Страница:
«Фонтаны рая» Артура Кларка
Геосинхронный космический лифт Юрия Арцутанова
Космическое ожерелье Полякова
Несинхронный лифт Арцутанова
Лунные лифты
«…Ночью лента лучше просматривалась невооруженным глазом. После захода солнца, когда включались сигнальные огни, она превращалась в тонкую ослепительную полосу, которая уходила ввысь, теряясь на фоне звезд.
Она уже стала величайшим чудом света. До тех пор пока Морган не закрыл посторонним доступ на строительную площадку, бесконечный поток посетителей не ослабевал. «Пилигримы», как кто-то иронически их прозвал, приходили поклониться последнему чуду священной горы.
Все они вели себя одинаково. Сначала касались пятисантиметровой ленты руками, чуть ли не с благоговением поглаживая ее кончиками пальцев. Потом, приложив ухо к ее холодной поверхности, прислушивались, словно надеялись уловить музыку небесных сфер. Некоторые даже утверждали, будто им удалось различить низкую басовую ноту на пороге слышимости. Но они заблуждались.
Даже самые высокие гармоники собственной частоты ленты были намного ниже уровня человеческого слуха.
А кое-кто, уходя, качал головой и говорил: «Никто никогда не заставит меня ездить по этой штуковине!» Но точно такие же замечания произносились и по поводу ядерной ракеты, космического челнока, самолета, автомобиля и даже паровоза.
Обычно скептикам отвечали: «Не беспокойтесь, это просто строительные леса. Когда башню закончат, «вознесение» в небо будет отличаться от подъема в обычном лифте лишь продолжительностью и гораздо большим комфортом». […] Хрупкий «паук» — опытный образец капсулы, напоминающий моторизованную люльку для прокладки воздушного кабеля, уже неоднократно подымался на двадцать километров с нагрузкой, вдвое превышающей ту, которую должен был нести теперь.
Как обычно, все было тщательно отрепетировано. Пристегивая себя ремнем, Максина не колебалась и не путалась.
Затем она глубоко вдохнула кислород из маски и проверила все видео- и звуковые устройства. Потом, подобно пилоту истребителя из старинного фильма, просигналила большим пальцем «Подъем» и надавила рычаг скорости.
Собравшиеся вокруг инженеры, большинство из которых уже не раз совершали прогулки вверх на несколько километров, иронически зааплодировали.
Кто-то крикнул: «Зажигание! Старт!», и «паук» со скоростью допотопного лифта двинулся ввысь.
Это напоминало полет на воздушном шаре. Плавный, легкий, бесшумный. Нет, не совсем бесшумный — до Максины доносилось нежное жужжание моторов, приводящих в движение многочисленные колеса, которые захватывали плоскую поверхность ленты. Не было ни толчков, ни вибрации.
Невообразимо тонкая лента, по которой она двигалась, была негнущейся как стальной стержень, а гироскопы капсулы обеспечивали устойчивость движения. Если закрыть глаза, можно даже вообразить, будто поднимаешься внутри уже построенной башни. Но нельзя закрывать глаза — слишком многое надо увидеть и воспринять. Многое можно и услышать — просто поразительно, как хорошо распространяется звук: разговоры внизу все еще отлично слышны».
Вышеприведенная цитата — это фрагмент научно-фантастического романа «Фонтаны рая», принадлежащего перу известного писателя Артура Кларка и опубликованного на языке оригинала в 1978 году. В этот фрагменте описан подъем с Земли на околоземную орбиту посредством так называемого «космического лифта». Сам автор рассказывает о происхождении идеи этого проекта так:
«Роман «Фонтаны рая» интересен тем, что это первая (я надеюсь) книга, в основе которой лежит изобретение советского инженера — проект «космического лифта». Хотя западный мир впервые узнал об этой дерзкой идее из работы нескольких наших океанографов, опубликованной в журнале «Сайенс» от 11 февраля 1966 года (сейчас у нас имеется обширная литература по этому вопросу), позже выяснилось, что эта мысль была уже разработана шестью годами ранее — и в гораздо более грандиозном масштабе — ленинградским инженером Ю. Н. Арцутановым…» («Комсомольская правда», 1960 г., 31 июля). Если бы Артур Кларк сам не назвал автора проекта, то вряд ли мы хоть что-нибудь знали об «изобретении» ленинградского инженера Арцутанова. Ведь и сегодня приоритет последнего оспаривается. Например, когда заходит речь о «космическом лифте», сразу вспоминают Константина Циолковского (это уже стало определенной традицией — сразу вспоминать Циолковского) и его систему соединенных цепью противовесов для создания искусственной тяжести, описанную в «Грезах о Земле и небе» (1895 год). Те, кто предпочитают «англоязычные» исторические примеры, называют Джерома Пирсона и его «орбитальную башню». При этом как-то забывается, что система Циолковского относится совсем к другому предмету обсуждения, а Пирсон, хотя и сформулировал идею «орбитальной башни» совершенно самостоятельно, опубликовал свой проект лишь в 1970 году.
Тем не менее именно ленинградец Юрий Николаевич Арцутанов был и остается автором самого амбициозного космического проекта в истории XX века.
Она уже стала величайшим чудом света. До тех пор пока Морган не закрыл посторонним доступ на строительную площадку, бесконечный поток посетителей не ослабевал. «Пилигримы», как кто-то иронически их прозвал, приходили поклониться последнему чуду священной горы.
Все они вели себя одинаково. Сначала касались пятисантиметровой ленты руками, чуть ли не с благоговением поглаживая ее кончиками пальцев. Потом, приложив ухо к ее холодной поверхности, прислушивались, словно надеялись уловить музыку небесных сфер. Некоторые даже утверждали, будто им удалось различить низкую басовую ноту на пороге слышимости. Но они заблуждались.
Даже самые высокие гармоники собственной частоты ленты были намного ниже уровня человеческого слуха.
А кое-кто, уходя, качал головой и говорил: «Никто никогда не заставит меня ездить по этой штуковине!» Но точно такие же замечания произносились и по поводу ядерной ракеты, космического челнока, самолета, автомобиля и даже паровоза.
Обычно скептикам отвечали: «Не беспокойтесь, это просто строительные леса. Когда башню закончат, «вознесение» в небо будет отличаться от подъема в обычном лифте лишь продолжительностью и гораздо большим комфортом». […] Хрупкий «паук» — опытный образец капсулы, напоминающий моторизованную люльку для прокладки воздушного кабеля, уже неоднократно подымался на двадцать километров с нагрузкой, вдвое превышающей ту, которую должен был нести теперь.
Как обычно, все было тщательно отрепетировано. Пристегивая себя ремнем, Максина не колебалась и не путалась.
Затем она глубоко вдохнула кислород из маски и проверила все видео- и звуковые устройства. Потом, подобно пилоту истребителя из старинного фильма, просигналила большим пальцем «Подъем» и надавила рычаг скорости.
Собравшиеся вокруг инженеры, большинство из которых уже не раз совершали прогулки вверх на несколько километров, иронически зааплодировали.
Кто-то крикнул: «Зажигание! Старт!», и «паук» со скоростью допотопного лифта двинулся ввысь.
Это напоминало полет на воздушном шаре. Плавный, легкий, бесшумный. Нет, не совсем бесшумный — до Максины доносилось нежное жужжание моторов, приводящих в движение многочисленные колеса, которые захватывали плоскую поверхность ленты. Не было ни толчков, ни вибрации.
Невообразимо тонкая лента, по которой она двигалась, была негнущейся как стальной стержень, а гироскопы капсулы обеспечивали устойчивость движения. Если закрыть глаза, можно даже вообразить, будто поднимаешься внутри уже построенной башни. Но нельзя закрывать глаза — слишком многое надо увидеть и воспринять. Многое можно и услышать — просто поразительно, как хорошо распространяется звук: разговоры внизу все еще отлично слышны».
Вышеприведенная цитата — это фрагмент научно-фантастического романа «Фонтаны рая», принадлежащего перу известного писателя Артура Кларка и опубликованного на языке оригинала в 1978 году. В этот фрагменте описан подъем с Земли на околоземную орбиту посредством так называемого «космического лифта». Сам автор рассказывает о происхождении идеи этого проекта так:
«Роман «Фонтаны рая» интересен тем, что это первая (я надеюсь) книга, в основе которой лежит изобретение советского инженера — проект «космического лифта». Хотя западный мир впервые узнал об этой дерзкой идее из работы нескольких наших океанографов, опубликованной в журнале «Сайенс» от 11 февраля 1966 года (сейчас у нас имеется обширная литература по этому вопросу), позже выяснилось, что эта мысль была уже разработана шестью годами ранее — и в гораздо более грандиозном масштабе — ленинградским инженером Ю. Н. Арцутановым…» («Комсомольская правда», 1960 г., 31 июля). Если бы Артур Кларк сам не назвал автора проекта, то вряд ли мы хоть что-нибудь знали об «изобретении» ленинградского инженера Арцутанова. Ведь и сегодня приоритет последнего оспаривается. Например, когда заходит речь о «космическом лифте», сразу вспоминают Константина Циолковского (это уже стало определенной традицией — сразу вспоминать Циолковского) и его систему соединенных цепью противовесов для создания искусственной тяжести, описанную в «Грезах о Земле и небе» (1895 год). Те, кто предпочитают «англоязычные» исторические примеры, называют Джерома Пирсона и его «орбитальную башню». При этом как-то забывается, что система Циолковского относится совсем к другому предмету обсуждения, а Пирсон, хотя и сформулировал идею «орбитальной башни» совершенно самостоятельно, опубликовал свой проект лишь в 1970 году.
Тем не менее именно ленинградец Юрий Николаевич Арцутанов был и остается автором самого амбициозного космического проекта в истории XX века.
Геосинхронный космический лифт Юрия Арцутанова
Те, кто предлагали когда-либо свою концепцию космического лифта, сходятся на том, что этот проект может быть реализован только усилиями всего человечества, а следовательно, и потребность в нем возникнет при решении глобальной общечеловеческой задачи. Среди таких задач может быть переселение части человечества в космос с терраформированием ближайших планет. Примерно такая ситуация и описана в романе «Фонтаны рая». Однако, когда Юрий Арцутанов опубликовал свою статью «В космос — на электровозе» (1960 год), он еще не задумывался об экономических и политических аспектах подобного строительства — его заворожила сама идея. Ленинградский инженер излагает ее так:
«Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень.
Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку.
Ну а что будет, если такую «веревку» укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают […], что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на Землю, как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч километров центробежная сила оказывается равной силе тяжести.
Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос — пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч километров!
Да и «груз» к ней должен быть подвешен немаленький — ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната длиной почти в 40 тысяч километров! Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!
Можно уже сегодня представить себе и некоторые подробности устройства нашей «космической канатной дороги».
Прежде всего она состоит не из одной нити, а из целой пряди их, идущих параллельно и соединенных между собой поперечными лямками. Это сделано для защиты от метеоров, которые легко могут перебить одиночную нить. Во-вторых, эти нити будут иметь разную толщину в разных местах.
Минимальной их толщина будет у поверхности Земли, максимальной — в той точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести: это для того, чтобы растягивающее напряжение было всюду одинаковым. В-третьих, нити не будут однородными. Вероятно, в их сеть будут вплетены металлические провода для передачи электроэнергии. Вероятно, будут и такие нити, по которым смогут двигаться космические электропоезда…»
Изложив идею, Юрий Арцутанов дает волю воображению, представляя себе, как будет выглядеть процесс подъема полезного груза с земной поверхности на высоту в 60000 километров:
«…Спокойно, не спеша и не суетясь, займут пассажиры места в герметичных вагонах такого поезда. Ведь это не космическая ракета, взлет которой рассчитывается до долей секунды.
Электровоз даст последний гудок, медленно наберет скорость и помчится в переплетении ажурных нитей вертикально вверх. […] Нет, не металлическими лапами переступает он по ступеням лестницы и не зубцами шестерен цепляется за выступы реек! Его движет бегущее электромагнитное поле. Он подобен снаряду электропушки — орудия, о котором в свое время много говорили, но из которого никогда не стреляли. […] Недалеко от канатной дороги расположены гелиоэлектростанции — гигантские зеркала, сделанные из тончайшей фольги, улавливают потоки солнечных лучей и преобразуют их энергию в электрический ток. Он-то и питает соленоид канатной дороги. […] Скорость — она нарастает медленно, почти незаметно — достигает гигантской величины: нескольких километров в секунду.
И через несколько часов после плавного торможения новая остановка — в точке равновесия центробежной силы и силы тяжести.
Дальше электропоезд может не затрачивать на движение по канату никакой энергии — его будет отбрасывать от Земли центробежная сила. И двигатель может работать, как генератор, отбрасывая энергию вниз.
Еще несколько часов пути — и электропоезд достигает крайнего пункта космической дороги. Позади, в 60 тысячах километров, наша родная Земля. А здесь расположен целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет. […] Отправляющиеся со здешнего космодрома ракеты совсем не похожи на те, что, грохоча взрывами, взлетают с Земли. Ведь здесь они уже имеют космическую скорость, вместе с космодромом вращаясь вокруг Земли. Здесь нет тяготения, которое заставляет делать земные ракеты массивными и прочными. Здесь не нужны сверхмощные двигатели.
Космические ракеты плавно покидают причальные сооружения и подходят к ним, похожие в своей неспешной неповоротливости на океанские суда.»
Даже приблизительно не пытаясь оценить затраты на постройку подобного циклопического сооружения, Арцутанов в своей статье дает наметки будущей программы строительства. Сначала необходимо «забросить» на геостационарную орбиту искусственный спутник, на котором будет находиться первая нить — в минимальном сечении «тоньше человеческого волоса», но весом около тысячи тонн. С этого спутника надо будет спускать сразу два конца этой нити: один — на Землю, другой — в космическое пространство. Когда первая нить будет закреплена на Земле, используя ее как опору, можно пустить по ней автоматического «паука» — некое гипотетическое устройство, которое потянет за собой вторую параллельную нить, затем третью, четвертую и так далее.
Юрий Арцутанов указывает, что подобные «канатные дороги» можно создать и на других планетах и спутниках. Например, разместив в точке равновесия между силами притяжения Луны и Земли (57 000 километров от поверхности Луны) соответствующий искусственный спутник и опустив с него нить «канатной дороги», можно получить лунный лифт.
А построив две дороги, можно будет осуществлять «переезд» по маршруту Земля-Луна почти без затрат топлива.
«Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень.
Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку.
Ну а что будет, если такую «веревку» укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают […], что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на Землю, как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч километров центробежная сила оказывается равной силе тяжести.
Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос — пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч километров!
Да и «груз» к ней должен быть подвешен немаленький — ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната длиной почти в 40 тысяч километров! Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!
Можно уже сегодня представить себе и некоторые подробности устройства нашей «космической канатной дороги».
Прежде всего она состоит не из одной нити, а из целой пряди их, идущих параллельно и соединенных между собой поперечными лямками. Это сделано для защиты от метеоров, которые легко могут перебить одиночную нить. Во-вторых, эти нити будут иметь разную толщину в разных местах.
Минимальной их толщина будет у поверхности Земли, максимальной — в той точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести: это для того, чтобы растягивающее напряжение было всюду одинаковым. В-третьих, нити не будут однородными. Вероятно, в их сеть будут вплетены металлические провода для передачи электроэнергии. Вероятно, будут и такие нити, по которым смогут двигаться космические электропоезда…»
Изложив идею, Юрий Арцутанов дает волю воображению, представляя себе, как будет выглядеть процесс подъема полезного груза с земной поверхности на высоту в 60000 километров:
«…Спокойно, не спеша и не суетясь, займут пассажиры места в герметичных вагонах такого поезда. Ведь это не космическая ракета, взлет которой рассчитывается до долей секунды.
Электровоз даст последний гудок, медленно наберет скорость и помчится в переплетении ажурных нитей вертикально вверх. […] Нет, не металлическими лапами переступает он по ступеням лестницы и не зубцами шестерен цепляется за выступы реек! Его движет бегущее электромагнитное поле. Он подобен снаряду электропушки — орудия, о котором в свое время много говорили, но из которого никогда не стреляли. […] Недалеко от канатной дороги расположены гелиоэлектростанции — гигантские зеркала, сделанные из тончайшей фольги, улавливают потоки солнечных лучей и преобразуют их энергию в электрический ток. Он-то и питает соленоид канатной дороги. […] Скорость — она нарастает медленно, почти незаметно — достигает гигантской величины: нескольких километров в секунду.
И через несколько часов после плавного торможения новая остановка — в точке равновесия центробежной силы и силы тяжести.
Дальше электропоезд может не затрачивать на движение по канату никакой энергии — его будет отбрасывать от Земли центробежная сила. И двигатель может работать, как генератор, отбрасывая энергию вниз.
Еще несколько часов пути — и электропоезд достигает крайнего пункта космической дороги. Позади, в 60 тысячах километров, наша родная Земля. А здесь расположен целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет. […] Отправляющиеся со здешнего космодрома ракеты совсем не похожи на те, что, грохоча взрывами, взлетают с Земли. Ведь здесь они уже имеют космическую скорость, вместе с космодромом вращаясь вокруг Земли. Здесь нет тяготения, которое заставляет делать земные ракеты массивными и прочными. Здесь не нужны сверхмощные двигатели.
Космические ракеты плавно покидают причальные сооружения и подходят к ним, похожие в своей неспешной неповоротливости на океанские суда.»
Даже приблизительно не пытаясь оценить затраты на постройку подобного циклопического сооружения, Арцутанов в своей статье дает наметки будущей программы строительства. Сначала необходимо «забросить» на геостационарную орбиту искусственный спутник, на котором будет находиться первая нить — в минимальном сечении «тоньше человеческого волоса», но весом около тысячи тонн. С этого спутника надо будет спускать сразу два конца этой нити: один — на Землю, другой — в космическое пространство. Когда первая нить будет закреплена на Земле, используя ее как опору, можно пустить по ней автоматического «паука» — некое гипотетическое устройство, которое потянет за собой вторую параллельную нить, затем третью, четвертую и так далее.
Юрий Арцутанов указывает, что подобные «канатные дороги» можно создать и на других планетах и спутниках. Например, разместив в точке равновесия между силами притяжения Луны и Земли (57 000 километров от поверхности Луны) соответствующий искусственный спутник и опустив с него нить «канатной дороги», можно получить лунный лифт.
А построив две дороги, можно будет осуществлять «переезд» по маршруту Земля-Луна почти без затрат топлива.
Космическое ожерелье Полякова
В развитие идей Арцутанова свой проект «геосинхронного» космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института. Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного — автор лишь проясняет некоторые «туманные места» знаменитой статьи в «Комсомолке», выдвигая по ходу обсуждения ряд рационализаторских предложений.
В частности, Поляков указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым.
Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.
Основная база, расположенная на высоте 35 800 километров, будет находиться в состоянии невесомости, а потому ее размеры можно назначить достаточно большими: от нескольких сот метров до 10 километров в диаметре. Однако постоянно жить в условиях невесомости не слишком-то удобно, и на базе придется создать искусственное тяготение, придав ей вращение. В таком случае на лифт, кружащийся вместе с Землей, будет действовать гироскопический момент, отклоняющий его к какому-либо полюсу. Чтобы избавиться от этого эффекта, базу лучше всего сделать из двух одинаковых дисков, вращающихся в противоположные стороны с равными угловыми скоростями. В результате суммарный гироскопический момент сведется к нулю.
Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. Причем его можно сделать из нескольких удаленных друг от друга этажей — каждый, мчась со своей космической скоростью, предназначен для запусков к определенной планете, дабы свести корректировку траектории сброшенного с него аппарата к минимуму. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.
С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой — вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта. Кабины лифта — просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули — ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.
В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.
Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы…
Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.
На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Космическое ожерелье состоит из радиально расположенных экваториальных лифтов и огромного кольца, простирающегося чуть выше геосинхронной орбиты, к которому пришвартовано множество космических станций. Если кольцо поместить точно на геосинхронную орбиту, то его равновесие будет неустойчивым.
Во избежание этого радиус кольца немного увеличен, так что оно находится несколько выше ее. При этом избыток центробежной силы растянет ожерелье. Кольцо находится в состоянии, близком к невесомости, оно не испытывает особых напряжений, и его строительство намного проще, чем возведение отдельного космического лифта.
Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.
Наряду с жилыми поселениями, типа цилиндров О'Нейла, на кольце расположатся и станции с промышленным, сельскохозяйственным и энергетическим производством.
Несомненно, что технологические процессы этих предприятий будут основаны на замкнутых и полностью автоматизированных циклах.
Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.
В частности, Поляков указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым.
Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.
Основная база, расположенная на высоте 35 800 километров, будет находиться в состоянии невесомости, а потому ее размеры можно назначить достаточно большими: от нескольких сот метров до 10 километров в диаметре. Однако постоянно жить в условиях невесомости не слишком-то удобно, и на базе придется создать искусственное тяготение, придав ей вращение. В таком случае на лифт, кружащийся вместе с Землей, будет действовать гироскопический момент, отклоняющий его к какому-либо полюсу. Чтобы избавиться от этого эффекта, базу лучше всего сделать из двух одинаковых дисков, вращающихся в противоположные стороны с равными угловыми скоростями. В результате суммарный гироскопический момент сведется к нулю.
Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. Причем его можно сделать из нескольких удаленных друг от друга этажей — каждый, мчась со своей космической скоростью, предназначен для запусков к определенной планете, дабы свести корректировку траектории сброшенного с него аппарата к минимуму. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.
С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой — вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта. Кабины лифта — просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули — ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.
В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.
Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы…
Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.
На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Космическое ожерелье состоит из радиально расположенных экваториальных лифтов и огромного кольца, простирающегося чуть выше геосинхронной орбиты, к которому пришвартовано множество космических станций. Если кольцо поместить точно на геосинхронную орбиту, то его равновесие будет неустойчивым.
Во избежание этого радиус кольца немного увеличен, так что оно находится несколько выше ее. При этом избыток центробежной силы растянет ожерелье. Кольцо находится в состоянии, близком к невесомости, оно не испытывает особых напряжений, и его строительство намного проще, чем возведение отдельного космического лифта.
Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.
Наряду с жилыми поселениями, типа цилиндров О'Нейла, на кольце расположатся и станции с промышленным, сельскохозяйственным и энергетическим производством.
Несомненно, что технологические процессы этих предприятий будут основаны на замкнутых и полностью автоматизированных циклах.
Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.
Несинхронный лифт Арцутанова
В 1969 году Юрий Арцутанов понял, что совершенно необязательно привязывать лифт к земной поверхности. Можно так подобрать соотношение орбитального движения и вращения связки двух спутников вокруг центра масс, чтобы в какой-то момент нижний спутник «завис» на короткое время у самой поверхности Земли, забрал груз и затем вывел его на орбиту. Повторно изобретенная в 1975 году американцем Гансом Моравеком, эта система получила название «несинхронный космический лифт».
В упрощенном виде несинхронный лифт выглядит следующим образом. Транспортно-технический центр с помощью тросовой системы захватывает контейнеры с грузами с высот 140–150 километров и подтягивает их к себе. При этом часть контейнеров на промежуточной высоте может быть отсоединена от тросовой системы и переведена на низковысотные орбиты. Подтягиваемые на тросе в центр контейнеры с грузом перегружаются в лифт, двигающийся по тросу вверх от Земли. По мере достижения необходимого удаления от центра контейнеры отделяются для перевода на высокие эллиптические орбиты. Дальнейшее перемещение контейнеров с грузами вдоль троса еще больше увеличивает их линейную скорость. При достижении требуемого значения этой скорости контейнеры отсоединяются от тросовой системы и начинают полет по межпланетным траекториям.
Понятно, что подобная схема подразумевает целый ряд вариантов космической тросовой системы, выбор между которыми осуществляется в зависимости от решаемых задач.
Простейшие тросовые связки довольно быстро нашли применение в реальных космических экспериментах. Для замедления вращения вокруг центра масс с американского спутника «Transit IB» отпускали привязанные грузы (1960 год); корабли «Джемини-11» и «Джемини-12» связывались тросами длиной в 30 метров со специальной ракетной ступенью «Аджена» (1966 год); космонавты и по сей день используют страховочные тросы для выхода в открытый космос.
В 1974 году Джузеппе Коломбо из Смитсонианской астрофизической обсерватории при Гарвардском университете разработал концепцию привязного зонда — небольшого аппарата, спускаемого с орбитального самолета на тросе длиной 100 километров. Расчеты показали реальность технического воплощения замысла, и работа закипела. Первые три полета с привязным субспутником планировались на 1987–1990 годы, но после аварии «Челенджера» программа была отложена на неопределенный срок. Тем не менее эта идея получила развитие. Теперь она выглядит следующим образом.
Орбитальный самолет типа «шаттла» движется на высоте 220 километров грузовым отсеком к Земле. Через приемную штангу трос уходит от него к шаровому зонду до высоты около 120 километров. Сопротивление воздуха отклоняет трос с зондом назад. Ориентация последнего обеспечивается парой аэродинамических стабилизаторов.
Вышеописанная схема позволяет осуществить программу подробного изучения атмосферы на высотах от 50 до 150 километров, ведь этот слой до сих пор остается своеобразной «terra incognita» и метеорологические ракеты лишь чуть приоткрыли ее для нас. Кроме того, с помощью такого зонда в натурных условиях можно изучать аэродинамические характеристики перспективных моделей спускаемых космических аппаратов — недаром описанную систему называют еще «высотной аэродинамической трубой».
Еще один вариант тросовой связки предложил в 1985 году Джон Пирсон. Его схема представляет собой «привязной парус», который спускается с орбитального самолета в верхние слои атмосферы. По замыслу автора, с его помощью можно не только тормозить корабль, возвращающийся на Землю, но и ходить галсами.
Привязной парус Джона Пирсона
С помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты.
Выглядеть это будет так. Грузовой отсек орбитального самолета открыт. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 метров. Субспутник на тросе выпущен вверх.
Из него в разные стороны выдвинуты электрические датчики. Можно ли пропускать по такому тросу постоянный ток? Казалось бы, нет. Контур не замкнут.
Но ведь он движется в проводящей ионосферной плазме. Ток, текущий по тросу, может замыкаться через окружающую среду.
Для этого на концах троса должны быть установлены специальные контактные устройства. В качестве контакторов предлагается использовать полые катоды. Они хорошо зарекомендовали себя (в расчете на тросовую систему) в диапазоне токов от 0,1 до 40 Ампер.
Конечно, сам трос должен быть покрыт изоляцией, чтобы предотвратить отекание заряда по всей его поверхности. Возникающее в плазме неравновесное распределение заряда породит глобальные ионосферные токи, которые и замкнут электрический контур. В результате получается космическая динамо-машина.
У нее два режима — тяги и генерации. В первом бортовая электроустановка совершает работу против ЭДС индукции, а действующая на трос Амперова сила ускоряет орбитальное движение. В результате производимая на борту электроэнергия переходит в механическую орбитального движения.
В режиме генерации — наоборот. ЭДС совершает полезную работу в бортовой электросистеме, а Амперова сила тормозит орбитальное движение. Электричество на борту вырабатывается из механической энергии орбитального движения.
Геомагнитная индукция относительно невелика. Зато скорость движения — космическая, да и длина троса немалая.
Произведение этих трех величин дает очень большие значения ЭДС индукции. При вполне реальном токе в 10 А мощность тросового генератора достигнет 40 кВт!
Выгодно комбинировать режимы тяги и генерации. При входе в тень Земли солнечные батареи перестают вырабатывать энергию. В этот период можно включить тросовый генератор.
На освещенной стороне можно переключиться в режим тяги и восполнить потери энергии орбитального движения в тени. К. п. д перевода механической энергии в электрическую и обратно при таких операциях оценивается очень высоко — 90–95 %.
С помощью тросов можно образовывать временные связки спутников и изменять их орбиты, передавая без потерь энергию и момент количества движения от одного космического аппарата к другому. Представим, что орбитальный самолет доставил грузы на станцию и собирается возвращаться. В традиционном варианте после расстыковки он должен сжечь и выбросить в пространство изрядное количество топлива. В варианте тросовой связки этот этап выглядит более экономичным. После расстыковки орбитальный самолет остается связанным со станцией. Трос разматывается, и орбитальный самолет под действием сил тяжести уходит вниз, а станция — вверх от общего центра масс. Если теперь эту связку расцепить, то точка расцепки станет для орбитального самолета апогеем (высшей точкой) его новой орбиты, а для станции — перигеем (низшей точкой) новой орбиты. В результате этого маневра, на который не было затрачено ни грамма топлива, орбитальный самолет пойдет на посадку, а станция будет переведена на более высокую орбиту, что очень важно, поскольку станция постепенно теряет высоту из-за аэродинамического торможения.
Через полвитка после расцепки разность высот двух аппаратов, образовавших ранее связку, составит от 7 до 14 длин троса. При длине троса 50 километров это будет 350–700 километров!
Однако можно пойти еще дальше. Не заставлять орбитальный самолет добираться до орбиты станции, а спустить со станции ему навстречу привязной стыковочный узел. После стыковки орбитальный самолет образует со станцией вертикальную связку. Дальше есть два варианта. Либо самолет подтягивается к станции для разгрузки, а затем спускается обратно на тросе и отстыковывается. Либо он оставляет груз на стыковочном узле, который затем поднимается на станцию. В обоих случаях экономится много топлива.
Спутник, доставляемый на орбиту в грузовом отсеке орбитального самолета, может быть затем запущен на более высокую орбиту с помощью троса. В свою очередь, орбитальный самолет при запуске может не сбрасывать, а спускать на тросе отработанный топливный бак, отбирая часть его энергии.
Американские инженеры Пензо и Майер предложили использовать тросы при облете астероидов. По их идее с пролетающего космического аппарата выстреливается гарпун, который внедряется в поверхность астероида. Заякоренный таким образом аппарат разворачивается, обрезает трос и уносит дальше, оставляя гарпун небесному телу на память о своем визите…
В упрощенном виде несинхронный лифт выглядит следующим образом. Транспортно-технический центр с помощью тросовой системы захватывает контейнеры с грузами с высот 140–150 километров и подтягивает их к себе. При этом часть контейнеров на промежуточной высоте может быть отсоединена от тросовой системы и переведена на низковысотные орбиты. Подтягиваемые на тросе в центр контейнеры с грузом перегружаются в лифт, двигающийся по тросу вверх от Земли. По мере достижения необходимого удаления от центра контейнеры отделяются для перевода на высокие эллиптические орбиты. Дальнейшее перемещение контейнеров с грузами вдоль троса еще больше увеличивает их линейную скорость. При достижении требуемого значения этой скорости контейнеры отсоединяются от тросовой системы и начинают полет по межпланетным траекториям.
Понятно, что подобная схема подразумевает целый ряд вариантов космической тросовой системы, выбор между которыми осуществляется в зависимости от решаемых задач.
Простейшие тросовые связки довольно быстро нашли применение в реальных космических экспериментах. Для замедления вращения вокруг центра масс с американского спутника «Transit IB» отпускали привязанные грузы (1960 год); корабли «Джемини-11» и «Джемини-12» связывались тросами длиной в 30 метров со специальной ракетной ступенью «Аджена» (1966 год); космонавты и по сей день используют страховочные тросы для выхода в открытый космос.
В 1974 году Джузеппе Коломбо из Смитсонианской астрофизической обсерватории при Гарвардском университете разработал концепцию привязного зонда — небольшого аппарата, спускаемого с орбитального самолета на тросе длиной 100 километров. Расчеты показали реальность технического воплощения замысла, и работа закипела. Первые три полета с привязным субспутником планировались на 1987–1990 годы, но после аварии «Челенджера» программа была отложена на неопределенный срок. Тем не менее эта идея получила развитие. Теперь она выглядит следующим образом.
Орбитальный самолет типа «шаттла» движется на высоте 220 километров грузовым отсеком к Земле. Через приемную штангу трос уходит от него к шаровому зонду до высоты около 120 километров. Сопротивление воздуха отклоняет трос с зондом назад. Ориентация последнего обеспечивается парой аэродинамических стабилизаторов.
Вышеописанная схема позволяет осуществить программу подробного изучения атмосферы на высотах от 50 до 150 километров, ведь этот слой до сих пор остается своеобразной «terra incognita» и метеорологические ракеты лишь чуть приоткрыли ее для нас. Кроме того, с помощью такого зонда в натурных условиях можно изучать аэродинамические характеристики перспективных моделей спускаемых космических аппаратов — недаром описанную систему называют еще «высотной аэродинамической трубой».
Еще один вариант тросовой связки предложил в 1985 году Джон Пирсон. Его схема представляет собой «привязной парус», который спускается с орбитального самолета в верхние слои атмосферы. По замыслу автора, с его помощью можно не только тормозить корабль, возвращающийся на Землю, но и ходить галсами.
С помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты.
Выглядеть это будет так. Грузовой отсек орбитального самолета открыт. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 метров. Субспутник на тросе выпущен вверх.
Из него в разные стороны выдвинуты электрические датчики. Можно ли пропускать по такому тросу постоянный ток? Казалось бы, нет. Контур не замкнут.
Но ведь он движется в проводящей ионосферной плазме. Ток, текущий по тросу, может замыкаться через окружающую среду.
Для этого на концах троса должны быть установлены специальные контактные устройства. В качестве контакторов предлагается использовать полые катоды. Они хорошо зарекомендовали себя (в расчете на тросовую систему) в диапазоне токов от 0,1 до 40 Ампер.
Конечно, сам трос должен быть покрыт изоляцией, чтобы предотвратить отекание заряда по всей его поверхности. Возникающее в плазме неравновесное распределение заряда породит глобальные ионосферные токи, которые и замкнут электрический контур. В результате получается космическая динамо-машина.
У нее два режима — тяги и генерации. В первом бортовая электроустановка совершает работу против ЭДС индукции, а действующая на трос Амперова сила ускоряет орбитальное движение. В результате производимая на борту электроэнергия переходит в механическую орбитального движения.
В режиме генерации — наоборот. ЭДС совершает полезную работу в бортовой электросистеме, а Амперова сила тормозит орбитальное движение. Электричество на борту вырабатывается из механической энергии орбитального движения.
Геомагнитная индукция относительно невелика. Зато скорость движения — космическая, да и длина троса немалая.
Произведение этих трех величин дает очень большие значения ЭДС индукции. При вполне реальном токе в 10 А мощность тросового генератора достигнет 40 кВт!
Выгодно комбинировать режимы тяги и генерации. При входе в тень Земли солнечные батареи перестают вырабатывать энергию. В этот период можно включить тросовый генератор.
На освещенной стороне можно переключиться в режим тяги и восполнить потери энергии орбитального движения в тени. К. п. д перевода механической энергии в электрическую и обратно при таких операциях оценивается очень высоко — 90–95 %.
С помощью тросов можно образовывать временные связки спутников и изменять их орбиты, передавая без потерь энергию и момент количества движения от одного космического аппарата к другому. Представим, что орбитальный самолет доставил грузы на станцию и собирается возвращаться. В традиционном варианте после расстыковки он должен сжечь и выбросить в пространство изрядное количество топлива. В варианте тросовой связки этот этап выглядит более экономичным. После расстыковки орбитальный самолет остается связанным со станцией. Трос разматывается, и орбитальный самолет под действием сил тяжести уходит вниз, а станция — вверх от общего центра масс. Если теперь эту связку расцепить, то точка расцепки станет для орбитального самолета апогеем (высшей точкой) его новой орбиты, а для станции — перигеем (низшей точкой) новой орбиты. В результате этого маневра, на который не было затрачено ни грамма топлива, орбитальный самолет пойдет на посадку, а станция будет переведена на более высокую орбиту, что очень важно, поскольку станция постепенно теряет высоту из-за аэродинамического торможения.
Через полвитка после расцепки разность высот двух аппаратов, образовавших ранее связку, составит от 7 до 14 длин троса. При длине троса 50 километров это будет 350–700 километров!
Однако можно пойти еще дальше. Не заставлять орбитальный самолет добираться до орбиты станции, а спустить со станции ему навстречу привязной стыковочный узел. После стыковки орбитальный самолет образует со станцией вертикальную связку. Дальше есть два варианта. Либо самолет подтягивается к станции для разгрузки, а затем спускается обратно на тросе и отстыковывается. Либо он оставляет груз на стыковочном узле, который затем поднимается на станцию. В обоих случаях экономится много топлива.
Спутник, доставляемый на орбиту в грузовом отсеке орбитального самолета, может быть затем запущен на более высокую орбиту с помощью троса. В свою очередь, орбитальный самолет при запуске может не сбрасывать, а спускать на тросе отработанный топливный бак, отбирая часть его энергии.
Американские инженеры Пензо и Майер предложили использовать тросы при облете астероидов. По их идее с пролетающего космического аппарата выстреливается гарпун, который внедряется в поверхность астероида. Заякоренный таким образом аппарат разворачивается, обрезает трос и уносит дальше, оставляя гарпун небесному телу на память о своем визите…
Лунные лифты
Первый проект лунного лифта был предложен еще до Юрия Арцутанова. Поборник идеи всестороннего использования «внешних ресурсов» Фридрих Цандер в одной из своих работ описывает трос, протянутый с поверхности Луны в сторону Земли за коллинеарную точку либрации (она находится на одной прямой с центрами масс этих небесных тел, и равнодействующая гравитационных и центробежных сил в ней равна нулю) на расстояние более 60 тысяч километров и удерживаемый от падения на поверхность Луны притяжением Земли. К сожалению, выбрав для расчетов характеристики стали, производимой в то время, автор пришел к выводу о нереальности этого проекта и «похоронил» его.