НАУКА И ТЕХНИКА Проекты XXI века Дорога в космос Флот небольших и дешевых кораблей способен вдохнуть новую жизнь в исследования космоса Пока человечество делает первые шаги по изучению и освоению Сол­нечной системы, энтузиасты уже задумываются над тем, как люди полетят к звездам. Наверняка пер­вой вехой на этом пути станет бли­жайшая к нам звездная система — альфа Центавра. Расстояние до нее 25 триллионов миль или 4,3 световых года.

Одной из таких задач, казалось бы, являются научные исследования. Крупномасштабные и дорогостоящие проекты, такие, как космический телескоп «Хаббл» и полеты автоматических станций «Вояджер» к другим планетам принесли и славу своим политическим спонсорам, и массу ценной научной информации. Но это все-таки инвестиции в отдаленное будущее. В НАСА прекрасно отдают отчет в том, что выживание космической программы как таковой будет зависеть от того, удастся ли удешевить полеты и обуздать гигантоманию.

Ветры перемен коснулись, в частности, двух интересных проектов, разработанных в недрах Лаборатории ракетных двигателей (ЛРД) в Пасадене (штат Калифорния). Первый из них призван завершить начатую «Вояджерами» программу изучения «отдаленных окраин» Солнечной системы: тщательно отснять высокоразрешающей фотоаппаратурой Плутон и его большой спутник Харон. Второй проект ставит целью изучение «пояса Кипера» — целого роя мелких космических тел на орбите планеты Нептун, существование которого 40 лет назад предсказал астроном Джеральд Кипер.

Что касается полета на альфу Центавра — это сверхдерзновенный инженерный вызов. Трем химическим ракетам, установленным на сегодняшнем «Шаттле», пришлось бы целых два месяца обеспечивать ускорение, равное взлетному с поверхности Земли, чтобы разогнать космический аппарат до скорости, способной доставить его к цели. Но для такого «костра» нужно столько горючего, что нагруженный им безумно тяжелый аппарат едва ли вообще сдвинется с места.

Дальше больше. Чтобы долететь туда за десять лет, необходимо развить скорость, равную почти половине скорости света. Согласно теории относительности Эйнштейна любой объект, приближающийся к скорости света, набирает дополнительную массу. Таким образом, каждое новое ускорение требует более высокой энергетической отдачи ракетного двигателя. На момент достижения 3/4 от скорости света разгоняемый объект весит уже в полтора раза больше, чем на старте. А его потребности в топливе возрастают настолько, что они переходят критический порог, за которым дальнейшее ускорение просто-напросто невозможно.

Это проблемы. А решения?...

Проблема и решение

Космический аппарат на антиматерии

Снижаем расходы

Миниатюризация и солнечные батареи

П

режде всего решено радикальным образом миниатюризировать научные инструменты, которые понесут на своем борту зонды «Вояджер». Некоторые из них уже удалось ужать в... 40 раз! И в то же время увеличить их чувствительность и эффективность. Работают и над тем, чтобы заменить «Вояджеры» другим, значительно более дешевым аппаратом.

Администратор НАСА Дэниэль С. Голдин безжалостно зарубил первый вариант проекта «Плутон», считая, что тот недалеко ушел от базовой технологической концепции «Вояджеров». В частности, он оставлял на вооружении тяжелый термоэлектрический генератор с радиоактивным плутонием-238 в качестве источника питания. И по-прежнему полагался на массивные химические ракеты. А главное — существенно ужав объемы (но не количество) научной аппаратуры, он не сократил в пропорциях сам летательный аппарат. Но ведь это же все равно что налить новое вино в старую бутылку.

Так родился более усовершенствованный вариант научной миссии к планете мрачного Аида — «Плутон экспресс». Ее разработчики теперь уменьшили и размеры самого космического аппарата. Но как химические ракеты, так и плутониевую установку питания оставили как есть. Получилось новое вино в полуновой бутылке.

Однако даже такой половинчатый вариант существенно снижает расходы. Каждый из полетов «Вояджеров», начавшихся в 1977 году, обходился примерно в один млрд. долларов. А тут запускают раздельно два аппарата, что обойдется по совокупности где-то в 300 млн. долларов. (Миссия запланирована на 2003 год.)

Разработчики экспедиции к «поясу Кипера» пошли еще дальше. Это действительно новое вино в новой бутылке. Предлагаемый для полета аппарат радикально отличен от того поколения, начало которому положила серия «Пионер» в конце 50-х.

Химические ракеты уходят в отставку. Прототип двигателя, испытываемый сейчас в ЛРД, работает на ксеноне — инертном газе. Причем он может нести это топливо в виде суперактивной жидкости, плотной, как вода, и тем не менее не нуждающейся в охлаждении. В качестве источника питания предложена пара легких панелей из солнечных батарей, которых вполне должно хватить и для обслуживания научных инструментов на борту корабля, и для связи с центром управления полетами. Хотя часть экспертов ЛРД все-таки выражает сомнения в том, что солнечные батареи смогут обеспечить надежные коммуникации на таком огромном удалении от Земли.

ЗЕРКАЛЬЦЕ Крымская обсерватория — обладатель самого большого в мире телескопа. Его главное зеркало в диаметре составляет 6 метров, весит несколько десятков тонн, на изготовление ушло больше года. Причем пришлось сооружать еще и специальную контрольную 30-метровую вышку. До сих пор в больших астрономических приборах повсеместно используются только цельнолитые главные зеркала. Принципиально новую технологию, позволяющую делать составные зеркала, разработали российские ученые (Москва, «Оборонинвест»). Они проще в изготовлении, легче. Такие зеркала удобнее перевозить и монтировать. В нынешнем году намечено сделать по новой технологии составное зеркало диаметром 10 метров, а к 1999-му — 25-метровое. Телескоп с таким «глазом» способен разглядывать небесные тела многократно подробнее, чем нынче. Скажем, на Венере при отсутствии облачности станут хорошо видны даже небольшого размера обломки пород.

КОСМИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ Пассажирский транспорт в глубины галактики Реальность такова, что как в XX, так и в XXI веке преуспеет именно тот вид транспорта, который обойдется максимально дешево. Причем чем больше вес аппарата, тем острее встает эта проблема. Пассажирский вариант, к примеру, едва ли сможет при таком двигателе превысить лимит веса в одну тонну. Но даже и при подобной, весьма незначительной, массе размеры солнечных коллекторов силовой установки достигнут где-то около двух акров (это почти футбольное поле). С непилотируемыми миссиями дело обстоит намного проще. Технологическая миниатюризация, столь далеко продвинувшаяся на пути от «Вояджера» к проекту «Кипер экспресс», может быть продолжена и довольно скоро спрессовать тонны в считанные килограммы. Полученный в результате автоматизированный солнечно-электрический зонд вполне способен обойтись солнечными коллекторами, чей диаметр составит от 10 до 20 метров. Стать идеальным орудием научных изысканий. А также в значительной степени послужить коммерческим и военным целям. Основная, если так можно выразиться, «недвижимость» Солнечной системы находится не на ее планетах. Да, по массе планеты лидируют. Однако по площади поверхности значительно уступают более мелким объектам: своим естественным спутникам, а также астероидам и кометам. За исключением ряда крупных спутников и нескольких астероидов весь этот мир совершенно не исследован. А поскольку гравитация у него невысокая, он в высшей степени доступен для визитов космических судов с солнечно-электрической тягой. Какая дальнейшая эволюция ожидает этот флот микроскопических кораблей? Задаваться сейчас таким вопросом — все равно что спрашивать в 1905 году у братьев Райт о том, как будут выглядеть реактивные авиалайнеры наших дней.

Гигантская линза фиксирует пучок на лазерный парус

Вызов
Выбор двигателя

Без него дорога к альфе Центавра закрыта

П

ослать в глубокий космос даже крохотный зонд — колоссальные энергетические затраты. А разгон практически лишенной систем жизнеобеспечения пилотируемой капсулы с одним астронавтом на борту до 1/3 скорости света эквивалентен работе всех силовых установок на Земле в течение нескольких лет. Необходим принципиально новый космический двигатель.

Ядерно-электрическая тяга? Она способна обеспечить в 10 миллионов раз более мощный выброс на единицу потребляемого топлива. Однако как? Начать с того, что реакцию атомного распада должен сдерживать сложный реактор. Но он расплавится при высочайших температурах. Кроме того, реакция расщепления производит тяжелые, медленные ионы, неспособные к быстрому разгону. Ядерный синтез подошел бы больше. Однако надежный реактор подобного типа сконструируют в лучшем случае лет через 30—40.

Возможно, ключом к глубокому космосу станет антиматерия. Широкая публика вряд ли это осознает, а между тем антиматерия со страниц научно-фантастических романов не только давно уже перекочевала в реальный мир физики высоких энергий, но и стала там явлением вполне заурядным. Согласно расчетам, ракета, работающая на антиматерии, способна разогнать полезный груз космического аппарата до 1/10 от скорости света, используя всего 9 кг топлива.

В то же время практические проблемы, с которыми сталкиваются сторонники аннигиляционного двигателя, велики. Прежде всего, как собрать столько антиматерии, чтобы ее хватило на путешествие в открытый космос? Ловить античастицы сложно. И хотя, казалось бы, миллиарды антипротонов проносятся каждые 10 минут со скоростью, равной 1/10 скорости света, по кольцевому ускорителю элементарных частиц при Европейском центре физических исследований в Женеве, попробуй их укроти, если при такой скорости и энергетическом заряде они проходят практически через любую преграду, вставшую на их пути.

Впрочем, Джеральд Смит из университета Пенн-Стэйт наловчился притормаживать их, подбрасывая стой за слоем «под ноги» металлическую фольгу и газы. Антипротоны, натыкаясь на электроны фольги, круг за кругом начинают терять энергию. Однако прежде чем они совсем притормозят и перейдут в свое зеркальное отображение — протоны обычной материи, Смит загоняет их в западню «магнитных бутылок». Он ловит тот самый волшебный миг, когда примерно около миллиона антипротонов еще сохранили достаточно кинетической энергии, чтобы войти в горлышко «магнитной бутылки», но уже обессилели настолько, что не в состоянии ее покинуть. Вот и роятся там, как субатомные светлячки в морилке у ядерного энтомолога.

Однако от «магнитной бутылки» до ракетного топлива на базе антиматерии — дистанция гигантского масштаба. Миллиарды миллиардов таких «бутылок» едва наберут антиматерии на 1 грамм ракетного топлива. Набивать их антиматерией более плотно можно, но 100 миллионов антипротонов — это предел. Дальше «магнитная бутылка» начинает расползаться по швам: поскольку частицы несут электрический заряд и взаимно отталкиваются, чем гуще становится их «толпа», тем более мощные магниты требуются, чтобы удержать их в «клетке». Увеличить размеры «бутылки» — новые затраты. Выход?

Смит пытается конструировать... атомы антиводорода. В них антипротон на орбите позитрона будет так же успешно уравновешивать атом антиматерии, как это происходит с обычным водородом. Атомы антиматерии удержать в магнитной ловушке легче, чем бунтующие элементарные частицы. Настолько легче, что этот антиводород, по убеждению Смита, можно будет производить в индустриальных количествах в виде сконденсированных жидких капель, а то и небольших, на сосульки похожих кристаллов. А эти кристаллы складировать и хранить в режиме очень низких температур. Такие хранилища намного компактнее и надежнее, чем «ловушки Пеннинга».

Допустим, что Смит решил эту технологическую проблему. И что отпущены сотни миллионов долларов на строительство фабрик, производящих антиводород, хранилищ антиматерии. Все равно удастся получать в лучшем случае один микрограмм синтезированных антипротонов в год. Это значит, что 9 кг ракетного топлива для аннигиляционного двигателя удастся набрать спустя... 9 миллиардов лет. За это время многие звезды умрут, а уж куда шагнет человеческая раса — одному Богу ведомо.

Исследователь кометоподобных тел у планеты Нептун

«КЛЕМЕНТИНА» Дитя полковника Рустана Воистину необходимость — мать изобретения. Получив ответственную миссию НАСА и более чем скромный бюджет на ее реализацию, полковник ВВС Педро Рустан просто обязан был изобрести дешевый космический корабль — и он его изобрел. Меньше чем за два года и всего за 55 млн. долларов — сущие пустяки для проектов подобного рода — Рустан и его команда произвели на свет «Клементину»: почти полутонный сгусток электронной начинки, где нашлось место и никелево-водородным аккумуляторам, и галлиево-мышьяковистым, на германиевой основе, солнечным батареям, и крохотным гироскопам на кольцевых лазерах, и целому сонму всевозможных сенсорных устройств. В то же время управление этим космическим зондом сделали столь практичным и высокоэффективным, что весь контрольный центр составили 8 специалистов, свободно разместившихся в складском ангаре города Александрия, штат Виргиния. Вскоре после успешного запуска в январе 1994 года «Клементина» блестяще выполнила лунную часть своего задания, сделав более чем 1,8 млн. снимков в широком волновом диапазоне — от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. И хотя основной цели достичь не удалось, сделанные этим аппаратом снимки заполонили страницы научных изданий. А главное — специалисты НАСА очень заинтересовались чертежами этого космического аппарата, который столь дерзко утер нос многим куда более дорогостоящим кораблям и проектам. Так что «Клементина» способна дать жизнь целому новому поколению разведчиков космоса.

Вот почему Смит предлагает на время забыть о двигателе на чистой антиматерии, а последнюю использовать как катализатор мощного процесса ядерного распада и синтеза. Уран, бомбардируемый нейтронами, начинает ядерное расщепление, которое, в свою очередь, разогревая капсулу с дейтерием и тритием — тяжелыми изотопами водорода, побуждает к ядерному синтезу. Тот же принцип использован в водородной бомбе.

Какая же камера сгорания выдержит мощь таких чудовищных взрывов, эквивалентных миллионам тонн тринитротолуола? Смит собирается ослабить ее как минимум на шесть-семь порядков за счет резкого убыстрения реакции распада. Цепная реакция идет настолько стремительно, что почти мгновенно генерирует достаточно тепла и давления для запуска реакции синтеза в дейтериево-тритиевой активной зоне.

Антиматерия играет здесь роль антипротонового стартера для ядерного микровзрыва, эквивалентного примерно 15 тоннам ТНТ. Включив на несколько суток «каскадный механизм» (каждую секунду — один взрыв), можно разогнать аппарат до скоростей, способных доставить его, скажем, на Плутон всего за три года. Фактически это двигатель, заправленный водородными бомбами.

Чтобы уберечь от расплава камеру сгорания, Смит предлагает загонять часть образующихся при ядерном синтезе гамма-лучей в специальные свинцовые фильтры, которые переводят гамма-излучение в рентгеновское. В свою очередь рентгеновские лучи бомбардируют титановую платформу, превращая в пар тонкий слой металла, который в качестве реактивной массы покидает корабль.

Остается решить проблему защищенного от расплава сопла такого двигателя: реактивная масса, вылетающая из него, достигает сверхвысоких температур, выдержать которые пока не способен ни один из известных науке материалов.

Аппарат, приводимый в действие пучками элементарных частиц

P.S.КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕТАЙП

«РИКША» К созданию стартового комплекса для нового российского космического носителя «Рикша» приступило КБ общего машиностроения. Главная его особенность — возможность быстрой перевозки и установки. В ракете легкого класса «Рикша» используется криогенное экологически безопасное топливо — жидкий кислород и сжиженный природный газ. Носитель может с высокой точностью выводить на низкие околоземные орбиты спутники массой до 1,7 тонны. Планируется, что «Рикша» будет в основном использоваться для коммерческих запусков. ДОКТОР КОСМОС Космическая техника в ближайшее время будет активнее использоваться в медицине. Дистанционные методы диагностики и лечения различных заболеваний используют сейчас травматологи, офтальмологи и онкологи только в крупных московских клиниках. Один из диагностических центров Москвы оснащен оборудованием космических кораблей. Планируется открыть в Москве специализированный консультативный центр. МОДЕРНИЗАЦИЯ «ПРОТОНА» Государственный космический научно-производственный центр (ГКНПЦ) им. Хруничева (Москва) разработал проект модернизации одной из основных российских ракет-носителей «Протон». Создание модернизированного носителя «Протон-М» позволит «значительно» улучшить технические и эксплуатационные характеристики прототипа, который считается одним из лучших носителей в мире. В модернизированном носителе, в частности, будет применяться система управляемого спуска ускорителя 1-й ступени, что сократит размеры полей падения отработанных частей ракеты и резко улучшит экологические характеристики «Протона». Применение увеличенных головных обтекателей позволит в два раза увеличить объем полезной нагрузки.

Подборку подготовили Сергей СВИСТУНОВ, Валентин ХАЛИН