Желательно смотреть с разрешением 1280 Х 800

Сканировал Игорь Степикин


Окно в будущее

Владимир БЕЛЕЦКИЙ, доктор физико-математических наук,
Евгений ЛЕВИН, кандидат физико-математических наук
Тысяча и один вариант «космического лифта»

---

---

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Хорошая идея не умирает. Даже в том случае, если ей суждено было появиться преждевременно, она обязательно возрождается во второй раз. А то и в третий, в четвертый... Идеи использовать тросы в транспортных и иных космических системах насчитывают уже, по меньшей мере, три поколения.

Почти сто лет назад, в 1895 году, К. Э. Циолковский в своих «Грезах о Земле и небе» описал космический корабль с искусственной тяжестью. Аппарат соединялся цепью с противовесом, система приводилась во вращение вокруг общего центра масс.

Немногим позже, в 1910 году, Ф. А. Цандер придумал и рассчитал лунный «космический лифт» — трос, протянутый с поверхности Луны в сторону Земли за коллинеарную точку либрации L₁ (она находится на одной прямой с центрами масс этих небесных тел, и равнодействующая гравитационных и центробежных сил в ней равна нулю) на расстояние более 60 тыс. км и удерживаемый от падения на поверхность Луны притяжением Земли. К сожалению, выбрав для расчетов характеристики стали, производимой в то время, автор пришел к выводу о нереальности этой идеи и «похоронил» ее. (Заметим, лифт переменного сечения, увеличивающегося по мере удаления от поверхности планеты, можно сделать из любого материала, хоть из бумаги, но потребуется непомерно много материала.)

И уже на заре космической эры, в 1960 году, ленинградский инженер Юрий Арцутанов пришел в редакцию «Комсомольской правды» с описанием и расчетом нового, на сей раз земного «космического лифта» — троса, протянутого от поверхности Земли за геостационарную орбиту на расстояние более 36 тыс. км и растягиваемого центробежными силами. По признанию Арцутанова, он и не надеялся на опубликование своей «сумасшедшей идеи», но статья «В космос — на электровозе» вскоре увидела свет (В 1969 году Ю. Арцутанов понял, что не обязательно привязывать «лифт» к земной поверхности. Можно так подобрать соотношение орбитального движения и вращения связки двух спутников вокруг центра масс, чтобы в какой-то момент нижний спутник «завис» на короткое время у самой поверхности Земли, забрал груз и затем вывел его на орбиту. Повторно изобретенная в 1975 году американцем Гансом Моравеком, эта система получила название «несинхронный космический лифт»..)

В ту пору за океаном «Комсомольскую правду», видимо, читали не все. В 1966 году в журнале «Nature» появилось повторное, независимое описание «земного лифта», представленное американцем Джоном Айзексом и соавторами.

До поры до времени, однако, практический интерес к подобным идеям проявляли только писатели-фантасты. Так, в 1978 году Артур Кларк написал о «космическом лифте» получивший широкую известность роман «Фонтаны рая» (в «ТМ» он был опубликован в 1980 году). Кларк пытался примирить захватывающий воображение проект с реальностью. Ему принадлежит идея «полулифта» — - протянутого из-за геостационарной орбиты не до самой поверхности Земли, а лишь на половину расстояния. Но и такое техническое решение было слишком грандиозно для начала космической эры.

Напротив, тросовые связки быстро получили «прописку» в космосе. Для замедления вращения вокруг центра масс со спутников отпускали привязанные грузы (американский «Транзит IB», 1960 год), выходящие из корабля космонавты страховались тросами (А. Леонов в 1965 году, американские космонавты в 1966 году), в 1966 году корабли НАСА «Джемини-11» и «Джемини-12» связывались тросами длиной 30 м со специальной ракетной ступенью «Аджена». В последние годы жизни С. П. Королев, по словам работавших с ним инженеров, задумал осуществить эксперимент с вращающейся связкой, но этим намерениям не суждено было сбыться...

70-е годы принесли целый каскад новых идей. Среди них особо следует выделить две. Марио Гросси из Смитсонианской астрофизической обсерватории (САО) при Гарвардском университете предложил использовать длинный проводящий трос в космосе как антенну для связи на сверхнизких частотах. В 1974 году блестящий небесный механик Джузеппе Коломбо с другими сотрудниками САО разработал концепцию привязного зонда - небольшого аппарата, спускаемого с орбитального самолета на тросе длиной 100 км. Расчеты показали реальность технического воплощения замысла, и работа закипела. Первые три полета с привязным субспутником планировались на 1987 — 1990 годы, но после аварии «Челенджера» программа была отложена на четыре года...

В 1983 году Иван Бекей, руководитель ряда перспективных исследований НАСА, собрал в Вилльямсбурге (штат Вирджиния) рабочее совещание по тросам в космосе, Видимо, «критическая масса» на этой встрече была достигнута. В результате — взрыв новых идей, многие из которых оказались исключительно плодотворными. Теперь, на рубеже 90-х годов, не приходится сомневаться, что мы имеем дело с новой тросовой космической технологией.

СВЕРХДЛИННЫЕ ТРОСЫ И НЕУЯЗВИМЫЕ ЛЕНТЫ

Рис. 1. Области допустимых значений длин и сечений тросов в околоземном космическом пространстве. Рис. 2. Тросовая система для зондирования верхних слоев атмосферы. Рис. 3. Схема расстыковки при помощи троса (без затрат топлива!) орбитального самолета и космической станции. l - длина троса. Пунктиром показана орбита на момент расстыковки, сплошными линиями - орбиты после расстыковки.

Если бы Цандер в своих расчетах использовал характеристики производимых сегодня синтетических волокон, его оценка «лунного лифта» не была бы столь пессимистичной.

Как известно, чем прочнее и легче волокна троса, тем больше его разрывная длина. Так, стальная проволока, если ее подвесить над поверхностью Земли, разрывается уже при длине 20 — 50 км, углеродные волокна — 100 — 140 км, волокна кевлар — около 200 км, кварцевая нить — 280 км. Но в действительности и 280 км не предел.

Представим трос, свисающий вертикально со спутника на круговой орбите. Натяжение такого троса определяется не полной силой тяжести, как у поверхности Земли, а лишь «микротяжестью» — разностью между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите. Ускорение «микротяжести» неодинаково для разных точек троса: оно тем больше, чем больше отличается радиус орбиты данной точки от радиуса орбиты спутника. На низких орбитах «микротяжесть» на конце троса длиной 20 км составляет 0,9% от тяжести, а на конце стокилометрового троса — 4,5%.

Следовательно, максимальное натяжение намного меньше полного веса троса. Поэтому его разрывная длина на орбите существенно превосходит разрывную длину у Земли. Так, на низких орбитах для стальной проволоки это 300 — 500 км, для углеродных волокон — 700 — 800 км, для волокна кевлар — около 1000 км, для кварцевой нити — 1200 км.

В общем-то, Дж. Коломбо поскромничал, выбрав трос длиной «всего» 100 км. Такая протяженность не испугает даже самых придирчивых перестраховщиков. С «лунным лифтом» Цандера будет, конечно, посложнее. Но из материала, сравнимого по прочности с кварцевой нитью, его уже можно сделать постоянным в сечении. А вот чтобы соорудить таким «земной лифт», потребуется «суперпроволока», достигающая такой прочности, которая теоретически ожидается у алмаза с идеальной кристаллической решеткой.

Надо сказать, что в космосе у длинных тросов есть безжалостный враг — микрометеориты. Круглый трос диаметром 2 мм и длиной 100 км представляет собой мишень с поверхностью около 60 кв. м. Хотя иные космические аппараты имеют значительно большую поверхность, опасность для троса неизмеримо выше. Ведь чтобы перебить одно или несколько его волокон, достаточно тех малых «песчинок», которые не страшны космическому кораблю. А чем мельче микрометеориты, тем мощнее их потоки в космическом пространстве.

На рисунке 1 по осям отложены площадь сечения и длина троса. В темно-зеленой области «время жизни» тросов (то есть среднее ожидаемое время до первого угрожающего разрывом повреждения от микрометеоритов) превосходит год. Точка 1 соответствует тросам, использованным в связках «Джемини — Аджена» в 1966 году, точка 2 — тросам в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами в 1981 — 1983 годах (были и такие), а область 3 — тросам для планируемых полетов американского орбитального самолета с привязным субспутником.

Трос, изготовленный для первого полета, представляет собой целое инженерное сооружение. В середину уложен легкий направляющий жгут из волокон номекс. На нем медная оплетка, по которой будет протекать электрический ток, и накладывается изоляция из тефлона. В следующем слое располагаются высокопрочные волокна кевлар, которые будут нести основную механическую нагрузку. Сверху — «рубашка» из номекса, устойчивого к действию ультрафиолетового излучения.

Время жизни этого троса оценивается в несколько лет. Хуже обстоит дело со вторым 100-километровым тросом, он может прожить лишь несколько месяцев. Но летать ему предстоит всего около суток. Так что, надо полагать, выживет.

А вот трос, связующий поверхность Луны с космической станцией, расположенной в окрестности коллинеарной точки либрации L₁ или L₂ (область 4), не попадает в область выживания. Но и тут можно найти выход. Вместо связующей, имеющей круглое сечение, взять плоскую ленту. Микрометеориты будут прошивать ее не обрывая. В красной области на рисунке 1 тросы не выдерживают даже короткое время, а ленты толщиной 0,01 мм просуществуют не менее года.

Кстати, «Джемини» и «Аджена» соединялись именно лентой, хотя с точки зрения метеорной опасности в этом не было нужды. Ну, а в «Фонтанах рая», напомним, строительство лифта начинается с укладки каркаса из четырех лент. Судя по описанию, они должны попадать в область 4 на рисунке 1. Интуиция не подвела А. Кларка.

ЭТА СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ МИКРОТЯЖЕСТЬ

Выведенная в космос связка двух космических аппаратов натягивается микротяжестью. Равновесное состояние существует только в центре масс связки, где сила притяжения в точности уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки, если она расположена не горизонтально, притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего тела, наоборот, центробежная сила преобладает, и его тянет вверх.

Только в том случае, когда связка принимает вертикальное положение, силы уравновешиваются. Из любого наклонного положения они будут возвращать связку к вертикали. На орбите это явление принято называть гравитационной стабилизацией. Хотя, если быть точным, надо говорить о гравитационно-центробежной стабилизации. Приращение гравитационной силы, вызванное удалением от центра масс, дает две трети вклада в микротяжесть, оставшаяся треть приходится на долю центробежной силы.

В 1985 году Дж. Пирсон придумал привязной парус, который спускается с орбитального самолета в верхние слои атмосферы. По замыслу автора, с его помощью можно не только тормозить, но и ходить галсами.

В режиме гравитационной стабилизации двигалась связка «Джемини-12» с ракетной ступенью «Аджена» в 1966 году. Ну а если на низкой орбите две космические платформы со сравнимыми массами соединить тросом длиной, скажем, 40 км, то их экипажи будут жить и работать а условиях микротяжести, составляющей примерно 1% силы притяжения на Земле. У них не будет плавающих предметов, которые мы привыкли видеть в телерепортажах с орбиты. Будет пол и будет потолок. Выпущенный из рук предмет за 15 — 20 с опустится на пол. Ускользнувшая капля жидкости не будет бесцельно блуждать от стены к стене. Да и вестибулярный аппарат человека получит свой привычный, хотя и очень слабый, ориентир верх — низ.

Забавно, что, с точки зрения земного наблюдателя, на верхней платформе пол будет сверху, а потолок — снизу, поскольку микротяжесть там действует в обратную сторону. На нижней платформе все будет как положено.

В условиях микротяжести будет действовать закон сообщающихся сосудов. Для него все равно какая тяжесть — большая или маленькая. Главное, чтобы она была. Открыл кран — и жидкость потекла «вниз». То есть на тот уровень, где потенциальная энергия в поле микротяжести меньше.

На этом основана идея создания космических заправочных станций, в которых резервуар с топливом вынесен на достаточное расстояние на тросе. Из такой емкости можно заправиться, просто открыв вентиль, а не искать хитроумные способы для перемещения жидкости в условиях невесомости, когда силы поверхностного натяжения упрямо разрывают ее на тысячи капель. Длина троса, правда, должна быть такова, чтобы обеспечивать достаточный уровень микрогравитации для преодоления поверхностного натяжения в подающих топливо трубках. Для разных топлив минимальная длина троса составляет от 30 м до 1,2 км.

ТРОС-ДИНАМО

С помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты (они запланированы на первый полет американского орбитального самолета с привязным спутником в 1991 году).

Как же они будут происходить? Грузовой отсек орбитального самолета открыт. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 м. Субспутник на тросе выпушен 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 меньше будет аэродинамическое торможение, поскольку плотность воздуха там меньше.

В 1984 году родилась идея лунного «несинхронного лифта». Он образуется связкой двух тел, которая вращается вокруг своего центра масс и движется по орбите так, что в точке максимального приближения к Луне нижнее тело зависает над ее поверхностью (совпадают линейные спорости) и может принять груз. П. Пенза и X. Майер предложили совершить облет вокруг астероида при помощи троса. По их идее с пролетающего космического аппарата выстреливается гарпун, который внедряется в поверхность астероида. Заякоренный таким образом спутник разворачивается, обрезает трос и уносится дальше, оставляя гарпун небесному телу на память о своем визите. Из связанных спутников можно образовывать целые «созвездия». В них вертикальные тросы натягиваются за счет микротяжести, а горизонтальные - за счет должным образом, подобранной разности сил аэродинамического торможения спутников. «Космический эскалатор» состоит из нескольких вертикальных связок. Груз сначала доставляется на нижнее тело первой, подымается вдоль троса, затем в момент сближения перемещается на нижнее тело второй, подымается вдоль ее троса и т. п.

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.

В качестве контакторов предлагается использовать полые катоды. Они хорошо зарекомендовали себя (в расчете на тросовую систему) в диапазоне токов от 0,1 до 40 А. Конечно, сам трос должен быть покрыт изоляцией, чтобы предотвратить стекание заряда по всей его поверхности.

Возникающее в плазме неравновесное распределение заряда породит глобальные ионосферные токи, которые и замкнут электрический контур. Это показывают расчеты и косвенно — некоторые земные эксперименты.

Ну хорошо. Ток по тросу пустили. И... получили электрическую машину. Как известно, на проводник со стороны магнитного поля действует сила Ампера. Кроме того, трос пересекает магнитные линии, и в нем по законам электродинамики наводится ЭДС индукции. У небесного динамо два режима — тяги и генерации. В первом бортовая электроустановка совершает работу против ЭДС индукции, действующая на трос Амперова сила ускоряет орбитальное движение. В результате производимая на борту электроэнергия переходит в механическую орбитального движения. В режиме генерации — наоборот. ЭДС совершает полезную работу в бортовой электросистеме, а Амперова сила тормозит орбитальное движение. Электричество на борту вырабатывается из механической энергии орбитального движения.

Геомагнитная индукция относительно невелика. Зато скорость движения — космическая, да и длина троса немалая. Произведение этих трех величин дает очень большие значения ЭДС индукции. Так, в тросе длиной 20 км на низкой орбите индуцируется около 4 кВ! При вполне реальном токе в 10 А мощность тросового генератора достигнет 40 Квт. Огромная прибавка в бортовом электропитании!

Выгодно комбинировать режимы тяги и генерации. При входе в тень Земли солнечные батареи перестают вырабатывать энергию. В этот период можно включить тросовый генератор. На освещенной стороне можно переключиться в режим тяги и восполнить потери энергии орбитального движения в тени. КПД перевода механической энергии в электрическую и обратно при таких операциях оценивается очень высоко — 90 — 95%.

Не менее важно и то, что, пропуская по тросу ток, можно постепенно изменить все элементы орбиты без затрат химического топлива.

Чем больше ток в тросе, тем больше сила тяги или мощность генерации. Однако есть предел ее роста, определяется он не столько электрическими характеристиками системы, сколько ее динамическими свойствами. Оказывается, если ток превосходит некоторое критическое значение, система начинает сильно раскачиваться Амперовыми силами. Наступает электромагнитный флаттер. Последствия его опасны: раскачавшийся трос ослабляется, и движение становится неуправляемым. Так что не стоит переступать эту черту.

ВЫСОТНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА

Идея Дж. Коломбо о зондировании атмосферы с помощью привязного спутника за последнее время также заметно обогатилась.

На рисунке 2 показано расположение элементов тросовой системы при зондировании. Орбитальный самолет движется на высоте около 220 км грузовым отсеком вниз. Через приемную штангу трос уходит от него к шаровому зонду до высоты около 120 км. Сопротивление воздуха отклоняет трос с зондом назад. Ориентация последнего обеспечивается парой аэродинамических стабилизаторов.

Зачем вообще нужно зондирование? Дело в том, что атмосфера на высотах 50 — 150 км недоступна для непосредственного исследования. Для самолетов эти слои слишком разрежены, для спутников — слишком плотны. Метеорологические ракеты могут находиться в них считанные минуты. А полет привязного зонда длится много часов.

Только с помощью зонда в натурных условиях можно изучать аэродинамические характеристики перспективных моделей спускаемых космических аппаратов. Недаром поэтому описанную систему называют еще высотной аэродинамической трубой.

Ну, и само собой разумеется, с низколетающего привязного зонда можно получать снимки земной поверхности с лучшим разрешением. Можно делать стереоскопические снимки, когда одно изображение получается с зонда, а другое — с орбитального самолета.

Во всех случаях возникает естественное желание «зарыться» поглубже в атмосферу. Но и здесь природа установила естественный предел. Непреодолимый барьер находится на высоте около 110 км. При погружении ниже этого уровня система начинает сильно раскачиваться аэродинамическими силами. На этот раз мы имеем дело с аэродинамическим флаттером, который не менее опасен, чем электромагнитный.

Привязной атмосферный зонд будет, вероятно, испытан во время второго полета американского орбитального самолета с тросом за бортом.

КОСМИЧЕСКИЕ ПРАЩИ

Чем так привлекателен «космический лифт» Ю. Арцутанова? Да тем, что не надо жечь и выбрасывать в пространство огромные количества топлива. Сел — и поехал в космос. На электровозе подходящей конструкции.

Оказывается, не только грандиозный «земной лифт» позволяет перемещать тела в космическом пространстве без шума и гари, но и тросы относительно скромной длины. С их помощью можно образовывать временные связки спутников и изменять их орбиты, передавая без потерь энергию и момент количества движения от одного космического аппарата к другому.

Представим, что орбитальный самолет доставил грузы на станцию и собирается возвращаться. В традиционном варианте после расстыковки он должен сжечь и выбросить в пространство изрядное количество топлива. Затратить энергию, чтобы уменьшить ту энергию, которая такой дорогой ценой досталась при запуске! Мягко говоря, нерационально.

Рассмотрим теперь тросовый вариант. После расстыковки орбитальный самолет остается связанным со станцией. Трос разматывается. Орбитальный самолет под действием микротяжести уходит вниз, а станция — вверх от общего центра масс. Образуется вертикальная связка, как на рисунке 2. Этот процесс не требует затрат энергии. Наоборот, притормаживая развертывание, можно заставить микротяжесть совершить еще и полезную работу.

Если теперь эту связку расцепить, то точка расцепки станет для орбитального самолета апогеем (высшей точкой) его новой орбиты, а для станции — перигеем (низшей точкой) новой орбиты (рис. 3, пунктиром показана орбита на момент расстыковки). В результате этого маневра, на который не было затрачено ни грамма топлива, орбитальный самолет пойдет на посадку, а станция будет переведена на более высокую орбиту, что очень важно, поскольку станция постепенно теряет высоту из-за аэродинамического торможения.

Через полвитка после расцепки разность высот двух аппаратов, образовавших ранее связку, составит от 7 до 14 длин троса. При длине троса 50 км это будет 350 — 700 км! (Минимальное значение получается при расцепке в состоянии вертикального равновесия.)

Как же удается убить двух зайцев, да еще и без выстрелов? Все по законам механики. Отобрали лишнюю энергию у орбитального самолета и отдали ее станции. А бескорыстным посредником в этом обмене был трос.

Можно пойти дальше. Не заставлять орбитальный самолет добираться до орбиты станции, а спустить со станции ему навстречу привязной стыковочный узел. После стыковки орбитальный самолет образует со станцией вертикальную связку. Дальше есть два варианта. Либо самолет подтягивается к станции для разгрузки, а затем спускается обратно на тросе и отстыковывается. Либо он оставляет груз на стыковочном узле, который затем поднимается на станцию. В обоих случаях экономится много топлива.

Спутник, доставляемый на орбиту в грузовом отсеке орбитального самолета, может быть затем запущен на более высокую орбиту с помощью троса. В свою очередь, орбитальный самолет при запуске может не сбрасывать, а спускать на тросе отработанный топливный бак, отбирая часть его энергии. И так далее...

ГИРЛЯНДА НА ФОБОСЕ

Когда готовилась экспедиция к Фобосу, предлагалось выбросить с посадочного аппарата несколько электрических датчиков для изучения магнитосферы Марса. Их следовало соединить довольно тонкими тросиками общей длиной порядка 50 — 60 км. (Эти тросики попадали в светло-зеленую область на рис. 1, и должны были быть исполнены в виде ленточек.)

Фобос — малая планета диаметром около 20 км. Его гравитационное поле очень слабое, и коллинеарные точки либрации L₁ и L₂ находятся всего в нескольких километрах от поверхности. Достаточно было бы вытолкнуть датчики со скоростью 3 — 4 м/с, чтобы они ушли за точку либрации и попали в область преобладания центробежных сил.

Красиво, наверное, выглядел бы Фобос с такой гирляндой. К тому же это была бы первая ласточка из благородного семейства титанов — космических лифтов. Но — не судьба. Гирлянда на посадочный аппарат не попала, а сам аппарат не попал на Фобос...

ХОЧЕШЬ УДЕРЖАТЬ — ОТПУСТИ

Всем известно, что спутник, запущенный в ньютоновском поле на орбиту, будет двигаться по ней вечно (при отсутствии сопротивления среды). А если запустить много спутников на одну орбиту и зацепить их друг за друга тросами... Знаете, что произойдет? Рухнут на притягивающее тело. И очень скоро. Начнут вести себя как хула-хуп — обруч, закрученный вокруг талии гимнастки, то есть «обкатывать» одним краем планету, вокруг которой они вращаются. А причиной тому — все та же микротяжесть, которая для сегментов кольца, оказавшегося ближе к оси вращения, будет направлена к центру масс системы, для более удаленных же — в противоположную сторону.

Чтобы спасти спутниковое кольцо, надо подумать о свойствах его природных аналогов — метеорных колец. Они тоже состоят из отдельных частиц, летящих друг за другом примерно по одной орбите и сдерживаемых невидимыми нитями — силами гравитационного притяжения. Только нити эти необычные: при «растягивании» их «натяжение» падает, поскольку гравитационное притяжение уменьшается с увеличением расстояния.

Скопируем это природное свойство метеорных колец. Дадим тросам возможность втягиваться на спутники и выпускаться обратно. Будем регулировать их натяжение, уменьшая его при удалении одного спутника от другого и увеличивая при сближении спутников. И кольцо станет устойчивым. Воистину: хочешь удержать — отпусти.

Кто знает, может, когда-нибудь такие кольца украсят Солнечную систему...