Вторник, 22.10.2019
Космическая погода на текущий час
Вход в систему не произведен
 Войти /  Регистрация

Секция Совета РАН по космосу

< Константин Феоктистов: космонавтика без фанфар и амбиций
08.05.2013 00:04 Давность: 6 yrs
Категория: Организация космической деятельности, Освоение Солнечной системы
Количество просмотров: 1852

Константин Феоктистов: космонавтика без фанфар и амбиций (продолжение)



В 1991 году Константин Петрович Феоктистов, космонавт номер восемь, учёный, конструктор, профессор МВТУ им. Баумана, написал для общества «Знание» брошюру, в которой подвёл итоги трёх десятилетий пилотируемой космонавтики и заглянул в будущее. Двадцать два года назад этот текст, увидевший свет в очень смутное время, прошёл незамеченным, а вот сегодня он и читается запойно, и к месту, и, главное, ко времени. Не только не устарел, но и очень актуален!


ЛУННАЯ БАЗА

Не обсуждая здесь вопроса о своевременности и первоочерёдности сооружения лунной базы в ближайшие десятилетия, попробуем представить её облик и объём работ.

Задачами лунной базы могли бы быть регулярные исследования Луны (сейсмичность, метеорная обстановка, строение, геология, поиск полезных для человеческой деятельности ископаемых и т.п.), экспериментальная проверка возможности и целесообразности добычи полезных ископаемых, строительство астрофизической обсерватории, если дальнейшие исследования покажут целесообразность её создания на Луне, где отсутствие атмосферы, малая сила тяжести и возможность установки телескопов на неподвижном фундаменте представляются важными достоинствами по сравнению с наземными и с орбитальными телескопами.
Последняя задача может оказаться существенной, особенно если удастся показать возможность создания телескопов с синтезированной апертурой с зеркалами, разнесёнными на максимально большие расстояния. 
Естественным было бы иметь в составе базы центр информации и управления, лаборатории, отдельные каюты-квартиры для работников базы, помещения для спортивных упражнений, кают-компанию, столовую, кухню, ангар-шлюз для обслуживания и ремонта луноходов, производственные помещения, энергоустановку, средства обеспечения жизнедеятельности и теплового режима, оранжерею, склады запасного оборудования, топлива, собираемых образцов и т. п., луноходы для исследовательских экспедиций, транспортные средства, ангары для них, ангары-укрытия для дежурных кораблей срочной эвакуации.
Поскольку полёт транспортного корабля с экипажем на Луну может стоить порядка миллиарда долларов, ориентироваться стоит на длительное пребывание специалистов на базе. Кроме того, нужно будет учитывать изолированность и психологическую напряжённость работы на Луне. Поэтому нужно будет создать довольно комфортные условия для команды лунной базы. Резонно иметь в ней 5-6 человек, с тем чтобы каждый обладал 2–3 специальностями.
Каждому члену команды необходимо предоставить отдельную каюту-кабину со всеми удобствами объёмом порядка 50–100 куб. м. Кроме того, должны быть резервные жилые помещения, необходимые на период пересменки и для нештатных ситуаций. Примерно такие же размеры помещений стоит выделить для основного и резервного центров информации и управления, лабораторий, спортзалов, кают-компании, столовой-кухни, производственных блоков. Общий объём герметичных и жилых помещений может достигать порядка 2 000 куб. м. Учитывая всегда возможную опасность разгерметизации, пожара или появления вредных газовых примесей в атмосфере базы, придётся предусмотреть секционирование герметичных помещений и резервные входы-выходы в каждую секцию. Герметичные блоки лучше делать в виде цилиндров диаметром 3–4 м. 

Возникает вопрос о защите герметичных помещений от метеоров и большого перепада температур на поверхности Луны в дневное и ночное время. Можно, конечно, использовать меры, обычные для орбитальных космических аппаратов, — экраны и экранно-вакуумную изоляцию. Но на Луне, наверное, будет естественнее и эффективнее применить заглубление в грунт и засыпку сверху помещений станции тем же грунтом. Перед засыпкой, естественно, должен быть закончен монтаж всех конструкций, магистралей, канализации, кабельной сети и пр.

Наконец, невозможно везти с Земли гигантские конструкции помещений в готовом виде. Логично доставлять листовой, заранее раскроенный материал оболочек и «полуфабрикаты» в виде частей больших шпангоутов, люков, переходников «оболочка — трубопровод» и т. п. и уже на подготовленном монтажном месте заниматься сваркой, причём желательно с помощью роботов-автоматов 
Тут становится ясно, что постройке базы должны предшествовать разведывательная лунная экспедиция с задачей привязки на местности проекта базы, доставки с Земли механизмов (скреперы-тягачи, экскаваторы–подъёмные краны) и стройматериалов, а также высадка, по-видимому, нескольких, экспедиций для подготовки места строительства (грунтовые работы), дорог, посадочных площадок для приёма грузовых и пилотируемых кораблей и, наконец, для самого строительства. А это означает, что придётся привезти и временную станцию для строителей базы. 
В центр информации и управления должны стекаться сведения с Земли, от луноходов с исследователями (которые могут оказаться за сотни километров от базы, то есть далеко за её видимым горизонтом), от сотрудников, находящихся вне герметичных отсеков, телеметрическая информация от бортовых систем базы. Всё это означает, что для осознания оператором текущей ситуации необходима полная автоматическая обработка всей поступающей информации на вычислительных машинах, с выдачей обобщённых оценок в целом и по каждой отдельной системе, по каждому человеку вне базы, наглядное представление результатов обработки на электронных табло и дисплеях, а также рекомендации оператору. Тем самым потребуется создать мощное математическое обеспечение, заменяющее сотни специалистов, которые сейчас в центрах управления полётом анализируют уже предварительно обработанную информацию и готовят рекомендации для руководителей полёта и космонавтов. Конечно, в принципе возможно сохранить сложившуюся схему анализа ситуации на пилотируемых космических аппаратах в полёте и схему принятия решений в наземном центре управления. Но через одно-два десятилетия такая схема, скорее всего, будет признана недостаточно надёжной и слишком дорогой. 
Для телефонной и телевизионной связи с луноходами, находящимися за радиогоризонтом базы, можно использовать либо спутники Луны — ретрансляторы, либо связь по цепочке «база — ретранслятор на Земле — луноход, луноход — ретранслятор на Земле — база». Связь через ретранслятор на Земле неудобна тем, что она будет идти с временнóй задержкой около 5 с. По-видимому, придётся использовать оба варианта, так как лунный спутник-ретранслятор не всегда сможет быть в зоне радиовидимости базы и лунохода. Естественно, в центре информации и управления должны быть средства телефонной и видеосвязи со всеми рабочими, жилыми помещениями, а также с внешними объектами (заправочная станция, энергоустановка, посадочные площадки и т. п.). Кроме того, должна быть предусмотрена возможность обзора внешнего пространства и окружающей местности с помощью телевизионных камер. 
Проблема энергопитания базы осложняется тем, что двухнедельный день здесь будет сменяться двухнедельной ночью. Поэтому, если систему энергопитания строить на основе солнечных батарей, надо тут же решать вопрос, откуда брать энергию ночью. Даже если предусмотреть для станции режим «спячки», то и в этом случае потребуются аккумуляторные батареи массой во много тонн. К тому же режим «спячки» каждые две недели из четырёх не слишком рационален. 
Использование в качестве аккумулирующих устройств электролизеров воды, работающих днём при запасании электроэнергии, и электрохимических генераторов, действующих при отдаче электроэнергии ночью, потребует создания гигантских установок с громадными газгольдерами для водорода и кислорода. Подходящим решением, по-видимому, будет применение небольшой ядерной электростанции (вернее, двух-трёх разнесённых энергоблоков). Энергоблоки должны доставляться на Луну готовыми (но не включёнными) в качестве первоочередного груза при строительстве базы и устанавливаться одними из первых. 
Задача системы терморегулирования — обеспечение достаточно комфортных условий для команды по температуре внутри станции и приемлемых для аппаратуры и оборудования в герметичных и негерметичных сооружениях как днём, так и ночью. Теплоизоляция и вынос избыточного тепла на радиатор решат проблему для дневных условий. А вот для ночных потребуется вводить подогрев. Скорее всего, в качестве источника тепла будет использоваться тепло, выделяемое ядерными энергоблоками или изотопными подогревателями. Кроме того, система должна собирать влагу из воздуха внутренних помещений базы. 
Высокая стоимость доставки запасов на Луну определяет стремление к использованию по возможности замкнутых систем обеспечения жизнедеятельности. Решить эту задачу во всём объёме нелегко, но полностью замкнутой по воде и кислороду она, безусловно, будет, если использовать электролиз воды, собранной из атмосферы, урины и углекислого газа. При этом придётся привозить около 300 кг обезвоженной пищи и порядка 100 кг расходуемых материалов на каждого человека в год. Такая система должна быть в составе оборудования базы. Конечно, нужно стремиться решить задачу и по замкнутой системе пищи. Потребуются и сложное оборудование, и увеличение энергопотребления, и дополнительные объёмы. Задача создания базы, замкнутой по кислороду, воде и пище, должна включаться в программы работы космической техники на ближайшие десятилетия. Для системы, замкнутой только по воде и кислороду, потребуется порядка 300–400 Вт электроэнергии на каждого члена экипажа (то есть около 2,5 кВт только на одну эту систему). Разумеется, должны также быть аварийные запасы кислорода, воды и пищи. 
В состав средств обеспечения жизнедеятельности войдут доставляемые одежда, белье, обувь, сменное оборудование автономных систем жизнедеятельности выходных скафандров, луноходов, тракторов, подъёмных кранов и т. п., медицинское диагностическое и лечебное оборудование, тренажеры для физических упражнений. 
База, естественно, должна иметь развитое транспортное оснащение, ведь в её составе будут исследовательские луноходы, грузовики, скреперы, передвижные бурильные установки, экскаваторы и т. п. 
Сегодня представляется целесообразным держать в составе базы дежурный эвакуационный корабль, используемый при аварийном развитии событий на станции. 
И, наконец, главное: должно быть создано оборудование для научных исследований и разведки. 
Серьёзная оценка массы конструкций базы, которую придётся доставлять с Земли, и затрат возможна только после разработки проекта. В качестве предварительных оценочных величин можно назвать такие: масса порядка 100 т и стоимость работ по созданию станции около 100 млрд. долларов (или рублей).

МАРСИАНСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ

Зачем? Почему именно сейчас нам нужно это грандиозное предприятие? Убедительных доводов нет. Напротив, легко проглядывается элемент детской логики: «Туда можно добраться — значит, туда нам и нужно!»

И действительно: 
— Меркурий: и добраться труднее (требуется большая энергетика), и слишком жарко, и атмосферы нет, и делать вроде бы нечего — та же каменистая пустыня, что и на Луне; 
— Венера: на поверхности, мягко говоря, слишком жарко (450–500 °С) и давление совершенно непереносимое (100 атм) — нельзя там высаживаться; 
— Юпитер, Сатурн и далее: всё хуже и сложнее — и энергетики потребуется гораздо больше, и сила тяжести выше, а уж об атмосфере лучше и не вспоминать. 
А вот Марс — совсем другое дело: сила тяжести на поверхности — 0,4 от земной, атмосфера хотя и разреженная, но всё же есть, да и температурные условия полегче, чем на Луне. 
Одним словом, Марс и понятнее и доступнее. 
Правда, не очень ясно, зачем посылать туда экспедицию? «Ну а как же? Рано или поздно нам предстоит колонизировать Марс». Но зачем колонизировать Марс? Он явно непригоден для жизни людей. Можно, конечно, представить создание на Марсе базы (когда поймём, если только поймём, зачем она нужна), но в чём необходимость колонизации?..

И всё же есть одна задача, решение которой могло бы оправдать посылку экспедиции на Марс. Речь о поисках жизни на этой планете. Некоторые основания (правда, может быть, ничтожно малые) для надежд на успех имеются: есть остатки атмосферы, на снимках поверхности Марса найдены следы водной эрозии. А вдруг там есть простейшие организмы, простейшая жизнь на уровне, скажем, бактерий или грибков? Интерес представляют, собственно, не сами гипотетические живые организмы, а механизм их воспроизводства. Каков он? Как на Земле (а на Земле с точки зрения устройства этого механизма все мы — и растения, и животные — родственники)? Если механизм одинаков, правдоподобна гипотеза «посева» жизни во Вселенной (это не было бы абсолютным доказательством — экспериментальная точка-то была бы одна). А если эти механизмы окажутся совершенно разными, получила бы существенное подтверждение теория самозарождения жизни.

Конечно, было бы естественным попытаться «отловить» живые организмы с помощью автоматических аппаратов, высаживаемых на Марс. Это и делалось, но пока не получилось. И точек забора проб было слишком мало, и сама методика анализа проб «на жизнь» не очень убедительна. 
Продолжением этих работ с автоматическими аппаратами может стать марсианская экспедиция. Её возможными задачами могли бы быть поиск и исследование районов поверхности Марса, где имеются хоть какие-то шансы отыскать признаки жизни, поиски живых организмов или растений, взятие проб грунта (в разных точках поверхности и на разной глубине) и атмосферы, первичное изучение этих образцов на месте (чтобы можно было скорректировать программу исследований при положительных результатах), доставка проб грунта и атмосферы на Землю, изучение поверхности Марса, его строения, его естественной истории... 
Технические средства марсианской экспедиции в значительной степени определяются основными операциями, осуществляемыми во время полёта, собственно схемой полёта. Чтобы такой экспедиции естественно принять принципиальную схему американской лунной программы: старт с орбиты спутника Земли, перелёт к Марсу, выход на орбиту спутника Марса, спуск на поверхность планеты экспедиционного марсианского корабля с частью экипажа (остальные остаются на орбите спутника Марса в орбитальном корабле), проведение исследований на поверхности планеты, сбор проб грунта и атмосферы, возвращение экспедиционного корабля на орбиту спутника, его сближение и стыковка с орбитальным кораблём, переход участников высадки на орбитальный корабль, его старт с орбиты спутника Марса к Земле и возвращение экспедиции. 
Сразу выделяются две составляющие: орбитальный и экспедиционный корабли. Их облик существенно зависит от количества топлива, которое нужно израсходовать для выполнения динамических операций, связанных с изменением скорости движения аппаратов. Топливо, расходуемое в конкретной динамической операции, определяется величиной требуемого приращения скорости, качеством двигателя и массой корабля. Поэтому при анализе до выбора конструктивной схемы и типа двигателя корабля энергетические затраты обычно характеризуют приращением скорости корабля (по интегратору) на различных этапах полёта. 
Для корабля марсианской экспедиции эти затраты ориентировочно выглядят следующим образом. 
1. Выведение комплекса с орбиты спутника Земли на траекторию полета к Марсу: 3,6–4 км/с (в зависимости от отклонения от оптимальной даты старта). 
2. Затраты на орбитальном корабле: 
— выход на орбиту спутника Марса: 0,1–1,5 км/с (в зависимости от способа выхода на орбиту и от её выбранных параметров); 
— старт орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле: 0,5–1,5 км/с (в зависимости от параметров орбиты спутника Марса); 
— выход на орбиту спутника Земли: 0–3,2 км/с (в зависимости от выбранной схемы возвращения, то есть с прямым входом спускаемого аппарата в атмосферу Земли или с предварительной «остановкой» на орбите спутника Земли). 
3. Затраты на экспедиционном корабле: 
— сход с орбиты на траекторию спуска и посадка: порядка 0,2–0,3 км/с; 
— выведение с поверхности Марса на орбиту спутника: в пределах 5,3–4,2 км/с (в зависимости от параметров орбиты, на которой ожидает орбитальный корабль); 
— сближение и причаливание к орбитальному кораблю: 0,1–0,2 км/с. 


Из приведённых данных вырисовываются вполне конкретные черты марсианского экспедиционного корабля (МЭК). Сразу можно представить его энергетику и образ. 
Двигательных установок у МЭК две. Одна — на посадочном устройстве (для схода с орбиты и посадки), другая — на взлётной ступени (выведение на орбиту, сближение и стыковка с орбитальным кораблём).
Условия работы и большое количество включений двигателей (у управляющих их тысячи) определяют компоненты топлива: высококипящие и самовоспламеняющиеся, то есть в итоге токсичные, такие как, например, пара «азотный тетраксид — несимметричный диметилгидразин». Токсичность компонентов — крупный недостаток, тем более что космонавтам придётся выходить на «политую» ими поверхность планеты.

Да и есть тут что-то непорядочное: являются люди на чужую планету, где ищут жизнь, и начинают с того, что травят район посадки и живые организмы, которые они здесь же ищут. Но прагматические соображения подталкивают к надёжным и удобным для применения токсичным компонентам, да и репутация людей в глазах марсиан давно испорчена: те же компоненты применялись во всех садившихся на Марс автоматах.

Но неплохо бы поискать и нетоксичную пару высококипящих (то есть находящихся в виде жидкости при нормальной температуре), самовоспламеняющихся (для надёжности работы двигателей, включающихся десятки, сотни и тысячи раз), в меру стабильных ударопрочных компонентов. В принципе есть пара, близкая по характеристикам к этим противоречивым требованиям: концентрированная перекись водорода и какое-нибудь нетоксичное углеводородное горючее с присадками, обеспечивающими самовоспламенение с перекисью водорода. При этом нужно будет ещё найти присадки к перекиси водорода (флегматизаторы), которые повышали бы её стабильность. 
На посадочном устройстве должно располагаться оборудование, которое понадобится во время спуска и пребывания экспедиции на поверхности, но ненужное при возвращении с Марса на орбитальный корабль: лобовой аэродинамический щит, используемый на основном участке торможения в атмосфере Марса и сбрасываемый после введения парашютной системы, сама парашютная система, лабораторный отсек для внутрикорабельных работ на поверхности Марса, электрогенераторы (скорее всего, изотопные), техника управления посадкой, система терморегулирования посадочного устройства и всего корабля, работающая на поверхности, включая подогреватели (вероятно, изотопные), необходимые во время марсианских ночей (да и марсианских дней тоже), оборудование и запасы систем жизнедеятельности (кислород и вода), шлюз и скафандры для выходов из корабля с необходимым бортовым оборудованием, средства связи, телевизионного обзора внешнего пространства, пульты и устройства отображения получаемой информации, марсоход, позволяющий совершать довольно дальние и длительные экспедиции, со своими системами электропитания, жизнедеятельности, связи, управления, системой терморегулирования и т. п., научное оборудование (атмосферные зонды, буровые установки, анализаторы, термостаты и т. п.). 
Тут вырисовывается проблема объёма лабораторного отсека — ведь экспедиция будет работать на поверхности Марса, возможно, несколько месяцев. Иначе говоря, нужно иметь десятки кубометров объёма и отдельные каюты. 
Сколько человек должно высадиться? Было бы разумным в районе посадки и на марсоходе вести работы параллельно. Тогда экипаж экспедиционного корабля должен состоять из четырёх космонавтов (в каждой команде по два человека — для дублирования). Если стремиться к минимуму, можно ограничиться двумя, которые то работают на месте посадки, то ездят на марсоходе. Последний вариант кажется не очень убедительным: лететь за тридевять земель, чтобы ограничиться минимальной деятельностью?.. Да и безопасность такой схемы сомнительна. Но есть компромисс: иметь не один, а два марсианских экспедиционных корабля — один с большим лабораторным отсеком для работ в месте посадки, а другой с марсоходом. Их приземление должно быть разнесено по времени, что позволит использовать второй экспедиционный корабль для оказания помощи первому в случае необходимости. А экипаж каждого — два человека. 
Экспедиционный корабль стартует с Марса без посадочного устройства. В его состав, помимо взлётной ракетной системы, должны входить кабина, аппаратура управления, связи, телеметрии, терморегулирования, электропитания (скорее всего, на химических источниках тока — время автономного полета без посадочного устройства невелико), средства обеспечения жизнедеятельности экипажа и стыковочное устройство. 
Проблема связи экспедиционного корабля с орбитальным может преподнести неприятный сюрприз: разве это дело, что связь между ними будет осуществляться только два раза в сутки? И дело ещё более усложнится, если вспомнить о необходимости связи между экспедиционным кораблем и марсоходом, после того как последний уйдёт за горизонт. Проблему можно решить, если оставить орбитальный корабль на марсостационарной орбите. При этом орбитальный корабль висел бы неподвижно над Марсом, а его положение можно выбрать над точкой высадки. Тогда естественным образом обеспечивалась бы непрерывная связь орбитального корабля и с экспедиционным, и с марсоходом, а значит, и между ними (через орбитальный корабль). Такой вариант неплохо увязывается со схемой, в которой используется орбитальный корабль с электрореактивными двигателями. 
Объём кабины экспедиционного корабля на двоих может быть весьма малым — порядка 3–4 куб. м. 
Для орбитального корабля и связанных с ним проблем выведения на траекторию полёта к Марсу и выведения с орбиты спутника Марса на траекторию полёта к Земле такой определённости, как для экспедиционного, нет. Можно предложить два основных варианта решения задач выведения: использование электрореактивных двигателей и применение жидкостных реактивных двигателей. 
В случае электрореактивных двигателей орбитальный корабль представляет собой единое целое с двигательной установкой. На этапах полёта от орбиты спутника Земли и до выхода на орбиту спутника Марса в его состав будет входить также марсианский экспедиционный корабль. Схема полёта марсианской экспедиции в этом случае выглядит так: 
— разгон с низкой околоземной орбиты на стартовую высокую орбиту (за радиационными поясами), во время которого корабль движется два-три месяца в радиационных поясах Земли без экипажа (что связано с низкой тяговооружённостью кораблей с электрореактивными двигателями); 
— выведение экипажа на стартовую высокую орбиту на специальном транспортном корабле, его сближение с орбитальным кораблём марсианской экспедиции, причаливание, переход экипажа в орбитальный корабль, отделение транспортного корабля; 
— дальнейший разгон орбитального корабля на траекторию полёта к Марсу с помощью тех же электрореактивных двигателей; 
— переход на орбиту спутника Марса за счёт тех же электрореактивных двигателей; 
— ожидание на орбите возвращения экспедиционного корабля; 
— старт с орбиты спутника Марса на траекторию полёта к Земле; 
— прямой спуск экипажа экспедиции на Землю и выведение орбитального корабля без экипажа на околоземную орбиту вновь за счёт электрореактивных двигателей. 
Схема характерна большими энергозатратами, так как при разгоне и торможении при сходе с орбиты спутника планеты или переходе на орбиту спутника с малой тягой величина скорости, описывающей энергозатраты, приблизительно удваивается. Поэтому если при использовании обычных химических РД с тяговооружённостью около единицы суммарная характеристическая скорость составит 4,5–7,3 км/с (включая затраты на уход с орбиты спутника Земли), то для корабля с электрореактивными двигателями эта величина равна 9–14 км/с (в зависимости от оптимальности дат старта и параметров орбиты марсианского спутника). Само по себе это не страшно: недостаток компенсирует высокая скорость реактивной струи. В электрореактивных двигателях можно получить скорость истечения порядка 50 000–100 000 м/с вместо 4 600 м/с даже в кислородно-водородных жидкостных двигателях. Поэтому топливо для этих операций у корабля с электрореактивными двигателями будет от 9 до 24%, а у комплекса с ракетными ступенями на химическом топливе — 63–80% от стартовой массы на орбите спутника Земли. В этом соотношении видно самое важное преимущество электрореактивных двигателей: увеличение конечной массы корабля (или массы марсианского экспедиционного корабля) слабо влияет на увеличение стартовой массы и, следовательно, на общее усложнение предприятия при его разработке и создании. 
Правда, корабли с электрореактивными двигателями имеют принципиальные недостатки: отсутствует опыт многолетней эксплуатации таких двигателей, нужна мощная бортовая энергоустановка, ресурс работы самих электрореактивных двигателей должен исчисляться тысячами часов. 
Для стартовой массы комплекса около 250–300 т корабль должен иметь электростанцию мощностью 7–10 МВт с массой в 70–100 т.

Обычно в таких случаях рассматривались ядерные электростанции, но тогда ко всем осложнениям прибавлялась проблема радиационной защиты экипажа и оборудования при её приемлемой массе. Причём задача усугубляется тем, что её нужно решать не только во время полёта комплекса в целом (когда жилые отсеки и ядерный реактор неподвижны друг относительно друга, и, следовательно, можно ограничиться теневой защитой), но и на участках, когда экспедиционный корабль уходит от орбитального и приближается к нему. 
Корабль с ядерной электростанцией и электрореактивными двигателями можно представить в виде ряда составных частей, последовательно располагающихся вдоль его продольной оси: ядерная энергоустановка (ЯЭУ), включающая в себя реактор, теневая защита, экранирующая остальную часть конструкции и жилые отсеки от радиации ЯЭУ, электрореактивные двигатели с системой подачи рабочего тела к ним, бак с рабочим телом, ферма, соединяющая ЯЭУ с отсеками корабля, радиатор системы терморегулирования ЯЭУ для отвода тепла, не использованного в преобразователях, которые преобразуют тепло, выделяемое в реакторе в электроэнергию (геометрически это самая большая часть корабля), отсеки орбитального корабля, спускаемый аппарат, применяемый при возвращении на Землю, и экспедиционный корабль. 
Преимущество этой схемы для марсианской экспедиции в том, что комплекс вытянут вдоль продольной оси, центр масс находится в районе соединительной фермы, кроме того, сравнительно просто может быть реализована искусственная тяжесть в жилых отсеках путём вращения комплекса вокруг оси, перпендикулярной они продольной (если, конечно, будет признано целесообразным наличие искусственной силы тяжести для экипажа марсианской экспедиции, которая может продолжаться 2–3 года). 
Энергопроблемы могут существенно измениться, если использовать не ядерную установку, а солнечные батареи. Для мощности в 7–10 МВт потребуются солнечные батареи площадью около 10 000 кв. м. Солнечные батареи смогут конкурировать с ЯЭУ только в том случае, если масса ферменных конструкций и самих солнечных элементов, приходящаяся на один киловатт получаемой электроэнергии, не будет превосходить 7–10 кг. Эта задача может быть решена, если будут созданы плёночные солнечные батареи с массой 100–200 г на кв. м и с коэффициентом полезного действия порядка 5–7%. Таким образом, плёночные батареи могут понадобиться для марсианской экспедиции, солнечных орбитальных электростанций и орбитальных заводов. Вот одна из самых актуальных задач для современной техники. 
Для варианта марсианской экспедиции с использованием только реактивных двигателей на химическом топливе очень важен выбор самой оптимальной по энергетике схемы полета. 
Вот какой может быть эта схема: 
— выведение на низкую околоземную монтажную орбиту кораблей экспедиции и доставка к комплексу марсианских кораблей экипажа с помощью транспортного корабля; 
— выведение на монтажную орбиту водородно-кислородной разгонной ракеты (предназначенной только для выведения кораблей экспедиции на траекторию полёта к Марсу) и её стыковка с кораблями экспедиции; 
— старт к Марсу (с отстыковкой разгонной ракеты после окончания её работы) в наиболее оптимальную дату, с тем чтобы ограничиться скоростью ухода с околоземной орбиты порядка 3,7–4,0 км/с; 
— переход на сильно вытянутую эллиптическую орбиту спутника Марса практически без расхода топлива, за счёт торможения кораблей в атмосфере Марса (во время движения в атмосфере корабль придётся защищать от нагрева тепловым экраном); 
— отделение экспедиционного корабля, его спуск, работа на Марсе, возвращение на орбиту, сближение и стыковка с орбитальным кораблем, переход экспедиционеров в орбитальный корабль, отделение экспедиционного корабля; 
— отлёт орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле с помощью маршевого двигателя объединённой двигательной установки орбитального корабля; 
— при подлёте к Земле переход экипажа в спускаемый аппарат, вход его в атмосферу Земли со второй космической скоростью и приземление.
Чтобы как-то представить общие масштабы комплекса, назовём следующие величины: при общей массе орбитального и экспедиционного кораблей с их двигательными установками и топливом порядка 120 т масса комплекса может достичь 300 т.

Если экипаж экспедиции, высаживаемой на Марсе, состоит из четырёх человек, то общий состав марсианских путешественников должен включать не менее шести космонавтов. 
Бортовые системы и вычислительные машины орбитального корабля должны обеспечивать управление и навигацию в полёте, связь с Землёй, с экспедиционным кораблём, с марсоходом, между экспедиционным кораблём и марсоходом — через орбитальный корабль, и т. д. 
Чтобы минимизировать массу корабля при столь долгом полёте с целью обеспечения жизнедеятельности понадобится система, замкнутая по кислороду и воде. 
Длительный полёт экспедиции вдали от Земли без возможности оказания прямой помощи космонавтам ставит вопрос об экспедиции из нескольких кораблей, которые помогали бы друг другу и в то же время не дублировали программы своих работ.

БАЗА НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ

База на геостационарной орбите (ГСО) может использоваться для обслуживания автоматических геостационарных платформ, спутников связи, ретрансляторов телевещания и метеорологических спутников, размещаемых на ГСО, для наблюдения поверхности Земли в интересах экологического контроля и исследований природных ресурсов, для метеонаблюдений, астрофизических исследований, а также для строительства солнечных электростанций. Создание базы на ГСО выглядит сегодня не очень насущным, но к её созданию может подтолкнуть развитие технических средств связи и телеретрансляторов, равно как и возникновение многоцелевых платформ на геостационарной орбите. Остальное (связь, телевидение, радиотелескопы и т. п.) — попутные цели: появится база — появится необходимость её использования для других задач.

В состав базы можно было бы включить орбитальный блок; внешнюю платформу, заправочную станцию, орбитальный транспортный аппарат для перелётов космонавтов и доставки грузов к обслуживаемым аппаратам и платформам. Кроме того, она должна иметь транспортный пилотируемый корабль (для доставки экипажей на базу и для их возвращения) и многоразовые грузовые транспортники (для доставки грузов с низкой орбиты на базу).
При использовании современных одноразовых средств выведения на орбиту (исходя из стоимости выведения на низкую орбиту около $5 000 за кг) стоимость полёта на базу корабля массой около 7 т (с учётом массы двигательной установки с топливом, необходимой для возвращения на Землю) будет равна $250–350 млн, в зависимости от использования носителя, плоскости орбиты выведения на промежуточную орбиту и компонентов ракетной ступени, выводящей корабль с промежуточной орбиты на ГСО. Это очень много. Поэтому нужно стремиться к минимальному составу экипажа на станции и к довольно долгой вахте. Можно было бы ориентироваться на экипаж базы из трёх человек и работу смены в течение года.

Базу на ГСО можно строить либо как единую конструкцию, подобную станции «Мир» или проекту «Фридом», либо как станцию-облако, состоящую из отдельных модулей: орбитальный блок с платформой (основной модуль) и заправочная станция. В последнем варианте заправочная станция дрейфует в интервале 10–50 км от основного модуля станции. 

Орбитальный блок должен располагать по меньшей мере тремя стыковочными узлами — для пилотируемого, грузового и резервного кораблей. Все внутренние помещения, думаются, могу разместиться в объёме 150–200 куб. м (цилиндр с диаметром около 4 м и длиной 12–15 м).
В состав аппаратуры управления и связи, размещаемой внутри, будут входить бортовые вычислительные машины, гироскопические датчики и акселерометры, радиолокационные приёмники-ответчики, используемые при сближении кораблей с орбитальным блоком, аппаратура связи с Землёй (прямой и через спутники-ретрансляторы), транспортным аппаратом, космонавтами, выходящими в открытый космос, радиотелескопом и заправочной станцией, аппаратура обработки телеметрической информации, пульты, органы ручного управления, приборные доски, дисплеи и экраны для отображения получаемой информации, а также телевизионная аппаратура. 
Учитывая стоимость доставки грузов, ориентироваться следует на систему, полностью замкнутую по воде и кислороду, которая использует для своего функционирования расходуемые материалы в виде заменяемых в процессе работы элементов оборудования. Обезвоженная пища, бельё, одежда будут доставляться грузовыми кораблями. Масса этих материалов может достигать 2–3 т в год при ожидаемом общем грузопотоке на базу около 15–20 т в год (напомним, что грузопоток на станцию «Мир» равен 10–15 т в год). Основная часть грузов — это оборудование для регламентных работ, приборы и агрегаты, требующие замены, новое научное оборудование, топливо и т. п.
Снаружи орбитального блока будут размещаться платформа, двигательная установка, солнечные батареи, радиатор системы терморегулирования, оптические датчики системы ориентации орбитального блока и солнечных батарей, антенны и силовые гироскопы системы ориентации. Использование силовых гироскопов в орбитальном блоке определяется, с одной стороны, тем, что он будет постоянно ориентирован антеннами связи на Землю (то есть, по сути, нужно будет только поддерживать ориентацию), а с другой — тем, что необходимо использовать безрасходную систему ориентации (по тем же соображениям экономии расходуемых материалов, доставляемых с Земли). Размещение силовых гироскопов вне герметичных помещений связано не только с тем, что маховики должны вращаться в вакууме (чтобы избежать вентиляционных потерь), но главным образом для того, чтобы вынести источник шума из герметичных помещений. 
Платформа представляет собой ферменную конструкцию для размещения направленных антенн связи и ретрансляции, оптических приборов, работающих в различных спектральных диапазонах, которые предназначены для наблюдения за поверхностью Земли и атмосферой. 
Задача двигательной установки — выход базы в выбранный район на ГСО и её перемещение в другую точку, в случае возникновения такой необходимости. Кроме того, она может быть использована для удержания базы-облака от «разбегания» при поломке одного из модулей системы поддержания такого положения относительно основного блока. То есть в состав ДУ войдут корректирующий маршевый двигатель, двигатели для управления и координатных перемещений, баки с топливом, баллоны наддува баков и пневмогидроарматура. В качестве компонентов естественно использовать пару типа диметилгидразин — азотный тетраксид.

В варианте базы-облака заправочная станция представляет собой самостоятельный автоматический космический аппарат. Поэтому она должна иметь в своём составе весь набор служебных систем, обеспечивающих её существование, управление и ориентацию (в том числе радиолокатор для измерения дальности и радиальной скорости относительно основного блока базы, а также силовые гироскопы в качестве управляющих органов), связь, терморегулирование, электропитание, системы обеспечения жизнедеятельности, включаемые при посещении их космонавтами, и двигательную установку.

Аппарат для перелётов между объектами обслуживания базы представляет собой орбитальный корабль, способный работать как в пилотируемом режиме, так и в беспилотном. В последнем случае корабль может использоваться для простейших операций обслуживания — скажем, для заправки. Для более сложных действий, связанных с заменой или ремонтом приборов и оборудования обслуживаемого аппарата, в полёт на этом корабле отправляется экипаж. Корабль обслуживания не имеет спускаемого аппарата. Зато всё остальное должно быть: аппаратура управления и связи, энергопитания с использованием солнечных батарей, системы терморегулирования и жизнеобеспечения, ДУ с маршевым и управляющими двигателями, а также стыковочный узел. Кроме того, тут должны быть установлены средства заправки обслуживаемых аппаратов: ёмкости для компонентов заправки, баллоны наддува, компрессорная установка (для перекачки газа наддува из баков заправляемой двигательной установки в её баллоны) и пневмогидроавтоматика. Естественно, что аппараты, которые станут «клиентами» базы на ГСО, должны иметь унифицированные компоненты, пневмогидросхемы своих двигательных установок (хотя бы в части заправки и обеспечения безопасности) и стыковочные устройства.
Пилотируемый транспортный корабль (ПТК) может состоять из трёх частей: спускаемого аппарата, отсека оборудования с тормозной двигательной установкой и разгонной ракетной ступени.
В спускаемом аппарате размещается экипаж, оборудование, необходимое на участке возвращения на Землю, аппаратура и органы управления, необходимые космонавтам в полёте. Спускаемый аппарат снабжён тепловой защитой. 
В отсеке оборудования размещаются: аппаратура управления и связи, системы электропитания, терморегулирования, запасы систем жизнедеятельности и тормозная двигательная установка. Последняя предназначена для выдачи тормозного импульса, обеспечивающего переход с ГСО на эллиптическую орбиту возвращения к Земле (при спуске в экваториальной плоскости требуемое изменение скорости равно примерно 1,5 км/с), для коррекции траекторий движения, для осуществления управления ориентацией и координатными перемещениями при сближении и причаливании. Поскольку ДУ должна быть готова к работе длительное время (предполагается, что пилотируемый корабль остаётся «на дежурстве» в составе базы на всё время пребывания на базе доставленного им экипажа), естественно применить на ней высококипящие самовоспламеняющиеся компоненты.
Задача разгонной ракетной ступени — вывод корабля с низкой околоземной орбиты на переходную эллиптическую (при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости составляет около 2,5 км/с), а затем, в ее апогее, перевод корабля на ГСО (опять же при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости равно 1,5 км/с). Четыре километра в секунду — это большая энергетика. Поэтому представляется разумным использовать в разгонной ракетной ступени в качестве компонентов кислород и водород. Для столь экономичного варианта стартовую массу этого корабля на низкой околоземной орбите можно оценить в 50 т. Если принять стоимость изготовления корабля за $50 млн, а стоимость доставки на орбиту полезного груза за $5 000 за кг (вдвое ниже, чем при доставке полезного груза не шаттле), то при одноразовой конструкции корабля мы получим затраты на каждую смену экипажа базы ГСО в $300 млн. 
Можно ли сократить расходы на смену экипажа за счёт создания и использования многоразового пилотируемого транспортного корабля для полётов с низкой промежуточной орбиты на ГСО и обратно?

Такой корабль можно представить себе состоящим из кабины экипажа, отсека оборудования с тормозной ракетной двигательной установкой (работающей на высококипящих компонентах), разгонной ракетной ступени на кислороде и водороде, а также тормозного/теплозащитного аэродинамического экрана. 

Такой многоразовый корабль (МПК ГСО), не имеющий спускаемого аппарата, мог бы работать по следующей схеме: 
— тормозная двигательная установка МПК ГСО, пристыкованного к низкоорбитальной станции обслуживания, заправляется высококипящими компонентами;
— очередная смена космонавтов выводится с Земли на транспортном корабле, совершающем рейсы «Земля — низкоорбитальная станция обслуживания — Земля», который сближается и пристыковывается к этой станции; 
— производится заправка МПК ГСО жидким кислородом и жидким водородом, смена космонавтов переходит в МПК ГСО; 
— МПК ГСО отделяется от станции обслуживания, включается двигатель его разгонной ступени, и он переходит на эллиптическую орбиту полёта на ГСО; 
— в апогее эллиптической орбиты вновь включается двигатель разгонной ступени, и корабль переходит на ГСО в районе нахождения базы;
— корабль производит сближение и стыковку с орбитальным блоком базы за счёт тормозной двигательной установки корабля; 
— экипаж переходит в орбитальный блок базы и приступает к работе. 
Когда через полгода-год заканчивается смена, экипаж переходит в МПК ГСО, корабль отделяется от орбитального блока базы, включает тормозной двигатель и переходит на эллиптическую орбиту спуска. Затем: 
— осуществляются коррекции эллиптической орбиты, чтобы войти в нужный коридор по высоте для торможения в атмосфере; 
— корабль входит в плотные слои атмосферы, его система управления за счёт использования аэродинамической подъёмной силы экрана корректирует движение в атмосфере таким образом, чтобы после торможения и выхода корабля из атмосферы апогей получившейся орбиты оказался примерно равным высоте орбиты станции обслуживания; 
— когда корабль приходит в апогей получившейся орбиты, включается двигательная установка и производится подъём перигея орбиты корабля до высоты орбиты станции обслуживания; 
— корабль сближается и причаливает к станции обслуживания; 
— экипаж переходит в транспортный корабль, совершающий рейсы «Земля — орбита — Земля», а МПК ГСО подготавливается на станции обслуживания к следующему рейсу. 
Если принять ту же стоимость доставки топлива нам орбитальную станцию ($5 000 за кг), то переход к многоразовому кораблю может сократить расходы на смену экипажа базы примерно вдвое. Но нужно ещё принять во внимание расходы на полёт пилотируемого транспортного корабля по трассе «Земля — орбита — Земля» и ту долю расходов на низкоорбитальную станцию обслуживания, которая будет отнесена на счёт МПК ГСО. Так что выигрыш может быть не столь существенным.

Но будущее всё же, наверное, за многоразовыми системами. На них и нужно ориентироваться. А решительного сокращения транспортных расходов можно добиться только при последовательном применении принципа многоразовости и лишь при создании действительно экономичной многоразовой транспортной системы, обеспечивающей доставку грузов на низкую околоземную орбиту ценой в $100 за кг. 

Как уже говорилось, базе ГСО понадобятся около 20 т грузов в год. Доставка такого количества с помощью одноразовых грузовых кораблей обойдется примерно в $500 млн (при работе в плоскости экватора). Поэтому следует оценить целесообразность создания многоразового грузового транспортного корабля. 
Этот представляется в виде многоразового буксира с электрореактивными двигателями, получающими электроэнергию от солнечных батарей. При массе буксира в 30 т, из которых 10–12 т будет топливо, он сможет транспортировать на базу ГСО 10 т грузов, то есть на килограмм полезного груза будет расходовать около килограмма своего топлива. Таким образом, доставка 20 т грузов на базу ГСО будет обходиться в $200–250 млн (даже при принятой для оценок стоимости выведения грузов на низкую околоземную орбиту в 5 000 долларов/кг). У такого буксира, правда, есть один крупный недостаток: неоперативная доставка, так как его полёт с низкой орбиты на ГСО будет продолжаться несколько месяцев. 
По этой же причине, а также потому, что он будет долго двигаться в радиационных поясах, корабль с электрореактивными двигателями едва ли применим для доставки экипажей на ГСО (людям пришлось бы по два месяца сидеть в маленьком радиационном убежище).

КОСМИЧЕСКИЕ ПОСЕЛЕНИЯ

Земля перенаселена. Экологические проблемы, вставшие перед нами в конце XX века, — это не только следствие безответственного отношения к природным ресурсам и безрассудного ведения промышленной и сельскохозяйственной деятельности, но и того, что людей стало слишком много. Может быть, именно поэтому старая идея о нашем расселении в космосе вновь актуальна? С 1970-х появляются всё новые и новые предложения о создании космических колоний.

Один из самых ярких проектов принадлежит Джерарду О'Нилу. Вместе с группой энтузиастов он разработал несколько типов космических поселений, отличающихся размерами, с населением от 10 тыс. до 20 млн. человек. В последнем случае колония представляет собой два параллельных цилиндра, соединённых рамой, каждый из которых имеет диаметр 6,4 км и длину 12 км. Цилиндры вращаются вокруг своей оси со скоростью 0,53 оборота в минуту, что приводит к появлению центробежного ускорения на внутренней поверхности цилиндров, где обитают жители, равного нормальному ускорению силы тяжести на Земле. 
Цилиндры вращаются в противоположных направлениях для компенсации их кинетического момента, с тем, чтобы он не мешал ориентировать поселение. Оси цилиндров ориентируются на Солнце. Часть стенок (примерно половина) прозрачна, и косо поставленные цилиндрические зеркала направляют свет от Солнца внутрь цилиндров. Длина зеркал равна длине цилиндра, а ширина соответствует ширине «окон». Энергоснабжают поселение тепловые электростанции, получающие энергию от Солнца с помощью двух параболических зеркал, которые расположены на концах цилиндров, противоположных направлению на Солнце. На торцах цилиндров со стороны Солнца есть причалы для кораблей. 
Внутри цилиндров создана нормальная земная атмосфера. Там проложены основные транспортные магистрали, сооружены жилые помещения, заводы, общественные здания, магазины и т. д. Всё это размещается под общей холмистой крышей (крыша со стороны оси цилиндра — верх для жителей — ось цилиндра). Крыша покрыта грунтом, тут растут деревья и трава, на которой ведутся сельхозработы; всюду проложены прогулочные дороги, размещены пруды и озёра. Одним словом, над жилыми и производственными помещениями воспроизводится земной ландшафт. В поселении осуществляется замкнутый кругооборот жизненного цикла с использованием как биологических, так и химико-механических методов. Строительные материалы, сырьё, азот, углерод, водород доставляются с Земли, Луны, астероидов и т. п. Плотность населения — около 30 тыс. человек на квадратный километр, что примерно в три раза выше, чем плотность в Москве. Таким образом, каждый цилиндр — это город типа Нью-Йорка или Москвы с населением 10 млн, только почти все жилые и производственные здания убраны здесь под землю.

Масса поселения — порядка 10–15 млрд. тонн. Откуда взять такое количество строительных материалов, верно? Авторы проекта предлагают брать материал с Луны. Это предложение в какой-то степени связано с местом для поселения. Его предлагается разместить в четвёртой или в пятой точке Лагранжа системы Земля — Луна, расположенных на орбите Луны на равном расстоянии от Земли и естественного спутника. Лагранж, напомним, показал, что тело, помещённое в одну из этих точек, будет сохранять устойчивое положение в системе Земля — Луна. Эта особенность точек Лагранжа может, по мысли проектировщиков, несколько облегчить доставку материалов с Луны к месту строительства. 

Добыча, доставка и переработка материалов представляется следующим образом. На Луне создаются горнодобывающая и горно-обогатительная промышленность с высоким уровнем автоматизации. Полезная порода перерабатывается до нужной кондиции и засыпается в стандартные «ковши», которые поступают на электромагнитную катапульту. Поскольку здесь нет атмосферы, то весь разгон происходит на поверхности Луны. Линейный синхронный электрический двигатель (который и является катапультой) разгоняет ковши с породой до нужной скорости, а затем переключается в режим торможения. В сторону движения ковш открыт, а потому при переходе двигателя в режим торможения подготовленная порода вылетает в направлении разгона. Направление и скорость подбираются таким образом, чтобы порода «прилетела» во вторую точку Лагранжа (расположенную по линии Земля — Луна со стороны, противоположной Земле). Там её собирают «перехватчики» и на грузовых кораблях с электрореактивными двигателями отправляют к месту строительства. На Луне же двигатель тормозит ковши до нулевой скорости, они направляются за следующим грузом и приступают к очередному циклу разгона.
Если исходить из срока строительства в 15 лет, то с Луны за год нужно отправлять порядка 1 млрд т обработанной породы (30 т/с при непрерывном «выбросе»). А если мы хотим стабилизировать население Земли за счёт непрерывной эмиграции в космос, то при приросте в 50 млн человек в год потребуется отправлять с Луны около 40 млрд. т в год (1 300 т/с!). Но это существенно больше, чем всё, что добывается сейчас на Земле. 
В месте строительства, в вакууме должны быть созданы склады для сырья, полуфабрикатов, готовой продукции, горно-обогатительные, металлургические и иные заводы. Производительность этой промышленной космической страны (существующей для того, чтобы своевременно вводить «жильё» для подрастающего человечества) должна составлять порядка 30–40 млрд т продукции в год, то есть примерно столько же, сколько перерабатывает и производит промышленность всей Земли.

Другой проект под названием «Стэнфордский тор» (разрабатывался в Стэнфордском университете в США) предполагает строительство космических поселений в виде торов диаметром 1,6 км, при диаметре поперечного сечения порядка 150 м. Это поселение, предназначенное для жизни 10 тыс. человек, представляет собой плотно застроенный город в виде одной замкнутой улицы со сплошной стеной домов и зданий по обе её стороны.
Тор вращается вокруг своей оси симметрии для обеспечения силы тяжести. Парящее над ним зеркало (с диаметром, равным примерно диаметру тора) отражает солнечное излучение на кольцевое зеркало, вращающееся вместе с тором, которое и направляет их через кольцевые «окна» внутрь тора. 
Вдоль оси тора размещаются оборудование, причалы и производство. Давление воздуха в торе равно 0,5 атм при нормальном для Земли парциальном давлении кислорода. 
За счёт меньших размеров по «высоте» и «ширине» обитаемого пространства конструкции поселения в этом проекте примерно на порядок легче, правда, и на человека тут приходится на порядок меньший объём. Но даже и в этом варианте легко видеть, что создание космических поселений не может решить проблему перенаселённости Земли. В принципе, столь грандиозные работы можно было бы представить, если бы человечество обзавелось специально созданными для жизни в космосе вполне разумными существами-роботами, которые могли бы сами проектировать и строить всё что угодно и где угодно, одновременно принимая от людей поручения и послушно их выполняя.

Но даже если построить такие поселения, потянётся ли в них люди? Всю жизнь просидеть в банке... Пусть даже очень большой — диаметром 150 м... Тут простор для психологов. Можно даже придумать какую-нибудь «баночную» веру, но ведь просуществует ли она вечность? 

Космические поселения для туристов, нечто вроде космического Лас-Вегаса? Вот это вполне можно представить, и такие колонии когда-нибудь появятся. 
Словом, вряд ли космические поселения спасут нас от экологической катастрофы и перенаселённости. Человечество должно наконец-то повзрослеть, перестать хвастаться своей плодовитостью. Не силовыми способами, не ограничительными законами, а осмыслением уже определившегося положения мы все и каждый человек в отдельности должны прийти к однозначному решению: надо как-то прекратить рост населения Земли. 
В нашем сознании должна утвердиться естественная этическая норма: каждая женщина не должна иметь более двух детей. Если все примут эту норму, рост населения прекратится, у нас появится реальный шанс предотвратить экологическую катастрофу.

ПОЛЁТ К ЗВЁЗДАМ

Почти с первых шагов космонавтики стало ясно, что Солнечная система находится в пределах досягаемости космических аппаратов и кораблей, которые могут быть созданы при современном уровне техники, и, следовательно, люди способны если не высадиться, то хотя бы добраться до любой из её планет. Но одновременно стало проясняться, что здесь, «дома», в Солнечной системе, скорее всего, ничего необычного мы не найдём. Маловероятно, чтобы по данным, полученным в путешествиях по Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперёд в понимании физической картины мира, в котором живём.

Значит — звёзды и звёздные корабли. Какие проблемы нужно решить, чтобы звёздные полёты стали реальностью? Первая проблема — время. Даже если бы мы смогли построить звёздный корабль, который сможет лететь со скоростью, близкой к световой, время путешествий по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр её — около 100 тыс. световых лет. 

Что останется даже от «замороженных» космонавтов к концу путешествия? Или от зародышей? Да и допустимо ли решать судьбу ещё не родившихся людей? И даже если решить эту проблему, после путешествия космопроходцы вернутся в совершенно чуждый им мир. Полёт к звездам всегда будет не путешествием, а дорогой в одну сторону. Для окружающих, родных и друзей это будет чем-то близким к самоубийству.

Вторая проблема — опасные потоки газа и пыли. Пространство между звёздами не пусто. Везде есть остатки газа, пыли, потоки частиц. При движении корабля со скоростью, близкой к скорости света, эти остатки создадут поток высокой энергии, который будет воздействовать на корабль и от которого невозможно защититься. Воздействие этого потока приведёт к испарению любого защитного экрана и к недопустимо высокой радиации. 
Третья проблема — энергетика. Если в ракетном двигателе использовать самую эффективную термоядерную реакцию, то для путешествия в оба конца со скоростью порядка скорости света, даже при идеальной конструкции, требуется отношение начальной массы к конечной не хуже 1030, что нереально. 
Что же касается создания фотонного двигателя, использующего аннигиляцию материи, то здесь пока наблюдаются только проблемы и не видно решения. Тем не менее попробуем представить себе галактический фотонный корабль, способный лететь со скоростью, достаточно близкой к скорости света, чтобы снять проблемы времени. Собственное время полёта космонавтов туда и обратно в путешествии на расстояние порядка половины диаметра нашей Галактики при оптимальном графике путешествия (непрерывный разгон, а затем непрерывное торможение) составит (по часам на корабле) 42 года. А по часам на Земле пройдёт 100 тыс. лет. 
Предположим, что мы добились идеального процесса при строительстве фотонного двигателя и что сделали идеальную конструкцию с нулевой массой баков (чего, конечно, быть не может, но это только означает, что на самом деле результаты будут значительно хуже). Давайте теперь оценим некоторые параметры такого сверхкорабля. 
Отношение начальной массы к конечной составит 7×1018. Это означает, что при массе жилых и рабочих помещений и оборудования (то есть всего, что везёт корабль) всего в 100 т стартовая масса равна 1021 т. Это больше массы Луны. Причём половина этой массы — антивещество. 
Чтобы обеспечить ускорение, равное g, двигатель должен развить тягу, в 1024 кгс. Для её получения в фокусе зеркала фотонного двигателя нужно разместить источник излучения (работающий за счёт реакции аннигиляции) с мощностью порядка 1040 эрг/с. Напомним, что мощность излучения нашего Солнца равна примерно 4×1033 эрг/с. Таким образом, в фокусе зеркала фотонного двигателя нужно зажечь миллионы Солнц! 
Параметры фотонного корабля были бы существенно лучше, если мы могли создать гипотетический корабль с прямоточным фотонным двигателем, который вёз бы с собой только антивещество. Но и в этом случае оценка показывает необходимость достижения невозможных результатов: в фокусе зеркала даже такого двигателя придётся зажечь сотни Солнц. И при этом останутся проблемы времени и защиты от потоков газа и частиц. 
Из сегодняшних представлений о мире складывается впечатление: нельзя решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света. Похоже, бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции. 

Нужно найти способ межзвёздных путешествий, не связанный с необходимостью транспортировки материального тела. Там мы приходим к идее, давно используемой в фантастике (что само по себе не должно смущать, так как глубокие идеи не раз высказывались впервые именно в фантастической литературе), о путешествиях разумных существ в виде пакета информации.

Электромагнитные волны распространяются практически без потерь во всей наблюдаемой Вселенной. Возможно, в этом и есть ключ к межзвёздным полётам. Если не впадать в мистику, следует признать, что личность современного «органического» человека нельзя отделить от тела. Но можно представить себе специально сконструированного человека, у которого личность может отделяться от тела, аналогично тому, как математическое обеспечение может быть отделено от конструкции ЭВМ. 
Если пакет информации, суть полное описание личности человека, его индивидуальности, может быть переписан с его полей оперативных операций и запоминающих устройств, то, стало быть, его, этот пакет, можно передать по радиолинии на приёмную станцию назначения, а там переписать в стандартный материальный носитель (или выбираемый по прейскуранту, или...), в котором путешественник уже на месте сможет жить, действовать и удовлетворять своё любопытство. 
Во время передачи такого пакета человек не живёт. Чтобы он мог жить, его личность, его информационный пакет должен быть размещён в материальном носителе. Его личность, если угодно, его дух, может существовать только на материальных полях операций и запоминающих устройств. 
Такой способ решения задачи о полёте к звёздам стал бы реализацией сюжетов не только современной фантастики, но и древних мифов, сказок, преданий (о вознесениях на небо и свержениях в ад, о летающей посуде, о переселениях душ, о мирах, где люди то появляются, то исчезают), но и снял бы философские споры о сути человека, о бренности телесной оболочки и сути бытия. Что есть человек? Что есть истина?.. 
Интересно, что философы в разные времена путём логического анализа (основанного не на знании) приходили ко вполне современным представлениям о соотношении между сутью и телом человека. Жизнь человека — это жизнь его души, это бьющаяся в беспомощных усилиях мысль о себе («что я»?), о мире вне себя и в себе, эстетическое наслаждение красотой и отторжение примитива и неправды, это свобода мысли и анализа. Мы здесь, мы живём, пока способны размышлять, оценивать, перерабатывать информацию и генерировать её. Остальное во мне, моё тело — для обслуживания. 
Головной мозг — это поле математических операций над символами, числами, понятиями, правилами и алгоритмами. Эти операции обеспечивают синтез поступающей информации и её анализ. Сложившиеся в данном человеке алгоритмы обработки, анализа и оценки информации определяют его эстетику и самовосприятие, определяют его ощущение собственного существования. Конечно, эти операции выполняются по определённым для данного человека правилам. Эти правила постепенно формируются в мозгу человека (в результате его опыта получения и переработки информации, его опыта собственной деятельности и её оценки) и записываются на полях математических операций и на запоминающих устройствах его мозга. Причём с течением жизни эти правила могут совершенствоваться, меняться (как меняется человек с течением жизни), портиться и т. д. Записанные на материальном носителе, они как бы становятся материальными. Но сами операции, мысли, наши переживания — это нечто, что нельзя взять в руки. Человек во все времена пытался материализовать это «нечто» в виде звуков, слов, рассказов, рукописей, книг. Но это всегда оказывалось лишь тенью, слабым отражением.

Подавляющее большинство людей, почти все и почти всегда, не различали свое «я» и своё тело. И всегда стремились получше устроить именно тело. И не зря: без питания умирает головной мозг, распадается поле операций, исчезает личность. В то же время в здоровом теле «компьютер» работает с меньшим количеством сбоев, с большей скоростью (за счёт параллельно идущих операций и вообще за счёт лучших алгоритмов), обеспечивается бóльшая внутренняя устойчивость к внешним угрозам и осложнениям. И главное: обеспечивается ясность мышления. 

Может быть, поэтому стремление получше устроить своё тело из поколения в поколение оставалось главной движущей силой человеческого рода? Оно определяло и грабительские походы, и создание новых технологий, и стремление к лучшей организации жизни общества (в том числе и методом «ограбим богатых», замаскированного лозунгом «долой эксплуатацию»). Дома, автомобили, самолёты, газ и электричество, вычислительная техника родились из этого стремления. Стремление устроить своё тело было остаётся пока главным движителем в жизни людей. А ведь на самом деле всё это вторично. Наше «я», наша индивидуальность, наша суть, наше бытие — это не материальная оболочка. Нет ничего противоречащего нашему восприятию мира в мысли о принципиальной возможности разделения индивидуальности и её материального носителя. 
Поэтому с инженерной точки зрения представляется возможным сконструировать такого человека, душа которого может «отделяться» от тела, можно сконструировать мир, где человек практически мгновенно (скажем, в пределах Солнечной системы) может перемещаться с одной планеты на другую. 
Допустимо ли создавать такое существо? Имеем ли мы на это право? Какие стимулы мы можем заложить в него? Именно в этих вопросах главная проблема. Мы — дело другое, скорее всего, продукт органической эволюции. В нас глубоко заложен инстинкт жизни, инстинкт продолжения рода. Вид, у которого этого инстинкта не было или он был недостаточно развит, не выживал в условиях естественного отбора. Да что там естественный отбор! Когда с возрастом, здоровьем, условиями жизни умирает этот инстинкт, у человека пропадает желание жить. А какой же стимул жизни мы предложим нашему творению? Любопытство? Желание быть полезным людям, создавшим его тело (бренное и сменяемое) и воспитавшим его личность и душу? Желание выявиться в исследованиях мира, в сверхдальних путешествиях, в создании приёмо-передающих станций для путешествий, в строительстве космических околозвёздных баз? 
Убедительна ли такая мотивация? Откуда ему взять привязанность и любовь к ближним? Как воспитать его, чтобы он не оказался монстром с нелепыми и бессмысленными устремлениями к власти, к возможности давать указания, воспитывать и слыть благодетелем? Или наоборот, чтобы он не оказался инфантильным безынициативным существом, равнодушным к миру, ближним и самому себе. 
И, конечно, громадные технические проблемы. Как мы мыслим? Как создаются стереотипы наших реакций, поведения, оценок, как возникает наша индивидуальность? Скорее всего, алгоритмы восприятия окружающего мира, анализа, мышления создаются в каждом человеке заново и в той или иной степени по-иному. Их характер определяется семьёй, приятелями и врагами, школой, структурой общества, радостями, огорчениями и удачами детства. В обществе рабов вырастают рабы, в обществе свободных людей — свободные. С этой точки зрения очень опасно стандартизировать приёмы воспитания. Это самое страшное, что можно сделать для своего будущего. Человечество может быть сильным только различностью, разнообразием, своими индивидуальностями. Конечно, некоторые основы должны быть общими: люби ближнего своего, не укради, не убей, не пожелай... Но готовить человека по стандарту — готовить собственную гибель.
Как, не разобравшись во всех этих вещах, приступать к созданию искусственного интеллекта? 
Но мысль об этом уже вошла в сознание. Пожалуй, самой популярной среди самых любопытных и предприимчивых стала задача создания искусственного интеллекта. Надо думать, это дело пойдёт. 
Появятся и более понятные трудности. Если передавать личность на галактические расстояния, придётся создавать антенны с размерами порядка километров и передатчики с мощностью в 100 млн. кВт. Тем самым для реализации такого способа галактических путешествий необходимо иметь приёмные и передающие станции (например, в радиодиапазоне), развезти их (скажем, с помощью автоматических космических аппаратов) к возможным пунктам назначения (как правило, неподалёку от какой-либо звезды — для обеспечения приёмопередающих станций энергией). При этом можно развозить приёмопередающие станции, а можно только технологию, минимальный набор инструментов и роботов для изготовления их на месте назначения. 
Скорости космических аппаратов, уже летающих в Солнечной системе, равны десяткам километров в секунду. Возможно достижение скоростей порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Но это значит, что время «развозки» станций по Галактике составит миллионы и даже сотни миллионов лет. Доставка станций с такими скоростями даже к ближайшим звёздам, отстоящих от нас на десятки световых лет, потребует тысячелетий и десятков тысячелетий. За это время может быть утерян интерес к самому предприятию.

Можно представить и другой путь реализации звёздных путешествий: выйти на связь с иными цивилизациями, передать им информацию о строительстве приёмопередающей станции, пригодной для приёма «наших» людей, информацию, необходимую для изготовления материального носителя для «нашего» человека, пакет информации с «нашим» путешественником, наладить с ними обмен информацией... 

Размышления о звёздных полетах позволяют выделить несколько перспективных направлений работ, которые целесообразно проводить в ближайшие десятилетия. К ним относятся: создание всё более крупных радиотелескопов с выходом на размеры порядка километров, разработка космических роботов, конструкции и идеологии космических «маяков», исследование возможности создания искусственного интеллекта, поиск выходных каналов связи других цивилизаций в Солнечной системе.
Эти направления хорошо коррелируют с современными нуждами человечества. Работы по искусственному интеллекту связаны с решением задачи создания достаточно эффективных роботов, которые могли бы заменить людей в опасных производствах, помогли бы нам в освоении акваторий и подводного мира, в строительстве. Создание космических роботов — созревшая задача. Они будут более эффективны в открытом пространстве, чем человек в скафандре.
А деятельность в открытом космосе в ближайшие десятилетия, скорее всего, будёт только расширяться...

ЧТО ДЕЛАТЬ?

Не претендуя на исчерпывающее освещение задач на ближайшие десятилетия, сделаю попытку представить те цели, на которых, как мне кажется, имеет смысл сосредоточиться:

1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам. 

2. Орбитальные станции как базы для экспериментальных и строительных работ, создаваемых по схеме «станция–облако».

3. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и проведения других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите.

4. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам.

5. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающие в единой радиоинтерферометрической схеме. 

6. Орбитальные астрофизические обсерватории, действующие в различных спектральных диапазонах.

7. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса (если в результате этих работ окажется необходимым осуществление экспедиции на планету, придётся разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемого путешествия). 

8. Дешёвые (со стоимостью доставки на орбиту порядка сотни долларов за килограмм) многоразовые транспортные корабли для транспортных операций «Земля — орбита». 

9. Дешёвые многоразовые транспортные средства для транспортных операций по схеме «низкая орбита — геостационарная орбита — низкая орбита».

10. Космические роботы для работ в открытом пространстве на орбитах спутников Земли.

Подготовлено по материалам брошюры К. П. Феоктистова «Космонавтика без фанфар и амбиций» (Феоктистов К. П. — М.: Знание, 1991. — 64 с. / Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия», №4).  

Источник: Компьюлента


Комментарии

Комментарии

Вход в систему

Введите имя пользователя и пароль для входа в систему:
Вход в систему

Забыли пароль?

Астроклимат

совокупность атмосферных факторов, ухудшающих качество изображения, полученного с помощью телескопа. Астроклиматом занимается соответствующий раздел науки, который имеет аналогичное название. В отсутствие атмосферы телескоп может... [далее]

Rambler's Top100