По канату в небеса

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 69

Ракетні двигуни, засновані на хімічних реакціях, добре зарекомендували себе за останні півстоліття при роботі на навколоземних орбітах. Але щоб піти далі, потрібно щось інше — наприклад, космічний ліфт.

Сьогодні космічні апарати досліджують Місяць, Сонце, планети і астероїди, комети і міжпланетний простір. Але ракети на хімічному паливі все ще залишаються дорогим і малопотужним засобом виведення корисного навантаження за межі земного тяжіння. Сучасна ракетна техніка практично досягла межі можливостей, поставлених природою хімічних реакцій. Невже людство зайшло в технологічний глухий кут? Зовсім ні, якщо звернути увагу на стару ідею космічного ліфта.

У витоків

Першим, хто серйозно подумав над тим, як подолати тяжіння планети за допомогою «підтягування», був один з розробників реактивних апаратів Фелікс Цандер. На відміну від фантазера і вигадника барона Мюнхгаузена, Цандер запропонував науково обґрунтований варіант космічного ліфта для Місяця. На шляху між Місяцем і Землею є точка, в якій сили тяжіння цих тіл врівноважують один одного. Вона знаходиться на відстані 60 000 км від Місяця. Ближче до Місяця місячне тяжіння буде сильніше земного, а далі — слабше. Отже, якщо зв’язати тросом Місяць з якимось астероїдом, залишеним, скажімо, на відстані 70 000 км від Місяця, то тільки трос не дозволить астероїду впасти на Землю. Силою земного тяжіння трос буде постійно натягнутий, і по ньому можна буде з поверхні Місяця піднятися за межі місячного тяжіння. З точки зору науки — абсолютно правильна ідея. Вона не отримала відразу заслуженої уваги тільки тому, що за часів Цандера просто не існувало матеріалів, трос з яких не обірвався б під власною вагою.

Перші ідеї

Перші ж успіхи космонавтики знову розбудили фантазію ентузіастів. У 1960 році молодий радянський інженер Юрій Арцутанов звернув увагу на цікаву особливість так званих геостаціонарних супутників (ДСС). Ці супутники знаходяться на круговій орбіті точно в площині земного екватора і мають період обігу, рівний тривалості земної доби. Тому геостаціонарний супутник постійно висить над однією і тією ж точкою екватора. Арцутанов запропонував з’єднати ДСС тросом з точкою на земному екваторі. Трос буде нерухомий щодо Землі, і по ньому так і напрошується ідея пустити в космос кабіну ліфта. Ця яскрава ідея захопила багато розуму. Знаменитий письменник Артур Кларк навіть написав фантастичний роман «Фонтани раю», в якому вся фабула пов’язана з будівництвом космічного ліфта.

Артур Кларк,

письменник-лід, популяризатор науки:

«У 1951 році професор Бакмінстер Фуллер розробив вільно парящий кільцевий міст навколо екватора Землі. Все, що потрібно для втілення цієї ідеї в реальність, — космічний ліфт. І коли ж він у нас буде? Я б не хотів гадати, тому адаптую відповідь, яку дав Артур Кантровіц, коли хтось поставив йому питання про його лазерну систему запуску. Космічний ліфт буде побудований через 50 років після того, як над цією ідеєю перестануть сміятися «.

(«Космічний ліфт: мислений експеримент чи ключ до Всесвіту? «, виступ на XXX Міжнародному конгресі з астронавтики, Мюнхен, 20 вересня 1979 року.)

Проблеми ліфта

Сьогодні ідею космічного ліфта на ДСС вже намагаються втілити в США і Японії, влаштовуються навіть конкурси серед розробників цієї ідеї. Основні зусилля конструкторів спрямовані на пошук матеріалів, з яких можна зробити трос довжиною 40 000 км, здатний витримати не тільки власну вагу, але і вагу інших деталей конструкції. Чудово, що відповідна речовина для троса вже придумана. Це вуглецеві нанотрубки. Їх міцність в кілька разів вища, ніж потрібно для космічного ліфта, але треба ще навчитися робити бездефектну нитку з таких трубок довжиною в десятки тисяч кілометрів. Сумніватися в тому, що така технічна задача буде рано чи пізно вирішена, не варто.

Друге і теж серйозне завдання на шляху будівництва космічного ліфта полягає в розробці двигуна для ліфта і системи його енергетичного забезпечення. Адже кабіна повинна піднятися на 40 000 км без дозаправки до самого кінця підйому! Як цього домогтися — ніхто ще не придумав.

Нестійка рівновага

Але найбільша, навіть непереборна, трудність для ліфта на геостаціонарний супутник пов’язана з законами небесної механіки. ДСС знаходиться на своїй чудовій орбіті тільки завдяки рівновазі сили тяжіння і відцентрової сили. Будь-яке порушення цієї рівноваги призводить до того, що супутник змінює свою орбіту і йде зі своєї «точки стояння». Навіть невеликі неоднорідності гравітаційного поля Землі, приливні сили Сонця і Місяця і тиск сонячного світла призводять до того, що супутники, які знаходяться на геостаціонарній орбіті, постійно дрейфують. Немає ні найменших сумнівів, що під вагою ліфтової системи супутник не зможе залишатися на геостаціонарній орбіті і впаде. Існує, однак, ілюзія, що можна продовжити трос далеко за геостаціонарну орбіту і на його дальньому кінці розмістити масивну противагу. На перший погляд, відцентрова сила, що діє на прив’язану противагу, натягне трос так, що додаткове навантаження від кабіни не зможе змінити положення противаги, і ліфт залишиться в робочому положенні. Це було б вірно, якби замість гнучкого троса використовувався жорсткий незламний стрижень: тоді б енергія обертання Землі передавалася через стрижень на кабіну, і її переміщення не призводило б до появи бічної, не компенсованої натягненням троса сили. А ця сила неминуче порушить динамічну стійкість навколоземного ліфта, і він завалиться!

Небесний майданчик

На щастя для землян, природа припасла для нас чудове рішення — Місяць. Мало того, що Місяць настільки масивний, що ніякими ліфтами його не поворухнути, він ще знаходиться майже на круговій орбіті і при цьому розгорнутий до Землі завжди однією стороною! Просто напрошується ідея — протягнути ліфт між Землею і Місяцем, але закріпити ліфтовий трос тільки одним кінцем, на Місяці. Другий кінець троса можна опустити майже до самої Землі, і сила земного тяжіння витягне його як струну вздовж лінії, що з’єднує центри мас Землі і Місяця. Не можна тільки допустити, щоб вільний кінець доходив до поверхні Землі. Наша планета обертається навколо своєї осі, через що кінець троса буде мати відносно поверхні Землі швидкість близько 400 м в секунду, тобто рухатися в атмосфері зі швидкістю більше швидкості звуку. Такого опору повітря не витримає ніяка конструкція. Але якщо опустити кабіну ліфта до висоти 30 ‑ 50 км, де повітря досить розріжне, його опором можна знехтувати. Швидкість кабіни залишиться близько 0,4 км/с, а таку швидкість легко набирають сучасні висотні літаки-стратоплани. Підлетівши до кабіни ліфта і зістикувавшись з нею (ця техніка стикування давно відпрацьована і в літакобудуванні для дозаправки в повітрі, і в космічних апаратах), можна перемістити вантаж з борту стратоплана в кабіну або назад. Після цього кабіна ліфта почне підйом на Місяць, а стратоплан повернеться на Землю. До речі, доставлений з Місяця вантаж можна просто скинути з кабіни на парашуті і підібрати його в цілості і збереження на землі або в океані.

Архітектура місячного ліфта за версією компанії LiftPort Group

З Землі на низьку навколоземну орбіту вантажі доставляються традиційними ракетами на хімічному паливі. Звідти орбітальні буксири закидають вантажі на «нижній ліфтовий майданчик», який надійно заякорений закріпленим за Місяць тросом. Ліфт доставляє вантажі на Місяць. За рахунок відсутності необхідності гальмування (та й самих ракет) на останньому етапі і при підйомі з Місяця можлива значна економія коштів. Але, на відміну від описаної в статті, така конфігурація практично повторює ідею Цандера і не вирішує проблему виведення корисного навантаження з Землі, зберігаючи для цього етапу ракетну технологію.

Уникаючи сутичок

Ліфт, що зв’язує Землю і Місяць, повинен вирішити ще одну важливу задачу. У навколоземному космічному просторі знаходиться велика кількість працюючих космічних апаратів і кілька тисяч непрацюючих супутників, їх фрагментів та іншого космічного сміття. Зіткнення ліфта з будь-яким з них призвело б до обриву троса. Для того щоб уникнути цієї неприємності, запропоновано «нижню» частину троса довжиною 60 000 км зробити піднімається і виводити її із зони руху супутників Землі, коли вона там не потрібна. Контроль положень тіл в навколоземному просторі цілком здатний передбачати періоди, коли рух кабіни ліфта в цій області буде безпечним.

Лебідка для космічного ліфта

У космічного ліфта на Місяць проглядається серйозна проблема. Кабіни звичних ліфтів рухаються зі швидкістю не більше декількох метрів в секунду, а на такій швидкості навіть підйом на висоту 100 км (до нижньої межі космосу) повинен зайняти більше доби. Якщо навіть рухатися з максимальною швидкістю залізничних поїздів у 200 км/год, то шлях до Місяця займе майже три місяці. Ліфт, здатний здійснювати тільки два рейси до Місяця на рік, навряд чи буде затребуваний.

Якщо ж покрити трос плівкою надпровідника, то вздовж троса можна буде рухатися на магнітній подушці без контакту з його матеріалом. У цьому випадку можна буде половину шляху розганяти і половину шляху гальмувати кабіну.

Простий розрахунок показує, що при величині прискорення в 1 g (еквівалентній звичній силі тяжкості на Землі) весь шлях до Місяця займе всього 3,5 години, тобто кабіна зможе здійснювати три рейси до Місяця щодоби. Над створенням надпровідників, що працюють при кімнатній температурі, вчені активно працюють, і в осяжному майбутньому цілком можна очікувати їх появи.

Викинути сміття

Цікаво відзначити, що на середині шляху швидкість кабіни досягне 60 км/с. Якщо після розгону корисне навантаження відчепити від кабіни, то з такою швидкістю вона може бути спрямована в будь-яку точку Сонячної системи, до будь-якої, навіть самої дальньої планеті. А це означає, що ліфт на Місяць зможе забезпечити безракетні польоти з Землі в межах Сонячної системи.

І зовсім екзотичною виявиться можливість викидати за допомогою ліфта шкідливі відходи з Землі на Сонці. Наша рідна зірка — ядерна піч такої потужності, що в ній безслідно згорять будь-які відходи, навіть радіоактивні. Так що повноцінний ліфт до Місяця може не тільки стати основою космічної експансії людства, але і засобом очищення нашої планети від відходів технічного прогресу.