28 ноября 2006
2479

Космический лифт

Глава российской Ракетно-космической корпорации "Энергия" Николай Севастьянов считает, что первая обитаемая база на Луне появится в 2015 году и будет она российской. Руководство НАСА заявило, что американские астронавты высадятся на естественном спутнике Земли в 2018 г., а за этим последует создание действующих на постоянной основе лунных баз с обслуживающим их персоналом. О намерении начать освоение Луны, в том числе промышленное, заявляют и китайские ученые. Сегодня уже не вызывает сомнение, что одной из главных проблем в программе колонизации Луны станет транспортировка грузов по трассе Земля - Луна - Земля. То же самое можно сказать и об организации пилотируемых миссий на Марс.

Традиционные способы транспортировки с использованием ракет-носителей (РН) на химическом топливе, даже таком эффективном как водород - кислород, здесь вряд ли будут приемлемыми. Так РН "Протон" при стартовой массе порядка 650 т выводит на опорную околоземную орбиту космический аппарат (КА) массой всего около 22 т, а на межпланетную траекторию полета - 6,5 т, то есть один процент от стартовой массы. Масса же возвращаемого с марсианской поверхности на Землю аппарата составит уже только одну сотую процента от стартовой массы ракеты-носителя. Как показывают предварительные расчеты, масса марсианского космического комплекса, выводимого на межпланетную траекторию, должна быть порядка 600 т. Поднять ее с Земли в одном запуске невозможно, поэтому комплекс должен собираться на околоземной орбите из отдельных частей. Если использовать для этого РН "Протон", то потребуется, как минимум, 100 их запусков с общей стартовой массой 65 000 т.

Не улучшит ситуацию и более грузоподъемная перспективная российская РН "Ангара". Напомним, что ставка на тяжелые носители, как это было в 60-х годах прошлого века при полетах человека на Луну, сделала проект Apollo дорогостоящим тупиком. Использование РН Saturn 5 обходилось примерно в 2 млрд долл. за полет. Планируемое сегодня в США создание нового тяжелого носителя на базе элементов Space Shuttle по экспертным оценкам будет стоить 10 млрд долл., а каждый полет - столько же, что и пуск Saturn 5.

Что касается советской сверхтяжелой РН "Энергия", которая, несомненно, является высшим достижением мировой ракетной техники, то она выводила на опорную орбиту 105 т (4,3% стартовой массы). Следовательно, и в этом случае для осуществления межпланетного полета потребуется суммарная стартовая масса носителей порядка 50 000 т. При всем этом современные ракетные двигатели на химическом топливе имеют характеристики, уже близкие к теоретическому пределу.

В последнее время большое внимание уделяется разработке с целью использования в межпланетных перелетах электрореактивных двигателей (ЭРД). Основное их достоинство - большая величина удельной тяги (отношение тяги реактивного двигателя к секундному массовому расходу рабочего тела; выражается в секундах) порядка 1200-4000 с, что в 5-10 раз больше, чем у жидкостных реактивных двигателей (ЖРД). Однако траектория разгона космического аппарата при применении ЭРД в межпланетных перелетах далека от оптимальной. Отсюда и значительное увеличение длительности полета.

Ситуацию способна разрешить разработанная учеными Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) тросовая система для межпланетных перелетов. Она может использоваться как транспортная артерия при создании постоянной обитаемой базы на Луне, так и в проектах пилотируемой экспедиции на Марс. Новая система позволит принципиально уменьшить расходы на доставку грузов по межпланетным трассам. Время доставки при этом увеличивается незначительно.

Но сначала о том, что такое космическая тросовая система. Под этим понимается комплекс искусственных космических объектов (спутников, кораблей, грузов), соединенных длинными тонкими и гибкими элементами. В наиболее простом и понятном виде - это связка двух космических аппаратов с тросом длиной в десятки или даже сотни километров. Связка находится в режиме вращения (как своего рода космическая праща), вокруг центра масс, который движется по заданной орбите. Если в какой-то момент от одного из космических аппаратов отделить "груз", то ему за счет высвобождения энергии вращения пращи сообщается поступательное движение, как и при работе реактивного двигателя.

Основы концепции тросовых систем как одного из перспективных направлений развития космической техники были заложены в свое время российскими учеными. Константин Циолковский предлагал использовать тросовую систему для создания искусственной тяжести на борту орбитальной станции. Фридрих Цандер выдвинул идею "космического лифта" в виде 60 000 км троса, протянутого с поверхности Луны к Земле. Под действием гравитационных и центробежных сил такой трос будет постоянно натянут и по нему, как по канатной дороге, считал ученый, можно будет транспортировать грузы.

В 1965 г. в РКК "Энергия" (в то время Центральное конструкторское бюро машиностроения - ЦКБМ) под руководством академика Сергея Королева велась подготовка к первому в мире космическому эксперименту с тросовой системой. Проект предусматривал создание искусственной силы тяжести на корабле "Союз", соединенном стальным тросом с последней ступенью ракеты-носителя, при приведении этой связки во вращение. Но после смерти Королева проект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК "Энергия" возобновились только спустя 20 лет.

За рубежом ряд "тросовых" экспериментов был осуществлен в американских, итало-американских и американо-японских проектах. Не все они были удачными, но, тем не менее, часть запланированных исследований удалось реализовать.

В работах, которые выполнялись в последние годы в ИКИ РАН, исследовалась возможность построения группировки орбитальных тросовых систем (ОТС), позволяющей обеспечить циклическую доставку полезного груза с Земли на Луну и обратно. Теоретические и экспериментальные проработки показали, что группировка должна состоять из двух тросовых систем, расположенных на околоземных орбитах - низкой круговой и эллиптической - и одной на орбите около Луны. При этом околоземные орбиты должны располагаться в полярной плоскости, а вокруг Луны тросовая система обращается по круговой экваториальной орбите. При этом все три тросовые системы должны иметь такие линейные размеры, чтобы между концевыми блоками возникала заметная разность гравитационных потенциалов. Регулируя длину тросов, можно менять угловую скорость вращения каждой орбитальной системы.

В предлагаемую российскими учеными группировку помимо орбитальных тросовых систем войдут и обменные грузы, которые должны осуществлять перелет от одной тросовой системы к другой. В сущности, именно обеспечение перелета грузов от одной тросовой системы к другой как бы связывает отдельные тросовые системы в одно целое, превращая их в транспортную артерию. Существенным при этом является то обстоятельство, что в процессе перелета объекты системы должны обмениваться не только массами, но и энергией. Например, когда "запускающая" система на низкой круговой орбите, вращаясь, выносит груз за счет эффекта пращи на более высокую эллиптическую орбиту, где он захватывается концевым блоком второй околоземной тросовой системы, нижняя "праща" теряет некоторую часть своей энергии и перемещается на более низкую орбиту. То же самое происходит при перемещении груза с высокой эллиптической орбиты на околоземную тросовую систему. Поэтому после доставки оборудования или какой-то иной полезной нагрузки на Луну вместо них на Землю отправляется равновесный по массе груз, например, лунный грунт. То есть транспортная система должна работать по принципу фуникулера. Отсюда ключевым элементом экономической эффективности системы является частота "запусков". Она определяется в первую очередь временем, которое необходимо для того, чтобы восстановить потерю высоты "запускающей" тросовой системы.

Совпадение параметров движения при перелете "груза" (транспортного блока) с нижней тросовой системы на верхнюю в момент контакта обеспечивается соответствующим выбором длины троса и скорости вращения около центра масс. Никакое зависание в этом случае недопустимо, а контакт должен происходить точно в заданный момент времени. Отсюда одна из наиболее трудных проблем - осуществление надежного захвата груза в условиях достаточно быстрого относительного движения груза и "пращи". Для этого учеными разработан маневр наклона троса относительно вертикали, который "праща" осуществляет в точке встречи. Это позволит значительно увеличить время, в течение которого груз и устройство захвата "пращи" находятся вблизи друг друга.

К настоящему времени в ИКИ РАН осуществлен ряд модельных экспериментов в водной среде, подтверждающих основные характеристики планируемой транспортной системы Земля - Луна - Земля. Расчеты показывают, что при транспортировке с Земли на Луну такая система будет иметь массу в 28 раз меньшую, чем груз, который она будет способна доставить за срок своей службы, в то время как традиционные ракетные методы потребуют только топлива в 16 раз больше, чем сам полезный груз.

Наиболее привлекательным стимулом для осуществления проекта транспортных тросовых систем, несомненно, является необходимость освоения нового жизненного пространства для человечества, то есть колонизация Луны, а затем и Марса.








http://www.ras.ru/
Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован