Станислав Славин - 100 великих тайн космонавтики
Дальнейший ход эксперимента видится его инициаторам таким. В космос, на высоту около 200 км, одновременно, одной ракетой, будут запущены сразу пять спутников. Их задача — растянуть в космосе сеть, на которой можно бы было смонтировать солнечные батареи или натянуть зеркальную пленку.
Основной спутник строго одновременно отстреливает четыре дочерних. За ними и тянутся углы сети, которая таким образом должна образовать некий четырехугольник с основным спутником в центре. Тут очень важна синхронность отстрела путников, иначе сеть может провиснуть, перекрутиться и т. д. После того как сеть будет развернута, по ней должны побежать роботы-насекомые, растягивая по сети тончайшую пленку.
В случае удачных испытаний можно будет подумать и о создании как стационарных электростанций на земной орбите, так и о возможности применения орбитальных зеркал в перечисленных выше целях.
Спутник на тросе
Более 100 лет тому назад К. Э. Циолковский, описывая в своих «Грезах о Земле и небе» прототип конструкции орбитальной станции с искусственной тяжестью, полагал, что обеспечить ее можно вращением аппарата. Причем лучше, если вращение это будет осуществляться не вокруг собственной оси, а вокруг общего центра масс системы «аппарат — противовес», соединенной цепью.
Систему, как мы знаем, практически не воссоздали и по сей день. Однако она послужила отправной точкой для дальнейших рассуждений. В 1910 году Ф. А. Цандер рассчитал конструкцию лунного «космического лифта». Трос, протянутый с Луны в сторону Земли, должен был обеспечить функционирование космического лифта, способного переправлять грузы с Луны на Землю и обратно.
«Джемини-11» готовится к полету
Однако за неимением лучшего материала Цандер провел расчеты по сопромату с лучшими в то время сортами стали и… был разочарован — трос оказался не способен выдержать и собственную тяжесть. Однако, во-первых, он не учел, что такой трос можно делать переменного диаметра — чем дальше от планеты, тем толще; а во-вторых, возможность появления новых, куда более прочных и легких материалов.
Все это учел в своей разработке ленинградский инженер Юрий Арцутанов. В 1960 году он предоставил редакции «Комсомольской правды» описание и расчеты нового космического лифта. Статья «В космос на электровозе» была напечатана, вызвала большой общественный резонанс в нашей стране.
А вот за океаном «Комсомолку», по-видимому, читали далеко не все. И в 1966 году в журнале «Нейчур» появилось подробное описание подобной конструкции, принадлежащее перу американца Джона Айзекса и его соавторов.
Правда, до поры до времени интерес к подобным конструкциям проявляли разве что писатели-фантасты. Так, скажем, всем известный Артур Кларк использовал идею космического лифта в своем романе «Фонтаны рая», написанном в середине 70-х годов. Причем сам автор подошел к чужим идеям достаточно творчески. Будучи инженером по образованию, Кларк понял и доказал теоретически, что трос вовсе не обязательно тянуть с Земли до самой Луны. Достаточно протянуть его лишь на половину расстояния, и он все равно будет натянут центробежными силами вращения планеты настолько, что по нему можно будет пускать кабины с грузами для околоземной орбиты.
Нашел он и подходящий материал для такого троса — кевлар, прочнейшее по тому времени волокно на Земле. Правда, даже в этом случае рассчитывать на скорейшее претворение такого грандиозного проекта в жизнь рассчитывать не приходится. Двигаться приходится шаг за шагом.
Пожалуй, первым опытом использовании тросовой связки на практике в космосе был эксперимент, проведенный в 1960 году на американском спутнике «Транзит-1В». Вспомните, как фигурист на льду может менять скорость вращения вокруг собственной оси, то раскидывая руки, то прижимая их к груди. Аналогичным образом, выбросив на тросе груз, удалось замедлить и вращение спутника вокруг продольной оси.
В 1966 году космические корабли «Джемени-11» и «Джемени-12» связывались тросами длиной по 30 м с ракетной ступенью «Анджена». Так, впервые в мировой практике в космосе был создан первый орбитальный комплекс. Аналогичный эксперимент планировал в последние годы жизни и С. П. Королев, но не успел…
Восемь лет спустя научный сотрудник Смитсоновской астрофизической лаборатории при Гарвардском университете (США) Джузеппе Коломбо разработал концепцию привязного зонда. Со спутника или космического корабля, летящего в безвоздушном пространстве, можно спускать вниз на тросе зонды для исследования верхних слоев атмосферы или камеры для фотографирования земной поверхности в более крупном масштабе. Если просто запустить спутник на столь низкую орбиту, он тут же затормозится о верхние слои атмосферы, опустится еще ниже и вскоре сгорит…
Впрочем, как показали дальнейшие расчеты, тросовые системы можно использовать не только для стабилизации полета зонда на определенной высоте. Как уже говорилось, в 1966 году в космосе соединялись тросами корабли «Джемени» с ракетной ступенью «Анджена». При этом выяснилось, что соединение двух и более небесных тел приводит к их стабилизации друг относительно друга растянутым тросом, занимающим вертикальное положение. Так происходит вот почему.
Равновесное состояние существует только в центре масс связки, где сила притяжения в точности уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего тела, наоборот, преобладает центробежная сила, и его тянет вверх. Таким образом, система уравновешивается, когда трос принимает положение на прямой, проходящей через верхнюю точку системы и центр Земли. Любое другое положение оказывается неустойчивым, и система в конце концов обязательно стабилизируется именно таким образом.
Причем расчет показывает: если соединить две примерно одинаковые по массе платформы достаточно длинным (до 40 км) тросом, то экипажи внутри модулей смогут уже отличать вверх от низа. Вместо безразличной невесомости у них появится микрогравитация, составляющая примерно 1 % от земной. Конечно, величина эта небольшая, но уже достаточная, чтобы предметы перестали плавать по кабине, проявились понятия «пол» и «потолок».
Причем интересно, что, с точки зрения наземного наблюдателя, обитатели верхней платформы будут существовать «вверх ногами», пол у них будет выше потолка, поскольку там микротяжесть действует в обратную сторону. На нижней же платформе капля воды из стакана медленно, но верно будет опускаться к Земле.
Расчеты расчетами, но как дела с тросовыми системами обстоят на практике? Чтобы ответить на этот вопрос, в марте 1996 года на борту космического шаттла «Колумбия» был проведен эксперимент, который не привлек особого внимания средств массовой информации. Во-первых, наверное, потому, что выполнялся он по заказу не только НАСА, но и NRO — Национального управления военно-космической разведки. Во-вторых, из-за того, что похвалиться его стопроцентным исполнением астронавты никак не могли. В самый ответственный момент оборвался трос, соединявший два небесных тела, и одно из них было потеряно безвозвратно.
Тем не менее на том американцы не остановились, продолжив эксперименты с помощью космического аппарата TiPS, выведенного на орбиту 20 июня 1996 года. Запуск его, кроме прочего, был использован и для того, чтобы убедиться в принципиальной возможности получения электроэнергии в космосе с помощью тросовых систем.
Дело в том, что по мере того, как два тела расходятся друг от друга на околоземной орбите, между ними возникает электрический потенциал за счет того, что оба тела находятся на разных высотах в ионосфере Земли. И на них в единицу времени падают неравные потоки заряженных частиц ионосферной плазмы. И тем самым доставляют на их поверхность отрицательные заряды разной величины.
Как показал эксперимент, таким образом удалось получить силу тока 0,5 А при напряжении 3500 В. Вероятно, результаты были бы еще внушительнее, если бы 20-километровый трос не оборвался. Эксперимент пришлось прервать.
Тем не менее этот и другие опыты с тросовыми системами показали, что с их помощью можно решать в космосе не только транспортные, но и энергетические проблемы.
Серьезные разработки по этой части есть и у наших специалистов, в частности в ракетно-космической корпорации «Энергия». Реализация одного из проектов была намечена на вторую половину 90-х годов. Мы готовились соединить станцию «Мир» и корабль «Прогресс» 20-километровым тросом из синтетического волокна. Планировалось после недельного полета разделить связку. Корабль перешел бы на более низкую орбиту, а станция — на более высокую. В следующем эксперименте длину троса должны были увеличить до 50 км. Но, к сожалению, из-за нехватки средств осуществить свои задумки конструкторы до сих пор не смогли.
