Военная база на луне. Космические перспективы пневмоэлектрического оружия
Первые проекты создания постоянных баз на Луне были разработаны в СССР и США еще в 1960-х годах. Для реализации подобных проектов требуются огромные средства и усилия. В настоящее время не существует веских аргументов в пользу мирной лунной базы (вопросы науки и престижа таковыми не являются, с учетом колоссальных затрат, не имеющих адекватной отдачи). Доводы об экономическом значении лунной базы необоснованны, и добыча гелия - 3 пока не представляет интереса (в связи с отсутствием промышленных термоядерных реакторов).
Таким образом, основным препятствием является практическая бесполезность проектов мирного освоения Луны (т. е. построить лунную базу можно, но не нужно). В настоящее время, основным стимулом могут быть исключительно военные вопросы. Наиболее очевидной, является возможность использования Луны в качестве места базирования ядерных ракет. Однако, боевое применение ядерных ракет лунного базирования оправданно лишь в условиях глобального военного конфликта (который может и не состояться в обозримом будущем). Кроме того, существуют международные соглашения о неядерном статусе космического пространства (нарушение которых может принести стране больше вреда, чем пользы).
В этой связи мы рассмотрим концепцию лунной базы, предназначенной для размещения неядерных видов вооружения (в частности, артиллерийских систем). Использование этих систем возможно при ведении боевых действий любой интенсивности и масштаба. Преимуществом расположения таких систем на Луне является возможность воздействия на любую точку Земли в самые сжатые сроки. Для этого не придется решать сложные задачи по перемещению крупных военных сил и систем вооружений в зону конфликта (что долго и не всегда возможно).
Среднее расстояние между центрами Луны и Земли составляет ~384 тыс. км. Вторая космическая скорость для Луны составляет ~2400 м/с. На расстоянии ~38 тыс. км от центра Луны (в направлении Земли) лунная и земная силы тяготения уравновешивают друг друга. При старте с поверхности Луны достижение этой точки (с уравновешенными силами тяготения) возможно при начальной скорости ~2280 м/с. Таким образом, если лунная пушка обеспечит разгон снаряда до необходимой начальной скорости (в направлении Земли), то снаряд упадет на Землю.
Путем увеличения массы порохового заряда указанную выше начальную скорость снаряда обеспечить невозможно. Выход заключается в том, чтобы использовать для увеличения скорости снаряда микрореактивные двигатели (после вылета снаряда из ствола). Рассмотрим такую возможность на примере экспериментальной танковой пушки 50Л «Витязь» http://www.oborona.co.uk/kbao.pdf.
Эта пушка калибра 125 мм обеспечивает снаряду ствольной массой 7 кг начальную скорость 2030 м/с. При использовании в качестве однокомпонентного ракетного топлива чистой перекиси водорода (удельный импульс ~150 с), необходимая для работы микрореактивного двигателя масса топлива составит ~1,1 кг (~16% ствольной массы снаряда). В результате работы микрореактивного двигателя скорость снаряда увеличится до ~2280 м/с, и снаряд сможет преодолеть лунную силу тяготения (при размещении этой пушки на Луне).
Таким образом, для вооружения лунной базы, в принципе, могут использоваться классические артиллерийские системы на основе пороха (при условии дополнительного разгона снарядов микрореактивными двигателями). Эффективным средством доставки являются также ракеты. В нашем случае предлагается использовать пневмоэлектрические артиллерийские системы http://n-t.ru/tp/ts/oo.htm.
Для пневмоэлектрических артиллерийских систем лунного базирования в качестве метательного средства предполагается использовать сжатый под большим давлением кислород (или смесь кислорода с гелием), а в качестве источника тепловой энергии химическую реакцию между кислородом и алюминием.
Пневмоэлектрические артиллерийские системы способны обеспечить очень высокую начальную скорость снаряда. Кроме того, производство некоторых компонентов (например пневмоэлектрических метательных зарядов) может быть организовано на лунной базе с наименьшими усилиями. В лунном грунте есть все необходимые для этого элементы (в некоторых пробах содержание кислорода достигает 44%, алюминия 13%). Артиллерийские системы значительно дешевле ракет, т. е. намного легче в производстве (что упрощает задачу организации данного производства на Луне).
В пороховой и пневмоэлектрической пушке абсолютная величина максимального давления может иметь примерно одинаковые значения (т.к. ограничена прочностью ствола). В пороховой пушке после сгорания порохового заряда процесс расширения пороховых газов продолжается без теплообмена (адиабатический процесс). В пневмоэлектрической пушке (после сгорания алюминиевого горючего элемента) образуется смесь из газообразного кислорода и частиц окиси алюминия (нагретых до высокой температуры). Поэтому процесс расширения кислорода уже не будет являться адиабатическим (т.к. происходит передача тепла от частиц окиси алюминия). В результате замедленного снижения температуры кислорода его давление у дульного среза будет больше (при одинаковой с пороховыми газами степени расширения), а начальная скорость снаряда выше. Таким образом, внутренняя баллистика пневмоэлектрического оружия существенно отличается от внутренней баллистики классического огнестрельного оружия.
Необходимо особо отметить то обстоятельство, что для поражения целей на Земле необязательно использовать артиллерийские системы сверхкрупного калибра. Пневмоэлектрическая пушка может обладать следующими параметрами: длина ствола 6 м, калибр 125 мм, ствольная масса снаряда 7 кг, начальная скорость снаряда ~2400 м/с. После прохождения критической точки (с уравновешенными силами тяготения) скорость снаряда будет возрастать за счет земного притяжения и в отсутствие атмосферы могла бы достигнуть ~11000 м/с. Потери на аэродинамическое сопротивление воздуха можно оценить в ~3000 м/с (при движении по баллистической траектории, вертикальной к поверхности Земли). В результате, при падении на Землю, скорость снаряда может составить ~8000 м/с.
Снаряд может состоять из тяжелого сердечника (5 кг) и легкого неотделяемого корпуса (2 кг). Корпус снаряда обеспечивает удержание сердечника в стволе и служит своеобразным поршнем, принимая давление газа при выстреле и обеспечивая разгон всего снаряда. Корпус снаряда также обеспечивает защиту сердечника от сгорания (после того как снаряд осуществит перелет Луна – Земля и войдет в атмосферу). По мере нагревания корпус снаряда, изготовленный из теплозащитных материалов, разрушается, что приводит к уменьшению диаметра снаряда и снижению аэродинамического сопротивления атмосферного воздуха.
Снаряд хорошо обтекаемой формы образует относительно слабую ударную волну, отражающую в атмосферу ~50% тепловой энергии. Если учесть, что масса (и скорость) снаряда уменьшается с 7 кг (~11 км/с) до 5 кг (~8 км/с), общее количество выделяемой теплоты составит ~200 МДж. Таким образом, половину теплоты (~100 МДж) необходимо «блокировать» при помощи теплозащитного корпуса снаряда, в котором будут происходить процессы плавления, испарения, сублимации и химических реакций. Материалами для изготовления корпуса снаряда могут быть стеклопластики, другие пластмассы на основе органических (или кремнийорганических) связующих, углеродные композиции, пористые металлы со связанными (не герметичными) ячейками и т.д.
Для характеристики теплозащитных материалов используется понятие эффективной энтальпии (количество теплоты, которое может быть «блокировано» при разрушении единицы массы покрытия). В нашем случае масса теплозащитного покрытия (корпуса снаряда) составляет 2 кг, количество «блокируемой» теплоты ~100 МДж. Эффективная энтальпия материалов, из которых необходимо изготовить корпус снаряда, должна составлять ~50 МДж/кг (такой уровень теплозащиты может быть обеспечен при помощи существующих материалов).
При скорости ~8 км/с кинетическая энергия снаряда массой 5 кг составит ~160 МДж. Указанная энергия сопоставима с кинетической энергией снарядов главного калибра (406 мм) линкоров типа «Айова» (в момент попадания этих крупнокалиберных снарядов в цель). Бронепробиваемость снаряда главного калибра линкора типа «Айова» составляет всего ~400 мм брони. Для сравнения отметим, что бронепробиваемость высокоскоростного танкового БОПС массой 5 кг составляет ~600 мм брони. Бронепробиваемость лунного снаряда будет еще больше, т. к. его скорость (~8 км/с) уже сопоставима со скоростью кумулятивной струи (~10 км/с).
С учетом избыточной бронепробиваемости, для изготовления лунного снаряда можно использовать легкие сплавы, например алюминиевые. При необходимости могут использоваться и тяжелые металлы (вольфрам, уран и т.д.). Дополнительный эффект может быть достигнут в случае изготовления снаряда из обогащенного металлического урана (после попадания такого снаряда корабль может быть выведен из эксплуатации в результате сильного радиоактивного загрязнения продуктами взрыва).
В процессе поражения цели при кинетическом взрыве снаряд может полностью перейти в мелкодисперсное состояние или даже испариться (в предельном случае). При кинетической энергии снаряда ~160 МДж для этого понадобится всего ~53 МДж теплоты (удельная теплота испарения алюминия ~10,5 МДж/кг). Продукты кинетического взрыва могут вступать в химическую реакцию с кислородом воздуха (усиливая заброневое действие снаряда). При удельной теплоте сгорания алюминия ~31 МДж/кг мгновенное выделение тепловой энергии в результате химической реакции может достигнуть ~155 МДж (без учета тепловой энергии сгорания металлических микрочастиц разрушаемой брони и конструкций корабля). Суммарная тепловая энергия взрыва снаряда может составить ~315 МДж (что эквивалентно тепловой энергии взрыва ~75 кг тротила). Отметим, что фугасный снаряд главного калибра (406 мм) линкора типа «Айова» содержит всего ~70 кг взрывчатого вещества.
Таким образом, снаряд лунной пушки калибра 125 мм по бронепробиваемости превосходит бронебойный снаряд калибра 406 мм, а по фугасному действию сопоставим с фугасным снарядом калибра 406 мм. Это дает основания полагать, что при помощи снарядов, выпущенных из лунной пушки, можно уничтожить военный или транспортный корабль любого класса (в том числе тяжелый ударный авианосец). Артиллерийские системы лунного базирования могут использоваться в качестве противоспутникового оружия. Возможными целями являются наземные объекты инфраструктуры, военные и производственные объекты и т.д. Если для уничтожения каких-либо целей масса снаряда окажется недостаточной, то это затруднение может быть преодолено при помощи артиллерийских систем более крупного калибра.
В современных пушках калибра 125 мм масса порохового метательного заряда не превышает 10 кг. Давление определяется температурой и концентрацией молекул газа. Молекулярная масса кислорода 16 г/моль, а средняя молекулярная масса пороховых газов ~30 г/моль. Таким образом, в первом приближении количество кислорода может составить ~5 кг (для использования в качестве метательного средства).
Скорость движения расширяющихся газов примерно равна скорости снаряда. При стрельбе из современных пушек высокоскоростными бронебойными подкалиберными снарядами кинетическая энергия снаряда и кинетическая энергия пороховых газов в сумме могут превышать 70% от первоначальной энергии горения порохового заряда.
С учетом этого можно приблизительно оценить количество энергии, необходимое для разгона снаряда (и продуктов сгорания пневмоэлектрического метательного заряда) до скорости ~2400 м/с (средняя скорость молекул кислорода значительно больше средней скорости молекул пороховых газов). Это количество энергии составит ~65 МДж и может быть получено за счет сгорания ~2,1 кг алюминия (при участии ~1,9 кг кислорода). Таким образом, общая масса пневмоэлектрического метательного заряда может составить ~9 кг (из них ~2,1 кг алюминия и ~6,9 кг кислорода). При давлении сжатого кислорода ~500 атмосфер его объем составит ~10,5 литров.
Подготовка к выстрелу происходит следующим образом. Через казенную часть в кислородную камеру вставляется снаряд. Между задней частью снаряда и затвором размещается сгорающий элемент. Затвор закрывается, и после этого в кислородную камеру подается кислород из емкости высокого давления (чтобы предотвратить повышение температуры кислорода в результате его сжатия).
Кислородная камера представляет собой расширение в казенной части ствола (в виде сферы). Сфера имеет диаметр ~0,3 м. Ее объем составляет ~14,1 литра. После заряжания пушки снарядом объем кислородной камеры уменьшается до ~10,5 литров. Кислородная камера является частью ствола и имеет вход (со стороны казенной части) и выход (в направлении дульной части). Длина (диаметр) кислородной камеры меньше длины снаряда. Поэтому при подготовке к выстрелу снаряд одновременно перекрывает входное и выходное отверстия (тем самым герметизируя кислородную камеру). Таким образом, давление кислорода действует на боковые поверхности снаряда (перпендикулярно продольной оси снаряда).
Диаметр входного и выходного отверстий совпадает с диаметром снаряда. При ширине зазора между корпусом снаряда и поверхностью ствола 0,1 мм (площадь щели составит 0,4 см²). Казенная часть ствола дополнительно перекрывается затвором, поэтому основная утечка происходит в направлении дульного отверстия ствола пушки. В начале щели скорость движения потока кислорода не превышает скорость звука (~330 м/с при температуре 30°C). Таким образом, максимально возможный уровень утечки кислорода составит 190 порций гелия (~1,3 кг каждая). Если живучесть ствола будет меньше 200 выстрелов, то экономически оправданной является именно доставка гелия с Земли (с последующим использованием его в качестве одного из компонентов пневмоэлектрического метательного заряда). В отдаленном будущем возможно получение гелия-4 на Луне в качестве побочного продукта (при добыче потенциального топлива термоядерной энергетики будущего гелия-3).
При доставке гелия с Земли применение сплавов на основе благородных металлов не теряет смысл. В случае нарушения поставок с Земли запас гелия может закончиться и придется вернуться к использованию чистого кислорода (получаемого из лунного грунта). Кроме того, ни при каких условиях алюминий не успеет сгореть мгновенно, и некоторая часть кислорода будет контактировать с внутренней поверхностью ствола пушки (даже в случае применения газовой смеси кислорода с гелием). Поэтому в любом случае сохраняется необходимость использования химически малоактивных сплавов (в частности, на основе благородных металлов).
Время полета снаряда составляет несколько десятков часов (это время может меняться в очень широких пределах, в зависимости от начальной скорости снаряда). В этой связи концепция использования лунной пушки предусматривает начало стрельб еще до начала предполагаемой военной операции. Если при подлете снаряда к Земле сохраняется необходимость уничтожить какую-либо цель, снаряд наводится на эту цель. Если за время полета снаряда будет принято решение о нецелесообразности уничтожения целей, снаряд может быть наведен в точку, где он не причинит вреда. В случае начала активных боевых действий стрельба будет производиться систематически (через короткие промежутки времени), и наведение снарядов на поражаемые цели осуществляется по мере приближения снарядов к Земле.
На этапе перелета Луна-Земля наведение снарядов на цель может осуществляться при помощи микрореактивных двигателей. С учетом большого времени полета снаряда, микрореактивные двигатели системы наведения могут иметь чрезвычайно малую тягу и низкий удельный импульс. На атмосферном участке полета стабилизация снаряда может осуществляться при помощи аэродинамических поверхностей путем вращения корпуса снаряда или при помощи гироскопа внутри снаряда.
На космических аппаратах, как правило, используются микрореактивные двигатели, работающие на сжатом газе. В нашем случае использование сжатого газа приведет к возрастанию размеров снаряда, что увеличит аэродинамическое сопротивление воздуха на атмосферном участке полета. Поэтому целесообразно использовать микрореактивные двигатели, работающие либо на однокомпонентном топливе (например перекись водорода), либо на двухкомпонентном самовоспламеняющемся топливе (например диметилгидразин и азотная кислота). Включение микрореактивных двигателей осуществляется по специальному сигналу от внутренней или внешней системы управления.
Значимость цели должна оправдывать применение по ней систем вооружения лунного базирования. Кроме того, снаряд имеет малые размеры, большую скорость, при прохождении через атмосферу вокруг снаряда образуется облако плазмы и т. д. Все эти факторы осложняют создание самонаводящихся снарядов, работающих по принципу «выстрелил и забыл». Вероятно, наиболее оптимальным вариантом является внешнее управление снарядом, его наведение на цель на космическом участке траектории полета и прохождение атмосферы снарядом по баллистической траектории (по возможности, вертикальной к поверхности Земли).
Большая часть атмосферного воздуха (~65%) сосредоточена в приповерхностном слое атмосферы толщиной ~10 км. Продолжительность прохождения снарядом этого слоя составит ~1 с. Для отклонения от цели на 1 м на снаряд должна действовать в боковом направлении сила, обеспечивающая ускорение ~0,2 g. С учетом большого веса и малых размеров снаряда любые возможные передвижения масс атмосферного воздуха не в состоянии существенно изменить траекторию полета снаряда.
Согласно нашей концепции, лунные системы вооружения могут применяться против противника, который не располагает техническими возможностями раннего обнаружения и перехвата. Поэтому одним из возможных вариантов контроля над траекторией полета является размещение на снарядах радиомаяков. При помощи радиосигнала определяются координаты и скорость снаряда, и путем передачи соответствующих управляющих сигналов на микрореактивные двигатели осуществляется корректировка траектории полета снаряда и его наведение на цель.
В случае применения артиллерийских систем лунного базирования против противника, обладающего соответствующими техническими возможностями по раннему обнаружению и перехвату снарядов, необходимо дополнительно использовать ложные цели (которые также снабжаются радиомаяками). Эти радиомаяки работают по заранее заданной специальной программе (подача сигналов в определенное время, изменение частоты и мощности сигналов и т.д.). Таким образом, противник не будет иметь возможности отличить ложную цель от атакующего снаряда по одному лишь факту наличия работающего радиомаяка.
Одним из ключевых направлений применения артиллерийских систем лунного базирования может оказаться поддержка действий своего военно-морского флота. Военно-морской флот решает следующие классические задачи: борьба против военно-морских сил противника, нарушение морских коммуникаций противника, защита своих морских коммуникаций, оборона своего побережья с морского направления, нанесение ударов и обеспечение вторжения на территорию противника с моря и т.д.
Корабли являются хорошей целью для нанесения удара кинетическими боеприпасами из космоса. Для определения вероятности поражения цели используется понятие кругового вероятного отклонения (радиус круга, очерченного вокруг точки прицеливания, в который предположительно должно попасть 50% снарядов). Ширина палубы корабля может иметь следующие характерные значения: фрегат ~15 м, эсминец ~19 м, тяжелый ударный авианосец ~41 м, универсальный десантный корабль ~43 м, супертанкер ~69 м. Длину корпуса корабля можно не учитывать, т.к. ее значение на порядок больше величины кругового вероятного отклонения.
Допустим, круговое вероятное отклонение снаряда составляет ~15 м. Тогда вероятность попадания одиночным снарядом в корабль будет иметь следующие значения: фрегат ~0,4, эсминец ~0,5, тяжелый ударный авианосец ~0,9, универсальный десантный корабль ~0,9, супертанкер ~1. Артиллерийские системы лунного базирования в состоянии оказывать неоценимую поддержку действиям своего военно-морского флота (путем уничтожения кораблей противника большим количеством снарядов в любой точке мирового океана). Это обстоятельство может оказаться ключом к завоеванию глобального стратегического господства на море.
В случае крупного военного конфликта противник может предпринять попытку уничтожить лунную базу. Возможности по доставке военного груза на Луну ограничены (поэтому основным вариантом является использование ядерных зарядов). Поскольку Луна не обладает атмосферой, отсутствует такой поражающий фактор ядерного взрыва, как воздушная ударная волна. Проникающая радиация малоэффективна, т.к. на лунной базе предусмотрена защита от солнечной и космической радиации. Световое излучение также неэффективно ввиду отсутствия атмосферы и горючих материалов. Таким образом, лунную базу можно уничтожить лишь прямым попаданием ядерного заряда (с последующим его взрывом).
Пассивный вариант защиты предусматривает размещение лунной базы на поверхности или под поверхностью Луны в нескольких модулях или постройках (отдаленных друг от друга на большое расстояние и устойчивых против колебаний лунной поверхности), осуществление мер по маскировке, создание ложных целей и т.д. Активный вариант защиты предусматривает превентивную атаку на стартовые комплексы противника, уничтожение ракет на старте, во время полета к лунной базе (причем эти задачи могут решаться при помощи артиллерийских систем лунного базирования) и т. д.
Таким образом, с нашей точки зрения, решение военных задач является в настоящее время единственной реальной возможностью для создания и развития лунной базы. Основным источником финансирования может быть военный бюджет. Параллельно на лунной базе будут проводиться исследования в планетологии, астрономии, космологии, космической биологии, материаловедении и других дисциплинах. Соответственно, некоторая часть финансирования может осуществляться в рамках программ развития данных научно-технических дисциплин.
Отсутствие атмосферы и низкая гравитация позволяет строить на лунной поверхности обсерватории, оснащенные оптическими и радиотелескопами. Обслуживание и модернизация лунной обсерватории намного проще, чем орбитальной. Такая обсерватория позволит изучать отдаленные области Вселенной. Кроме того, ее инструменты могут использоваться для изучения и мониторинга Земли, и околоземного пространства (для получения разведывательной информации, обеспечения военных операций, контроля над траекториями полета снарядов и т. д.).
Таким образом, наличие базы на Луне позволит разместить на ней высокоточные неядерные системы вооружений, которые могут реально применяться в военных конфликтах любого масштаба (или даже «антитеррористических» операциях). Применение таких систем лунного базирования в качестве одного из средств ведения боевых действий существенно усилит военный потенциал страны. Кроме того, создание и эксплуатация лунной базы попутно позволит интенсивно развивать многие научно-технические направления, удерживать по этим направлениям лидерство и получать обусловленное этим лидерством конкурентное преимущество в мире.
Информация