Обитаемые космические станции как искусственные спутники Земли будут двигаться по орбитам вне атмосферы Земли. В связи с этим все научные и технические задачи, которые будут решать околоземные орбитальные станции, можно условно разбить на три основные группы. К первой группе относятся такие задачи, при выполнении которых взоры обитателей ОКС будут направлены в сторону Земли. Имеются в виду исследования, связанные непосредственно с Землей и ее атмосферой, т. е. геофизические и метеорологические наблюдения, глобальная радио- и телесвязь, морская и воздушная навигация и т. д. Некоторые из этих исследований могут проводиться и с помощью наземных средств или исследовательских ракет и спутников с автоматической аппаратурой. Обитаемые космические станции расширят возможности и масштабы в решении этих «земных» задач. Научная космическая лаборатория сможет заменить десятки наземных обсерваторий или научных экспедиций и множество метеостанций. В некоторых случаях точные измерения, проводимые в космосе с помощью ОКС, будут значительно дешевле, чем такие же измерения, проведенные наземными средствами! Да и точность этих измерений повысится. Орбитальной научной станции могут оказаться под силу и такие технические задачи или исследовательские эксперименты, которые совершенно недоступны другим наземным средствам или исследовательским ракетам, запускаемым с Земли.

Вторая группа задач связана с использованием тех специфических условий, в которых находится орбитальная лаборатория, — глубокий вакуум и очень высокая прозрачность окружающей среды, невесомость, интенсивная солнечная и космическая радиация. Воссоздание этих факторов на Земле даже по отдельности довольно сложно, а некоторых из них, например постоянной, динамической невесомости, просто невозможно. Космической научно-исследовательской лаборатории будет доступен весь комплекс этих факторов,

К третьей группе относятся задачи, которые решают спутники и ОКС, выступая в роли связующего звена между Землей и другими планетами. Двигаясь по орбите вокруг Земли, обитаемая станция сможет облегчить решение сложных проблем полета космических кораблей-путешественников и подготовки экипажей для полетов на другие планеты солнечной системы.

Рассмотрим более конкретно некоторые проблемы, которые могут интересовать ученых в ближайшем или недалеком будущем и которые могут решаться с помощью орбитальных станций.

 

ФИЗИКА ЗЕМЛИ И КОСМОСА

Земля — это не только поверхность и вся масса нашей планеты. Атмосфера — эта гигантская воздушная оболочка земного шара — тоже Земля. И космос вокруг нас на многие сотни и даже тысячи километров для ученых — тоже Земля. Правда, до сих пор идут споры о том, где истинная граница Земли, где граница атмосферы, где кончается околоземной космос. И споры эти едва ли кончатся скоро — ведь все зависит от тех свойств, по которым будут определять границу атмосферы. По некоторым из них, например по возможности жизнедеятельности человека, атмосфера кончается на высоте 11–12 км, по другим, например по наличию молекул воздуха, границей атмосферы считают высоту 1000 км.

Так или иначе, но одна из древнейших наук — геофизика — распространяет свои владения далеко за пределы наших обычных представлений о планете Земля.

Основными разделами геофизики до сих пор считались физика Земли и физика атмосферы (метеорология). Физика Земли изучает происхождение, внутреннее строение планеты и различные процессы в ее массе и на ее поверхности (землетрясения, ледниковые явления и др.).

Как известно, главной задачей метеорологии является краткосрочное и дальнее прогнозирование погоды, а в будущем — изыскание методов воздействия на атмосферные явления, т. е. управление погодой. Но с выходом человека в космос целый ряд проблем, бывших ранее предметом теоретических исследований физики Земли, выделился в самостоятельный раздел геофизики — физику космоса. С помощью ракет, искусственных спутников и космических кораблей уже сейчас ведется обширное изучение свойств околоземного космоса, в том числе различных полей Земли — гравитационного, магнитного, радиационного и др. Но это только начало. Создание орбитальных космических станций позволит значительно расширить исследовательские работы по изучению околоземного пространства и космоса. Так, например, орбитальные лаборатории позволят получить постоянно меняющуюся картину распределения температур и давлений, а также химического состава газа на различных высотах. Будут продолжаться исследование распределения электронной концентрации с высотой и изучение концентрации положительных ионов в ионосфере, магнитные измерения в различных частях околоземного пространства.

Атмосфера, изолирующая Землю от воздействия космического пространства и «дающая» нам погоду, сама по себе не является чем-то застывшим. В ней непрерывно происходят различные процессы, зависящие не только от свойств поверхности Земли, но и от явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве, а также от деятельности Солнца.

Для космических полетов человека особенно важно знать распределение радиационных поясов вокруг Земли и изменение интенсивности первичного космического излучения, а также корпускулярного и коротковолнового излучения Солнца, которые влияют на состав верхних слоев атмосферы и процессы, происходящие в них. Для тех же целей необходимо постоянно исследовать потоки метеорных тел в околоземном пространстве и их состав.

До сих пор человек наблюдал за атмосферными процессами главным образом с поверхности Земли, т. е. как бы с одной стороны. Служба погоды охватывала огромные площади поверхности Земли с помощью густой сети метеорологических станций и сложной системы оповещения, обработки и передачи информации. Правда, с помощью высокогорных метеорологических станций, шаров-зондов, самолетов, а также с помощью прожекторных, звукометрических и радиометодов исследователи уже давно «заглядывают» внутрь атмосферы.

В последнее время на службу метеорологии пришли ракеты. Особенно широко исследования атмосферы с помощью ракет проводились во время Международного геофизического года (1957–1958 гг.), когда только в Советском Союзе было запущено более 100 геофизических и метеорологических ракет.

Однако геофизические ракеты не могут дать полного представления о состоянии верхних слоев атмосферы. Такая задача по плечу лишь космической технике. Космические лаборатории позволят глубоко изучить облачный покров Земли, исследовать образование и движение различных видов облаков, оценить степень покрытия ими поверхности Земли в зависимости от различных факторов, провести изучение поведения ветров на различных высотах. Здесь предстоит раскрыть еще много белых пятен, утвердить или отвергнуть многие научные гипотезы. Так, быть может, удастся проверить гипотезу, согласно которой микрометеориты и космическая пыль, постепенно оседая к поверхности Земли, играют роль центров конденсации (дождь) или кристаллизации (снег) в атмосфере.

Предельно повысить точность прогнозирования погоды — вот главная задача будущих ОКС — геофизических обсерваторий в космосе.

Каковы же методы геофизических и метеорологических исследований, которые могут быть применены на орбитальной космической станции?

Прежде всего наблюдение и фотографирование, в том числе в инфракрасных лучах земной поверхности и облачного покрова с высоты оpбиты спутника. Это даст возможность обнаружить зарождение дождей, гроз, снегопадов, ураганов, бурь и т. д., а также следить за их развитием и перемещением. Накопленный опыт поможет в дальнейшем понять причины образования циклонов.

Кстати, аэрофотосъемка с борта орбитальной станции, которую можно будет назвать космофотосъемкой, позволит постоянно расширять и уточнять картографию нашей планеты. Съемка может производиться с помощью не только фототехники, но и инфракрасной аппаратуры и радиолокаторов, которые позволят преодолевать облачный покров и довольно значительную непрозрачность атмосферы. Съемки из космоса дадут возможность быстро уточнять и дополнять геофизические карты в связи с возникновением новых городов, каналов, водохранилищ, железных дорог, автострад, мостов и других искусственных сооружений. Как известно, одной из задач геодезии является точное определение размеров и расстоянии на поверхности Земли. При этом обычно применяется старинный способ земных измерений — триангуляция. Этот метод, сущность которого сводится к построению воображаемых треугольников на поверхности Земли, довольно сложен и требует больших затрат. Космические средства могут существенно облегчить пользование этим методом, позволяя охватить всю поверхность Земли и значительно повысить точность измерений.

Главное в триангуляции — это точное знание координат, так называемых базисных линий. Измерять расстояния с помощью спутника Земли можно визированием его либо одновременно с двух базисных линий, проходящих через точки на границах измеряемого расстояния (рис. 2, а), либо независимо в разных точках орбиты (рис. 2, б). Второй метод не требует очень больших высот орбиты (до 1000 км) и позволяет вычислять расстояния с точностью в несколько раз большей, чем при одновременном фиксировании по первому методу.

Рис. 2. Использование космической станции для триангуляции поверхности Земли:

а — одновременный метод; б — орбитальный метод; 1 — положение станции на орбите; 2 — базовая линия; 3 — орбита)

Триангуляция поверхности Земли с помощью космических средств позволит получить точные расстояния между континентами и с большой точностью определить положение островов в океанах. Замеры из космоса могут дать точность измерений до 10–20 м [17], в то время как точность обычных способов всего лишь около 100 м.

Космические лаборатории окажут неоценимую услугу и геологам в изучении состава земной коры, неоднородности ее массы. Обследование гравитационных и магнитных аномалий поможет открыть новые залежи различных полезных ископаемых.

Научная космическая станция даст возможность ученым выяснить влияние на климат Земли процессов, происходящих в ледниках.

 

НИИ В КОСМОСЕ

Значение ОКС и тем более обитаемых станций как баз для научных исследований далеко не исчерпывается физикой Земли и космоса или метеорологией. Условия, в которых будет находиться орбитальная станция, позволят применить ее для других научных исследований.

Орбитальная станция — это прежде всего длительная невесомость, создать которую на Земле до сих пор практически не удалось, это глубокий вакуум, получение которого на Земле связано с большими трудностями, это большой перепад температур, огромная скорость движения, магнитные поля Земли и Солнца, неискаженное нижними слоями атмосферы действие космических излучений и солнечной радиации, воздействие микрометеоров и космической пыли. Воссоздание подобных факторов на Земле, особенно в комплексе, как мы уже говорили, связано с огромными, а подчас и непреодолимыми трудностями.

Сейчас еще трудно представить все достоинства ОКС как экспериментальной лаборатории для физиков. Вот лишь некоторые из ее возможностей.

Hа орбите легко можно получить температуру от -200 °C до +200 °C и притом совсем рядом, на открытой Солнцу и затененной сторонах космической станции (рядом жидкий кислород и пары воды!). Физикам понятно, что это значит. Взять хотя бы явление сверхпроводимости, изучение которого требует очень низких температур, или термоэлектрический эффект.

Верхние слои атмосферы насыщены частицами, несущимися из космоса с громадными энергиями — от нескольких миллиардов до миллиарда миллиардов электроновольт. Между тем самые крупные ускорители элементарных частиц разгоняют частицы лишь до скоростей, соответствующих нескольким десяткам миллиардов электроновольт. Снова физика. Снова космос ждет ученых.

Вакуум в космосе. Подобный ему на Земле можно получить лишь с помощью самых совершенных диффузионных и ионных вакуум-насосов, да и то в очень небольших объемах. Очевидно, что о размерах вакуумной камеры на борту ОКС говорить не приходится.

Взять хотя бы исследование взаимодействия солнечных излучений в далекой ультрафиолетовой части спектра с различными веществами. На Земле изучение этого явления ограничено размерами вакуумной трубки, в которой находится вещество. В космосе изучение этой проблемы свободно от подобных ограничений. Глубокий вакуум представляет интерес не только для физиков, но и для материаловедов. Как известно, при нормальных атмосферных условиях большинство металлов защищено с поверхности окисной пленкой, которая способствует, например, уменьшению коэффициентов трения металла по металлу. В условиях же глубокого вакуума окисная пленка не образуется и коэффициенты трения могут вырасти в несколько раз. Материаловеды могут исследовать также прочностные свойства металлов и развитие коррозии в глубоком вакууме.

Космическая лаборатория поможет проверить гипотезу о том, что в условиях космического полета, т. е. в невесомости, ускоряется рост кристаллов металлов и изменяется их структура. Это явление может быть интересно с точки зрения получения новых пьезоэлементов. Большое значение имеют и вопросы, связанные с воздействием космических излучений на материалы, интересные с точки зрения строительства будущих, космических кораблей. Как известно, такие исследования с кремнием, титаном, висмутом, магнием, никелем, железом, свинцом уже производились на американском спутнике «Дискаверер XXV».

Очень большие скорости потока, обтекающего орбитальную станцию в условиях разреженной среды и в широком диапазоне температур, открывают перспективы для экспериментаторов в области газовой динамики и тепло обмена. Представляет интерес, например, возможность в условиях невесомости полностью исключить явление передачи тепла свободной конвекцией и экспериментально изучить процессы кипения и конденсации паров различных веществ в условиях невесомости.

При помощи орбитальной станции успешно решается проблема использования солнечной энергии, 90 % которой отражается или поглощается атмосферой Земли. Использованию солнечной радиации для техники и научных исследований большое значение придавал Ф.Жолио-Кюри. В частности, он предлагал использовать энергию Солнца для массового фотосинтеза материалов, содержащих углерод, с помощью других веществ, аналогично тому как это происходит с хлорофиллом зеленых растений.

В принципе такая задача вполне может решаться на борту ОКС, ибо возможности получения солнечной энергии на ней практически почти не ограничены.

ОКС будет испытывать новые типы двигателей для космических кораблей. По мнению специалистов из американского национального комитета по аэронавтике и космическим полетам (NASA), испытания одного из таких типов двигателя, ионного, должны проводиться обязательно в условиях, близких к космическим, так как истечение струи рабочего тела такого двигателя должно происходить в глубокий вакуум. Эксперименты на орбите помогут провести техническую проверку конструкции ионного двигателя и решить целый ряд других важных проблем, например проблему радиосвязи в присутствии струи рабочего тела ионного двигателя. В иностранной печати встречаются также предложения об использовании орбитальной станции в качестве испытательного стенда для жидкостных и пороховых ракетных двигателей, предназначенных для верхних ступеней ракетоносителей [17].

Широко обсуждается вопрос о проверке с помощью орбитальных тел общей теории относительности.

Создание ОКС откроет большие перспективы и перед биологами. Проникнув в космос, они смогут полнее изучить влияние космической среды на живые организмы, в частности воздействие таких факторов, как ионизирующая радиация, невесомость, низкое атмосферное давление, колебания температуры, электромагнитные поля, необычный состав атмосферы. Важно изучить вопросы, связанные с приспособляемостью человека к тем условиям космического полета, которые нельзя устранить. Возможно, что удастся поставить опыты по определению генетических последствий первичной космической радиации и невесомости.

Биологов интересуют также проблемы существования за пределами Земли живых организмов, с которыми непосредственно связаны проблемы происхождения жизни и ее эволюции во Вселенной. Их разрешению помогут исследования в области органической химии, например химический анализ метеоров, спектроскопический анализ органических соединений Земли и других планет, а также исследования микробного содержания верхних слоев атмосферы.

Очень интересна проблема, связанная с изучением загрязнений атмосферы Земли и околоземного пространства различными веществами, вредными для существования жизни на Земле.

Заманчивой задачей является проверка гипотезы Циолковского о том, что в условиях невесомости все организмы, от самых простых до самых сложных, развиваются быстрее, чем в земных условиях. Требуют проверки предположения о положительном влиянии невесомости на некоторые сердечные и психические заболевания.

Все эти гипотезы можно будет подтвердить или отвергнуть лишь при создании длительно существующего на орбите «научно-исследовательского космического института».

 

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ

Расстояние от Земли до Солнца около 150 млн. км, а до ближайшей к нам звезды — более 30 триллионов км — расстояние, которое даже мысленно представить себе невозможно. Казалось бы, много ли выиграют астрономы, если их обсерватории поднять всего лишь на высоту орбиты космической станции, допустим на 500 или 300 км. Тем не менее выйти за пределы нижних слоев атмосферы — давняя мечта астрономов, служителей едва ли не самой древней из наук.

Дело в том, что атмосфера — надежный и верный щит для жителей Земли — мешает наблюдению небесных тел. Современные астрономические обсерватории с их гигантскими дорогостоящими телескопами — это безвозмездная дань земной атмосфере.

Для наблюдения за планетами и звездами удается использовать лишь небольшие участки электромагнитного спектра (рис. 3) — видимые световые лучи и ультракороткие радиоволны. На схеме видно, что только небольшая часть излучений достигает поверхности Земли. Остальные лучи, например ультрафиолетовые и инфракрасные, в значительной мере поглощаются атмосферой. Визуальному наблюдению небесных тел сильно мешают движение воздушных масс и колебания неравномерно нагретых плотных слоев воздуха, а также рассеивающая и отражательная способность атмосферы.

Рис. 3. Спектр космических излучений: 1 — оптический телескоп; 2 — радиотелескоп

Теперь представим себе обыкновенный телескоп на высоте нескольких сот километров. Эффект для качества астрономических наблюдений будет необыкновенный: исчезнут все помехи, связанные с атмосферой, резко возрастет длительность наблюдений, которая уже не будет зависеть ни от погоды, ни от движения воздушных масс. Наблюдения окажутся возможными почти во всем спектре электромагнитных излучений. Да и разрешающая способность обычных астрономических приборов за пределами атмосферы заметно повысится. С помощью обычного небольшого телескопа с высоты нескольких сот километров можно будет получить фотоснимки звезд и планет более четкие, чем с Земли с помощью громадного двухсотдюймового телескопа Паломарской обсерватории (США).

Вот почему взоры астрономов обращены в космос. Создание ОКС откроет для них огромные перспективы. Не только астрономы, но и астрофизики получат отличные условия для своих исследований. Уже первые спутники Земли дали астрофизикам новых сведений больше, чем их было получено за все предыдущие столетия.

Детальное изучение поверхности и структуры Солнца, Луны, Марса, Венеры, Юпитера и других планет, изучение происхождения солнечной системы, зарождения и развития галактики, происхождения и эволюции жизни на Земле — вот те проблемы, решить которые можно, лишь преодолев сопротивление атмосферы и выйдя на просторы космического пространства.

Астрономов-космонавтов ждет множество интересных исследований.

Солнце, как известно, подобно всем звездам, является почти cферической массой газa. Визуально наблюдая или фотографируя Солнце в широком диапазоне длин волн, можно видеть отчетливо очерченный диск с небольшими потемнениями — солнечными пятнами на поверхности. В области пятен температура значительно ниже и наблюдаются сильные магнитные поля.

Непосредственно с солнечными пятнами связаны явления возмущения в атмосфере Солнца, так называемые вспышки, на Солнце. Обитаемые космические станции позволят глубже изучить ультрафиолетовое и инфракрасное излучения вспышек и установить наличие тех или иных химических элементов на Солнце, о присутствии которых пока можно лишь предполагать.

Уже после запуска первых ракет и спутников, снабженных приборами для наблюдения за звездами и ночным небом, была зарегистрирована резко изменчивая радиация Солнца в ультрафиолетовой части спектра. Космические телескопы с линзами из фтористого лития (более прозрачные для ультрафиолетовых лучей, чем обычные линзы) позволят полнее изучить это явление. Не исключено, что и в других, пока еще недоступных областях солнечного спектра, будут открыты неожиданные явления, исследование которых с Земли невозможно. Точное прогнозирование вспышек на Солнце имеет большое значение, в частности, для обеспечения безопасности космических полетов.

Наблюдая планеты с борта ОКС, можно будет разглядеть многие детали на их поверхности, и в частности понять природу «каналов» Марса. Наблюдения в инфракрасном спектре расширят знания о поверхности и атмосфере планет. Изучение химического состава планет позволит проверить гипотезы о происхождении солнечной системы. Спектроскопические наблюдения Венеры и Марса должны дать ответ на вопрос, есть ли кислород и водяные пары в атмосфере этих планет.

Далекие звезды все еще таят много загадок для астрономов. Например, не все звезды имеют одинаковую температуру. Одни горячее, другие холоднее. Лишь часть электромагнитного излучения звезд можно наблюдать сквозь «фильтр» атмосферы. Некоторые звезды обладают странной переменностью своего светового излучения. Переменные, «вспыхивающие» звезды то ярко загораются, то меркнут, причем это происходит в течение нескольких минут, что удивительно мало для таких больших тел.

Обитатели астрообсерватории смогут уточнить расстояния до звезд и при помощи телескопа, чувствительного к гамма-радиации, попытаются раскрыть происхождение космических лучей.

Космическое межзвездное пространство далеко от абсолютной пустоты, в нем есть атомы, главным образом водорода, а также частицы космической пыли. Зерна пыли, несмотря на их чрезвычайную разреженность, появляются в таких больших объемах, что существенно затеняют свет от звезд. Изучение межзвездного вещества будет проводиться с помощью спектроскопических наблюдений в области ультрафиолетовых лучей.

Вполне возможно, что с помощью этих же наблюдений удастся обнаружить чрезвычайно удаленные галактики. Быть может, астрономическая ОКС ответит на вопросы, существуют ли планеты вокруг других звезд и насколько удаленные галактики и наша галактика идентичны.

Радиоастрономические исследования будут посвящены прежде всего изучению Солнца и ближайших планет, а затем уже межзвездного и межгалактического вещества. Для этого потребуется освоить радиоволны длиной менее 1 см, которые позволят детальнее исследовать атмосферу Солнца и планет, а также определить плотность и химический состав межзвездного вещества. Величина концентрации электронов в верхних слоях атмосферы, знание которой важно для решения проблемы происхождения магнитного поля Земли, может быть также уточнена специальными радиоастрономическими наблюдениями.

Помимо чисто научного значения, радиоастрономические исследования с борта орбитальной обсерватории будут иметь и большую практическую ценность, так как дадут новые сведения о характере распространения радиоволн различной длины в межпланетном пространстве, а это очень важно для разработки систем связи с будущими космическими кораблями.

 

РАДИОРЕТРАНСЛЯТОРЫ НА ОРБИТЕ

Разве можем мы быть полностью удовлетворены современным состоянием радиосвязи и особенно телевидения? Слишком уж от многих факторов зависит качество приема радиопередач. Это не только мощность радиостанций и чувствительность приемников. Это и время суток, и погода, и состояние верхних слоев атмосферы. Кроме того, это различные искусственные помехи приему — радиотехнические и промышленные. И конечно же, расстояние до станции — источника радиосигналов.

До обидного мал радиус действия телецентров — передачу самых крупных телестудий смотрят лишь в радиусе не больше 100–150 км. Объясняется это тем, что для телевидения выбран самый плохой с точки зрения дальнего распространения диапазон длин волн — УКВ, которые распространяются лишь на расстоянии прямой «видимости» передающей антенны. Но этот выбор был вынужденным, поскольку для телевидения необходим особый характер передающих волн — спектр частот, излучаемых телевизионным передатчиком, должен быть достаточно велик, а это достигается лишь уменьшением длины волн.

Попытки проведения кабельных линий с целью увеличения качества и дальности радио- и телепередач пока не дают хороших результатов из-за сильного затухания сигналов. Приходится на каждые б — 8 км кабеля ставить промежуточные усилители и на каждые 100 км — усилительный пункт с источником питания. Да и проводная связь не в состоянии охватить все уголки земного шара и обеспечить многоканальные передачи между любыми двумя точками.

В последнее время увеличение дальности телеприема и получение более качественной радиотелефонной связи достигается сооружением радиорелейных линий. Радиорелейная связь работает обычно в сантиметровом диапазоне волн, что еще больше увеличивает полосу частот. Очевидно, что дальность распространения таких волн также невелика, поэтому высокие башни — ретрансляторы с рупорными антеннами наверху и усилителями приходится строить на небольшом расстоянии Друг от друга. Правда, мощность ретрансляторов составляет всего лишь несколько ватт при мощности передатчика телецентра в несколько киловатт.

Однако и радиорелейные линии едва ли смогут разрешить проблемы всемирной связи. Решение этой задачи под силу лишь искусственным спутникам Земли и орбитальным космическим станциям.

Вообще говоря, искусственный спутник Земли может выполнять роль пассивного отражателя радиосигналов без их усиления. Для такой цели предназначен, например, американский спутник «Эхо». Такая схема, имея ряд преимуществ, в общем оказывается невыгодной из-за ослабления сигнала, приходящего на Землю. Поэтому будущее принадлежит активным космическим ретрансляторам, которые, воспринимая земные радиосигналы, смогут усиливать их и посылать обратно на Землю.

Спутник, запущенный на большую высоту, может быть оборудован средствами приема, усиления и передачи на Землю радиосигналов большой мощности, так как проблема источника энергопитания на такой станции может быть надежно решена с помощью преобразования солнечной энергии или же атомных электростанций.

Система всемирной радио- и телесвязи может быть создана в виде трех активных космических спутников-ретрансляторов, вращающихся одновременно по одной, например экваториальной, круговой орбите, но непременно имеющей высоту 35 800 км. Почему именно на этой высоте? Как показывают несложные расчеты, для получения замкнутой круговой орбиты на такой высоте скорость вращения спутника вокруг Земли должна быть равной 3072 м/сек, т. е. период обращения вокруг Земли составит 24 час. А это значит, что спутник как бы повиснет над какой-то точкой земного шара, что и требуется для удобства ретрансляции. Такие ретрансляторы называются стационарными. Хотя они будут иметь некоторое смещение относительно поверхности Земли, вызванное неравномерностью ее гравитационного поля, но смещение это будет одинаковым для всех трех ретрансляторов и особого значения не имеет. Антеннам наземных передатчиков не придется следить за спутником-ретранслятором. Направление излучения и расстояния между источником и ретранслятором и между ретранслятором и приемными станциями будут практически неизменными. Три таких «неподвижных» космических тела обеспечат полное перекрытие поверхности Земли (рис. 4). Останется «незакрытой» лишь около 2 % поверхности Земли в районе полюсов.

Рис. 4. Схема организации всемирной радиосвязи:

1 — стационарный спутник Земли; 2 — распределительная станция; 3 — передатчик; 4 — приемник

В поле зрения одного ретранслятора сигналы будут передаваться только с его помощью. Передача на большие расстояния будет осуществляться через два ретранслятора. Предлагают и другой метод, когда сигнал между ретрансляторами будет «касаться» Земли и усиливаться наземной станцией, но тогда потребуется строительство еще трех релейных станций на Земле.

Проблемы «транскосмической» связи на этом не заканчиваются. Придется подумать и о преодолении различных помех для качественной радиосвязи, возникающих в космосе. Одной из них является так называемый фединг Фарадея — длительные «замирания» радиоволн при прохождении ионосферы и магнитного поля Земли, связанные с неравномерностью ионизированной среды в околоземном пространстве, приводящей к отклонению радиоволн.

Правда, на некоторых, вполне определенных частотах излучаемых сигналов эти «замирания» почти незаметны. Вообще, по целому ряду причин выбор частоты космической ретрансляции очень важен. Если учесть, например, что лишь на частотах свыше 100 мгц почти не существует ионосферных и искусственных помех, то станут очевидными преимущества высоких частот. Эти и некоторые другие соображения приводят к выводу, что рабочие частоты для всемирной системы радио- и телесвязи должны находиться в диапазоне 1000-10000 мгц, т. е. передачи должны идти на дециметровых и даже сантиметровых волнах.

Существуют и другие помехи распространению УКВ в пространстве. Например, при создании космических ретрансляторов необходимо учесть, что в определенные дни года, когда Земля, ретранслятор и Солнце будут находиться на одной прямой, возникнут сильные помехи приему наземными станциями сигналов из космоса. Подсчитано, что для системы всемирной связи такие помехи будут возникать дважды в год в течение 8 дней каждый раз продолжительностью 12 мин, в течение которых радиосвязь будет затруднена [22].

Идея создания системы из трех стационарных спутников на высоте почти 36 тыс. км вполне осуществима, но технически довольно сложна. Поэтому разрабатываются системы всемирной и трансконтинентальной связи с помощью искусственных спутников, вращающихся на меньших высотах. Разумеется, при этом потребуется более чем три ретранслятора. Их будет тем больше, чем меньше высота орбиты. И конечно, с такими системами будет очень трудно добиться постоянной и надежной всемирной связи.

Спутник Земли может выполнять и другие задачи, связанные с ретрансляцией радиосигналов. Например, спутник-навигатор окажет помощь мореплавателям, авиационным штурманам и путешественникам в определении их местоположения. Станция, излучающая специальный радиосигнал, будет надежным, хотя и пассивным помощником при ориентировке. Данные о точном местоположении станции-навигатора будут периодически вырабатываться на Земле с последующей засылкой на борт спутника и на ориентируемые объекты. Но космическая станция может иметь и активные средства навигации (например, инерциальные, радиоастрономические или допплеровские), которые по запросу будут сами точно определять и сообщать свои координаты, а в будущем — координаты и истинный курс ориентируемого корабля или самолета, а также метеообстановку.

 

ЗЕМЛЯ — МАРС С ПЕРЕСАДКОЙ

12 февраля 1961 г. в Советском Союзе был дан старт первой межпланетной станции, отправившейся в сторону Венеры. В сообщении ТАСС указывалось, что выведение станции на межпланетную траекторию было осуществлено управляемой космической ракетой, стартовавшей с тяжелого спутника Земли.

1 ноября 1962 г. впервые осуществлен запуск советского межпланетного аппарата «Марс-1».

Последняя ступень усовершенствованной ракеты-носителя также вывела на промежуточную орбиту тяжелый искусственный спутник Земли, с борта которого была запущена космическая ракета на траекторию движения к планете Марс. Промежуточная орбита используется главным образом для уточнения места и времени старта межпланетного корабля по параметрам этой орбиты. Но использование спутника Земли как промежуточной станции для полета на другие планеты в ближайшем будущем может иметь значительно более глубокий смысл.

Несмотря на бурное развитие ракетной техники, полет космического корабля с экипажем не только на другие планеты, но, может быть, даже и на Луну в течение еще многих лет будет трудно осуществить непосредственно с поверхности Земли. Осуществление таких полетов потребует огромных ракет-ускорителей, мощности, размеры и стартовые веса которых трудно даже представить. В проведенных иностранными специалистами расчетах потребный вес полезной нагрузки лунного корабля с экипажем из трех человек и общей продолжительностью полета 10 суток оценивается с учетом радиационной защиты в 10,5 г (без учета веса двигателей и топлива). Для запуска с Земли такого космического корабля при современном уровне техники потребовалась бы многоступенчатая ракета со стартовым весом около 3200 т. И хотя принципиально нет ничего невозможного в постройке такой ракеты (известно, что в США уже приступили к проектированию носителей такого типа), трудно все-таки представить себе старт подобного сооружения.

Как же расходуется вес ракеты при полете к Луне? Оказавшись на околоземной орбите (т. е. развив скорость около 8 км/сек), лунная ракета имела бы уже вес около 180 т. По земным масштабам — это ракета обычных размеров.

Значит, все дело в том, чтобы «забросить» на орбиту такую ракету и на ней стартовать к Луне. А возможность для этого в ближайшие годы только одна — поднять на орбиту ракету по частям и собрать из них там лунный корабль. Для этого потребуется, например, 30 орбитальных ракет с полезной нагрузкой 6 т (такие ракеты уже запускались на орбиту в СССР). Это уже вполне реальный путь решения проблемы, тем более что полезная нагрузка орбитальных ракет может быть значительно большей.

В американской печати уже были сообщения о разработке ракеты «Сатурн» С-1В с полезной орбитальной нагрузкой 14 т при стартовом весе 570 т. Таких ракет потребовалось бы уже только 13. Но ведь это только лунный корабль. А для полета на Марс стартовый вес может оказаться в 10–15 раз больше, чем для полета на Луну. Таким образом, полет с помощью сборки кораблей на — орбите может оказаться единственным средством будущих межпланетных сообщений.

Почему же старт с орбиты дает такие большие преимущества? Ведь несколько сот или даже тысяч километров от Земли до орбиты ничто по сравнению с расстоянием до Марса. Дело в том, что мощность многоступенчатой ракеты, стартующей с Земли, расходуется на траектории полета неравномерно. Покажем это.

Суммарные затраты энергии космического корабля оцениваются обычно суммой абсолютных величин всех скоростей, которые должна развить ракета на различных этапах полета. Эта сумма называется характеристической скоростью.

При полете на Луну требуется развить сначала скорость 11,2 км/сек. При подходе к Луне скорость корабля уменьшится до 2,7 км/сек. Для плавной посадки на поверхность Луны потребуется тормозной импульс, чтобы уменьшить эту скорость до нуля, т. е. как бы развить отрицательную скорость. Ту же по величине скорость (2,7 км/сек) нужно будет получить при старте с Луны в сторону Земли.

Далее. При подходе к Земле необходимо погасить хотя бы часть скорости из тех 11,2 км/сек, до которых разгонится ракета на траектории Луна-Земля. Почему часть? Потому что спускаться на Землю с высоты нескольких сот километров можно уже без затрат энергии — аэродинамически, используя торможение в атмосфере. Но погасить скорость от второй космической до первой космической (орбитальной) на 3,3 км/сек необходимо. Ко всем этим затратам энергии нужно добавить неизбежные потери на преодоление сопротивления атмосферы и гравитационного поля Земли при взлете (ведь 7,9 км/сек — это орбитальная скорость на уровне моря) и на небольшую корректировку на траектории полета. Кроме того, нужно иметь некоторый запас энергии на непредвиденные обстоятельства.

Если теперь все эти затраты энергии выразить в соответствующих им потребных скоростях, то характеристическая скорость для полета на Луну и обратно составит около 22 км/сек. Для полета на Марс суммарная скорость будет более 30 км/сек. А современные ракетные системы на химическом топливе и в перспективе едва ли дадут нам значения характеристических скоростей выше 15 км/сек [13]. Но нетрудно увидеть, что почти половина лунной характеристической скорости тратится на достижение орбитальной скорости (7,9 км/сек плюс потери). А каждый километр скорости — это вес топлива, стартовый вес ракеты. На этапе выхода на орбиту, таким образом, реализуется преобладающая доля начального веса ракеты.

Теперь понятно, почему стартовать с орбиты удобнее: вес корабля значительно меньше, а потребная характеристическая скорость для полета к Луне и обратно меньше в два раза, чем при полете с Земли. А применение нескольких более легких ракетных кораблей реальнее строительства одной ракеты со стартовым весом в тысячи тонн. Такой путь значительно облегчает достижение далеких небесных тел.

В известной мере грузоподъемность ракет может быть увеличена за счет применения ядерных двигателей, но едва ли и это разрешит рассматриваемую проблему, так как появятся новые технические трудности.

Здесь выявляются новые и довольно важные возможности использования орбитальных станции. Полет на Луну или Марс небольших ракет может осуществляться с пополнением запасов топлива на орбите. Израсходовав все свое топливо при выходе на промежуточную орбиту, ракета сможет вновь пополнить запасы топлива с борта ОКС, куда оно будет заблаговременно доставлено транспортными ракетами.

Орбитальная космическая станция будет также местом сборки и оснащения межпланетных кораблей, развертывания и трансформации их оборудования. Напомним, что межпланетные станции, стартовавшие на Венеру и Марс, имеют конструкцию, свободную от обтекателей, термозащитных кожухов, оболочек и аэродинамических плоскостей. Все это обусловлено работой их в условиях, где отсутствует атмосферное сопротивление. В данном случае забота конструкторов станции сводилась в основном к обеспечению нормальной работы аппаратуры и агрегатов в развернутом состоянии в условиях полета, Эти преимущества могли быть реализованы с еще большим успехом, если бы космический корабль собирался полностью на орбите, в отличие от указанных станций, которые доставлялись на орбиту с Земли целиком с компактно сложенным оборудованием и антеннами.

Конструкция межпланетного корабля, собираемого из элементов на орбите, будет учитывать множество чисто специфических факторов космического полета. Условия пребывания в межпланетном пространстве значительно отличаются от условий вывода на орбиту по перегрузкам, температурам, вибрациям и пр. Конструкция межпланетного корабля может иметь любые выгодные в полете формы отдельных узлов, например шарообразные баки, имеющие, как известно, минимальный вес при максимальном объеме (рис. 5).

Рис. 5. Орбитальная космическая станция, космический корабль и астробуксир, участвующий в монтаже корабля

Некоторые элементы конструкции межпланетного корабля будет трудно или даже невозможно доставить с Земли сразу на траекторию межпланетного полета. Могут потребоваться, например, огромные тонкие плоскости радиационных теплообменников, или может оказаться так, что габариты и вес сложного научно-экспериментального оборудования или же элементов самой конструкции летательного аппарата не позволят доставить их на орбиту в собранном виде. В этих случаях проще будет монтировать их на орбите на борту ОКС.

Если межпланетный корабль будет обладать ядерной или термоядерной силовой установкой, то сборка и запуск ее за пределами атмосферы будут значительно безопаснее — там понадобятся лишь небольшие экраны для обслуживающего персонала.

На орбитальной станции смогут проходить подготовку и «акклиматизацию» члены экипажей межпланетных кораблей.

Так как многие из планет имеют свою атмосферу, конструкция межпланетного корабля может нести на себе специальный корабль «приземления», рассчитанный на аэродинамическое сопротивление планетной атмосферы при посадке. Этот же корабль может использоваться для посадки экипажа на Землю после возвращения межпланетного корабля на орбиту спутника Земли.

 

АВТОМАТИКА ИЛИ ЧЕЛОВЕК ПЛЮС АВТОМАТИКА?

Вероятно, теперь никто не сомневается в том, что человек должен был проникнуть в космос, окинуть взором нашу Землю с высоты орбитального полета и привезти нам свои непосредственные впечатления. Думается, нет сомневающихся и в том, что человек должен побывать на далеких планетах нашей солнечной системы, должен попытаться достигнуть других звездных миров.

Еще 6–7 лет тому назад посылка человека в космический полет казалась мечтой. Тогда еще не было технической основы для таких полетов — полезная нагрузка ракет-носителей была слишком мала. Но мощных ракетных двигателей еще недостаточно для того, чтобы отправить в космос самый ценный груз — человека. Необходимо создать работоспособные и надежные системы, обеспечивающие жизнедеятельность и безопасность человека на всех стадиях полета — во время взлета, на орбите и при возвращении на Землю. Сейчас эти сложные технические проблемы успешно решены для относительно кратковременных орбитальных полетов.

Технический прогресс последних лет, с одной стороны, позволил поставить и успешно решить в космосе большое число научно-исследовательских и технических задач с помощью автоматических средств, а с другой стороны, сделал возможным полеты обитаемых космических кораблей.

И вот здесь-то мы подходим к вопросу, весьма важному в проблеме создания научных космических станций на орбитах вокруг Земли.

Должны ли быть орбитальные станции обитаемыми? Или, может быть, удастся обойтись без непосредственного участия человека в космических исследованиях и его полностью заменит автоматика? Эти вопросы не случайны. Они объясняются бурным развитием автоматики и телемеханики, совершенствованием систем автоматического регулирования средств управления и телеметрии, революцией в радио- и телевизионной технике, связанной с распространением полупроводников, прогрессом в области программных и счетно-решающих устройств и созданием новых миниатюрных источников энергии. Как несколько десятков лет назад возникла дилемма «машина или человек плюс машина?», так и сегодня обсуждается вопрос «автоматика или человек плюс автоматика?».

Нужно сказать, что у противников обитаемых космических станций, сторонников «чистой» автоматики, имеются серьезные доводы. Они считают, во-первых, что научные исследования, например геофизические, могут с успехом осуществляться (и уже широко осуществляются) с помощью автоматических искусственных спутников Земли, которые зарекомендовали себя как надежное средство научных исследований в космосе. С дальнейшим развитием автоматических средств наблюдения и телеметрии можно будет проводить еще более сложные исследования без непосредственного участия человека.

Второй важный довод сторонников замены человека автоматикой — это сложность обеспечения безопасности человека в условиях интенсивной радиации околоземного пространства (как известно, полеты советских и американских космонавтов по орбите проходили на высотах не выше 350 км), что затрудняет возможность длительного пребывания человека на большой высоте.

Высказываются мнения, что по соображениям безопасности присутствие человека на спутнике Земли может ограничить объем некоторых научных исследований или вообще сделать невозможным их проведение (например, изучение ядерных проблем или астрономические наблюдения). Указывают и на то, что присутствие человека, например, на астрономической станции будет отрицательно сказываться на наводке телескопов.

Наконец, выдвигается еще одно соображение. Создание даже самых совершенных условий для существования человека на борту космической станции не может полностью обеспечить его работоспособность вследствие необходимости преодолевать такие явления космического полета, как перегрузки при подъеме на орбиту, невесомость на борту ОКС и т. д. А это значит, что при выборе экипажа на первый план выдвигаются не те или иные деловые и научные качества, а фактор тренированности, приспосабливаемости организма и т. п.

Все эти аргументы логичны и довольно убедительны. Конечно, огромную долю научных исследований будет проводить автоматически работающая аппаратура. Конечно, фактор абсолютной безопасности человека должен постоянно рассматриваться как первостепенный. Стоит ли рисковать жизнью человека без твердого научного обоснования целесообразности и необходимости его пребывания на орбитальной космической станции? Здесь имеется в виду, конечно, человек не только как наблюдатель, но и как активно действующий ученый и исследователь, управляющий оборудованием и приборами, перенастраивающий и при необходимости ремонтирующий их.

Да, конечно, всюду, где человек без ущерба для результатов исследований может быть полностью заменен автоматикой, там, где практически невозможно обеспечить полную безопасность человека, должны работать машины. Тем не менее обитаемые космические станции должны и будут строиться. Ведь человек обладает многими такими качествами, которые еще много лет, а быть может, и всегда будут недоступны даже самым сложным и совершенным электронно-вычислительным машинам.

Автомат уже сейчас может реагировать на некоторые внешние факторы, воспринимать и перерабатывать информацию, а затем выдавать результат в виде чисел или каких-либо механических действий. Но автомат чаще всего не способен сам разобраться в ошибках, возникающих вследствие каких-либо неисправностей аппаратуры. Автомат реагирует лишь на заранее предусмотренное изменение ситуации, а предусмотреть все ситуации, с которыми он встретится в космосе, естественно, очень сложно. Лишь мозг человека способен быстро оценить неожиданно сложившуюся обстановку, активно вмешаться в нее и произвести необходимые действия.

Человек значительно надежнее машины отфильтровывает полученную информацию и выбирает из нее наиболее необходимое для дальнейших действий.

Если даже сравнить мозг человека с современной вычислительной машиной, то окажется, что объем памяти у человека больше. И если машина иногда выигрывает в скорости «мышления», то в гибкости анализа ей еще трудно сравниться с человеком.

Человеческий мозг обладает и великолепными, недоступными пока машине способностями к обобщению. Человек может производить быстрый и тончайший анализ и синтез информации, он может восполнять пробелы в информации и выбирать из самых разнообразных явлений нужные ему в данный момент.

Нельзя забывать и о том, что в космосе может возникнуть необходимость произвести перерегулировку, а быть может, и ремонт аппаратуры.

В будущем, конечно, появятся искусственные самонастраивающиеся схемы, «чувствующие» изменения в системе и меняющие ее параметры. Собственно говоря, мускульная энергия человека уже в авиации утратила свое прежнее значение и главным в полете стала реакция человека, динамика его движения. И в космической технике применение физической силы человека может понадобиться в какой-то мере лишь в исключительных случаях. Сейчас мы переживаем время, когда и мыслительная способность человека заменяется искусственным «мозгом».

Но, повторяем, никакая машина и никакая автоматика не сможет полностью заменить человека в космосе в тех случаях, когда придется принимать решения после получения информации, особенно в неожиданных ситуациях или в незапрограммированных случаях. А такие ситуации и неожиданности в космосе ещё более вероятны, чем на Земле, и главным образом именно в ходе исследований.

Правда, у машины есть и другие преимущества — она не подвержена усталости, раздраженности, неуверенности, страху и другим психологическим явлениям.

Но нельзя забывать и о таких качествах, присущих исключительно человеку, как воля, творческий ум, высокий моральный дух, базирующийся на высокой сознательности.

Машина никогда не вытеснит человека из сферы творческой деятельности. Поэтому речь должна идти об оптимальном, наивыгоднейшем сочетании свойств и качеств человека и автоматики с целью наилучшего выполнения поставленных задач.

Поэтому орбитальные космические станции должны создаваться и как автоматические и как обитаемые. Космонавты смогут активно вмешиваться в настройку аппаратуры, участвовать в корректировке орбиты, а также при необходимости изменять ее. Они будут, разумеется, принимать непосредственное участие в наблюдениях и исследованиях, в переработке полученной информации.

Необходимость пребывания человека в космосе не нужно принимать буквально как присутствие его на каждом космическом объекте, при каждом научном исследовании. Создание обитаемых станций не исключает, а даже предполагает наличие на орбитах вокруг Земли автоматических лабораторий — искусственных спутников. Быть может, члены экипажа ОКС будут с помощью специальных летательных аппаратов периодически посещать эти спутники для контроля и перенастройки их аппаратуры и снятия информации. Такие летательные аппараты будут иметь на борту контрольно-измерительную аппаратуру, небольшую энергетическую установку и экипаж из двух — трех человек.

Важным вопросом, связанным с длительной работой космического оборудования и присутствием на орбитальной станции человека, является проблема надежности. С одной стороны, безопасность экипажа космической станции потребует максимально надежных систем жизнедеятельности. С другой стороны, надежность всего оборудования станции будет значительно выше при контроле и обслуживании ее человеком.

Слово «надежность», такое привычное и знакомое в обиходе понятие, ныне — научный термин, важный статистический и вероятностный показатель обеспечения исправной работы оборудования.

Академик А.И.Берг надежностью называет «вероятность безотказной работы любого технического устройства (оборудования или промышленного изделия) на протяжении заданного времени в специально оговоренных условиях».

Фактор надежности как показатель качества работы узлов и агрегатов приобрел первостепенное значение впервые в авиации, где сложные автоматические и полуавтоматические системы, обеспечивающие выполнение различных задач в полете и безопасность экипажа, постоянно требуют повышенной надежности целого комплекса аппаратуры и автоматики.

Будущая ОКС — это еще более сложный комплекс множества взаимосвязанных и взаимодействующих частей и агрегатов. Неисправность любого из этих элементов может привести к прекращению работы исследовательской аппаратуры, потере накопленных данных, к поломкам и авариям.

Имеется много путей повышения надежности машин, механизмов и различного оборудования: широкое внедрение типовых и стандартных деталей, тщательное испытание и доводка перед эксплуатацией, повышение квалификации обслуживающего персонала, регулярная замена наиболее изнашивающихся деталей, своевременные профилактика и ремонт и т. д.

Но в космосе, где речь идет о длительной работе автоматического оборудования, в основном без обслуживания, кроме перечисленных факторов, необходимы и некоторые более совершенные способы повышения надежности.

Разработка систем повышения надежности аппаратуры, предназначенной для спутников и космических кораблей, идет по двум направлениям: по пути внедрения прерывистой, или импульсной, работы аппаратуры и по пути многократного дублирования агрегатов, т. е резервирования систем.

Принцип прерывистой работы аппаратуры космических кораблей в длительном орбитальном полете дает возможность увеличить надежность, так как ведет к экономному расходованию ресурса оборудования и приборов, а также уменьшает потребности в энергии. Кроме того, если считать вероятность выхода из строя оборудования в космосе постоянной в течение всего времени службы, то при прерывистой работе число возможных аварий будет меньше.

Многократное дублирование агрегатов, или резервирование, является одним из самых эффективных методов повышения надежности автоматического оборудования космических аппаратов.