Космический лифт
Нередко фантасты высказывают идею, а инженеры затем пытаются ее осуществить. В данном же случае все наоборот: фантасты не поспевают за фантазиями инженеров. Судите сами…
Еще в 1979 г. художник Р.Авотин представил космический лифт так.
Две силы действуют воедино
В июле 1960 года одна из газет опубликовала статью ленинградского инженера Юрия Арцутанова «В космос на электровозе». Именно в ней впервые высказывалась идея внеземного подъемника. Потом ее подхватили другие специалисты, а всем известный английский писатель-фантаст Артур Кларк использовал даже в своем романе «Фонтаны рая».
Внешне все выглядит вроде бы просто. Главный элемент подъемника — трос, один конец которого копится на поверхности Земли, а другой теряется в далеком космосе на высоте около 100 тыс. км. Причем, несмотря на то, что второй конец троса может быть попросту оставлен в пространстве, он будет натянут как струна. Вся хитрость в том, что, подчиняясь законам физики, трос этот окажется под воздействием двух разнонаправленных сил.
Чтобы понять их природу, привяжите к бечевке какой-нибудь предмет и начинайте раскручивать. Как только он приобретет некую скорость, веревка натянется. Почему? Да потому, что на предмет действует центробежная сила. А на саму веревку — сила центростремительная, которая ее натягивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тросом.
Любой объект на его верхнем конце или даже сам свободный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты. Стало быть, на этот конец будет действовать центробежная сила. Одновременно на тот же трос будет действовать и противоположная сила — земного притяжения. И тем ощутимее, чем ближе он находится к Земле. А чем дальше в космос, тем, наоборот, энергичнее проявляется центробежный фактор. При определенных условиях силы уравновешивают друг друга. Происходит это, когда центр массы гигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров, то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно там искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа.
Вот из этой как бы срединной точки лифтовый канат и должен идти вниз, к Земле, и примерно на такое же расстояние — в противоположную сторону. В этом случае он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение — вертикально к земному горизонту', точно по направлению к центру нашей планеты. Используя этот канат, можно отправлять кабины в космос и опускать их на Землю.
Трос из углерода?
Такой способ путешествия в космос и был описан в романе Артура Кларка, вышедшем в свет в 1978 году. Идея Арцутанова приобрела всемирную известность. Но воплотить ее в жизнь никто не спешил. А все потому, что неизвестно было, на чем подвешивать кабину космического лифта. Использовать обычный стальной трос? Простейший расчет показывал: он порвется под воздействием собственной тяжести уже при длине 50 км.
Артур Кларк в своем романе предложил заменить сталь на легкий и очень прочный кевлар, а потом придумал некий сверхпрочный «псевдоодномерный алмазный кристалл», который и стал основным строительным материалом.
Самое интересное, что Кларк почти угадал. Нынешний этап интереса к проекту строительства космического лифта связан именно с углеродными кристаллами, хотя и несколько иного вида.
В 1991 году японский инженер Сумио Иишима, исследуя графитовую сажу, открыл удивительную разновидность углерода — так называемые углеродные нанотрубки. Это микроскопические, неразличимые невооруженным глазом пленочки графита, свернутые в виде крохотных цилиндров. Диаметр каждой такой трубки в миллион раз меньше миллиметра, длина — всего несколько микрон. Казалось бы, какой от них прок? Однако вскоре выяснили, что цилиндрики могут самостоятельно сплетаться в такие же микроскопические канатики. Изготовленная же из них нить прочнее алмаза.
Почти невесомая паутинка из углеродных нанотрубок диаметром в один миллиметр может выдержать 20-тонный груз!
Имея такой удивительный материал, можно уже и подумать о строительстве космического лифта.
80 страниц мечты
После открытия японского инженера проектом занялись не только фантасты, но и ученые с инженерами.
Скажем, Институт перспективных концепций НАСА выделил компании Highlift Systems 570 тысяч долларов на первоначальные исследования. В отчете, занимающем 80 страниц убористого текста с приложением многочисленных чертежей и графиков, сказано однозначно: проект может быть осуществлен практически. Во всяком случае, один из его авторов, доктор Брэдли Эдвардс, твердо уверен в успехе.
Причем осуществление этого проекта может дать немалую экономию средств. Дело в том, что ныне доставка 1 кг полезного груза в космос обходится не менее чем в 10 тысяч долларов, причем подъем на высокую, геостационарную, орбиту обходится даже в 40 тысяч. Космический подъемник предполагает снижение стоимости доставки до 100 долларов, то есть в 100–400 раз. И это только на первом этапе…
Детали платформы.
Лентопротяжный механизм.
О деталях
Концептуальный проект космического лифта в нынешнем виде содержит достаточно подробные конструкторские разработки. Вот как проясняет их доктор Эдвардс на своем сайте в Интернете.
Прежде всего, он предлагает отказаться от строительства на Земле огромной эстакады высотой 50 км, как это мыслилось в предыдущих проектах. Сооружение ее не только значительно удорожает проект, но и во многом ставит под сомнение его исполнение: ведь ныне ни у кого нет опыта строительства вышек, достигающих стратосферы.
Эдвардс предлагает сделать наземной станцией для космического лифта океанскую платформу — наподобие тех, с которых сейчас ведут добычу нефти. Ее планируют построить в Тихом океане, в таком районе, где практически не бывает гроз. Вместо троса, как уже сказано, используют широкую ленту из углеродных нанотрубок. Длина ленты — почти 100 тыс. км (ею можно два с половиной раза обернуть земной шар!), ширина — 1 м. Даже при планируемой толщине ленты всего в 2 микрона общая ее масса должна составить около 800 т. Тем не менее, как показывает расчет, нанотрубки способны выдержать такую тяжесть.
Схема строительства на сегодняшний день выглядит так.
Сначала на геостационарную орбиту обычными ракетами доставят около 40 т узкой ленты. Когда она будет развернута на всю длину и достигнет поверхности Земли, то сможет удерживать полезные грузы весом до 495 кг. Далее специальные подъемники будут подниматься по этой ленте и постепенно ее расширять. На каждое восхождение уйдет от 3 до 4 дней. Через 2,5 года лента будет готова полностью.
Конструкция подъемника как бы охватывает ленту с двух сторон. Кабину планируют оснастить двумя комплектами роликов или гусениц. Лента будет проходить между ними, обеспечивая плавный подъем или спуск кабины за счет трения.
Для движения подъемника по ленте предполагается использовать электрические двигатели. Энергия будет передаваться с Земли с помощью лазера или микроволнового излучения. Посланный им луч преобразуется в электричество, которое приведет в действие моторы лифта. Скорость движения кабины — 200 км/ч.
Гладко было на бумаге.. .
Все этапы научно-исследовательских работ, проектирования и строительства четко расписаны. При соответствующем финансировании уже через два года могут быть получены первые образцы сверхпрочной ленты. Ее испытания, доработки, развертывание массового производства займут еще около трех лет. Строительство отнимет еще лет шесть. Наконец, еще 2–3 года уйдет на расширение ленты длиной в 100 тыс. км. Таким образом, первая гондола с полезным грузом в 5 тонн могла бы подняться на орбиту где-то в 2017–2020 годах.
Так полагает доктор Эдвардс. Однако ряд экспертов не разделяет его оптимизма. Прежде всего, непонятно, удастся ли найти столь много свободных денег. Ведь только на сооружение первого лифта требуется около 10 млрд. долларов. А вся программа стоит как минимум вчетверо дороже. Кроме того, не решены многие принципиальные вопросы.
Например, как защитить транспортную ленту от метеоритов и космического мусора? Если покрыть ее синтетической или металлической броней, то ее вес многократно увеличится.
Еще одна трудность — мощные порывы ветра. Лента ведь имеет высокую парусность. Придется подумать также и о защите всего сооружения от ударов молний и океанских штормов.
Наконец, подобное сооружение — лакомый кусок для террористов. Представьте себе, каков будет резонанс, если в океан ухнет кабина космического лифта…
Тем не менее, даже скептики признают перспективность использования тросовых транспортных систем в космонавтике в будущем. Спор идет лишь о сроках. Так, представители НАСА полагают, что первый космический лифт может появиться лет через 50.
Примерно такие же сроки называет и доктор технических наук, лауреат Государственной премии Георгий Успенский, возглавляющий отделение в Центральном НИИ машиностроения Росавиакосмоса. Он еще в 1989 году опубликовал подобные же расчеты по перспективным космическим транспортным системам.
Ну, а дальше вполне возможно продление этой трассы до Луны. Освоение же Селены, строительство на ней ракетодрома откроет возможность путешествий к дальним окраинам Солнечной системы или даже в иные звездные миры.
Публикацию подготовил Станислав СЛАВИН
Кстати
ИЗ КОСМОСА НА ТРОСЕ
Пока космический лифт не построен, именно так предлагают спускать с орбиты на Землю космические посылки отечественные и зарубежные специалисты. Инициатор проекта, профессор из Нидерландов Вуббо Оккелс, уже сумел заинтересовать «космической почтой» около трех десятков университетов Европы, Канады, Японии. В январе нынешнего года совещание, посвященное этому проекту, прошло и в Самарском государственном аэрокосмическом университете.
Схема спуска выглядит примерно так. Трос диаметром в полмиллиметра будет изготовлен из кевлара. Предполагаемая длина — около 30 км. Капсулу направят от космического аппарата к Земле. В нужной точке орбиты трос отцепят, и он сгорит в атмосфере. А капсула в специальных защитных оболочках, выполняющих к тому же роль парашюта, благополучно приземлится в заданном районе планеты.
Возможно, в качестве космического аппарата, с которого спустят на Землю первую капсулу, будет использован спутник «Фотон». Руководство ракетно-космического центра «ЦСКБ-Прогресс», которое производит эти спутники, сейчас изучает проект.
Если первые эксперименты пройдут удачно, новая технология доставки на Землю различных грузов с использованием надувных оболочек может быть внедрена не только для «космической почты», но и для возвращения, например, разгонных блоков космических аппаратов для повторного их использования. Это позволит сэкономить значительные средства.
Схема спуска капсулы из космоса.
Крылья над морем
В этом году авиаторы России отмечают 100-летний юбилей замечательного авиаконструктора Г.М. Бериева — одного из немногих специалистов в мире, который всю свою жизнь посвятил созданию «летающих лодок». Именно во многом благодаря ему, его последователям и ученикам наша страна и по сей день занимает ведущее место в мире в создании гидросамолетов. Но что это за машины такие, которым в одинаковой степени подвластны и воздух, и вода?
«Авиация зародилась на стыке суши и моря, — заметил как-то один из учеников Бериева, ныне генеральный конструктор Таганрогского авиационного научно-конструкторского предприятия Г.С. Панатов. — Вспомните хотя бы, свой первый полет самолет братьев Райт совершил на побережье, в местечке Китти-Хок»…
В дальнейшем гидроавиация стала отдельным направлением, временами весьма сильно конкурировавшим с авиацией сухопутной. Это и понятно: две трети поверхности нашей планеты занимает вода — идеальный аэродром для гидросамолетов. Ну как им не воспользоваться?!
Наверное, потому многие пионеры авиации — Фабр, Дорнье, Гакель, Кертисс, Сикорский, Григорович и другие — в определенные периоды своей конструкторской деятельности отдавали предпочтение именно «летающим лодкам». Была в них и острая практическая нужда. Флотоводцы того времени при отсутствии радаров только с «летающих лодок» могли получить информацию о противнике, скрывающемся за горизонтом. И во многих странах мира в начале XX века начали строить патрульные и разведывательные гидросамолеты, в том числе и такие, которые могли базироваться на палубе надводных кораблей и даже подлодок.
Начав с маленьких, иногда даже складных самолетов, гидроавиаторы очень скоро поняли преимущества морской авиации перед сухопутной. Отсутствие шасси, достаточные просторы акваторий позволили конструкторам создавать самолеты с большой взлетной массой. В 30 — 40-е годы XX века гидросамолеты фирм «Мартин» («Марс»), «Дорнье» («До-Х»), «Сандерс-Po» («Принцесса») имели приличный даже для наших дней взлетный вес — от 50 до 150 т. Их салоны были настолько просторны, что иногда пассажиры размещались даже в отдельных каютах, словно на морских лайнерах.
Хорошая обтекаемость поплавков позволяла гидросамолетам даже обгонять сухопутные летательные аппараты с неубирающимися шасси. Не случайно первые рекорды скорости были установлены именно на воде. Так скажем, в 1934 году гидросамолет «Макки-Костальди» «МС-72» развил скорость 709,2 км/ч!
Небольшая летающая лодка « Ш-2 » конструкции B.Б. Шаврова имела дополнительные колеса и была способна взлетать и садиться как с воды, так и с земли. Размах крыльев — 13 м. При полетном весе 1000 кг, самолет мог брать на борт до четырех человек. Дальность полета — 1300 км, максимальная скорость 140 км/ч, посадочная — 60 км/ч. Мощность мотора всего 100 л.с., меньше, чем у многих современных легковых автомобилей.
Обратите внимание на небольшие нижние крылья с поплавками на концах. Эти поплавки придают лодке поперечную устойчивость при движении по воде. В случае аварии и разрушения лодки эти крылья, разделенные на 12 герметичных отсеков, не давали ей затонуть. (Проверено практикой.)
Опыт, накопленный во время первого этапа развития гидроавиации, сослужил ей хорошую службу во время Второй мировой войны. Морская авиация оказалась хорошим средством для обнаружения и уничтожения не только надводных судов, но и подлодок, проводила быструю и эффективную разведку, операции по спасению моряков и летчиков с кораблей и самолетов, подбитых противником… Разрабатывались даже гидросамолеты для высадки десанта с моря на берег.
Период «холодной войны», когда во флотах противоборствующих стран появились атомные субмарины-ракетоносители, еще больше повысил роль гидроавиации на море. Охотники за подводными лодками на гидросамолетах могли не только часами «висеть» в воздухе, барражируя над заданным районом, но и приводниться, выключить двигатели и, затаившись, многие часы, а то и сутки прослушивать морские глубины с помощью гидроакустических буев и станций.
Классическим примером такого гидросамолета может послужить «Бе-12» разработки Г.М. Бериева, многие десятилетия верой и правдой служивший нашей армии и флоту.
В 50 — 60-е годы были разработаны и ударные гидросамолеты. Обладая большой дальностью полета и достаточной грузоподъемностью, они могли доставлять через океан атомные бомбы и ракеты. В качестве примера можно вспомнить хотя бы наш «Бе-10» (взлетная масса 50 т) и американский «Си Мастер» (88,9 т).
Чтобы не стать легкой добычей средств ПВО противника, ударные самолеты должны были иметь и высокую скорость. Поэтому конструкторы стали думать об оснащении гидросамолетов реактивными двигателями. Но сделать это оказалось куда труднее, чем на суше.
Не будем забывать, что «летающая лодка» стартуя, разгоняется подобно гоночному скутеру. Но где вы видели реактивные катера?.. А все потому, что весьма трудно рассчитать конструкцию легкую и в то же время настолько прочную, чтобы она могла противостоять ударам волн на большой скорости. А гидросамолет ведь должен не просто разогнаться, но еще и оторваться от водной поверхности, набрать высоту, а в конце полета столь же благополучно приводниться.
Какими должны быть при этом обводы корпуса? Как сделать, чтобы водяные брызги не попадали в воздухозаборники турбореактивных двигателей? Какие материалы использовать, чтобы они могли успешно противостоять усталостным вибрациям, коррозии в воздухе и на воде?.. На все эти и многие десятки других вопросов должны были ответить специалисты, создавая реактивный гидросамолет.
Комплекс проблем оказался настолько сложен, что создание такой машины, как у нас, так и за рубежом, затянулось на долгие годы, не раз останавливалось из-за тяжелых аварий.
Но не зря же говорят, что на ошибках учатся. В ходе исследовательских работ было сделано немало открытий и изобретений. Скажем, фирма Бериева опробует на многоцелевом самолете-амфибии гидрокрылья (что-то вроде подводных крыльев, которые ныне имеют многие скоростные речные и морские суда), фирма «Конвер» — для аналогичных целей использует гидролыжи…
Чтобы с одинаковым успехом садиться как на воду, так и на сушу, самолеты-амфибии оснащали все более совершенными системами колесных шасси. А в 1962 году главный конструктор Р.Л. Бартини предложил оригинальный проект экспериментального самолета-амфибии «МВА-62» с вертикальным взлетом. Самолет этот, выполненный по схеме «летающее крыло», должен был взлетать и садиться на два больших надувных поплавка, которые в полете сдувались и убирались в фюзеляж.
Накопив опыт, наши конструкторы создали первый в мире серийный реактивный самолет-амфибию «А-40» «Альбатрос». Он начал полеты в 1990 году. В ходе летных испытаний установил 126 мировых рекордов и послужил основой для разработки целого ряда модификаций — поисково-спасательной, транспортной.
Начавшаяся конверсия дала возможность наряду с военным самолетом разработать и его гражданский аналог «Бе-200», одинаково пригодный для перевозки как грузов, так и пассажиров. Ныне этим самолетом заинтересовалось МЧС России, предполагается продажа его за рубеж.
А. НИКОЛАЕВ
Рисунки автора
Фото из архива редакции
Разрез английской «летающей лодки» « Сингапур — III »,1934 г. «Лодка» была рассчитана на 20-часовой полет, поэтому ее оснастили кухней и двумя отсеками для отдыха. Без этого нести многочасовую службу, стоя в отрытых кабинах на ураганном ветру, было бы просто невозможно. На случай поломки был предусмотрев запасной винт, а на самый крайний случай экипаж располагал лодками, мгновенно надуваемыми от баллонов со сжатым воздухом. Бомбардировочный прицел объединялся с фотоаппаратом, а результаты бомбежки оценивали эксперты. Плохая видимость на море не редка. Случалось, разбомбив баржу, летчики были искренне убеждены, что потопили линкор. Кроме того, на борту лодки имелся гирокомпас и мощная радиостанция.
Цифрами на схеме обозначены:
1 — носовой стрелок; 2 — командир; 3 — моторная установка из двух двигателей по 640–750 л.с.; 4 — радиатор охлаждения двигателей; 5 — место стрелка; 6 — хвостовое оперение; 7 — хвостовой стрелок; 8 — запасной винт; 9 — надувная лодка; 10 — кухня; 11 — задний отсек отдыха; 12 — бомбы; 13 — редан; 14 — радист; 15 — поверхность скольжения по воде; 16 — передний отсек отдыха; 17 — поплавок; 18 — гирокомпас; 19 — бомбардировочный прицел; 20 — фотоаппарат.
Американская «летающая лодка» — амфибия времен Второй мировой войны. Взлетный вес — 26 т.
Самолет-амфибия « Бе-200 » считается ныне одним из лучших в мире в своем классе.