«Техника-молодежи» 1984 №5, с.30-35

Публикации журнала на тему «В космос без ракет» вызвали большой интерес читателей. По их просьбе даем обзор этих материалов и предлагаем вниманию новый проект геокосмического сооружения.

«Мост в космос», «восхождение по космическим ступеням», «лестница до звезд» — подобные выражения мы слышим довольно часто, особенно в дни новых достижений космической науки и техники, и привыкли к ним так же, как и к самим победам в космосе, еще недавно поражавшим всеобщее воображение. Эти поэтические образы уже перешли в разряд газетных штампов, но, оказывается, наука и техника будущего в силах не только вернуть им первозданную яркость, но и воплотить в реальность заключенную в них мечту о строительстве сооружений, простирающихся с Земли в космос.

В 30-е годы — время широкого общественного признания теоретической космонавтики и заслуг ее основоположника К. Э. Циолковского — все специалисты мира в один голос утверждали, что единственным реальным средством преодоления гравитационного поля Земли и достижения космических скоростей является предложенная великим калужанином ракета на жидком топливе. И тем не менее нашелся смелый человек, не посчитавшийся с мнением авторитетов и посягнувший на монополию ракеты. Это был сам Циолковский, который писал: «Многие думают, что я хлопочу о ракете и забочусь о ее судьбе из-за самой ракеты. Это было бы грубейшей ошибкой. Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину Космоса, но отнюдь не самоцель. Будет иной способ передвижения в Космосе, — приму и его. Вся суть — в переселении с Земли и в заселении Космоса». Зная недостатки ракеты гораздо лучше и ее энтузиастов, и тем более ее противников, как знают качества своих детей только по-настоящему любящие родители, Циолковский всю жизнь не переставал искать новые, более эффективные, чем ракетный, способы выхода в космос. Собственно, с них и началось его увлечение идеей освоения вселенной: еще в ранней юности ему представилось, что он изобрел космическую машину, приводимую в движение центробежными силами. В поисках средств преодоления гравитации, которые он вел на основе строгих физико-математических расчетов, не пугаясь получающихся грандиозных величия, Циолковский закономерно пришел к идее сооружений планетарного размаха. В «рязанских тетрадях», относящихся к 1879 году, можно видеть его рисунки планет с окружающими их кольцами, качелями, пушками и мостами вперемежку с расчетами скоростей, ускорений и времени движения тел в условиях притяжения различных небесных тел. А в знаменитой книге «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения», вышедшей в 1895 году, Циолковский наряду с идеей искусственного спутника Земли впервые публикует оценку возможностей транспортных космических сооружений. Здесь он говорит и об экваториальном помосте, выходящем «за пределы атмосферы до высоты 300 верст, по которому движется поезд со скоростью 8 верст в 1 секунду с тем, чтобы в его вагонах тяжесть уничтожалась центробежной силой». И о башне, выстроенной на экваторе, при восхождении на которую «тяжесть понемногу уменьшается, не изменяя направления; на расстоянии 34 тысяч верст совсем уничтожается, затем выше опять обнаруживается с силой, пропорциональной удалению от критической точки, но направление ее обратно, так что человек головой обращается к Земле, которую видит у себя сверху». Циолковский рассчитывает величину подобных башен и для других планет. Далее он говорит о пушечных снарядах, в которых после вылета из ствола наступает невесомость, и отмечает, что если взять пушку длиной не в несколько верст, а в несколько сотен раз больше, «то предприятие будет сравнительно не настолько бездумно...». Хотя в целом Константин Эдуардович тут же оценивал эти сооружения для Земли как «в практическом отношении нелепость», он сразу же оговаривался, что «тем не менее даже в планетной системе, этой песчинке в пространстве бесчисленного множества других таких же систем, мы видим нечто подобное, созерцая кольца Сатурна в телескоп!..» Отсюда мы, вспомнив, что он в других своих работах высказывал мысль о возможности искусственного происхождения колец Сатурна, можем заключить, что его слова о несбыточности подобных проектов для Земли были, вероятно, лишь данью времени. Зато жителям астероидов, о которых идет речь в следующей главе «Грез...», он своей авторской волей дал вовсю развернуться в области астроинженерии, описав созданные ими самые разнообразные космические сооружения как энергетического, так и транспортного назначения.

Но независимо от того, верил или нет ученый в будущую возможность сверхсооружений, он с еще большей целеустремленностью стал искать приемлемый для нашего времени способ космического полета и вскоре нашел его. И, найдя этот способ, воплотившийся ныне в таких машинах, как баллистические ракеты-носители (РН) и многоразовые крылатые транспортные космические средства (ТКС), он уже в дальнейшем не ограничивал своей творческой фантазии, дав в конечном итоге предельный прогноз освоения людьми всей солнечной системы. Его завершением по Циолковскому будет ее полная перестройка в единое космическое сооружение — метапланету, или полую сферу, состоящую из множества орбитальных кольцевых поселений, размещенных примерно в районе пояса астероидов, и улавливающую всю энергию Солнца.

Лишь спустя полвека к идее искусственной сферы, охватывающей материнскую звезду, пришел американский физик Ф. Дайсон, занявшийся проблемой поиска внеземных цивилизаций. Публикация его идеи вызвала появление критических статей о невозможности ее осуществления. Но наш известный ученый Г. И. Покровский разработал конструктивную схему, по которой «сфера Дайсона» может быть осуществлена (см. «ТМ» № 4 за 1968 год). И оказалось, что именно такую схему и предлагал Циолковский. Вообще стиль мышления Георгия Иосифовича во многом был подобен стилю его великого предшественника. Так, он тоже пришел к идее запуска космических аппаратов с астероидов при помощи башен и других подобных сооружений (см. «ТМ» № 10 за 1964 год). Поэтому совсем не удивительно, что именно Покровский стал автором первого опубликованного в мировой литературе реального инженерного проекта космического сооружения на Земле — пневматической башни-аэростата высотой 160 км. В статье «Лифт» в космос», опубликованной в «ТМ» № 4 за 1959 год, Покровский предложил соорудить башню, которая из условий прочности и устойчивости должна была иметь рупоровидную форму с диаметром у Земли 100 км и в космосе 390 м. Верхняя площадка башни, выполненной из полимерного материала и заполненной водородом, могла бы нести нагрузку в 260 тыс. т. Основным назначением такой башни Покровский считал установку астрономических и астрофизических приборов за пределами атмосферы. В заключение он писал: «Если башню заполнить гелием, то в ней могли бы на большую высоту подниматься аэростаты, заполненные водородом. Это могло бы заменить различные виды лифтов».

К сожалению, проект профессора Г. И. Покровского не вызвал тогда заметного резонанса. Он был настолько необычным, что читатели, видимо, восприняли его просто как фантазию. Но заключительные слова его статьи оправдались уже через год, когда появился проект еще более грандиозной геокосмической башни.

Интересны и варианты, в частности, предложенные астраханским ученым Г. Поляковым (см. «ТМ» № 4 за 1977 год и № 4 за 1979 год), который разрабатывает космическое ожерелье Земли, оригинально воплощающее идею «орбитального пояса» академика С. П. Королева (см. «ТМ» № 4 за 1981 год), и проект лифта для трассы «Луна — Земля» (см. «ТМ» № 4 за 1979 год). Для этой же трассы инженеры Ю. Ф. Авдеев и В. И. Климов разработали и доложили на Гагаринских научных чтениях 1978 года оригинальный проект самодвижущегося космического конвейера, который, будучи однажды построенным и включенным, сможет сколь угодно долго поднимать грузы с Луны в космическое пространство, служа при этом еще и генератором электроэнергии.

Существенно новый принцип массового выхода в космос положил в основу своего проекта Общепланетного транспортного средства (ОТС) гомельский инженер А. Юницкий (см. «ТМ» № 6 за 1982 год). Многочисленные отклики читателей подтверждают принципиальную осуществимость проекта, единственным недостатком которого является... его грандиозность. Но скорость нарастания прогресса есть величина неизвестная, и то, что сейчас кажется нам выходящим за границы разумности, может стать в будущем вполне привычным и целесообразным.

В качестве самой крупной реальной задачи для ТКС конца нашего века прогнозируется обеспечение развертывания на стационарной околоземной орбите системы солнечных космических электростанций (КЭС), способных удовлетворить все мировые потребности в электроэнергии на 2000 год (см. «ТМ» № 3 за 1981 год). Как показали исследования С. Гришина и Е. Нариманова, в этом случае нужно вывести на стационар 150 КЭС общей мощностью 1,5 млрд. кВт и массой до 10 млн. т, на что ТКС на базе сверхмощных ракет-носителей потребуется до 400 млн. т топлива. Хотя это количество в сотни раз превышает прогнозные оценки его мирового производства на конец века, сделанные без учета программы создания КЭС, оно все-таки в 4 раза меньше проектной массы ОТС.

Но, кроме транспортной проблемы создания КЭС, остается очень сложной проблема передачи вырабатываемой ими электроэнергии, преобразованной в СВЧ-излучение, на Землю, связанная, в частности, с необходимостью отчуждения для приемных преобразующих сооружений (ректенн) огромных наземных площадей и экологической опасностью. И здесь ОТС смогло бы послужить решением проблемы, аккумулируя в своих бесконечных лентах-маховиках энергию при выходах в космос и отдавая ее в единую энергетическую систему Земли при возвращениях.

А нужно ли городить всю грандиозную систему КЭС, улавливать солнечную энергию и преобразовывать ее в электричество, когда природа сама извечно осуществляет этот процесс в ионосфере Земли в гораздо больших масштабах? Задавшись этим вопросом, советский ученый П. Полетавкин нашел оригинальный путь использования коротковолнового излучения Солнца, поглощаемого и преобразуемого в ионосфере Земли в круговой электрический ток силой в 10⁸ А, что соответствует напряжению на «концах» этого естественного МГД-генератора около 2·10⁵ В и его средней мощности около 10¹¹ кВт. П. Полетавкин разработал принципиальную схему соединения ионосферы с наземными потребителями энергии с помощью искусственно возбуждаемых плазменных столбов, а также специальных инвенторов и контакторов, образующих ионосферные электростанции (ИЭС). Если взять у ионосферы только десятую часть постоянно генерируемой в ней мощности, то мощность ИЭС на порядок превысит проектную мощность системы КЭС при неизмеримо меньших материальных затратах. Основной проблемой для нового способа использования космической энергии, как справедливо отмечает автор, является создание проводников, соединяющих нагрузку на Земле с ионосферой.

Что будет, если оставить за ОТС только функцию электрического проводника между поверхностью Земли и ионосферой? Таким вопросом задался комсомольский работник, активный участник Циолковских научных чтений А. Майборода. Результаты своих исследований он изложил в докладе лаборатории «Инверсор», публикуемом ниже.

В качестве проводника для передачи на Землю электроэнергии, вырабатываемой на орбитах космическими и ионосферными электростанциями, предлагаю использовать оригинальное сооружение, которое можно назвать космическим мостом (КМ). Идея этого сооружения появилась как развитие идеи общепланетного транспортного средства (ОТС), выдвинутой А. Юницким и получившей широкую известность после публикации в «ТМ» № 6 за 1982 год его статьи «В космос... на колесе». Но в плане осуществления КМ должен стать предшественником ОТС, поскольку он лишен той поражающей воображение грандиозности, которая является неотъемлемым свойством ОТС, мешающим его реализации в достаточно близком будущем.

КМ в отличие от ОТС представляет собой трубчатый корпус с заключенной в нем бесконечной лентой-маховиком, проходящий не по всей длине окружности земного шара, а лишь вдоль ее небольшого сегмента. Движение ленты по этой части окружности так же способно создавать центробежную подъемную силу, уравновешивающую вес корпуса. Для создания замкнутого движения ленты параллельно первому сегменту прокладывается второй, в котором она идет в обратную сторону. Концы корпусов обоих сегментов соединяются полуокружными изгибами для разворота движения ленты на 180°. Соединительные участки корпуса КМ необходимо закрепить на специальных опорах, связанных с поверхностью Земли. В противном случае силы, возникающие при движении ленты по этим полуокружностям, будут заставлять все сооружение перемещаться по поверхности Земли (см. рис. на центральном развороте).

Другим важным отличием нашего моста является его форма. В рабочем состоянии он представляет собой дугу с радиусом кривизны, существенно меньшим, чем у окружности Земли, что позволяет получать подъемную силу при скорости движения ленты, меньшей первой космической, тогда как в ОТС необходима скорость, превышающая эту величину.

Для достижения нижних слоев ионосферы необходим КМ высотой не менее 100 км. При этом его горизонтальная протяженность может быть различной. Для начала рассмотрим вариант моста в форме полуокружности с радиусом кривизны 100 км и общей длиной дуги 314 км.

Как и ОТС, космический мост состоит из полого вакуумированного раздвижного корпуса, но его диаметр в поперечном сечении будет порядка 1 метра, то есть в 10 раз меньше. Внутри корпуса находится растяжимая бесконечная лента, являющаяся ротором линейного электродвигателя, и система магнитной подвески, совмещенная со статором линейного двигателя.

Концы дуги КМ под прямым углом закреплены на плавающих в океане двух платформах, которые заякорены на дне океана. Они могут быть также соединены между собой тросами, для предотвращения их расхождения в противоположных направлениях под действием центробежных сил, действующих на платформы со стороны моста.

Принудительное искривление движения ленты происходит в дугообразных изгибах корпуса, закрепленных на платформах. Радиус кривизны изгибов равен 500 м. Можно отказаться от изменения направления движения ленты на 180° и от параллельной ветви КМ, а повернуть его только на 90°, пропустив нижнюю часть корпуса под водой на глубине в полкилометра параллельно поверхности океана.

По нижней части корпуса, длина которой уменьшится до 200 км, лента будет проходить от одной плавающей платформы к другой, для последующего изменения направления движения и возвращения в верхнюю часть корпуса. Для облегчения верхней части статор линейного электродвигателя расположим только в нижней части корпуса, оставив в верхней дуге корпуса систему магнитной подвески ротора.

Общая масса корпуса без учета плавающих платформ составит 30 тыс. т (60 кг на погонный метр).

Бесконечная лента КМ, разогнанная до скорости 2 км/с при движении по дуге окружности радиусом 100 км, будет испытывать ускорение 4g, и, таким образом, каждый килограмм ленты будет передавать на корпус через систему магнитной подвески усилие в 30 Н, то есть удерживать до 3 кг массы корпуса при действии подъемной силы строго вертикально. На наклонных к поверхности Земли участках корпуса величина уравновешиваемой массы будет меньше, так как направление действия ускорения тяготения не совпадает с направлением действия ускорения ленты. В целом действие подъемной силы подбирается с таким расчетом, чтобы вся конструкция находилась в напряженном состоянии, растягивающем корпус по длине дуги.

В участках корпуса с радиусом кривизны 500 м, служащих для поворота движения бесконечной ленты на 90°, соответствующее ускорение равно 800g. Здесь в системе магнитной подвески нужно будет применить супермагниты. Такие магниты, по материалам печати, уже способны на 1 кг своего веса удерживать груз до 5 т.

Преимуществом предлагаемого КМ по сравнению с ОТС являются его относительно малые габариты и масса, а также меньшее на много порядков количество энергии, необходимое для раскрутки ротора. Не касаясь главной функции ОТС, можно с уверенностью сказать, что в отношении использования энергии ионосферы КМ находится вне конкуренции.

Если принять удельную стоимость 1 т конструкции КМ 6250 долларов, такой же, как и у ОТС, то себестоимость всего моста составит не более 190 млн. долларов.

Однако КМ как готовое сооружение не может быть создан сразу и обычными средствами. Помочь в его создании сможет только он сам как самовозводящаяся конструкция, допускающая двойное увеличение своей длины. Началом строительства должно стать сооружение КМ в миниатюре.

Первый этап строительства начинается с мини-КМ высотой 1,5625 км и расстоянием от одной плавающей платформы до другой — 3,125 км. Сборка верхней несущей дуги и ее удержание до раскрутки ротора может быть совершена управляемыми аэростатами или вертолетами. После приведения КМ в рабочее состояние, то есть перехода в режим самоподдерживания, можно дать ему возможность начать увеличивать его длину, включая увеличение расстояния между плавающими платформами. Вполне реально сконструировать телескопический корпус, способный удлиниться в два раза и соответственно растягивающуюся бесконечную ленту. В результате КМ увеличивается по высоте до 3,125 км и по длине между раздвинувшимися платформами до 6,25 км.

Началом второго этапа является наложение на верхнюю дугу и подводную часть корпуса готовых блоков второго мини-КМ с возможным удлинением так же в два раза. Затем следует раскрутка ротора второго моста, остановка ротора первого и его разборка для создания условий контролируемого раздвижения конструкции второго моста.

Второй этап завершается аналогично первому, когда мост удлиняется по расстоянию между платформами до 12,5 км и по высоте до 6,25 км. Таким образом, наша двойная конструкция поочередно увеличивает свои размеры, освобождаясь от растянувшихся блоков и наращивая новые блоки для последующего своего роста.

Всего требуется 6 таких шагов последовательно двойного увеличения высоты КМ, чтобы выйти в ионосферу на расчетную высоту 100 км. Поэтапно происходит раскрутка ротора моста до скорости 2 км/с и наращивание блоков плавучих платформ. Возможно и дальнейшее развитие КМ до высот 300 — 400 и более км, однако это потребует увеличения скорости ротора и соответственно возрастания радиуса кривизны в участках поворота движения ленты на 90°, для снижения перегрузок, действующих на систему магнитной подвески.

Следует отметить, что более надежным может оказаться космический мост с углами соединения дуги верхней части корпуса с плавающими платформами в 30 — 45°, так как в этом варианте вес всей вознесенной конструкции более равномерно распределится по дуге ротора. Но при этом размеры всего сооружения резко увеличатся. Например, угол соединения в 45° привел бы к удлинению всей конструкции на расстояние между платформами в 4,5 — 5 раз при прежней высоте в 100 км, к необходимому увеличению скорости ротора в связи с увеличением радиуса кривизны части КМ, несущей нагрузку, и к увеличению опорных платформ в связи с увеличением угла поворота ленты до 135°.

В эксплуатационном варианте КМ будет гораздо сложнее описанной конструкции. Прежде всего он будет представлять блочную конструкцию из нескольких параллельных и соединенных мостов, что позволит, останавливая часть из них на ремонт и замену их износившихся блоков, обеспечить КМ практически беспредельный срок эксплуатации.

Сложность конструкции будет определяться и степенью многофункциональности моста. Помимо главного назначения — получения энергии ионосферы, он может служить и средством выведения полезных грузов в космос, для чего на одной из восходящих ветвей КМ монтируется электромагнитная пушка или катапульта на основе линейного электродвигателя, уже находящего применение в наземном транспорте (см. «ТМ» № 12 за 1978 год). Этот рассматривавшийся Циолковским еще в 1926 году способ запуска объектов на орбиту сразу же становится эффективным, как только мы выносим его применение за пределы атмосферы. В нашем случае этот способ тем более предпочтительнее запуска с помощью РН, поскольку КМ обеспечивает катапульту и бесплатной энергией, черпаемой из ионосферы. Хотя возможно и соединение обоих способов в один: та же даровая энергия может применяться для разложения воды на кислород и водород — топливо для запускаемых с КМ космических кораблей многоразового использования. Применяя катапульту, можно осуществлять межконтинентальную переброску грузов, используя сверхзвуковые планеры. Теоретически возможна посадка и торможение на мосту спускаемых космических аппаратов с возвращением энергии, затраченной на их запуск, что позволит снизить стоимость выведения 1 кг груза в космос (даже без учета дешевой энергии, поступающей из ионосферы) до уровня ниже обеспечиваемого ОТС, менее 10 коп/кг.

Миниатюризированные подобия КМ уже сейчас могли бы выполнять различные функции, не связанные с космосом. Его небольшие и дешевые модели, сооруженные и в океане, и на суше, высотой порядка нескольких километров могли бы с успехом заменить различные высотные конструкции, радиотелебашни и радиотелескопы.

Более крупные конструкции протяженностью несколько десятков километров способны выполнять функции транспортных коммуникаций в местах, где прокладка наземных трасс обошлась бы дороже строительства мини-КМ. Космический, в данном случае только по названию, мост может использоваться и в качестве энергопередающих линий, конкурирующих с криогенными ЛЭП.

КМ может быть выполнен в виде башенной конструкции, представляя в этом варианте вакуумированный раздвижной корпус в виде двух прямых параллельных столбов, соединенных округлениями сравнительно малого радиуса. Ось симметрии такого моста-башни должна быть перпендикулярна к поверхности Земли. Вертикально стоящие части корпуса будут удерживаться частично за счет растяжения, вызываемого ротором, когда он движется по верхней полуокружной дуге КМ, но в основном — за счет электромагнитного взаимодействия с элементами ротора. При движении ротора вверх по одному из вертикальных участков корпуса линейный электрогенератор должен притормаживать элементы ротора с силой, равной весу этого участка корпуса. В результате с него снимаются механические напряжения, вызываемые тяготением Земли. При движении ротора вниз по второму вертикальному участку электроэнергия, вырабатываемая первым участком, передается на линейный электродвигатель второго участка для сообщения элементам ротора, движущимся к Земле, ускорения, дополняющего ускорение гравитации. В результате второй участок вертикального корпуса будет также испытывать силу, противоположную весу; и соответственно будет удерживаться в заданном положении. Вполне возможно создание КМ, а также и ОТС, в которых будет отсутствовать движущийся с космическими скоростями ротор. Его заменит мощный криогенный кабель. Возбужденные в сверхпроводящем кольце электротоки создадут мощные электродинамические силы, способные растянуть и корпус ОТС и арку КМ. Конечно, создание таких конструкций дело отдаленного будущего.

Обсуждение доклада, в котором принял участие и автор ОТС А. Юницкий, показало огромную перспективность космических мостов не только для энергетических, но и для транспортных целей. Их применение к тому же может открыть новую эпоху и в обычном наземном строительстве — эпоху динамических сооружений.

Хотя напряжения, действующие на конструкцию космического моста, будут гораздо выше, чем у ОТС, и, следовательно, для его возведения будут нужны более прочные и дорогие материалы, но их понадобится, по крайней мере, в 50 тысяч раз меньше. А это вполне соответствует экономическим возможностям не только человечества, но и отдельных стран. Поэтому можно уверенно прогнозировать, что первый космический мост, созданный по практически осуществимой при современном научно-техническом уровне идее А. Майбороды, увенчавшей теоретические проекты геокосмических сооружений К. Циолковского, Г. Покровского, Ю. Арцутанова, Г. Полякова, А. Юницкого и других смелых новаторов, вступит в строй еще при жизни нашего поколения.