background image
суббота
k
123, 29 октября 2011 г.
ПОИСКИ, НАХОДКИ, РАЗМЫШЛЕНИЯ, ИЗОБРЕТЕНИЯ
Через тернии к звздам!
В ы п у с к 81
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
Темпы космической цивилизации
7
7
7
7
7
По существу, не реже чем через каждые 25 лет
в космонавтике реализуются качественные скач
ки новых технологий и техники, и нет оснований
полагать, что эта тенденция изменится. Так, к
2025 году ряд космических стран планирует осу
ществить пилотируемые полты на Луну. В Рос
сии будет создан носитель грузоподъмностью
более 40 тонн, на околоземной орбите будет пост
роена станция нового поколения с соответствен
но новыми задачами по сборке и обслуживанию
сложных автоматических и пилотируемых комп
лексов. К 2050 году предполагается создать раке
ту носитель грузоподъмностью порядка 100 тонн,
построить посещаемую базу станцию на поверх
ности Луны, осуществить пилотируемую экспе
дицию на Марс.
При этом появятся качественно новые
энергетические системы в виде мощных
(до 0,5 МВт) изотопных генераторов и
ядерных реакторов мощностью порядка
25 МВт. К этому времени смогут быть
созданы ядерные двигатели с удельной
тягой ~ 800 с и тягой в несколько тонн, а
также электрические двигатели с удель
ной тягой 10 000 с и тягой каждого 3
5 кг. Такие двигатели позволят сократить
время марсианской экспедиции до 150
суток за счт повышения скоростей по
лта к Марсу и обратно к Земле до близ
ких к параболическим. При этом потре
буется суммарная характеристическая
скорость порядка 70 км/с.
Возможны два крайних варианта со
става технических средств марсианско
го экспедиционного комплекса (МЭК)
минимальный и максимальный.
В минимальном варианте использу
ются два идентичных корабля один
для лтных испытаний, другой для пило
тируемого полта на Марс. В состав ком
плекса входят следующие технические
средства: марсианский взлтно посадоч
ный корабль (МВПК) для спуска космо
навтов с околомарсианской базовой ор
биты на поверхность Марса, возвраще
ния их обратно на базовую орбиту и сты
ковки с МК (масса МВПК ~ 50 т); земной
посадочный корабль (ЗПК) для спуска на Землю
трх космонавтов, скорость входа корабля в ат
мосферу 8 11 км/с (масса ЗПК ~ 20 т); коман
дно бытовой модуль (КБМ) с тремя космонавта
ми для управления полтом и обеспечения жиз
недеятельности экипажа в течение 150 суточно
го полта от базовой околоземной орбиты на
базовую околомарсианскую орбиту и обратно
(масса КБМ ~ 50 т); буксир для доставки с базо
вой околоземной орбиты на базовую околомар
сианскую орбиту и обратно названных выше тех
нических средств (создаваемое буксиром уско
рение а
10
2
м/с
2
).
Для лтных испытаний всех систем марсиан
ского корабля (МК) используется автоматичес
кий вариант штатного МК. При этом командно
бытовой отсек и земной посадочный корабль за
полняются подопытными животными и биоштам
мами для оценки влияния радиации на биоорга
низмы и эффективности используемых мер па
рирования этого влияния.
Здесь используется десантная схема полта
МК с выходом его на околомарсианскую базовую
круговую орбиту высотой 500 км. Разгон с базо
вой околоземной орбиты до околопараболичес
кой скорости продолжается около 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 порядка 35 км/с, а время перелта Зем
ля Марс составит примерно 70 суток. Для
рассматриваемого полезного груза ~ 120 т и для
коэффициента конструктивного качества кораб
ля, равного 0,3, его стартовая масса при удельной
тяге ЭРДУ ~ 104 с составит ~ 300 т при массе
топлива ~ 85 т.
Перелт марсианского корабля от Марса к Зем
ле также потребует скорости 35 км/с. При этом
посадочный корабль прямо входит в атмосфе
ру Земли со скоростью 8 11 км/с, командно
бытовой модуль сгорает в атмосфере, а буксир
выходит на базовую орбиту для повторных ис
пользований. Продолжительность полта экипа
жа ~ 70 суток. Масса полезного груза в этом
случае составляет 40 т. При коэффициенте каче
ства конструкции буксира 0,3 масса корабля со
ставит ~ 120 т (в т.ч. масса топлива ~ 45 т).
Таким образом, в первом приближении сум
марная масса топлива составит ~ 130 т. Во вто
ром приближении масса корабля при отлте от
Земли (с учтом ~ 45 т топлива, потребного для
отлта от Марса к Земле) составит ~ 400 т. Это
означает, что при отлте от Земли для обеспече
ния ускорения корабля а
10
2
м/с
2
необходима
тяга ЭРДУ ~ 400 кН.
Максимальный вариант включает в себя техни
ческие средства: корабль для доставки космонав
тов с околоземной базовой орбиты к околомарси
анской посещаемой станции, состоящий из ко
мандно бытового модуля массой ~ 20 т и буксира
для его транспортировки массой ~ 50 т (в т.ч.
масса топлива ~ 20 т), тяга буксира ~ 70 кН, и такой
же корабль для возврата космонавтов с около
марсианской станции на околоземную станцию;
буксир для заблаговременной доставки этого ко
рабля к околомарсианской станции по менее энер
гетически напряжнной траектории при величине
тяги ~ 70 кН (масса полезного груза ~ 70 т, потреб
ная характеристическая скорость ~ 15 км/с, масса
всего корабля ~ 200 т, ускорение 0,3510
2
м/с
2
);
околомарсианская посещаемая станция массой
~ 50 т, в т.ч. топлива 30 т, доставляется тем же
буксиром; три МВПК для спуска космонавтов на
Марс и возвращения их к станции, доставляемые
заблаговременно к околомарсианской станции
тем же буксиром по экономичной траектории с
ускорением ~ 0,210
2
м/с
2
; штатная околоземная
база станция для сборки и отправки кораблей к
Марсу и для прима космонавтов с Марса, пере
садки их в спускаемый на Землю корабль.
Максимальный вариант обладает существен
ным достоинством малой потребной тягой дви
гателей (~ 70 кН на фоне ~ 400 кН для минималь
ного варианта) и соответственно в 5 6 раз
меньшей мощностью энергоустановки, что дела
ет этот вариант привлекательным, как более лег
ко технически реализуемый. Недостаток этого
варианта в его большом составе технических
средств и множестве ответственных операций в
космосе (стыковка с околомарсианской станци
ей, заблаговременная доставка к ней возвращае
мого корабля, пересадка космонавтов в этот но
вый для них корабль). Вместе с тем последний
недостаток имеет и положительную сторону
этот корабль может быть использован как резер
вный. Космонавты в этом случае не пересажива
ются в него, а только заправляют топливом свой
корабль из резервуаров околомарсианской стан
ции. Эти два корабля отправляются к Земле одно
временно, допуская пересадку в ходе полта при
возникновении неисправностей.
Далее техника освоения космического про
странства будет брать вс новые и новые рубежи.
К 2075 году на Луне могут появиться первые
поселения и промышленные производства для
самообеспечения колонистов. Усовершенствует
ся транспортная система Земля Луна Земля, бу
дет создана окололунная орбитальная станция
для обслуживания транспортной системы, то есть
для осуществления пересадки космонавтов
прибывающих с Земли на лунные посадочные
корабли и стартующих с Луны к Земле для их
пересадки в спускаемые в атмосфере Земли ко
рабли.
На Марсе сможет быть построена посещаемая
станция для кратковременного (порядка месяца)
пребывания космонавтов на поверхности плане
ты. Будут совершены пилотируемые полты на
астероиды и кометы юпитерианской группы как
наиболее доступные с целью выявить целесооб
разную направленность их использования. К кон
цу текущего столетия помимо поселений на Луне
и Марсе будет построено первое орбитальное
поселение в виде тора (на 30 50 человек) с
искусственной тяжестью более 0,3g.
XXII столетие ознаменуется широким
практическим использованием Луны и
глубокими исследованиями Марса. Лун
ные поселения будут построены не толь
ко на поверхности планеты, но и на глу
бине десятков метров, что сделает ста
бильным температурный режим и надж
но защитит от радиации. На Марсе будут
также созданы поселения на поверх
ности (под надувными куполами) и под
поверхностью.
Но главное, что человечество в XXII
столетии задумается над преобразова
нием климата ближайших планет Мар
са и Венеры. Основным ключом будет
использование воды комет юпитериан
ской группы, наиболее удобной и с точки
зрения частоты их прохождения через
орбиты этих планет, и с энергетической
точки зрения: в апогее эти кометы име
ют сравнительно небольшую скорость
(~5 км/с), и при наличии мощной энер
гетики и двигателей большой тяги воз
можна такая коррекция этой скорости,
чтобы кометы массой ~1015 кг в конце
концов упали на Венеру и на Марс. На
Венере они охладят атмосферу и изме
нят е химический состав, а на Марсе
наполнят атмосферу молекулами воды,
которые сформируются в виде облаков,
и заработает водяной цикл облака,
осадки, реки, океаны, испарение по
отработанному на Земле круговороту.
Помимо проблем освоения, перед че
ловечеством вс настойчивее будет вставать про
блема самосохранения при катастрофах, вызван
ных техногенными и природно эволюционными
причинами. С техногенными проблемами мы уже
столкнулись и видим, как начал меняться климат.
Ожидать снижения техногенного фактора нере
ально техника неуклонно наступает на природу.
Здесь космонавтика расширит зону обитания, и
значительная часть населения Земли, а с ним и
вредного производства, будет переселена с нашей
планеты. Но темпы роста населения и индустриа
лизации так высоки, что вряд ли это наверняка
спаст положение: при потеплении климата раста
ют льды Гренландии и Антарктиды, произойдт
затопление низменностей суши основных жит
ниц и мест проживания основной части населения;
при похолодании атмосферы Земля покроется
снегом, моря и океаны льдом, возрастт альбедо и
пойдт прогрессивное оледенение Земли.
Если не удастся улучшить климат Марса и Вене
ры для массового их заселения, то единственный
выход это Луна (поверхность и подповерхнос
тные жилые объмы) и орбитальные поселения
на десятки и сотни тысяч человек. Эти поселения
станут особенно актуальны в XXIII столетии, когда
космическая технология (особенно в части энер
гетики и двигателей) достигнет такого уровня,
при котором орбитальные поселения смогут ак
тивно перемещаться между планетами, а затем и
за пределы Солнечной системы. Это ознаменует
новый этап освоения космоса выход к другим
звздам и планетным системам.
Этот этап важен и с точки зрения выживания
при катаклизмах Солнца. Известно, что в сравни
тельно близкой окрестности на расстоянии ~ 100
Парсеков от нашего светила находится несколько
тысяч белых и коричневых карликов, сформиро
вавшихся из звзд типа Солнца. Нашему светилу
необходимо иметь существенные отличия от его
сородичей, чтобы не перейти в структурную фор
му карлика, и надо быть совсем уникумом, чтобы
прожить ещ миллиарды лет. На самом деле
структурный переход нашего Солнца может про
изойти в любое удобное для него время: через
5109лет, 3109, 109, 106, 103 лет Какие особен
ности его поведения проявляются перед этим
переходом, никто не знает, а они могут быть,
могут и не быть.
В лучшем случае они есть. Например, резкое
изменение солнечной постоянной, числа солнеч
ных пятен, смазывание проявлений одиннадца
тилетних циклов, изменение полярности магнит
ного поля и т.д. Поэтому так важно всесторонне
изучать Солнце проводить непрерывный сте
реомониторинг его поверхности и происходящих
на ней процессов, понять механизм формирова
ния пятен, и на основе этих наблюдений попытать
ся сформировать представление о внутренних про
цессах. Прежде всего это особенности движения
нагретых газов в центральной части к периферии,
характер взаимодействия широтных слов при вра
щении Солнца при огромных размерах светила
(радиус ~ 0,7106 км) это формирует весьма боль
шие линейные скорости на экваторе (~ 2 км/с) при
нулевых на полюсах. Эти и другие механизмы по
зволят глубже понять взаимосвязь внешних про
явлений с внутренними процессами, что может
помочь спрогнозировать время фазового перехо
да, губительного для жизни на Земле.
Наихудший вариант для землян, если вс про
исходит неожиданно, без изменения каких либо
внешних признаков. Поэтому в обоих случаях
спасение человечества в орбитальных поселе
ниях и подпочвенных городах. Так, орбитальные
поселения, во первых, могут двигаться не только
вокруг Земли, а уходить за пределы Солнечной
системы и даже к другим звздам, подобным
нашим, а если очень повезт, то и найти подходя
щую для жизни планету, похожую на нашу Землю,
но это надо быть очень везучими. Во вторых, при
хорошей радиационной защите орбитальных по
селений, может быть, возможно будет уйти от
Земли опять же к другим звздам в условиях
весьма интенсивной радиации.
Подпочвенные города смогут сохранить жизнь
их населению при солнечной катастрофе, но по
стоянно жить без Солнца в замкнутом объме
людям высокотехнологичных времн будет недо
стойным делом, и потому они будут иметь про
запас корабли, способные транспортировать
часть населения к другим звздам, а может быть,
это будут туристические поездки в другие миры
подобно нашим поездкам за рубеж.
Так или иначе, будущее человечества и его
выживаемость будут неразрывно связаны с кос
монавтикой, поэтому и наступающая новая эра
должна называться Эрой космонавтики, а сама
цивилизация Космической.
Георгий УСПЕНСКИЙ,
доктор технических наук,
профессор, заместитель начальника
комплекса ЦНИИмаша
В ряду всех технических систем космо
навтика развивается наиболее быстры
ми темпами. Это связано с е высочай
шей значимостью для человечества
она охватывает практически все стороны
жизни людей, переводя их на существен
но новый качественный уровень. Так, в
атомной промышленности от открытия
радиоактивности до создания атомной
бомбы, а затем появления атомных
электростанций прошло более 50 лет. В
космонавтике от запуска первого ИСЗ до
полта Ю.А. Гагарина прошло всего 4
года; через 8 лет была создана ракета
большой грузоподъмности Протон, а
через 14 лет первая космическая
станция Салют.
Конкретные средства
и цифры
Новые рубежи
Георгий Романович Успенский.
Так изображали звздные корабли
фантасты ХХ века.