Что сделано?
Полученный опыт
Ближайшие задачи в космосе
Космическая техника ближайшего будущего
Средства выведения на орбиту
Солнечные орбитальные электростанции
Орбитальные заводы
Радиотелескопы
Станция-облако
Лунная база
Марсианская экспедиция
База на геостационарной орбите
Космические поселения
Полёт к звёздам
Что делать?
Прошло 30 лет после первого полёта человека в космос и более 33 лет после запуска первого искусственного спутника Земли. Появляется естественное желание спросить себя: что же мы успели сделать, что узнали нового, что получили практически полезного?
Какой-то счастливчик получил этот автограф в 2000-м...
Что сделано?
Если говорить о пилотируемых полётах, то можно назвать следующие главные результаты:
— мы поняли, что человек может жить и работать на орбите год (вероятно, и больше);
— осуществлено шесть лунных экспедиций;
— человек может работать в открытом космическом пространстве (в скафандре), но его подвижность, его возможности при этом крайне ограничены;
— человек может вести исследования в космосе, меняя их программы и цели в процессе полёта, хотя возможности его главным образом определяются установленным на борту оборудованием, причём он не может конкурировать по точности выполнения прецизионных операций с автоматическими устройствами;
— в пилотируемых космических полётах не получено принципиально новой информации (кроме данных о самóм человеке в условиях невесомости, сведений о работе самих средств полётов в космос), и мы пока питаемся надеждами, что в будущем сможем сделать что-нибудь существенное;
— пока не найдена «экологическая ниша» в науке, технике и экономике для человека, работающего на орбите (то, что до сих пор делалось, — наблюдения, включения и выключения фотоаппаратов, приборов наблюдения внешнего пространства, экспериментального оборудования, — можно было бы осуществлять с помощью автоматических устройств, которые пока не способны конкурировать с человеком только тогда, когда надо что-то отремонтировать или заменить отдельные приборы и оборудование, но «ремонтник» едва ли надежная и долговечная ниша).
В области прикладной, полезной для всех живущих на Земле орбитальная работа — за счёт использования автоматических космических аппаратов — принесла куда больше результатов. Назовём здесь следующие важные итоги:
— резкое расширение возможностей телефонной, телексной и компьютерной связи за счёт применения соответствующих спутников (спутников связи);
— обеспечение телевизионной связи между континентами;
— глобальный метеорологический контроль с помощью метеоспутников, резко повысивший точность прогнозов погоды и предупреждений о надвигающихся стихийных бедствиях;
— улучшена навигация судов и самолётов, что стало следствием внедрения спутниковых навигационных систем;
— повышена надёжность получения радиосигналов от терпящих бедствие и определения района их бедствия с помощью спутниковых систем типа «Коспас-Сарсат»;
— появилась возможность глобального и местного экологического контроля поверхности суши и океанов, исследования природных ресурсов Земли за счёт использования спутников;
— ведутся наблюдения поверхности суши и океанов с помощью спутников-разведчиков не только в интересах военной разведки, но и для контроля над выполнением международных соглашений по ограничению вооружений.
Куда? — В космос, Феоктистову!
Научные исследования, осуществляемые с помощью автоматических космических аппаратов, получили весьма нетривиальную информацию. Выделим здесь следующее:
— открыты радиационные пояса Земли;
— исследованы ионосфера и магнитосфера Земли;
— открыт солнечный ветер;
— подтверждено отсутствие жизни на Луне и Венере;
— получены данные по атмосферам и по поверхности Венеры и Марса (состав, изменение плотности и давления по высоте, рельеф);
— построены крупномасштабные карты и сделаны фотографии поверхности Луны, Марса, дальних планет Солнечной системы и их спутников;
— на небесной сфере обнаружены и картированы источники электромагнитного излучения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах;
— на небесной сфере обнаружены вспыхивающие источники излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне;
— подтверждено существование нейтронных звёзд и чёрных дыр во Вселенной;
— обнаружены неизвестные ранее процессы, происходящие во Вселенной (перетекание вещества в тесных двойных звёздных системах, аккреция вещества на поверхность нейтронных звёзд, аккреция вещества на чёрные дыры).
Создание средств космической техники — самая, пожалуй, успешная область. Но особенно обольщаться не следует — ведь космическая техника работала, так сказать, сама на себя. Тут можно отметить следующие важные шаги. Во-первых, создано множество средств выведения космических аппаратов:
— одноразовые ракеты, из которых стоит упомянуть, например, советские ракеты семейства Р-7 (с массой полезного груза, выводимого на орбиту, около 7 т), семейства «Протон» (около 20 т), «Зенит» (около 13 т), «Энергия» (порядка 100 т), американские ракеты «Атлас» (с массой полезного груза, выводимого РН «Атлас-Аджена», около 3,4 т), серии «Титан» («Титан-III С» выводит на орбиту около 12 т), «Сатурн-5» (около 137 т), французские носители семейства «Ариан» (предполагается, что масса полезного груза ракеты «Ариан-5» будет равна 20 т);
— «полумногоразовые» транспортные системы: американские шаттлы (с массой полезного груза около 30 т) и советская разработка «Буран» (предполагалось, что масса полезного груза будет достигать 30 т).
Во-вторых, появились средства для пилотируемых полётов и работы человека в космосе — корабли и орбитальные станции: одноместный «Восток» с возможностью 10-суточного полёта, одноместный «Меркурий» (до суток), трёхместный «Восток» (до трёх суток), двухместный «Джемини» (до 15 суток), трёхместный «Союз» (в автономном режиме — до 20 суток, а в составе орбитальной станции — до полугода), трёхместный «Аполлон» (до 15 суток), двухместный лунный экспедиционный корабль, восьмиместный шаттл (автономный полёт — до 30 суток), орбитальные станции «Скайлэб», станции типа «Салют» и многомодульная станция «Мир».
Не забудем и об автоматических космических аппаратах для научных исследований. Самые выдающиеся результаты были получены с помощью КА «Эксплорер-1» (открытие радиационных поясов Земли), «Лунар орбитер» (картографирование поверхности Луны с орбиты её спутника), «Луна-16» (доставка грунта с поверхности Луны на Землю), «Луна-17» (самоходный аппарат, управляемый оператором с Земли), «Венера-4» (первые сведения о параметрах атмосферы Венеры), «Маринер-9» (исследования и картографирование поверхности Марса с орбиты его спутника), «Викинг-1» (исследования поверхности Марса и поиски признаков жизни в районе посадки аппарата), «Вояджер» (исследования дальних планет Солнечной системы), «Ухуру», «Ариэль», SAS-3, «Вела», «Коперник», «ХЭАО», «ИУЕ» (фундаментальные астрофизические исследования в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах).
Наконец, созданы автоматические космические аппараты для прикладных работ на земной орбите. Это в первую очередь спутники связи («Интелсат», «Комстар», «Синком», «Экран» и т. д.), спутники для исследования природных ресурсов Земли («Лендсат», «Сисат»), навигационные спутники типа «Навстар», метеорологические спутники, спутники-разведчики, спутники для передачи сигналов терпящими бедствие и определения их координат...
Есть первый в мире трёхместный корабль!
Полученный опыт
Он самый разнообразный. И во многом связан с широко известными задачами разработки, изготовления, испытания и эксплуатации ракетной и космической техники.
Например, проблемы безопасности на старте ракетных систем. Связаны они главным образом с большими количествами окислителя и горючего, заправляемыми в ракету. Токсичные компоненты приводят к серьёзным осложнениям на стартовой позиции. Всегда будет существовать опасность нарушения герметичности в системе заправки или в самой ракете, а это чревато катастрофами. При применении компонентов вроде азотной кислоты, тетраксида азота, гидразина, диметилгидразина и т. п. опасность для обслуживающего ракету персонала велика, а потому необходимы жёсткие меры безопасности. Даже если ракета и её стартовые системы спроектированы так, что с момента перехода к заправочным операциям и до взлёта носителя на стартовой площадке нет людей, а все процессы подстыковки заправочных систем, проверки их герметичности и заправки автоматизированы, всегда есть опасность возникновения неисправности, требующей появления у ракеты специалистов в процессе или после заправки. Противогазы, специальные защитные костюмы, высокочувствительные средства контроля газового состава атмосферы — вот необходимые атрибуты персонала на стартовых позициях таких ракет.
Для современных ракет даже нормальный полёт связан с определёнными сложностями. Первые ступени падают на Землю, поэтому расчётные районы их падения, площадь которых может достигать десятков квадратных километров, должны исключаться из оборота. Для ракет с токсичными компонентами это усугубляется тем, что первые ступени могут разрушаться непосредственно на поверхности, остатки токсичных компонентов постепенно накапливаются, могут проникать в грунтовые воды и т. п.
Словом, в будущем в ракетных системах следует ориентироваться на использование экологически чистых компонентов, таких, например, как керосин — кислород или водород — кислород.
Кроме того, нужно учитывать взаимодействие продуктов сгорания ракетного топлива с атмосферой, в частности с озоновым слоем. Обычные жидкостные ракеты, по-видимому, в этом смысле нейтральны, а вот применение твердотопливных носителей создаёт опасность взаимодействия продуктов их сгорания с озоном, ибо последние могут быть эффективными катализаторами его разложения.
Реальная опасность аварии ракеты на активном участке полёта и, следовательно, опасность падения её остатков на поверхность Земли вдоль трассы полета предъявляют жёсткие требования к выбору места старта и траектории выведения, с тем чтобы избежать прохождения над густонаселёнными районами.
Опасность аварии с катастрофическими последствиями неискоренима при собственно полёте ракеты. Это связано с очень высокой концентрацией энергии (сотни тонн топлива) в носителе, мощностью ракетных двигателей, напряженностью конструкции и малым налётом конкретной модели ракеты (по сравнению, например, с автомобилями, самолётами и т. д.). Эта особенность особенно ярко иллюстрируется мощностью ракетных двигателей. Так, мощность двигателей ракеты типа Р-7 на первой ступени равна примерно 10 млн л. с., а у шаттлов она достигает 70 млн л. с. Эта угроза всегда отчётливо понималась разработчиками. Уже на первые американские корабли «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» имели неплохие системы спасения, которые обеспечивали отделение и быстрый увод корабля от разрушающегося носителя при его аварии. Недурная система аварийного спасения космонавтов была у корабля «Союз». Она дважды спасала жизни: один раз при аварии третьей ступени ракеты и один раз при аварии на старте.
Отсутствие полноценной системы спасения в случае аварии носителя не может оправдываться конструктивными трудностями. Это относится, к примеру, к системе «Шаттл» и является её принципиальным недостатком.
После отделения корабля или автоматического космического аппарата от носителя его последняя ступень обычно остаётся на орбите, затем постепенно тормозится, входит в плотные слои атмосферы и в основном сгорает, а её остатки падают на Землю. Если высота орбиты выведения невелика (к примеру, менее 200 км), процесс занимает несколько суток. Если же высота большая, последняя ступень может дрейфовать на орбите месяцы и годы.
И это постепенно превращается в проблему. Уже сейчас количество оставшихся на околоземных орбитах последних ступеней ракет, неработающих КА, соединительных элементов конструкций и осколков, возникших из-за разрушения или аварии аппаратов, таково, что опасность столкновения с ними соизмерима с метеорной опасностью для длительно летающих КА, кораблей и орбитальных станций. Поэтому всё актуальнее применение такой схемы выведения, при которой последняя ступень не остаётся на орбите. Именно этот подход реализован в системе «Спейс Шаттл»: после окончания работы второй ступени топливный бак отделяется от корабля и возвращается в атмосферу, причём несгоревшие остатки падают в определённый район океана. Так должно делаться и впредь. Такое же требование естественно предъявлять и к конструкции космических аппаратов, с тем чтобы перед окончанием их работы они «сталкивались» с орбиты, а после их орбитальных манёвров не оставалось никаких деталей конструкции или осколков и не происходило бы постепенного накопления опасного (смертельно опасного!) мусора на околоземных орбитах.
Из всего этого следуют такие рекомендации по средствам выведения на орбиту:
— крайне нежелательно использовать ракеты с токсичными компонентами, во всяком случае для выведения пилотируемых кораблей;
— на ракетных системах, предназначенных для выведения космонавтов, необходимо устанавливать полноценную систему аварийного спасения;
— после выведения последняя ступень носителя не должна долго задерживаться на орбите;
— необходимо (хотя бы расчётом) проверять опасность вредного воздействия продуктов сгорания на озоновый слой атмосферы.
Константин Петрович — пятый справа. Точнее — седьмой слева, командир Комаров отчего-то уступил ему своё законное седьмое место. (Фото ТАСС.)
Тут нельзя не вспомнить об опыте лунной программы.
20 июля 1969 года мы глядели на Луну с необычными, новыми для всех нас ощущениями. Сейчас там ходят люди — Армстронг и Олдрин — на фантастическом от нас расстоянии в 400 000 км! Это событие воспринималось как (по словам Армстронга) «огромный скачок для человечества». Впечатляющий размах работ и впечатляющий результат. Полный успех.
Понятна и естественна тогдашняя эйфория авторов проекта и, наверное, большинства американцев: «Мы на Луне! Это мы на Луне, а не эти вечно и во всём отстающие русские... Естественное положение в космических исследованиях восстановлено (и наш престиж тоже)... То, что раньше мы воспринимали как некоторую абстракцию, некоторую красочную и неизменную деталь на небе, оказалось-таки миром, по которому можно ходить, ездить, его можно потрогать... Это историческое достижение, и оно наше!»
Эмоционально это всемирно-историческое шоу, конечно, значило очень много: чувствовать себя соучастником этого необыкновенного путешествия и приключения, ощутить Луну под своими ногами. Тут можно было бы и ещё раз поздравить американцев и всех нас с прекрасным достижением. Да, конечно, это так. Но... что-то есть сомнительное, какое-то неудовлетворение.
Высадка Н. Армстронга и Э. Олдрина на Луну — лишь начало реализации лунного проекта. С 1969 по 1972 год американцы доставили на Луну шесть экспедиций. Что можно зачислить в плюс лунной программе? На поверхности нашего спутника побывало 12 человек, все вместе они прошли и проехали по ней около 100 км, около 400 кг лунных камней было доставлено на Землю. Но сами по себе (если не говорить о рекламно-сувенирной стороне дела) эти камни никому (кроме, может быть, геологов и геохимиков) не дали принципиально новой и ценной информации. Возможно, были получены какие-то иные важные сведения? Кажется, нет.
Положительные эмоции и престиж США — да, конечно. Но «25 миллиардов за престиж» (именно в такую сумму обошлись эти шоу) звучит немного смешно. И печально. Ведь в убыток нужно списать и те космические программы, которые можно было бы осуществить на эти громадные средства. Главным стимулом принятия лунной программы было стремление восстановить престиж США в лидерстве технического прогресса, ведь какое-то время в космических делах главенствовала наша страна: 1957 год — первый спутник, 1961-й — первый полёт человека...
Почему мы оказались впереди, несмотря на громадный технический потенциал США? Дело в том, что ракеты-носители, космические аппараты и корабли изготавливаются отнюдь не серийно (особенно тогда — в начале работ). По сути, это было индивидуальное, то есть в каком-то смысле кустарное производство. В этих условиях лидерство определялось «качеством мозгов» и работоспособностью. Было бы смешно утверждать, что наши мозги лучше, но, скажем так, они не были хуже. А бюрократы и карьеристы к космическому делу сильно «присосаться» ещё не успели. Так что стартовые условия оказались примерно одинаковыми. И, естественно, у нас не было недооценки американских инженеров (а у них тогда, кажется, было, а у многих, по-моему, и сейчас есть), ведь недооценка конкурента — серьёзный промах. А проявить себя в таком деле, как выход в космос, хотелось. Мы сами, не ожидая руководящих указаний, ставили задачи. Серьёзно, без шапкозакидательства работали. После первых наших успехов многие американцы, наверное, ощущали некоторый дискомфорт и даже ущемление своего самоуважения. Трудно сейчас сказать, кто предложил высадку на Луну в качестве способа восстановления престижа. В конце концов, это не столь важно. Но цель всё же явно не соответствовала затраченным средствам. Тут нет стремления принизить великолепно выполненную инженерную работу американцев. Речь идёт об использовании опыта, полученного при осуществлении лунного проекта.
Выполнив огромную, хорошо скоординированную работу, американцы создали не только корабль «Аполлон» и ракету «Сатурн-5», но и гигантскую производственную и экспериментальную базу: огневые стенды для отработки ракетных двигателей, оборудование для подготовки ракет и кораблей к запуску и т. п. И всё это после 1972 года практически не использовалось, было заброшено, не имело продолжения: некуда было продолжаться, лунная программа оказалась тупиковым путём. Это пример неудачно, точнее, неправильно выбранной цели.
Сама постановка задачи о том, чтобы истратить 25 или даже 100 млрд долларов на грандиозное космическое предприятие (если страна богатая и налогоплательщики согласны), не представляется абсурдной. Но, принимая решение, выбирая цель, нужно крепко думать.
Примерно то же следует сказать и о программе «Спейс Шаттл», и тем более о подражательной советской инициативе «Буран». Идея шаттлов была в снижении транспортных расходов на трассе Земля — орбита. Цель правильная. Однако схемные и конструктивные решения были приняты явно неудачные, и замысел оказался невыполненным: доставка грузов на орбиту с помощью шаттлов (не говоря уже о нашем стихийном бедствии — «Буране»), мягко говоря, значительно дороже, чем доставка на использовавшихся одноразовых носителях.
«Корабль-спутник» — вот как это тогда называлось.
БЛИЖАЙШИЕ ЗАДАЧИ В КОСМОСЕ
Пока ещё нет единого сложившегося мнения о самых важных направлениях развития деятельности человечества в космосе. Лозунги типа «Марсианская экспедиция — воодушевляющая цель», «Сделаем впечатляющий рывок в освоении космоса», «Откроем перспективу...», «Освоим Солнечную систему» нередко подменяют продуманные и логически обоснованные предложения о выборе путей дальнейшего движения. Предлагаются самые разнообразные программы.
Так, в программе, которую связывают с астронавтом Салли Райд, в качестве основных целей на ближайшие 50 лет предлагается создание баз на Луне, астероидах и планетах, средств путешествий в Солнечной системе, космических поселений.
Советские учёные, занятые фундаментальными исследованиями, в ближайшее десятилетие хотели бы сосредоточить усилия на изучении околоземного космического пространства, на изучении магнитосферы Земли, исследованиях солнечно-земных связей, Солнца, солнечной короны, Марса, на астрофизических экспериментах с помощью автоматических космических аппаратов.
Есть и более прагматические предложения (вроде программы освоения околоземного пространства), цель которых — развитие спутниковых систем связи и телевидения, создание спутниковых систем экологического контроля и исследования природных ресурсов Земли, развитие систем метеоспутников, создание экономически целесообразного и эффективного производства на орбите.
Так что бытуют самые разные мнения.
Наверное, было бы ошибкой противопоставлять прагматические устремления нашему естественному желанию расширить сферу своей деятельности, побольше узнать о Вселенной и нашем месте в ней. Посему при выборе дальнейшего пути наиболее разумным представляется стремиться и к удовлетворению самых насущных нужд человечества, и к исследованию окружающего мира. Наиболее острые проблемы, стоящие Землёй, — это экология и истощение природных ресурсов, политическая нестабильность, разобщённость народов, недоверие между ними, возрастающая перенаселённость планеты. А в исследованиях Вселенной можно было бы выделить следующие, как мне представляется, интересные задачи: исследования Солнечной системы, исследования звёзд, галактик, небесных объектов на окраинах Вселенной с помощью астрофизических инструментов, изучение возможностей полётов к звёздам.
При таком подходе хотелось бы предложить следующие основные направления космических работ.
1. Деятельность в интересах удовлетворения насущных нужд человечества
Речь идёт о проектах прикладного характера, которые могли бы приносить конкретную пользу людям и по возможности были бы экономически рентабельны. Здесь можно выделить три группы работ.
Группа А — уже определившиеся, почти ставшие традиционными такие инициативы, как экологический контроль поверхности суши, морей и океанов и исследования природных ресурсов Земли с помощью КА, спутниковые службы метеорологии, навигации, приёма сигналов от терпящих бедствие, связи и телевидения.
Группа Б — работы, связанные с развёртыванием на орбите экономически выгодного производства, с выносом на орбиту нужных, но опасных на Земле производств. Для этого потребуется расширить наземные и, главное, космические эксперименты по поиску надёжных и эффективных технологических процессов на орбите, проводить исследования по поиску той ниши в экономике Земли, которую естественным образом могло бы занять космическое производство.
К этой же группе можно отнести и поисковые проекты по возможности и целесообразности создания солнечных орбитальных электростанций для снабжения Земли дешёвой и экологически чистой электроэнергией. Сюда же запишем и работы на космических станциях по поиску области наиболее эффективной деятельности людей непосредственно на орбите.
Группа В — работы в интересах поддержания мира на Земле, сохранения стабильности и укрепления доверия между государствами, предотвращения агрессии. Здесь имеется в виду создание международной открытой для всеобщего ознакомления спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши и океанов, контроля воздушного пространства и подводной обстановки. Сейчас только Советский Союз и Соединённые Штаты имеют спутниковые разведывательные системы, которые к тому же пока не носят всепогодный характер и не дают достаточно качественной картины в сумерках и в ночное время. Тем самым предлагается создать системы спутников, которые позволили бы всем видеть, что происходит на Земле днём и ночью, наблюдать за перемещениями воинских соединений и военной техники, за строительством подозрительных (возможно, военных) объектов, контролировать выполнение международных соглашений.
Современная космическая техника в принципе позволяет решить эту задачу, причём важно и то, что расходы на создание и эксплуатацию такой системы могло бы нести все мировое сообщество.
Конечно, есть что-то непорядочное в подглядывании друг за другом. Но что делать в наше время? XX век не один раз демонстрировал нам, как уголовники и маньяки захватывали власть. И как, укрепившись внутри государств с помощью террора и оболванивания своих соотечественников, они приступали к наглым попыткам захватить соседние страны. Наличие международной системы наблюдения позволит всем желающим следить за подозрительными передвижениями, стройками и приготовлениями (ведь любое предприятие не начинается спонтанно — оно готовится, и это можно заметить), охладит пыл гангстеров, пробравшихся к власти, и позволит мировому сообществу заблаговременно принимать меры для отражения агрессии или даже останавливать её подготовку.
«Первопроходцы» (иллюстрация Jon Wong).
2. Исследование и освоение Солнечной системы
Хотя эти исследования едва ли принесут нам принципиально новую информацию, но и не изучить то, что находится у нас под носом, было бы неразумно. Другое дело — масштабы работ. К этому направлению относятся исследования Солнца, астероидов, Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, их спутников и т. д., исследования возможности и целесообразности космических поселений. Эти проекты едва ли стоит считать главными, но и забрасывать их не следует. Всё это можно делать с помощью автоматических космических аппаратов. И только при полной неудаче с доставкой проб грунта и атмосферы и одновременном появлении информации, указывающей на возможность обнаружения живых организмов на Красной планете, стоит всерьёз рассмотреть организацию пилотируемой экспедиции на эту планету.
Тут подразумевается, что пробы грунта и атмосферы будут доставляться на Землю для их изучения, с тем чтобы определить, нет ли в них живых организмов, а если они есть, узнать их генетический код или механизм воспроизводства жизни и тем самым получить сведения в пользу той или иной гипотезы о происхождении жизни на Земле, гипотезы «самозарождения» или «посева».
3. Исследования Вселенной
Это наиболее интересные, можно сказать, интригующие воображение направления. Они могут принести нам самую ценную и необычную информацию.
К этим работам относятся исследования с помощью космических радиотелескопов, выводимых на околосолнечные и околоземные орбиты и функционирующих совместно в режиме радиоинтерферометрии, исследования окружающего мира посредством орбитальных астрофизических инструментов современного уровня (размерности космического телескопа «Хаббл») в различных спектральных диапазонах, исследования с помощью оптических телескопов с разнесённой базой, которые можно располагать, например, на Луне, изучение проблемы полета к звёздам...
1 мая 2013 года сверхзвуковой ЛА с ГПВРД X-51A WaveRider совершил свой первый успешный полёт, который продолжался 240 секунд, пока не кончилось горючее. (Илл. U.S. Air Force.)КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО
Для реализации описанной выше программы работ нужно совершенствовать имеющуюся космическую технику, создавать совершенно новую, вести теоретические и экспериментальные исследования. Можно представить, что потребуются следующие технические средства.
1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам.
Здесь уже есть большой задел, особенно у американцев. Следует расширять эти работы на коммерческой основе. Наша страна тоже могла бы активно участвовать в создании таких систем.
2. Система платформ на геостационарной орбите для глобальной связи, телевидения, экологического контроля, исследования природных ресурсов и метеорологических наблюдений.
Геостационарная орбита — это орбита, лежащая в плоскости экватора на высоте около 36 тыс. км над поверхностью Земли. Спутники, расположенные на ней, неподвижны относительно поверхности Земли. На этой орбите нельзя располагать слишком большое количество аппаратов связи, так как иначе они начнут мешать работе друг друга. Поэтому, по-видимому, в будущем для расширения их возможностей придётся создавать многофункциональные платформы.
3. Орбитальные станции, по-видимому, таких типов:
— орбитальные лаборатории типа «Салют» и «Мир»;
— станции вроде разрабатываемой сейчас американской «Фридом»;
— орбитальные станции типа «облако».
Последний тип представляется мне наиболее перспективным. Идея станции-облака заключается в том, что отдельные её части — модули — не соединены жёстко между собой, но «плавают» поблизости друг от друга.
4. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите.
5. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам.
В международной системе наблюдения можно было бы иметь три подсистемы: 12–16 спутников с оптико-телевизионной аппаратурой для наблюдений в дневное время, 12–16 спутников с радиолокаторами для всепогодного и круглосуточного наблюдения поверхности суши и океанов, воздушного пространства и подводной обстановки (слежения за перемещениями подводных лодок), 3–6 спутников с аппаратурой для наблюдения в инфракрасном диапазоне.
Современные оптико-телевизионные космические средства уже позволяют рассмотреть с орбиты предметы с размерами порядка метра и передать полученное изображение через спутники-ретрансляторы абонентам.
Так называемые радиолокаторы бокового обзора, вынесенные на орбиту, при достаточной мощности позволят вести круглосуточный и всепогодный контроль поверхности Земли, воздуха и даже наблюдать за передвижениями подводных лодок. В принципе, с помощью орбитальных радиолокаторов можно было бы различать предметы размером до метров.
С помощью такой системы спутников можно было бы получить обновления информации о происходящем на поверхности Земли за 30–60 минут.
6. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающих в единой радиоинтерферометрической схеме. С помощью радиотелескопов на околосолнечной орбите можно получить разрешающую способность порядка десятимиллионных долей угловой секунды и заглянуть на самые окраины нашей Вселенной.
Кроме того, большие радиотелескопы с размерами порядка километра позволят человечеству начать регулярный поиск сигналов внеземных цивилизаций.
7. Орбитальные астрофизические обсерватории, работающие в различных спектральных диапазонах.
8. Если теоретические исследования подтвердят целесообразность создания оптических телескопов с зеркалами, разнесёнными на значительные расстояния, то может оказаться наиболее целесообразным располагать их на Луне. Идея таких телескопов та же, что и в радиоинтерферометрии, — в увеличении базы наблюдения. Но эту базу нужно удерживать и знать с точностью до малых долей длины волны электромагнитного излучения, на которой ведётся наблюдение, то есть в данном случае с точностью до долей микрона. Поэтому и возникает мысль о расположении их на естественном спутнике Земли.
9. Возможно, возникнет необходимость создания базы на Луне, которая потребуется для астрофизических обсерваторий на поверхности спутника и исследования возможностей использования лунных ископаемых в космической деятельности человечества. Однако целесообразность разворачивания таких работ в ближайшие десятилетия требует, как мне кажется, дополнительного рассмотрения.
10. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса.
11. Если в результате окажется необходимым осуществление экспедиции на Марс, придётся разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемой экспедиции — марсианский орбитальный и экспедиционный корабли, марсианский «автомобиль» оснащение для жизни и работы на Марсе.
12. Автоматические средства исследования Венеры, орбитальная база у Венеры, атмосферные шары-зонды, средства радиолокационного картирования поверхности, посадочные лаборатории.
13. Солнечные обсерватории с перигелием внутри орбиты Меркурия, предназначенные для регулярного исследования ближайшей к нам звезды — Солнца.
14. Автоматические аппараты для исследования астероидов.
15. Автоматические космические аппараты для изучения дальних планет.
16. Действительно дешёвые многоразовые транспортные корабли для операций «Земля — орбита — Земля».
Ни американский шаттл, ни советский «Буран» не решают задачи снижения транспортных расходов в космосе. Стоимость доставки грузов на орбиту с помощью шаттлов равна сейчас примерно $10 тыс. за кг полезного груза, что много дороже, чем доставка даже старыми одноразовыми носителями. То есть задача создания дешёвых средств доставки на орбиту остаётся. По моему мнению, новые средства должны выводить космические аппараты на орбиту за сотни долларов за килограмм. Это сложная задача, но она под силу современной технике.
17. Дешёвые многоразовые транспортные средства для транспортных операций «низкая орбита — геостационарная орбита — низкая орбита».
18. Космические работы. Следует ожидать расширения таких инициатив в открытом пространстве на орбитах спутников Земли. Эти работы будут связаны с созданием орбитальных заводов, больших радиотелескопов, обслуживанием орбитальных аппаратов, возможно, со строительством орбитальных электростанций. Скованность человека в скафандре, опасность открытого пространства вынудят нас сделать ставку на космических роботов.
Иллюстрация Jinha Lee.СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ НА ОРБИТУ
Главная задача — создание действительно дешёвых многоразовых средств выведения космических аппаратов на орбиты.
Выведение КА пока очень дорого. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, сложной системой управления, дорогими материалами, используемыми в конструкции ракет и их двигателей, но главное — их одноразовостью. Оттого ещё в семидесятых возникла идея создания многоразовой системы выведения.
Первым опытом её реализации было создание системы «Шаттл». Несмотря на прекрасно выполненную работу, этот опыт едва ли можно назвать удачным. По первоначальному проекту, стоимость запуска системы не должна была превышать $10 млн. Но это была слишком оптимистичная оценка: за прошедшие годы стоимость пусков системы колебалась в пределах $150–350 млн. Главные причины этого — применение в конструкции значительного количества одноразовых элементов, очень сложная конструкция и, следовательно, сложная подготовка к запуску, в которой участвуют множество специалистов. Следует, конечно, сказать, что аналогичная советская система «Буран» не отличается от шаттла в лучшую сторону.
Поэтому задача создания действительно многоразовой и действительно недорогой техники выведения КА на орбиту стала ещё более актуальной. Тут возможны два направления поиска решения.
Первый — довольно тривиальный: создание многоразовой одноступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе с очень высоким конструктивным совершенством. Такая ракета выходила бы на орбиту, оставляла там космический аппарат, затем сходила с орбиты, тормозилась в плотных слоях атмосферы и совершала бы посадку в районе старта. Это было бы возможно, если бы удалось создать такую конструкцию, в которой масса баков, двигателей, тепловой защиты, системы посадки возвращающейся на Землю ракеты, системы управления и самого выводимого космического аппарата составила бы в сумме не более 10–11% от стартовой массы. Для этого требуются сверхпрочные и сверхлёгкие материалы, очень легкие двигатели, тепловая защита и система приземления. Задача очень трудная, есть ряд конструктивных идей, но они требуют дополнительных исследований и проработок.
Другой путь — революционный. Он определяется основным недостатком современных ракет: в их баках размещается не только горючее, но и окислитель (и его приходится тоже разгонять), хотя часть полёта проходит в плотных слоях атмосферы, где кислорода вполне достаточно и именно его было бы логично использовать. Но это не случайно: для использования на ракете воздушного кислорода, помимо жидкостных ракетных двигателей (бóльшая часть полёта всё же проходит вне плотных слоев атмосферы), нужно установить воздушно-реактивные двигатели. А они гораздо тяжелее жидкостных.
Но и здесь появляются новые возможности. Сегодня представляется реальным создание комбинированных двигателей, которые в начале полёта до скорости порядка 1 500–1 700 м/с работают как воздушно-реактивные, а затем переходят на режим ЖРД. Это может дать существенный выигрыш в массе и размерах носителя.
Эти идеи, по-видимому, и легли в основу английского проекта многоразового воздушно-космического самолета «Хотол». Предполагалось, что этот самолёт взлетает с аэродрома с помощью специального стартового шасси, остающегося на земле, и затем разгоняется до высоты около 25 км при работе двигателя с забором кислорода из атмосферы. К этому моменту он должен набрать скорость около 1 600 м/с. Далее полёт совершается на бортовых запасах кислорода. В качестве горючего на обоих участках полёта предполагалось использовать жидкий водород. По проекту, при стартовой массе порядка 200 т «Хотол» должен был бы выводить на орбиту полезный груз порядка 7 т, а затем возвращаться на Землю. Судя по сообщениям в СМИ, работа над проектом сейчас прекращена — нет финансирования. О реальности проекта судить трудно, так как она целиком определяется жизненностью предложений по созданию лёгкого комбинированного двигателя, способного работать и как воздушно-реактивный, и в режиме ЖРД, но о его конструкции никаких материалов не публиковалось. Разрабатывала двигатель известная английская компания «Роллс-Ройс».
Ведутся работы ещё по нескольким перспективным направлениям. Немецкий проект «Зенгер» также предусматривает создание полностью многоразовой двухступенчатой системы. На первой ступени предполагалось использовать воздушно-реактивные двигатели, а на второй — жидкостные. После выработки топлива первая ступень должна возвращаться на аэродром. Вторая ступень после выведения полезного груза на орбиту должна была возвращаться на Землю и готовиться, как и первая, к следующему полету. Но данные по оценкам массовых характеристик составляющих системы, которые приводились в печати, вызывали сомнения в их обоснованности.
Ещё более революционное направление развивается сейчас в Соединённых Штатах. Оно исходит из идеи создания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, способного функционировать до скорости порядка 7,5 км/с, то есть практически весь разгон самолёта-ракеты осуществлять в атмосфере, почти не имея на борту окислителя. Исследования, насколько можно понять, как раз выясняют возможность создания такого двигателя (см. также здесь).
Иллюстрация Frank Tinsley / Bettmann / Corbis.СОЛНЕЧНЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Одно из возможных направлений освоения космоса для обеспечения насущных нужд человечества — создание солнечных орбитальных электростанций, снабжающих энергией наземных потребителей. Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую по-разному. Но самый простой и естественный для нашего случая вариант — применение полупроводниковых преобразователей солнечного светового излучения в электрический ток, то есть использование солнечных батарей. Опыт их длительной эксплуатации в условиях космоса уж есть. В качестве преобразователей обычно используются кремниевые элементы — тонкие, небольшие (площадью в несколько квадратных сантиметров) пластинки, при попадании на которые солнечного света в силу фотоэффекта возникает разность потенциалов. С одного такого элемента можно снять очень небольшую мощность. Коэффициент полезного действия энергопреобразования равен примерно 10–12%. Чтобы получить практический источник питания из этих элементов, их соединяют вместе по последовательно-параллельной схеме. В результате с 1 кв. м солнечной батареи можно получить мощность около 140–170 Вт. Понятно, что такие батареи дают ток только при солнечном освещении, причём указанная мощность снимается лишь тогда, когда излучение падает перпендикулярно на их поверхность. Оттого на многих КА для увеличения снимаемой мощности устанавливают системы ориентации солнечных батарей. Когда аппарат находится в земной тени, приборы и оборудование получают электропитание от аккумуляторов, разумеется, подзаряжаемых от солнечных батарей (когда аппарат выходит из тени).
Солнечные орбитальные электростанции представляются пригодными для снабжения Земли электроэнергией. Полученную электроэнергию можно преобразовать в радиоизлучение и с помощью остронаправленной антенны орбитальной электростанции в виде узкого пучка передать на приёмную антенну, расположенную на Земле. Принятое радиоизлучение вновь преобразуется в электроэнергию и направляется потребителям. Чтобы у орбитальных электростанций была непрерывная и кратчайшая связь с наземными приёмниками, их целесообразно размещать на геостационарной орбите.
Главное тут — научиться сооружать в космосе гигантские конструкции, которые должны быть лёгкими и разворачиваемыми на орбите. Начинать можно, например, со сборки ажурной панели-блока размером, скажем, 100×100×100 м. А затем, постепенно соединяя между собой такие блоки, наращивать площадь конструкции до десятков квадратных километров. С панели в 100 кв. км можно было бы снять до 10 млн кВт. Для передачи энергии потребуется антенна площадью около квадратного километра. Наземная приёмная антенна будет иметь диаметр порядка нескольких километров. Скорее всего, выяснится, что не только сборку, но и изготовление элементов блоков-панелей будет выгоднее вести на орбите. То есть доставлять туда, скажем, рулоны металлической ленты, там её резать и производить из неё стержни, из которых собирать потом ферменные конструкции панелей. Конечно, можно найти и другие технологии изготовления и сборки панелей.
Разумеется, на эти гигантские конструкции невозможно устанавливать современные пластинки солнечных батарей: это было бы слишком тяжело и дорого, так как сейчас квадратный метр таких фотоэлементов весит несколько килограммов. Но в последние годы не без успеха ведутся работы по созданию плёночных солнечных батарей, масса квадратного метра которых не превышает несколько сотен граммов. С учётом массы фермы и других элементов конструкции приведённая масса квадратного метра панели солнечной электростанции составит примерно килограмм на квадратный метр панели, или примерно 10 кг на киловатт установленной мощности. Киловатт мощности орбитальной электростанции мог бы стоить около 2–3 тыс. рублей (при условии решения транспортной проблемы). Это в 1,5–2 раза дороже, чем у атомных станций, в 2–2,5 раза дороже, чем у гидроэлектростанций, и в 4–6 раз дороже, чем у ТЭЦ. Однако орбитальные электростанции не расходуют природных ресурсов, и через несколько лет эксплуатации они могут оказаться рентабельнее и тепловых, и атомных. А главное — они экологически чистые.
Сложнейшая проблема — доставка на орбиту материалов для строительства. Масса станции мощностью 10 млн кВт может достичь 100 тыс. т. Для решения этой задачи потребуется совершенно новый тип многоразовых ракет-носителей. С одной стороны, это должны быть большие машины, способные выводить полезный груз массой, скажем, порядка 500 т, с тем чтобы за 2–3 года (при темпе 70–100 пусков в год) можно было доставить материалы для одной станции и с такой скоростью вести строительство.
С другой стороны, предприятие должно быть рентабельным: необходимо, чтобы стоимость выведения на таком носителе не превышала 50 рублей за килограмм полезного груза. Если сравнить этот показатель со стоимостью доставки с помощью шаттлов (порядка 10 тыс. долларов/кг), становится очевидной сложность достижения этой цели, ведь удешевить доставку нужно на два порядка. Но задача не безнадёжная. Шаттлы почти на порядок проигрывают по экономичности современным одноразовым носителям. А снижение расходов на порядок при переходе к новому типу многоразовых носителей не представляется невозможным. Хотя, конечно, одновременно придётся решать задачу доставки выведенных на низкую промежуточную орбиту материалов на орбиту геостационарную.
Причём и на этой трассе расходы должны быть такого же порядка, то есть и для неё нужно будет создавать дешёвые многоразовые средства, скорее всего, использующие солнечные батареи и электрореактивные двигатели.
Ну а ориентация гигантских ферменных панелей на Солнце — задача вполне решаемая. По сути, вращать панель придётся с постоянной скоростью, равной одному обороту в год.
Для строительства станции на орбите потребуется создание специализированного производства. Будут нужны собственно строители и жилища для них — орбитальные станции. Конечно, всё производство должно быть максимально стандартизировано и автоматизировано. В основном строительство следует возложить на роботов, то есть людей там будет не так много. Орбитальные работы будут длиться, скажем, не более года за одну «командировку», и, следовательно, искусственная тяжесть на строительных станциях не понадобится.
Есть, конечно, и другие проблемы: преобразование гигантских мощностей электроэнергии в радиоизлучение, бортовая направленная антенна с диаметром порядка километра, средства приёма мощного потока радиоизлучения и его обратного преобразования в электроэнергию и т. п. Но всё это решаемо уже сейчас.
Идея космической электростанции привлекает потому, что такие объекты способны внести существенный вклад в решение одной из самых сложных задач, стоящих перед человечеством, — создание экологически чистой энергетики. К слову, мы не пытаемся убедить вас в том, что солнечные орбитальные электростанции — единственно целесообразный вариант. Всерьёз его можно будет сравнить с другим только после появления соответствующих конкурирующих инициатив. Но это одно из возможных и обнадёживающих решений.
Орбитальный завод (иллюстрация из игры Starcraft II).ОРБИТАЛЬНЫЕ ЗАВОДЫ
Автоматические заводы на орбите видятся перспективным и возможным делом. Невесомость и вакуум могут выгодно использоваться для производства сверхчистых препаратов и материалов, нужных в современной медицине и промышленности. Конечно, абсолютной невесомости на орбитальных аппаратах быть не может — она достигается только в центре масс КА. А в точках, удалённых от центра масс на метры, ускорения достигают миллионных долей ускорения силы тяжести на Земле. Тем более не является абсолютным вакуум на орбитах с высотой порядка 500 км.
Но всё же и ускорения микрогравитации, и давление окружающей атмосферы на этих высотах довольно малы, что создаёт неплохие условия для некоторых видов производства. Малые ускорения микрогравитации позволяют исключить из процессов сепарации и кристаллизации влияние конвекции разделения элементов в смеси под действием силы тяжести и резко снизить число дефектов, образующихся при кристаллизации. Экспериментальные работы на орбитальных станциях, пилотируемых и автоматических КА по исследованию эффективности различных технологических процессов свидетельствуют об улучшении качества процессов в условиях невесомости. Но пока мы не вышли на уровень, позволяющий сделать определённые выводы и приступить к проектированию орбитальных заводов.
Сегодня представляются перспективными проекты, связанные с техпроцессами по очистке биологических препаратов на всякого рода электрофоретических установках для фармацевтической промышленности, по выращиванию кристаллов материалов, используемых в электронной промышленности, по увеличению чистоты и относительной массы выхода получаемого продукта, по производству оптического стекловолокна для волоконной оптики, которое в условиях орбиты может дать более качественную продукцию и оказаться более экономичным, чем на наземных установках.
Космический телескоп «Хаббл» после ремонта (фото NASA / Roger Ressmeyer / Corbis).РАДИОТЕЛЕСКОПЫ
Радиотелескопы, выводимые на околоземные орбиты или, что ещё более эффективно, на орбиты спутников Солнца, могут быть одним из самых действенных средств исследования Вселенной.
При размерах приёмных антенн радиотелескопов порядка сотен метров можно будет принимать сигналы от объектов, находящихся на окраинах Вселенной. Если вести наблюдение с помощью нескольких радиотелескопов, разнесённых на расстояния порядка диаметра солнечной орбиты, то, используя принцип интерферометрии, можно получить, как уже говорилось, совершенно фантастическую разрешающую способность порядка десятимиллионных долей угловой секунды.
Сами размеры приёмных антенн (порядка сотен метров) не должны смущать — задача создания конструкций таких размеров в условиях невесомости вполне под силу современной технике. Принципиальной проблемой окажется обеспечение точности поверхности антенны. Ведь нужно будет обеспечить точность порядка долей длины волны, на которой будут проводиться измерения. Так, при наблюдениях на длине волны 20 см нужно обеспечить точность поверхности около сантиметров при километровых размерах конструкции! И при этом не допускать тепловых деформаций конструкции, превышающих эти же величины.
Проблему, по-видимому, придётся решать за счёт введения регулирующих элементов и лазерной измерительной системы.
Космическая станция (1955 г.) (иллюстрация Bettmann / Corbis).СТАНЦИЯ-ОБЛАКО
Идея станции-облака проистекает из трудностей, что сопутствуют созданию и функционированию таких больших сооружений, как, например, разрабатывающаяся сейчас американская орбитальная станция «Фридом». К этим трудностям можно отнести:
— громадные размеры ферменных конструкций, на которых размещены жилые помещения, заправочные станции, производственные помещения, телескопы, солнечные батареи и транспортные корабли, что приводит к огромным моментам инерции и сложностям в ориентации таких сооружений;
— избыточная запрограммированность конструкции подобных объектов, ограничивающая возможности их развития и совершенствования производственной и исследовательской программ;
— включение производственных помещений в единую конструкцию приводит к возрастанию уровня микрогравитации в этих помещениях, что, скорее всего, скажется на качестве получаемой продукции и потребует ограничений на процессы ориентации и управления движением и деятельность экипажа;
— для работы телескопов высокого класса требуется ориентация с точностью порядка сотых долей угловой секунды, что, вероятно, окажется невозможным в общей конструкции, даже если будет предусмотрена свобода угловых перемещений телескопов относительно конструкции станции;
— размещение в общей конструкции заправочных ёмкостей, содержащих обычно самовоспламеняющиеся компоненты, сложные пневмогидросхемы приёма топлива от кораблей-заправщиков и заправки абонентов следует считать небезопасным и нежелательным.
С другой стороны, всё это естественно разместить рядом, чтобы можно было производить настройку, ремонт, испытания и обслуживание всех этих телескопов, технологических лабораторий, заводов, заправочных станций.
Эти трудности и противоречия можно устранить за счёт использования схемы станции-облака. Представим себе станцию, состоящую из нескольких автономных частей — к примеру, базового жилого блока, астрофизической обсерватории, производственно-лабораторного модуля и заправочного блока. Все части летают по одной орбите, не слишком удаляясь друг от друга, с тем чтобы расстояние от базового блока до каждого из них всегда находилось в выбранных пределах (например, 10–100 км). Для этого на каждом объекте нужно иметь систему измерения дальности и радиальной скорости относительно базового блока и силовую установку с двигателями координатных перемещений.
Схема действий здесь довольно проста. Скорость удаления или приближения уменьшается до минимума, определяющегося чувствительностью измерителей относительной скорости. Пусть это будет 1,5 см/с. Тогда расстояние от 10 до 50 км (с учётом особенностей движения спутника на орбите) увеличится примерно за 9–10 суток. Когда расстояние приблизится к 50 км, на втором блоке выдаётся импульс, изменяющий знак относительной скорости, и блок начинает сближаться со станцией, доходя до своих 10 км ещё через 9 суток, и т. д. Если относительную скорость измерять с точностью до сантиметра в секунду (что вполне реально для современной радиолокационной техники), то топлива на поддержание частей станции в заданном относительном положении потребуется намного меньше, чем того, которое мы в любом случае обязаны тратить на компенсацию торможения станции атмосферой. Таким образом, телескоп, например, можно держать в 10–50 км позади базового блока; производственный модуль — на расстоянии в 10–50 км впереди; заправочный модуль пусть будет ещё дальше впереди — например, в 60–100 км.
Состав станции-облака может расширяться и меняться. Естественно было бы использовать базовый блок станции, где размещается дежурная смена космонавтов, как геофизический модуль с аппаратурой экологического контроля, исследований природных ресурсов и т. п. Там же можно держать средства для медицинских и биологических исследований.
На этом блоке должно быть несколько причалов — для пилотируемых и грузовых кораблей, а также для орбитальных «автомобилей», то есть аппаратов, предназначенных для перелётов космонавтов между объектами станции с целью их обслуживания.
Лунная база (1985 год) (иллюстрация Bettmann / Corbis).ЛУННАЯ БАЗА
Не обсуждая здесь вопроса о своевременности и первоочерёдности сооружения лунной базы в ближайшие десятилетия, попробуем представить её облик и объём работ.
Задачами лунной базы могли бы быть регулярные исследования Луны (сейсмичность, метеорная обстановка, строение, геология, поиск полезных для человеческой деятельности ископаемых и т. п.), экспериментальная проверка возможности и целесообразности добычи полезных ископаемых, строительство астрофизической обсерватории, если дальнейшие исследования покажут целесообразность её создания на Луне, где отсутствие атмосферы, малая сила тяжести и возможность установки телескопов на неподвижном фундаменте представляются важными достоинствами по сравнению с наземными и с орбитальными телескопами.
Последняя задача может оказаться существенной, особенно если удастся показать возможность создания телескопов с синтезированной апертурой с зеркалами, разнесёнными на максимально большие расстояния.
Естественным было бы иметь в составе базы центр информации и управления, лаборатории, отдельные каюты-квартиры для работников базы, помещения для спортивных упражнений, кают-компанию, столовую, кухню, ангар-шлюз для обслуживания и ремонта луноходов, производственные помещения, энергоустановку, средства обеспечения жизнедеятельности и теплового режима, оранжерею, склады запасного оборудования, топлива, собираемых образцов и т. п., луноходы для исследовательских экспедиций, транспортные средства, ангары для них, ангары-укрытия для дежурных кораблей срочной эвакуации.
Поскольку полёт транспортного корабля с экипажем на Луну может стоить около миллиарда долларов, ориентироваться стоит на длительное пребывание специалистов на базе. Кроме того, нужно будет учитывать изолированность и психологическую напряжённость работы на Луне. Поэтому нужно будет создать довольно комфортные условия для команды лунной базы. Резонно иметь в ней 5–6 человек, с тем чтобы каждый обладал 2–3 специальностями.
Каждому члену команды необходимо предоставить отдельную каюту-кабину со всеми удобствами объёмом порядка 50–100 куб. м. Кроме того, должны быть резервные жилые помещения, необходимые на период пересменки и для нештатных ситуаций. Примерно такие же размеры помещений стоит выделить для основного и резервного центров информации и управления, лабораторий, спортзалов, кают-компании, столовой-кухни, производственных блоков. Общий объём герметичных и жилых помещений может достигать порядка 2 000 куб. м. Учитывая всегда возможную опасность разгерметизации, пожара или появления вредных газовых примесей в атмосфере базы, придётся предусмотреть секционирование герметичных помещений и резервные входы-выходы в каждую секцию. Герметичные блоки лучше делать в виде цилиндров диаметром 3–4 м.
Возникает вопрос о защите герметичных помещений от метеоров и большого перепада температур на поверхности Луны в дневное и ночное время. Можно, конечно, использовать меры, обычные для орбитальных космических аппаратов, — экраны и экранно-вакуумную изоляцию. Но на Луне, наверное, будет естественнее и эффективнее применить заглубление в грунт и засыпку сверху помещений станции тем же грунтом. Перед засыпкой, естественно, должен быть закончен монтаж всех конструкций, магистралей, канализации, кабельной сети и пр.
Наконец, невозможно везти с Земли гигантские конструкции помещений в готовом виде. Логично доставлять листовой, заранее раскроенный материал оболочек и «полуфабрикаты» в виде частей больших шпангоутов, люков, переходников «оболочка — трубопровод» и т. п. и уже на подготовленном монтажном месте заниматься сваркой, причём желательно с помощью роботов-автоматов
Тут становится ясно, что постройке базы должны предшествовать разведывательная лунная экспедиция с задачей привязки на местности проекта базы, доставки с Земли механизмов (скреперы-тягачи, экскаваторы–подъёмные краны) и стройматериалов, а также высадка, по-видимому, нескольких, экспедиций для подготовки места строительства (грунтовые работы), дорог, посадочных площадок для приёма грузовых и пилотируемых кораблей и, наконец, для самого строительства. А это означает, что придётся привезти и временную станцию для строителей базы.
В центр информации и управления должны стекаться сведения с Земли, от луноходов с исследователями (которые могут оказаться за сотни километров от базы, то есть далеко за её видимым горизонтом), от сотрудников, находящихся вне герметичных отсеков, телеметрическая информация от бортовых систем базы. Всё это означает, что для осознания оператором текущей ситуации необходима полная автоматическая обработка всей поступающей информации на вычислительных машинах, с выдачей обобщённых оценок в целом и по каждой отдельной системе, по каждому человеку вне базы, наглядное представление результатов обработки на электронных табло и дисплеях, а также рекомендации оператору. Тем самым потребуется создать мощное математическое обеспечение, заменяющее сотни специалистов, которые сейчас в центрах управления полётом анализируют уже предварительно обработанную информацию и готовят рекомендации для руководителей полёта и космонавтов. Конечно, в принципе возможно сохранить сложившуюся схему анализа ситуации на пилотируемых космических аппаратах в полёте и схему принятия решений в наземном центре управления. Но через одно-два десятилетия такая схема, скорее всего, будет признана недостаточно надёжной и слишком дорогой.
Для телефонной и телевизионной связи с луноходами, находящимися за радиогоризонтом базы, можно использовать либо спутники Луны — ретрансляторы, либо связь по цепочке «база — ретранслятор на Земле — луноход, луноход — ретранслятор на Земле — база». Связь через ретранслятор на Земле неудобна тем, что она будет идти с временнóй задержкой около 5 с. По-видимому, придётся использовать оба варианта, так как лунный спутник-ретранслятор не всегда сможет быть в зоне радиовидимости базы и лунохода. Естественно, в центре информации и управления должны быть средства телефонной и видеосвязи со всеми рабочими, жилыми помещениями, а также с внешними объектами (заправочная станция, энергоустановка, посадочные площадки и т. п.). Кроме того, должна быть предусмотрена возможность обзора внешнего пространства и окружающей местности с помощью телевизионных камер.
Проблема энергопитания базы осложняется тем, что двухнедельный день здесь будет сменяться двухнедельной ночью. Поэтому, если систему энергопитания строить на основе солнечных батарей, надо тут же решать вопрос, откуда брать энергию ночью. Даже если предусмотреть для станции режим «спячки», то и в этом случае потребуются аккумуляторные батареи массой во много тонн. К тому же режим «спячки» каждые две недели из четырёх не слишком рационален.
Использование в качестве аккумулирующих устройств электролизеров воды, работающих днём при запасании электроэнергии, и электрохимических генераторов, действующих при отдаче электроэнергии ночью, потребует создания гигантских установок с громадными газгольдерами для водорода и кислорода. Подходящим решением, по-видимому, будет применение небольшой ядерной электростанции (вернее, двух-трёх разнесённых энергоблоков). Энергоблоки должны доставляться на Луну готовыми (но не включёнными) в качестве первоочередного груза при строительстве базы и устанавливаться одними из первых.
Задача системы терморегулирования — обеспечение достаточно комфортных условий для команды по температуре внутри станции и приемлемых для аппаратуры и оборудования в герметичных и негерметичных сооружениях как днём, так и ночью. Теплоизоляция и вынос избыточного тепла на радиатор решат проблему для дневных условий. А вот для ночных потребуется вводить подогрев. Скорее всего, в качестве источника тепла будет использоваться тепло, выделяемое ядерными энергоблоками или изотопными подогревателями. Кроме того, система должна собирать влагу из воздуха внутренних помещений базы.
Высокая стоимость доставки запасов на Луну определяет стремление к использованию по возможности замкнутых систем обеспечения жизнедеятельности. Решить эту задачу во всём объёме нелегко, но полностью замкнутой по воде и кислороду она, безусловно, будет, если использовать электролиз воды, собранной из атмосферы, урины и углекислого газа. При этом придётся привозить около 300 кг обезвоженной пищи и порядка 100 кг расходуемых материалов на каждого человека в год. Такая система должна быть в составе оборудования базы. Конечно, нужно стремиться решить задачу и по замкнутой системе пищи. Потребуются и сложное оборудование, и увеличение энергопотребления, и дополнительные объёмы. Задача создания базы, замкнутой по кислороду, воде и пище, должна включаться в программы работы космической техники на ближайшие десятилетия. Для системы, замкнутой только по воде и кислороду, потребуется порядка 300–400 Вт электроэнергии на каждого члена экипажа (то есть около 2,5 кВт только на одну эту систему). Разумеется, должны также быть аварийные запасы кислорода, воды и пищи.
В состав средств обеспечения жизнедеятельности войдут доставляемые одежда, белье, обувь, сменное оборудование автономных систем жизнедеятельности выходных скафандров, луноходов, тракторов, подъёмных кранов и т. п., медицинское диагностическое и лечебное оборудование, тренажеры для физических упражнений.
База, естественно, должна иметь развитое транспортное оснащение, ведь в её составе будут исследовательские луноходы, грузовики, скреперы, передвижные бурильные установки, экскаваторы и т. п.
Сегодня представляется целесообразным держать в составе базы дежурный эвакуационный корабль, используемый при аварийном развитии событий на станции.
И, наконец, главное: должно быть создано оборудование для научных исследований и разведки.
Серьёзная оценка массы конструкций базы, которую придётся доставлять с Земли, и затрат возможна только после разработки проекта. В качестве предварительных оценочных величин можно назвать такие: масса порядка 100 т и стоимость работ по созданию станции около 100 млрд долларов (или рублей).
Curiosity касается Марса (иллюстрация NASA / JPL-Caltech).МАРСИАНСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ
Зачем? Почему именно сейчас нам нужно это грандиозное предприятие? Убедительных доводов нет. Напротив, легко проглядывается элемент детской логики: «Туда можно добраться — значит, туда нам и нужно!»
И действительно:
— Меркурий: и добраться труднее (требуется большая энергетика), и слишком жарко, и атмосферы нет, и делать вроде бы нечего — та же каменистая пустыня, что и на Луне;
— Венера: на поверхности, мягко говоря, слишком жарко (450–500 °С) и давление совершенно непереносимое (100 атм) — нельзя там высаживаться;
— Юпитер, Сатурн и далее: всё хуже и сложнее — и энергетики потребуется гораздо больше, и сила тяжести выше, а уж об атмосфере лучше и не вспоминать.
А вот Марс — совсем другое дело: сила тяжести на поверхности — 0,4 от земной, атмосфера хотя и разреженная, но всё же есть, да и температурные условия полегче, чем на Луне.
Одним словом, Марс и понятнее и доступнее.
Правда, не очень ясно, зачем посылать туда экспедицию? «Ну а как же? Рано или поздно нам предстоит колонизировать Марс». Но зачем колонизировать Марс? Он явно непригоден для жизни людей. Можно, конечно, представить создание на Марсе базы (когда поймём, если только поймём, зачем она нужна), но в чём необходимость колонизации?..
И всё же есть одна задача, решение которой могло бы оправдать посылку экспедиции на Марс. Речь о поисках жизни на этой планете. Некоторые основания (правда, может быть, ничтожно малые) для надежд на успех имеются: есть остатки атмосферы, на снимках поверхности Марса найдены следы водной эрозии. А вдруг там есть простейшие организмы, простейшая жизнь на уровне, скажем, бактерий или грибков? Интерес представляют, собственно, не сами гипотетические живые организмы, а механизм их воспроизводства. Каков он? Как на Земле (а на Земле с точки зрения устройства этого механизма все мы — и растения, и животные — родственники)? Если механизм одинаков, правдоподобна гипотеза «посева» жизни во Вселенной (это не было бы абсолютным доказательством — экспериментальная точка-то была бы одна). А если эти механизмы окажутся совершенно разными, получила бы существенное подтверждение теория самозарождения жизни.
Конечно, было бы естественным попытаться «отловить» живые организмы с помощью автоматических аппаратов, высаживаемых на Марс. Это и делалось, но пока не получилось. И точек забора проб было слишком мало, и сама методика анализа проб «на жизнь» не очень убедительна.
Продолжением этих работ с автоматическими аппаратами может стать марсианская экспедиция. Её возможными задачами могли бы быть поиск и исследование районов поверхности Марса, где имеются хоть какие-то шансы отыскать признаки жизни, поиски живых организмов или растений, взятие проб грунта (в разных точках поверхности и на разной глубине) и атмосферы, первичное изучение этих образцов на месте (чтобы можно было скорректировать программу исследований при положительных результатах), доставка проб грунта и атмосферы на Землю, изучение поверхности Марса, его строения, его естественной истории...
Технические средства марсианской экспедиции в значительной степени определяются основными операциями, осуществляемыми во время полёта, собственно схемой полёта. Чтобы такой экспедиции естественно принять принципиальную схему американской лунной программы: старт с орбиты спутника Земли, перелёт к Марсу, выход на орбиту спутника Марса, спуск на поверхность планеты экспедиционного марсианского корабля с частью экипажа (остальные остаются на орбите спутника Марса в орбитальном корабле), проведение исследований на поверхности планеты, сбор проб грунта и атмосферы, возвращение экспедиционного корабля на орбиту спутника, его сближение и стыковка с орбитальным кораблём, переход участников высадки на орбитальный корабль, его старт с орбиты спутника Марса к Земле и возвращение экспедиции.
Сразу выделяются две составляющие: орбитальный и экспедиционный корабли. Их облик существенно зависит от количества топлива, которое нужно израсходовать для выполнения динамических операций, связанных с изменением скорости движения аппаратов. Топливо, расходуемое в конкретной динамической операции, определяется величиной требуемого приращения скорости, качеством двигателя и массой корабля. Поэтому при анализе до выбора конструктивной схемы и типа двигателя корабля энергетические затраты обычно характеризуют приращением скорости корабля (по интегратору) на различных этапах полёта.
Для корабля марсианской экспедиции эти затраты ориентировочно выглядят следующим образом.
1. Выведение комплекса с орбиты спутника Земли на траекторию полета к Марсу: 3,6–4 км/с (в зависимости от отклонения от оптимальной даты старта).
2. Затраты на орбитальном корабле:
— выход на орбиту спутника Марса: 0,1–1,5 км/с (в зависимости от способа выхода на орбиту и от её выбранных параметров);
— старт орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле: 0,5–1,5 км/с (в зависимости от параметров орбиты спутника Марса);
— выход на орбиту спутника Земли: 0–3,2 км/с (в зависимости от выбранной схемы возвращения, то есть с прямым входом спускаемого аппарата в атмосферу Земли или с предварительной «остановкой» на орбите спутника Земли).
3. Затраты на экспедиционном корабле:
— сход с орбиты на траекторию спуска и посадка: порядка 0,2–0,3 км/с;
— выведение с поверхности Марса на орбиту спутника: в пределах 5,3–4,2 км/с (в зависимости от параметров орбиты, на которой ожидает орбитальный корабль);
— сближение и причаливание к орбитальному кораблю: 0,1–0,2 км/с.
Из приведённых данных вырисовываются вполне конкретные черты марсианского экспедиционного корабля (МЭК). Сразу можно представить его энергетику и образ.
Двигательных установок у МЭК две. Одна — на посадочном устройстве (для схода с орбиты и посадки), другая — на взлётной ступени (выведение на орбиту, сближение и стыковка с орбитальным кораблём).
Условия работы и большое количество включений двигателей (у управляющих их тысячи) определяют компоненты топлива: высококипящие и самовоспламеняющиеся, то есть в итоге токсичные, такие как, например, пара «азотный тетраксид — несимметричный диметилгидразин». Токсичность компонентов — крупный недостаток, тем более что космонавтам придётся выходить на «политую» ими поверхность планеты.
Да и есть тут что-то непорядочное: являются люди на чужую планету, где ищут жизнь, и начинают с того, что травят район посадки и живые организмы, которые они здесь же ищут. Но прагматические соображения подталкивают к надёжным и удобным для применения токсичным компонентам, да и репутация людей в глазах марсиан давно испорчена: те же компоненты применялись во всех садившихся на Марс автоматах.
Но неплохо бы поискать и нетоксичную пару высококипящих (то есть находящихся в виде жидкости при нормальной температуре), самовоспламеняющихся (для надёжности работы двигателей, включающихся десятки, сотни и тысячи раз), в меру стабильных ударопрочных компонентов. В принципе есть пара, близкая по характеристикам к этим противоречивым требованиям: концентрированная перекись водорода и какое-нибудь нетоксичное углеводородное горючее с присадками, обеспечивающими самовоспламенение с перекисью водорода. При этом нужно будет ещё найти присадки к перекиси водорода (флегматизаторы), которые повышали бы её стабильность.
На посадочном устройстве должно располагаться оборудование, которое понадобится во время спуска и пребывания экспедиции на поверхности, но ненужное при возвращении с Марса на орбитальный корабль: лобовой аэродинамический щит, используемый на основном участке торможения в атмосфере Марса и сбрасываемый после введения парашютной системы, сама парашютная система, лабораторный отсек для внутрикорабельных работ на поверхности Марса, электрогенераторы (скорее всего, изотопные), техника управления посадкой, система терморегулирования посадочного устройства и всего корабля, работающая на поверхности, включая подогреватели (вероятно, изотопные), необходимые во время марсианских ночей (да и марсианских дней тоже), оборудование и запасы систем жизнедеятельности (кислород и вода), шлюз и скафандры для выходов из корабля с необходимым бортовым оборудованием, средства связи, телевизионного обзора внешнего пространства, пульты и устройства отображения получаемой информации, марсоход, позволяющий совершать довольно дальние и длительные экспедиции, со своими системами электропитания, жизнедеятельности, связи, управления, системой терморегулирования и т. п., научное оборудование (атмосферные зонды, буровые установки, анализаторы, термостаты и т. п.).
Тут вырисовывается проблема объёма лабораторного отсека — ведь экспедиция будет работать на поверхности Марса, возможно, несколько месяцев. Иначе говоря, нужно иметь десятки кубометров объёма и отдельные каюты.
Сколько человек должно высадиться? Было бы разумным в районе посадки и на марсоходе вести работы параллельно. Тогда экипаж экспедиционного корабля должен состоять из четырёх космонавтов (в каждой команде по два человека — для дублирования). Если стремиться к минимуму, можно ограничиться двумя, которые то работают на месте посадки, то ездят на марсоходе. Последний вариант кажется не очень убедительным: лететь за тридевять земель, чтобы ограничиться минимальной деятельностью?.. Да и безопасность такой схемы сомнительна. Но есть компромисс: иметь не один, а два марсианских экспедиционных корабля — один с большим лабораторным отсеком для работ в месте посадки, а другой с марсоходом. Их приземление должно быть разнесено по времени, что позволит использовать второй экспедиционный корабль для оказания помощи первому в случае необходимости. А экипаж каждого — два человека.
Экспедиционный корабль стартует с Марса без посадочного устройства. В его состав, помимо взлётной ракетной системы, должны входить кабина, аппаратура управления, связи, телеметрии, терморегулирования, электропитания (скорее всего, на химических источниках тока — время автономного полета без посадочного устройства невелико), средства обеспечения жизнедеятельности экипажа и стыковочное устройство.
Проблема связи экспедиционного корабля с орбитальным может преподнести неприятный сюрприз: разве это дело, что связь между ними будет осуществляться только два раза в сутки? И дело ещё более усложнится, если вспомнить о необходимости связи между экспедиционным кораблем и марсоходом, после того как последний уйдёт за горизонт. Проблему можно решить, если оставить орбитальный корабль на марсостационарной орбите. При этом орбитальный корабль висел бы неподвижно над Марсом, а его положение можно выбрать над точкой высадки. Тогда естественным образом обеспечивалась бы непрерывная связь орбитального корабля и с экспедиционным, и с марсоходом, а значит, и между ними (через орбитальный корабль). Такой вариант неплохо увязывается со схемой, в которой используется орбитальный корабль с электрореактивными двигателями.
Объём кабины экспедиционного корабля на двоих может быть весьма малым — порядка 3–4 куб. м.
Для орбитального корабля и связанных с ним проблем выведения на траекторию полёта к Марсу и выведения с орбиты спутника Марса на траекторию полёта к Земле такой определённости, как для экспедиционного, нет. Можно предложить два основных варианта решения задач выведения: использование электрореактивных двигателей и применение жидкостных реактивных двигателей.
В случае электрореактивных двигателей орбитальный корабль представляет собой единое целое с двигательной установкой. На этапах полёта от орбиты спутника Земли и до выхода на орбиту спутника Марса в его состав будет входить также марсианский экспедиционный корабль. Схема полёта марсианской экспедиции в этом случае выглядит так:
— разгон с низкой околоземной орбиты на стартовую высокую орбиту (за радиационными поясами), во время которого корабль движется два-три месяца в радиационных поясах Земли без экипажа (что связано с низкой тяговооружённостью кораблей с электрореактивными двигателями);
— выведение экипажа на стартовую высокую орбиту на специальном транспортном корабле, его сближение с орбитальным кораблём марсианской экспедиции, причаливание, переход экипажа в орбитальный корабль, отделение транспортного корабля;
— дальнейший разгон орбитального корабля на траекторию полёта к Марсу с помощью тех же электрореактивных двигателей;
— переход на орбиту спутника Марса за счёт тех же электрореактивных двигателей;
— ожидание на орбите возвращения экспедиционного корабля;
— старт с орбиты спутника Марса на траекторию полёта к Земле;
— прямой спуск экипажа экспедиции на Землю и выведение орбитального корабля без экипажа на околоземную орбиту вновь за счёт электрореактивных двигателей.
Схема характерна большими энергозатратами, так как при разгоне и торможении при сходе с орбиты спутника планеты или переходе на орбиту спутника с малой тягой величина скорости, описывающей энергозатраты, приблизительно удваивается. Поэтому если при использовании обычных химических РД с тяговооружённостью около единицы суммарная характеристическая скорость составит 4,5–7,3 км/с (включая затраты на уход с орбиты спутника Земли), то для корабля с электрореактивными двигателями эта величина равна 9–14 км/с (в зависимости от оптимальности дат старта и параметров орбиты марсианского спутника). Само по себе это не страшно: недостаток компенсирует высокая скорость реактивной струи. В электрореактивных двигателях можно получить скорость истечения порядка 50 000–100 000 м/с вместо 4 600 м/с даже в кислородно-водородных жидкостных двигателях. Поэтому топливо для этих операций у корабля с электрореактивными двигателями будет от 9 до 24%, а у комплекса с ракетными ступенями на химическом топливе — 63–80% от стартовой массы на орбите спутника Земли. В этом соотношении видно самое важное преимущество электрореактивных двигателей: увеличение конечной массы корабля (или массы марсианского экспедиционного корабля) слабо влияет на увеличение стартовой массы и, следовательно, на общее усложнение предприятия при его разработке и создании.
Правда, корабли с электрореактивными двигателями имеют принципиальные недостатки: отсутствует опыт многолетней эксплуатации таких двигателей, нужна мощная бортовая энергоустановка, ресурс работы самих электрореактивных двигателей должен исчисляться тысячами часов.
Для стартовой массы комплекса около 250–300 т корабль должен иметь электростанцию мощностью 7–10 МВт с массой в 70–100 т.
Обычно в таких случаях рассматривались ядерные электростанции, но тогда ко всем осложнениям прибавлялась проблема радиационной защиты экипажа и оборудования при её приемлемой массе. Причём задача усугубляется тем, что её нужно решать не только во время полёта комплекса в целом (когда жилые отсеки и ядерный реактор неподвижны друг относительно друга, и, следовательно, можно ограничиться теневой защитой), но и на участках, когда экспедиционный корабль уходит от орбитального и приближается к нему.
Корабль с ядерной электростанцией и электрореактивными двигателями можно представить в виде ряда составных частей, последовательно располагающихся вдоль его продольной оси: ядерная энергоустановка (ЯЭУ), включающая в себя реактор, теневая защита, экранирующая остальную часть конструкции и жилые отсеки от радиации ЯЭУ, электрореактивные двигатели с системой подачи рабочего тела к ним, бак с рабочим телом, ферма, соединяющая ЯЭУ с отсеками корабля, радиатор системы терморегулирования ЯЭУ для отвода тепла, не использованного в преобразователях, которые преобразуют тепло, выделяемое в реакторе в электроэнергию (геометрически это самая большая часть корабля), отсеки орбитального корабля, спускаемый аппарат, применяемый при возвращении на Землю, и экспедиционный корабль.
Преимущество этой схемы для марсианской экспедиции в том, что комплекс вытянут вдоль продольной оси, центр масс находится в районе соединительной фермы, кроме того, сравнительно просто может быть реализована искусственная тяжесть в жилых отсеках путём вращения комплекса вокруг оси, перпендикулярной они продольной (если, конечно, будет признано целесообразным наличие искусственной силы тяжести для экипажа марсианской экспедиции, которая может продолжаться 2–3 года).
Энергопроблемы могут существенно измениться, если использовать не ядерную установку, а солнечные батареи. Для мощности в 7–10 МВт потребуются солнечные батареи площадью около 10 000 кв. м. Солнечные батареи смогут конкурировать с ЯЭУ только в том случае, если масса ферменных конструкций и самих солнечных элементов, приходящаяся на один киловатт получаемой электроэнергии, не будет превосходить 7–10 кг. Эта задача может быть решена, если будут созданы плёночные солнечные батареи с массой 100–200 г на кв. м и с коэффициентом полезного действия порядка 5–7%. Таким образом, плёночные батареи могут понадобиться для марсианской экспедиции, солнечных орбитальных электростанций и орбитальных заводов. Вот одна из самых актуальных задач для современной техники.
Для варианта марсианской экспедиции с использованием только реактивных двигателей на химическом топливе очень важен выбор самой оптимальной по энергетике схемы полета.
Вот какой может быть эта схема:
— выведение на низкую околоземную монтажную орбиту кораблей экспедиции и доставка к комплексу марсианских кораблей экипажа с помощью транспортного корабля;
— выведение на монтажную орбиту водородно-кислородной разгонной ракеты (предназначенной только для выведения кораблей экспедиции на траекторию полёта к Марсу) и её стыковка с кораблями экспедиции;
— старт к Марсу (с отстыковкой разгонной ракеты после окончания её работы) в наиболее оптимальную дату, с тем чтобы ограничиться скоростью ухода с околоземной орбиты порядка 3,7–4,0 км/с;
— переход на сильно вытянутую эллиптическую орбиту спутника Марса практически без расхода топлива, за счёт торможения кораблей в атмосфере Марса (во время движения в атмосфере корабль придётся защищать от нагрева тепловым экраном);
— отделение экспедиционного корабля, его спуск, работа на Марсе, возвращение на орбиту, сближение и стыковка с орбитальным кораблем, переход экспедиционеров в орбитальный корабль, отделение экспедиционного корабля;
— отлёт орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле с помощью маршевого двигателя объединённой двигательной установки орбитального корабля;
— при подлёте к Земле переход экипажа в спускаемый аппарат, вход его в атмосферу Земли со второй космической скоростью и приземление.
Чтобы как-то представить общие масштабы комплекса, назовём следующие величины: при общей массе орбитального и экспедиционного кораблей с их двигательными установками и топливом порядка 120 т масса комплекса может достичь 300 т.
Если экипаж экспедиции, высаживаемой на Марсе, состоит из четырёх человек, то общий состав марсианских путешественников должен включать не менее шести космонавтов.
Бортовые системы и вычислительные машины орбитального корабля должны обеспечивать управление и навигацию в полёте, связь с Землёй, с экспедиционным кораблём, с марсоходом, между экспедиционным кораблём и марсоходом — через орбитальный корабль, и т. д.
Чтобы минимизировать массу корабля при столь долгом полёте с целью обеспечения жизнедеятельности понадобится система, замкнутая по кислороду и воде.
Длительный полёт экспедиции вдали от Земли без возможности оказания прямой помощи космонавтам ставит вопрос об экспедиции из нескольких кораблей, которые помогали бы друг другу и в то же время не дублировали программы своих работ.
Спутник на геостационарной орбите (иллюстрация Corbis).БАЗА НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ
База на геостационарной орбите (ГСО) может использоваться для обслуживания автоматических геостационарных платформ, спутников связи, ретрансляторов телевещания и метеорологических спутников, размещаемых на ГСО, для наблюдения поверхности Земли в интересах экологического контроля и исследований природных ресурсов, для метеонаблюдений, астрофизических исследований, а также для строительства солнечных электростанций. Создание базы на ГСО выглядит сегодня не очень насущным, но к её созданию может подтолкнуть развитие технических средств связи и телеретрансляторов, равно как и возникновение многоцелевых платформ на геостационарной орбите. Остальное (связь, телевидение, радиотелескопы и т. п.) — попутные цели: появится база — появится необходимость её использования для других задач.
В состав базы можно было бы включить орбитальный блок; внешнюю платформу, заправочную станцию, орбитальный транспортный аппарат для перелётов космонавтов и доставки грузов к обслуживаемым аппаратам и платформам. Кроме того, она должна иметь транспортный пилотируемый корабль (для доставки экипажей на базу и для их возвращения) и многоразовые грузовые транспортники (для доставки грузов с низкой орбиты на базу).
При использовании современных одноразовых средств выведения на орбиту (исходя из стоимости выведения на низкую орбиту около $5 000 за кг) стоимость полёта на базу корабля массой около 7 т (с учётом массы двигательной установки с топливом, необходимой для возвращения на Землю) будет равна $250–350 млн, в зависимости от использования носителя, плоскости орбиты выведения на промежуточную орбиту и компонентов ракетной ступени, выводящей корабль с промежуточной орбиты на ГСО. Это очень много. Поэтому нужно стремиться к минимальному составу экипажа на станции и к довольно долгой вахте. Можно было бы ориентироваться на экипаж базы из трёх человек и работу смены в течение года.
Базу на ГСО можно строить либо как единую конструкцию, подобную станции «Мир» или проекту «Фридом», либо как станцию-облако, состоящую из отдельных модулей: орбитальный блок с платформой (основной модуль) и заправочная станция. В последнем варианте заправочная станция дрейфует в интервале 10–50 км от основного модуля станции.
Орбитальный блок должен располагать по меньшей мере тремя стыковочными узлами — для пилотируемого, грузового и резервного кораблей. Все внутренние помещения, думаются, могу разместиться в объёме 150–200 куб. м (цилиндр с диаметром около 4 м и длиной 12–15 м).
В состав аппаратуры управления и связи, размещаемой внутри, будут входить бортовые вычислительные машины, гироскопические датчики и акселерометры, радиолокационные приёмники-ответчики, используемые при сближении кораблей с орбитальным блоком, аппаратура связи с Землёй (прямой и через спутники-ретрансляторы), транспортным аппаратом, космонавтами, выходящими в открытый космос, радиотелескопом и заправочной станцией, аппаратура обработки телеметрической информации, пульты, органы ручного управления, приборные доски, дисплеи и экраны для отображения получаемой информации, а также телевизионная аппаратура.
Учитывая стоимость доставки грузов, ориентироваться следует на систему, полностью замкнутую по воде и кислороду, которая использует для своего функционирования расходуемые материалы в виде заменяемых в процессе работы элементов оборудования. Обезвоженная пища, бельё, одежда будут доставляться грузовыми кораблями. Масса этих материалов может достигать 2–3 т в год при ожидаемом общем грузопотоке на базу около 15–20 т в год (напомним, что грузопоток на станцию «Мир» равен 10–15 т в год). Основная часть грузов — это оборудование для регламентных работ, приборы и агрегаты, требующие замены, новое научное оборудование, топливо и т. п.
Снаружи орбитального блока будут размещаться платформа, двигательная установка, солнечные батареи, радиатор системы терморегулирования, оптические датчики системы ориентации орбитального блока и солнечных батарей, антенны и силовые гироскопы системы ориентации. Использование силовых гироскопов в орбитальном блоке определяется, с одной стороны, тем, что он будет постоянно ориентирован антеннами связи на Землю (то есть, по сути, нужно будет только поддерживать ориентацию), а с другой — тем, что необходимо использовать безрасходную систему ориентации (по тем же соображениям экономии расходуемых материалов, доставляемых с Земли). Размещение силовых гироскопов вне герметичных помещений связано не только с тем, что маховики должны вращаться в вакууме (чтобы избежать вентиляционных потерь), но главным образом для того, чтобы вынести источник шума из герметичных помещений.
Платформа представляет собой ферменную конструкцию для размещения направленных антенн связи и ретрансляции, оптических приборов, работающих в различных спектральных диапазонах, которые предназначены для наблюдения за поверхностью Земли и атмосферой.
Задача двигательной установки — выход базы в выбранный район на ГСО и её перемещение в другую точку, в случае возникновения такой необходимости. Кроме того, она может быть использована для удержания базы-облака от «разбегания» при поломке одного из модулей системы поддержания такого положения относительно основного блока. То есть в состав ДУ войдут корректирующий маршевый двигатель, двигатели для управления и координатных перемещений, баки с топливом, баллоны наддува баков и пневмогидроарматура. В качестве компонентов естественно использовать пару типа диметилгидразин — азотный тетраксид.
В варианте базы-облака заправочная станция представляет собой самостоятельный автоматический космический аппарат. Поэтому она должна иметь в своём составе весь набор служебных систем, обеспечивающих её существование, управление и ориентацию (в том числе радиолокатор для измерения дальности и радиальной скорости относительно основного блока базы, а также силовые гироскопы в качестве управляющих органов), связь, терморегулирование, электропитание, системы обеспечения жизнедеятельности, включаемые при посещении их космонавтами, и двигательную установку.
Аппарат для перелётов между объектами обслуживания базы представляет собой орбитальный корабль, способный работать как в пилотируемом режиме, так и в беспилотном. В последнем случае корабль может использоваться для простейших операций обслуживания — скажем, для заправки. Для более сложных действий, связанных с заменой или ремонтом приборов и оборудования обслуживаемого аппарата, в полёт на этом корабле отправляется экипаж. Корабль обслуживания не имеет спускаемого аппарата. Зато всё остальное должно быть: аппаратура управления и связи, энергопитания с использованием солнечных батарей, системы терморегулирования и жизнеобеспечения, ДУ с маршевым и управляющими двигателями, а также стыковочный узел. Кроме того, тут должны быть установлены средства заправки обслуживаемых аппаратов: ёмкости для компонентов заправки, баллоны наддува, компрессорная установка (для перекачки газа наддува из баков заправляемой двигательной установки в её баллоны) и пневмогидроавтоматика. Естественно, что аппараты, которые станут «клиентами» базы на ГСО, должны иметь унифицированные компоненты, пневмогидросхемы своих двигательных установок (хотя бы в части заправки и обеспечения безопасности) и стыковочные устройства.
Пилотируемый транспортный корабль (ПТК) может состоять из трёх частей: спускаемого аппарата, отсека оборудования с тормозной двигательной установкой и разгонной ракетной ступени.
В спускаемом аппарате размещается экипаж, оборудование, необходимое на участке возвращения на Землю, аппаратура и органы управления, необходимые космонавтам в полёте. Спускаемый аппарат снабжён тепловой защитой.
В отсеке оборудования размещаются: аппаратура управления и связи, системы электропитания, терморегулирования, запасы систем жизнедеятельности и тормозная двигательная установка. Последняя предназначена для выдачи тормозного импульса, обеспечивающего переход с ГСО на эллиптическую орбиту возвращения к Земле (при спуске в экваториальной плоскости требуемое изменение скорости равно примерно 1,5 км/с), для коррекции траекторий движения, для осуществления управления ориентацией и координатными перемещениями при сближении и причаливании. Поскольку ДУ должна быть готова к работе длительное время (предполагается, что пилотируемый корабль остаётся «на дежурстве» в составе базы на всё время пребывания на базе доставленного им экипажа), естественно применить на ней высококипящие самовоспламеняющиеся компоненты.
Задача разгонной ракетной ступени — вывод корабля с низкой околоземной орбиты на переходную эллиптическую (при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости составляет около 2,5 км/с), а затем, в ее апогее, перевод корабля на ГСО (опять же при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости равно 1,5 км/с). Четыре километра в секунду — это большая энергетика. Поэтому представляется разумным использовать в разгонной ракетной ступени в качестве компонентов кислород и водород. Для столь экономичного варианта стартовую массу этого корабля на низкой околоземной орбите можно оценить в 50 т. Если принять стоимость изготовления корабля за $50 млн, а стоимость доставки на орбиту полезного груза за $5 000 за кг (вдвое ниже, чем при доставке полезного груза не шаттле), то при одноразовой конструкции корабля мы получим затраты на каждую смену экипажа базы ГСО в $300 млн.
Можно ли сократить расходы на смену экипажа за счёт создания и использования многоразового пилотируемого транспортного корабля для полётов с низкой промежуточной орбиты на ГСО и обратно?
Такой корабль можно представить себе состоящим из кабины экипажа, отсека оборудования с тормозной ракетной двигательной установкой (работающей на высококипящих компонентах), разгонной ракетной ступени на кислороде и водороде, а также тормозного/теплозащитного аэродинамического экрана.
Такой многоразовый корабль (МПК ГСО), не имеющий спускаемого аппарата, мог бы работать по следующей схеме:
— тормозная двигательная установка МПК ГСО, пристыкованного к низкоорбитальной станции обслуживания, заправляется высококипящими компонентами;
— очередная смена космонавтов выводится с Земли на транспортном корабле, совершающем рейсы «Земля — низкоорбитальная станция обслуживания — Земля», который сближается и пристыковывается к этой станции;
— производится заправка МПК ГСО жидким кислородом и жидким водородом, смена космонавтов переходит в МПК ГСО;
— МПК ГСО отделяется от станции обслуживания, включается двигатель его разгонной ступени, и он переходит на эллиптическую орбиту полёта на ГСО;
— в апогее эллиптической орбиты вновь включается двигатель разгонной ступени, и корабль переходит на ГСО в районе нахождения базы;
— корабль производит сближение и стыковку с орбитальным блоком базы за счёт тормозной двигательной установки корабля;
— экипаж переходит в орбитальный блок базы и приступает к работе.
Когда через полгода-год заканчивается смена, экипаж переходит в МПК ГСО, корабль отделяется от орбитального блока базы, включает тормозной двигатель и переходит на эллиптическую орбиту спуска. Затем:
— осуществляются коррекции эллиптической орбиты, чтобы войти в нужный коридор по высоте для торможения в атмосфере;
— корабль входит в плотные слои атмосферы, его система управления за счёт использования аэродинамической подъёмной силы экрана корректирует движение в атмосфере таким образом, чтобы после торможения и выхода корабля из атмосферы апогей получившейся орбиты оказался примерно равным высоте орбиты станции обслуживания;
— когда корабль приходит в апогей получившейся орбиты, включается двигательная установка и производится подъём перигея орбиты корабля до высоты орбиты станции обслуживания;
— корабль сближается и причаливает к станции обслуживания;
— экипаж переходит в транспортный корабль, совершающий рейсы «Земля — орбита — Земля», а МПК ГСО подготавливается на станции обслуживания к следующему рейсу.
Если принять ту же стоимость доставки топлива нам орбитальную станцию ($5 000 за кг), то переход к многоразовому кораблю может сократить расходы на смену экипажа базы примерно вдвое. Но нужно ещё принять во внимание расходы на полёт пилотируемого транспортного корабля по трассе «Земля — орбита — Земля» и ту долю расходов на низкоорбитальную станцию обслуживания, которая будет отнесена на счёт МПК ГСО. Так что выигрыш может быть не столь существенным.
Но будущее всё же, наверное, за многоразовыми системами. На них и нужно ориентироваться. А решительного сокращения транспортных расходов можно добиться только при последовательном применении принципа многоразовости и лишь при создании действительно экономичной многоразовой транспортной системы, обеспечивающей доставку грузов на низкую околоземную орбиту ценой в $100 за кг.
Как уже говорилось, базе ГСО понадобятся около 20 т грузов в год. Доставка такого количества с помощью одноразовых грузовых кораблей обойдется примерно в $500 млн (при работе в плоскости экватора). Поэтому следует оценить целесообразность создания многоразового грузового транспортного корабля.
Этот представляется в виде многоразового буксира с электрореактивными двигателями, получающими электроэнергию от солнечных батарей. При массе буксира в 30 т, из которых 10–12 т будет топливо, он сможет транспортировать на базу ГСО 10 т грузов, то есть на килограмм полезного груза будет расходовать около килограмма своего топлива. Таким образом, доставка 20 т грузов на базу ГСО будет обходиться в $200–250 млн (даже при принятой для оценок стоимости выведения грузов на низкую околоземную орбиту в 5 000 долларов/кг). У такого буксира, правда, есть один крупный недостаток: неоперативная доставка, так как его полёт с низкой орбиты на ГСО будет продолжаться несколько месяцев.
По этой же причине, а также потому, что он будет долго двигаться в радиационных поясах, корабль с электрореактивными двигателями едва ли применим для доставки экипажей на ГСО (людям пришлось бы по два месяца сидеть в маленьком радиационном убежище).
Стэнфордский тор (здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons).КОСМИЧЕСКИЕ ПОСЕЛЕНИЯ
Земля перенаселена. Экологические проблемы, вставшие перед нами в конце XX века, — это не только следствие безответственного отношения к природным ресурсам и безрассудного ведения промышленной и сельскохозяйственной деятельности, но и того, что людей стало слишком много. Может быть, именно поэтому старая идея о нашем расселении в космосе вновь актуальна? С 1970-х появляются всё новые и новые предложения о создании космических колоний.
Один из самых ярких проектов принадлежит Джерарду О'Нилу. Вместе с группой энтузиастов он разработал несколько типов космических поселений, отличающихся размерами, с населением от 10 тыс. до 20 млн человек. В последнем случае колония представляет собой два параллельных цилиндра, соединённых рамой, каждый из которых имеет диаметр 6,4 км и длину 12 км. Цилиндры вращаются вокруг своей оси со скоростью 0,53 оборота в минуту, что приводит к появлению центробежного ускорения на внутренней поверхности цилиндров, где обитают жители, равного нормальному ускорению силы тяжести на Земле.
Цилиндры вращаются в противоположных направлениях для компенсации их кинетического момента, с тем чтобы он не мешал ориентировать поселение. Оси цилиндров ориентируются на Солнце. Часть стенок (примерно половина) прозрачна, и косо поставленные цилиндрические зеркала направляют свет от Солнца внутрь цилиндров. Длина зеркал равна длине цилиндра, а ширина соответствует ширине «окон». Энергоснабжают поселение тепловые электростанции, получающие энергию от Солнца с помощью двух параболических зеркал, которые расположены на концах цилиндров, противоположных направлению на Солнце. На торцах цилиндров со стороны Солнца есть причалы для кораблей.
Внутри цилиндров создана нормальная земная атмосфера. Там проложены основные транспортные магистрали, сооружены жилые помещения, заводы, общественные здания, магазины и т. д. Всё это размещается под общей холмистой крышей (крыша со стороны оси цилиндра — верх для жителей — ось цилиндра). Крыша покрыта грунтом, тут растут деревья и трава, на которой ведутся сельхозработы; всюду проложены прогулочные дороги, размещены пруды и озёра. Одним словом, над жилыми и производственными помещениями воспроизводится земной ландшафт. В поселении осуществляется замкнутый кругооборот жизненного цикла с использованием как биологических, так и химико-механических методов. Строительные материалы, сырьё, азот, углерод, водород доставляются с Земли, Луны, астероидов и т. п. Плотность населения — около 30 тыс. человек на квадратный километр, что примерно в три раза выше, чем плотность в Москве. Таким образом, каждый цилиндр — это город типа Нью-Йорка или Москвы с населением 10 млн, только почти все жилые и производственные здания убраны здесь под землю.
Масса поселения — порядка 10–15 млрд тонн. Откуда взять такое количество строительных материалов, верно? Авторы проекта предлагают брать материал с Луны. Это предложение в какой-то степени связано с местом для поселения. Его предлагается разместить в четвёртой или в пятой точке Лагранжа системы Земля — Луна, расположенных на орбите Луны на равном расстоянии от Земли и естественного спутника. Лагранж, напомним, показал, что тело, помещённое в одну из этих точек, будет сохранять устойчивое положение в системе Земля — Луна. Эта особенность точек Лагранжа может, по мысли проектировщиков, несколько облегчить доставку материалов с Луны к месту строительства.
Добыча, доставка и переработка материалов представляется следующим образом. На Луне создаются горно-добывающая и горно-обогатительная промышленность с высоким уровнем автоматизации. Полезная порода перерабатывается до нужной кондиции и засыпается в стандартные «ковши», которые поступают на электромагнитную катапульту. Поскольку здесь нет атмосферы, то весь разгон происходит на поверхности Луны. Линейный синхронный электрический двигатель (который и является катапультой) разгоняет ковши с породой до нужной скорости, а затем переключается в режим торможения. В сторону движения ковш открыт, а потому при переходе двигателя в режим торможения подготовленная порода вылетает в направлении разгона. Направление и скорость подбираются таким образом, чтобы порода «прилетела» во вторую точку Лагранжа (расположенную по линии Земля — Луна со стороны, противоположной Земле). Там её собирают «перехватчики» и на грузовых кораблях с электрореактивными двигателями отправляют к месту строительства. На Луне же двигатель тормозит ковши до нулевой скорости, они направляются за следующим грузом и приступают к очередному циклу разгона.
Если исходить из срока строительства в 15 лет, то с Луны за год нужно отправлять порядка 1 млрд т обработанной породы (30 т/с при непрерывном «выбросе»). А если мы хотим стабилизировать население Земли за счёт непрерывной эмиграции в космос, то при приросте в 50 млн человек в год потребуется отправлять с Луны около 40 млрд т в год (1 300 т/с!). Но это существенно больше, чем всё, что добывается сейчас на Земле.
В месте строительства, в вакууме должны быть созданы склады для сырья, полуфабрикатов, готовой продукции, горно-обогатительные, металлургические и иные заводы. Производительность этой промышленной космической страны (существующей для того, чтобы своевременно вводить «жильё» для подрастающего человечества) должна составлять порядка 30–40 млрд т продукции в год, то есть примерно столько же, сколько перерабатывает и производит промышленность всей Земли.
Другой проект под названием «Стэнфордский тор» (разрабатывался в Стэнфордском университете в США) предполагает строительство космических поселений в виде торов диаметром 1,6 км, при диаметре поперечного сечения порядка 150 м. Это поселение, предназначенное для жизни 10 тыс. человек, представляет собой плотно застроенный город в виде одной замкнутой улицы со сплошной стеной домов и зданий по обе её стороны.
Тор вращается вокруг своей оси симметрии для обеспечения силы тяжести. Парящее над ним зеркало (с диаметром, равным примерно диаметру тора) отражает солнечное излучение на кольцевое зеркало, вращающееся вместе с тором, которое и направляет их через кольцевые «окна» внутрь тора.
Вдоль оси тора размещаются оборудование, причалы и производство. Давление воздуха в торе равно 0,5 атм при нормальном для Земли парциальном давлении кислорода.
За счёт меньших размеров по «высоте» и «ширине» обитаемого пространства конструкции поселения в этом проекте примерно на порядок легче, правда, и на человека тут приходится на порядок меньший объём. Но даже и в этом варианте легко видеть, что создание космических поселений не может решить проблему перенаселённости Земли. В принципе, столь грандиозные работы можно было бы представить, если бы человечество обзавелось специально созданными для жизни в космосе вполне разумными существами-роботами, которые могли бы сами проектировать и строить всё что угодно и где угодно, одновременно принимая от людей поручения и послушно их выполняя.
Но даже если построить такие поселения, потянётся ли в них люди? Всю жизнь просидеть в банке... Пусть даже очень большой — диаметром 150 м... Тут простор для психологов. Можно даже придумать какую-нибудь «баночную» веру, но ведь просуществует ли она вечность?
Космические поселения для туристов, нечто вроде космического Лас-Вегаса? Вот это вполне можно представить, и такие колонии когда-нибудь появятся.
Словом, вряд ли космические поселения спасут нас от экологической катастрофы и перенаселённости. Человечество должно наконец-то повзрослеть, перестать хвастаться своей плодовитостью. Не силовыми способами, не ограничительными законами, а осмыслением уже определившегося положения мы все и каждый человек в отдельности должны прийти к однозначному решению: надо как-то прекратить рост населения Земли.
В нашем сознании должна утвердиться естественная этическая норма: каждая женщина не должна иметь более двух детей. Если все примут эту норму, рост населения прекратится, у нас появится реальный шанс предотвратить экологическую катастрофу.
Иллюстрация Mike Agliolo / Corbis.ПОЛЁТ К ЗВЁЗДАМ
Почти с первых шагов космонавтики стало ясно, что Солнечная система находится в пределах досягаемости космических аппаратов и кораблей, которые могут быть созданы при современном уровне техники, и, следовательно, люди способны если не высадиться, то хотя бы добраться до любой из её планет. Но одновременно стало проясняться, что здесь, «дома», в Солнечной системе, скорее всего, ничего необычного мы не найдём. Маловероятно, чтобы по данным, полученным в путешествиях по Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперёд в понимании физической картины мира, в котором живём.
Значит — звёзды и звёздные корабли. Какие проблемы нужно решить, чтобы звёздные полёты стали реальностью? Первая проблема — время. Даже если бы мы смогли построить звёздный корабль, который сможет лететь со скоростью, близкой к световой, время путешествий по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр её — около 100 тыс. световых лет.
Что останется даже от «замороженных» космонавтов к концу путешествия? Или от зародышей? Да и допустимо ли решать судьбу ещё не родившихся людей? И даже если решить эту проблему, после путешествия космопроходцы вернутся в совершенно чуждый им мир. Полёт к звездам всегда будет не путешествием, а дорогой в одну сторону. Для окружающих, родных и друзей это будет чем-то близким к самоубийству.
Вторая проблема — опасные потоки газа и пыли. Пространство между звёздами не пусто. Везде есть остатки газа, пыли, потоки частиц. При движении корабля со скоростью, близкой к скорости света, эти остатки создадут поток высокой энергии, который будет воздействовать на корабль и от которого невозможно защититься. Воздействие этого потока приведёт к испарению любого защитного экрана и к недопустимо высокой радиации.
Третья проблема — энергетика. Если в ракетном двигателе использовать самую эффективную термоядерную реакцию, то для путешествия в оба конца со скоростью порядка скорости света, даже при идеальной конструкции, требуется отношение начальной массы к конечной не хуже 1030, что нереально.
Что же касается создания фотонного двигателя, использующего аннигиляцию материи, то здесь пока наблюдаются только проблемы и не видно решения. Тем не менее попробуем представить себе галактический фотонный корабль, способный лететь со скоростью, достаточно близкой к скорости света, чтобы снять проблемы времени. Собственное время полёта космонавтов туда и обратно в путешествии на расстояние порядка половины диаметра нашей Галактики при оптимальном графике путешествия (непрерывный разгон, а затем непрерывное торможение) составит (по часам на корабле) 42 года. А по часам на Земле пройдёт 100 тыс. лет.
Предположим, что мы добились идеального процесса при строительстве фотонного двигателя и что сделали идеальную конструкцию с нулевой массой баков (чего, конечно, быть не может, но это только означает, что на самом деле результаты будут значительно хуже). Давайте теперь оценим некоторые параметры такого сверхкорабля.
Отношение начальной массы к конечной составит 7×1018. Это означает, что при массе жилых и рабочих помещений и оборудования (то есть всего, что везёт корабль) всего в 100 т стартовая масса равна 1021 т. Это больше массы Луны. Причём половина этой массы — антивещество.
Чтобы обеспечить ускорение, равное g, двигатель должен развить тягу, в 1024 кгс. Для её получения в фокусе зеркала фотонного двигателя нужно разместить источник излучения (работающий за счёт реакции аннигиляции) с мощностью порядка 1040 эрг/с. Напомним, что мощность излучения нашего Солнца равна примерно 4×1033 эрг/с. Таким образом, в фокусе зеркала фотонного двигателя нужно зажечь миллионы Солнц!
Параметры фотонного корабля были бы существенно лучше, если мы могли создать гипотетический корабль с прямоточным фотонным двигателем, который вёз бы с собой только антивещество. Но и в этом случае оценка показывает необходимость достижения невозможных результатов: в фокусе зеркала даже такого двигателя придётся зажечь сотни Солнц. И при этом останутся проблемы времени и защиты от потоков газа и частиц.
Из сегодняшних представлений о мире складывается впечатление: нельзя решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света. Похоже, бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
Нужно найти способ межзвёздных путешествий, не связанный с необходимостью транспортировки материального тела. Там мы приходим к идее, давно используемой в фантастике (что само по себе не должно смущать, так как глубокие идеи не раз высказывались впервые именно в фантастической литературе), о путешествиях разумных существ в виде пакета информации.
Электромагнитные волны распространяются практически без потерь во всей наблюдаемой Вселенной. Возможно, в этом и есть ключ к межзвёздным полётам. Если не впадать в мистику, следует признать, что личность современного «органического» человека нельзя отделить от тела. Но можно представить себе специально сконструированного человека, у которого личность может отделяться от тела, аналогично тому, как математическое обеспечение может быть отделено от конструкции ЭВМ.
Если пакет информации, суть полное описание личности человека, его индивидуальности, может быть переписан с его полей оперативных операций и запоминающих устройств, то, стало быть, его, этот пакет, можно передать по радиолинии на приёмную станцию назначения, а там переписать в стандартный материальный носитель (или выбираемый по прейскуранту, или...), в котором путешественник уже на месте сможет жить, действовать и удовлетворять своё любопытство.
Во время передачи такого пакета человек не живёт. Чтобы он мог жить, его личность, его информационный пакет должен быть размещён в материальном носителе. Его личность, если угодно, его дух, может существовать только на материальных полях операций и запоминающих устройств.
Такой способ решения задачи о полёте к звёздам стал бы реализацией сюжетов не только современной фантастики, но и древних мифов, сказок, преданий (о вознесениях на небо и свержениях в ад, о летающей посуде, о переселениях душ, о мирах, где люди то появляются, то исчезают), но и снял бы философские споры о сути человека, о бренности телесной оболочки и сути бытия. Что есть человек? Что есть истина?..
Интересно, что философы в разные времена путём логического анализа (основанного не на знании) приходили ко вполне современным представлениям о соотношении между сутью и телом человека. Жизнь человека — это жизнь его души, это бьющаяся в беспомощных усилиях мысль о себе («что я»?), о мире вне себя и в себе, эстетическое наслаждение красотой и отторжение примитива и неправды, это свобода мысли и анализа. Мы здесь, мы живём, пока способны размышлять, оценивать, перерабатывать информацию и генерировать её. Остальное во мне, моё тело — для обслуживания.
Головной мозг — это поле математических операций над символами, числами, понятиями, правилами и алгоритмами. Эти операции обеспечивают синтез поступающей информации и её анализ. Сложившиеся в данном человеке алгоритмы обработки, анализа и оценки информации определяют его эстетику и самовосприятие, определяют его ощущение собственного существования. Конечно, эти операции выполняются по определённым для данного человека правилам. Эти правила постепенно формируются в мозгу человека (в результате его опыта получения и переработки информации, его опыта собственной деятельности и её оценки) и записываются на полях математических операций и на запоминающих устройствах его мозга. Причём с течением жизни эти правила могут совершенствоваться, меняться (как меняется человек с течением жизни), портиться и т. д. Записанные на материальном носителе, они как бы становятся материальными. Но сами операции, мысли, наши переживания — это нечто, что нельзя взять в руки. Человек во все времена пытался материализовать это «нечто» в виде звуков, слов, рассказов, рукописей, книг. Но это всегда оказывалось лишь тенью, слабым отражением.
Подавляющее большинство людей, почти все и почти всегда, не различали свое «я» и своё тело. И всегда стремились получше устроить именно тело. И не зря: без питания умирает головной мозг, распадается поле операций, исчезает личность. В то же время в здоровом теле «компьютер» работает с меньшим количеством сбоев, с большей скоростью (за счёт параллельно идущих операций и вообще за счёт лучших алгоритмов), обеспечивается бóльшая внутренняя устойчивость к внешним угрозам и осложнениям. И главное: обеспечивается ясность мышления.
Может быть, поэтому стремление получше устроить своё тело из поколения в поколение оставалось главной движущей силой человеческого рода? Оно определяло и грабительские походы, и создание новых технологий, и стремление к лучшей организации жизни общества (в том числе и методом «ограбим богатых», замаскированного лозунгом «долой эксплуатацию»). Дома, автомобили, самолёты, газ и электричество, вычислительная техника родились из этого стремления. Стремление устроить своё тело было остаётся пока главным движителем в жизни людей. А ведь на самом деле всё это вторично. Наше «я», наша индивидуальность, наша суть, наше бытие — это не материальная оболочка. Нет ничего противоречащего нашему восприятию мира в мысли о принципиальной возможности разделения индивидуальности и её материального носителя.
Поэтому с инженерной точки зрения представляется возможным сконструировать такого человека, душа которого может «отделяться» от тела, можно сконструировать мир, где человек практически мгновенно (скажем, в пределах Солнечной системы) может перемещаться с одной планеты на другую.
Допустимо ли создавать такое существо? Имеем ли мы на это право? Какие стимулы мы можем заложить в него? Именно в этих вопросах главная проблема. Мы — дело другое, скорее всего, продукт органической эволюции. В нас глубоко заложен инстинкт жизни, инстинкт продолжения рода. Вид, у которого этого инстинкта не было или он был недостаточно развит, не выживал в условиях естественного отбора. Да что там естественный отбор! Когда с возрастом, здоровьем, условиями жизни умирает этот инстинкт, у человека пропадает желание жить. А какой же стимул жизни мы предложим нашему творению? Любопытство? Желание быть полезным людям, создавшим его тело (бренное и сменяемое) и воспитавшим его личность и душу? Желание выявиться в исследованиях мира, в сверхдальних путешествиях, в создании приёмо-передающих станций для путешествий, в строительстве космических околозвёздных баз?
Убедительна ли такая мотивация? Откуда ему взять привязанность и любовь к ближним? Как воспитать его, чтобы он не оказался монстром с нелепыми и бессмысленными устремлениями к власти, к возможности давать указания, воспитывать и слыть благодетелем? Или наоборот, чтобы он не оказался инфантильным безынициативным существом, равнодушным к миру, ближним и самому себе.
И, конечно, громадные технические проблемы. Как мы мыслим? Как создаются стереотипы наших реакций, поведения, оценок, как возникает наша индивидуальность? Скорее всего, алгоритмы восприятия окружающего мира, анализа, мышления создаются в каждом человеке заново и в той или иной степени по-иному. Их характер определяется семьёй, приятелями и врагами, школой, структурой общества, радостями, огорчениями и удачами детства. В обществе рабов вырастают рабы, в обществе свободных людей — свободные. С этой точки зрения очень опасно стандартизировать приёмы воспитания. Это самое страшное, что можно сделать для своего будущего. Человечество может быть сильным только различностью, разнообразием, своими индивидуальностями. Конечно, некоторые основы должны быть общими: люби ближнего своего, не укради, не убей, не пожелай... Но готовить человека по стандарту — готовить собственную гибель.
Как, не разобравшись во всех этих вещах, приступать к созданию искусственного интеллекта?
Но мысль об этом уже вошла в сознание. Пожалуй, самой популярной среди самых любопытных и предприимчивых стала задача создания искусственного интеллекта. Надо думать, это дело пойдёт.
Появятся и более понятные трудности. Если передавать личность на галактические расстояния, придётся создавать антенны с размерами порядка километров и передатчики с мощностью в 100 млн кВт. Тем самым для реализации такого способа галактических путешествий необходимо иметь приёмные и передающие станции (например, в радиодиапазоне), развезти их (скажем, с помощью автоматических космических аппаратов) к возможным пунктам назначения (как правило, неподалёку от какой-либо звезды — для обеспечения приёмопередающих станций энергией). При этом можно развозить приёмопередающие станции, а можно только технологию, минимальный набор инструментов и роботов для изготовления их на месте назначения.
Скорости космических аппаратов, уже летающих в Солнечной системе, равны десяткам километров в секунду. Возможно достижение скоростей порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Но это значит, что время «развозки» станций по Галактике составит миллионы и даже сотни миллионов лет. Доставка станций с такими скоростями даже к ближайшим звёздам, отстоящих от нас на десятки световых лет, потребует тысячелетий и десятков тысячелетий. За это время может быть утерян интерес к самому предприятию.
Можно представить и другой путь реализации звёздных путешествий: выйти на связь с иными цивилизациями, передать им информацию о строительстве приёмопередающей станции, пригодной для приёма «наших» людей, информацию, необходимую для изготовления материального носителя для «нашего» человека, пакет информации с «нашим» путешественником, наладить с ними обмен информацией...
Размышления о звёздных полетах позволяют выделить несколько перспективных направлений работ, которые целесообразно проводить в ближайшие десятилетия. К ним относятся: создание всё более крупных радиотелескопов с выходом на размеры порядка километров, разработка космических роботов, конструкции и идеологии космических «маяков», исследование возможности создания искусственного интеллекта, поиск выходных каналов связи других цивилизаций в Солнечной системе.
Эти направления хорошо коррелируют с современными нуждами человечества. Работы по искусственному интеллекту связаны с решением задачи создания достаточно эффективных роботов, которые могли бы заменить людей в опасных производствах, помогли бы нам в освоении акваторий и подводного мира, в строительстве. Создание космических роботов — созревшая задача. Они будут более эффективны в открытом пространстве, чем человек в скафандре.
А деятельность в открытом космосе в ближайшие десятилетия, скорее всего, будёт только расширяться...
«Космос без конца» (иллюстрация Denis Dread).ЧТО ДЕЛАТЬ?
Не претендуя на исчерпывающее освещение задач на ближайшие десятилетия, сделаю попытку представить те цели, на которых, как мне кажется, имеет смысл сосредоточиться:
1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам.
2. Орбитальные станции как базы для экспериментальных и строительных работ, создаваемых по схеме «станция–облако».
3. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и проведения других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите.
4. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам.
5. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающие в единой радиоинтерферометрической схеме.
6. Орбитальные астрофизические обсерватории, действующие в различных спектральных диапазонах.
7. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса (если в результате этих работ окажется необходимым осуществление экспедиции на планету, придётся разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемого путешествия).
8. Дешёвые (со стоимостью доставки на орбиту порядка сотни долларов за килограмм) многоразовые транспортные корабли для транспортных операций «Земля — орбита».
9. Дешёвые многоразовые транспортные средства для транспортных операций по схеме «низкая орбита — геостационарная орбита — низкая орбита».
10. Космические роботы для работ в открытом пространстве на орбитах спутников Земли.
Подготовлено по материалам брошюры К. П. Феоктистова «Космонавтика без фанфар и амбиций» (Феоктистов К. П. — М.: Знание, 1991. — 64 с. / Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия», №4).
