Взгляд из прошлого (продолжение)
/Очень интересный материал - мнение Константина Феоктистова о прошлом, настоящем и будущем космонавтики, опубликованное им в далеком 1991 году. Можно сравнить, как это все виделось тогда и как это выглядит сейчас, что предлагалось и прогнозировалось и что в итоге получилось./
---------------------------------
Константин Феоктистов: космонавтика без фанфар и амбиций. Часть 2. ( Часть 1)
4. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО
Для реализации описанной выше программы работ нужно совершенствовать имеющуюся космическую технику, создавать совершенно новую, вести теоретические и экспериментальные исследования. Можно представить, что потребуются следующие технические средства.
1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам.
Здесь уже есть большой задел, особенно у американцев. Следует расширять эти работы на коммерческой основе. Наша страна тоже могла бы активно участвовать в создании таких систем.
2. Система платформ на геостационарной орбите для глобальной связи, телевидения, экологического контроля, исследования природных ресурсов и метеорологических наблюдений.
Геостационарная орбита - это орбита, лежащая в плоскости экватора на высоте около 36 тыс. км над поверхностью Земли. Спутники, расположенные на ней, неподвижны относительно поверхности Земли.
На этой орбите нельзя располагать слишком большое количество аппаратов связи, так как иначе они начнут мешать работе друг друга. Поэтому, по-видимому, в будущем для расширения их возможностей придётся создавать многофункциональные платформы.
3. Орбитальные станции, по-видимому, таких типов:
- орбитальные лаборатории типа «Салют» и «Мир»;
- станции вроде разрабатываемой сейчас американской «Фридом»;
- орбитальные станции типа «облако».
Последний тип представляется мне наиболее перспективным. Идея станции-облака заключается в том, что отдельные её части - модули - не соединены жёстко между собой, но «плавают» поблизости друг от друга.
4. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите.
5. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам.
В международной системе наблюдения можно было бы иметь три подсистемы: 12-16 спутников с оптико-телевизионной аппаратурой для наблюдений в дневное время, 12-16 спутников с радиолокаторами для всепогодного и круглосуточного наблюдения поверхности суши и океанов, воздушного пространства и подводной обстановки (слежения за перемещениями подводных лодок), 3-6 спутников с аппаратурой для наблюдения в инфракрасном диапазоне.
Современные оптико-телевизионные космические средства уже позволяют рассмотреть с орбиты предметы с размерами порядка метра и передать полученное изображение через спутники-ретрансляторы абонентам.
Так называемые радиолокаторы бокового обзора, вынесенные на орбиту, при достаточной мощности позволят вести круглосуточный и всепогодный контроль поверхности Земли, воздуха и даже наблюдать за передвижениями подводных лодок. В принципе, с помощью орбитальных радиолокаторов можно было бы различать предметы размером до метров.
С помощью такой системы спутников можно было бы получить обновления информации о происходящем на поверхности Земли за 30-60 минут.
6. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающих в единой радиоинтерферометрической схеме. С помощью радиотелескопов на околосолнечной орбите можно получить разрешающую способность порядка десятимиллионных долей угловой секунды и заглянуть на самые окраины нашей Вселенной.
Кроме того, большие радиотелескопы с размерами порядка километра позволят человечеству начать регулярный поиск сигналов внеземных цивилизаций.
7. Орбитальные астрофизические обсерватории, работающие в различных спектральных диапазонах.
8. Если теоретические исследования подтвердят целесообразность создания оптических телескопов с зеркалами, разнесёнными на значительные расстояния, то может оказаться наиболее целесообразным располагать их на Луне.
Идея таких телескопов та же, что и в радиоинтерферометрии, - в увеличении базы наблюдения. Но эту базу нужно удерживать и знать с точностью до малых долей длины волны электромагнитного излучения, на которой ведётся наблюдение, то есть в данном случае с точностью до долей микрона. Поэтому и возникает мысль о расположении их на естественном спутнике Земли.
9. Возможно, возникнет необходимость создания базы на Луне, которая потребуется для астрофизических обсерваторий на поверхности спутника и исследования возможностей использования лунных ископаемых в космической деятельности человечества. Однако целесообразность разворачивания таких работ в ближайшие десятилетия требует, как мне кажется, дополнительного рассмотрения.
10. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса.
11. Если в результате окажется необходимым осуществление экспедиции на Марс, придётся разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемой экспедиции - марсианский орбитальный и экспедиционный корабли, марсианский «автомобиль» оснащение для жизни и работы на Марсе.
12. Автоматические средства исследования Венеры, орбитальная база у Венеры, атмосферные шары-зонды, средства радиолокационного картирования поверхности, посадочные лаборатории.
13. Солнечные обсерватории с перигелием внутри орбиты Меркурия, предназначенные для регулярного исследования ближайшей к нам звезды - Солнца.
14. Автоматические аппараты для исследования астероидов.
15. Автоматические космические аппараты для изучения дальних планет.
16. Действительно дешёвые многоразовые транспортные корабли для операций «Земля - орбита - Земля».
Ни американский шаттл, ни советский «Буран» не решают задачи снижения транспортных расходов в космосе. Стоимость доставки грузов на орбиту с помощью шаттлов равна сейчас примерно $10 тыс. за кг полезного груза, что много дороже, чем доставка даже старыми одноразовыми носителями. То есть задача создания дешёвых средств доставки на орбиту остаётся.
По моему мнению, новые средства должны выводить космические аппараты на орбиту за сотни долларов за килограмм. Это сложная задача, но она под силу современной технике.
17. Дешёвые многоразовые транспортные средства для транспортных операций «низкая орбита - геостационарная орбита - низкая орбита».
18. Космические работы. Следует ожидать расширения таких инициатив в открытом пространстве на орбитах спутников Земли. Эти работы будут связаны с созданием орбитальных заводов, больших радиотелескопов, обслуживанием орбитальных аппаратов, возможно, со строительством орбитальных электростанций. Скованность человека в скафандре, опасность открытого пространства вынудят нас сделать ставку на космических роботов.
Иллюстрация Jinha Lee.
5. СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ НА ОРБИТУ
Главная задача - создание действительно дешёвых многоразовых средств выведения космических аппаратов на орбиты.
Выведение КА пока очень дорого. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, сложной системой управления, дорогими материалами, используемыми в конструкции ракет и их двигателей, но главное - их одноразовостью. Оттого ещё в семидесятых возникла идея создания многоразовой системы выведения.
Первым опытом её реализации было создание системы «Шаттл». Несмотря на прекрасно выполненную работу, этот опыт едва ли можно назвать удачным. По первоначальному проекту, стоимость запуска системы не должна была превышать $10 млн. Но это была слишком оптимистичная оценка: за прошедшие годы стоимость пусков системы колебалась в пределах $150-350 млн.
Главные причины этого - применение в конструкции значительного количества одноразовых элементов, очень сложная конструкция и, следовательно, сложная подготовка к запуску, в которой участвуют множество специалистов. Следует, конечно, сказать, что аналогичная советская система «Буран» не отличается от шаттла в лучшую сторону.
Поэтому задача создания действительно многоразовой и действительно недорогой техники выведения КА на орбиту стала ещё более актуальной. Тут возможны два направления поиска решения.
Первый - довольно тривиальный: создание многоразовой одноступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе с очень высоким конструктивным совершенством. Такая ракета выходила бы на орбиту, оставляла там космический аппарат, затем сходила с орбиты, тормозилась в плотных слоях атмосферы и совершала бы посадку в районе старта.
Это было бы возможно, если бы удалось создать такую конструкцию, в которой масса баков, двигателей, тепловой защиты, системы посадки возвращающейся на Землю ракеты, системы управления и самого выводимого космического аппарата составила бы в сумме не более 10-11% от стартовой массы. Для этого требуются сверхпрочные и сверхлёгкие материалы, очень легкие двигатели, тепловая защита и система приземления. Задача очень трудная, есть ряд конструктивных идей, но они требуют дополнительных исследований и проработок.
Другой путь - революционный. Он определяется основным недостатком современных ракет: в их баках размещается не только горючее, но и окислитель (и его приходится тоже разгонять), хотя часть полёта проходит в плотных слоях атмосферы, где кислорода вполне достаточно и именно его было бы логично использовать. Но это не случайно: для использования на ракете воздушного кислорода, помимо жидкостных ракетных двигателей (бóльшая часть полёта всё же проходит вне плотных слоев атмосферы), нужно установить воздушно-реактивные двигатели. А они гораздо тяжелее жидкостных.
Но и здесь появляются новые возможности. Сегодня представляется реальным создание комбинированных двигателей, которые в начале полёта до скорости порядка 1 500-1 700 м/с работают как воздушно-реактивные, а затем переходят на режим ЖРД. Это может дать существенный выигрыш в массе и размерах носителя.
Эти идеи, по-видимому, и легли в основу английского проекта многоразового воздушно-космического самолета «Хотол». Предполагалось, что этот самолёт взлетает с аэродрома с помощью специального стартового шасси, остающегося на земле, и затем разгоняется до высоты около 25 км при работе двигателя с забором кислорода из атмосферы. К этому моменту он должен набрать скорость около 1 600 м/с.
Далее полёт совершается на бортовых запасах кислорода. В качестве горючего на обоих участках полёта предполагалось использовать жидкий водород. По проекту, при стартовой массе порядка 200 т «Хотол» должен был бы выводить на орбиту полезный груз порядка 7 т, а затем возвращаться на Землю. Судя по сообщениям в СМИ, работа над проектом сейчас прекращена - нет финансирования.
О реальности проекта судить трудно, так как она целиком определяется жизненностью предложений по созданию лёгкого комбинированного двигателя, способного работать и как воздушно-реактивный, и в режиме ЖРД, но о его конструкции никаких материалов не публиковалось. Разрабатывала двигатель известная английская компания «Роллс-Ройс».
Ведутся работы ещё по нескольким перспективным направлениям. Немецкий проект «Зенгер» также предусматривает создание полностью многоразовой двухступенчатой системы. На первой ступени предполагалось использовать воздушно-реактивные двигатели, а на второй - жидкостные.
После выработки топлива первая ступень должна возвращаться на аэродром. Вторая ступень после выведения полезного груза на орбиту должна была возвращаться на Землю и готовиться, как и первая, к следующему полету. Но данные по оценкам массовых характеристик составляющих системы, которые приводились в печати, вызывали сомнения в их обоснованности.
Ещё более революционное направление развивается сейчас в Соединённых Штатах. Оно исходит из идеи создания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, способного функционировать до скорости порядка 7,5 км/с, то есть практически весь разгон самолёта-ракеты осуществлять в атмосфере, почти не имея на борту окислителя. Исследования, насколько можно понять, как раз выясняют возможность создания такого двигателя.
Иллюстрация Frank Tinsley / Bettmann / Corbis.
6. СОЛНЕЧНЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Одно из возможных направлений освоения космоса для обеспечения насущных нужд человечества - создание солнечных орбитальных электростанций, снабжающих энергией наземных потребителей. Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую по-разному. Но самый простой и естественный для нашего случая вариант - применение полупроводниковых преобразователей солнечного светового излучения в электрический ток, то есть использование солнечных батарей.
Опыт их длительной эксплуатации в условиях космоса уж есть. В качестве преобразователей обычно используются кремниевые элементы - тонкие, небольшие (площадью в несколько квадратных сантиметров) пластинки, при попадании на которые солнечного света в силу фотоэффекта возникает разность потенциалов. С одного такого элемента можно снять очень небольшую мощность. Коэффициент полезного действия энергопреобразования равен примерно 10-12%.
Чтобы получить практический источник питания из этих элементов, их соединяют вместе по последовательно-параллельной схеме. В результате с 1 кв. м солнечной батареи можно получить мощность около 140-170 Вт. Понятно, что такие батареи дают ток только при солнечном освещении, причём указанная мощность снимается лишь тогда, когда излучение падает перпендикулярно на их поверхность.
Оттого на многих КА для увеличения снимаемой мощности устанавливают системы ориентации солнечных батарей. Когда аппарат находится в земной тени, приборы и оборудование получают электропитание от аккумуляторов, разумеется, подзаряжаемых от солнечных батарей (когда аппарат выходит из тени).
Солнечные орбитальные электростанции представляются пригодными для снабжения Земли электроэнергией. Полученную электроэнергию можно преобразовать в радиоизлучение и с помощью остронаправленной антенны орбитальной электростанции в виде узкого пучка передать на приёмную антенну, расположенную на Земле.
Принятое радиоизлучение вновь преобразуется в электроэнергию и направляется потребителям. Чтобы у орбитальных электростанций была непрерывная и кратчайшая связь с наземными приёмниками, их целесообразно размещать на геостационарной орбите.
Главное тут - научиться сооружать в космосе гигантские конструкции, которые должны быть лёгкими и разворачиваемыми на орбите. Начинать можно, например, со сборки ажурной панели-блока размером, скажем, 100×100×100 м.
А затем, постепенно соединяя между собой такие блоки, наращивать площадь конструкции до десятков квадратных километров. С панели в 100 кв. км можно было бы снять до 10 млн кВт. Для передачи энергии потребуется антенна площадью около квадратного километра. Наземная приёмная антенна будет иметь диаметр порядка нескольких километров.
Скорее всего, выяснится, что не только сборку, но и изготовление элементов блоков-панелей будет выгоднее вести на орбите. То есть доставлять туда, скажем, рулоны металлической ленты, там её резать и производить из неё стержни, из которых собирать потом ферменные конструкции панелей. Конечно, можно найти и другие технологии изготовления и сборки панелей.
Разумеется, на эти гигантские конструкции невозможно устанавливать современные пластинки солнечных батарей: это было бы слишком тяжело и дорого, так как сейчас квадратный метр таких фотоэлементов весит несколько килограммов. Но в последние годы не без успеха ведутся работы по созданию плёночных солнечных батарей, масса квадратного метра которых не превышает несколько сотен граммов.
С учётом массы фермы и других элементов конструкции приведённая масса квадратного метра панели солнечной электростанции составит примерно килограмм на квадратный метр панели, или примерно 10 кг на киловатт установленной мощности. Киловатт мощности орбитальной электростанции мог бы стоить около 2-3 тыс. рублей (при условии решения транспортной проблемы).
Это в 1,5-2 раза дороже, чем у атомных станций, в 2-2,5 раза дороже, чем у гидроэлектростанций, и в 4-6 раз дороже, чем у ТЭЦ. Однако орбитальные электростанции не расходуют природных ресурсов, и через несколько лет эксплуатации они могут оказаться рентабельнее и тепловых, и атомных. А главное - они экологически чистые.
Сложнейшая проблема - доставка на орбиту материалов для строительства. Масса станции мощностью 10 млн кВт может достичь 100 тыс. т. Для решения этой задачи потребуется совершенно новый тип многоразовых ракет-носителей. С одной стороны, это должны быть большие машины, способные выводить полезный груз массой, скажем, порядка 500 т, с тем чтобы за 2-3 года (при темпе 70-100 пусков в год) можно было доставить материалы для одной станции и с такой скоростью вести строительство.
С другой стороны, предприятие должно быть рентабельным: необходимо, чтобы стоимость выведения на таком носителе не превышала 50 рублей за килограмм полезного груза. Если сравнить этот показатель со стоимостью доставки с помощью шаттлов (порядка 10 тыс. долларов/кг), становится очевидной сложность достижения этой цели, ведь удешевить доставку нужно на два порядка.
Но задача не безнадёжная. Шаттлы почти на порядок проигрывают по экономичности современным одноразовым носителям. А снижение расходов на порядок при переходе к новому типу многоразовых носителей не представляется невозможным. Хотя, конечно, одновременно придётся решать задачу доставки выведенных на низкую промежуточную орбиту материалов на орбиту геостационарную.
Причём и на этой трассе расходы должны быть такого же порядка, то есть и для неё нужно будет создавать дешёвые многоразовые средства, скорее всего, использующие солнечные батареи и электрореактивные двигатели.
Ну а ориентация гигантских ферменных панелей на Солнце - задача вполне решаемая. По сути, вращать панель придётся с постоянной скоростью, равной одному обороту в год.
Для строительства станции на орбите потребуется создание специализированного производства. Будут нужны собственно строители и жилища для них - орбитальные станции. Конечно, всё производство должно быть максимально стандартизировано и автоматизировано. В основном строительство следует возложить на роботов, то есть людей там будет не так много. Орбитальные работы будут длиться, скажем, не более года за одну «командировку», и, следовательно, искусственная тяжесть на строительных станциях не понадобится.
Есть, конечно, и другие проблемы: преобразование гигантских мощностей электроэнергии в радиоизлучение, бортовая направленная антенна с диаметром порядка километра, средства приёма мощного потока радиоизлучения и его обратного преобразования в электроэнергию и т. п. Но всё это решаемо уже сейчас.
Идея космической электростанции привлекает потому, что такие объекты способны внести существенный вклад в решение одной из самых сложных задач, стоящих перед человечеством, - создание экологически чистой энергетики. К слову, мы не пытаемся убедить вас в том, что солнечные орбитальные электростанции - единственно целесообразный вариант.
Всерьёз его можно будет сравнить с другим только после появления соответствующих конкурирующих инициатив. Но это одно из возможных и обнадёживающих решений.
Продолжение следует
compulenta.computerra.ru
-----------------------------------------------
Еще по теме:
Земля - космос - земля
Из Швейцарии в космос
Он летает
Космос все ближе
Dragon 2.0
Все самое интересное о космосе здесь - ru_deep_space
---------------------------------
Константин Феоктистов: космонавтика без фанфар и амбиций. Часть 2. ( Часть 1)
4. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО
Для реализации описанной выше программы работ нужно совершенствовать имеющуюся космическую технику, создавать совершенно новую, вести теоретические и экспериментальные исследования. Можно представить, что потребуются следующие технические средства.
1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам.
Здесь уже есть большой задел, особенно у американцев. Следует расширять эти работы на коммерческой основе. Наша страна тоже могла бы активно участвовать в создании таких систем.
2. Система платформ на геостационарной орбите для глобальной связи, телевидения, экологического контроля, исследования природных ресурсов и метеорологических наблюдений.
Геостационарная орбита - это орбита, лежащая в плоскости экватора на высоте около 36 тыс. км над поверхностью Земли. Спутники, расположенные на ней, неподвижны относительно поверхности Земли.
На этой орбите нельзя располагать слишком большое количество аппаратов связи, так как иначе они начнут мешать работе друг друга. Поэтому, по-видимому, в будущем для расширения их возможностей придётся создавать многофункциональные платформы.
3. Орбитальные станции, по-видимому, таких типов:
- орбитальные лаборатории типа «Салют» и «Мир»;
- станции вроде разрабатываемой сейчас американской «Фридом»;
- орбитальные станции типа «облако».
Последний тип представляется мне наиболее перспективным. Идея станции-облака заключается в том, что отдельные её части - модули - не соединены жёстко между собой, но «плавают» поблизости друг от друга.
4. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите.
5. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам.
В международной системе наблюдения можно было бы иметь три подсистемы: 12-16 спутников с оптико-телевизионной аппаратурой для наблюдений в дневное время, 12-16 спутников с радиолокаторами для всепогодного и круглосуточного наблюдения поверхности суши и океанов, воздушного пространства и подводной обстановки (слежения за перемещениями подводных лодок), 3-6 спутников с аппаратурой для наблюдения в инфракрасном диапазоне.
Современные оптико-телевизионные космические средства уже позволяют рассмотреть с орбиты предметы с размерами порядка метра и передать полученное изображение через спутники-ретрансляторы абонентам.
Так называемые радиолокаторы бокового обзора, вынесенные на орбиту, при достаточной мощности позволят вести круглосуточный и всепогодный контроль поверхности Земли, воздуха и даже наблюдать за передвижениями подводных лодок. В принципе, с помощью орбитальных радиолокаторов можно было бы различать предметы размером до метров.
С помощью такой системы спутников можно было бы получить обновления информации о происходящем на поверхности Земли за 30-60 минут.
6. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающих в единой радиоинтерферометрической схеме. С помощью радиотелескопов на околосолнечной орбите можно получить разрешающую способность порядка десятимиллионных долей угловой секунды и заглянуть на самые окраины нашей Вселенной.
Кроме того, большие радиотелескопы с размерами порядка километра позволят человечеству начать регулярный поиск сигналов внеземных цивилизаций.
7. Орбитальные астрофизические обсерватории, работающие в различных спектральных диапазонах.
8. Если теоретические исследования подтвердят целесообразность создания оптических телескопов с зеркалами, разнесёнными на значительные расстояния, то может оказаться наиболее целесообразным располагать их на Луне.
Идея таких телескопов та же, что и в радиоинтерферометрии, - в увеличении базы наблюдения. Но эту базу нужно удерживать и знать с точностью до малых долей длины волны электромагнитного излучения, на которой ведётся наблюдение, то есть в данном случае с точностью до долей микрона. Поэтому и возникает мысль о расположении их на естественном спутнике Земли.
9. Возможно, возникнет необходимость создания базы на Луне, которая потребуется для астрофизических обсерваторий на поверхности спутника и исследования возможностей использования лунных ископаемых в космической деятельности человечества. Однако целесообразность разворачивания таких работ в ближайшие десятилетия требует, как мне кажется, дополнительного рассмотрения.
10. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса.
11. Если в результате окажется необходимым осуществление экспедиции на Марс, придётся разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемой экспедиции - марсианский орбитальный и экспедиционный корабли, марсианский «автомобиль» оснащение для жизни и работы на Марсе.
12. Автоматические средства исследования Венеры, орбитальная база у Венеры, атмосферные шары-зонды, средства радиолокационного картирования поверхности, посадочные лаборатории.
13. Солнечные обсерватории с перигелием внутри орбиты Меркурия, предназначенные для регулярного исследования ближайшей к нам звезды - Солнца.
14. Автоматические аппараты для исследования астероидов.
15. Автоматические космические аппараты для изучения дальних планет.
16. Действительно дешёвые многоразовые транспортные корабли для операций «Земля - орбита - Земля».
Ни американский шаттл, ни советский «Буран» не решают задачи снижения транспортных расходов в космосе. Стоимость доставки грузов на орбиту с помощью шаттлов равна сейчас примерно $10 тыс. за кг полезного груза, что много дороже, чем доставка даже старыми одноразовыми носителями. То есть задача создания дешёвых средств доставки на орбиту остаётся.
По моему мнению, новые средства должны выводить космические аппараты на орбиту за сотни долларов за килограмм. Это сложная задача, но она под силу современной технике.
17. Дешёвые многоразовые транспортные средства для транспортных операций «низкая орбита - геостационарная орбита - низкая орбита».
18. Космические работы. Следует ожидать расширения таких инициатив в открытом пространстве на орбитах спутников Земли. Эти работы будут связаны с созданием орбитальных заводов, больших радиотелескопов, обслуживанием орбитальных аппаратов, возможно, со строительством орбитальных электростанций. Скованность человека в скафандре, опасность открытого пространства вынудят нас сделать ставку на космических роботов.
Иллюстрация Jinha Lee.
5. СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ НА ОРБИТУ
Главная задача - создание действительно дешёвых многоразовых средств выведения космических аппаратов на орбиты.
Выведение КА пока очень дорого. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, сложной системой управления, дорогими материалами, используемыми в конструкции ракет и их двигателей, но главное - их одноразовостью. Оттого ещё в семидесятых возникла идея создания многоразовой системы выведения.
Первым опытом её реализации было создание системы «Шаттл». Несмотря на прекрасно выполненную работу, этот опыт едва ли можно назвать удачным. По первоначальному проекту, стоимость запуска системы не должна была превышать $10 млн. Но это была слишком оптимистичная оценка: за прошедшие годы стоимость пусков системы колебалась в пределах $150-350 млн.
Главные причины этого - применение в конструкции значительного количества одноразовых элементов, очень сложная конструкция и, следовательно, сложная подготовка к запуску, в которой участвуют множество специалистов. Следует, конечно, сказать, что аналогичная советская система «Буран» не отличается от шаттла в лучшую сторону.
Поэтому задача создания действительно многоразовой и действительно недорогой техники выведения КА на орбиту стала ещё более актуальной. Тут возможны два направления поиска решения.
Первый - довольно тривиальный: создание многоразовой одноступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе с очень высоким конструктивным совершенством. Такая ракета выходила бы на орбиту, оставляла там космический аппарат, затем сходила с орбиты, тормозилась в плотных слоях атмосферы и совершала бы посадку в районе старта.
Это было бы возможно, если бы удалось создать такую конструкцию, в которой масса баков, двигателей, тепловой защиты, системы посадки возвращающейся на Землю ракеты, системы управления и самого выводимого космического аппарата составила бы в сумме не более 10-11% от стартовой массы. Для этого требуются сверхпрочные и сверхлёгкие материалы, очень легкие двигатели, тепловая защита и система приземления. Задача очень трудная, есть ряд конструктивных идей, но они требуют дополнительных исследований и проработок.
Другой путь - революционный. Он определяется основным недостатком современных ракет: в их баках размещается не только горючее, но и окислитель (и его приходится тоже разгонять), хотя часть полёта проходит в плотных слоях атмосферы, где кислорода вполне достаточно и именно его было бы логично использовать. Но это не случайно: для использования на ракете воздушного кислорода, помимо жидкостных ракетных двигателей (бóльшая часть полёта всё же проходит вне плотных слоев атмосферы), нужно установить воздушно-реактивные двигатели. А они гораздо тяжелее жидкостных.
Но и здесь появляются новые возможности. Сегодня представляется реальным создание комбинированных двигателей, которые в начале полёта до скорости порядка 1 500-1 700 м/с работают как воздушно-реактивные, а затем переходят на режим ЖРД. Это может дать существенный выигрыш в массе и размерах носителя.
Эти идеи, по-видимому, и легли в основу английского проекта многоразового воздушно-космического самолета «Хотол». Предполагалось, что этот самолёт взлетает с аэродрома с помощью специального стартового шасси, остающегося на земле, и затем разгоняется до высоты около 25 км при работе двигателя с забором кислорода из атмосферы. К этому моменту он должен набрать скорость около 1 600 м/с.
Далее полёт совершается на бортовых запасах кислорода. В качестве горючего на обоих участках полёта предполагалось использовать жидкий водород. По проекту, при стартовой массе порядка 200 т «Хотол» должен был бы выводить на орбиту полезный груз порядка 7 т, а затем возвращаться на Землю. Судя по сообщениям в СМИ, работа над проектом сейчас прекращена - нет финансирования.
О реальности проекта судить трудно, так как она целиком определяется жизненностью предложений по созданию лёгкого комбинированного двигателя, способного работать и как воздушно-реактивный, и в режиме ЖРД, но о его конструкции никаких материалов не публиковалось. Разрабатывала двигатель известная английская компания «Роллс-Ройс».
Ведутся работы ещё по нескольким перспективным направлениям. Немецкий проект «Зенгер» также предусматривает создание полностью многоразовой двухступенчатой системы. На первой ступени предполагалось использовать воздушно-реактивные двигатели, а на второй - жидкостные.
После выработки топлива первая ступень должна возвращаться на аэродром. Вторая ступень после выведения полезного груза на орбиту должна была возвращаться на Землю и готовиться, как и первая, к следующему полету. Но данные по оценкам массовых характеристик составляющих системы, которые приводились в печати, вызывали сомнения в их обоснованности.
Ещё более революционное направление развивается сейчас в Соединённых Штатах. Оно исходит из идеи создания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, способного функционировать до скорости порядка 7,5 км/с, то есть практически весь разгон самолёта-ракеты осуществлять в атмосфере, почти не имея на борту окислителя. Исследования, насколько можно понять, как раз выясняют возможность создания такого двигателя.
Иллюстрация Frank Tinsley / Bettmann / Corbis.
6. СОЛНЕЧНЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Одно из возможных направлений освоения космоса для обеспечения насущных нужд человечества - создание солнечных орбитальных электростанций, снабжающих энергией наземных потребителей. Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую по-разному. Но самый простой и естественный для нашего случая вариант - применение полупроводниковых преобразователей солнечного светового излучения в электрический ток, то есть использование солнечных батарей.
Опыт их длительной эксплуатации в условиях космоса уж есть. В качестве преобразователей обычно используются кремниевые элементы - тонкие, небольшие (площадью в несколько квадратных сантиметров) пластинки, при попадании на которые солнечного света в силу фотоэффекта возникает разность потенциалов. С одного такого элемента можно снять очень небольшую мощность. Коэффициент полезного действия энергопреобразования равен примерно 10-12%.
Чтобы получить практический источник питания из этих элементов, их соединяют вместе по последовательно-параллельной схеме. В результате с 1 кв. м солнечной батареи можно получить мощность около 140-170 Вт. Понятно, что такие батареи дают ток только при солнечном освещении, причём указанная мощность снимается лишь тогда, когда излучение падает перпендикулярно на их поверхность.
Оттого на многих КА для увеличения снимаемой мощности устанавливают системы ориентации солнечных батарей. Когда аппарат находится в земной тени, приборы и оборудование получают электропитание от аккумуляторов, разумеется, подзаряжаемых от солнечных батарей (когда аппарат выходит из тени).
Солнечные орбитальные электростанции представляются пригодными для снабжения Земли электроэнергией. Полученную электроэнергию можно преобразовать в радиоизлучение и с помощью остронаправленной антенны орбитальной электростанции в виде узкого пучка передать на приёмную антенну, расположенную на Земле.
Принятое радиоизлучение вновь преобразуется в электроэнергию и направляется потребителям. Чтобы у орбитальных электростанций была непрерывная и кратчайшая связь с наземными приёмниками, их целесообразно размещать на геостационарной орбите.
Главное тут - научиться сооружать в космосе гигантские конструкции, которые должны быть лёгкими и разворачиваемыми на орбите. Начинать можно, например, со сборки ажурной панели-блока размером, скажем, 100×100×100 м.
А затем, постепенно соединяя между собой такие блоки, наращивать площадь конструкции до десятков квадратных километров. С панели в 100 кв. км можно было бы снять до 10 млн кВт. Для передачи энергии потребуется антенна площадью около квадратного километра. Наземная приёмная антенна будет иметь диаметр порядка нескольких километров.
Скорее всего, выяснится, что не только сборку, но и изготовление элементов блоков-панелей будет выгоднее вести на орбите. То есть доставлять туда, скажем, рулоны металлической ленты, там её резать и производить из неё стержни, из которых собирать потом ферменные конструкции панелей. Конечно, можно найти и другие технологии изготовления и сборки панелей.
Разумеется, на эти гигантские конструкции невозможно устанавливать современные пластинки солнечных батарей: это было бы слишком тяжело и дорого, так как сейчас квадратный метр таких фотоэлементов весит несколько килограммов. Но в последние годы не без успеха ведутся работы по созданию плёночных солнечных батарей, масса квадратного метра которых не превышает несколько сотен граммов.
С учётом массы фермы и других элементов конструкции приведённая масса квадратного метра панели солнечной электростанции составит примерно килограмм на квадратный метр панели, или примерно 10 кг на киловатт установленной мощности. Киловатт мощности орбитальной электростанции мог бы стоить около 2-3 тыс. рублей (при условии решения транспортной проблемы).
Это в 1,5-2 раза дороже, чем у атомных станций, в 2-2,5 раза дороже, чем у гидроэлектростанций, и в 4-6 раз дороже, чем у ТЭЦ. Однако орбитальные электростанции не расходуют природных ресурсов, и через несколько лет эксплуатации они могут оказаться рентабельнее и тепловых, и атомных. А главное - они экологически чистые.
Сложнейшая проблема - доставка на орбиту материалов для строительства. Масса станции мощностью 10 млн кВт может достичь 100 тыс. т. Для решения этой задачи потребуется совершенно новый тип многоразовых ракет-носителей. С одной стороны, это должны быть большие машины, способные выводить полезный груз массой, скажем, порядка 500 т, с тем чтобы за 2-3 года (при темпе 70-100 пусков в год) можно было доставить материалы для одной станции и с такой скоростью вести строительство.
С другой стороны, предприятие должно быть рентабельным: необходимо, чтобы стоимость выведения на таком носителе не превышала 50 рублей за килограмм полезного груза. Если сравнить этот показатель со стоимостью доставки с помощью шаттлов (порядка 10 тыс. долларов/кг), становится очевидной сложность достижения этой цели, ведь удешевить доставку нужно на два порядка.
Но задача не безнадёжная. Шаттлы почти на порядок проигрывают по экономичности современным одноразовым носителям. А снижение расходов на порядок при переходе к новому типу многоразовых носителей не представляется невозможным. Хотя, конечно, одновременно придётся решать задачу доставки выведенных на низкую промежуточную орбиту материалов на орбиту геостационарную.
Причём и на этой трассе расходы должны быть такого же порядка, то есть и для неё нужно будет создавать дешёвые многоразовые средства, скорее всего, использующие солнечные батареи и электрореактивные двигатели.
Ну а ориентация гигантских ферменных панелей на Солнце - задача вполне решаемая. По сути, вращать панель придётся с постоянной скоростью, равной одному обороту в год.
Для строительства станции на орбите потребуется создание специализированного производства. Будут нужны собственно строители и жилища для них - орбитальные станции. Конечно, всё производство должно быть максимально стандартизировано и автоматизировано. В основном строительство следует возложить на роботов, то есть людей там будет не так много. Орбитальные работы будут длиться, скажем, не более года за одну «командировку», и, следовательно, искусственная тяжесть на строительных станциях не понадобится.
Есть, конечно, и другие проблемы: преобразование гигантских мощностей электроэнергии в радиоизлучение, бортовая направленная антенна с диаметром порядка километра, средства приёма мощного потока радиоизлучения и его обратного преобразования в электроэнергию и т. п. Но всё это решаемо уже сейчас.
Идея космической электростанции привлекает потому, что такие объекты способны внести существенный вклад в решение одной из самых сложных задач, стоящих перед человечеством, - создание экологически чистой энергетики. К слову, мы не пытаемся убедить вас в том, что солнечные орбитальные электростанции - единственно целесообразный вариант.
Всерьёз его можно будет сравнить с другим только после появления соответствующих конкурирующих инициатив. Но это одно из возможных и обнадёживающих решений.
Продолжение следует
compulenta.computerra.ru
-----------------------------------------------
Еще по теме:
Земля - космос - земля
Из Швейцарии в космос
Он летает
Космос все ближе
Dragon 2.0
Все самое интересное о космосе здесь - ru_deep_space