II. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Лунный космический транспорт в 2001 г.

Пэйдж X. В. (H. W. Paige)

Быстрый технический прогресс, достижения которого за последние 50 лет превосходят все предыдущие достижения за 5000 лет, очень затрудняет задачу предсказания, так что даже самые долгосрочные прогнозы могут оказаться к 2001 г. устаревшими. Мы хорошо осведомлены о неудачах подобных предсказаний в прошлом, и человеческая история пестрит высказываниями типа "это была глупость Фолли, а это - ошибка Митчелла".

Что же касается космической области, то можно вспомнить, как пресса и публика смеялись над доктором Годдардом. Они называли его прогнозы "абсурдными", а его самого прозвали "лунатиком".

Вскоре после второй мировой войны некоторые ведущие американские ученые отвергли и осмеяли понятие "точный баллистический снаряд", а меньше чем 10 лет назад Британское королевское астрономическое общество называло перспективу космических путешествий "абсолютной чепухой". В течение столетий Луна находилась в поле нашего зрения. Сегодня она находится в пределах нашей досягаемости. Ракета-носитель "Сатурн", космический корабль "Аполлон" и лунный экспедиционный отсек, объединенные в единую транспортную систему, сделают возможным осуществление пилотируемых полетов к Луне еще до конца этого десятилетия (фиг.1).

Если лунные полеты станут реальностью к концу десятилетия, то чего можно ожидать к концу столетия? Какие люди будут совершать путешествия на Луну в 2001 г.? Каковы будут средства транспорта, доставляющие этих людей на лунную поверхность? Какие перспективные способы космических путешествий будут исследоваться в то время? Заглянем в будущее, когда корабль "Аполлон" станет таким же достоянием истории, каким сегодня являются труды Годдарда.

Фиг.1. Первые шаги на Луне.

Прежде чем сделать этот шаг в 35 лет, рассмотрим вкратце некоторые важнейшие технические достижения, сделанные нами за последние 35 лет. Фордовский трехмоторный самолет был типичным коммерческим видом транспорта в 1931 г. Он перевозил 12 пассажиров на небольшие расстояния со скоростью 190 км/час. Сегодня самолет "Боинг-707" перевозит 188 человек со скоростью 970 км/час почти во все точки земного шара. Помимо роста вместимости, скорости и дальности перевозок самолетный "парк" возрос с тех пор в 200 раз, а ежегодный объем перевозок по авиалиниям в пассажиро-километрах увеличился в 100 раз (табл.1).

Таблица 1

Развитие гражданского авиационного транспорта

Год	Количество посадочных мест в самолете	Скорость самолета, км/час
1931	12	190
1965	188	970

Общий объем авиационных перевозок в США

Год	Количество самолетов	Количество пассажиро-километров в год
1931	490	82 млн.
1965	90935	93,4 млрд.

Если сравнивать скорости полетов, то в 1931 г. пилоты Вилли Пост и Гарольд Гэтти облетели вокруг земного шара за рекордное время - 8 суток и 16 часов. Сейчас наши космонавты совершают такое путешествие менее чем за два часа. Такой прогресс стал возможным благодаря постепенному усовершенствованию и развитию авиационной техники и крупнейшим научным открытиям. Некоторые проблемы телевидения, радиолокации и ракетостроения изучались уже в 1931 г., но сферу их возможного применения мог предвидеть лишь очень небольшой круг лиц. Циклотрон, цветной кинематограф, реактивный двигатель, электронная вычислительная машина, электронный микроскоп, атомный реактор, атомная бомба, транзистор, атомная подводная лодка, космический полет и лазерно-мазерная техника - все это появилось после 1931 г. (фиг.2) и уже оказывает большое влияние на современное общество.

В свете этих достижений мы можем мысленно сделать несколько гигантских шагов вперед. В 2001 г. большую часть транспортных полетов к Луне будут составлять полеты с целью доставки на лунную поверхность ученых, инженеров и обслуживающего персонала. Луна станет великим университетом перспективных исследований.

На Луне будут созданы многочисленные лаборатории, в которых будут проводиться эксперименты и астрофизические исследования, невозможные на Земле. На базе лунных ископаемых будут построены новые промышленные предприятия. С деятельностью человека на Луне будет связано огромное количество новых проектов, а освоение Луны потребует совершенно необычных решений в сфере транспорта и строительства.

Фиг.2. Великие открытия с 1931 г.

Ученые, инженеры, руководители, врачи, педагоги и политики будут оказывать самое непосредственное влияние на развитие транспорта для полетов на Луну. Вряд ли в 2001 г. туристские путешествия на Луну станут популярными ввиду недостатка комфорта, риска и слишком высокой стоимости таких путешествий.

Фиг.3. Космодром будущего.

В связи с проблемой массовых перевозок логичным путем ее разрешения с точки зрения современной техники представляется создание аэрокосмического самолета. Путешественник начнет свою лунную экспедицию в сооружении (фиг.3), похожем на современные аэродромы для сверхзвукового транспорта. Пассажирское кресло в аэрокосмическом самолете будет находиться внутри герметичной капсулы, предназначенной для спасения пассажира в случае аварии во время полета. Пассажирский салон в виде большого отделяемого отсека будет вмещать более ста пассажиров и весить более 450 т. Взлет будет горизонтальным, как у современных самолетов (фиг.4).

Фиг 4. Аэрокосмический самолет с пассажирским отсеком.

Реактивные двигатели аэрокосмического самолета будут работать на водороде, получаемом из морской воды на больших атомных установках, расположенных неподалеку от аэрокосмодрома. После взлета аэрокосмический корабль наберет высоту и начнет разгоняться для выхода на суборбитальную траекторию.

Ракетно-прямоточные двигатели и устройства для сжижения воздуха обеспечат разгон до гиперзвуковых скоростей. Пассажирский отсек с путешественниками, разместившимися в комфортабельных креслах, отделится от самолета-носителя при перегрузке немногим более 1,5 g во время полета по баллистической траектории за пределами атмосферы, после чего самолет начнет снижение для посадки на аэрокосмодром, а ракетные двигатели пассажирского отсека выведут его на конечную орбиту, сообщив ему скорость около 8 км/сек. Весь этот участок полета займет по времени не более 30 мин (фиг.5).

Фиг.5. Отделение пассажирского отсека.

После непродолжительного полета по геоцентрической орбите, во время которого пассажиры остаются в своих индивидуальных капсулах, пассажирский отсек приблизится к орбитальной космической станции и пристыкуется к ней (фиг.6). Продолжительность пребывания пассажиров в состоянии невесомости будет сведена к минимуму путем выбора соответствующей схемы космической станции и методов стыковки. Космический корабль пристыкуется перпендикулярно плоскости космической станции у ее оси вращения. Рельсовая система переведет корабль на внешнее кольцо космической станции, и он будет вращаться вместе с ней как единое целое. Здесь, в условиях искусственной гравитации, пассажиры смогут покинуть свои кресла и войти в космическую станцию через выходной люк в носовой части корабля приблизительно так же, как вы и я могли бы сойти с самолета в одном из наших современных аэропортов.

Фиг.6. Стыковка аэрокосмического отсека с орбитальной космической станцией.

Орбитальная космическая станция будет представлять собой комплекс из отдельных камер и кабин, напоминающий небольшой город. Этот комплекс будет находиться в состоянии непрерывной перестройки и расширения подобно любому развивающемуся комплексу на Земле. К комплексу орбитальной космической станции постоянно будут пристраиваться научно-исследовательские лаборатории, каждая из которых будет укомплектована штатом научных работников.

Фиг. 7. Лунный космический корабль.

Кроме помещений для пересадки пассажиров, направляющихся к Луне, и для выполнения научной работы по исследованию космического пространства, третью группу сооружений станции будут составлять служебные отсеки, необходимые для поддержания работоспособности самого комплекса, ремонта, связи и т. д.

Итак, некоторые пассажиры аэрокосмического самолета закончат свое путешествие на орбитальной космической станции, а другие продолжат свой путь к Луне в лунном космическом корабле (фиг.7). Двигатели этого корабля будут работать почти непрерывно в течение всего полета, иначе ему пришлось бы сообщать вращательное движение для создания искусственной силы тяжести. На большей части траектории лунный корабль будет ускоряться; затем он развернется на 180° для торможения и перехода на орбиту спутника Луны.

На лунных космических кораблях будут, вероятно, установлены ядерные ракетные двигатели большой тяги, "правнуки" разрабатываемой в настоящее время двигательной установки "Нерва". Вес пассажиров во время полета будет примерно в десять раз меньше их нормального веса на Земле, что вполне приемлемо для нормальной жизни человека: выполнения комплекса гигиенических мероприятий, питания, развлечений. Расстояние до Луны в 380 тыс. км будет покрываться за 12 час вместо 3,5 суток полета космических кораблей "Аполлон".

Поскольку при перевозке грузов время не является столь важным фактором, как при полетах пассажирских кораблей, наиболее экономичный способ транспортировки обычных грузов между орбитальными космическими станциями в окрестностях Земли и Луны будет связан, по-видимому, с применением электрических ракетных двигателей малой тяги. Полет таких беспилотных грузовых кораблей (фиг.8) будет продолжаться от 30 до 90 суток, что, конечно, неприемлемо для пассажиров. Грузовые корабли, предназначенные для полетов к Луне и обратно, будут иметь автоматическое управление.

Даже при очень совершенных ракетных двигательных установках лунный космический корабль не сможет осуществить посадку на поверхность Луны без дополнительных ступеней одноразового действия. От широко применяемого в настоящее время принципа сбрасывания отработанных ступеней ракет-носителей к началу эпохи освоения Луны придется полностью отказаться. Уже в 1965 г. космонавты могли видеть и регистрировать в космосе обломки предметов земного происхождения. Поэтому мы должны нести все возрастающую ответственность за засорение космического пространства, и в будущем станет обязательным применение транспортных ступеней многократного использования

Фиг.8. Беспилотные грузовые космические корабли с электрическим ракетным двигателем.

Единственным исключением, возможно, будут уничтожаемые топливные баки, изготовленные из материалов с низким давлением паров, сублимирующихся после употребления. Такие баки могут быть изготовлены, например, из органических смол с малым молекулярным весом. В частности, жидкие при комнатной температуре полиэфирные и эпоксидные смолы становятся твердыми в криогенных условиях. Они будут испаряться после использования в условиях космического вакуума.

Вместо посадки лунного космического корабля можно предусмотреть его встречу с космической станцией, находящейся в либрационной точке (фиг.9), где пассажиры переходят в специальный посадочный аппарат. Либрационная точка L = 1 сохраняет постоянное положение относительно Земли и Луны и находится в 50 тыс. км от лунной поверхности. Такая космическая станция, значительно меньшая орбитального комплекса на геоцентрической орбите, будет служить как для транспортных операций, так и для связи, поскольку она будет находиться в зоне прямой видимости с одних и тех же точек на поверхности Луны.

Требования к эксплуатации такой транспортной системы между Землей и Луной будут очень сложными. Даже в настоящее время подготовка к полету обычного пассажирского самолета обеспечивается добрым десятком подвижных наземных служб, включая заправщики топливом, ремонтные и эксплуатационные установки, тележки для подвоза продовольствия, подвижные трапы, багажные платформы, автомашины-буксировщики и различные аварийные установки. Стационарные службы включают кассовые устройства, оборудование для приема, транспортировки и выдачи багажа, службы обслуживания пассажиров и службу погоды.

Фиг.9. Космическая станция в либрационной точке системы Земля - Луна.

Эффективность и качество работы всех этих служб непрерывно повышаются благодаря применению последних достижений в области вычислительной техники, а также совершенствованию радиолокационного и метеорологического оборудования, и это улучшение работы системы обслуживания стимулирует непрерывный рост объема авиационных перевозок. Прогнозы дальнейшего роста перевозок базируются на предположении, что обслуживание пассажиров и эксплуатационные характеристики самолетов будут и в дальнейшем непрерывно улучшаться (фиг.10).

Фиг.10. Перспективы роста объема перевозок пассажиров гражданским аэрофлотом.

Что касается современных космических полетов, то небесполезно напомнить о том, что почти все имеющиеся [в распоряжении НАСА. - Прим. перев.] наземные установки для связи и обработки информации были заняты обслуживанием одновременного полета двух космических кораблей "Джемини". Мы уже сталкиваемся с проблемой ограниченных возможностей имеющихся наземных установок для сборки, проверки и запуска космических кораблей, станций связи, устройств обработки данных и средств спасения при возвращении космических кораблей на Землю. До сих пор кривая роста сложности и объема операций, выполняемых человеком в космическом полете, была довольно крутой и впечатляющей (фиг.11). Однако дальнейший рост будет в большой степени зависеть от расширения возможностей наземных систем, стоимость которых в сумме намного превышает расходы на собственно летное оборудование.

Фиг.11. Развитие пилотируемых космических полетов (суммарные данные для всех стран).

До сих пор мы с удовлетворением констатировали факты благополучных полетов наших космонавтов. Но, без сомнения, наступит время и космических бедствий, и гибели космонавтов. У космических полетов появится своя статистика происшествий, аналогичная статистике авиационных катастроф. Весьма вероятна такая ситуация, когда пилотируемый космический корабль будет поврежден, но не разрушен, и поэтому потребуются средства спасения в космосе, которые позволили бы добраться до корабля и оказать помощь потерпевшим аварию. Разработка такой спасательной службы потребует решения ряда проблем, весьма напоминающих проблемы, связанные с разработкой методов спасения подводных лодок.

Служба космического спасения может быть также использована для возвращения в строй поврежденных космических кораблей. В отличие от спасения космонавтов целесообразность ремонта в космосе будет определяться экономическими соображениями: насколько дешевле отремонтировать космический корабль, чем заменить его новым. Ясно, однако, что в ближайшее же десятилетие возникнет необходимость в разработке систем спасения и ремонта в космосе, так что к 2001 г. эти операции станут обычными и будут достаточно отработаны применительно к транспортным операциям между Землей и Луной.

Фиг.12. Рост числа запусков космических аппаратов (суммарные данные для всех стран).

Другая проблема, которую потребуется решить к 2001 г., - это очистка космического пространства между Землей и Луной. Уже к настоящему времени запущено около тысячи космических аппаратов, а экстраполяция наметившихся тенденций на несколько последующих десятилетий (фиг.12) приводит к тревожным прогнозам, так как коридоры безопасных запусков будут становиться все более узкими. Поэтому следует ожидать, что когда-нибудь между настоящим временем и 2001 г. начнется осуществление обширной программы по сбору космических отходов и частичного их возвращения на Землю для повторного использования; остальные обломки будут сжигать в атмосфере или топить в океане. В связи с этим необходимо учитывать не только количество запущенных космических аппаратов, но и тенденцию к накоплению всякого рода предметов земного происхождения в космическом пространстве (фиг.13).

Фиг.13. Годовой тоннаж грузов, выводимых в космическое пространство (данные только для США).

Кроме того, для обеспечения безопасных полетов транслунных космических кораблей потребуется создать специальную сеть систем связи и навигации, состоящую из наземных и орбитальных установок. Эта сеть будет связана с наземными или орбитальными вычислительными комплексами, обеспечивающими пилотируемые космические корабли точной информацией, необходимой при осуществлении полетов по заданным траекториям.

В подробном исследовании и прогнозировании нуждается также деятельность на поверхности Луны, связанная с осуществлением транспортных полетов. Возможно, будет создан лунный автономный комплекс, работающий на атомной энергии и предназначенный для производства жидкого водорода, кислорода и прочих видов топлива на базе лунных ресурсов (фиг.14). В 2001 г. стоимость такого топлива будет, по-видимому, меньше стоимости его доставки на Луну. Таким образом, подобный лунный комплекс, который, возможно, будет промышленным комплексом, окажется в более выгодном положении по сравнению со своими земными конкурентами. Такой комплекс обеспечит добычу руды, переработку ее и извлечение из нее полезного продукта химическим способом.

Фиг.14. Промышленный автономный комплекс на Луне.

Другим вероятным объектом строительства на Луне может стать электромагнитный ускоритель для непосредственного запуска космических аппаратов на орбиту спутника Луны или даже на траекторию ухода от Луны (фиг.15). Ту же установку можно использовать и для посадки корабля, снижающегося с орбиты, что, возможно, сделает экономически более выгодными прямые перелеты между Землей и Луной без использования промежуточных орбитальных космических станций.

Фиг.15. Электромагнитный ускоритель для старта с Луны.

Использование электромагнитного поля для разгона космических кораблей представляется весьма заманчивым способом. Чтобы создать силу, действующую на космический корабль на протяжении нескольких километров, такие устройства по современным представлениям должны быть довольно громоздкими. Например, электромагнитный ускоритель для вывода космических кораблей с поверхности Луны на окололунную орбиту с перегрузкой, не превышающей 10 g, должен иметь длину 15 км и разгонять корабль в течение 18 сек. Для вывода того же корабля на траекторию полета к Земле или другим планетам потребуется ускоритель длиной 30 км со временем разгона 25 сек.

Значительно более интересные возможности могут открыться в связи с разработкой ионных ускорителей для передачи массы и энергии с лунной базы или орбитальной станции на борт космического корабля, совершающего перелет между Землей и Луной (фиг.16). Ионный ускоритель, несколько усовершенствованный по сравнению с современными, будет посылать ионы коллимированным пучком на ионные замедлители, находящиеся на расстоянии нескольких тысяч километров. Масса и энергия захваченных такими замедлителями частиц будут затем излучаться в другом направлении и создавать необходимый вектор силы, как на парусных судах.

Фиг.16. Установка на базе ионных ускорителей для передачи массы и энергии с Луны на космический корабль.

Эффективность такой схемы зависит от достижимой степени коллимации пучка лучей. Требуемое качество фокусировки примерно такое, как у лазера, находится еще далеко за пределами возможностей современных электрических устройств подобного рода. Однако реализация этих возможностей позволила бы существенно повысить энергетические характеристики космических аппаратов при перелете между Землей и Луной, выходе из сферы притяжения Луны, полете к другим планетам, а также при торможении для перехода на геоцентрическую орбиту после возвращения из межпланетного полета.

Все рассмотренные до сих пор схемы транспортных перевозок основывались на реактивном принципе. По-видимому, существует и другой способ перемещения космических кораблей с геоцентрической орбиты на орбиту спутника Луны. При таком способе работа, затрачиваемая на удаление космического корабля, может быть восстановлена при его возвращении.

Фиг.17. Энергетические требования для обеспечения транспортных операций между Землей и Луной.

Общие требования к потенциальной энергии (за исключением необратимых потерь, например на трение) можно выразить через изменение положения при перемещении некоторого тела между поверхностями Земли и Луны или между соответствующими орбитами. Энергетический уровень массы, доставляемой на Луну, последовательно повышается: сначала при выводе ее на околоземную орбиту, затем при выводе на траекторию полета к Луне, после чего часть энергии затрачивается на совершение работы по переходу на окололунную орбиту и при посадке на поверхность Луны (фиг.17). Обратный полет происходит аналогичным образом: работа затрачивается на перевод тела на поверхность Земли.

Фиг.18. Обмен орбитами в результате упругого столкновения тел в космическом пространстве.

Возможный метод реализации такого полета с накоплением энергии состоит в использовании нескольких масс, движущихся по разным орбитам: космический корабль, встречаясь с этими массами, будет обмениваться с ними количеством движения путем упругих столкновений (фиг.18). Два тела одинаковой массы после упругого столкновения обмениваются орбитами. Космический корабль, находящийся в апогее своей орбиты, встречаясь с массой, находящейся в перигее (при этом условии каждое из тел не будет иметь радиальных составляющих скорости), обменивается с ней орбитой. Многократное повторение такой операции с применением одинаковых или даже неодинаковых масс позволит космическому кораблю достичь в конечном итоге окололунной орбиты. Полет к Земле происходит аналогичным образом, но в обратной последовательности: космический аппарат, постепенно возвращая орбитальным массам "заимствованную" у них энергию, приобретает первоначальный энергетический уровень.

Эта техническая идея, позволяющая совершать полеты между околоземной и окололунной орбитами за счет накопления и возвращения энергии, обеспечивает существенную экономию расходуемой энергии. Однако для реализации этого принципа потребуются специальные технические устройства, гарантирующие упругие столкновения без повреждений космического корабля и основанные на использовании сил отталкивания типа электромагнитных или упруго-статических, а не механического действия пружин. Чтобы действие этих сил было эффективным, они должны прикладываться на больших расстояниях (порядка километра), и поэтому космические корабли должны иметь аналогичные размеры. Поскольку проблема размеров в космосе не имеет большого значения, разработка такой системы обмена количеством движения для осуществления полетов между Землей и Луной в космическом пространстве оправдала бы выделенные для этой цели национальные ресурсы примерно так же, как оправдывает себя строительство бетонных шоссейных дорог и морских портов на Земле. Такая космическая система, однажды созданная, позволит существенно снизить стоимость транспортных перевозок между Землей и Луной за счет резкого уменьшения потребных энергетических затрат.

Орбитами, энергетическими уровнями и положением промежуточных масс можно управлять с помощью электрических ракетных двигательных систем, работающих на ядерной или солнечной энергии. Использование таких устройств позволит накапливать энергию в течение длительного времени при помощи источников электрической энергии малой тяги.

Перенесение наших современных представлений и технических достижений в 2001 год, так же как и экстраполяция событий последних 35 лет в будущее, может оказаться крайне ошибочной. Такая экстраполяция обычно базируется на некоторых показателях "качества", таких, как масса, дальность полета, вес полезного груза, скорость, удельная энергия или экономические факторы. По прошествии некоторого времени станет ясно, какие именно показатели "качества" следовало бы использовать в действительности и какие из них являются наиболее важными, поскольку смотреть назад всегда легче, чем вперед. Однако в любом случае прогресс несомненен: в то время как детищем фордовского трехмоторного самолета стал "Боинг-707", лунная транспортная система и аэрокосмический самолет 2001 года будут созданы на основе космических кораблей "Джемини" и "Аполлон" (фиг.19).

Фиг.19. Эволюция авиационных и космических транспортных средств.

Мы завершили почти пятилетний период пилотируемых космических полетов и пытаемся заглянуть на 35 лет вперед, - это значит, что на семь лет пророчества приходится один год накопленного опыта. Однако картины роста нашей экономики и промышленности достаточно хорошо экстраполируются в будущее, а они показывают, что приблизительно каждые десять лет ожидается удвоение экономики. Такая экстраполяция применима, в частности, к производству электроэнергии, которое является одним из основных показателей экономической мощи страны (фиг.20). С помощью экстраполяции подобного рода мы можем оценить наши возможности и необходимые ресурсы для поддержания и развития дальнейшей деятельности в космосе, на Луне или в любой другой выбранной области. Представленные здесь технические оценки транспортных операций между Землей и Луной основаны на прогнозах, но решение о том, в какой мере они будут реализованы на практике, будет, очевидно, базироваться на соображениях баланса и компромисса между нашими нуждами здесь, на Земле, и задачами дальнейшего прогресса в космосе.

Фиг.20. Рост производства электроэнергии (суммарные данные для всех стран).

До 2001 г., несомненно, будут сделаны новые неожиданные открытия. Прогнозы относительно лунных полетов, которые делаются в настоящее время, могут оказаться сверхконсервативными уже через 10 лет. Рассматриваемые нами методы транспортных сообщений и способы их осуществления могут оказаться неподходящими в свете новых технических достижений. Современные методы полетов в космосе могут стать слишком примитивными и несовершенными в будущем.

Будем искренне верить, что наши национальные цели окажутся достаточно благородными, чтобы претворить в жизнь то, о чем здесь говорилось. Именно это, а не техника будет определять наш дальнейший прогресс.

Далее...