Дирижабли и космос
Алексей СЕВЕР
Перспективы использования аэростатических летательных аппаратов в космической сфере
В мире всю большую значимость приобретает идея возрождения дирижаблестроения. На сегодняшний день все большее число промышленно развитых стран занимается реализацией амбициозных проектов по созданию тяжелых дирижаблей. В нашей стране имеются свои разработки в этой области, например, есть проекты создания дискообразных аэростатических летательных аппаратов грузоподъемностью от 60 до 600 т., контракт по созданию которых был недавно подписан в Ульяновской области, или сверхтяжелых дирижаблей грузоподъемностью более 2000 т.
Чрезвычайно разнообразна область применения этих летательных аппаратов, их можно использовать практически во всех сферах человеческой деятельности, от экологического мониторинга до высотного строительства и транспортировки газа, от перевозки негабаритных грузов до предупреждения и ликвидации аварий.
Способность этого вида транспорта, при минимальном расходе топлива, неделями и даже месяцами зависать на высотах от 20 до 50 км. сможет принести огромную пользу в деле освоения космоса. Наиболее перспективным в этом направлении будет создание аэростатической стратосферной платформы, обеспечивающей вывод на околоземную орбиту спутников легкого и среднего класса, своего рода системы "воздушный старт". Подобная аэростатическая платформа будет выполнять задачу первых ступеней системы космического запуска, что на порядки уменьшит стоимость отечественной спутниковой группировки. Организация запуска должна начинаться погрузкой и монтированием космического корабля на стартовом столе приземленной аэростатической платформы непосредственно на космодроме. Затем, перелетев в область экватора и поднявшись на высоту 20 - 30 км. произвести запуск одноступенчатой ракеты.
Данная аэростатическая платформа должна представлять собой целый комплекс, состоящий из обширной платформы со стартовым столом в центре и поддерживаемый в воздухе группой из 4 - 6 аэростатов, кольцеобразно собранных вокруг нее. Конструктивные особенности оболочек несущих аэростатов должны обеспечивать не только высокие аэродинамические качества и большую грузоподъемность всего комплекса, но и сохранение остойчивости при старте космического корабля. Корпус оболочек должен состоять из полимерных композиционных материалов с набором шпангоутов из высокопрочных алюминиевых сплавов, внутреннее пространство оболочек должно быть разделено переборками на воздухонепроницаемые термостойкие отсеки, что повысит живучесть комплекса. Для большей грузоподъемности и улучшения маневренности в вертикальной плоскости следует использовать принцип, применяющийся в термодирижаблях, т. е. возможность изменять аэростатическую подъемную силу за счет нагрева или охлаждения газа внутри оболочек аэростатов.
Для энергообеспечения всего комплекса на одном - двух аэростатах целесообразнее всего установить атомную силовую установку. Это даст значительное преимущество по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, так как возрастет мощность силовой установки, не нужно будет возить с собой балласт в виде сотен тон топлива, тем более что по мере сгорания керосина будет меняться сплавная сила, для компенсации которой придется стравливать гелий.
Управление стартом космического корабля целесообразно производить дистанционно из автономного дирижабля, входящего в единую систему с комплексом "воздушного старта" и несущего функции центрального командного поста (ЦКП) и спасательного бота. В ходе перелета к месту старта дирижабль ЦКП будет состыкован с единым комплексом, при этом учитываются аэродинамические свойства всей системы как единого целого. После выхода к месту старта и завершения готовности комического корабля к запуску экипаж и обслуживающий персонал переходит на борт ЦКП, затем дирижабль отшвартовывается от основного комплекса "воздушного старта" на безопасное расстояние, после чего производится запуск корабля. После старта, в обратном порядке, дирижабль ЦКП состыкуется с основным комплексом. При этом в случае необходимости непосредственно в точке старта возможна дозагрузка контейнеров с новыми ракетами, подвозимыми транспортными дирижаблями, что на порядки увеличит скорости пополнения орбитальных спутниковых группировок.
Весомый вклад в дело исследования космоса вносит выведенный на околоземную орбиту космический телескоп "Хаббл". Но, к сожалению, весь этот проект чрезвычайно дорогостоящ, обслуживание аппарата сопряжено со значительными трудностями в проведении регламентных и ремонтных работ. Немаловажно то, что "Хаббл" невозможно модернизировать, его можно только заменить не менее дорогим и малонадежным проектом.
Возможность использования аэростатической стратосферной платформы как астрономической обсерватории может стать более дешевой и надежной альтернативой малонадежному и дорогостоящему проекту "Хаббл".
Прозрачность атмосферы на высоте 30 - 50 км. позволит производить астрономические наблюдения, не уступающие по качеству наблюдениям, сделанным с помощью космического телескопа. Грузоподъемность и габариты аэростатической платформы обеспечат установку на борту многометрового телескопа рефлектора и различных камер спектрографов для ведения наблюдений в различных волновых диапазонах. Конструкцию всей системы несущей платформы целесообразно проектировать аналогично рассмотренному выше комплексу "воздушный старт".
Помимо ведения астрономических наблюдений обсерватория сможет решать задачи ретрансляции, мониторинга поверхности и атмосферы Земли. Аэростатическая платформа может стать настоящей лабораторией в стратосфере планеты.
Стратосферная обсерватория может быть создана как в автоматическом, так и в обитаемом варианте. Наличие экипажа на платформе потребует значительного удорожания проекта и увеличения сложности всей системы, но зато возрастет надежность обсерватории за счет возможности оперативного вмешательства в работу станции - проведения регулярных регламентных работ, быстрого устранения неисправностей, более полной диагностики оборудования. Благодаря избытку солнечного излучения, на станции можно будет разбить теплицы и регулярно снабжать экипаж свежей зеленью и даже мясом, что вместе с применением различных систем замкнутых циклов в разы увеличит автономность станции. Более того, накопленный ценнейший опыт в области использования аэростатических стратосферных платформ и длительной работы и проживания в них экипажа можно будет использовать при создании внеземельных баз.
Возможности применения аэростатических летательных аппаратов не могут быть ограничены исключительно пределами земной атмосферы.
Современные космические модули, служащие основой для МКС, а в последующем - для сборки космического корабля для полета к Марсу, весьма ограничены в габаритах. Внутренний объем подобных модулей в среднем составляет 70 - 80 кубических метров, половину которого занимают различные грузы и оборудование. Объем приходящийся для жизни экипажа, при этом не будет превышать в модуле 40 - 50 кубометров.
Ограниченность жилого и рабочего пространства будет не лучшим образом сказываться на деятельности экипажа, особенно в ходе длительных межпланетных экспедиций. Этот недостаток обусловлен отсутствием тяжелого ракетоносителя, способного вывести на орбиту объект, во много раз превосходящий существующие ныне модули. Сложившуюся ситуацию способен в корне изменить аэростатический летательный аппарат. Цельнометаллический, или жесткокорпусной, с обшивкой оболочки из легких и прочных композиционных полимерных материалов дирижабль может послужить корпусом для собираемого на орбите межпланетного корабля или новой космической станции.
Принцип вывода такого летательного аппарата в космос достаточно прост. Линзообразный дирижабль, имеющий форму чечевичного зерна, поднимается в стратосферу в районе экватора, неся на себе груз в виде разгонных ступеней, а затем эти ступени выведут в космос уже не дирижабль, а огромный модуль, основу будущего космического корабля. Корпус такого "аэростатического модуля" целесообразно делать двойным, отделяя внешний и внутренний корпуса пространством в несколько сантиметров шириной, укрепленный несущим набором шпангоутов. По выводу модуля на орбиту межкорпусное пространство можно будет заполнить быстро застывающим пенным материалом, что повысит прочность и улучшит теплоизоляцию корабля. При этом внутреннюю конструкцию "аэростатического модуля" (АМ) - отсечные переборки, тамбуры, шлюзы, кабельные трассы и трубопроводы - лучше всего строить еще на стапеле, а на орбите загрузить и смонтировать аппаратуру, средства управления и контроля, полезные грузы.
В ходе строительства космической станции можно будет состыковать несколько однотипных (АМ), при этом состыкованные вместе три и более модуля смогут образовать кольцо или шар, придав вращение которому вокруг своей оси можно будет создать искусственную силу тяжести на корабле.
Со временем из подобных модулей можно будет строить поистине грандиозные небесные объекты, на которых будут трудиться сотни, а то и тысячи людей, в промышленных масштабах производящие необходимую продукцию, которую нельзя получить в земных условиях.
Столь огромные станции смогут стать центрами космического туризма. В "аэростатических модулях" разместятся сотни комфортабельных номеров, прогулочные палубы, с обзорными иллюминаторами, рестораны, кинотеатры, танцевальные площадки и даже бассейны. У шлюзов космических туристов будут ждать прогулочные катера, на которых можно будет облететь вокруг станции или выйти в открытый космос. Возможность единовременного приема орбитальной станцией сотен космических туристов во много раз снизит затраты на полет человека в космос, а значит туристическая путевка на орбиту станет по карману представителям среднего класса. И уже не только эксцентричные миллионеры-одиночки смогут любоваться красотами открытого космоса, а тысячи людей, которые создадут основу целой индустрии космического туризма, приносящей стране многомиллиардный доход.
После апробирования "аэростатических модулей" в ходе создания космических станций возможно на их основе конструировать межпланетные корабли для полетов к Марсу, малым планетам Пояса астероидов и к спутникам планет гигантов. Но наиболее амбициозным проектом могла бы быть экспедиция к Венере. Эта задача кажется неразрешимой в виду целого ряда трудностей, где помимо совершенно невыносимых условий в нижних слоях атмосферы и на поверхности планеты существует проблема возвращения посадочного модуля на орбиту. И действительно, решение такой проблемы только с помощью современной ракетной техники невозможно.
Но современное технологическое развитие, особенно в наноиндустрии, способно обеспечить синтезирование таких материалов, которые смогут приблизить фантастическую идею отправки пилотируемой экспедиции к Венере к воплощению в реальность.
Суть идеи заключается в следующем.
К собираемому на орбите межпланетному кораблю пристыковывается аэростатический экспедиционный модуль (АЭМ), предназначенный для вхождения в стратосферу Венеры. Фактически это должен быть дирижабль, способный выдержать не только перегрузки при входе на орбиту, но и длительный перелет в безвоздушном пространстве к "Утренней звезде". После выхода межпланетного корабля на орбиту планеты АЭМ должен будет отстыковаться от основного корабля, войти в плотные слои атмосферы и зависнуть в стратосфере на высоте 50 - 60 километров, где атмосферное давление и температура будут безопасны для живучести АЭМ.
Составными частями АЭМ должны стать спускаемый аппарат - капсула или небольшая платформа на сверхдлинных и сверхлегких тросах, способных доставить платформу с экспедиционной группой на поверхность планеты и одноступенчатый орбитальный корабль для возврата экипажа на орбиту.
Следующий этап экспедиции - с высоты 50 - 60 км. осуществить спуск платформы с одним или двумя космонавтами на почву Венеры, выполнение ими научной программы и подъем экспедиции обратно на аэростат.
На заключительном этапе экспедиция с поднятой при помощи мощных лебедок спускаемой платформы возвращается на борт аэростатического модуля и приступает к подготовке старта орбитального корабля. Далее - возвращение экспедиции на орбиту, стыковка орбитального корабля с межпланетным кораблем и обратный полет к Земле.
К сожалению, в настоящее время наука не создала таких тросов, способных, будучи вертикально растянутыми, на полсотни километров, выдержать не только собственный вес, но еще и груз весом в одну, две тонны. Нет легкой и прочной брони для скафандров, выдерживающих давление в сотню атмосфер и температуру в полтысячи градусов, но при грамотной постановке задач и необходимом финансировании эти проблемы решаемы. При этом будут реализованы массы прикладных задач военного и народно-хозяйственного значения. Более того, неизмеримо возрастет научно-технический авторитет страны, обеспечившей первый шаг человека на поверхность столь далекого, сурового и враждебного мира.
Перспективы использования аэростатических летательных аппаратов в космической сфере
В мире всю большую значимость приобретает идея возрождения дирижаблестроения. На сегодняшний день все большее число промышленно развитых стран занимается реализацией амбициозных проектов по созданию тяжелых дирижаблей. В нашей стране имеются свои разработки в этой области, например, есть проекты создания дискообразных аэростатических летательных аппаратов грузоподъемностью от 60 до 600 т., контракт по созданию которых был недавно подписан в Ульяновской области, или сверхтяжелых дирижаблей грузоподъемностью более 2000 т.
Чрезвычайно разнообразна область применения этих летательных аппаратов, их можно использовать практически во всех сферах человеческой деятельности, от экологического мониторинга до высотного строительства и транспортировки газа, от перевозки негабаритных грузов до предупреждения и ликвидации аварий.
Способность этого вида транспорта, при минимальном расходе топлива, неделями и даже месяцами зависать на высотах от 20 до 50 км. сможет принести огромную пользу в деле освоения космоса. Наиболее перспективным в этом направлении будет создание аэростатической стратосферной платформы, обеспечивающей вывод на околоземную орбиту спутников легкого и среднего класса, своего рода системы "воздушный старт". Подобная аэростатическая платформа будет выполнять задачу первых ступеней системы космического запуска, что на порядки уменьшит стоимость отечественной спутниковой группировки. Организация запуска должна начинаться погрузкой и монтированием космического корабля на стартовом столе приземленной аэростатической платформы непосредственно на космодроме. Затем, перелетев в область экватора и поднявшись на высоту 20 - 30 км. произвести запуск одноступенчатой ракеты.
Данная аэростатическая платформа должна представлять собой целый комплекс, состоящий из обширной платформы со стартовым столом в центре и поддерживаемый в воздухе группой из 4 - 6 аэростатов, кольцеобразно собранных вокруг нее. Конструктивные особенности оболочек несущих аэростатов должны обеспечивать не только высокие аэродинамические качества и большую грузоподъемность всего комплекса, но и сохранение остойчивости при старте космического корабля. Корпус оболочек должен состоять из полимерных композиционных материалов с набором шпангоутов из высокопрочных алюминиевых сплавов, внутреннее пространство оболочек должно быть разделено переборками на воздухонепроницаемые термостойкие отсеки, что повысит живучесть комплекса. Для большей грузоподъемности и улучшения маневренности в вертикальной плоскости следует использовать принцип, применяющийся в термодирижаблях, т. е. возможность изменять аэростатическую подъемную силу за счет нагрева или охлаждения газа внутри оболочек аэростатов.
Для энергообеспечения всего комплекса на одном - двух аэростатах целесообразнее всего установить атомную силовую установку. Это даст значительное преимущество по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, так как возрастет мощность силовой установки, не нужно будет возить с собой балласт в виде сотен тон топлива, тем более что по мере сгорания керосина будет меняться сплавная сила, для компенсации которой придется стравливать гелий.
Управление стартом космического корабля целесообразно производить дистанционно из автономного дирижабля, входящего в единую систему с комплексом "воздушного старта" и несущего функции центрального командного поста (ЦКП) и спасательного бота. В ходе перелета к месту старта дирижабль ЦКП будет состыкован с единым комплексом, при этом учитываются аэродинамические свойства всей системы как единого целого. После выхода к месту старта и завершения готовности комического корабля к запуску экипаж и обслуживающий персонал переходит на борт ЦКП, затем дирижабль отшвартовывается от основного комплекса "воздушного старта" на безопасное расстояние, после чего производится запуск корабля. После старта, в обратном порядке, дирижабль ЦКП состыкуется с основным комплексом. При этом в случае необходимости непосредственно в точке старта возможна дозагрузка контейнеров с новыми ракетами, подвозимыми транспортными дирижаблями, что на порядки увеличит скорости пополнения орбитальных спутниковых группировок.
Весомый вклад в дело исследования космоса вносит выведенный на околоземную орбиту космический телескоп "Хаббл". Но, к сожалению, весь этот проект чрезвычайно дорогостоящ, обслуживание аппарата сопряжено со значительными трудностями в проведении регламентных и ремонтных работ. Немаловажно то, что "Хаббл" невозможно модернизировать, его можно только заменить не менее дорогим и малонадежным проектом.
Возможность использования аэростатической стратосферной платформы как астрономической обсерватории может стать более дешевой и надежной альтернативой малонадежному и дорогостоящему проекту "Хаббл".
Прозрачность атмосферы на высоте 30 - 50 км. позволит производить астрономические наблюдения, не уступающие по качеству наблюдениям, сделанным с помощью космического телескопа. Грузоподъемность и габариты аэростатической платформы обеспечат установку на борту многометрового телескопа рефлектора и различных камер спектрографов для ведения наблюдений в различных волновых диапазонах. Конструкцию всей системы несущей платформы целесообразно проектировать аналогично рассмотренному выше комплексу "воздушный старт".
Помимо ведения астрономических наблюдений обсерватория сможет решать задачи ретрансляции, мониторинга поверхности и атмосферы Земли. Аэростатическая платформа может стать настоящей лабораторией в стратосфере планеты.
Стратосферная обсерватория может быть создана как в автоматическом, так и в обитаемом варианте. Наличие экипажа на платформе потребует значительного удорожания проекта и увеличения сложности всей системы, но зато возрастет надежность обсерватории за счет возможности оперативного вмешательства в работу станции - проведения регулярных регламентных работ, быстрого устранения неисправностей, более полной диагностики оборудования. Благодаря избытку солнечного излучения, на станции можно будет разбить теплицы и регулярно снабжать экипаж свежей зеленью и даже мясом, что вместе с применением различных систем замкнутых циклов в разы увеличит автономность станции. Более того, накопленный ценнейший опыт в области использования аэростатических стратосферных платформ и длительной работы и проживания в них экипажа можно будет использовать при создании внеземельных баз.
Возможности применения аэростатических летательных аппаратов не могут быть ограничены исключительно пределами земной атмосферы.
Современные космические модули, служащие основой для МКС, а в последующем - для сборки космического корабля для полета к Марсу, весьма ограничены в габаритах. Внутренний объем подобных модулей в среднем составляет 70 - 80 кубических метров, половину которого занимают различные грузы и оборудование. Объем приходящийся для жизни экипажа, при этом не будет превышать в модуле 40 - 50 кубометров.
Ограниченность жилого и рабочего пространства будет не лучшим образом сказываться на деятельности экипажа, особенно в ходе длительных межпланетных экспедиций. Этот недостаток обусловлен отсутствием тяжелого ракетоносителя, способного вывести на орбиту объект, во много раз превосходящий существующие ныне модули. Сложившуюся ситуацию способен в корне изменить аэростатический летательный аппарат. Цельнометаллический, или жесткокорпусной, с обшивкой оболочки из легких и прочных композиционных полимерных материалов дирижабль может послужить корпусом для собираемого на орбите межпланетного корабля или новой космической станции.
Принцип вывода такого летательного аппарата в космос достаточно прост. Линзообразный дирижабль, имеющий форму чечевичного зерна, поднимается в стратосферу в районе экватора, неся на себе груз в виде разгонных ступеней, а затем эти ступени выведут в космос уже не дирижабль, а огромный модуль, основу будущего космического корабля. Корпус такого "аэростатического модуля" целесообразно делать двойным, отделяя внешний и внутренний корпуса пространством в несколько сантиметров шириной, укрепленный несущим набором шпангоутов. По выводу модуля на орбиту межкорпусное пространство можно будет заполнить быстро застывающим пенным материалом, что повысит прочность и улучшит теплоизоляцию корабля. При этом внутреннюю конструкцию "аэростатического модуля" (АМ) - отсечные переборки, тамбуры, шлюзы, кабельные трассы и трубопроводы - лучше всего строить еще на стапеле, а на орбите загрузить и смонтировать аппаратуру, средства управления и контроля, полезные грузы.
В ходе строительства космической станции можно будет состыковать несколько однотипных (АМ), при этом состыкованные вместе три и более модуля смогут образовать кольцо или шар, придав вращение которому вокруг своей оси можно будет создать искусственную силу тяжести на корабле.
Со временем из подобных модулей можно будет строить поистине грандиозные небесные объекты, на которых будут трудиться сотни, а то и тысячи людей, в промышленных масштабах производящие необходимую продукцию, которую нельзя получить в земных условиях.
Столь огромные станции смогут стать центрами космического туризма. В "аэростатических модулях" разместятся сотни комфортабельных номеров, прогулочные палубы, с обзорными иллюминаторами, рестораны, кинотеатры, танцевальные площадки и даже бассейны. У шлюзов космических туристов будут ждать прогулочные катера, на которых можно будет облететь вокруг станции или выйти в открытый космос. Возможность единовременного приема орбитальной станцией сотен космических туристов во много раз снизит затраты на полет человека в космос, а значит туристическая путевка на орбиту станет по карману представителям среднего класса. И уже не только эксцентричные миллионеры-одиночки смогут любоваться красотами открытого космоса, а тысячи людей, которые создадут основу целой индустрии космического туризма, приносящей стране многомиллиардный доход.
После апробирования "аэростатических модулей" в ходе создания космических станций возможно на их основе конструировать межпланетные корабли для полетов к Марсу, малым планетам Пояса астероидов и к спутникам планет гигантов. Но наиболее амбициозным проектом могла бы быть экспедиция к Венере. Эта задача кажется неразрешимой в виду целого ряда трудностей, где помимо совершенно невыносимых условий в нижних слоях атмосферы и на поверхности планеты существует проблема возвращения посадочного модуля на орбиту. И действительно, решение такой проблемы только с помощью современной ракетной техники невозможно.
Но современное технологическое развитие, особенно в наноиндустрии, способно обеспечить синтезирование таких материалов, которые смогут приблизить фантастическую идею отправки пилотируемой экспедиции к Венере к воплощению в реальность.
Суть идеи заключается в следующем.
К собираемому на орбите межпланетному кораблю пристыковывается аэростатический экспедиционный модуль (АЭМ), предназначенный для вхождения в стратосферу Венеры. Фактически это должен быть дирижабль, способный выдержать не только перегрузки при входе на орбиту, но и длительный перелет в безвоздушном пространстве к "Утренней звезде". После выхода межпланетного корабля на орбиту планеты АЭМ должен будет отстыковаться от основного корабля, войти в плотные слои атмосферы и зависнуть в стратосфере на высоте 50 - 60 километров, где атмосферное давление и температура будут безопасны для живучести АЭМ.
Составными частями АЭМ должны стать спускаемый аппарат - капсула или небольшая платформа на сверхдлинных и сверхлегких тросах, способных доставить платформу с экспедиционной группой на поверхность планеты и одноступенчатый орбитальный корабль для возврата экипажа на орбиту.
Следующий этап экспедиции - с высоты 50 - 60 км. осуществить спуск платформы с одним или двумя космонавтами на почву Венеры, выполнение ими научной программы и подъем экспедиции обратно на аэростат.
На заключительном этапе экспедиция с поднятой при помощи мощных лебедок спускаемой платформы возвращается на борт аэростатического модуля и приступает к подготовке старта орбитального корабля. Далее - возвращение экспедиции на орбиту, стыковка орбитального корабля с межпланетным кораблем и обратный полет к Земле.
К сожалению, в настоящее время наука не создала таких тросов, способных, будучи вертикально растянутыми, на полсотни километров, выдержать не только собственный вес, но еще и груз весом в одну, две тонны. Нет легкой и прочной брони для скафандров, выдерживающих давление в сотню атмосфер и температуру в полтысячи градусов, но при грамотной постановке задач и необходимом финансировании эти проблемы решаемы. При этом будут реализованы массы прикладных задач военного и народно-хозяйственного значения. Более того, неизмеримо возрастет научно-технический авторитет страны, обеспечившей первый шаг человека на поверхность столь далекого, сурового и враждебного мира.