Текст книги "Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть II)"

Автор книги: Антон Первушин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 24 страниц)

Электромагнитные пушки-катапульты

Впервые идею электромагнитной пушки (или электромагнитной катапульты) предложили в 1915 году российские инженеры Подольский и Ямпольский, использовав принцип линейного электродвигателя, изобретенного еще в XIX столетии русским физиком Борисом Якоби. Они создали проект магнитно-фугальной пушки с 50-метровым стволом, обвитым катушками индуктивности. Предполагалось, что разгоняемый электротоком снаряд достигнет начальной скорости 915 м/с и улетит на 300 километров. Проект отвергли как несвоевременный.

Однако уже в следующем году французы Фашон и Виллепле предложили аналогичную артсистему, причем на испытаниях ее модели 50-граммовый снаряд разгонялся до 200 м/с. Изобретатели утверждали, что электромагнитные пушки окажутся дальнобойнее обычных; кроме того, их стволы не будут перегреваться при длительной стрельбе. Но скептики подметили, что для такой установки потребуется ствол длиной не менее 200 метров, который придется удерживать несколькими стационарными фермами, лишь незначительно меняя угол его наклона, а о наводке по горизонтали говорить не придется. Да и для обеспечения энергией даже простейшей электромагнитной пушки потребуется соорудить рядом с ней целую электростанцию…

Эксперименты с электромагнитными метательными системами были вновь продолжены только после Второй мировой войны. Наиболее серьезный проект электромагнитной пушки-катапульты, предназначенной для запуска небольших снарядов на околоземную орбиту, разрабатывался в середине 80-х годов Национальной лабораторией в Альбукерке (США) под руководством Уильяма Корна. Была даже построена модель стартового комплекса, представляющего собой шестиступенчатый электромагнитный ускоритель. Он рассчитан на разгон снаряда массой 4 килограмма и диаметром 139 миллиметров. Позже появился проект десятиступенчатого ускорителя, предназначенного для запуска 400-килограммовых снарядов калибром 750 миллиметров.

Интересен также проект стартового комплекса, разрабатываемый в американском Научно-исследовательском центре Льюиса. Он предназначен для отправки в космос контейнеров с радиоактивными отходами и включает несколько технических и пусковых площадок, помещений для подготовки снарядов-контейнеров, подземных хранилищ, центра управления «стрельбами», станций радиолокационного слежения.

Согласно расчетам сотрудников центра Льюиса затраты на сооружение подобного объекта могут составить 6,4 миллиарда долларов, а ежегодные эксплуатационные расходы – 58 миллионов. С другой стороны, та экономия, которую получит атомная энергетика, если радиоактивные отходы с долгоживущими изотопами будут удаляться за пределы Солнечной системы, покроет любые расходы.

Процесс запуска контейнера с радиоактивными отходами будет выглядеть следующим образом. Отработавшие на АЭС стержни привезут на стартовый комплекс и направят в пункт переработки. Там отходы перегрузят из транспортных контейнеров в экранированные капсулы, представляющие собой части орбитального снаряда. Устройство такого снаряда, изготовленного из тугоплавкого вольфрама, зависит от назначения и вида полезной нагрузки, но в любом случае корпус должен обладать минимальным аэродинамическим сопротивлением, для движения по направляющему рельсу ствола потребуются сбрасываемые после выстрела башмаки, а для стабилизации при полете в атмосфере – стабилизаторы.

Незадолго перед пуском смонтированный снаряд переместят в магазин, а оттуда – в зарядное устройство. За ним расположен газодинамический участок доускорения, переходящий в ствол-рельсотрон, изготовленный из меди. Сначала предлагали ствол квадратного сечения, однако после опытов, проведенных в Ливерморской лаборатории, предпочли круглый в сечении, «пушечный», окруженный множеством соленоидных катушек, объединенных в блоки.

Перед запуском катушки возбуждаются переменным током с возрастающей частотой. Так, на одном из опытных образцов метательной установки на первый блок подавали напряжение с частотой 4,4 кГц, на второй – до 8,8 кГц, на третьем она возрастала до 13,2 кГц и так далее.

Каждый блок катушек, взаимодействуя с несущимся по рельсотрону снарядом, будет как бы подхватывать и разгонять его до тех пор, пока скорость не достигнет расчетной.

При этом блоки оснащаются собственными генераторами с фотоэлектрическими переключателями, срабатывавшими при приближении снаряда к фиксированным точкам в стволе. Кроме того, генераторы связаны с мультиплексором, под ключенным к усилителям мощности соленоидов.

Такие электромагнитные пушки предпочтительнее размещать в шахтах; при этом для снижения энергозатрат их предлагают устраивать в горах, на высотах 2,5–3 километров.

Для придачи снаряду дополнительного ускорения при выходе за пределы действия земного притяжения его оснастят силовой установкой. В качестве топлива пока намечена комбинация гидрозина-трифторида хлора, обладающая большой плотностью и достаточным удельным импульсом.

В Советском Союзе также неоднократно выдвигались проекты электромагнитных пушек-катапульт. Например, в начале 70-х годов на страницах научно-популярных журналов всерьез обсуждался проект гигантской станции-катапульты, находящейся на околоземной орбите и служащей промежуточным пунктом на пути космических кораблей к другим планетам.

В качестве источника энергии на борту станции-катапульты планировалось использовать ядерную энергетическую установку – реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую. Энергия должна была аккумулироваться в накопителях на основе сверхпроводящих электромагнитов – криогенных систем с электромагнитными катушками, охлаждаемыми до условий сверхпроводимости. Ускорительная система «пушки» состояла из цепочки соленоидов. Катушки подключались таким образом, что секции, через которые уже прошел снаряд (или космический корабль), выталкивают его, а секции, расположенные впереди, втягивают аппарат. Для подключения катушек в такой последовательности необходима специальная сильноточная коммутационная аппаратура, создание которой – отдельная и серьезная проблема.

К сожалению, все эти проекты так и остались на бумаге.

Главная причина столь прохладного отношения к мощным электромагнитным пушкам-катапультам состоит в том, что перед человечеством пока не стоит задачи, требующей резкого увеличения грузопотока между Землей и космосом. Если такая задача завтра появится, можно не сомневаться, что все эти «бумажные» разработки будут немедленно востребованы…

Глава 21 В КОСМОС – НА ЛИФТЕ

«Фонтаны рая» Артура Кларка

«…Ночью лента лучше просматривалась невооруженным глазом. После захода солнца, когда включались сигнальные огни, она превращалась в тонкую ослепительную полосу, которая уходила ввысь, теряясь на фоне звезд.

Она уже стала величайшим чудом света. До тех пор пока Морган не закрыл посторонним доступ на строительную площадку, бесконечный поток посетителей не ослабевал. «Пилигримы», как кто-то иронически их прозвал, приходили поклониться последнему чуду священной горы.

Все они вели себя одинаково. Сначала касались пятисантиметровой ленты руками, чуть ли не с благоговением поглаживая ее кончиками пальцев. Потом, приложив ухо к ее холодной поверхности, прислушивались, словно надеялись уловить музыку небесных сфер. Некоторые даже утверждали, будто им удалось различить низкую басовую ноту на пороге слышимости. Но они заблуждались.

Даже самые высокие гармоники собственной частоты ленты были намного ниже уровня человеческого слуха.

А кое-кто, уходя, качал головой и говорил: «Никто никогда не заставит меня ездить по этой штуковине!» Но точно такие же замечания произносились и по поводу ядерной ракеты, космического челнока, самолета, автомобиля и даже паровоза.

Обычно скептикам отвечали: «Не беспокойтесь, это просто строительные леса. Когда башню закончат, «вознесение» в небо будет отличаться от подъема в обычном лифте лишь продолжительностью и гораздо большим комфортом». […] Хрупкий «паук» – опытный образец капсулы, напоминающий моторизованную люльку для прокладки воздушного кабеля, уже неоднократно подымался на двадцать километров с нагрузкой, вдвое превышающей ту, которую должен был нести теперь.

Как обычно, все было тщательно отрепетировано. Пристегивая себя ремнем, Максина не колебалась и не путалась.

Затем она глубоко вдохнула кислород из маски и проверила все видео– и звуковые устройства. Потом, подобно пилоту истребителя из старинного фильма, просигналила большим пальцем «Подъем» и надавила рычаг скорости.

Собравшиеся вокруг инженеры, большинство из которых уже не раз совершали прогулки вверх на несколько километров, иронически зааплодировали.

Кто-то крикнул: «Зажигание! Старт!», и «паук» со скоростью допотопного лифта двинулся ввысь.

Это напоминало полет на воздушном шаре. Плавный, легкий, бесшумный. Нет, не совсем бесшумный – до Максины доносилось нежное жужжание моторов, приводящих в движение многочисленные колеса, которые захватывали плоскую поверхность ленты. Не было ни толчков, ни вибрации.

Невообразимо тонкая лента, по которой она двигалась, была негнущейся как стальной стержень, а гироскопы капсулы обеспечивали устойчивость движения. Если закрыть глаза, можно даже вообразить, будто поднимаешься внутри уже построенной башни. Но нельзя закрывать глаза – слишком многое надо увидеть и воспринять. Многое можно и услышать – просто поразительно, как хорошо распространяется звук: разговоры внизу все еще отлично слышны».

Вышеприведенная цитата – это фрагмент научно-фантастического романа «Фонтаны рая», принадлежащего перу известного писателя Артура Кларка и опубликованного на языке оригинала в 1978 году. В этот фрагменте описан подъем с Земли на околоземную орбиту посредством так называемого «космического лифта». Сам автор рассказывает о происхождении идеи этого проекта так:

«Роман «Фонтаны рая» интересен тем, что это первая (я надеюсь) книга, в основе которой лежит изобретение советского инженера – проект «космического лифта». Хотя западный мир впервые узнал об этой дерзкой идее из работы нескольких наших океанографов, опубликованной в журнале «Сайенс» от 11 февраля 1966 года (сейчас у нас имеется обширная литература по этому вопросу), позже выяснилось, что эта мысль была уже разработана шестью годами ранее – и в гораздо более грандиозном масштабе – ленинградским инженером Ю. Н. Арцутановым…» («Комсомольская правда», 1960 г., 31 июля). Если бы Артур Кларк сам не назвал автора проекта, то вряд ли мы хоть что-нибудь знали об «изобретении» ленинградского инженера Арцутанова. Ведь и сегодня приоритет последнего оспаривается. Например, когда заходит речь о «космическом лифте», сразу вспоминают Константина Циолковского (это уже стало определенной традицией – сразу вспоминать Циолковского) и его систему соединенных цепью противовесов для создания искусственной тяжести, описанную в «Грезах о Земле и небе» (1895 год). Те, кто предпочитают «англоязычные» исторические примеры, называют Джерома Пирсона и его «орбитальную башню». При этом как-то забывается, что система Циолковского относится совсем к другому предмету обсуждения, а Пирсон, хотя и сформулировал идею «орбитальной башни» совершенно самостоятельно, опубликовал свой проект лишь в 1970 году.

Тем не менее именно ленинградец Юрий Николаевич Арцутанов был и остается автором самого амбициозного космического проекта в истории XX века.

Геосинхронный космический лифт Юрия Арцутанова

Те, кто предлагали когда-либо свою концепцию космического лифта, сходятся на том, что этот проект может быть реализован только усилиями всего человечества, а следовательно, и потребность в нем возникнет при решении глобальной общечеловеческой задачи. Среди таких задач может быть переселение части человечества в космос с терраформированием ближайших планет. Примерно такая ситуация и описана в романе «Фонтаны рая». Однако, когда Юрий Арцутанов опубликовал свою статью «В космос – на электровозе» (1960 год), он еще не задумывался об экономических и политических аспектах подобного строительства – его заворожила сама идея. Ленинградский инженер излагает ее так:

«Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень.

Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку.

Ну а что будет, если такую «веревку» укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают […], что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на Землю, как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч километров центробежная сила оказывается равной силе тяжести.

Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос – пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч километров!

Да и «груз» к ней должен быть подвешен немаленький – ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната длиной почти в 40 тысяч километров! Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!

Можно уже сегодня представить себе и некоторые подробности устройства нашей «космической канатной дороги».

Прежде всего она состоит не из одной нити, а из целой пряди их, идущих параллельно и соединенных между собой поперечными лямками. Это сделано для защиты от метеоров, которые легко могут перебить одиночную нить. Во-вторых, эти нити будут иметь разную толщину в разных местах.

Минимальной их толщина будет у поверхности Земли, максимальной – в той точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести: это для того, чтобы растягивающее напряжение было всюду одинаковым. В-третьих, нити не будут однородными. Вероятно, в их сеть будут вплетены металлические провода для передачи электроэнергии. Вероятно, будут и такие нити, по которым смогут двигаться космические электропоезда…»

Изложив идею, Юрий Арцутанов дает волю воображению, представляя себе, как будет выглядеть процесс подъема полезного груза с земной поверхности на высоту в 60000 километров:

«…Спокойно, не спеша и не суетясь, займут пассажиры места в герметичных вагонах такого поезда. Ведь это не космическая ракета, взлет которой рассчитывается до долей секунды.

Электровоз даст последний гудок, медленно наберет скорость и помчится в переплетении ажурных нитей вертикально вверх. […] Нет, не металлическими лапами переступает он по ступеням лестницы и не зубцами шестерен цепляется за выступы реек! Его движет бегущее электромагнитное поле. Он подобен снаряду электропушки – орудия, о котором в свое время много говорили, но из которого никогда не стреляли. […] Недалеко от канатной дороги расположены гелиоэлектростанции – гигантские зеркала, сделанные из тончайшей фольги, улавливают потоки солнечных лучей и преобразуют их энергию в электрический ток. Он-то и питает соленоид канатной дороги. […] Скорость – она нарастает медленно, почти незаметно – достигает гигантской величины: нескольких километров в секунду.

И через несколько часов после плавного торможения новая остановка – в точке равновесия центробежной силы и силы тяжести.

Дальше электропоезд может не затрачивать на движение по канату никакой энергии – его будет отбрасывать от Земли центробежная сила. И двигатель может работать, как генератор, отбрасывая энергию вниз.

Еще несколько часов пути – и электропоезд достигает крайнего пункта космической дороги. Позади, в 60 тысячах километров, наша родная Земля. А здесь расположен целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет. […] Отправляющиеся со здешнего космодрома ракеты совсем не похожи на те, что, грохоча взрывами, взлетают с Земли. Ведь здесь они уже имеют космическую скорость, вместе с космодромом вращаясь вокруг Земли. Здесь нет тяготения, которое заставляет делать земные ракеты массивными и прочными. Здесь не нужны сверхмощные двигатели.

Космические ракеты плавно покидают причальные сооружения и подходят к ним, похожие в своей неспешной неповоротливости на океанские суда.»

Даже приблизительно не пытаясь оценить затраты на постройку подобного циклопического сооружения, Арцутанов в своей статье дает наметки будущей программы строительства. Сначала необходимо «забросить» на геостационарную орбиту искусственный спутник, на котором будет находиться первая нить – в минимальном сечении «тоньше человеческого волоса», но весом около тысячи тонн. С этого спутника надо будет спускать сразу два конца этой нити: один – на Землю, другой – в космическое пространство. Когда первая нить будет закреплена на Земле, используя ее как опору, можно пустить по ней автоматического «паука» – некое гипотетическое устройство, которое потянет за собой вторую параллельную нить, затем третью, четвертую и так далее.

Юрий Арцутанов указывает, что подобные «канатные дороги» можно создать и на других планетах и спутниках. Например, разместив в точке равновесия между силами притяжения Луны и Земли (57 000 километров от поверхности Луны) соответствующий искусственный спутник и опустив с него нить «канатной дороги», можно получить лунный лифт.

А построив две дороги, можно будет осуществлять «переезд» по маршруту Земля-Луна почти без затрат топлива.

Космическое ожерелье Полякова

В развитие идей Арцутанова свой проект «геосинхронного» космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института. Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного – автор лишь проясняет некоторые «туманные места» знаменитой статьи в «Комсомолке», выдвигая по ходу обсуждения ряд рационализаторских предложений.

В частности, Поляков указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым.

Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.

Основная база, расположенная на высоте 35 800 километров, будет находиться в состоянии невесомости, а потому ее размеры можно назначить достаточно большими: от нескольких сот метров до 10 километров в диаметре. Однако постоянно жить в условиях невесомости не слишком-то удобно, и на базе придется создать искусственное тяготение, придав ей вращение. В таком случае на лифт, кружащийся вместе с Землей, будет действовать гироскопический момент, отклоняющий его к какому-либо полюсу. Чтобы избавиться от этого эффекта, базу лучше всего сделать из двух одинаковых дисков, вращающихся в противоположные стороны с равными угловыми скоростями. В результате суммарный гироскопический момент сведется к нулю.

Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. Причем его можно сделать из нескольких удаленных друг от друга этажей – каждый, мчась со своей космической скоростью, предназначен для запусков к определенной планете, дабы свести корректировку траектории сброшенного с него аппарата к минимуму. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.

С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой – вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта. Кабины лифта – просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули – ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.

В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.

Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы…

Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.

На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Космическое ожерелье состоит из радиально расположенных экваториальных лифтов и огромного кольца, простирающегося чуть выше геосинхронной орбиты, к которому пришвартовано множество космических станций. Если кольцо поместить точно на геосинхронную орбиту, то его равновесие будет неустойчивым.

Во избежание этого радиус кольца немного увеличен, так что оно находится несколько выше ее. При этом избыток центробежной силы растянет ожерелье. Кольцо находится в состоянии, близком к невесомости, оно не испытывает особых напряжений, и его строительство намного проще, чем возведение отдельного космического лифта.

Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.

Наряду с жилыми поселениями, типа цилиндров О'Нейла, на кольце расположатся и станции с промышленным, сельскохозяйственным и энергетическим производством.

Несомненно, что технологические процессы этих предприятий будут основаны на замкнутых и полностью автоматизированных циклах.

Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.