Проблемы перелетов и корабли-астероиды разрабатываемые в России...

Циолковский не только теоретически исследовал проблемы космического развития человечества как большинство мыслителей-космистов, но также занимался теоретической и экспериментальной разработкой средств, способных обеспечить решение поставленных проблем. Рассматривая проблему распространения жизни во Вселенной, Циолковский обосновал возможность использования ракет для преодоления сил тяготения Земли и полетов в космическом пространстве.

Во времена Циолковского казалось очевидным, что те средства, которые позволят человеку преодолеть земное тяготение, будут пригодны и для осуществления космических перелетов. Но оказалось, что это не совсем так. Постоянные наблюдения и исследования состояния человека, проводимые в космосе со времени начала эры пилотируемых полетов, выявили ряд проблем, которые не были известны создателю теории космонавтики. Кроме того выяснилось, что создание необходимых запасов энергии на космическом корабле для осуществления дальних полетов с приемлемыми сроками, также является значительной проблемой.

Осуществление пилотируемых космических полетов внутри Солнечной системы, а в дальнейшем за ее пределами, будет являться практически невозможным без решения следующих проблем:

- создание во время полетов искусственной силы тяжести;

- обеспечение достаточной защиты от радиации;

- наличие необходимого количества энергии на космическом корабле для обеспечения полета.

Существующие и проектируемые космические аппараты для пилотируемых межпланетных перелетов эти проблемы в должной мере не решают. Для их решения предлагается использовать оборудованные соответствующим образом астероиды.

Для того, чтобы составить представление о возникающих трудностях, рассмотрим указанные проблемы несколько подробнее.

Оказалось, что организм человека, сформированный в условиях земного тяготения, может функционировать длительное время только при наличии силы тяжести. Специалисты по гравитационной физиологии установили, что гравитация «учтена» практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета.

Чтобы понять, до какой степени живые организмы зависят от силы притяжения, потребовалось выйти в космос.

В проведенных исследованиях было выявлено наличие у человека новой сенсорной системы, реагирующей на изменение гравитации – системы восприятия опоры, которая, в частности, является регулятором функционирования таких важнейших систем организма как сердечно-сосудистая, тонус мышц тела, объем внеклеточной жидкости и др.

Отсутствие силы тяжести приводит к перераспределению жидкости в организме, снижению сократительной способности мышечных волокон, минеральной плотности костной ткани, расстройству всех форм зрительных движений, потере ориентации в пространстве и т.п. При возвращении на Землю после продолжительных полетов возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг.

Одним из основных решений данной проблемы в условиях длительных космических полетов – это создание искусственной силы тяжести.

При проведении экспериментальных исследований было также установлено, что минимальное значение ускорения свободного падения, необходимое для правильной ориентации в пространстве и определении направлений, составляет примерно 15 процентов от его земного значения.

• • • Уровни гравитации, достаточные для нормального выполнения различными органами организма человека своих функций, в настоящее время еще не определены.

Не менее опасным для человека в рассматриваемых условиях является воздействие космической радиации. Различают четыре вида источников космической радиации: галактические космические лучи, солнечные космические лучи, так называемый солнечный ветер и радиационные пояса Земли.

• • • Галактические космические лучи являются наиболее высокоэнергетической составляющей радиации в космическом пространстве. Для полного их поглощения требуется свинцовый экран толщиной 15 метров. Доза облучения от этих лучей достигает 0,5 – 1 зиверта, где зиверт – единица измерения воздействия радиации на человеческое тело (допустимая доза облучения за год составляет 1 зиверт; смертельная доза облучения – 6 зиверт).
    • Солнечные космические лучи возникают при так называемых солнечных вспышках и могут в тысячи раз превышать обычный уровень галактических космических лучей. Основной компонентой галактических и солнечных космических лучей являются протоны (ядра атомов водорода), которые свободно проникают через оболочки современных космических станций. Солнце также постоянно испускает значительные потоки заряженных частиц, называемых солнечным ветром.

Радиационные пояса Земли, являющиеся зоной повышенной радиации, расположены на высотах 800 - 24000 км. Уровень радиации в поясах сильно меняется в зависимости от высоты и в целом значительно превышает уровни радиации от космических лучей. Допустимо только кратковременное их пересечение и то при нахождении экипажа в специально защищенном отсеке.

Жизнь на Земле сформировалась под защитой магнитного поля Земли, ослабляющего радиоактивное воздействие постоянно «дующего» солнечного ветра и других видов космической радиации. Магнитное поле Земли отклоняет частицы солнечного ветра от направления к Земле на высотах более 60 тыс. км. Орбиты околоземных орбитальных станций располагаются на высоте 200 – 400 км (высота орбиты Международной космической станции составляет примерно 400 км), то есть находятся под защитой магнитного поля Земли и вне ее радиационных поясов, что делает возможным длительное пребывание людей в этих условиях.

Тем не менее, космонавты на Международной космической станции за день получают дозу радиации в размере около 1 миллизиверта, что примерно равнозначно облучению человека на Земле за год. Несмотря на улучшение механизма радиационной защиты по сравнению, например, с орбитальной станцией «Мир», уровень защиты изменился незначительно.

В 2012 г. во время полета автоматической космической станции к Марсу впервые были проведены измерения реальной радиационной обстановки на этой трассе. Датчик, анализирующий радиационный фон, был прикрыт радиационной защитой, соответствующей условиям внутри действующей в настоящее время Международной космической станции. Помимо постоянно действующих видов радиации было зафиксировано пять вспышек солнечной активности, причем одна из них была самого мощного класса.

Оценки, произведенные на основании полученных данных, показали, что суточная доза облучения составит 1,8 миллизиверт, а общая за перелет – 0, 66 зиверта. Вместе с пребыванием на поверхности Марса в течение года она может превысить допустимую дозу в 1 зиверт.

Таким образом, при существующем уровне развития радиационной защиты космических кораблей обеспечение радиационной безопасности является значительной проблемой.

Как было отмечено ранее, существенной проблемой, которую необходимо решить для возможности осуществления дальних космических полетов – это наличие достаточного количества энергии для разгона и торможения космических кораблей. При использовании для этих целей исключительно топлива, размещаемого на ракетоносителях космических кораблей, запасы которого связаны с существенными конструктивными ограничениями, удается достичь только минимальных скоростей полета – так называемой второй космической скорости, позволяющей выйти за пределы поля тяготения Земли.

Например, масса ракетоносителя «Сатурн-5», используемого в программе «Аполлон» для полетов на Луну, составляла 2950 т, полезная нагрузка, выводимая на траекторию полета к Луне со второй космической скоростью, составляла 45 т.

• • • То есть соотношение полезной нагрузки к общей массе ракетоносителя составляло 1 к 65.

При придании полезной нагрузке больших скоростей это соотношение начинает «съедать» полезную нагрузку.

Такое положение дел приводит к тому, что время перелета даже к ближайшей планете – Марсу, будет составлять около 260 дней.

Более далекие полеты при использовании существующих средств являются практически невозможными.

Все перечисленные важнейшие проблемы, возникающие при рассмотрении возможности осуществления дальних космических полетов, могут найти свое решение при использовании в качестве космических кораблей астероидов, способных обеспечить:

- необходимую степень радиационной защиты за счет создания внутри астероида полостей под безопасной толщей пород для размещения людей и оборудования;

- возможность создания искусственной гравитации путем придания астероиду вращательного движения;

- создание во внутренней полости атмосферного давления и полного цикла систем жизнеобеспечения;

- гравитационный разгон (и торможение на конечном участке полета) при пролете по определенным траекториям вблизи планет, что позволяет увеличить скорости перелета и получить значительную экономию топлива.

Гравитационными маневрами называют разгон, торможение или изменение направления полета космического аппарата за счет использования действия гравитационных полей небесных тел при пролете около них.

В нашу задачу не входит подробное рассмотрение механики этих маневров. Заметим только, что сближение аппарата с планетой с внешней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат получает от планеты часть энергии ее движения (так называемого углового момента) и ускоряет свое движение, а при сближении с внутренней стороны – наоборот, замедляет.

Таким образом, без затрат топлива можно изменить скорость движения космического аппарата. Необходимо также отметить, что эти изменения практически не зависят от массы космического аппарата (а только от массы планеты), что особенно важно для изменения движения кораблей-астероидов, так как последние будут достаточно массивными. Наиболее выгодны, естественно, гравитационные маневры у планет-гигантов, которые могут значительно сокращать длительность космического полета.

Используются такие маневры и около Земли, Венеры и даже Луны. Они экономят топливо, но в силу ряда своих особенностей могут увеличить время полета, поэтому их применение на данных трассах более целесообразно для автоматических станций. В таких полетах идут на увеличение времени полетов, так как в противном случае они вообще не состоялись из-за невозможности вывести в космос при приемлемых затратах требуемое количество топлива современными ракетоносителями.

По рассмотренным выше причинам гравитационные маневры активно используются при проведении космических полетов. Первый такой маневр был осуществлен в 1959 г. при реализации эксперимента по фотографированию обратной стороны Луны, который проводился с помощью советской автоматической станции «Луна-3». Полеты автоматических станций к планетам-гигантам (Юпитер, Сатурн, Уран) были бы невозможны без разгонов и поворотов, связанных с гравитационными маневрами.

Вошло в практику многократное применение гравитационных маневров в течение одного полета.

Например, сложная комбинация гравитационных маневров была использована при реализации траектории автоматической межпланетной станции «Кассини», которая осуществила посадку европейского зонда «Гюйгенс» на спутник Сатурна Титан.

Таким образом, возможность осуществления многих современных программ является прямым следствием использования гравитационных маневров. С их помощью межпланетные аппараты отправляют на дальние окраины Солнечной системы почти без затрат топлива.

• • • Для реализации полетов к другим звездам будут необходимы гравитационные маневры с использованием Солнца, что позволит достигнуть больших скоростей перелета.

Темой данной статьи не является рассмотрение всех проблем, возникающих при дальних космических полетах. Но в связи с затрагиванием энергетической их стороны для полноты картины нужно отметить, что гравитационные маневры, несмотря на значительные возможности, не решают всех проблем энергетики дальнего полета

По современным представлениям пилотируемые корабли, предназначенные для дальних полетов, должны быть оборудованы так называемыми реактивными двигателями малой тяги. Эти двигатели в силу своих конструктивных особенностей не могут быть созданы с тягой, позволяющей преодолеть тяготение Земли. Но их достоинством является значительно больший по сравнению с химическими реактивными двигателями, так называемый удельный импульс, что создает огромную экономию топлива и возможность практически непрерывной работы.

В качестве идеального корабля-астероида для межзвездных перелетов можно представить астероид с внутренней цилиндрической полостью диаметром 100 м, толщиной защитного слоя из вещества астероида не менее 50 м, с заполнением этой полости воздухом с давлением, соответствующим атмосферному (извлекаемая при создании полости порода может быть использована в рамках программ добычи полезных ископаемых).

Астероиду придается вращение, обеспечивающее создание искусственной силы тяжести, эквивалентной земному притяжению. Скорость вращения при этом составит примерно четыре оборота в минуту. Он будет оснащен полностью замкнутыми системами жизнеобеспечения, которые в настоящее время уже созданы и могут обеспечивать человека пищей, кислородом для дыхания, поглощать образующийся при дыхании углекислый газ и утилизировать продукты жизнедеятельности человека.

Энергоснабжение корабля-астероида может быть обеспечено за счет атомной электростанции, которая будет также использоваться для работы двигателей малой тяги, а их на астероиде потребуется несколько сотен. Такие корабли-астероиды будут способны обеспечивать длительные межзвездные перелеты.

Перспективы использования для межпланетных и межзвездных перелетов астероидов требуют проведения соответствующего этой задаче изучения последних и составление каталога астероидов – претендентов на использование в качестве космических кораблей.

Астероиды, включенные в этот каталог, должны находиться под охраной международного законодательства. Это тем более необходимо в связи с планом альтернативного использования астероидов для добычи полезных ископаемых, о котором будет сказано ниже.

От этой не менее важной задачи не должна пострадать программа использования астероидов в качестве космических кораблей, что определяет возможности освоения человечеством как Солнечной системы, так и дальнего космоса.

В настоящее время начинают проводиться исследования, направленные на изучение возможности использования астероидов в качестве космических кораблей. Примером таких исследований может служить проект пилотируемого полета на Марс внутри астероида, разработанный в Международной космической школе при МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Одна из главных задач этого проекта – обеспечение защиты экипажа корабля от радиации. В рамках этого проекта был также поставлен вопрос о разработке технологии создания полостей внутри астероида для размещения экипажа и оборудования. Один из вариантов такой технологии разрабатывается в Институте космических исследований РАН и планируется его отработка на лунных грунтах в процессе экспедиции автоматической станции «Луна-Ресурс» («Луна-27») в 2028 году.