Спутник на тросе

Более 100 лет тому назад К. Э. Циолковский, описывая в своих «Грезах о Земле и небе» прототип конструкции орбитальной станции с искусственной тяжестью, полагал, что обеспечить ее можно вращением аппарата. Причем лучше, если вращение это будет осуществляться не вокруг собственной оси, а вокруг общего центра масс системы «аппарат — противовес», соединенной цепью.

Систему, как мы знаем, практически не воссоздали и по сей день. Однако она послужила отправной точкой для дальнейших рассуждений. В 1910 году Ф. А. Цандер рассчитал конструкцию лунного «космического лифта». Трос, протянутый с Луны в сторону Земли, должен был обеспечить функционирование космического лифта, способного переправлять грузы с Луны на Землю и обратно.

^{«Джемини-11» готовится к полету}

Однако за неимением лучшего материала Цандер провел расчеты по сопромату с лучшими в то время сортами стали и… был разочарован — трос оказался не способен выдержать и собственную тяжесть. Однако, во-первых, он не учел, что такой трос можно делать переменного диаметра — чем дальше от планеты, тем толще; а во-вторых, возможность появления новых, куда более прочных и легких материалов.

Все это учел в своей разработке ленинградский инженер Юрий Арцутанов. В 1960 году он предоставил редакции «Комсомольской правды» описание и расчеты нового космического лифта. Статья «В космос на электровозе» была напечатана, вызвала большой общественный резонанс в нашей стране.

А вот за океаном «Комсомолку», по-видимому, читали далеко не все. И в 1966 году в журнале «Нейчур» появилось подробное описание подобной конструкции, принадлежащее перу американца Джона Айзекса и его соавторов.

Правда, до поры до времени интерес к подобным конструкциям проявляли разве что писатели-фантасты. Так, скажем, всем известный Артур Кларк использовал идею космического лифта в своем романе «Фонтаны рая», написанном в середине 70-х годов. Причем сам автор подошел к чужим идеям достаточно творчески. Будучи инженером по образованию, Кларк понял и доказал теоретически, что трос вовсе не обязательно тянуть с Земли до самой Луны. Достаточно протянуть его лишь на половину расстояния, и он все равно будет натянут центробежными силами вращения планеты настолько, что по нему можно будет пускать кабины с грузами для околоземной орбиты.

Нашел он и подходящий материал для такого троса — кевлар, прочнейшее по тому времени волокно на Земле. Правда, даже в этом случае рассчитывать на скорейшее претворение такого грандиозного проекта в жизнь рассчитывать не приходится. Двигаться приходится шаг за шагом.

Пожалуй, первым опытом использовании тросовой связки на практике в космосе был эксперимент, проведенный в 1960 году на американском спутнике «Транзит-1В». Вспомните, как фигурист на льду может менять скорость вращения вокруг собственной оси, то раскидывая руки, то прижимая их к груди. Аналогичным образом, выбросив на тросе груз, удалось замедлить и вращение спутника вокруг продольной оси.

В 1966 году космические корабли «Джемени-11» и «Джемени-12» связывались тросами длиной по 30 м с ракетной ступенью «Анджена». Так, впервые в мировой практике в космосе был создан первый орбитальный комплекс. Аналогичный эксперимент планировал в последние годы жизни и С. П. Королев, но не успел…

Восемь лет спустя научный сотрудник Смитсоновской астрофизической лаборатории при Гарвардском университете (США) Джузеппе Коломбо разработал концепцию привязного зонда. Со спутника или космического корабля, летящего в безвоздушном пространстве, можно спускать вниз на тросе зонды для исследования верхних слоев атмосферы или камеры для фотографирования земной поверхности в более крупном масштабе. Если просто запустить спутник на столь низкую орбиту, он тут же затормозится о верхние слои атмосферы, опустится еще ниже и вскоре сгорит…

Впрочем, как показали дальнейшие расчеты, тросовые системы можно использовать не только для стабилизации полета зонда на определенной высоте. Как уже говорилось, в 1966 году в космосе соединялись тросами корабли «Джемени» с ракетной ступенью «Анджена». При этом выяснилось, что соединение двух и более небесных тел приводит к их стабилизации друг относительно друга растянутым тросом, занимающим вертикальное положение. Так происходит вот почему.

Равновесное состояние существует только в центре масс связки, где сила притяжения в точности уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего тела, наоборот, преобладает центробежная сила, и его тянет вверх. Таким образом, система уравновешивается, когда трос принимает положение на прямой, проходящей через верхнюю точку системы и центр Земли. Любое другое положение оказывается неустойчивым, и система в конце концов обязательно стабилизируется именно таким образом.

Причем расчет показывает: если соединить две примерно одинаковые по массе платформы достаточно длинным (до 40 км) тросом, то экипажи внутри модулей смогут уже отличать вверх от низа. Вместо безразличной невесомости у них появится микрогравитация, составляющая примерно 1 % от земной. Конечно, величина эта небольшая, но уже достаточная, чтобы предметы перестали плавать по кабине, проявились понятия «пол» и «потолок».

Причем интересно, что, с точки зрения наземного наблюдателя, обитатели верхней платформы будут существовать «вверх ногами», пол у них будет выше потолка, поскольку там микротяжесть действует в обратную сторону. На нижней же платформе капля воды из стакана медленно, но верно будет опускаться к Земле.

Расчеты расчетами, но как дела с тросовыми системами обстоят на практике? Чтобы ответить на этот вопрос, в марте 1996 года на борту космического шаттла «Колумбия» был проведен эксперимент, который не привлек особого внимания средств массовой информации. Во-первых, наверное, потому, что выполнялся он по заказу не только НАСА, но и NRO — Национального управления военно-космической разведки. Во-вторых, из-за того, что похвалиться его стопроцентным исполнением астронавты никак не могли. В самый ответственный момент оборвался трос, соединявший два небесных тела, и одно из них было потеряно безвозвратно.

Тем не менее на том американцы не остановились, продолжив эксперименты с помощью космического аппарата TiPS, выведенного на орбиту 20 июня 1996 года. Запуск его, кроме прочего, был использован и для того, чтобы убедиться в принципиальной возможности получения электроэнергии в космосе с помощью тросовых систем.

Дело в том, что по мере того, как два тела расходятся друг от друга на околоземной орбите, между ними возникает электрический потенциал за счет того, что оба тела находятся на разных высотах в ионосфере Земли. И на них в единицу времени падают неравные потоки заряженных частиц ионосферной плазмы. И тем самым доставляют на их поверхность отрицательные заряды разной величины.

Как показал эксперимент, таким образом удалось получить силу тока 0,5 А при напряжении 3500 В. Вероятно, результаты были бы еще внушительнее, если бы 20-километровый трос не оборвался. Эксперимент пришлось прервать.

Тем не менее этот и другие опыты с тросовыми системами показали, что с их помощью можно решать в космосе не только транспортные, но и энергетические проблемы.

Серьезные разработки по этой части есть и у наших специалистов, в частности в ракетно-космической корпорации «Энергия». Реализация одного из проектов была намечена на вторую половину 90-х годов. Мы готовились соединить станцию «Мир» и корабль «Прогресс» 20-километровым тросом из синтетического волокна. Планировалось после недельного полета разделить связку. Корабль перешел бы на более низкую орбиту, а станция — на более высокую. В следующем эксперименте длину троса должны были увеличить до 50 км. Но, к сожалению, из-за нехватки средств осуществить свои задумки конструкторы до сих пор не смогли.

Однако 20-километровые тросы, лебедка, ряд других элементов были уже изготовлены и лежат ныне на складе. Но надо еще 1,5 миллиона долларов, чтобы довести задуманное до конца. Найти такую сумму пока не удается.

Между тем для изготовления троса был использован весьма прочный синтетический материал типа кевлар. Диаметр — 3 мм, масса 20-километрового троса — всего 70 кг. А ныне создаются новые материалы с еще лучшими характеристиками. И такой «шнур», но длиной уже не 20, а 50 км, может иметь массу менее 100 кг.

Это позволяет уже ныне приступить к изготовлению не экспериментальной, а штатно эксплуатируемой тросовой системы многократного использования для спуска с орбиты на Землю грузовых кораблей, капсул, а также отработавших свой ресурс модулей, ферм, панелей. Экономический выигрыш составит через несколько лет сотни миллионов долларов в год, а в перспективе, возможно, и миллиарды долларов.

Кроме того, трос из электропроводящих материалов может быть использован, как уже говорилось, еще и в качестве источника энергии для зарядки аккумуляторов космических объектов или питания бортовой аппаратуры.

Тут, наверное, стоит на время прервать рассказ, чтобы пояснить суть дела. В 1990 году доктор физико-математических наук Владимир Белецкий и кандидат физико-математических наук Евгений Левин опубликовали статью, в которой подробно описали все возможные применения тросовых систем. Среди прочего речь там шла и о том, что с помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты по получению электроэнергии.

Как же они будут происходить? Скажем, астронавты откроют люк грузового отсека орбитального космолета. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 м. Субспутник на тросе выпущен вверх.

«Из него в разные стороны выдвинуты электрические датчики. С точки зрения действия на субспутник микротяжести его расположение вверху ничем не отличается от нижней позиции. Но в верхнем положении будет меньше аэродинамическое торможение, поскольку плотность воздуха там меньше, — писали наши ученые. — Можно ли пропускать по такому тросу постоянный ток? Казалось бы, нет. Контур не замкнут. Но ведь он движется в проводящей ионосферной плазме. Ток, текущий по тросу, может замыкаться через окружающую среду. Для этого на концах троса должны быть установлены специальные контактные устройства».

Тут мы прервем цитату, чтобы отметить прозорливость наших исследователей. Все именно так и произошло на самом деле, когда «челнок» «Колумбия» после выхода на орбиту выпустил из своего грузового отсека итальянский спутник. По мере того как оба искусственных тела расходились друг от друга, между ними возникал электрический потенциал.

В итоге удалось получить силу тока 0,5 А при напряжении 3500 В. Возможно, эти результаты удалось бы еще улучшить, но тут оборвался трос длиной около 20 км, связывающий «челнок» и спутник, так что эксперимент пришлось буквально прервать.

Тем не менее и достигнутого хватило для того, чтобы убедиться в перспективности продолжения опытов. «Тот факт, что измеренная сила тока оказалась втрое больше расчетной, сулит хорошие перспективы применения данного метода для получения энергии на околоземной орбите даже тогда, когда космический аппарат находится в тени планеты и его солнечные батареи работать не могут», — заявил ведущий научный специалист проекта из Центра космических полетов имени Дж. Маршалла Ноби Стоун.

Международная космическая станция (МКС), как известно, будет функционировать как минимум до 2015 года. На смену ей должны прийти долговременные орбитальные комплексы нового поколения, в том числе с использованием тросовых технологий. Как показывают конструкторские проработки, это будут многоблочные станции, соединенные несколькими канатами и лифтом.

Корпорация «Энергия», чтобы закрепить российский приоритет, получила патент на такую орбитальную станцию, предоставив экспертам соответствующие чертежи и расчеты. Этот комплекс может быть построен примерно к 2050 году.

Не дремлют, впрочем, и зарубежные специалисты. Эксперт центра НАСА в Кливленде Джеффри Лендис и его коллеги полагают, что современные композитные материалы на основе углерода позволят в скором будущем соорудить «вавилонскую башню» высотой 25 км. С ее вершины полезную нагрузку можно было бы выводить в космос с помощью всего одноступенчатой ракеты, а не трехступенчатой, как ныне. И если сейчас полезная нагрузка составляет примерно 2 % от стартовой массы всего носителя, то с помощью высотных запусков этот показатель удастся существенно повысить.

«Надо оснастить стартовую площадку высокой башней, а еще лучше — одновременно перенести ее на какую-нибудь высокую гору, — говорит Лендис. — Наши расчеты показывают, что старт ракеты с высоты 15 км позволяет увеличить полезную нагрузку в 1,5 раза, а с 20 км — вдвое… Строительство же подобного сооружения обойдется примерно столько же, как и возведение обычного небоскреба где-нибудь на Манхэттене».

Интересно, что подобную же идею изобретатель из Самары, специалист по ракетно-космической техники В. Н. Пикуль предложил еще в конце 90-х годов прошлого века. «Особенность моего способа состоит в медленном разгоне особой платформы с ракетой на борту по широколейному железнодорожному спуску (точнее, в данном случае — подъему), — рассказывал он. — По мере возрастания скорости подъем становится все круче, и, наконец, ракета, стартует практически вертикально, используя мощь собственных двигателей».

В свою очередь, Пикуль опирался на идею К. Э. Циолковского, красочно описанную Александром Беляевым в научно-фантастической повести «Звезда КЭЦ».

Причем строить подобные космодромы оба исследователя предлагают где-нибудь в гористых, малонаселенных местах. Горы, как уже говорилось, дают природный выигрыш в высоте — ведь вершины некоторых пиков находятся на высоте 8 км над уровнем моря.

Со временем подобная башня может стать основой и для космического лифта, конструкцию которого предлагает коллега Лендиса по НАСА Дэвид Смитерман. Свою разработку он основывает на идее ленинградского инженера Юрия Арцутанова и его американского коллеги Джерома Пирсона, которые соответственно в 60-х и 80-х годах прошлого века предложили первые проекты такого рода.

Суть идеи весьма проста и величава.

Надо запустить тяжелый спутник на геостационарную орбиту высотой 36 тысяч км. Спутник при этом будет неподвижно висеть над одной точкой планеты, синхронно вращаясь вместе с нею. С него можно спустить вниз прочную, например, кевларовую нить. А как только она достигнет Земли, подцепить к ней более толстый и прочный канат. Когда его верхний конец будет закреплен на спутнике, к канату прицепим широкую и прочную ленту из композитной ткани. А уж по этой ленте затем можно будет пускать вверх-вниз кабину космического лифта, перевозя таким образом людей и грузы.

Как показывают первые прикидки, подобные проекты могут быть осуществлены при соответствующем финансировании где-то через 15–20 лет. Стоимость же доставки грузов на орбиту вполне может снизиться в 100–200 раз и более по сравнению с нынешними ценами.

Пока же для начала энтузиасты тросовых систем хотели бы провести эксперименты по спуску с орбиты с помощью троса «космической почты».

Инициатором проекта стало Европейское космическое агентство, в котором «толкачом» выступает профессор из Нидерландов Вуббо Оккелс. Он уже сумел заинтересовать «космической почтой» около трех десятков университетов Европы, Канады, Японии. В январе 2003 года совещание, посвященное этому проекту, прошло и в Самарском государственном аэрокосмическом университете.

Технический директор голландской фирмы Delta-Utec Михаиль Круфф рассказал нашим ученым о перспективном проекте. При этом выяснилось, что профессора аэрокосмического университета Владимир Шахмистов, Виктор Балакин и другие 10 лет назад участвовали в реализации подобной идеи по просьбе германской фирмы «Кайзер-Треде». Однако немцы тогда дело до конца не довели: не хватило денег.

Теперь же схема спуска выглядит примерно такой. Трос диаметром в 0,5 мм будет изготовлен из кевлара — одного из самых прочных материалов на планете. Предполагаемая длина — около 30 км. Капсулу от космического аппарата направят к Земле. В нужной точке орбиты трос отцепят, и он сгорит в атмосфере. А капсула в специальных защитных оболочках, выполняющих к тому же роль парашюта, благополучно приземлится в заданном районе планеты.

Если первые эксперименты пройдут удачно, новая технология доставки на Землю различных грузов с использованием надувных оболочек может быть использована не только для «космической почты», но и для возвращения, например, разгонных блоков космических аппаратов для повторного их использования. Это позволит сэкономить значительные средства.