Любое обсуждение перспектив исследования космического пространства предполагает отчетливую стратегию освоения космоса. К сожалению, — отчасти по причинам исторического характера — не выработалась традиция открыто обсуждать долговременные цели космических исследований, а также критерии выбора того или иного космического проекта и средств его осуществления. Вопрос об оптимальной стратегии становится особенно важным в настоящее время, когда возросла роль общественного мнения в принятии решений о финансовой поддержке космических проектов. Этот выбор не ограничивается простейшими дилеммами типа «только роботы или только люди» или рамками отдельной экспедиции, скажем, к Марсу. В конечном счете, решающую роль играет значимость космических исследований для человечества, в том числе возможность приложения их результатов к насущным земным проблемам. При обсуждении стратегий освоения космоса необходимо учитывать и вероятную реакцию общества на различные варианты этих стратегий.

Новые импульсы развития космических исследований

Несомненно, общественный интерес к космическим исследованиям в последнее время снизился. Причиной этого отчасти является смещение интересов в сторону экологических проблем, в особенности к нарастающему глобальному экологическому кризису. Но важную роль играет здесь и отсутствие существенно новых и значимых для широкой публики научных результатов, как это подчеркнул в своей последней книге известный физик Р. Фейнман (Feynman, 1989). Коммерческие перспективы дальних космических полетов более чем проблематичны, между тем как высокая стоимость каждого полета увеличивает бремя бюджетных расходов без видимой цели. Большинство населения Земли, кроме ученых, не ощущает ценности цифр и графиков, получаемых в результате космических миссий; люди не испытывают при этом нового сенсорного опыта, который мог бы создать у них ощущение прямого участия в космических исследованиях. Даже у самих разработчиков космических систем заметно уменьшение энтузиазма, поскольку создаваемые ими средства — космические аппараты — как будто превращаются в самоцель.

Чтобы дать новый импульс развитию космических исследований, стратегия освоения космоса должна принять во внимание ряд требований, которые мы приводим дальше. Каждое из них кажется достаточно очевидным, но важно их перечислить и рассмотреть в совокупности.

1. Космические экспедиции должны быть, прежде всего, направлены на поиск нового, неизвестного и неожиданного. В противном случае в космических полетах нет нужды: то, что в принципе можно изучить с меньшими затратами на Земле, незачем искать в космосе. Важно отметить, что столкновение с новым может быть сделано значимым событием для широкой публики, если возможно полная информация об этом новом делается доступной для многих.

2. Очень важно иметь перспективу снижения стоимости дальних полетов. Для этого космические корабли должны использоваться многократно, без существенных затрат на их восстановление.

3. При планировании космических миссий необходимо обеспечить высокий уровень безопасности экипажа (а также населения в случае аварий). Досрочное прекращение полета должно быть маловероятным.

4. Результаты полетов должны быть интересны и увлекательны не только для ученых, но и для широкой публики, которая должна воспринимать их не как пошлые сенсации, а как добротную информацию, расширяющую мировоззрение человека и придающую новый смысл его существованию.

5. Космические достижения могут способствовать защите Земли от угрожающих космических явлений, в частности, от столкновения с астероидами.

6. Если поиск неземной жизни, составляющий важный мотив марсианской экспедиции, имеет шансы на успех, то необходимо обеспечить защиту Земли от инфекции, поскольку нельзя предвидеть воздействие других форм жизни на земную. Самый надежный способ защиты — это отказ, во всяком случае, на первых этапах исследования, от высадки людей и от использования возвращаемых аппаратов.

7. Очень важно, чтобы развитие космической техники, в частности, техники оптимального жизнеобеспечения, способствовало решению земных проблем, в особенности проблем биосферного кризиса.

8. Стратегия исследования космоса должна, в принципе, обеспечивать исследование всей Солнечной системы, а не только полутора планет, доступных для высадки человека (Марс и темная сторона Меркурия). Отметим, что кроме Марса есть и другие космические объекты, где могут быть интересные вещи: например, все большее внимание привлекают спутники Юпитера, сравнимые по размерам с Землей.

9. Еще одно немаловажное обстоятельство состоит в том, что всем специалистам по космическим исследованиям надо дать интересную работу, значимую для всех людей, — освоение или, лучше сказать, обживание космоса. Сюда относятся специалисты по пилотируемым и беспилотным кораблям, по физико-химическим и биологическим системам жизнеобеспечения и т.д.

Может показаться, что приведенные требования противоречат друг другу: в частности, необходимость эффективно реагировать на новые явления предполагает непосредственное участие человека (пункт 1), что противоречит требованиям безопасности экипажа (пункт 3) и населения Земли (пункт 6). Пункт 4 вообще представляется малодостижимым при любых нынешних сценариях изучения космоса. Во всяком случае, эти сценарии следует рассмотреть подробнее.

Известный подход с использованием автоматов имеет два варианта — автоматы с искусственным интеллектом и автоматы, управляемые с Земли. Если говорить о полностью автономных роботах с искусственным интеллектом, то в обозримом будущем от них можно ожидать не слишком много: они смогут лишь выполнять жестко заданную программу исследований и будут неэффективны при встрече с «неизвестным», что может быть главной целью экспедиции. У современного робота можно лишь запрограммировать реакции на известные ситуации, но в таком случае вряд ли есть смысл вообще его посылать. Например, можно запрограммировать робота на поиск ближайших аналогов нашей формы жизни, но не на поиск резко отличающихся форм жизни. Можно с уверенностью утверждать, что роботы, обладающие интуицией и способные к не запрограммированным эффективным действиям, появятся очень не скоро. Кроме того, объем воспринимаемой роботами информации ограничен и не включает сенсорной информации, адресованной человеческому восприятию, а это не стимулирует общественного интереса к космическим исследованиям и тем самым их общественной поддержки (пункты 1 и 4). Наконец, уже сейчас надо задумываться над экономической стороной освоения космоса — хотя бы в поисках доводов в пользу продолжения космических исследований. Исследования с помощью автономных роботов будут малоэффективны по отношению к затратам, поскольку для работы в новой среде такие роботы должны будут обладать мощными системами искусственного интеллекта: работа на поверхности планеты — совсем иное дело, чем ее исследование из космоса. Такие автономные интеллектуальные роботы будут тяжелы, малонадежны и, во всяком случае, лишены гибкости и интуиции человека.

Другой вид роботов — это роботы, управляемые с Земли. Такие роботы будут ограничены в своих функциях: в самом деле, для эффективного управления в режиме реального времени, то есть без предварительного знания, что может произойти, задержка команды должна быть не более 1/24 секунды; между тем скорость распространения сигналов не превосходит скорости света и в случае Марса находится в пределах от 8 до 40 минут, в зависимости от расположения обеих планет. В таком случае управление с Земли заведомо предполагает, что не будет никаких «стремительно возникающих» неожиданностей, между тем как подобные неожиданности возможны не только при исследовании планет, но уже при посадке на них. Например, во время первой посадки человека на Луну при ближайшем рассмотрении оказалось, что намеченное место посадки не подходит, и экспедицию спасла лишь быстрота реакции Армстронга, мгновенно перешедшего в горизонтальный полет и сумевшего посадить лунный модуль на заново выбранное место до исчерпания топлива. Если бы такая ситуация возникла при посадке на удаленную планету или ее спутник беспилотного корабля, то операторы на Земле могли бы лишь наблюдать на экранах крушение, происшедшее десятки минут назад. Другой пример менее драматичен: предположим, что подвижный робот перемещается по поверхности планеты, и оператор замечает — с задержкой в несколько минут — нечто интересное на краю поля видимости телекамеры. Он дает роботу команду вернуться, но даже если робот может автоматически вернуться по пройденному пути, то потребуется еще несколько циклов обмена сигналами уже для того, чтобы поместить заинтересовавший оператора объект в центр поля видимости телекамеры. Таким образом, чтобы просто рассмотреть интересный объект на Марсе с помощью робота, управляемого с Земли, потребуется в среднем более часа. Конечно, такая информационная система крайне малоэффективна и, по существу, пригодна лишь для изучения неподвижных объектов.

Существующие в настоящее время проекты освоения дальнего космоса с участием человека основываются на сценарии «рекордных прыжков» — весьма кратковременных и дорогостоящих предприятий. Когда 20 лет назад вернулся на Землю последний «Аполлон», рекорд (прыжок на Луну) был установлен, и программа свернута. Сейчас рассматривается новый рекордный прыжок — полет к Марсу. Как и полагается рекордному прыжку, он будет единственным в своем роде и весьма опасным для экипажа, причем вполне возможно, что и в этом случае программа может быть свернута в самом начале серьезного исследования. Если на Марсе не окажется жизни, сенсационная сторона предприятия исчезнет. А что будет, если миссия будет прекращена из-за какой-нибудь неполадки? Огромные усилия будут потрачены впустую, а вероятность подготовки повторной экспедиции кажется весьма низкой. Более того, если в случае Марса повторится история со свертыванием программы, то вряд ли удастся уговорить правительства еще раз финансировать такой проект.

Как мы полагаем, эффективная стратегия освоения космоса должна быть, прежде всего, направлена на освоение самого безвоздушного пространства, создающее тем самым основу для исследования сначала ближних, а потом и всех остальных планет Солнечной системы. Такая стратегия находится в русле идей К. Э. Циолковского, который писал: «Мы можем достигнуть завоевания Солнечной системы очень доступной тактикой. Решим вначале легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости от Земли в качестве ее спутника… Поселившись тут, получим надежную и безопасную зону, освоившись хорошо с жизнью в эфире (в материальной пустоте), мы уже более легким путем будем удаляться от Земли и Солнца, вообще разгуливать, как нам понравится». Мы выделили курсивом места, где, судя по всему, Циолковский имел в виду именно приоритетное обеспечение длительного и автономного существования и перемещения человека в свободном космическом пространстве. Это возможно лишь при помощи биологических систем жизнеобеспечения длительного использования и кораблей с большим запасом свободного хода.

Орудие стратегии обживания космоса — космический странник

Средством осуществления новой стратегии постепенного «освоения и обживания» космоса, удовлетворяющим приведенным выше требованиям и свободным от недостатков существующих сценариев, может быть описываемая дальше комбинация хорошо экранированной системы жизнеобеспечения (СЖО) длительного использования с электрическими двигателями малой тяги и роботами-манипуляторами, работающими в режиме «перенесенной реальности». Проект такой космической конструкции под названием «Space Rover», или «Космический странник» (КС), был предложен авторами настоящей статьи (Bartsev e.a., 1997). Режим «перенесенной реальности» снимает противоречие между необходимостью присутствия человека в месте контакта с новым и требованиями его безопасности. Именно человек участвует в контакте, пользуясь подвижным дистанционно управляемым роботом-манипулятором, работающим в реальном масштабе времени, то есть немедленно передающим полученную информацию и исполняющим команды. Поскольку скорость передачи сигналов не превосходит скорости света, для этого требуется присутствие человека на расстоянии не более 12 тысяч км от зоны контакта. Например, человек на орбите Марса сможет осуществлять эффективное управление манипулятором, действующим на поверхности планеты.

Режим «перенесенной реальности», служащий для безопасного исследования планет может быть обеспечен с помощью роботов-манипуляторов, снабженных телепередающей системой высокого разрешения, звуковым и тактильным каналами, передающими все, что видят, слышат и ощущают органы робота. Интенсивный поток информации можно обеспечить только на малых расстояниях: как уже было сказано, этого нельзя добиться при управлении с Земли из-за неизбежной задержки сигналов. Управление роботом-манипулятором будет осуществляться без временной задержки с помощью системы, подобной уже применяемым в Интернете системам «виртуальной реальности. Робот может долго работать на поверхности планеты без систем жизнеобеспечения (СЖО) и не требует топлива для возвращения — он остается на этой планете. В случае надобности образцы почвы могут быть доставлены на космический странник (КС) с помощью малых ракет.

Метод исследования планет с использованием роботов-манипуляторов предпочтителен (если забыть о рекордах) в том отношении, что у космонавта в скафандре весьма понижена сенсорная чувствительность. Более того, все воспринятое роботом будет записываться не только для дальнейшего изучения, но также для пропаганды и популяризации космических исследований посредством «перенесенной реальности», в сочетании с уже распространенными системами «виртуальной реальности». Использование «перенесенной реальности» позволяет записать непосредственные сенсорные ощущения на другой планете, а затем сделать их доступными любому человеку. Этим вовлечет большие массы людей в сам процесс познания космического пространства на уровне собственных сенсорных переживаний — что было бы невозможно с помощью сухих формул и численных данных. Такие переживания можно выразить словами: «Одно дело, что там кто-то был и что-то видел, другое дело — если это вижу и чувствую я сам».

При этом конечно, использование роботов-манипуляторов вовсе не является препятствием для непосредственного появления человека в зоне контакта с неизвестным. Напротив, они могут подготовить также появление. Поскольку роботы-манипуляторы не нуждаются в системах жизнеобеспечения и системах возвращения на корабль, а вес их при оснащении современными приборами может быть мал, то можно доставить большое число их в разные места планеты. Это позволит провести изучение поверхности непосредственно на грунте, выбрав наиболее интересные и безопасные места для высадки человека.

Космический странник может играть роль многоцелевого орудия для исследования и освоения космического пространства.

Он позволит осуществлять «гибкие» полеты, без необходимости жестко соблюдать назначенные сроки и траектории на каждой стадии экспедиции. Если потребуется, экипаж сможет оставаться около особенно интересного космического объекта больше времени, чем планировалось, сможет корректировать траекторию во время полета, если возникнут какие-нибудь непредвиденные обстоятельства и т.д.

Электрические двигатели КС — это ионные реактивные двигатели, выбрасывающие струю ионов рабочего вещества, разогнанных до высокой скорости электрическим полем. Энергия, нужная для создания этого поля, будет доставляться солнечными батареями. Высокая скорость истечения ионов позволяет существенно увеличить отношение полезной тяги к массе рабочего вещества, по сравнению с химическими и даже ядерными ракетами. Это значит, что малая масса взятого на ракету рабочего вещества будет достаточна для длительного полета. Электрические двигатели не могут развить очень большие кратковременные нагрузки, необходимые дня старта и посадки на планету. Поэтому они будут стартовать и садиться на внеземную космическую базу, что не требует больших ускорений. КС будет совершать полет с постоянно работающими маршевыми электрическими двигателями, корректируя траекторию в течение всего полета. Применение таких двигателей позволит снизить требования к точности расчетов и, что еще важнее, исключит влияние на траекторию нестабильной работы двигателей при первоначальном разгоне корабля. Как известно, эта нестабильность составляет трудную проблему в случае ракет, движущихся наподобие артиллерийского снаряда — по баллистическим траекториям.

Кроме исследования Марса комбинация «электрическая ракета + биологические СЖО + человек + роботы-манипуляторы» сделает возможным исследование тех планет, которые иными способами не поддаются изучению. При этом расширение области поиска не потребует особых дополнительных затрат. Человек не сможет опуститься на Венеру, с ее температурой в сотни градусов и давлением в десятки атмосфер, но он сможет побывать там в режиме «перенесенной реальности» с помощью робота-манипулятора. Точно так же станет возможно исследование спутников планет-гигантов, откуда могли прийти метеориты, якобы несущие следы жизни, что является теперь одной из движущих сил в пользу марсианского проекта. И, наконец, сами планеты-гиганты представляют собой чрезвычайно интересные объекты для исследования, а возможно, и для поиска жизни.

Между тем из-за высокой гравитации исследование их атмосферы с помощью пилотируемого космического самолета крайне опасно для человека, а при глубоком полете возвращение такого самолета из атмосферы просто невозможно. Только робот-самолет, управляемый человеком с орбитального корабля, может своевременно реагировать на атмосферные возмущения и другие неожиданные явления, увеличивая тем самым время своего существования в «бешеной» атмосфере и сбора уникальной информации.

Мы выполнили оценку современных возможностей создания электрического космического корабля и системы жизнеобеспечения (СЖО). Заметим, что имеющиеся результаты по проектированию и тестированию электрических (ионных) двигателей дают основания для оптимизма. Так, например, уже созданы и протестированы электрические двигатели, которые могут быть использованы в космических кораблях (Перспективные межпланетные полеты… 1994).

Мы рассчитали девять вариантов Космического Странника (КС) с солнечными батареями как единственным источником энергии. Разумеется, при этом учитывалось ослабление солнечного излучения с удалением от Солнца.

Вариант 1 рассчитан для полета на Марс с полезной массой 100 т и временем полета к Марсу и обратно 2 года. Варианты 2 и 3 рассчитаны для полезной нагрузки 70 т, со временем полета к Марсу и обратно 2 года, соответственно, 1 год. Варианты 4 и 5 рассчитаны для полезной нагрузки 30 т («космическая яхта») и времени полета к Марсу и обратно, соответственно, 1 год и 0,5 года. (Насколько нам известно, в обсуждаемых американских проектах планируемое время полета к Марсу в оба конца составляет 2 года.).

Варианты 6 и 7 рассчитаны для доставки полезной массы в 100, соответственно, 70 т от Земли к поясу астероидов и обратно, за время 4 года, соответственно, 3 года. Оказывается, даже для таких дальних полетов параметры корабля могут быть выбраны вполне реалистично.

Варианты 8 и 9 рассчитаны для беспилотного транспортного корабля, который позволяет реализовать сценарий освоения дальнего космоса, несколько отличный от сценария КС. По этому сценарию сначала к Марсу отправляется беспилотный транспортный корабль, который доставит на орбиту Марса необходимое оборудование, космический катер дня посадки людей и набор роботов-манипуляторов для сканирования поверхности Марса. Кроме того, этот транспортный корабль может также представлять собой космическую станцию с биологической СЖО на высших растениях и центрифугой для устранения негативных последствий длительного пребывания в невесомости. Предполагается, что во время полета к Марсу СЖО не приводится в действие и энергия солнечных батарей используется только в двигателях.

После выхода на орбиту эти солнечные батареи используются для энергообеспечения биологической СЖО, которая может автоматически включиться и выйти на рабочий режим как раз ко времени появления космонавтов, доставляемых «космической яхтою» с полезной массой 30 т, с планируемым временем полета чуда и обратно 0,5 года.

Такая орбитальная станция может служить базой для длительного исследования Марса и для исследования дальнего космоса (в первую очередь — пояса астероидов) с помощью «космических яхт», которые будут заправляться рабочим веществом на этой базе. Для полетов к Юпитеру и дальше с этой же орбитальной станции могут стартовать электрические корабли с ядерным реактором. При необходимости эта орбитальная станция может быть возвращена к Земле и затем выведена на новую орбиту — вокруг Луны или Венеры.

Сама конструкция корабля, несущего большие «паруса» из солнечных батарей, в наше время выглядит непривычно. Но в прошлом веке, когда были в употреблении парусные корабли, она никого бы не удивила. Если сопоставить эти две конструкции, то площадь батарей будет примерно во сто раз больше площади парусов такого корабля, причем вес одного квадратного метра будет одного порядка. Поскольку в космосе нет ветра, такая система батарей вряд ли опасна. Корабли прошлого месяцами шли при сильном ветре, испытывая нагрузки в десятки тонн и попадая в штормы, причем потеря парусов затрудняла возвращение домой. Износ парусов был куда больше, чем износ солнечных батарей, составляющий всего 15% за пять лет. Между тем в случае Космического Странника тяга будет измеряться всего лишь в килограммах, и в космосе не бывает штормов.

Есть стратегия, дополнительная к приведенным выше: это разработка и использование настоящих космических самолетов (мы имеем в виду не космические планеры типа «Шатл», а самолеты типа SKYLON фирмы Reaction Engines LTD).

Возвращаясь к приведенным выше требованиям, отметим, что наша стратегия КС полностью им удовлетворяет. Напомним эти требования.

1. КС — стратегия позволяет исследовать все тела Солнечной системы с применением интуиции и быстрой реакции человека, причем режим «перенесенной реальности» позволяет проникнуть в недоступные для человека места и собрать максимальное количество информации.

2. КС — корабль многократного использования. Возможно, понадобится всего один такой корабль для исследования всей области от Меркурия до пояса астероидов.

3. Электрические двигатели малой тяги весьма надежны, поскольку в них не используются экстремальные режимы — нет ни высоких температур, ни высоких давлений. То же относится к солнечным батареям, причем использование батарей является, по сравнению с ядерными реакторами, экологически чистым процессом, и сборка корабля на орбите не представляет опасности даже в случае грузовой ракеты. Кроме того, присутствие человека на корабле позволяет существенно продлить ресурсы электрических моторов, поскольку можно будет заменять некоторые компоненты двигателя, подвергающиеся ионной эрозии. Это соображение — дополнительный аргумент против использования чисто автоматических кораблей, где приходится закладывать в конструкцию корабля большие резервные ресурсы.

4. Записи, полученные в режиме «перенесенной реальности», могут быть использованы в аппаратуре «виртуальной реальности», дающей ощущение участия каждому желающему. Кроме того, связь через Интернет позволяет каждому желающему быть в курсе самой свежей информации об экспедиции и, возможно, даже участвовать в обсуждении режима ее работы. Заинтересованность широких кругов общественности в такой информации может частично окупить некоммерческие исследовательские полеты.

5. КС может, в принципе, защитить Землю от астероидных атак доставив средства разрушения астероида или отклонения его траектории.

6. Режим «перенесенной реальности» позволит изучать внеземную жизнь (если она существует) дистанционным наблюдением, без опасности инфицирования Земли.

7. Развитие СЖО длительного пользования на основе замкнутых экологических систем может быть полезно для понимания механизмов устойчивого функционирования земной атмосферы.

8. В смешанной стратегии найдется работа для всех специалистов — дня специалистов по физико-химическим и биологическим СЖО, по телеметрии, телеуправлению и автоматике, космическим самолетам и т.д.

Защита от космической радиации и невесомости

Есть несколько возможных вариантов КС, которые должны разрабатываться специалистами по электрическим двигателям и ракетной технике. Однако, поскольку важнейшими факторами, действующими на организм космонавта в длительных полетах, является космическая радиация и невесомость, проект конструкции КС должен учитывать эти аспекты. Если рабочее вещество — щелочной металл (например, цезий), то его можно одновременно использовать в качестве защитного экрана от радиации. Солнечная радиация, включая радиацию от солнечных вспышек, практически ослабляется до нулевого уровня слоем цезия толщиной 20 см.

Труднее защититься от галактической радиации, но этот же слой уменьшает ее интенсивность не менее чем вдвое. Это позволяет увеличить длительность полета, по меньшей мере, вдвое по сравнению с обычными космическими кораблями.

В рассмотренном нами варианте КС обитаемый блок корабля имеет форму чечевицы диаметром несколько более десяти метров и толщиной около шести метров (рис. 1). Общий вес корпуса базового блока, внутренних переборок и неразбираемого оборудования составляет около тридцати тонн. Такое «блюдце», поставленное на ребро, может быть легко выведено в космос носителем типа «Энергия».

Жилая часть корабля имеет вид цилиндра диаметром десять метров и высотой три метра. Эта часть довольно быстро вращается, делая один оборот за 4,5 секунды. При этом обод движется со скоростью примерно двадцать километров и час, что обеспечивает ускорение силы тяжести, соответствующее земному, а при беге в направлении вращения — дополнительную нагрузку: бегать можно будет по тридцатиметровой кольцевой дорожке по ободу цилиндра шириной в один метр. Корабль рассчитан на восемь человек, так что на члена экипажа приходится около семи квадратных метров жилой площади, обеспеченной почти нормальной тяжестью. При раскручивании цилиндра необходимо вращать в обратном направлении часть груза в зоне корабля, свободной от искусственной гравитации, причем масса цилиндра вместе с его содержимым может быть не очень большой — не больше нескольких тонн хотя и не меньше полутора — двух тонн. Ближе к оси цилиндра располагается зона оранжерей, из расчета два кубометра на члена экипажа. При хорошей плотности компоновки растений этого достаточно для полного обеспечения свежими овощами и значительной частью кислорода (добавочная физико-химическая СЖО, воздушные насосы и вспомогательное оборудование располагаются за пределами зоны искусственной гравитации). Имеется и зона пониженной гравитации, где можно работать.

Неподвижный бак для хранения цезия (в атмосфере нейтральных газов) защищает от радиации жилую зону. Цезий, требуемый для заправки корабля, должен доставляться на орбиту дополнительно. Заметим, что цезий опасен — нельзя допускать его контакта с кислородом и водой. Поэтому придется, может быть, рассмотреть вариант, когда цезий находится в вакууме, на внешней оболочке корабля. Цезий подается к двигателям в жидком состоянии (его температура плавления + 30eC) или расфасовывается в алюминиевые «кирпичи», которые уже непосредственно доставляются к двигателям.

Антирадиационная защита корабля особенно эффективна в начале полета, когда топливо еще не истрачено. По мере расхода топлива защита ослабевает, но одновременно растет и скорость корабля, а вместе с тем его способность быстро разгоняться; поэтому большую часть времени полета радиационная защита остается эффективной. При исследовании планет с низких орбит одну из сторон корабля прикроет от галактической радиации сама планета, причем эффективнее, чем стены корабля, поглощающие (в рассмотренном выше примере) лишь половину галактической радиации. Если при этом сосредоточить антирадиационную защиту на другой, противоположной планет стороне корабля, можно снизить облучение экипажа этой (наиболее трудной для экранирования) галактической компонентой до одной четверти того же облучения в открытом космосе без защиты. Таким образом, низкие околопланетные орбиты могут быть выгодны для защиты от радиации.

При полетах к удаленным планетам должны существенно расти не только сроки полета, но и запасы рабочего вещества. Кроме того, из соображений безопасности и для большей свободы маневра КС может брать на борт некоторый излишек рабочего вещества, обеспечивая тем самым достаточную защиту на все время экспедиции. При этом почти во всех случаях можно будет брать дополнительный груз, так как для электрической ракеты отношение полезной нагрузки к общему весу может быть большим. Таким образом, радиационная опасность не будет непреодолимым препятствием для дальних полетов электрических кораблей, если эффективно использовать для антирадиационной защиты рабочее вещество.

Системы жизнеобеспечения для стратегий освоения космоса

Из выполненных нами оценок (опубликованных в указанном выше отчете) видно, что реальными претендентами на использование в КС являются чисто биологические СЖО на высших растениях и гибридные биолого-физико-химические СЖО.

Расчеты оптимальной структуры СЖО велись на основе программы, ранее разработанной нами по заказу фирмы «Боинг». Оказывается, что для СЖО околопланетных баз, начиная со сроком эксплуатации около двух лет, желательно использование в системе значительного количества высших растений. При меньших сроках может быть оправдано выращивание в ограниченных количествах салата и овощей. Начиная со сроков в два года в оптимальную СЖО включается масличная культура, испытанная на замкнутых биосферах в Красноярске, — чуфа; это лучше всего дополняет газовый баланс, создаваемый физико-химическими компонентами СЖО. При сроке миссии свыше 3,6 года включается пшеница. При любых сроках выгодно иметь в структуре СЖО физико-химические компоненты — электролизер и рессор Боша. При малых сроках это обусловлено их меньшим весом. При больших сроках роль этих элементов падает из-за того, что высшие растения обеспечивают более высокую замкнутость (что есть независимость от начальных запасов и дальнейших поставок). Впрочем, при расчетах считалось, что животные белки, содержащие незаменимые аминокислоты и животные жиры, в системе вырабатываться не могут и берутся из запасов. При их окислении образуется метаболическая вода (вода, происходящая от обмена веществ), которую выгодно утилизировать с помощью электролиза, и углекислый газ, утилизируемый реактором Боша; это и обусловливает применение физико-химических компонент в оптимальной структуры СЖО, рассчитанных на большие сроки автономной эксплуатации.

При расчетах СЖО корабля приходится учитывать, что наличие энергоемкой СЖО требует использования дополнительных солнечных батарей либо прямого использования солнечного света для выращивания растений. В обоих случаях вес системы увеличивается по сравнению с СЖО орбитальной базы. В итоге для кораблей широкое использование высших растений целесообразно лишь при больших сроках миссий, а при сроках полета до четырех лет в СЖО корабля должны доминировать физико-химические компоненты.

Во всех случаях при выборе расчетного срока эксплуатации СЖО Космических Странников следует по соображениям безопасности прибавлять к плановому сроку автономной эксплуатации срок аварийной задержки. Нам представляется, что этот срок должен быть, по крайней мере, сравним с плановым сроком. Тогда пороговое время оптимального введения тех или иных структур СЖО может уменьшиться вдвое. Конкретный выбор полного срока автономной эксплуатации будет делаться в рамках детальных сценариев космических миссий.

При длительном пребывании человека в космосе желательно создание искусственной гравитации.

Поскольку для большинства технических систем корабля гравитация«напротив, нежелательна, кажется предпочтительным вариант когда вращающийся цилиндр, обеспечивающий искусственную гравитацию, располагается внутри невращающегося корабля. При этом солнечные батареи не вращаются и испытывают лишь слабое ускорение из-за работы электрических двигателей ракеты и некоторые вибрационные нагрузки.

Для смешанной (и, вероятно, самой оптимальной) стратегии будут использоваться КС, самоходные космические станции и быстроходные космические яхты на электрических (вероятнее всего, плазменных) двигателях и солнечных батареях. При этом потребуются все типы СЖО — физико-химические (для яхт), гибридные (для КС) и чисто биологические на высших растениях для космических станций. Важно отметить, что нет необходимости развивать культивирование высших растений в условиях невесомости, поскольку для кратковременных полетов биологические СЖО вообще невыгодны, а в случае длительных полетов по известным уже медицинским причинам придется создавать искусственную гравитацию, так что интенсивная культура высших растений не вызовет трудностей.

Недавняя авария на станции «Мир» наводит на мысль, что количество полетов транспортных кораблей к орбитальным станциям должно быть минимальным, а это возможно лишь с помощью высокозамкнутой СЖО на высших растениях. Оценки параметров СЖО, частоты смены экипажей и полетов транспортных кораблей, оптимизирующих надежность космических миссий, указывают на необходимость более высокого уровня замкнутости даже для ближайших космических станций.

КС-стратегия и международная космическая станция

Международная космическая станция (МКС), помимо выполнения запланированных научных задач, может использоваться как полигон для испытания узлов «Космического странника». В частности, будет очень важна доводка и обкатка электрических двигателей и солнечных батарей, которые могут быть использованы для коррекции орбиты станции и даже для перевода ее на другую орбиту. В блоке «Биомодуль» МКС может испытываться другая важная компонента КС — СЖО повышенного уровня замкнутости. При этом использование интенсивной культуры высших растений внесет разнообразие в рацион космонавтов. После отработки технологий культивирования можно будет провести эксперименты на замыкание, практически моделирующие полет КС.

О комплексной программе КС-стратегии и программе научных исследований

Как мы полагаем, можно сформулировать многоплановую программу, ориентированную на рассмотрение различных аспектов освоения человеком «среднего космоса» — межпланетного пространства от орбиты Меркурия до границы пояса астероидов. В рамках этой комплексной программы можно выделить следующие подпрограммы:

— Разработка транспортных средств и энергосистем. В основе этой подпрограммы могут лежать ракеты на электрических ионных двигателях и солнечная энергетика, поскольку разработанные до сих пор ядерные источники электроэнергии либо маломощны, либо проигрывают солнечным батареям в зоне от орбиты Меркурия до пояса астероидов, из-за большого веса систем охлаждения реакторов.

— Разработка систем жизнеобеспечения человека для автономного пребывания в космосе до четырех — шести лет. Для этой подпрограммы ключевые моменты — создание искусственной гравитации, защита от галактической компоненты космического излучения, использование высших растений в системах жизнеобеспечения.

— Научная программа исследований — прежде всего фундаментальных поисковых, — для которых благоприятно освоение зоны среднего космоса. Если средний космос будет освоен, то в распоряжении науки окажутся большие масштабы расстояний, до нескольких десятков световых минут, и можно будет проводить многоплановые синхронные наблюдения с такой базой, то есть одновременные наблюдения одних и тех же объектов с далеко отстоящих пунктов. Такие наблюдения могут заполнить множество пробелов в нашей системе исследования Вселенной — в самом деле, ведь мы даже не имеем возможности одновременно наблюдать Солнце с разных сторон. Такие наблюдения могут уточнить, подтвердить или опровергнуть некоторые элементы нашей нынешней картины мира.

— Многоплановая программа исследования и освоения планет и астероидов зоны среднего космоса, с присутствием человека, обеспечит подробную и высококачественную информацию о небесных телах этой зоны, подготовку и страховку высадки человека на некоторые крупные небесные тела среднего космоса, а в будущем возможность активного воздействия на астероиды и использования их материала.

Благодарности. Авторы благодарны академику РАН И. И. Гительзону за активное обсуждение и поддержку нашей тематики, а также члену-корреспонденту РАН Г. А. Попову за полезные замечания и консультации по современному состоянию разработки электрических ракет.

Рис. 2. Космический странник на солнечных батареях (~104 квадратных метров солнечных батарей, диаметр кабины около 10 м).