Станислав Славин - 100 великих тайн космонавтики

Более 100 лет тому назад К.Э. Циолковский, описывая в своих «Грезах о Земле и небе» прототип конструкции орбитальной станции с искусственной тяжестью, полагал, что обеспечить ее можно вращением аппарата. Причем лучше, если вращение это будет осуществляться не вокруг собственной оси, а вокруг общего центра масс системы «аппарат – противовес», соединенной цепью.

Систему, как мы знаем, практически не воссоздали и по сей день. Однако она послужила отправной точкой для дальнейших рассуждений. В 1910 году Ф.А. Цандер рассчитал конструкцию лунного «космического лифта». Трос, протянутый с Луны в сторону Земли, должен был обеспечить функционирование космического лифта, способного переправлять грузы с Луны на Землю и обратно.

«Джемини-11» готовится к полету

Однако за неимением лучшего материала Цандер провел расчеты по сопромату с лучшими в то время сортами стали и… был разочарован – трос оказался не способен выдержать и собственную тяжесть. Однако, во-первых, он не учел, что такой трос можно делать переменного диаметра – чем дальше от планеты, тем толще; а во-вторых, возможность появления новых, куда более прочных и легких материалов.

Все это учел в своей разработке ленинградский инженер Юрий Арцутанов. В 1960 году он предоставил редакции «Комсомольской правды» описание и расчеты нового космического лифта. Статья «В космос на электровозе» была напечатана, вызвала большой общественный резонанс в нашей стране.

А вот за океаном «Комсомолку», по-видимому, читали далеко не все. И в 1966 году в журнале «Нейчур» появилось подробное описание подобной конструкции, принадлежащее перу американца Джона Айзекса и его соавторов.

Правда, до поры до времени интерес к подобным конструкциям проявляли разве что писатели-фантасты. Так, скажем, всем известный Артур Кларк использовал идею космического лифта в своем романе «Фонтаны рая», написанном в середине 70-х годов. Причем сам автор подошел к чужим идеям достаточно творчески. Будучи инженером по образованию, Кларк понял и доказал теоретически, что трос вовсе не обязательно тянуть с Земли до самой Луны. Достаточно протянуть его лишь на половину расстояния, и он все равно будет натянут центробежными силами вращения планеты настолько, что по нему можно будет пускать кабины с грузами для околоземной орбиты.

Пожалуй, первым опытом использовании тросовой связки на практике в космосе был эксперимент, проведенный в 1960 году на американском спутнике «Транзит-1В». Вспомните, как фигурист на льду может менять скорость вращения вокруг собственной оси, то раскидывая руки, то прижимая их к груди. Аналогичным образом, выбросив на тросе груз, удалось замедлить и вращение спутника вокруг продольной оси.

В 1966 году космические корабли «Джемени-11» и «Джемени-12» связывались тросами длиной по 30 м с ракетной ступенью «Анджена». Так, впервые в мировой практике в космосе был создан первый орбитальный комплекс. Аналогичный эксперимент планировал в последние годы жизни и С.П.Королев, но не успел…

Восемь лет спустя научный сотрудник Смитсоновской астрофизической лаборатории при Гарвардском университете (США) Джузеппе Коломбо разработал концепцию привязного зонда. Со спутника или космического корабля, летящего в безвоздушном пространстве, можно спускать вниз на тросе зонды для исследования верхних слоев атмосферы или камеры для фотографирования земной поверхности в более крупном масштабе. Если просто запустить спутник на столь низкую орбиту, он тут же затормозится о верхние слои атмосферы, опустится еще ниже и вскоре сгорит…

Впрочем, как показали дальнейшие расчеты, тросовые системы можно использовать не только для стабилизации полета зонда на определенной высоте. Как уже говорилось, в 1966 году в космосе соединялись тросами корабли «Джемени» с ракетной ступенью «Анджена». При этом выяснилось, что соединение двух и более небесных тел приводит к их стабилизации друг относительно друга растянутым тросом, занимающим вертикальное положение. Так происходит вот почему.

Равновесное состояние существует только в центре масс связки, где сила притяжения в точности уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего тела, наоборот, преобладает центробежная сила, и его тянет вверх. Таким образом, система уравновешивается, когда трос принимает положение на прямой, проходящей через верхнюю точку системы и центр Земли. Любое другое положение оказывается неустойчивым, и система в конце концов обязательно стабилизируется именно таким образом.

Причем расчет показывает: если соединить две примерно одинаковые по массе платформы достаточно длинным (до 40 км) тросом, то экипажи внутри модулей смогут уже отличать вверх от низа. Вместо безразличной невесомости у них появится микрогравитация, составляющая примерно 1 % от земной. Конечно, величина эта небольшая, но уже достаточная, чтобы предметы перестали плавать по кабине, проявились понятия «пол» и «потолок».

Расчеты расчетами, но как дела с тросовыми системами обстоят на практике? Чтобы ответить на этот вопрос, в марте 1996 года на борту космического шаттла «Колумбия» был проведен эксперимент, который не привлек особого внимания средств массовой информации. Во-первых, наверное, потому, что выполнялся он по заказу не только НАСА, но и NRO – Национального управления военно-космической разведки. Во-вторых, из-за того, что похвалиться его стопроцентным исполнением астронавты никак не могли. В самый ответственный момент оборвался трос, соединявший два небесных тела, и одно из них было потеряно безвозвратно.

Тем не менее на том американцы не остановились, продолжив эксперименты с помощью космического аппарата TiPS, выведенного на орбиту 20 июня 1996 года. Запуск его, кроме прочего, был использован и для того, чтобы убедиться в принципиальной возможности получения электроэнергии в космосе с помощью тросовых систем.

Дело в том, что по мере того, как два тела расходятся друг от друга на околоземной орбите, между ними возникает электрический потенциал за счет того, что оба тела находятся на разных высотах в ионосфере Земли. И на них в единицу времени падают неравные потоки заряженных частиц ионосферной плазмы. И тем самым доставляют на их поверхность отрицательные заряды разной величины.