Это напоминает полёт на монгольфьере. Без иступлённого рёва дюз, без шлейфа яростного пламени, плавно уходит вниз земля. Меньше становятся дома, дороги превращаются в чуть заметные нити, истончаются серебристые ленты рек. Наконец, «нижний» суетный мир скрывается в облаках, и спустя минуты беззвучного парения в пелене, открывается мир верхний, заоблачный, разнобелый, бескрайний, чуждый и прекрасный.
Только высотный стратостат проникнет туда, где воздух слишком разрежен, чтобы давать опору крыльям самолётов, где небо уже не синее, звёзды видны днём и лишь у горизонта, изгибающегося всё круче, над сизой рябью туч видна жемчужная дымка высотной облачности. Но и стратостаты остаются внизу. Пройдена атмосфера, и за остеклением кабины космическая чернота. А кабина космического лифта, между тем, скользит выше и выше по тросу, теряющемуся и невидимому на сине-зелёном фоне планеты и уходящему в бездонную пустоту.
Содержание
Геостационарная орбита
Возможно ли, чтобы спутник неподвижно замер над головой наблюдателя? На первый взгляд – нет. Откуда тогда возьмётся центробежная сила, противодействующая притяжению Земли и удерживающая объект на орбите? Но ведь и сам наблюдатель не остаётся на месте, а вращается вместе с планетой. Если период обращения спутника окажется равен сидерическим суткам (23 часа 56 минут 4 секунды), а его орбита будет лежать точно в плоскости экватора, аппарат «зависнет» над одной точкой. Так называемой «точкой стояния».
Какими параметрами будет обладать геостационарная (то есть, обеспечивающая спутнику стационарное положение относительно наблюдателя на Земле) орбита? Согласно третьему закону Кеплера, квадраты периодов обращения двух тел должны соотноситься как кубы радиусов их орбит (закон, на самом деле, говорит о больших полуосях орбит, но для случая круговой орбиты это одно и то же).
Высота орбиты станции «Мир» — 400 км, скорость станции 7.66 км/с, период обращения – около 93 минут, что в 15.48 раз меньше сидерических суток. Для того чтобы получить радиус орбиты, к высоте орбиты необходимо добавить экваториальный радиус Земли (6378 км). Итого: 6788 км. Возведя величину 15.48 (соотношение периодов) в квадрат, и извлекая затем из результата кубический корень, получаем 6.21 (соотношение радиусов орбит). Таким образом, спутник замрёт над одной точкой экватора, оказавшись на круговой орбите радиусом примерно (поскольку взятые для расчёта цифры были не совсем точны) 42 000 км.
Какова же на самом деле будет скорость «стоящего» спутника? Как известно, первая космическая скорость равна 7.9 км/с. Но с удалением от Земли сила тяжести уменьшается пропорционально квадрату радиуса, а центробежная сила (F=mV^2/R) лишь пропорционально радиусу. Таким образом, скорость, необходимая для равновесия сил и движения по круговой орбите будет уменьшаться пропорционально квадратному корню радиуса. Это значит, что спутник на геостационарной орбите должен иметь скорость всего 3.06 км/с.
Может показаться, что вывести спутник на стационарную орбиту проще, чем на низкую. Ведь, там кинетическая энергия тела всемеро меньше. Но на самом деле, для того чтобы аппарат оказался на стационарной орбите, его потребуется поднять в гравитационном поле Земли на 36 000 км, совершив работу многократно перекрывающую «экономию» в кинетической энергии. Так, ракета-носитель «Энергия» способна вывести на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой 100 тонн, на отлётную траекторию к Луне 32 тонны, но на геостационарную орбиту – только 22 тонны. Лишь чуть больше, чем на отлётную траекторию к Марсу – 18 тонн.
На такие затраты приходится идти. Ведь, геостационарная орбита чрезвычайно привлекательна. Именно на ней находится большинство спутников связи, а связь – основное из направлений коммерческого использования космоса. Передачи через висящий над экватором ретранслятор можно принимать на неподвижные «тарелки».
Существуют и планы размещения на геостационарной орбите обитаемой станции.
Космический лифт
Зачем нужна станция на геостационарной орбите? Во-первых, для обслуживания и ремонта спутников связи, уже сейчас образующих плотный пояс. Многие из них для продления ресурса ещё на несколько лет требуется лишь дозаправить топливом, необходимым для микродвигателей, обеспечивающих ориентацию солнечных батарей и антенны. Пилотируемый корабль сможет маневрировать «вдоль» геостационарной орбиты, опускаясь чуть ниже (при этом его угловая скорость превысит скорость «стоящих спутников»), догоняя требующий обслуживания аппарат, и снова поднимаясь. Горючего на это уйдёт не больше, чем расходует низкоорбитальная станция для преодоления трения об атмосферу, очень разреженную, но ещё ощутимую высоте 200-400 км.
Казалось бы, экономическая выгода от создания станции на геостационарной орбите может быть велика. Но слишком дорого обойдётся снабжение столь удалённого космического форпоста. Для смены экипажей и отправки транспортных кораблей потребуются впятеро более тяжелые ракеты-носители. Спутники же связи и так достаточно надёжны и долговечны.
Куда привлекательнее использование высотной станции для строительства космического лифта. Ещё Константин Циолковский описывал конструкцию, связывающую геостационарную орбиту с поверхностью Земли и позволяющую отправлять грузы в космос без помощи ракет. Позже, в начале 60-х годов эту мысль развил Юрий Арцутанов. С тех пор идея продолжает волновать умы.
Что будет, если с геостационарной станции выбросить трос «вниз» (то есть, в направлении Земли)? Сначала кориолисова сила увлечёт его вперёд. Ведь он имеет ту же скорость, что и спутник, но оказался на более низкой орбите, а значит, его угловая скорость будет выше. Но некоторое время спустя трос повиснет вертикально. Потому, что для него «низ» уже есть. Трос приобрёл вес. Радиус вращения сократился, и центробежная сила больше не способна уравновесить силу притяжения. Если продолжать вытравливать канат, рано или поздно, он достигнет поверхности планеты.
Само собой, для того, чтобы центр тяжести системы не сместился, одновременно придётся вытравливать трос и в противоположную сторону – от Земли. Он тоже распрямится и натянется. Но уже не собственным весом, а центробежной силой.
Второй трос не будет пустой тратой материала. Именно в нём «вся соль». Дешёвая, безракетная доставка грузов на геостационарную орбиту – возможность ценная, но сама по себе не окупающая затраты на сооружение конструкции. Станция на высоте 36 000 километров должна будет стать лишь перевалочным пунктом. Далее, уже без затрат энергии, ускоряясь центробежной силой, грузы двинутся по второму тросу. На дистанции 144 000 километров от Земли их скорость, возрастая пропорционально радиусу, превысит вторую космическую. Лифт превратится в катапульту, отправляющую «снаряды» к Луне, Венере и Марсу за счёт энергии вращения планеты.
Проблема, как легко догадаться, в тросе. Несмотря на действительно космическую длину, он не должен оборваться под собственным весом. Со стальным канатом это произойдёт уже при длине 60 километров (на самом деле, намного раньше, так как при плетении неизбежны дефекты). Избежать разрыва можно в случае, если толщина каната будет экспоненциально возрастать с высотой (ведь каждый последующий участок должен выдерживать свой вес, плюс вес всех предыдущих). Но даже для лучшей стали «шаг» экспоненты так мал, что мысленный эксперимент приходится прервать на середине: запасы железа в земной коре недостаточны для изготовления троса.
Не подходит даже наиболее прочный из существующих материалов – полиэтилен Dyneema. Он имеет низкую плотность, при поперечном сечении в один квадратный миллиметр выдерживает нагрузку в две тонны, и рвётся под собственным весом лишь при длине 2500 км. Но и трос изготовленный из дайнимы на высоте геостационарной орбиты будет иметь толщину 10 метров, и общую массу около 300 000 тонн. Доставить такой груз на геостационарную орбиту (а лифт можно строить только сверху) не реально.
Надежды связываются с открытыми в 1991 году углеродными нанотрубками – материалом по прочности в 30 раз превосходящим кевлар. (Теоретически. На практике, пока, полиэтиленовый трос прочнее.) Если подтвердятся оптимистические оценки прочности троса из углеродного нановолокна, то возможным станет изготовление постоянной по сечению ленты длиной 36 000 км, весом 270 тонн и грузоподъёмностью 10 тонн. И даже если подтвердятся хотя бы пессимистические оценки, сооружение лифта с тросом толщиной 1 миллиметр у Земли и 25 см на орбите (масса 900 тонн без учёта верхней ветви) – уже не фантастика.
Радиационные пояса
Неприятной особенностью путешествия на космическом лифте является необходимость преодоления радиационных поясов. Магнитное поле Земли захватывает частицы солнечного ветра — протоны и электроны, – и не даёт львиной доле опасных излучений достичь поверхности планеты. Но в результате этого Землю в экваториальной плоскости окружают два колоссальных тора, внутри которых концентрация заряженных частиц настолько велика, что и космические аппараты стараются избегать этих областей.
Первый пояс – ловушка для протонов — начинается на высоте 500-1300 км и заканчивается на высоте 7000 км. За ним, примерно до высоты 13000 км располагается сравнительно безопасная область. Но ещё дальше – между 13 и 20 тысячами километров протирается внешний, состоящий из обладающих большой энергией электронов, радиационный пояс.
Орбитальные станции вращаются ниже радиационных поясов. Пилотируемые космические корабли пересекали их лишь во время лунных экспедиций, затрачивая на это часы. Но подъёмнику потребуется около суток на преодоление каждого из поясов. И это значит, что обитаемую кабину придётся снабжать массивной противорадиационной защитой.
Подъёмник
Создание подъёмника для космического лифта – задача в высшей степени нетривиальная. Для изготовления троса требуется лишь отработать новую технологию. Механизм же способный взбираться по этому тросу, доставляя грузы на орбиту, ещё требуется изобрести.
Традиционный способ подъёма грузов – кабина лифта крепится к наматывающемуся на барабан канату – не выдерживает критики с экономической точки зрения. Ведь масса доставляемого груза окажется пренебрежимо малой по сравнению с массой троса. Подъёмнику предстоит взбираться самостоятельно.
Казалось бы, и это несложно реализовать. Трос зажимается между роликами, и машина ползёт вверх, удерживаясь за счёт силы трения. Но если в фантастических произведениях космический лифт – башня, внутри которой происходит движение, или могучая колонна (в этом случае кабины скользят по её внешней поверхности), то в реальности поверхности Земли достигнет едва видимая нить. В лучшем случае узкая лента. Площадь соприкосновения с роликов с опорой будет ничтожной. Соответственно, и трение не сможет быть велико.
Существует и ещё одно ограничение – механизм не должен трос повреждать. Увы: из того, что нано-ткань невероятно прочна на разрыв, вовсе не следует, что её трудно перерезать или перетереть. Заменить же порванный трос будет очень трудно. Кроме того, если он лопнет на большой высоте, центробежная сила может унести станцию далеко в космос, погубив весь проект. Для того чтобы в аварийной ситуации удержать центр тяжести системы на стационарной орбите, на всём протяжении троса придётся разместить небольшие мины. При обрыве одной из ветвей придётся немедленно отстрелить равную по массе часть противоположной ветви.
Понадобится решить и массу других интересных задач. Например, нужно будет обеспечить расхождение подъёмников, движущихся во встречных направлениях. А также разработать методы спасения пассажиров из «застрявших» кабин.
Отдельную, и возможно сложнейшую, проблему представляет собой источник питания двигателя подъёмника. Ведь энергия потребуется немаленькая. Разгон до 3 км/с (именно такую скорость будет иметь груз на геостационарной орбите) бесплатно обеспечит гравитация. По мере движения подъёмника, прогибаемый кориолисовой силой трос, стремясь распрямится под собственным весом, будет толкать кабину лифта вперёд. Но работу для подъёма тела на 36 000 км совершить придётся. Лишь потом, пройдя точку невесомости на стационарной орбите, подъёмник начнёт ускоряться центробежной силой.
Ёмкость аккумуляторов, как существующих, так и разрабатываемых, заведомо недостаточна. Запас же химического горючего и окислителя превратит подъёмник в многоступенчатую систему, равную или близкую по массе к ракете, способной доставить груз на геостационарную орбиту. Данное решение привлекательно тем, что позволяет обойтись без чрезвычайно дорогостоящего троса.
Идеальным способом подачи питания были бы интегрированные в трос контактные провода. Но для этого придётся «научить» нанотрубки проводить электрический ток (ведь веса металлических проводов трос не выдержит). Автономное питание в виде солнечных батарей, или радиоизотопного источника имеет существенный недостаток: по самой оптимистической оценке подъём займёт десятки лет. Ядерный реактор, обладая лучшим отношением массы к мощности, доставит кабину на стационарную орбиту за годы. Но сам он слишком тяжел, и, к тому же, потребует двух-трёх дозаправок дорогой.
Единственным реальным вариантом, потенциально способным обеспечить поднимающейся кабине скорость 360 километров час, является передача энергии с помощью лазера или микроволновой пушки, облучающих приёмное устройство подъёмника. Но и такой метод не лишён недостатков. Ведь на современном уровне технологий лишь меньшая часть получаемой энергии может быть преобразована в электрическую форму. Остальное перейдёт в тепло, отвести которое в условиях безвоздушного пространства окажется весьма проблематично.
Причальная башня
Основание космического лифта проще всего представить себе, как комплекс наземных сооружений, расположенный где-то в Эквадоре, в джунглях Габона, либо на атолле в Океании. Но самое простое решение не всегда является оптимальным. Рассматривается возможность закрепления спущенного сорбиты троса на палубе корабля или на вершине колоссальной башни. Ведь морское судно сможет уклоняться от ураганов, способных если и не оборвать обладающий изрядной парусностью трос, то сбросить с него подъёмники.
Башня высотой 12-15 километров позволит защитить трос от буйства воздушных масс. Кроме того, несколько сократит его длину. Конечно, разница кажется ничтожной, но если масса троса будет зависеть от его длины экспоненциально, то даже такой крошечный выигрыш позволит достичь заметной экономии. Кроме того, причальная башня позволяет примерно вдвое повысить грузоподъёмность системы за счёт отказа от самого тонкого и уязвимого участка нити.
Но если башня высотой четыре километра – смелый инженерный проект, то втрое более высокое сооружение является конструкцией сугубо фантастической. Теоретически, такую башню можно соорудить из материала, обладающего твёрдостью алмаза, практически же никакой фундамент не выдержит её вес.
Тем не менее, даже строительство причальной вышки вдесятеро большей высоты вполне осуществимо. Если использовать в качестве строительного материала не бетон, а газ: наполненные гелием шары. Башня должна представлять собой «поплавок», нижняя часть которого погружена в атмосферу и за счёт архимедовой силы поддерживает верхнюю, находящуюся уже в пространстве, фактически, безвоздушном. Поскольку строиться это сооружение может снизу, из отдельных, имеющих разумные размеры и вполне заменимых блоков, принципиальных препятствий для осуществления проекта нет. И даже без космического лифта «парящая башня» способна оправдать себя, как электростанция (внешнюю оболочку можно покрыть солнечными батареями), ретранслятор, обслуживающий территорию радиусом полторы тысячи километров, а также база для размещения обсерваторий и исследования верхних слоёв атмосферы.
Другое дело, что если не замахиваться на высоту 100 или даже 160 километров, проблему можно решить проще. Например, используя в качестве причальной станции «заякоренный» на высоте 40 километров тороидальный аэростат. Гигантский дирижабль (или несколько дирижаблей, расположенных один над другим) разгрузят трос лифта, приняв на себя его вес на последних десятках километров.
Но самые значительные преимущества может дать движущаяся платформа в виде высотного дирижабля, летящего над экватором со скоростью 360 км/ч (что вполне достижимо в случае питания двигателя от солнечных батарей и ядерного реактора). Соответственно, в таком случае и спутник не должен висеть над одной точкой земной поверхности. Его орбита будет располагаться на 7 000 километров ниже геостационарной, что позволит уменьшить длину троса на 20%, а массу (учитывая дополнительный выигрыш от применения «причальной башни») в 2.5 раза. Хотя, разумеется, возникнет проблема доставки грузов на сам дирижабль.
Гравитационная катапульта
Космический лифт является наиболее амбициозным, но далеко не единственным проектом использования тросовой системы для запуска космических аппаратов. Причём, некоторые замыслы можно воплотить на уже достигнутом уровне технологий. Что, например, будет, если привязанный тросом груз вытолкнуть из грузового отсека шаттла «вверх» (то есть, в противоположную от Земли сторону)? По закону сохранения импульса сам корабль сместиться на более низкую орбиту. И начнёт падать. Груз же, увлекая за собой разматывающийся трос, сначала отклонится кориолисовой силой назад, но затем устремится «вверх». Ведь с увеличением радиуса вращения гравитация ослабеет, а центробежная сила увеличится.
Система сработает, как древний требюше – гравитационная метательная машина. Роль клети с камнями возьмёт на себя челнок, трос превратится в пращу, осью же станет общий центр масс системы, пребывающий в состоянии невесомости на первоначальной орбите корабля. Качнувшись относительно оси, трос распрямится в вертикальном направлении, натянется и выбросит груз. Причём, для того, чтобы снаряд достиг второй космической скорости длина «пращи» должна будет составить не свыше 100 тысяч, а не более 3000 километров (что куда реальнее). Ведь, «ось катапульты» движется со скоростью 7.9 км/с (первая космическая) по орбите высотой 230 км (что соответствует радиусу вращения 6600 км). Снаряд же, двигаясь с той же угловой скоростью, разгонится до 11.2 км/с при радиусе вращения 9370 км.
Разница между гравитационной катапультой и космическим лифтом заключается в том, что в случае лифта роль «клети» выполняет сама планета, «падающая» на неразличимо малую высоту относительно центра масс системы «Земля-снаряд». В данном же случае будет затрачена кинетическая энергия челнока. Передав часть своего импульса покидающей гравитационную яму планеты АМС (автоматической межпланетной станции), потеряв скорость и высоту, корабль войдёт в плотные слои атмосферы. Что само по себе хорошо, так как в противном случае для схождения с орбиты челноку пришлось тормозить двигателями, сжигая горючее.
С помощью тросовой катапульты шаттл сможет отправить по направлению к Марсу или Венере в 2-3 раза больший груз, чем традиционным путём. Что, впрочем, всё равно не позволит челночной системе состязаться с обычной ракетой-носителем в экономичности. Ведь на орбиту для «катапультного» запуска требуется вывести не только полезную нагрузку, но и трос с «противовесом».
Другое дело, если «клеть с камнями» уже поднята. Падающий груз для использования в системе гравитационной катапульты вполне можно найти прямо на орбите. Подойдёт, например, выполнивший свою миссию транспортный корабль. Кроме того, вокруг нашей планеты вращается огромное количество «космического мусора», который в любом случае придётся собирать уже в обозримом будущем.
****
Проблемы, связанные с сооружением космического лифта, далеки от разрешения. Экономически эффективная альтернатива современным способам доставки грузов на орбиту появится ещё нескоро. Но на данный момент «лестница в пустоту» — самый фантастичный и масштабный (во всяком случае, по размеру) проект, над которым работает наука. Сооружение, протяжённость которого в дюжину раз превосходит диаметр планеты, даже если оно окажется бесполезным с практической точки зрения, ознаменует начало нового этапа в истории человечества. Тот самый «выход из колыбели», о котором более века назад говорил Константин Эдуардович Циолковский.
Другие статьи на данную тему
