Представьте себе, что космический аппарат разгоняется до бешеной скорости по магнитной трассе, прежде чем оторваться от земли. Это не выдумка из фантастического фильма, а реальная технология, над которой работают инженеры — электромагнитная катапульта для запуска объектов в космос. Уже в 2028 году частная китайская компания Galactic Energy планирует испытать первую в мире стартовую площадку с электромагнитным разгоном ракет. Идея использовать магниты вместо химических двигателей для преодоления гравитации известна давно (так называемый концепт mass driver, или масс-драйвер), но только сейчас развитие технологий магнитной подвески и сверхпроводников приблизило ее к реальности.
Масс-драйвер: от фантастики до инженерных проектов
Мас-драйвер (массовый ускоритель) — это общее название систем, которые разгоняют объекты с помощью электромагнетизма. Концепцию масс-драйвера популяризировал еще в 1970-х физик Джерард О’Нилл как способ запускать грузы с Луны в космос без ракет. Представьте себе длинную электромагнитную пушку на лунной базе, которая «выстреливает» контейнеры с полезными ископаемыми прямо на орбиту Луны — фантастично, но физически осуществимо благодаря низкой лунной гравитации и отсутствию атмосферы. Масс-драйвер фактически является вариацией катушечного ускорителя (coilgun): ряд катушек последовательно создает магнитное поле, которое разгоняет капсулу с ферромагнитным или сверхпроводящим сердечником. Достигнув конца направляющей, капсула вылетает в космос, а разгонный модуль (магнитная «гильза») возвращается обратно для повторного использования. Никакого сгорания топлива — только электричество и магниты.
Идея масс-драйвера неоднократно появлялась в научно-фантастических произведениях и инженерных исследованиях. Кроме лунного применения, предлагались проекты и для Земли. Агентство NASA рассматривало концепт MagLifter — относительно короткого магнитного трека, способного разогнать тяжелую ракету-носитель до ~300 м/с перед запуском. Хотя MagLifter так и не был реализован, расчеты показали, что даже такой прирост скорости мог бы уменьшить массу первой ступени на 20% и существенно сэкономить топливо.
Следующий вариант исполнения — это проект StarTram, пожалуй, один из самых детально проработанных масс-драйверов для Земли. Его авторы (доктор Джеймс Пауэлл, изобретатель сверхпроводящего маглева, и инж. Джордж Майс) предложили строительство гигантского маглев-трека длиной 1300–1600 км, который постепенно поднимается и выходит на высоту ~20 км. Внутри — разреженный воздух или вакуум, чтобы избежать аэродинамического сопротивления. По этому тоннелю на магнитной подушке должна разгоняться капсула со скоростью ~8 км/с (почти орбитальная скорость). На выходе из трассы аппарат уже будет иметь достаточную кинетическую энергию, чтобы выйти на орбиту, включив лишь небольшие корректирующие двигатели. Расчеты StarTram показали фантастический результат: стоимость вывода 1 кг груза могла бы упасть до ~$50, то есть в 100–200 раз меньше, чем сегодня. К сожалению (а возможно, к счастью, учитывая риски), этот мегапроект пока не получил финансирования. Главные преграды — колоссальные затраты, инженерные трудности содержания длиннющий конструкции и вопросы безопасности (к примеру, авария на такой установке могла бы иметь очень серьезные последствия).
Сегодня концепция масс-драйвера эволюционирует в сторону гибридных решений. Никто не предлагает сразу разгонять людей до орбитальной скорости в трубе — это и технологически трудно, и для человека опасно из-за перегрузок. Зато разгон до умеренных скоростей, чтобы помочь ракете на старте, кажется вполне реальным. Это своеобразный компромисс: электромагнитная катапульта дополняет, а не полностью заменяет ракету. Ракета меньше, расходует меньше топлива и работает в более комфортных условиях — значит, дешевле и долговечнее.
Принцип действия: разгон без трения с помощью магнитов
Как это работает? Электромагнитная катапульта сочетает принципы магнитной левитации (maglev) и линейного электродвигателя. Объект (ракета или капсула) удерживается над трассой без прикосновения — на магнитной подвеске — благодаря сильным магнитам. Это устраняет трение колес о рельсы, которое ограничивает скорость обычного поезда. Для левитации и движения используются сверхмощные электромагниты на аппарате и вдоль желоба запуска: они притягивают или отталкивают друг друга, удерживая аппарат в воздухе и одновременно толкая его вперед по направляющей. Фактически это гигантский линейный мотор, где катушки-электромагниты расположены линейно вдоль трассы и включаются последовательно. Быстрое переключение полярности катушек создает движущееся магнитное поле, разгоняющее магнитную платформу с ракетой все быстрее и быстрее. После разгона до нужной скорости платформа отпускает ракету, и та вылетает из направляющей по инерции, далее включая собственный двигатель для подъема в космос.
Транспортное средство движется по центру направляющей. Даже когда он наклоняется ближе к одной стороне, магнитная сила, действующая между сверхпроводящими магнитами, левитацией и направляющими катушки, постоянно удерживает объект в центре направляющей. Магнитная сила не позволяет сверхпроводящему маглеву врезаться в стенки направляющих и способствует стабильной работе. N и S символизируют полюса сверхпроводящих магнитов.
Безвоздушный туннель. Поскольку конечная скорость запуска может быть очень большой, инженеры должны учесть сопротивление воздуха и ударные волны. При полете со скоростью, превышающей скорость звука, атмосфера создает мощное сопротивление и тепловую нагрузку. Один из подходов — строить ускоритель в разряженном туннеле (вакуумной трубе). Упомянутый выше проект StarTram предлагал поместить магнитную трассу в вакуумный туннель, чтобы избежать звукового удара при гиперзвуковой скорости ~8 км/с. Для более умеренных скоростей (например, Mach 1-2, ~340–680 м/с), которые планируют достичь в китайском проекте, может хватить и открытой трассы: ракета разгоняется горизонтально до сверхзвука, а затем резко поднимается. Таким образом большую часть густой атмосферы она уже прошла по горизонтали с меньшим лобовым сопротивлением.
Никаких взрывов на старте. В отличие от традиционного запуска, где уже на стартовом столе ревет и пылает ракета, электромагнитный разгон не требует мгновенного выброса энергии из-за сгорания топлива. Ракета может включить двигатели только когда достигнет определенной высоты и скорости. Это означает значительно тише и чище старт: электромагнитная система не создает громкого взрывного шума и не производит газов, пока ракета не запустит свой двигатель уже после разгона. Меньшая акустическая нагрузка и отсутствие факела пламени на начальном этапе также уменьшают износ стартовой площадки и самого аппарата.
Маглев vs ракета: экономика запусков
Ракета на рельсах против ракеты на топливе. Традиционная химическая ракета весь необходимый импульс набирает за счет собственного топлива. Она вынуждена нести сотни тонн горючего и окислителя, чтобы преодолеть земное притяжение, и большую часть этого топлива сжигает в первые же минуты полета. Например, стоимость вывода 1 кг груза на низкую орбиту усилиями классических ракет долгое время составляла около $10 000 (хотя благодаря SpaceX цена начала снижаться). Электромагнитная катапульта может радикально изменить эту экономику. Разгоняя ракету за счет электроэнергии из наземной сети, система берет на себя самый тяжелый участок работы — разгон до сверхзвуковой скорости у поверхности Земли.
Преимущества такого подхода
Экономия топлива: ракета после «выстрела» из магнитной пушки продолжает полет уже с начальной скоростью, и ей требуется меньше топлива для достижения орбиты. Значительную часть топлива, которую обычно тратили на старт и преодоление густых нижних слоев атмосферы, можно исключить или уменьшить.
Более низкая стоимость запуска: электричество стоит дешевле, чем тонны ракетного топлива. По оценкам инженеров StarTram, энергетическая себестоимость разгона 1 кг груза до орбитальной скорости — всего около $0,5 (менее $1)! Конечно, это без учета амортизации установки, но потенциал экономии огромный. Даже с учетом инфраструктуры, прогнозируемая стоимость доставки груза масс-драйвером может составить десятки долларов за кг, против тысяч долларов в случае ракеты.
Многоразовость и частые пуски: сама электромагнитная трасса является стационарной и многоразовой. Ее не надо строить заново каждый раз — достаточно зарядить систему и подготовить следующую ракету. Это обещает более высокую пропускную способность: можно выполнять запуски чуть ли не каждый день (теоретически — даже несколько в день), что очень привлекательно для коммерческих спутниковых группировок. Для сравнения, классические ракеты требуют как минимум нескольких суток на подготовку, а то и недель, не говоря о времени на производство одноразовых ступеней.
Меньше износ и обслуживание: двигатели ракеты после магнитного разгона испытывают меньшие нагрузки, ведь им не надо работать на полную тягу с нуля. Это продлевает ресурс двигателей и снижает требования к прочности конструкции аппарата. Кроме того, отсутствие взрывных нагрузок на пусковую установку означает меньше затрат на ее ремонт и обслуживание после каждого старта.
Цена инфраструктуры. Электромагнитный космопорт — это огромный научно-технический объект, который требует значительных начальных инвестиций. Чтобы разогнать космический поезд до орбитальной скорости, может понадобиться путь длиной в сотни километров, оснащенный тысячами катушек и мощной энергосистемой. Проект StarTram (который предусматривал полностью безракетный запуск) оценил стоимость строительства грузовой магlev-системы примерно в $20 млрд, а пассажирской — до $60 млрд. Это огромные средства, соизмеримые с многолетними космическими программами. Однако разработчики подчеркивают: после построения такая система сможет запустить миллионы килограммов груза, и средняя стоимость на один запуск станет чрезвычайно низкой. Иными словами, электромагнитная катапульта имеет высокий порог вхождения, но в перспективе может «отбить» затраты массовостью запусков.
Сверхпроводники: ток без сопротивления
Ключевым технологическим элементом магнитной катапульты являются сверхпроводники — материалы, которые при низких температурах проводят ток без сопротивления. Именно сверхпроводники позволяют создавать мощные магнитные поля без огромных тепловых потерь, неизбежных в обычных электромагнитах. Рассмотрим два типа сверхпроводников и их роль в подобных системах.
Низкотемпературные сверхпроводники (НТН)
Это классические сплавы типа ниобий-титана (Nb-Ti), которые работают при температуре около 4 K. В японских скоростных поездах Maglev магниты из Nb-Ti, охлажденные жидким гелием, создают поле ~5 Тл* и позволяют двигаться со скоростью 600 км/ч. Для прокладки одной линии (Токио — Нагоя) длиной примерно 286 км потребовалось 850 тонн такого провода. Концепция StarTram предполагала тоннель длиной 1300–1600 км. Поэтому, по сравнению с такими планами, 286 км — это, скорее, «компактный» отрезок. Главное преимущество НТН — проверенность и надежность (их используют в МРТ-сканерах и ускорителях частиц). Недостаток — потребность в экстремально низких температурах и дорогом гелии, что делает эксплуатацию громоздкой и затратной.
Высокотемпературные сверхпроводники (ВТН)
Это преимущественно керамические материалы, которые сверхпроводящие уже при ~77 K (температура жидкого азота), что существенно упрощает охлаждение. Китай экспериментирует с ВТН-маглев: прототип поезда в 2021 году развил 620 км/ч. ВТН могут удерживать магнитное поле внутри (flux pinning), благодаря чему магнит и сверхпроводник «цепляются» друг за друга и могут буквально левитировать без сложной электроники. Недостатком является хрупкость и сложность изготовления длинных проводов, а также пока высокая цена. Впрочем, уже в 2021 году создали ВТН-магнит с полем 20 Тл и подтвердили его свойства в марте 2024-го, что свидетельствует о большом потенциале этих материалов. Вероятно, именно ВТН станут основой для будущих магнитных космодромов благодаря простому охлаждению и способности длительное время удерживать мощные токи без значительных потерь.
*Тл (тесла) — это единица измерения магнитной индукции (или магнитного поля) в системе СИ. Формально, 1 тесла — это такое магнитное поле, в котором на проводник длиной 1 метр с силой тока 1 ампер действует сила в 1 ньютон.
Galactic Energy и пусковая площадка 2028 года
Итак, вернемся к компании Galactic Energy и ее амбициозному плану. Китай видит в магнитных запусках шанс сделать скачок в космической отрасли, получив преимущество над конкурентами. Проект, который ведет Galactic Energy, предполагает создание электромагнитного стартового комплекса, способного разгонять ракеты-носители перед запуском. По данным публикаций в South China Morning Post и Interesting Engineering, маглев-платформа будет разгонять ракету горизонтально до скорости более Mach 1 (выше скорости звука). Достигнув сверхзвука, ракета перейдет в крутой набор высоты и включит собственные двигатели, чтобы продолжить полет в космос. Таким образом, самые тяжелые секунды старта — преодоление инерции покоя и звукового барьера — ракета будет проходить за счет внешней электромагнитной силы, а не сжигания тонн топлива. Ожидается, что это уменьшит расход топлива и нагрузку на двигатели и конструкцию на 20–40% (точные цифры пока неизвестны, но топливная экономия прямо вытекает из физики процесса).
Экономическая целесообразность такого комплекса китайскими специалистами оценивается очень высоко. Во-первых, снижение расхода топлива и возможность использовать меньшую ракету означает более дешевый каждый отдельный запуск. Во-вторых, сама платформа со временем может обеспечить высокую частоту стартов — быстрее, чем это делает сейчас, к примеру, SpaceX со своими многоразовыми ракетами). Не случайно в китайских медиа этот проект подают как потенциальный ответ SpaceX: пока Илон Маск делает ставку на многоразовые ступени, КНР инвестирует в наземную многоразовую систему разгона. Оба подхода направлены на одно — удешевление и ускорение доступа в космос, но подходят к проблеме с разных сторон. Эксперты отмечают, что если магнитный запуск действительно удастся реализовать на практике, это может вызвать новую революцию в космической сфере — ведь появится альтернативный путь доставки грузов и, возможно, людей на орбиту.
К концу 2024 года строительство испытательного комплекса Galactic Energy находится на завершающей стадии. В команду вовлечены инженеры с опытом работы в космических агентствах, специалисты магмаг-технологий, электротехники и материаловедения. Первые тестовые запуски запланированы на 2028 год. Можно предположить, что вначале будут производиться суборбитальные испытания: разгон макета ракеты или капсулы до высокой скорости и ее запуск на некоторую дальность без выхода на орбиту. Это нужно для отработки систем управления, решения инженерных нюансов стыковки работы магнитной трассы и ракетного двигателя.
Несмотря на оптимистические прогнозы, инженерам Galactic Energy предстоит решить ряд сложных задач. Одна из них — обеспечить синхронизацию работы магнитов с возрастающей скоростью ракеты с ювелирной точностью; любой сбой может привести к потере контроля над аппаратом. Вторая — выдержать колоссальные перегрузки: во время электромагнитного разгона ракете придется выдерживать примерно 6–8 g и аэродинамическое давление при выходе из направляющей на сверхзвук. Эта перегрузка сопоставима с предельными перегрузками, переживающими пилоты «Формулы-1». Хотя для беспилотных аппаратов допускают и более высокие перегрузки (до 10 g). Также нужны мощные источники энергии: одноразовый запуск потребует импульса электроэнергии в пределах гигаджоулей (эквивалент взрыва нескольких сот килограммов взрывчатки, только контролируемого и электрического). Это означает наличие на месте или очень мощной электросети или накопителей энергии (суперконденсаторов, СМЭС — сверхпроводящих накопителей) для питания катапульты. Наконец, безопасность: трасса разгона, вероятно, будет расположена в отдаленной пустынной местности, чтобы в случае аварии обломки не нанесли ущерба населению.
Если испытания пройдут успешно, то электромагнитная катапульта может стать частью новой инфраструктуры космических запусков. Сначала — как вспомогательное средство для выведения небольших спутников или разгона верхних ступеней. С развитием технологий возможно как основа для полностью безракетных запусков грузов на орбиту. Представьте себе космодром будущего: с конвейера сходят малые спутники, их устанавливают в капсулы и несколько раз в день! — магнитная пушка отправляет ее в небо, где те уже самостоятельно корректируют орбиту. Это видение еще нуждается в работе и времени, но оно полностью соответствует направлению, в котором движется наука.
Электромагнитная катапульта на магнитной подвеске — пример того, как сочетание различных ведущих технологий (магнитная левитация, сверхпроводники, мощная электроника) открывает новые горизонты. Когда-то люди и не подозревали, что поезда смогут летать над рельсами на магнитном поле — сегодня маглев-поезда — реальность. Так почему бы ракетам не прокатиться на магнитном рельсе к звездам? В ближайшие годы мы увидим, оправдает ли себя эта смелая идея. Если да — космические путешествия станут еще ближе, чаще и дешевле для человечества. А магниты, возможно, войдут в историю как помогшие нам преодолеть последний барьер на пути из Земли в космос.
