Без ракет

Оглушительный, воспринимаемый даже не ушами, а грудной клеткой, грохот, пото­ки раскаленных газов, хлещущие из газо­отводных каналов, — и вот более или ме­нее изящный «карандаш» («связка каран­дашей») ракеты-носителя, опираясь на сверкающие клинки реактивных струй, плавно ускоряясь, уходит в небо над пус­тыней... северной тайгой... океанским простором... Так, в представлении боль­шинства, начинается полет в космос. И более сорока лет космической эры это действительно так. А разве может быть по другому? Разве мыслим путь за пределы Земли без ракет-носителей уникальной конструкции, без сгорающих в их двигателях сотен и ты­сяч тонн топлива, зачастую страшно ядови­того, без зон отчуждения космодромов и по­лей падения?

Многие даже не представляют, что на все эти вопросы можно ответить одним корот­ким словом «да!». Максимум, на что хватает фантазии большинства, — это представить уходящий с бескрайней взлетной полосы гиперзвуковой воздушно-космический са­молет, «под пробку» залитый жидким водо­родом. Тоже вариант, конечно. Но...

Кабина скоростного лифта, почти бесшум­но уносящаяся к вершине башни высотой 72 тыс. км; поездообразная конструкция, ко­торая в обе стороны уходит за горизонт — и вдруг превращается в безопорный мост, взмывающий за облака; наконец, нечто не­вообразимое, вышедшее, кажется, из кон-тактерских рассказов или фильмов Дж.Лука-са, — и вот это нечто, под гудение СВЧ-гене-раторов или легкий вой гироскопов, отправ­ляется в очередной рейс к Марсу... ну, ска­жем, с площади Старый торг в Калуге. При­мерно так будут начинаться космические пу­тешествия. Должны, по крайней мере.

РАКЕТНЫЙ ТУПИК. Любая ракета подчиня­ется формуле Циолковского, связывающей ее конечную скорость, скорость истечения реактивной струи из сопел двигателей и на­туральный логарифм отношения масс за­правленной и пустой ракеты, называемого еще «числом Циолковского», или «Z».

Это самое «Z» берется не с потолка, а оп­ределяется возможностью создать конст­рукцию требуемой массы и вместимости, выдерживающую расчетные нагрузки. Если учитывать только стартовую массу носителя и полезный груз, то реально речь идет о зна­чении Z = 25. Но ведь разгонять надо и сами ракетные блоки, поэтому даже для много­ступенчатых ракет число Циолковского ред­ко превышает 10—15, а у проектируемых многоразовых систем — и того меньше.

Скорость истечения определяется совер­шенством двигателя и, в первом приближе­нии, пропорциональна корню квадратному из температуры в камере сгорания и обрат­но пропорциональна молекулярной массе того, что выбрасывается через сопло.

Но температура в камере определяется теплотворной способностью топлива и, что важнее, термостойкостью материала двига­теля. Молекулярная же масса не может быть меньше 18 — массы воды. В результате по­лучается, что максимальная скорость ракет­ной струи термохимического ракетного дви­гателя—4,5км/с...

А для того чтобы выйти на орбиту искусст­венного спутника Земли, нужно разогнаться, по крайней мере, до скорости 7,8 км/с, для полета же к Луне и другим телам Солнечной системы — более 11 км/с... Словом, энерге­тическая проблема космического полета жидкостными ракетами решается, но — на пределе технических возможностей.

Можно попробовать другие способы раз­гона реактивной струи (или рабочего тела):

использование атомарного (примерно вдвое более эффективного) топлива, на­грев рабочего тела ядерными реакциями, ускорение электрическими и магнитными полями. Забудем на минуту, что атомарное горючее нужно получать прямо в ракете и невозможно хранить, что экологические по­следствия аварии атомной ракеты непред­сказуемы, что тяга электрических двигате­лей не достигает и нескольких граммов, а для старта с Земли нужны тонны... Это тоже важно, но хуже другое.

Уже реактивная струя со скоростью 4,5 км/с создает серьезнейшие проблемы — например, требует специальных стартовых сооружений с громадными газоотводами (их глубина сравнима с высотой ракет). А в со­четании с требуемой тягой (по крайней ме­ре, на 20% больше стартового веса!) созда­ет запредельное звуковое давление. По­следнее страшно не только воздействием на стартовую площадку и ее окрестности, но и тем, что может разрушить ракету, — и ее приходится специально укреплять. Есть да­же данные, что американские «Сатурн-5» и «Шаттл», наши Н1 и «Энергия» очень близки к некоему пределу, после которого потери на акустические нагрузки просто не позво­лят ракете достичь орбитальной скорости!

Да и перечисленные способы разгона отнюдь не совершенны и ограничиваются, опять-таки, теплостойкостью двигателей. Описанные в «ТМ», № 1 за 2000 г., магнит­ные сопла и им подобные устройства час­тично решают проблему, но трудности на пути их создания могут оказаться непре­одолимыми.

Космический самолет с воздушно-реак­тивным двигателем представляется весьма сомнительным выходом из этого тупика, и вот почему. Пока абсолютно непонятно, КАК обеспечить работу его силовой установки НА ВСЕХ скоростях, от 0,2 М (число Маха) на взлете — до 10—15 М перед выходом из атмосферы. Только СЕЙЧАС мы начали осо­знавать, насколько сложна эта техническая задача, причем неизвестно, удастся ли ее вообще решить...

РЕЛЬСЫ УХОДЯТ В БЕСКОНЕЧНОСТЬ.

Сразу оговоримся: излагаемые далее про­екты тоже пока очень далеки от реализации. Но как знать? Может, они много ближе к ней, чем кажется?

Напомню: чтобы куда-то полететь, нужно разогнаться до определенной скорости, хо­тя бы орбитальной. Можно ли это сделать без ракеты?

Как ни покажется странным, приоритет здесь также нужно отдать... Константину Эдуардовичу Циолковскому! Что лишний раз показывает: основоположник космо­навтики был мудрее и дальновиднее иных руководителей космической отрасли, раке­та для него была только средством.

В 1893 — 1895 гг., во времена написания работы «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения» Циолковскому были известны два способа достижения больших скоростей — пушка и поезд (не забудем, что до первого полета братьев Райт — де­сять лет). Пушка после элементарных рас­четов отпадает из-за запредельных пере­грузок внутри снаряда. А поезд?

Чтобы стать искусственным спутником Земли, летательный аппарат должен разви­вать скорость не менее 7,8 км/с, то есть 28080 км/ч. В 90-х гг. XIX в. была уже вполне вообразима скорость 100 км/ч. В 290 раз меньше требуемой! Но Циолковского это не остановило. Предложенная им идея на­столько проста, что заслуживает эпитета гениальной.

Представим, что по экватору проложен не­прерывный кольцевой железнодорожный путь. И пусть по нему со скоростью 100 км/ч движется непрерывный кольцевой поезд. А (внимание!) по крышам вагонов проложен еще один путь, по которому в ту же сторону, с той же — относительно пути — скоростью несется еще один такой же поезд. Очевидно, что относительно поверхности планеты он развивает скорость уже 200 км/ч... И так да­лее, до требуемой скорости, которую до­стигнет 290-й состав (на самом деле ярусов нужно будет «чуть меньше», поскольку Земля вращается, добавляя к суммарной скорости на экваторе, ни много ни мало, 1670,5 км/ч).

Естественно, для Земли подобный проект в описанной форме достаточно малореален (атмосфера, несферичность поверхности, океаны, границы), и Циолковский об этом тоже пишет. И тут же приводит аналогичные выкладки для Луны, Марса, спутников Юпи­тера, крупных астероидов... Там, кстати, и атмосферы нет. (Между прочим, отметим: то же относится ко всем проектам, о которых будет рассказано дальше. Все они куда про­ще реализуются на малых планетах!)

Впоследствии Циолковский открыл для себя ракету, и дальнейшие его космические изыскания связаны с ней. В 1898 г. он начал свой главный труд — «Исследование миро­вых пространств реактивными приборами», первая редакция которого была опублико­вана в 1903-м. Однако... Через четверть ве­ка, в 1926 г., Константин Эдуардович вер­нулся к скоростным поездам, подробно ис­следовав возможность поставить их на воз­душную подушку. Такие поезда, как мы зна­ем теперь, способны двигаться в три—пять раз быстрее, чем обычные. Может быть, ос­новоположник космонавтики все-таки ис­кал и неракетные возможности? Впрочем, не будем додумывать за Циолковского, сам он об этом не писал.

ВЗЛЕТЕТЬ, ОСТАВАЯСЬ НА МЕСТЕ. Как

же мешает космонавтике атмосфера нашей планеты! Нет, хорошо, конечно, что она есть, иначе и летать-то было бы некому, да и ап­параты при посадке она тормозит, но в ос­тальном... И, кстати, все высокоимпульсные двигатели тоже хороши в безвоздушном пространстве. Вот выбраться бы хоть туда...

Несколько цифр. Как известно, боль­шинство пилотируемых космических ко­раблей летают на высоте около 300 км. Примерно на той же высоте летают боль­шинство фоторазведчиков, эксперимен­тальных спутников. Значит, атмосферы там, практически, уже нет? Прекрасно. Те­перь представьте себе два жестких кольца. Одно огибает Землю по экватору, а вто­рое — в 300 км над ним. На сколько второе кольцо длиннее первого? Примерно на 2000 км, то есть — на 5%!

Итак, если охватывающее Землю по эква­тору кольцо удлинить всего на одну двадца­тую, оно окажется уже в космосе. В этом и заключается идея ОТС — «Общепланетного транспортного средства», предложенного в 6-м номере нашего журнала за 1982 г. изоб­ретателем Анатолием Юницким.

Разумеется, технически все очень слож­но. ОТС представляет собой гигантский кольцевой статор, в котором, на магнитной подвеске, в противоположные стороны вра­щаются два кольцевых маховика с одинако­выми моментами инерции. Маховики нужны как для поддержания формы ОТС (пред­ставьте себе мостовой пролет длиной более 40 тыс. км), так и для разгона конструкции до орбитальной скорости. Выглядит все это следующим образом.

На лежащий на поверхности Земли (на специальных опорах) статор навешиваются грузы, которые необходимо вывести на око­лоземную орбиту. Затем маховики разгоня­ются в противоположные стороны, после че­го ОТС удлиняется на эти самые 5%. Самое интересное — ЦЕНТР МАСС системы оста­ется на месте! А сам обруч оказывается на 300-километровой высоте.

После этого один из маховиков начинает тормозиться, а статор, соответственно, раз­гоняться — до орбитальной скорости. Затем ОТС разгружается — и загружается тем, что нужно вернуть на Землю. После чего статор, посредством манипуляций с маховиками, встает неподвижно Относительно поверхно­сти Земли и — укорачивается на 5%. Все, транспортный цикл закончен. Оставленный на низкой экваториальной орбите «рой» по­лезных грузов растаскивается по «рабочим местам» космическими буксировщиками, к двигателям которых предъявляются уже со­вершенно другие требования.

Атмосфера ОТС абсолютно не мешает, поскольку скорость подъема-спуска, то есть удлинения-укорачивания, может быть сколь угодно малой. Другое дело — погод-но-климатические воздействия. Но тут нам поможет сама масштабность сооружения — и соответствующим образом профилиро­ванный обтекатель.

Серьезнее другая проблема: центр масс Земли, точнее, системы Земля — Луна не совпадает с геометрическим центром на­шей планеты, да и не стоит на месте относи­тельно ее поверхности. Во всяком случае, в моменты «взлета» и^посадки» ОТС это об­стоятельство придется учитывать.

«ВАВИЛОНСКАЯ БАШНЯ»... РОДОМ ИЗ

«ТМ». Да, именно «Техника — молодежи» (№ 4 за 1977 г. и № 4 за 1979-й) в свое вре­мя рассказала об идее ленинградского ин­женера Юрия Арцутанова, развитой Георги­ем Поляковым, и именно в нашем журнале (в 1980 г.) был опубликован научно-фантас­тический роман Артура Кларка «Фонтаны рая», посвященный ее реализации. А в са­мом деле, так ли уж утопична мечта постро­ить башню до неба?

Напомню, что искусственный спутник дол­жен иметь на уровне Земли скорость 28080 км/ч и облетать планету за 86 мин. Сама же поверхность нашей планеты имеет, как уже говорилось, на экваторе скорость 1670,5 км/ч и полный оборот совершает за сутки. Но орбитальная скорость уменьшает­ся обратно пропорционально корню квад­ратному из радиуса орбиты. Это с одной сто­роны. С другой — с ростом радиуса орбиты увеличивается и путь, который нужно пройти спутнику для завершения полного витка. В результате на некоторой высоте УГЛОВАЯ скорость спутника, летящего над экватором, сравнивается с угловой скоростью вращения планеты. То есть космический аппарат пови­сает над одной точкой поверхности.

Для Земли это происходит на высоте око­ло 36 тыс. км, и эта орбита называется гео­стационарной. Так почему бы не протянуть со спутника в «наземную точку» под ним не виртуальный «канат» радиоканала, а реальный трос? Правда, желательно одновремен­но в противоположную сторону пустить про­тивовес, тогда вся конструкция продолжит двигаться по орбите.

Весь смак изобретения в том, что усилия в конструкции этой, с позволения сказать, башни будут не сжимающими, а РАСТЯГИ­ВАЮЩИМИ. А подавляющее большинство созданных и освоенных человечеством ма­териалов лучше всего работают именно на растяжение, исключение составляют кир­пич и бетон.

Правда, «подвеска» длиной 36 тыс. км — тоже не сахар. Любой металлический трос, например, оборвется под собственным ве­сом и при много меньшей длине. Кларк на­шел выход в использовании углеродного, а точнее, алмазного волокна. Сегодня ТЕО­РЕТИЧЕСКИЕ причины, препятствующие его созданию, неизвестны. Но пока углево-локно — нечто другое, а искусственные ал­мазы (пока) хороши только в виде абразив­ного порошка. Но, в конце концов, действие «Фонтанов рая» разворачивается в XXIII в., все еще впереди!

Помешать космическому лифту может то обстоятельство, что спутники на геостацио­нарной орбите (сокращенно ГСО), строго говоря, не совсем «стоят на месте». Земля далеко не шар, а в относительной близости находятся еще и Луна, Солнце и другие мас­сивные тела, вносящие существенные по­мехи. Правильнее сказать, что геостацио­нарный спутник дрейфует вокруг некоей точки, да и то склонен из нее уйти. Только несколько точек на всей геостационарной орбите действительно устойчивы настоль­ко, что туда потихоньку «сползают» отрабо­тавшие свое и выключенные ретранслято­ры, собирается космический мусор.

Очевидно, под этими точками на поверх­ности Земли и надо начинать строительство. Жаль вот только, что законы небесной меха­ники плохо согласуются с земным устройст­вом — с границами государств, а главное — с распределением воды и суши на планете.

Правда, если удастся соорудить хотя бы две башни, их можно будет соединить — опять же, по ГСО — орбитальным кольцом, а следующие строить уже с него. Тогда грави­тационная неустойчивость будет не страш­на. Правда, длина окружности такого кольца составит более 250 тыс. км...

ТОЖЕ МАТЕРИЯ. Впрочем, что это мы «за-циклились» на циклопических сооружениях, выводящих в ближний космос сверхболь­шие грузопотоки? Наука, изобретательская мысль предлагают и другие возможности. Вспомним: материя существует в виде ве­щества и поля. И если при создании астро-инженерных конструкций из вещества вста­ют неразрешимые проблемы, то, может быть, лучше использовать поля?

Таких идей (разной, правда, глубины про­работки) множество. Что характерно: чаще (да почти всегда) предлагается использо­вать поля, уже существующие в природе. Привычно, закономерно, наиболее перспек­тивно, но... Неспроста же люди испокон ве­ков, не ограничиваясь морями и реками, строили судоходные каналы!

Предложений создать какое-то поле, вза­имодействуя с которым будет двигаться ко­смический аппарат, пока очень мало. (Как раз одно из них — представленный в преды­дущей статье проект тюменского инженера В.А. Золотухина.)

РЕЛЬСЫ УХОДЯТ... В НИКУДА? Возможно, при глубокой проектно-конструкторской про­работке вышеизложенных идей всплывут не­кие неразрешимые технические трудности, делающие принципиально невозможными многоэтажные поезда, пульсирующие ОТС, алмазные космические лифты и им подобные циклопические конструкции. Но, скорее все­го, причины, крайне осложняющие их реали­зацию, будут весьма далеки от технических.

Все эти, так сказать, «твердотельные» мосты в космос возможны ТОЛЬКО при ус­ловии «одна планета — один хозяин». То есть когда не будет границ, проблем с отсе-лением людей из зон строительства, кон­фликтов интересов (достаточно сказать, что ВСЕ спутники до высоты 300 км в случае ОТС и 72000 км с случае лифта придется снимать, да и весь ближайший космос осно­вательно чистить). Когда только историки будут употреблять слово «терроризм». Ког­да... Словом, когда население Земли зажи­вет, по словам поэта, «единым человечьим общежитьем». Рано или поздно это про­изойдет... Насколько поздно?

Если же, в угоду «новому мировому поряд­ку», возникнет глобальное, полностью кон­тролируемое «общество потребления» эр­зац-еды и эрзац-культуры, космос ТАКОМУ обществу не понадобится...

Сейчас мы знаем, что предварительные ис­следования на тему «что и как делать в космо­се» американцы вели чуть ли не с 1947 г. Но только после советских космических три-умфов, после первого спутника и полета Гага­рина заокеанская космонавтика перешла из «бумажной» стадии в «металлическую». И сейчас ИХ космос — связь, метеорология, навигация, картография. Это важно, нужно, окупается, но это — малая толика того, что ко­смос ДОЛЖЕН и МОЖЕТ дать Человечеству!

Словом, с необходимым для реализации глобальных космических сооружений гло­бальным политическим объединением землян — явные и большие проблемы. Те­перь об экономике.

Возьмем, для примера, то же ОТС — «Об­щепланетное  транспортное  средство» А.Юницкого. Длина его, напомню, чуть более 40 тыс. км. Поперечные размеры сравнимы с таковыми у атомных подводных лодок (диа­метр 12 м). Вряд ли легче будет и «погонный метр» сооружения —скорее всего, он соста­вит около 70 т/м (сам Юницкий предлагает 40 т/м). Итого общий вес 2,8 млн т. Стоимость килограмма такой конструкции оценивается по разному — от 1000 до 10000 долл./кг. Так что все сооружение будет стоить от 3 до 30 триллионов долл.! Это минимум, на самом же деле, учитывая уникальность конструкции и глобальный характер строительных работ, полученную сумму следует увеличить на один-два порядка...

Итог впечатляет, но это еще не все. ОТС должно возить груз. Допустим, оно де­лает одну пульсацию в сутки, и способно за раз поднять полмиллиона тонн. Но это же 183 млн т в год! Столько — туда, и столько же — обратно. «Почувствуйте разницу»:

в лучшие годы грузопоток «Земля—орбита» не превышал полутора тысяч т/г! Дело, опять-таки, не в самой цифре, а в том, что эти 183 (да пусть даже втрое меньше) млн т/г. нужно еще произвести! А если ОТС будет простаивать, то зачем оно вообще нужно?

С лифтами — та же ситуация, но еще «ве­селее»: размеры — больше, материал — на­много дороже (ОТС может быть и стальным, лифты же — буквально алмазные), пропуск­ная способность — значительно меньше.

В.А. Золотухин подходит к проблеме принципиально с другой стороны: сначала формулирует масштабную задачу — не про­сто освоение, а колонизация космоса (см. также статью «Ногою твердой стать...» в на­шем журнале, №4 за 1999 г.). Решение такой задачи предусматривает пассажиропотоки и грузоперевозки, объем которых заведомо многократно превышает возможности всех мыслимых традиционных технологий. Исхо­дя из этого и предлагается способ решения.

Другим серьезным достоинством идеи тюменского инженера является «виртуаль­ность» «рельсов», по которым движутся транспортные капсулы — они («рельсы») су­ществуют только во время работы устано­вок, а не строятся заранее. «Несуществую­щие» элементы глобальной транспортной системы не требуют постоянных зон отчуж­дения, их невозможно повредить.

Наконец, в отличие от прочих циклопиче­ских космотранспортных комплексов, маг-нитоплазменные космодромы могут ис­пользоваться и вне целостной системы, причем не только как транспортные устрой­ства, но и для управления климатом, напри­мер, начнут давать экономическую отдачу задолго до создания в Солнечной системе всей гигантской инфраструктуры, предло­женной изобретателем.

Пожалуй, если вывести за скобки иллю­зорность самой надежды принять полити­ческое решение о крупномасштабной коло­низации околосолнечного космоса, един­ственным «недостатком» проекта Золоту­хина будет его запредельная смелость: все составные части его системы нужно либо .создавать заново, либо характеристики не­многих существующих прототипов по­вышать на многие порядки... Но это — «достойный недостаток».