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.

Страница 2 из 3 Все страницы