Там можно и нужно строить заводы и электростанции. Развитие космического производства сдерживают высокие цены на вывод грузов. Если цены упадут в сто раз – можно ожидать, что космические грузопотоки вырастут в тысячи раз. И тогда начнется бурное освоение космоса.
Идею дешевого запуска с помощью "космического лифта" предложил еще К.Э. Циолковский. Однако спустя сто лет, обуздав ядерную энергию и создав виртуальный космос - Интернет, человечество так и не смогло построить орбитальной башни.  Самое высокое здание в мире – всего лишь восьмисотметровая башня  «Бурдж Дубай» - является символом богатства и могущества нефтяных магнатов Востока. Ее изящество потрясает воображение, а стоимость превышает 20 миллиардов долларов.   В Японии планируют перекрыть этот рекорд и построить здание высотой в 4 километра. Башня станет выше горы Фуджи. Проект может обойтись в 900 миллиардов долларов. Однако в сравнении с орбитальной башней и японский монстр все равно кажется карликом.
В 1960 году советский инженер Ю.Н. Арцутанов предложил идею орбитального тросового лифта. Однако, несмотря появление сверхпрочных композитов  и  полимеров,  реализовать эту систему не удается.
Стоимость разработки современных ракетно-космических систем составляет 10-20 миллиардов долларов, а их грузопоток не превышает 4.5 тысяч тонн груза за 20 лет эксплуатации. Для сравнения средний морской сухогруз перевозит за один рейс до 60 тысяч тонн груза, а супертанкер до 300 тысяч тонн. Космической промышленности будущего потребуются транспортные средства, способные приблизиться по грузоподъемности и стоимости транспортировки к этим показателями. А значит, нужны новые идеи.

Стратосферная башня
Прототипом стратосферной башни стали «солнечные черви». Наполненные воздухом 30-ти метровые пластиковые мешки, нагреваясь солнцем, сами по себе взлетают в небо, вызывая восторг публики.
Расчеты показывают, что если создать прочную тонкостенную оболочку-понтон из углепластика и наполнить ее гелием, то при соблюдении определенных конструктивных соотношений она станет летающей. Конструкции из набора летающих понтонов позволяют создавать сооружения, высота которых не ограничена прочностными характеристиками материалов.
Размеры летающих понтонов  зависят от высоты эксплуатации. Например, если понтон сделать из углепластика толщиной 1 мм, то при длине в 500 м и диаметре в 11 м, он сможет создать подъемную силу до 25 тонн. Но только у поверхности земли. Для того, чтобы понтон такой же длины обладал такой же подъемной силой на высоте 30 км в стратосфере, он должен иметь диаметр 150 метров и заполнять его нужно водородом. В стратосфере кислород очень разрежен, поэтому использование водорода должно быть достаточно безопасно.  Предполагается, что башня будет полностью роботизирована.
Чтобы создать стратосферную башню высотой 30 км потребуется всего шестьдесят пятисотметровых понтонов  увеличивающегося диаметра, поставленных друг на друга. Получается необычная коническая "башня-наоборот", поставленная тонким концом на землю. 
Высота стратосферной башни близка к высоте отделения первых ступеней ракет-носителей (30-45 км).  Фактически башня  частично выполняет их функцию.
Башня из летающих понтонов принципиально не может упасть, а поэтому будет безопасной для эксплуатации. На вершину  башни  грузы можно поднимать с помощью лифтов. Для снижения газопотерь, внутренние стенки понтонов можно покрыть тонкой металлической пленкой, которая одновременно будет служить электрокабелем. Направляющие  для лифтов должны быть расположены на башне диаметрально противоположно, так чтобы оба синхронно перемещающихся лифта компенсировали нагрузки, действующие на понтоны при их движении.
Конечно, из углепластика ничего похожего еще не создавалось. Но разработка технологии оболочек требуемых размеров реалистична.

Центробежная катапульта
В стратосфере воздух сильно разрежен. Горение и дыхание здесь невозможны. Зато  идеальны условия для разгона космических аппаратов. Сопротивление воздуха в 60-70 раз меньше, чем на земле, а значит до субкосмических скоростей можно разогнаться с помощью простой центробежной катапульты, которая выполняет функции второй ступени ракет-носителей.
Конечно, все не так просто. Чтобы компенсировать центробежную силу, катапульта должна разгонять одновременно две капсулы с грузом равной массы, а для компенсации реактивного вращающего момента, она должна иметь  компенсирующий маховик .
Теоретически катапульта радиусом 50 м, раскрутившись до 20 об/с, могла бы разогнать капсулы с грузом до скорости 6,3 км/с. Этого было бы достаточно, чтобы забросить их на высоту 2000 км. Но такие скорости вращения создадут слишком большие центробежные перегрузки.
При скорости вращения в 5 об/с линейная скорость капсул  составит 1,57 км/с. Этого достаточно, чтобы забросить их на высоту 120 км. Начальную скорость капсулы  получат в горизонтальном направлении, поэтому потребуется коррекция их траектории.  Для этого капсулы  должны содержать реактивные двигатели, которые потребуются им также для окончательного разгона и выхода на орбиту. Так что без реактивной техники пока еще не обойтись.
Разгон до субкосмических скоростей даже в стратосфере потребует большой мощности.  Для достижения орбит в 120-300 км нужны двигатели мощностью от 6-ти до 20-ти мегаватт.  Самые современные технологии позволяют создавать электродвигатели с отношением крутящего момента на килограмм веса двигателя равным 30-40 Нм/кг. Электродвигатель мощностью 9 Мвт, сделанный по такой технологии, будет весить примерно 6-7 тонн. С его помощью можно достигать скоростей разгона порядка 1,8 км/с и забрасывать груз на высоты до 180 км. Центробежная перегрузка для 50-ти метровой  катапульты будет достигать 130g - 180g. Это, конечно, не пригодно для вывода пилотируемых объектов, однако приемлемо для доставки топлива и  материалов.

Системы стратосферной башни
Для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование башни  при действии ветров и осадков, она должна содержать  ряд вспомогательных систем.  Система диагностики целостности оболочки должна содержать распределенные чувствительные элементы (электронную кожу), которые могли бы реагировать на возникновение дефектов. Система регулирования плавучести, может работать, например,  за счет регулирования давления газа внутри понтонов. Система циркуляции газа  должна содержать каналы для перетока газа из одного понтона в другой  для компенсации газопотерь. Система антиобледенения может функционировать за счет электричества, проходящего через тонкую металлическую пленку - пленочный кабель. Система стабилизации положения  понтона  в пространстве потребуется для сохранения формы башни. Для придания башне нужного положения на больших высотах, где дуют постоянные ветры, потребуется использовать GPS-навигаторы и вентиляторы. Питание электродвигателей вентиляторов можно будет осуществлять с земли, передавая электроэнергию по пленочному кабелю.

Дивиденды за риск
Стоимость стратосферной башни из углепластика высотой 30 км составит примерно 1.1 млрд. долларов. Стоимость газов, наполняющих башню, составит 140 млн. долларов. А стоимость всего проекта не превысит 2.7 млрд. долларов. Это соответствует стоимости лучших небоскребов мира.
При сроке службы комплекса не менее 10 лет, стоимость вывода грузов, при разгоне одновременно двух капсул весом по одной тонне с учетом амортизации расходов на проект, не превысит 137 долларов за килограмм, а при запусках двух капсул по две тонны не превысит 100 долл/кг.  При сроке службы системы в 20 лет стоимость вывода падает до 66-70 долларов за килограмм.  Для сравнения, самая дешевая доставка осуществляется в России ракетоносителем "Протон" и составляет 3950 долл./кг.
При среднем времени на подъем и запуск двух капсул порядка 6 часов и коэффициенте простоя катапульты в 30%, суммарный грузопоток системы может достичь 80 тысяч тонн за 20 лет эксплуатации. Для сравнения, суммарный грузопоток самых современных средств вывода не превышает 4,2 тыс. тонн за 20 лет эксплуатации.
При полной загрузке проект мог бы окупиться за 1-4 года, а при коммерческой цене запуска в 500 долларов за тонну мог бы приносить ежегодную прибыль порядка 0,7-3,8 млрд. долларов. Конечно, на требуемый грузооборот мировая космонавтика выйдет не сразу, а лет через 5-10 после выхода проекта на рынок. Но и такая перспектива весьма привлекательна для инвесторов.
Стратосферная катапульта вполне осуществима на современном уровне техники. Стратосферная башня из летающих понтонов принципиально не может упасть и будет безопасной для прилегающих районов. Поэтому катапульты можно будет строить так-же часто, как и аэропорты, а по стоимости они будут дешевле взлетно-посадочных полос.
Основной грузопоток стратосферных катапульт составит топливо для спутников, а также материалы для производства электронных и высокочистых компонентов.
Очень вероятно, что появление дешевых средств вывода на орбиту создаст новый вид суборбитальных транспортных систем, способных оперативно и дешево доставлять небольшие грузы в любую точку мира.
Представляется перспективным использование стратосферных башен для установки антенн. Но самым главным преимуществом стратосферных катапульт является их экологическая чистота, исключающая химическое и тепловое загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей ракет.

Дорожная карта
Разработка стратосферных катапульт достаточно сложная и масштабная задача.  Ее решение по силам  только международному космическому консорциуму. 
Первым этапом проекта могло бы стать создание самой высокой башни  в мире высотой в 1000 метров. На этой башне можно было бы проверить главные риски – влияние ветров и расход газа. 
Параллельно можно было бы создать опытную катапульту на стратостате, и, используя энергию от солнечных батарей, реально испытать новую технологию запуска на микроспутнике. При цене комплекса в  20 млн. долларов система должна обеспечить стоимость вывода грузов на уровне 140-150 долларов за килограмм при уровне грузопотока в 2,0 тыс. тонн за 10 лет эксплуатации. Возможно, сама эта система окажется оптимальной и найдет свою экономическую нишу. 
Следующим этапом могла бы стать башня высотой 10 километров. На ней можно  было бы проверить все технические риски и отработать окончательную конструкцию стратосферных катапульт.
Завершающим этапом мог бы стать международный проект по созданию действующей стратосферной катапульты.   

В недалеком будущем всего тысяча катапульт позволит обеспечить космический грузопоток порядка 2-х миллионов тонн в год, создавая новое рыночное пространство размером в 20-40 триллионов долларов. А это потрясающий резерв, освоение которого способно разогреть мировую экономику и надолго избавить ее от кризисных явлений.