«Техника-молодежи» 1988 г №4, обл, с.27-29

Летом 1988 года начнется одна из самых сложных космических экспедиций: автоматические аппараты программы «Фобос» высадят десант на поверхность одноименного спутника Марса и произведут его всесторонние исследования. Еще дальше идут, позволим себе новый термин, конструкторы-фантасты. Например, председатель сектора Федерации космонавтики СССР Георгий Григорьевич Поляков из Астрахани, давно и успешно работающий над темой космических лифтов и других астроинженерных сооружений. Его смелые, нестандартные проекты неоднократно публиковались в «ТМ» (последний раз — в № 10 за 1985 год). И вот новая научно-популярная статья. Как обычно, Г. Поляков предает гласности не какие-нибудь беспочвенные мечтания — статья написана на основании депонированной в ВИНИТИ его научной работы (№ 7046-83Деп).

Георгий ПОЛЯКОВ, кандидат физико-математических наук, доцент, г. Астрахань

Вероятно, Марс станет первой большой планетой, которую посетит, а затем освоит человек, ибо физические условия на нем гораздо комфортнее, чем на всех остальных (исключая Землю) небесных телах Солнечной системы.

Конечно, раньше всего будет обжита близкая к нам Луна, на которой уже побывало 12 землян. Согласно некоторым прогнозам, в начале XXI века начнется строительство постоянной научно-производственной лунной базы («ТМ» № 5 за 1987 год). Опыт освоения Луны очень пригодится на Марсе. Например, на нем можно находиться в таких же скафандрах, как и на Луне.

При заселении Марса (как и Луны) в первую очередь возникнут транспортно-энергетические проблемы. Видимо, главными источниками энергии будут ядерные и солнечные электростанции, а основным видом транспорта — на электрической тяге.

Однако именно на Марсе возможно создание уникальной транспортно-энергетической системы, связанной с его спутниками — Фобосом и Деймосом, которые хоть и невелики по размерам, но обладают большой механической энергией.

Напомним, что эти небесные тела имеют неправильную, картофелеобразную форму, несколько вытянутую к планете, и движутся по круговым орбитам, лежащим в ее экваториальной плоскости, в направлении собственного вращения Марса, причем постоянно обращены к нему одной стороной. У Фобоса средний диаметр 23 км, радиус орбиты 9370 км, период обращения 7 ч 39 мин, у Деймоса — соответственно 12 км, 23 520 км и 30 ч 18 мин.

Радиус самого Марса 3390 км, а период его собственного вращения 24 ч 37 мин 23 с, то есть по своим линейным размерам он почти вдвое меньше Земли, а продолжительность суток на нем лишь немного больше, чем у нас. Поскольку Фобос опережает суточное вращение Марса, а Деймос отстает от него, то марсианские луны движутся по небосводу в противоположных направлениях: Фобос с запада на восток, а Деймос с востока на запад с периодами обращения относительно поверхности Марса 11 ч 1 мин 23 с и 5 суток 11ч 25 мин.

Ученые уже давно планируют создать на этих спутниках промежуточные космические базы. В их грунте будут вырыты целые города с жилыми и научно-производственными помещениями, на поверхности построят космодромы, солнечные электростанции, оранжереи... На полушариях спутников, обращенных к Марсу, расположатся радио— и телеретрансляторы, передатчики, научные станции по изучению планеты, а на обратных — астрономические обсерватории.

Но вернемся к предлагаемой транспортно-энергетической системе. Сначала вдоль марсианского экватора и наиболее удобных параллелей прокладываются кольцевые монорельсовые железные дороги. Затем со спутников спускаются по одному или несколько длинных, высокопрочных силовых тросов, к которым привязываются поезда на магнитной подвеске.

Фобос, как заправский локомотив, помчит привязной состав на восток со скоростью 537 м/с, если это экваториальная магистраль. На дорогах средних широт ±45° скорость состава будет меньше — 380 м/с, а на высоких широтах ±79° снизится до 100 м/с.

Очевидно, силовой трос будет тормозить спутник и тот станет постепенно приближаться к планете по спирали, пока не упадет. Но случится это через сотни тысяч лет.

Деймос потянет привязной состав на запад со скоростью 45 м/с по экваториальной магистрали, а на широтах +45° скорость составит 31,8 м/с. Здесь движение будет осуществляться за счет кинетической энергии суточного вращения самого Марса, который, хоть и чрезвычайно незначительно, но все же уменьшит скорость собственного вращения.

Больших трудностей в создании быстроходных поездов на Марсе не предвидится. Сила тяжести там в 2,6 раза меньше, чем на Земле, плотность же атмосферы чрезвычайно мала. Главная проблема — трос, ведь его минимальная длина — около 6000 км. Но уже сейчас созданы высокопрочные материалы, трос из которых выдержит не только собственный вес, но и довольно значительную нагрузку.

К ним относится, например, очень легкий и прочный кевлар. Его плотность всего 1,45 г/см³, но выдерживает он огромное напряжение — до 0,37— 10 Па. А самый высокопрочный материал, полученный в лабораторных условиях, это волокна из специально обработанного углерода (графита). Они при плотности 2,2 г/см 3 разрываются лишь под напряжением 2·10¹⁰ Па.

Расчеты равнонапряженного кевларового троса, который, располагаясь вертикально, постепенно сужается по мере удаления от спутника, показывают следующее. Если диаметр троса в месте закрепления на Фобосе составляет 1 см, то у поверхности Марса он уменьшится до 3 мм. При массе в 434 т трос способен удержать груз в 7,6 т. Аналогичный трос из углеродных волокон (диаметр вверху тоже 1 см) сузится внизу в 1,4 раза и при массе 880 т сможет удержать дополнительно 226 т. Конечно, для реального наклонного и несколько провисшего под собственной тяжестью троса эти характеристики ухудшатся, но вряд ли больше, чем на порядок.

Различные транспортно-энергетические системы, связанные с Фобосом.

Если на поездах установить электрогенераторы с приводом от колес вагонов, то они, помимо основного назначения, станут вырабатывать и электроэнергию. К тросу можно подвесить и «летающие» грузо-пассажирские вагоны обтекаемой формы (ведь у Марса все же есть атмосфера) .

Сначала такой вагон загружается на запасном привокзальном пути. Затем разгоняется электродвигателем, цепляется за якорь, висящий на конце троса, с помощью электролебедки подтягивается на нужную высоту и совершает полет до нужного пункта (без затрат энергии на преодоление трения о монорельс). А дальше все идет в обратном порядке: вагон спускается на главную магистраль, отделяется от троса, переходит на запасной монорельс и тормозится за счет вращения электрогенератора (в который превращается электродвигатель), отдавая в сеть большую часть энергии, затраченной на разгон. Однако привязные поезда выгоднее подвесных вагонов, так как трос сможет тянуть по монорельсу вагон много большей массы, чем удерживать на весу.

Вертикальный трос, опущенный с Деймоса до марсианской поверхности, протянется на 20 100 км. Если его сделать из высокопрочных углеродных волокон, то (при предельном напряжении) для удержания груза в 1 т потребуется трос массой 20,75 т, площадь поперечного сечения которого убывает от 0,55 мм² (в месте закрепления на Деймосе) до 0,19 мм на нижнем конце. Для удержания груза большей массы все характеристики троса соответственно изменяются.

Передвижение по поверхности Фобоса и Деймоса весьма своеобразно (как и на всех небесных телах с малой тяжестью, о чем говорил еще К. Э. Циолковский). Отталкиваясь от грунта, человек сможет перемещаться огромными прыжками ввиду очень малого ускорения силы тяжести. Так, на Фобосе оно заключено в пределах 3-5 мм/с² (в две с половиной тысячи раз меньше, чем на Земле), на Деймосе — около 3 мм/с². Поэтому усилие, которое на Земле перенесет нас всего на 2 м, на Фобосе позволит сделать прыжок длиной в 5 и высотой 1,3 км, но совершаться он будет довольно медленно (около получаса) с горизонтальной скоростью 3 м/с.

Кроме того, грузы можно перемещать с помощью небольшого реактивного двигателя. Однако таковой требует расхода топлива, поэтому еще лучше использовать пружинные толкатели и импульсные пистолеты с массивными «пулями».

Допустим, толкатель сообщил человеку в скафандре какую-то скорость, и он летит над поверхностью спутника. Для изменения направления или скорости полета следует произвести выстрел из пистолета в нужную сторону. Желательно, чтобы стреловидные «пули» вонзались в грунт так, чтобы их можно было потом собирать и повторно использовать.

Для причаливания в нужном месте применяется стрела-якорь на тонкой нити-привязи. Сперва прицельным выстрелом закрепляют стрелу в заданном пункте (желательно так, чтобы одновременно получить тормозной импульс), а затем, выбирая нить, подтягиваются к нему. Для остановки и причаливания можно воспользоваться и лассо, накинув его на какой-либо скалистый выступ или специальные причальные столбы, забитые в грунт.

А как же организовать скоростной транспорт на этих маленьких спутниках? Можно, например, проложить вокруг них три кольцевые монорельсовые дороги в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и пустить по ним поезда на магнитной подвеске с электрической или реактивной тягой.

Целесообразно вывести груз на низкую орбиту вокруг Фобоса, ведь первая космическая скорость здесь очень мала, всего 7 м/с. Запустить искусственный спутник (ИС) легко даже с помощью пружины толкателя, а остановить еще проще — накинув лассо на причальный столб. Минимальные периоды ИС Фобоса и Деймоса — около 2,5 ч. В этих ориентировочных расчетах Фобос и Деймос принимаются за шары радиусами 11 и 6,3 км соответственно.

Можно организовать движение и по туннелям, пронизывающим тело спутников. Вагон, введенный в такой прямолинейный канал, если трение пренебрежимо мало, станет совершать гармонические колебания между выходами. Подобным транспортом целесообразно пользоваться в случае радиационной опасности на поверхности, причем главными будут три туннеля, пробитые вдоль трех взаимно перпендикулярных диаметров спутника (без пересечения в центре). Первой очередью«метрополитена» станет туннель, связывающий нижний и верхний полюса Фобоса, его длина составит 27 км. На обоих концах туннеля расположатся вокзалы.

После удаления задвижки, препятствующей движению, вагон начнет ускоренно падать и пройдет центр Фобоса с максимальной скоростью 7,3 м/с. Затем движение станет замедленным, он достигнет поверхности в диаметрально противоположной точке и приостановится. Продолжительность такого путешествия — 1 ч 18 мин. Любопытно, что столько же занял бы и полет на ИС над самой поверхностью.

На Деймосе рейс в один конец по 15-километровому туннелю продлится 1 ч 16 мин, а наибольшая скорость составит 4,4 м/с. Конечно, вагоны «метро» будут оснащены электродвигателями, которые пригодятся для компенсации трения, а также на случай аварии.

Скорость отрыва (вторая космическая) на этих спутниках очень мала — на Фобосе 10 м/с, на Деймосе 6,5 м/с, — и вывести с них в космическое пространство какое-либо тело нетрудно. Это можно сделать с помощью небольшого реактивного двигателя, электромагнитной пушки, простого пружинного толкателя. Правда, такие способы требуют затраты энергии. А поэтому, если необходимо транспортировать с Фобоса и Деймоса грузы большой массы, целесообразно использовать прямой (то есть протянувшийся в сторону Марса) и обратный вертикальные самодвижущиеся конвейеры-электростанции (КЭ), которые будут одновременно вырабатывать электричество за счет экологически чистой механической энергии спутников. Это обычные транспортеры с равномерно распределенными вдоль них контейнерами и электромашинами на нижних барабанах.

Назовем критической такую высоту КЭ, при которой суммарная действующая на него сила равна нулю и он находится в самоуравновешенном состоянии, не давя на опору. Так вот, если высота конвейера больше критической, то появляется сила, направленная вверх. Приложенная к заполненным контейнерам, она станет тянуть их вверх и вращать конвейер (на его вершине идет непрерывная разгрузка).

При этом электрическая машина заработает как генератор и даст ток. Надо только успевать загружать контейнеры в нижней части конвейера. На его вершине грузы станут сначала поступать в накопитель, а потом сбрасываться на заданные орбиты.

Лишь на пусковом этапе, когда нагруженные контейнеры надо поднять на закритическую высоту, электрическая машина поработает как двигатель — например, от солнечной электростанции.

По сути, прямой КЭ вращает гравитационная сила притяжения к Марсу, а обратный — центробежная сила инерции (вызванная орбитальным вращением конвейера вместе со спутником).

Какие же грузы придется транспортировать? Промышленное значение будут иметь (в качестве сырья для переработки) породы, вынутые при строительстве города и туннелей, а также толстый слой поверхностной пыли, которая пойдет на производство бетона. Вероятно, в недрах Фобоса и Деймоса, сложенных из углистых хондритов, есть органические вещества, вода и кислород в связанном виде. Вместе с продуктами переработки они могут стать предметом экспорта.

Кроме транспортировки сырья и материалов на орбиты для космического строительства и снабжения энергией поселений на Фобосе и Деймосе, КЭ смогут запускать любые аппараты на орбиты вокруг Марса и Солнца. И даже ускорять или тормозить марсианские луны.

Под действием поперечных кориолисовых сил прямые КЭ отклоняются в сторону орбитального движения спутника, увеличивая его энергию за счет убывания ее у приближающихся к Марсу по конвейеру грузов. Обратные КЭ, отклоняясь в противоположную сторону, уменьшают его энергию и передают ее сбрасываемым с конвейера грузам. В первом случае расстояние спутника от Марса увеличивается, во втором — уменьшается. При одновременной работе обоих КЭ возможна взаимная компенсация.

Как известно, благодаря действию приливных сил Фобос постепенно приближается к планете по спирали, передавая ей часть своей энергии, что приводит к незначительному ускорению вращения Марса. С Деймосом обстоит наоборот. Чтобы расстояния спутников от Марса не менялись, следует лишь обеспечить преимущественную работу прямого КЭ на Фобосе и обратного — на Деймосе.

Посмотрим, что показывают расчеты. Допустим, на Фобосе прямой и обратный КЭ имеют одинаковую длину — 500 км. Чтобы удалить спутник от Марса (или приблизить к нему), скажем, на 1 км, нужно перевести на орбиты 5,1 млрд т материалов по прямому конвейеру или 4,8 — по обратному. При интенсивности работы каждого КЭ 100 кг/с Фобос станет удаляться от Марса со скоростью 62 см в год благодаря работе прямого конвейера или приближаться со скоростью 65 см в год благодаря работе обратного. Чтобы взаимно скомпенсировать эти процессы, прямой конвейер должен работать интенсивнее обратного всего в 1,05 раза. При этом электрогенератор прямого КЭ даст мощность до 1,5 МВт, обратного — до 1,4 МВт; энергия пойдет на нужды поселения. За 100 тыс. лет непрерывной работы обоих КЭ на орбиты будет доставлено 648 млрд т грузов, что составит 6,5% массы Фобоса.

Если прямой (нижний) КЭ дотянуть до поверхности Марса и связать с поездом-электростанцией или подвесным моторным вагоном, то его можно использовать для самотранспортировки грузов с Фобоса на Марс с одновременным получением даровой энергии. Возможен и самоподъем грузов по конвейеру в обратном направлении с Марса на Фобос (без особого двигателя), если их линейная плотность на поднимающейся стороне конвейера меньше, чем на опускающейся.

Первым этапом сооружения КЭ будет создание привязных спутников (ПС) Фобоса и Деймоса. Аналогично конвейерам, ПС могут быть прямые и обратные, причем они обязательно должны располагаться выше точек Лагранжа L1 и L2, в которых сила тяжести равна нулю. Тросы ПС упростят запуск с поверхности Фобоса и Деймоса автоматических станций (АС) на эллиптические орбиты вокруг Марса или в другие районы Солнечной системы.

На Фобосе высота точек Лагранжа над его поверхностью составляет 5 км, на Деймосе — 16,7 км. Минимальная удельная работа по подъему туда какого-либо тела равна 8,1 Дж/кг и 11,4 Дж/кг соответственно.

По-видимому, все рассмотренные здесь космические системы заработают на Фобосе и Деймосе на разных этапах освоения этих спутников. Их создание — дело XXI века, который уже близок. А первый шаг в этом направлении будет сделан в этом году, когда с Байконура стартуют космические аппараты международной программы «Фобос».