background image
четверг
k
32, 24 марта 2011 г.
ПОИСКИ, НАХОДКИ, РАЗМЫШЛЕНИЯ, ИЗОБРЕТЕНИЯ
Через тернии к звздам!
В ы п у с к 76
g o r o d n a u k i @ b k . r u
Редактор выпуска Н.Я. ДОРОЖКИН, научный обозреватель Калининградской правды
Город науки
Речь идт об экспедиционных космических ком
плексах на базе электрореактивных двигателей
(ЭРД). При этом рассматриваются два варианта,
когда ЭРД обеспечивают: 1) ускорение кораблей
10
3
мс
2
при удельной тяге 310
3
с; 2) ускорение
кораблей
10
2
мс
2
при удельной тяге
10
4
c. В
первом случае (ускорение корабля
а>10
3
мс
2
)
экспедиция на Марс продолжается 500 1000
суток, во втором (ускорение
а>10
2
мс
2
) длитель
ность полта может быть сокращена до 150 суток.
Для подобных экспедиций используется де
сантная схема полта, при которой марсианский
корабль (МК) стартует с околоземной базовой
круговой орбиты высотой 500 км, затем по плав
ной спирали около трх месяцев раскручивает
ся от Земли и выходит на гелиоцентрическую
орбиту, где, уже за радиационными поясами на
шей планеты, производится подсадка экипажа.
Здесь он сначала увеличивает скорость для сбли
жения с Марсом, затем уменьшает е для зак
репления в его сфере действия и в течение меся
ца скручивается до базовой круговой орбиты
высотой 500 км. На этой орбите отделяется
марсианский взлтно посадочный корабль
(МВПК), который затем входит в атмосферу Мар
са, тормозится в ней и на химических двигателях
совершает мягкую посадку на планету. По оконча
нии работы на планете экипаж в корабле возвра
щения выходит на базовую орбиту, стыкуется с
марсианским кораблм, переходит в него и начи
нает обратный путь к Земле. Около Земли МК
переходит на круговую орбиту высотой порядка
500 000 км, для того чтобы быстро пройти ради
ационные пояса. Затем экипаж в земном пилоти
руемом корабле входит в атмосферу Земли, тор
мозится в ней и приземляется.
Авторы подчркивают, что, оценивая величины
вероятности безопасности экипажа, они рассмат
ривают факторы, связанные в основном с воз
действием невесомости и технических систем
корабля на жизнедеятельность экипажа. Влияние
за пределами радиационных поясов Земли ради
ации, которая может быть весьма губительной
для людей и способна при длительном полте
снизить вероятность их безопасности до нуля,
проблема отдельная и в данной работе детально
не рассматривалась.
Наджность техники и безопасность космо
навтов межпланетных экспедиционных комплек
сов (МЭК) большой длительности при ускорении
а>10
3
мс
2
оценивалась для семи вариантов со
става технических средств.
Результаты оценок показали, что оптималь
ным составом технических средств первой мар
сианской экспедиции является следующий: два
марсианских корабля полной комплектации, за
пускаемых одновременно с околоземной орбиты
и движущихся вблизи друг друга на всех участках
полта; два земных пилотируемых корабля и бук
сир на химическом топливе для доставки космо
навтов к марсианскому кораблю при подсадке
и снятии их с МК; ремонтно спасательный ко
рабль для работы как в сфере притяжения Земли,
так и на гелиоцентрических и околомарсианских
траекториях; автоматический отработочный ком
плекс с тремя марсианскими взлтно посадочны
ми кораблями.
При осуществлении регулярных полтов к Мар
су в целях его широкомасштабного освоения
целесообразно дополнительно создать около
марсианскую посещаемую станцию для прима
кораблей с Земли, их профилактического ре
монта, дозаправки топливом и расходными ма
териалами, предоставления космонавтам высо
конаджных марсианских взлтно посадочных
кораблей для спуска на поверхность и возвраще
ния на станцию. По существу, необходима эскад
ра кораблей марсианского экспедиционного ком
плекса.
При исследовании возможности осуществле
ния экспедиции длительностью полта порядка
150 суток, авторами были рассмотрены два край
них варианта состава технических средств марси
анского экспедиционного комплекса (МЭК)
минимальный и максимальный.
Для лтных испытаний всех систем марсианс
кого корабля используется автоматический вари
ант штатного МК. При этом командно бытовой
отсек и земной посадочный корабль заполняются
подопытными животными и биоштаммами для
оценки влияния радиации на биоорганизмы и
эффективности используемых мер парирования
этого влияния.
Здесь также используется десантная схема
полта МК с выходом его на околомарсианскую
базовую круговую орбиту высотой
500 км. Разгон
с базовой околоземной орбиты до околопарабо
лической скорости продолжается
~15 суток; тор
можение для мягкого подлта к Марсу и выхода
на его базовую орбиту займт порядка
20 суток.
При этом потребуется общая характеристическая
скорость ~
35 км/с, а время перелта Земля
Марс составит ~
70 суток. Для рассматриваемого
полезного груза
120 т (МВПК, ЗПК, КБМ) и для
коэффициента конструктивного качества кораб
ля (отношения массы конструкции буксира к стар
товой массе всего корабля), равного
0,3 (предпо
лагается, что это будет достигнуто в сороковых
годах текущего столетия), его стартовая масса
при удельной тяге ЭРД
104 с составит ~ 300 т, из
них масса топлива ~
85 т.
Перелт марсианского корабля от Марса к Зем
ле (чтобы не отстать от не) также потребует
скорости ~
35 км/с. При этом посадочный корабль
прямо входит в атмосферу Земли со скоростью
8 11 км/с, командно бытовой модуль сгорает
в атмосфере, а буксир выходит на базовую орбиту
для повторных использований. Продолжитель
ность полта экипажа ~
70 суток. Масса полезно
го груза в этом случае составляет
40 т (ЗПК, КБМ).
На Марс и обратно за 5 месяцев
Сани готовят летом, телегу зимой. А подготовка межпланетных экспедиций требует
десятилетий. На чм лететь к Марсу? При какой тяге, с какими скоростями и ускорени
ями? Как предотвратить столкновение Земли с астероидом, носящим зловещее имя
Апофис (Космический Змей)? Этими вопросами занимаются учные Центрального
НИИ машиностроения (ЦНИИмаш). Возможные варианты рассматривают
генеральный
директор предприятия, доктор технических наук, профессор Г.Г. Райкунов и замести
тель начальника комплекса, доктор технических наук, профессор Г.Р. Успенский
.
При коэффициенте качества конструкции букси
ра
0,3 масса корабля составит ~ 120 т, из них
масса топлива
~ 45 т.
Таким образом, в первом приближении сум
марная масса топлива составит
130 т. Во втором
приближении масса корабля при отлте от Земли
(с учтом топлива, необходимого для отлта от
Марса к Земле,
45 т) составит ~ 400 т. Это означа
ет, что при отлте от Земли для обеспечения
ускорения корабля
а>10
2
мс
2
необходима тяга
ЭРД ~
400 кН.
Недостаток этого варианта в его большом со
ставе технических средств и множестве ответ
ственных операций в космосе (стыковка с около
марсианской станцией, заблаговременная до
ставка к ней возвращаемого корабля, пересадка
космонавтов в этот новый для них корабль). Вме
сте с тем последний недостаток имеет и положи
тельную сторону этот корабль может быть
использован как резервный. Космонавты в этом
случае не пересаживаются в него, а только за
правляют топливом свой корабль из резервуаров
околомарсианской станции. Эти два корабля от
правляются к Земле одновременно, допуская пе
ресадку в ходе полта при возникновении неис
правностей.
Среди более чем
40 тысяч обнаруженных асте
роидов есть значительное количество достаточно
крупных (характерный размер более
250 м) с
орбитами, пересекающими орбиту Земли. Пред
ставителем этого семейства является астероид
Апофис (большая полуось орбиты
а = 0,922 а.е.; h
п
= 0,746 а.е.; h
а
= 1,099 а.е.; i = 3,331; е = 0,191;
Т=323,587 сут.; характерный размер 270 м; масса
m = 2,610
10
кг; период вращения вокруг главной
оси инерции ~
30
h
).
Этот астероид ежегодно проходит вблизи ор
биты Земли и более редко вблизи самой
Земли (очередное такое прохождение ожида
ется в 2029 году). При этом существует вероят
ность (хотя весьма незначительная,
Р<2 10
5
)
столкновения его с Землй, которое будет весь
ма катастрофичным для поверхности нашей
планеты и человечества в целом. Поэтому в
настоящее время уделяется особое внимание
этому астероиду в части высокоточного опре
деления его орбиты, прогнозирования е эво
люции, условий прохождения около Земли,
вероятности столкновения и путей его предот
вращения.
Для решения последней задачи необходима
информация о физических параметрах асте
роида. Е основной объм будет получен с
помощью автоматических аппаратов. Кроме
этого, они установят на астероид радиомаяки,
которые облегчат задачу высокоточного опре
деления орбиты Апофиса и впоследствии бу
дут основой автономной измерительной сис
темы пилотируемого корабля при его сближе
нии с астероидом и посадке на него.
Пилотируемая экспедиция на Апофис по
зволит расширить и уточнить знания об асте
роиде и принять обоснованное решение о цели
дальнейших действий по обеспечению безо
пасности Земли. Близость орбит Земли и Апо
фиса делает его по сравнению с Марсом более
достижимым, а отсутствие атмосферы и силь
ного гравитационного поля более простым
в части технической реализации экспедиции.
Так, в точках наибольшего приближения Апо
фиса к орбите Земли относительная скорость
Апофиса и Земли (если бы она в эти моменты
находилась в одной из этих точек на своей
орбите) составляет
~ 6 км/с (скорость же его
падения на нашу планету в случае их столкно
вения может увеличиться на
11,2 км/с и дос
тигнуть ~
17 км/с).
Это означает, что для перехода корабля на
орбиту Апофиса в наиболее благоприятном слу
чае (максимальном сближении Земли и Апофиса,
как это будет иметь место в 2029 году) нужен
импульс скорости ~
6 км/с. Примерно столько же
потребуется для обратного перехода корабля к
Земле, если космонавты не задержатся на Апо
фисе. Задержка на астероиде повлечт за собой,
во первых, удаление корабля от Земли и, во
вторых, отставание или опережение радиус век
тором корабля радиус вектора Земли в зависи
мости от выбранной точки выхода или входа
Апофиса в пределы земной орбиты. Это потребу
ет дополнительных импульсов скорости корабля
у Апофиса и у Земли порядка нескольких кило
метров в секунду. К этому прибавляется характе
ристическая скорость
3,6 км/с для выхода из
сферы действия Земли. Итого, общая потребная
характеристическая скорость с учтом остальных
менее значительных факторов составит ~ 20 км/с.
Серьзные учные с цифрами в руках убеди
тельно показывают: пилотируемый полт на
Марс и обратно может занять всего пять меся
цев; Апофис Космический Змей может
быть при необходимости осдлан и взнуздан.
Остатся только завидовать тем поколениям
наших соотечественников, которые станут уча
стниками и современниками этих великих свер
шений.
Подробнее о вариантах межпланетных по
лтов в статье Г.Г. Райкунова и Г.Р. Успен
ского Экспедиционные космические комплек
сы (журнал Космонавтика и ракетострое
ние 3(60) за 2010 год).
Николай ДОРОЖКИН
Геннадий Райкунов, генеральный директор
ЦНИИмаша, доктор технических наук, профессор,
академик РАКЦ, заслуженный деятель науки РФ,
заслуженный машиностроитель РФ, лауреат
премии Правительства РФ за 2007 год.
Георгий Успенский, заместитель начальника
комплекса ЦНИИмаша, доктор технических наук,
профессор, академик РАКЦ.
Межпланетные экспедиции
большой длительности
Межпланетные экспедиции
минимальной длительности
Астероидные
экспедиционные комплексы
В минимальном варианте используются два
идентичных корабля один для лтных испы
таний, другой для полта космонавтов на
Марс.
В состав комплекса входят следующие тех
нические средства: МВПК для спуска космо
навтов с околомарсианской базовой орбиты
на поверхность Марса, возвращения их обрат
но на базовую орбиту и стыковки с МК (масса
МВПК ~
50 т); земной посадочный корабль
(ЗПК) для спуска на Землю трх космонавтов
(скорость входа корабля в атмосферу
8 11
км/с, масса ЗПК 20 т); командно бытовой
модуль (КБМ) с тремя космонавтами для уп
равления полтом и обеспечения жизнедея
тельности экипажа в течение ~ 150 суточного
полта от базовой околоземной орбиты на ба
зовую околомарсианскую орбиту и обратно
(масса КБМ
50 т); буксир для доставки с
базовой околоземной орбиты на базовую око
ломарсианскую орбиту и обратно названных
выше технических средств. Создаваемое бук
сиром ускорение
а>102 мс2, то есть на поря
док больше, чем при большой длительности
полта.
Максимальный вариант включает в себя
следующие технические средства:
1. Корабль для доставки космонавтов с око
лоземной базовой орбиты к околомарсианс
кой посещаемой станции. Он состоит из ко
мандно бытового модуля массой
20 т и букси
ра для его транспортировки массой ~
50 т
(масса топлива составляет ~
20 т). Тяга букси
ра ~
70 кН.
2. Такой же корабль для возврата космонав
тов с околомарсианской станции на околозем
ную станцию.
3. Буксир для заблаговременной доставки
этого корабля к околомарсианской станции по
менее энергетически напряжнной траектории
при величине тяги ~
70 кН. Масса полезного
груза
70 т; потребная характеристическая ско
рость ~
15 км/с; масса всего корабля ~ 200 т;
ускорение
0,35 10
2
мс
2
.
4. Околомарсианская посещаемая станция.
Масса станции ~
50 т, из них масса топлива 30 т.
Доставляется тем же буксиром (п. 3).
5. Три МВПК для спуска космонавтов на
Марс и возвращения их к станции, доставляе
мые заблаговременно к околомарсианской
станции тем же буксиром (п. 3) по экономич
ной траектории с ускорением ~
0,2 10
2
мс
2
.
6. Штатная околоземная база станция для
сборки и отправки кораблей к Марсу и для
прима космонавтов с него, пересадки их в
спускаемый на Землю корабль. Второй (мак
симальный) вариант обладает существенным
достоинством малой потребной тягой дви
гателей (~
70 кН на фоне ~ 400 кН для мини
мального по составу технических средств ва
рианта) и соответственно в
5 6 раз меньшей
мощностью энергоустановки, что делает его
привлекательным как более легко технически
реализуемый.
Фото Николая ДОРОЖКИНА
Фото прессслужбы ФГУП ЦНИИмаш