«Техника-молодежи» 1977 №4, обл, с.41-43

Нынешний доклад публикуется в рамках программы «КЭЦ», открытой нашим журналом полгода назад. Тогда же мы объявили конкурс на лучшую ее эмблему. На 4-й стр. обложки помещены первые эскизы, присланные читателями и отобранные координационным центром программы. Мы думаем, набросок горьковчанина Юрия КРОТОВА (рис. 1) не нуждается в особом объяснении. Силой разума первобытное орудие превратилось в могучее орудие завоевания космоса. «Моя эмблема проста, — сообщает школьник Сергей СНОРЧЕНКО из Краснодона. — Буквы КЭЦ образуют некую дорогу, которая выведет землян к ближайшим звездам» (рис. 2). Студент Кировского художественного училища Виктор ФРЕЙМАН прислал оттиск своей линогравюры: смысл ее вполне ясен — бесконечное развитие жизни по спирали (рис. 3). И наконец, интерпретация выпускника медицинского училища Евгения НОРКИНА из Маргилана (Узбекская ССР). Предоставим слово автору: «Земля явилась тем семенем, из которого поднялся росток разума. Он распустится чудесным цветком и непременно встретится с другими побегами, иными цивилизациями» (рис. 4). Остается напомнить, что программа «КЭЦ» и конкурс на лучшую ее эмблему продолжаются.

Ресурсы нашей планеты отнюдь не безграничны, и стремительно растущее человечество со временем непременно обживет ближайшие небесные тела и искусственно созданные астрогорода. Однако в вопросе о том, как и какими темпами будет происходить «великое переселение народов», среди ученых нет единого мнения. Смогут ли транспортные космические корабли грядущего справиться с массовыми перевозками? А ведь, помимо людей, нужно переправить еще огромное количество различных материалов, оборудования и других грузов, необходимых для постройки космических поселений.

Поскольку «астролюди» должны где-то трудиться, в космос перебазируются и предприятия. В первую очередь те, технологические процессы которых только выиграют от наличия таких факторов, как высокий вакуум, невесомость, интенсивная радиация... А снабжать энергией внеземные заводы и «мегаполисы» будут мощные солнечные и термоядерные электростанции. И опять все упирается в перевозки.

По нашему мнению, транспортную проблему поможет решить космический лифт — он дополнит ракеты, как железная дорога — самолеты.

На возможность подобного сооружения К. Циолковский указал еще в 1896 году в работе «Грезы о Земле и небе». Но эта идея привлекла всеобщее внимание лишь 64 года спустя, когда ленинградский инженер Ю. Арцутанов окончательно сформулировал ее и изложил свои соображения на страницах «Комсомольской правды». Дальнейшему развитию столь необычного проекта и посвящен наш рассказ.

Внешне космический лифт выглядит на редкость просто. Посмотрите на рисунок (стр. 42, слева): на экваторе Земли закреплен (в точке А) трос (это может быть и стержень, труба, лента и т. д.), к свободному концу которого «привязан» спутник В. Длина троса превышает высоту геосинхронной (стационарной) орбиты (примерно 35 800 км), где тело имеет период обращения 24 часа (точнее, 23 часа 56 минут), то есть такой же, как и Земля. (Другими словами, оно неподвижно висит над поверхностью планеты.) На лифт действуют две противоположные силы: гравитационная и центробежная, обусловленные тяготением и суточным вращением Земли. В точке Б, расположенной на отметке стационарной орбиты, они взаимно уравновешены. На участке АБ преобладает гравитационная сила, а на БВ — центробежная.

Лифт будет находиться в устойчивом равновесии лишь тогда, когда центробежная сила преобладает над гравитационной. (Потому-то спутник и летает выше стационарной орбиты.) В таком состоянии трос растянут, и нагрузка на основание А равна разности этих сил.

Естественно, материал лифта должен обладать уникальными свойствами — высокой прочностью на разрыв и в то же время малым весом. Достаточно сказать, что отношение разрывного напряжения к плотности (σ/ρ) должно быть, по крайней мере, в 50 раз больше, чем у стали. Не стоит думать, что создание таких материалов — дело далекого будущего. Поиск в этом направлении начат, и сейчас получены разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы, кристаллические усы... Кстати, последние в принципе уже отвечают требованиям, предъявляемым к лифтам.

Однако не обязательно весь трос вязать из кристаллических волокон. Расчеты показывают, что величина σ/ρ обратно пропорциональна величине α=S_Б /S_A — отношению площадей поперечного сечения троса в точках Б и А. Значит, трос выгодно сделать утоньшающимся от точки Б, где толщина максимальна, к его концам. Правда, при этом быстро растет масса лифта, и α, видимо, не может превышать 10. Поскольку в точке Б напряжение наибольшее — оно монотонно убывает к концам троса, — для периферийных участков лифта, пожалуй, сгодятся и обычные сверхпрочные материалы.

Конечно, реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный нами. На нем разместятся станции по эксплуатационному обслуживанию, научные лаборатории, жилые и производственные блоки, вокзалы и многое другое. Причем эти «узлы» расположатся симметрично относительно точки Б — сложный лифт как бы состоит из ряда простых с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.

Мы недаром так часто упоминали точку Б: там место основной базы. Поскольку она находится в состоянии невесомости, ее размеры могут быть весьма большими (от нескольких сот метров до 10 км в диаметре). Однако постоянно жить в условиях невесомости не слишком-то приятно. На базе придется создать искусственное тяготение, придав ей вращение. Правда, в таком случае на лифт, кружащийся вместе с Землей, будет действовать гироскопический момент, отклоняющий его к какому-либо полюсу. Чтобы избавиться от этого эффекта, базу лучше всего сделать из двух одинаковых дисков, вращающихся в противоположные стороны с равными угловыми скоростями. В результате суммарный гироскопический момент сведется к нулю.

Что же касается других «узлов», то вопрос о тяжести не возникнет: она и так есть за счет разности между гравитационной и центробежной силами. На станциях, расположенных ниже точки Б, тяготение направлено вниз, а выше — вверх. И чем дальше «узел» от этой точки, тем оно мощнее.

Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. Другими словами, в точке В будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. Причем его можно сделать из нескольких удаленных друг от друга этажей — каждый, мчась со своей космической скоростью, предназначен для запусков к определенной планете, дабы свести корректировку траектории сброшенного с него аппарата к минимуму. А возвращающиеся из полета астрокорабли, предварительно выйдя на геосинхронную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.

Если случится авария и какая-либо станция оторвется от лифта, она станет вращаться вокруг Земли по эллиптической орбите (рис. в центре). Точка отделения явится либо перигеем орбиты (станция находилась выше базы), либо апогеем (ниже). Самая нижняя из крупных станций помещается на такой высоте, чтобы при ее отрыве перигей орбиты был бы за пределами атмосферы. Разумеется, оставшимся в одиночестве станциям будет оказана «скорая помощь» космическими буксирами.

С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельных трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой — вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар.

Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.

Кабины лифта — просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули (ведь путешествие в лифте продолжается неделю, а то и больше).

Главные вокзалы расположены в уже знакомых нам точках А, Б, В и соединены несколькими транспортными линиями. Чтобы не сместить лифт из вертикального положения, движение кабин с грузами необходимо согласовывать. Интересно, что центробежная сила облегчает подъем кабины. А на участке БВ та даже сама пойдет вверх.

В целях экономии энергии можно создать систему, показанную на рисунке справа. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами, и напоминает канатно-кресельную дорогу. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.

Таким образом, у «небесного эскалатора» два основных назначения: служить транспортной магистралью в ближний космос и средством достижения космических скоростей без помощи ракет. Однако он, несомненно, найдет и множество других применений. Например, со станций станут проводить изучение Земли и небесных тел, радиотелепередачи и т. п., а по проводам, проложенным вдоль лифта, можно «перекачивать» вниз энергию с орбитальных солнечных и термоядерных электростанций. Техническое состояние сооружения будет непрерывно контролироваться (через сеть датчиков) специальной электронной системой.

Сама постройка начнется с создания большой долговременной орбитальной станции на геосинхронной орбите. С нее к Земле и от Земли протянутся (строго согласованно) два троса, причем к свободному концу верхнего прикреплен небольшой спутник. Сначала их движение направляется реактивными двигателями, а затем — гравитационно-инерционными силами. Устойчивость всей системы (до достижения нижним тросом поверхности планеты) обеспечивается также реактивными установками.

Затем параллельно основному тросу протянутся и остальные. Возможно, они будут вытягиваться из расплава прямо на орбитальной станции, ибо сверхпрочные материалы выгоднее всего получать в условиях невесомости и вакуума.

Учитывая прогнозы роста населения Земли, можно считать, что надобность в космическом лифте появится где-то в первой четверти XXI века. Подобные сооружения украсят и другие небесные тела солнечной системы, у которых масса меньше Земли и которые достаточно быстро вращаются (Марс, отдельные спутники планет и крупные астероиды). При этом внеземные лифты будут иметь гораздо меньшие размеры и подвергаться сравнительно слабым разрывным напряжениям. Например, сооружение на Марсе испытает нагрузку в 5 раз меньшую, чем на Земле, а его длина сократится в 2 с лишним раза.

Сейчас много пишут об астрогородах, первые проекты которых были выдвинуты еще К. Циолковским. Где же размещать их в космическом пространстве? Некоторые специалисты считают, что в так называемых точках Лагранжа, где притяжение к Земле и Луне уравновешено. Но эти участки довольно далеки от нас. Видимо, целесообразней выбрать все ту же геосинхронную орбиту. Она уже сейчас быстро заселяется спутниками.

А в ближайшее время к ним присоединятся десятки солнечных электростанций. Скажем, по проекту известного американского ученого К. Эрике вдоль геосинхронной орбиты расположится рой огромных зеркал с общей площадью до 66 тыс. км². В определенных районах Земли он создаст освещенность, сравнимую с солнечной.

Эти да и другие перспективные технические предложения позволяют утверждать, что еще при жизни нашего поколения геосинхронная орбита густо усеется космическими аппаратами самых различных типов и назначений. И поскольку все они будут почти неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.

Так мы вплотную подходим к идее космического «ожерелья» Земли (см. рисунок в центре, а также 1-ю стр. обложки журнала). Оно состоит из радиально расположенных экваториальных лифтов и огромного кольца, простирающегося чуть выше геосинхронной орбиты, к которому пришвартовано множество космических станций.

Если кольцо поместить точно на геосинхронную орбиту, то его равновесие будет неустойчивым. Во избежание этого радиус кольца немного увеличен, так что оно находится несколько выше ее. При этом избыток центробежной силы растянет «ожерелье». Кольцо находится в состоянии, близком к невесомости, оно не испытывает особых напряжений, и его строительство намного проще, чем возведение космического лифта.

«Ожерелье» послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между астрогородами, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите. Ведь без кольца станции постепенно расползутся под действием возмущающих сил. Это резко ограничило бы их число, а для компенсации возмущений потребовались бы реактивные установки, что связано с большим расходом топлива и вызовет загрязнение среды.

Наряду с жилыми поселениями, например, типа цилиндров О'Нейла («ТМ», № 4 за 1976 год) на кольце расположатся и станции с промышленным, сельскохозяйственным и энергетическим производством. Несомненно, что технологические процессы этих предприятий будут основаны на замкнутых и полностью автоматизированных циклах.

Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 тыс. км), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 км, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тыс. на кольце будут обитать 26 млн. человек. Если же размеры и количество таких астрогородов существенно увеличить, эта цифра резко возрастет.

Возможно, создание космического «ожерелья» Земли и явится практическим воплощением того пункта выдвинутого К. Циолковским плана завоевания мировых пространств, где говорится, что «вокруг Земли устраиваются обширные поселения».