Наша ближайшая соседка Луна — первое космическое тело, где люди по
строят промышленные предприятия, научно-исследовательские лаборатории.
Автор рассказывает о проблемах, возникающих при освоении Луны, о настоя
щем и будущем космонавтики, о том огромном труде, который затрачивается
человечеством для достижения зтой цели.
Книга адресована широкому кругу читателей.
1605050000 — 107
КБ —50—005—88
073 (02) — 89
15ВЫ 5—07—000408—5
ББК 22.654.1
Издательство «Знание», 1989 г.
Формула проблемы
В ранние века некоторые люди счи
тали грехом приобретение знаний.
Сегодня имеются такие, которые счи
тают сумашествием расширение сре
ды обитания человека за
пределы
Земли. В настоящее время мы лицом
к лицу столкнулись с хорошо извест
ными ограничениями наземной среды,
и положение нашей цивилизации нель
зя признать особо благоприятным.
Чтобы достичь уровня высокоразви
тых стран в глобальных масштабах
(т. е. во всех развивающихся странах)
при возрастающей численности насе
ления, потребовалось бы увеличить
добычу сырья и производство продук
тов питания примерно в 15—20 раз.
Однако более чем сомнительно, что
наземная среда способна это обеспе
чить.
Расширение ресурсной базы за рам
ки Земли позволит совершенно иначе,
по-новому, прогнозировать будущее
развитие человечества. Вынос энерго
емких, вредных и опасных предприя
тий за пределы нашей Земли будет
способствовать увековечению биоло
гического вида Ното 5ар!еп5. Уже
одно то, что развитие космической
техники приведет к решению таких
проблем, как «истощение земных ре
сурсов»,
«энергетический
кризис»,
«тепловое загрязнение Земли», оправ
дывает стремление к последователь
ному освоению космического про
странства. На новый уровень подни
мется производительность наземной
индустрии и сельского хозяйства.
Современной науке уже недоста
точно
информации,
приобретенной
лишь в земных условиях,— ей требу
ются гораздо более обширные источ
ники познания. Это объясняется сле
дующими причинами: во-первых, поч
ти все основные земные
явления
взаимосвязаны с космическими про
цессами, а во-вторых,
вне
Земли
открываются
принципиально
новые
благоприятные возможности для науч
ных исследований, недоступные в зем
ной обстановке. Человечество выйдет
за пределы Земли, потому что оно не
может этого не сделать. В противном
случае придется допустить, что на ка
ком-то этапе оно должно прекратить
свое развитие. Может ли в природе, в
общественной социальной жизни пре
кратиться развитие? Диалектический
материализм отвечает на этот вопрос
отрицательно. А коль скоро это так,
то перед учеными и инженерами воз
никает проблема: исследовать, когда
и каким наиболее рациональным спо
собом человечество должно осваивать
космос?
По-видимому, оно будет идти по
трем направлениям.
Первое направление—помощь Зем
ле из космоса. Будут создаваться все
более крупные и совершенные орби
тальные станции, призванные решать
задачи картографические и экологиче
ские, метеорологические и географи
ческие, ретрансляционные и навигаци
онные, осуществлять в промышленных
масштабах производственные процес
сы, требующие невесомости, вакуума,
и, наверное, выполнять еще много
других функций. К этому направлению
следует отнести спутники-автоматы.
Среди них будут телескопы на орби
тах для внеатмосферных астрономиче
ских наблюдений, спутники, предназ
наченные для освещения земной по
верхности в ночное время солнечным
светом.
Второе направление — полеты к дру
гим небесным телам. Люди подробно
изучат одну за другой планеты Сол
нечной системы, а некоторые из них
освоят. Это будет эпоха таких путеше
ствий и таких открытий, перед кото
рыми поблекнут все путешествия и
открытия прошлого.
Что же касается ближайшего перио
да освоения Солнечной системы, то он
характерен тем, что решающую роль
5
нем будет играть Луна. Именно
там впервые создадутся предприятия
«Эфирной индустрии», мощные сол
нечные электростанции, научные лабо
ратории. Луна станет местом, где будет
добываться сырье для нужд многочис
ленных предприятий, расположенных
на Луне, окололунных и околоземных
орбитах.
Уже сегодня огромное положитель
ное значение космоса заключается
в том, что он постепенно связывает
людей в единую огромную семью зем
лян. И это будет всегда. Потому что
перед лицом необъятной Вселенной
просто немыслимо выступать раздель
но: русским, американцам, немцам...
Освоение космоса не прихоть челове
чества, а естественная необходимость
обеспечить свое будущее. На Земле
человеку просто не будет хватать ни
места, ни материалов, ни источников
энергии.
Поэтому третье направление — за
иление космического пространства,
включая переселение туда части че
ловечества на постоянное жительство.
Большое внимание внеземной жиз
ни уделял основоположник космонав
тики К. Э. Циолковский. Его подход к
этому вопросу заключался в том, что
жизнь и разум — это непременные ат
рибуты Вселенной. Он писал: «Млеч
ный Путь содержит сотни миллионов
Солнц и миллионы планет, на которых
могла бы зарождаться жизнь. Мы
даже нисколько не сомневаемся, что
она там уже есть и даже в более
совершенной форме, чем на Земле
(по крайней мере на большинстве
планет). Может быть, немногие из них
обладают таким могуществом, кото
рое мы себе не можем вообразить.
Это могущество и помогло им рас
сеять совершенную жизнь, если не на
Земле, то на других планетах... Сколь
ко Солнц, столько почти и планетных
систем. Поэтому каждая из них служит
колыбелью зарождения жизни или
обиталищем и пристанищем совер
шенных существ...»
*
‘Циолковский
К.
Э.
Зарождение
жизни на Земле//В мастерской природы.—
1922.—№ 1,—С. 16.
IКОЛЬ БЕЛЬ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Глава первая
Земля —
колыбель человечества
Рост без предела?
Находятся люди, готовые возложить
вину за голод и нищету в современ
ном мире на науку, успехи которой
способствовали
беспрецедентному
росту населения, который принято на
зывать «демографическим взрывом».
Можно ли, однако, науку считать от
ветственной
за
«демографический
взрыв»?
Конечно, ни Луи Пастер, вложивший
руки врачей эффективные средства
□рьбы против инфекционных болез
ней путем прививок, ни Александер
Флеминг, открывший пенициллин, не
могли предполагать, что более или
менее отдаленным последствием их
научных открытий станет своеобраз
ный
вклад
в
«демографический
взрыв», который умножит количество
голодных, обездоленных и неграмот
ных людей.
В действительности научно-техниче
ская революция представляет собой
великую надежду человечества, но
только в сочетании с социальной ре
волюцией
она откроет
ему
путь
к изобилию и справедливости. Совре
менное
человечество страдает
не
от избытка научных знаний, а от их
недостатка. Десятки миллионов людей
умирают преждевременно от наслед
ственных болезней потому, что еще
не открыты эффективные средства
для излечения от них. Каждый новый
родившийся человек — это не лишний
рот, а дополнительная пара рук, ко
торые на протяжении всей жизни
должны создавать больше, чем по
требляют.
Какова, например, сейчас числен
ность населения земного шара?
Конечно, с точностью до миллиона
8
или даже до десятка миллионов это
го никто не знает. Согласно опубли
кованным данным в 1985 году на
земном шаре проживало 4,8 миллиар
да человек. За последнее тысячеле
тие население земного шара увеличи
лось в 18 раз, причем для первого
их
удвоения
потребовалось
почти
600 лет, для второго — 230, для треть
его—около 100, для последнего же
менее 38 лет. Численность населения
мира достигла 1 миллиарда примерно
в 1820 году, 2 миллиардов — через
107 лет (в 1927 году), 3 миллиардов —
32 года спустя (в 1959), а 4 миллиар
дов — всего через 14 лет (в 1974 году).
Очередное увеличение еще на 1 мил
лиард произошло через 13 лет —
в июле 1987 года
*.
Исходя из реально существующих
темпов роста населения
некоторые
демографы пришли к выводу о неиз
бежном и неограниченном росте чис
ленности людей на земном шаре.
Профессор одного из университетов
США Джей Форрестер и его сотруд
ники считают, что темпы роста насе
ления возрастают столь стремительно,
что примерно к 2026 году человече
ству грозит смерть не от голода, а от
удушья в связи с нехваткой кислорода
в земной атмосфере”.
Рост численности населения встрево
жил всю мировую общественность. Из
учением этого вопроса занялась Орга
низация Объединенных Наций (ООН).
Была создана специальная комиссия,
которая, проводя большое количество
исследований, опубликовала свои вы
воды. Оказывается, что численность
населения на Земле будет и дальше
стремительно увеличиваться, но толь
ко до определенного предела— 10—
11 миллиардов человек, а произойдет
См.: Брук С. И. Население мира на по
роге XXI века//Природа.— 1986.— № 12.
См.: Форрестер Джей. Мировая
динамика.— М.: Наука, 1978.
это во второй половине XXI века.
Причем характерно, что 94% всего
прироста падает на долю тех регио
нов, которые в настоящее время явля
ются развивающимися, и только 6% —
на долю развитых стран.
Что касается Советского Союза, то
здесь можно привести такие цифры:
население нашей страны в 1979 году
составило 262,4 миллиона человек.
К
2000 году оно
увеличится
до
321 миллиона, а в 2050 году нас бу
дет уже около 390 миллионов.
На пути роста населения стоят три
барьера, три основные преграды. Это
влияние урбанизации, рост образова
ния и жизненного уровня. Чем выше
урбанизация,
выше образование и
жизненный уровень, тем ниже рожда
емость. Рождаемость в больших горо
дах вдвое ниже: чем больше город,
тем меньше в нем детей. Зависимость
эта наблюдается во всем мире. Дру
гая закономерность, вскрытая демо
графической статистикой, в том, что
в семье с более высоким образова
тельным уровнем, как правило, мень
ше детей. Связь эта прослеживается
по всем странам. Каков же механизм
этой связи между числом лет, отдан
ных учебе, и числом детей? Дело
в том, что рост культурного уровня
вызывает настоящий взрыв роста по
требления. Чем больше потребности,
тем сильнее тормозящий эффект, ко
торый оказывают они на увеличение
семьи.
Земные ресурсы конечны
Минеральные
богатства,
которые
создавались природой в течение мил
лиардов лет, расходуются человеком
на протяжении всего нескольких веков
и даже десятилетий, но с постоянно
прогрессирующим ускорением. В XX
столетии в связи с непрерывно уве
личивающимся ростом мирового про
мышленного производства добыча ми
нерального сырья приобрела громад
ные размеры.
Из большого объема минерального
сырья, добытого с начала XX века,
преобладающее его количество при
ходится на последние десятилетия.
За 1961 — 1980 годы, например, было
добыто свыше 40% всего количества
угля, извлеченного из земных недр
с начала XX века до 1980 года, почти
55% железной руды, свыше 73% неф
ти, более 77% природного газа. До
бытый за это же двадцатилетие объ
ем нефти — 44,5 миллиарда тонн —
почти в 2,5 раза превысил все коли
чество нефти, извлеченное из недр
Земли
за
всю
предшествующую
100-летнюю историю мировой нефт?
ной
промышленности
(с
1860
г
1960 год). Естественно, после 1980 г
да темп добычи минеральных ресу|
сов еще более усилился.
Рост мировой добычи минерально
го сырья происходит при одновре
менном и непрерывном усложнении
условий эксплуатации месторождений
полезных ископаемых. В большин
стве
горнопромышленных
районов
мира добыча угля, руды и других
твердых полезных ископаемых опусти
лась до глубин 400—600 метров,
а на некоторых отдельных шахтах
и рудниках достигла 2 и даже 3 ки
лометров.
Возникает вопрос: «Достаточны ли
ресурсы минерального сырья, содер
жащегося в недрах планеты, чтобы
обеспечить указанные огромные объ
емы добычи в период до 2000 года,
а также для того, чтобы продолжа
лась их добыча в XXI веке?»
Этот вопрос правомерен потому,
что в отличие от других природных
ресурсов минеральные ресурсы не
возобновляемы.
Появились многочисленные выска
зывания относительно опасности об
щего глобального исчерпания запасов
минерального сырья в недалеком бу
дущем.
9
много ли мы знаем, что таится
в недрах Земли?
Пока что очень мало. Всего на не
сколько километров уходят в глубь
Земли нефтяные скважины. А что
там, глубже? Этого мы пока точно не
знаем, можем лишь догадываться. Мо
жет быть, там бушуют океаны расплав
ленных металлов, или находятся ог
ромные количества нефти, угля, газа,
или, наконец, горячие водные источ
ники. Все это очень нужно людям.
Есть факты, которые говорят о том,
что полезные ископаемые, в том
числе и нефть, могут быть обнаруже
ны на значительно больших глубинах.
Но неужели так трудно добраться
до больших глубин? К сожалению,
сделать это современным буровым
инструментом трудно. После первых
километров идут твердые породы,
оторые быстро изнашивают любые
ежущие инструменты.
Целенаправленное изучение глубин
ных зон на территории СССР началось
в 60-х годах. Главные его задачи —
это, во-первых, выявить закономерно
сти распространения полезных ископа
емых; во-вторых, решение проблемы
прогноза и оценки ресурсов мине
рального сырья. Одной из первых та
ких скважин стала Кольская сверхглу
бокая скважина, к концу 1985 года
превысившая глубину 12 километров.
Кольская скважина бурится на тер
ритории Печенгского медно-никелевого рудного района. Материалы бу
рения Кольской скважины могут про
лить свет на историю развития и
строения
древней
континентальной
коры всей нашей планеты
*.
сверхглубокое бурение с помощью
плазмы, другие настаивают на исполь
зовании для этих целей мощного луча
лазера. Надеждой остается и Мировой
океан.
Что же такое Мировой океан?
Его поверхность (включая моря)
составляет более 70% поверхности
всей Земли. Таким образом, лишь
на 1 /3 поверхности планеты живет
сегодня
человечество,
остальное —
грандиозный океан
соленой
воды.
Водные ресурсы Земли следующие
(в %): вода пресных озер — 0,009,
внутренние моря и соленые озера —
0,008, реки — 0,0001, подземные во
ды— 0,72, снега и ледники — 1,75—
2,15, вода атмосферы — 0,001, вода
в живых существах — 0,0001, Мировой
океан — 97,2—97,5.
Сейчас ученые ищут пути, которые
позволили бы добраться к недрам
Земли.
Создаются
разнообразные
проекты: одни предлагают провести
Наиболее доступная часть Мирового
океана, шельф, составляет лишь 8%
водной поверхности планеты. В СССР
площадь шельфа почти 6 миллионов
квадратных километров, то есть 1 /4
сухопутной территории страны. Сред
няя глубина шельфа — 200 метров,
но максимальная глубина может пре
вышать 600 метров. В морской воде
растворены огромные запасы различ
ных веществ: хлор, натрий, магний,
сера, калий, уран, кальций. Запасы
золота, растворенного в океанах, до
стигают 5,5 миллиона тонн, серебра —
45 миллионов тонн, урана — 4 мил
лиардов тонн
*.
Уже сегодня в ряде
стран
из
морских
вод
добывают
в промышленных масштабах различ
ные жизненно важные вещества. Так,
в США добывается из воды больше
половины
магния,
потребляемого
в стране, а в Великобритании да
же 80%.
Однако еще более грандиозные за
пасы полезных ископаемых скрыты
под водами океана. Со дна моря
* Подробнее
об
этом
см.:
Козлов
ский Е. А. Кольская сверхглубокая//3емля
и Вселенная.— 1986.— № 1.
* См.: Смирнов В. А. Рудные сокровища
недр//Наука в СССР.— 1987.'—№ 1.
10
уже добывают нефть, газ, серу, же
лезо, медь и другие вещества.
Здесь можно резонно возразить,
действительно в океанских глубинах
имеются большие неразведанные за
пасы нефти и многих ископаемых,
но суть проблемы не в этом. Дело
в том, что рано или поздно мир
все равно неизбежно должен стол
кнуться с тем, что некоторые веще
ства будут исчерпаны, а стоимость
добывания других неизмеримо воз
растет. Как ни велики запасы, но они
не бесконечны...
Вообще надо заметить, что океани
ческие воды, содержащие 34 грамма
солей в каждом литре, где имеются
все химические элементы в самых
разнообразных соединениях и фор
мах, ученые справедливо называют
жидкой рудой.
Чтобы достичь уровня высокоразви
тых стран в глобальных масштабах
(то есть во всех развивающихся стра
нах) при численности населения пла
неты 10—11 миллиардов человек, по
требуется увеличить добычу сырья,
производство продуктов питания и
потребления энергии примерно в 15—
20 раз. Однако более чем сомнитель
но, что наземная среда способна вы
держать такую нагрузку.
Таким образом, существует настоя
тельная необходимость в расширении
сферы обитания человечества. Было
бы неверно искать решение вопроса
об истощении ресурсов в приостанов
ке роста или даже сокращении объ
ема производства, как это предлага
ется некоторыми учеными за рубе
жом. Подобные предложения идут
вразрез со всем ходом развития че
ловеческого общества, с ходом исто
рии.
Планеты Солнечной системы содер
жат значительное количество необхо
димых нам минералов и материалов.
Астрономам известно сегодня более
полутора тысяч малых планет с диа
метром несколько километров. Неко
торые из них почти целиком состоят
из железа и никеля. Один кубический
километр астероидного вещества мо
жет обеспечить Землю железом бо
лее чем на 10 лет, а никелем — на
несколько столетий. Подтверждением
может служить исследование Сихотэалиньского метеорита, упавшего 12
декабря 1947 года. По результатам об
работки В. Г. Фесенкова масса мете
орного тела составляла приблизитель
но 1500—2000 тонн. Его химический
состав оказался следующим: желе
за — 94%, никеля — 5,4%, кобальта —
0,38% и др
*.
К. Э. Циолковский писал в своих
«Грезах о Земле и небе», что люди
будут управлять движением астеро
идов так же, «как мы управляем ло
шадьми».
Мир ищет энергию
Как известно, энергия — это способ
ность совершать работу: поднимать,
везти, резать, добывать уголь в шах
тах. Она существует в одной из
форм: механической, химической, теп
ловой, ядерной и т.д. (табл. 1).
Девять десятых всей энергии люди
получают, сжигая топливо. В котлах
электростанций, в автомобильных дви
гателях, в печах наших домов в
1985 году во всем мире сгорело
более 10 миллиардов тонн условно
го топлива (выделившееся при этом
топливо составляет 0,3
миллиарда
триллионов
.
**
джоулей)
Но
эти
10 000 000 000 тонн — цифра уже вче-
См.: Кринов В. Л. Гигантские метео
риты (Тунгусский и Сихотэ-алиньский).— М.: АН
СССР, 1952.
” 1
килограмм нефти — 42 тысячи кило
джоулей на килограмм (около 10 тысяч кило
калорий на килограмме, 1 килограмм угля —
23 760 килоджоулей на килограмм (5700 кило
калорий на килограмм), 1 килограмм условного
топлива — 29 620 килоджоулей на килограмм
(около 7 тысяч килокалорий на килограмм).
11
рашнего дня. Бурное развитие про
мышленности и быстрый рост населе
ния
Земли
вызывают
увеличение
потребности в топливе и рост его до
бычи. В последние годы термин «энер
гетический кризис» все чаще стал по
являться в печати и обыденной речи.
(На первый взгляд кажется, что топ
лива у нас на Земле еще очень
много, но к сожалению, это только
кажется.
Сто лет назад мировое потребление
энергоресурсов составляло 555 мил
лионов тонн условного топлива. Прав
да, население земного шара в то
время не превышало 1,3 миллиарда
человек, а удельный расход топлива
на человека составлял 0,4 тонны услов
ного топлива. В 1985 году на каждого
человека приходилось 2,5 тонны усэвного топлива. За 100 лет населее выросло примерно в 3,3 раза,
удельный расход энергоресурсов
Л одного человека—в 5,5 раза.
Этот процесс идет бурно. Многие
зарубежные и отечественные специа
листы считают, что к 2000 году на
селение возрастет до 6,1 миллиарда
человек, а потребление энергоресур-
Таблица 1
Солнечная энергия
и предельное производство
энергии на Земле
Наименование
*
Дж.год
кВт
Энергия, излучаемая Солн
цем
12,6-1033
3,84-10-”
Энергия, получаемая Зем
лей (на границе атмо
сферы)
сов состзвит 20 миллиардов тонн ус
ловного топлива.
В потреблении энергоресурсов так
же произошли значительные измене
ния. Если в начале века превалирую
щее значение имели каменный и бурый
уголь (57,6%), то в 1975 году уголь
занимал в мировом балансе 30,7%,
нефть и газ — 66,8% (вместо 3,2%),
гидроэнергия,
атомная
энергия
и
др. — 2,5%. По прогнозам ученых, из
разведанных запасов 1007 миллиардов
тонн условного топлива приходится
700 миллиардов тонн условного топли
ва на уголь, 184 — на нефть, 56 — на
*.
газ
В итоге можно сказать, что уг
лем
человечество
обеспечено
на
100—150 лет. Запасов нефти хватит
на 40—50 лет, если она будет в ос
новном применяться для таких потре
бителей, как транспорт и химическая
промышленность.
(Использование
нефти для отопления и производства
энергии будет ограничено и заменено
использованием угля и ядерной энер
гии.) Мировая добыча природного
газа неуклонно растет и к 1985 году
составит 1,8 миллиарда тонн условного
топлива. Специалисты предсказывают,
что добыча газа достигнет максималь
ного значения — 3,7 миллиарда тонн
условного топлива к 2025 году, а раз
веданные запасы газа будут израсхо
дованы через 30—40 лет (табл. 2).
В нашей стране сосредоточены ог
ромные запасы нефти, угля и природ
ного газа. Нет другой страны в мире,
которая обладала бы такими запасами
топлива. США, к примеру, уже сегод
ня сильно зависят от доставки неф
ти из других стран, главным образом
с Ближнего Востока. Западная Европа
и Япония ввозят 90% жидкого топлива
из других стран. Но и при таких за-
’ Подробнее об этом см.: Модел евс к и й М. С. Состояние и перспективы раз
вития мирового энергохозяйства.— В сб.: Топ
ливно-энергетические проблемы зарубежной
Азии и Северной Африки.— М.: Наука, 1985.
Таблица 2
Мировые ресурсы источников энергии
(по оценкам 1981 года)
Ресурса, миллиарды! тони
условного топлива
Вид ресурсов
Всего
*
Нефть
*
Газ
Уголь
*
Уран
670
Разведан
ные запасы
184
Прогнози
руемые
486
388
56
332
3 800
700
3 100
147
67
80”
2
менее 1
2
Тяжелые нефти и
битумы
220
менее 1
220
Возобновляемые
источники
100
Г идроэнергия
Всего:
5 327
100
1 007
4 320
Без социалистических стран.
Только в реакторах на тепловых нейтро
нах с издержками добычи урана до 80—130 дол
ларов за 1 килограмм (1 тонна уранат 15 900 тонн
условного топлива).
пасах, какими располагает Советский
Союз, нельзя быть расточительными,
надо думать о завтрашнем дне
*.
В СССР создана грандиозная элек
троэнергетическая система, мощность
которой в 1985 году превысила более
300 миллионов киловатт. Ее продукция
в 1985 году составила 1500 миллиар
дов киловатт-часов. На каждого жите
ля нашей страны приходится основа
тельный «кусочек» — примерно 5500
киловатт-часов. Но экономисты под
считали, что к концу века наши
электростанции, возможно, будут еже
годно вырабатывать столько электро
энергии, чтобы на долю каждого из
нас приходилось примерно 7200 кило
ватт-часов. Для этого мы должны еже
годно вводить в строй около 10 мил
* Подробнее об этом см.: Моде л ве
ский М. С., Гуревич Г. С., Хортук о в Е. М. и др. Ресурсы нефти и газа и
перспективы их освоения.— М.: Недра, 1983.
лионов киловатт новых мощностей.
Можно ли в этой грандиозной прог
рамме
рассчитывать
на
тепловые
станции?
Если полагаться только на них, то
в 2000 году нам придется сжечь при
мерно 1000 миллионов тонн угля. Для
перевозки такого огромного количе
ства топлива нужно более 150 000 же
лезнодорожных составов, то есть зна
чительная часть железнодорожной се
ти Советского Союза будет только
возить топливо для тепловых станций.
Известно, что тепловые электростан
ции выбрасывают в атмосферу такие
вредные вещества, как сернистый газ
50о, окись азота N02, окись углерода
СО и т. д. Тепловая электростанция,
работающая на угле, выбрасывает сер
нистого газа почти в 2 раза больше,
чем работающая на нефти, и в
100 раз больше, чем работающая не
газе (конечно, при условии одинако
вой мощности). В то же время сер
нистый газ относится к одному из
самых вредных загрязнений атмосфе
ры. Согласно недавним исследовани
ям, проведенным по инициативе На
циональной академии наук США, вы
деление сернистого газа только одной
тепловой
электростанцией,
мощно
стью 1 миллион киловатт, работающей
на угле, вызывает ежегодно около
25 смертных случаев, 60 000 заболева
ний верхних дыхательных путей и соз
дает убыток 12 миллионов долларов
из-за коррозии различных материа
лов.
Кроме токсичных газов, работаю
щие на угле электростанции образуют
также твердые отходы, главным обра
зом в виде мельчайших частичек пы
ли. Эта мелкодисперсная пыль счита
ется сегодня вторым по опасности
после сернистого газа агентом загряз
нения воздуха. Всего тепловые элек
тростанции дают около 1/6 всех пы
левых загрязнений, создаваемых в ре
зультате деятельности человека. Вы
бросы тепловых электростанций опас13
ны для человека, поскольку они при
водят к болезням сердца, эмфиземе,
злокачественным опухолям.
Сохранилось датированное 1316 го
дом послание английского парламента
королю: «...если его величество доро
жит прелестью своих садов, белизной
лица и красивостью белья и если
не хочет, чтобы его верноподданные
задохнулись или закоптели подобно
дурной ветчине, то парламент убеди
тельнейше просит совершенно запре
тить употребление этого горючего ма
териала, называемого каменным уг
лем». Но что могут короли?..
Таким образом, использовать уголь
в качестве основного источника энер
гии невозможно, и объясняется это
не ограниченностью его потенциаль
ных запасов, а скорее соображениями
экологического характера.
Уголь, нефть, газ — это так называ
емые невосстанавливаемые ресурсы.
Но известны также восстанавливае
мые (неистощающиеся)
природные
запасы,
такие,
как
гидроэнергия,
энергия ветра, солнечная радиация,
энергия морских и океанских волн,
тепла
недр
Земли.
Человечество
имеет опыт использования практиче
ски всех возобновляемых источников
энергии, однако их применение в
текущем столетии снизилось из-за
наличия дешевых органических топ
лив.
В настоящее время из этих ис
точников энергии только гидроэнер
горесурсы принимают во внимание
при
разработке топливно-энергети
ческого баланса. Солнечная энергия
найдет
широкое
применение
для
частичного покрытия местного теплопотребления (отопление, горячее
водоснабжение)
в
ряде .районов
мира.
Что касается
использования
солнечной энергии в больших ко
личествах
путем
постройки
орби
тальных
солнечных
электростанций,
то к этому вопросу мы еще вер
немся.
14
Атомная энергетика
В 1891 году первокурсник неболь
шого провинциального университета
Эрнест Резерфорд сделал на студен
ческом
научном
обществе
доклад
«Об эволюции материи». Он утвер
ждал, что все атомы состоят из од
них и тех же частей. Доклад встре
тили
неодобрительно.
Резерфорду,
у которого в то время не было ни
каких данных для доказательства сво
его утверждения, пришлось извинить
ся перед обществом. Лишь через
12 лет он неопровержимо и убеди
тельно доказал в блестящем экспери
менте свою дерзостную идею.
Перенесемся мысленно в Италию
1935 года. Под низкими каменными
сводами старинного здания Римского
университета даже в это жаркое сол
нечное утро царила приятная прохла
да. Однако Энрико Ферми (уже все
мирно известный ученый) и его бли
жайшие сотрудники признавались по
том, что их бросало то в жар, то
в холод от «дела рук своих». Груп
па Ферми сумела сделать невероят
ное, о чем и мечтать никто не мог:
расщепила немыслимой плотности мо
нолитное ядро — с помощью всего-на
всего маленького нейтрона! Причем
ядро не просто распадалось, а распа
далось с выделением гигантской ско
ванной в нем энергии.
Впервые перед человечеством за
брезжили захватывающие дух перспек
тивы извлечения, а затем и использо
вания самой мощной в природе энер
гии. Ведь всего 1 грамм урана может
высвободить энергию, эквивалентную
полученной при сгорании 2000 тонн
нефти или 2600 тонн лучшего угля.
Однако у атомной энергетики есть
и свои трудности. Главная из них —
экономичность. Дело в том, что из до
бытого урана на производство энергии
используют всего лишь 0,714%. Такую
долю в руде составляет уран-235 —
нынешнее ядерное горючее. «Оста
ток» — целых 99,28% — идет в беспо
лезный отвал. И весь отвал — это чи
стейший уран-238, который, к сожале
нию, в обычных реакторах гореть не
может. Между тем известно, что
уран-238 может быть сырьем для про
изводства плутония-239, горючего ку
да более активного, чем уран-235. На
этой основе возникла идея реакторовразмножителей, или реакторов на бы
стрых нейтронах.
Их заряжают плутонием-239, а обо
лочку делают из урана-238. В плуто
нии идет цепная реакция. Быстрые
нейтроны, вылетающие из реакторно
го пекла, бомбардируют оболочку,
и постепенно уран-238 превращается
в плутоний. Реактор сам себя снаб
жает топливом, «размножает» его.
«Размножение» позволяет использо
вать до 70% горючего, то есть уве
личить КПД реактора сразу в 100 раз.
При таком КПД становится выгодным
разрабатывать самые бедные урано
вые месторождения и даже добывать
уран из морской воды.
Вторая трудность атомной энергети
ки — это отходы, то есть радиоактив
ные остатки деления. Уничтожить эти
отходы невозможно. Обычно их кон
центрируют, сплющивают, заливают
бетоном, стеклом, помещают в свин
цовые контейнеры и опускают кудалибо в глубь выработанных шахт или
топят на большой глубине в океа
не.
Первоочередная
задача
изучения
будущей базы ядерной энергетики
заключается в определении ресурсов
природного урана (О ;О«). Общие за
пасы металлического урана по цене
до 130 долларов за килограмм дости
гают 5,1 миллиона тонн. Имеющиеся
оценки показывают, что мировые за
пасы дорогого урана весьма велики.
Так, количество урана при затратах
на извлечение до 200 долларов за
килограмм составляет величину 10—
100 миллионов тонн, а до 500 дол
ларов за килограмм — около 1 мил
лиарда тонн’. Таким образом, име
ющиеся запасы урана по цене до
130 долларов за килограмм будут
израсходованы в современных реак
торах на тепловых нейтронах еще
до конца текущего столетия (табл. 3).
Еще в 30-х годах, когда была откры
та реакция распада, ученые обнаружи
ли и ее противоположность — реак
цию синтеза (соединения). Два ядра
соединились в более тяжелое, и в мо
мент соединения выделялась энергия.
По общему мнению, именно реакция
синтеза может стать основой энерге
тики будущего.
К великому сожалению, от «может
стать» до «стала» — дистанция огром
ного размера. Нужно «всего лишь»
разогреть исходный заряд до 45—400
миллионов кельвинов, подождать, по
ка давление в камере достигнет ог
ромной величины, а затем... Затем
попробовать удержать этот немину
емый взрыв, «растянуть» его и заста
вить отдавать энергию не мгновенно,
а в течение длительного времени.
На первых порах казалось, что за
дача будет вот-вот решена. И челове
чество уже предвкушало безбедную
энергетическую жизнь. Но... как соз
дать неслыханную температуру? Как
изолировать
плазму — раскаленную
вихревую мешанину из электронов,
ядер и их осколков — от стенок сосу
дов? Как удержать ее в повиновении?
К сожалению, до сих пор ни на один
из этих вопросов окончательного отве
та не найдено.
Сырьем для термоядерных устано
вок служит водород (точнее, его раз
новидности — изотопы” дейтерий (тН)
* Для сравнения можно привести такие циф
ры: стоимость добычи угля 10—20 долларов
за тонну, нефти 12—80 долларов за тонну,
газа— 10—100 долларов за кубометр.
” Во всех ядрах атомов любого элемента
число протонов одно и то же и равно номеру
данного элемента в таблице Менделеева, а чис
ло нейтронов может быть различным. Такие
атомы называются изотопами.
15
Таблица 3
Годопая потребность в различных видах
энергетического сырья
для электростанции мощностью 1 ГВт’
Сырье
Кол., т
Число ва
гонов ИЛИ
цистерн
Бурый уголь
5Ю‘
105
Каменный уголь
2-10®
*
4-10
Урановая руда для обычных
реакторов (на тепловых
нейтронах)
10’
2-10’
Урановая руда для реакто
ров на быстрых нейтро
нах
1
600
12
’ При перевозке обогащенного
топлива в последних двух случаях
всего один вагон.
ядерного
требуется
и тритий (| Н). Из нескольких возмож
ных комбинаций внимание ученых
привлекли две реакции с их участием:
дейтерий + дейтерий —► гелий-3
(1Не) +п 4-3,3 МэВ,
тритий
4- дейтерий
—>- гелий-4
(■-Не) 4-л 4-17,6 МэВ.
Реакция с участием трития осу
ществляется при значительно меньшей
температуре и дает больший выход
энергии. Но на Земле трития нет.
Его можно получить только искус
ственным путем в реакции захвата
нейтрона изотопом лития (414 4-П—>—► аНе 4-тритий4,8 МэВ). Отметим,
что тритий может быть воспроизведен
непосредственно в реакторе — в ре
зультате реакции нейтронов с ядрами
лития, располагаемого вблизи внут
ренней стенки реактора. Иными слова
ми, в реакторе фактически сжигается
литий.
Что же касается дейтерия, то в 1
литре воды его содержится столько,
что количество энергии, выделяемое
при этом в термоядерном реакторе,
такое же, как при сжигании 300 лит
ров бензина.
Принципиальное
отличие
термо
ядерных реакторов синтеза от реакто
16
ров деления состоит в том, что у них
выделяется значительно меньшее ко
личество гамма-излучения на единицу
вырабатываемой мощности. Вот поче
му проблема радиационной защиты
для термоядерных реакторов пред
ставляется более легкой. Да и сам
термоядерный реактор может ока
заться значительно легче ядерного.
Чтобы лучше представить, что полу
чит человечество, овладев термоядер
ным синтезом, приведем такой при
мер. Сравним количество энергии,
выделяемой в трех основных реакци
ях, используемых для получения теп
ла. При сжигании водорода в кислоро
де на каждый 1 грамм сгорающих
веществ выделяется всего 4,4 ватт-ча
са. При распаде атомов урановых эле
ментов на 1 грамм вещества можно
получить примерно 22 миллиона ваттчасов. При синтезе же гелия из самого
легкого элемента — водорода или его
разновидности — дейтерия, эта цифра
доходит до 98 миллионов ватт-часов.
Осуществление управляемой термо
ядерной реакции в настоящее время
является грандиозной задачей науки,
ждущей своего решения. Эта пробле
ма сложна. Настолько сложна, что
только объединенными усилиями все
го человечества можно надеяться ре
шить ее в обозримые сроки.
Сколько нужно энергии
Но как оценить масштабы мировой
потребности в энергии на протяжении
ближайших десятилетий?
Кое-кто для такого прогноза ис
пользует экстраполяцию, выбирая в
качестве исходных данных текущие
темпы роста потребления энергии.
Однако мировой опыт показывает,
что в странах, достигнувших опреде
ленного уровня развития (социаль
ного, экономического, технического),
темпы роста населения и прироста
удельного потребления энергии сни-
жаются. Поэтому, отказавшись от тра
диционной экстраполяции, использу
ем другой подход, основанный на
предположении, что уровень потреб
ления энергии на душу населения и
численность населения на Земле и
в отдельных странах в конечном счете
придут к стационарному состоянию.
В долгосрочном прогнозе мирового
потребления энергии рассмотрим ва
риант, при котором стабилизация по
требностей на душу населения про
изойдет на уровне 10 тонн условного
топлива в год (10 киловатт-год). Эта
цифра
представляет
собой
сумму
двух слагаемых. Первое слагаемое,
Рис. 1. Возможный сценарий мирового потреб
ления энергии (стабилизация потребления про
исходит на уровне 10 кВт-год/чел.)
7 тонн условного топлива в год,
это
средний уровень потребления, достиг
нутый сегодня в развитых странах.
Второе
слагаемое
введено,
чтоб
учесть поправки на будущее, когда
потребуется дополнительная энергия
для повторного использования ресур
сов, опреснения воды, производства
пищевых продуктов и т. д.
Надо иметь в виду еще следующее
обстоятельство. Сегодня КПД исполь
зования энергоресурсов существенно
меньше технически достижимого. По
этому, повысив КПД преобразования
первичной энергии во вторичную (ме
ханическую, электрическую) и увели
чив КПД потребления вторичной энер
гии, а также за счет экономии энергии
можно обеспечить растущую потреб
ность на уровне 10 киловатт-год на
17
человека.
С
учетом
приведенных
соображений при численности населе
ния планеты 10,2 миллиарда человек
суммарное потребление энергии со
ставит 102 миллиарда киловатт (рис.1).
Предел производства энергии
существует
Итак, будущая энергетическая инду
стрия, по-видимому, сможет обеспе
чить любое нужное ей количество
энергии. Любое? А не существует ли
предел, дальше которого увеличивать
производство энергии нельзя?
Как ни странно, а такой предел
существует. Он не связан с какими-то
техническими
проблемами.
Просто
нельзя допустить, чтобы перегрелась
поверхность Земли и атмосфера. До
середины XX века колебания климата
сравнительно мало зависели от чело
века и его хозяйственной деятельности.
За последнее время это положение
довольно резко изменилось в резуль
тате сжигания различных видов топли
ва и соответственного увеличения ко
личества углекислого газа в атмосфе
ре, а также выделения в атмосферу
большого количества тепла. Известно,
что увеличение концентрации углекис
лого газа в атмосфере приводит к
усилению парникового эффекта и спо
собствует повышению температуры
воздуха у земной поверхности.
Изменение средней температуры
воздуха теснейшим образом связано
с состоянием снежного и ледяного
покрова (морские льды, сезонный
снежный покров континентов, ледники
и континентальные оледенения Ан
тарктиды и Гренландии). Морские
льды оказывают значительное влияние
на колебания современного климата.
Специалисты подсчитали, что таяние
морских льдов произойдет при повы
шении средней температуры воздуха
в Северном полушарии примерно
на 2°. Случись потепление в масштабе
18
всей Земли, и водный баланс нашей
планеты изменится коренным обра
зом, уровень Мирового океана подни
мется. Что станет со странами на низ
менных побережьях? Под водой могут
оказаться Великобритания, Нидерлан
ды, Венеция. Словом, бед не обе
решься. Вот какую огромную роль
играют льды и ледники, эти колос
сальные природные кладовые пресной
воды.
В настоящее время ледники занима
ют около 11 % поверхности суши. Лед
никовые щиты почти полностью покры
вают целый континент — Антарктиду
и самый большой остров Земли Грен
ландию. На обширных пространствах
океанов и морей плавают шельфовые
ледники и их обломки — айсберги, а
также многолетние сезонные льды.
Суммарно их
площадь составляет
26% площади океана. Таким образом,
льдами и ледниками сейчас занято
около 21 % поверхности Земли. Со
временный ледниковый климат не яв
ляется нормальным состоянием Зем
ли. Ледниковые и тепловые периоды
в геологической истории Земли мно
гократно чередовались. За последний
миллиард лет тепловые эры трижды
сменялись ледниковыми. Приятно со
знавать, что субтропические пляжи на
нашей планете когда-то распространя
лись до Белого моря, Чукотки и Грен
ландии, но к сожалению, это вновь
случится не скоро
*.
Климатическим условиям, которые
возникнут в будущем, уделяется сей
час большое внимание. Высказывается
мнение, что эти условия окажутся
сходными с условиями отдаленного
прошлого, когда атмосфера была бо
гаче углекислым газом по сравнению
с современной эпохой. Из данных
о температуре воздуха в конце кай
нозойской эры и в нынешнюю эпоху
* См.: Чумаков Н. М. Какой климат ти
пичен для Земли//Природа— 1986.— № 10.
следует, что современный процесс
потепления приводит к климатическим
условиям, которые существовали мил
лионы лет назад. Причина заключается
в том, что нынешнее потепление в ос
новном обусловлено сжиганием запа
сов ископаемого топлива, причем за
каждое десятилетие уничтожаются за
пасы угля и другихвидов топлива,
которые создавались миллионы лет.
Вопрос этот сейчас волнует многих
специалистов. В разных странах, раз
ными методами проведены исследо
вания и расчеты, с какой скоростью
увеличивается масса углекислого газа
в атмосфере и как это может повлиять
на тепловой режим Земли. Западно
германский климатолог Флон по зада
нию Международного института сис
темных исследований провел анализ
возможных изменений климата в ре
зультате
повышения
концентрации
СО -. Он предложил следующий сце
нарий климата на конец XX и XXI сто
летий, который относится к числу уме
*.
ренных
гие ученые придерживаются того мне
ния, что количество «добавляющего»
тепла не должно превышать 0,1%,
то есть 0,8-10" киловатт
*.
«Горы хлеба
и бездна могущества»
ДЛЯ НАУКИ
и НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
Кто теперь не знает, каким великим
подвигом была жизнь Циолковского?
«Основной мотив моей жизни,— пи
сал он,— не прожить даром жизнь,
продвинуть человечество хоть немно
го вперед. Вот почему я интересовал
ся тем, что не давало мне ни хлеба,
ни силы, но я надеюсь, что работы,
может быть скоро, а может быть и в
отдаленном
будущем,— дадут
об
ществу горы хлеба и бездну могу
щества».
Случайно ли человек вышел в кос
мос?
Как видно из этих данных, сущест
венное потепление на 2,5°С может
произойти к 2020 г.
Антропогенное влияние на климат
может произойти также вследствие
выделения большого количества тепла
при сжигании различных видов топли
ва. Наша Земля получает от Солнца
0,8-10 ’
киловатт энергии
(2,5-1021
килоджоулей в год). Увеличение на
1 % тепла изменит среднюю темпера
туру у ее поверхности на 1,5°С
.
**
Мно-
На этот вопрос можно ответить
только отрицательно. Вступление че
ловечества в космическую эру было
подготовлено всей его предшествую
щей историей. Это закономерный про
цесс развития общества на определен
ном этапе. Сейчас род человеческий
живет, производит, потребляет и вы
брасывает отходы своего производ
ства в окружающую среду, которая
подобна однокомнатной квартире. Нет
необходимости особо подчеркивать,
что использование космической тех
нологии должно совмещаться с други
ми мероприятиями, способствующими
построению мира, в котором Земля
и космос станут функционально нераз
делимы. Очевидно также, что косми
ческий потенциал не панацея от всех
бед. Но существует настоятельная по-
’ Подробнее об этом см.: Лосев
К. С.
Климат: вчера, сегодня... и завтра.— Гидрометеоиздат, 1985.
См.: Будыко М. И. Эволюция биосфе
ры.— Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
* См.: Троицкий В. С. Размышления об
энергетике будущего//Энергия.— 1984.— № 9.
Годы
1990
2000
2020
2040
Концентрация СО-.-
0,04
0,043
0,061
0,088
Потепление,
0,5
1,0
2,5
4,0
С
19
требность использования
жающей среды.
всей
окру
Уже в ближайшие десятилетия лю
дям Земли предстоит решать такие
фундаментальные проблемы, как ин
тенсивный рост народонаселения, исто
щение земных ресурсов, энергетиче
ский кризис, загрязнение окружающей
среды. Разрешить эти проблемы зем
ными источниками не представляется
возможным. Космос должен дать че
ловечеству жизненное пространство,
вещество и энергию. Развитие косми
ческих исследований — это колоссаль
ное накопление знаний, которые уве
личивают экономическое могущество
человека. Новые задачи, встающие пе
ред космонавтикой, вызывают к жизни
новые ракетно-космические средства,
:оздав которые человечество обретет
ювые возможности для решения бо1ее сложных задач.
Народное хозяйство может полу
чить больше выгоды от сбора инфор
мации о лесах. По площади лесов,
доступных для разработки, наша стра
на не имеет себе равных. Площадь ле
сов в СССР превышает 8 миллионов
квадратных километров, что составля
ет более 36% территории страны.
Один из способов использования кос
мических методов в лесном хозяй
стве — фотографирование лесных мас
сивов. Существенную роль сыграют
спутники в экономической оценке лес
ных ресурсов. Сопоставление снимков,
сделанных в разное время, дает воз
можность изучать процессы восстанов
ления лесов, прогнозировать запасы
различных видов древесных пород,
определять рациональные сроки вы
рубки.
Особую роль космические
средства могут сыграть при охране
лесов от пожаров. В пожароопасный
период ежегодно возникает большое
количество пожаров, а в отдельные
засушливые годы лесные пожары ста
новятся поистине бедствием.
«Вижу лесной пожар!»— такое со
общение иногда поступает с орбиты
20
в первые же сутки полета космонав
тов. Главный враг леса обнаруживает
себя дымными шлейфами над Афри
кой и Канадой, над Южной Америкой
и нашей тайгой. Поначалу это кажется
неожиданным. Увы, гораздо чаще, чем
можно себе представить на Земле.
А ведь с орбиты можно обнаружить
горящий лес, когда площадь огня уже
превышает 100 гектаров. Менее об
ширные очаги удается увидеть лишь
в том случае, если они сильно дымят.
Регулярный космический дозор для
служб противопожарной охраны лесов
незаменим. Ведь он дает возможность
не только вовремя заметить следы
огня среди деревьев, но и следить
за развитием пожара, выбрать пра
вильную стратегию и тактику подавле
ния огня.
С каждым годом все новые и новые
кладовые Земли открывают геологи.
Нефть и природный газ, железная руда
и марганец, алюминий и олово, золото
и алмазы, уран и каменный уголь —
вот далеко не полный перечень этих
жизненно важных материалов, кото
рые самым непосредственным обра
зом влияют на развитие промышлен
ности. Развитие мировой экономики
показывает, что в ближайшие годы
возрастет потребность в алюминии,
молибдене, ванадии и других метал
лах. И здесь на помощь человеку
опять приходит космонавтика.
Запуски первых пилотируемых ко
раблей серии «Восток» показали, что с
орбитальных высот можно очень мно
гое рассмотреть на земной поверхно
сти даже невооруженным
глазом.
Хорошо заметны крупные реки и го
ры, искусственные водохранилища, зе
леные массивы лесов, квадраты воз
деланных полей. Создание специаль
ных спутников Земли, способных соби
рать необходимую для геологии ин
формацию, позволяет получать каче
ственно новые данные о многих про
цессах, формирующих строение и
состав нашей планеты. Космическое
фотографирование может доставить
информацию для выявления полезных
ископаемых. При этом доступной ста
новится любая точка земной поверхно
сти.
Для проведения исследований в
околоземном космическом простран
стве в Советском Союзе разработаны
искусственные спутники Земли серии
«Космос». Они запускаются на круго
вые и эллиптические орбиты, которые
имеют область высот от 140 до 66 000
километров и широкий диапазон на
клонений орбит. Передача информа
ции осуществляется в основном в диа
пазоне 20, 30 и 90 мегагерц. Некото
рые спутники «Космос» оборудованы
телевизионной связью. В соответствии
с решаемыми задачами ряд этих спут
ников имеет спускаемую капсулу для
возвращения научной аппаратуры и
объектов экспериментов на Землю;
спутники
«Космос»
запускаются
с
1962 года с помощью ракет-носителей
«Космос», «Союз», «Протон» и др.
Первые же искусственные спутники
Земли принесли неоценимые сведения
об околоземном космосе. Но пожа
луй, самые широкие возможности от
крылись с появлением спутников пе
ред метеорологией. Существующие
в настоящее время на земном шаре
около
100 000
метеорологических
станций и примерно 800 станций ра
диозондирования не могут дать ин
формацию с огромных просторов оке
ана, Арктики и Антарктиды. Только
спутники, оснащенные специальной ап
паратурой, непрерывно перемещаю
щейся над Землей, с высоты своей
орбиты могут давать информацию о
состоянии атмосферы и земной по
верхности.
С марта 1969 года отечественная
метеорологическая космическая сис
тема начала пополняться спутниками,
носящими название «Метеор». Они
стали запускаться на орбиту высотой
около 900 километров. Восполнение
системы «Метеор» очередным спутни
ком осуществляется из такого расчета,
чтобы в ее составе постоянно находи
лось 2—3 исправных космических ап
парата. В состав системы «Метеор»
входит сеть наземных пунктов приема,
обработки и распространения спутни
ковой информации, размещенных по
всей территории страны.
Известный ученый и писатель-фан
таст Артур Кларк в 1946 году написал
повесть, в которой предсказывал, что
весь земной шар будет когда-нибудь
охвачен
радиои
телевизионной
связью, которая станет своеобразной
«нервной системой» планеты. Спустя
20 лет в своей книге «Черты буду
*
щего»
он с удивлением отмечал:
«В то время эти прогнозы казались
большинству читателей неоправданно
оптимистическими, теперь же они, на
оборот,
свидетельствуют
о
моем
врожденном консерватизме». По сло
вам А. Кларка, ему «даже не пригре
зилось, что первые эксперименталь
ные спутники связи выйдут на орбиту
так скоро». Между тем именно они
произвели подлинный переворот в
области связи.
Радиоволны, которые являются ос
новным переносчиком информации,
распространяются в основном прямо
линейно, так же как и свет. А Землято, к сожалению, круглая. Лишь стран
ная случайность — наличие вокруг на
шей планеты слоя (ионосферы), отра
жающего радиоволны,— сделала воз
можной дальнюю радиосвязь. Это не
видимое зеркало, отражающее на
Землю радиоволны широковещатель
ного коротковолнового диапазона, од
нако, работает не очень надежно и
к тому же совсем не отражает ультра
короткие волны. Такие радиоволны
пронзают ионосферу и уходят в кос
мическое пространство. Поэтому их
нельзя использовать для наземной
’ Кларк
1966.
А.
Черты будущего.— М.: Мир,
2Л
связи. Для связи с другими планетами
и космическими аппаратами они, на
оборот, особенно удобны и хороши.
Хуже всего такое положение сказы
вается на телевидении. По техниче
ским причинам для телевизионного
вещания необходимы только очень
короткие волны, то есть те самые, что
не возвращаются на Землю из ионо
сферы. Оказалось, что телевизионные
сигналы можно принимать на Луне,
но не в соседней стране. Чтобы об
служить достаточно большую террито
рию, всю нашу страну, потребовалось
бы строить невообразимо огромную
сеть телевизионных станций, кабель
ные и радиорелейные линии. Кстати,
вначале телевизионное вещание так
и развивалось. Еще сложнее обстояло
дело с океанами: они оставались для
телевидения столь же непреодолимой
треградой, какой они были для человееского голоса до изобретения радио.
Использование космической техники
системах связи существенно повыси
ло ее эффективность, позволило свя
зать между собой все уголки земного
шара, дало возможность использовать
короткие волны. Правда, одним гео
стационарным спутником не пере
крыть территорию Советского Союза.
Поэтому обратились к спутникам дру
гого типа, которые обращаются вокруг
Земли на высоких эллиптических ор
битах с апогеем 400 тысяч километров
и перигеем 500 километров. Три таких
спутника способны обеспечить кругло
суточную связь на всей территории
нашей страны, включая и полярные
области.
Первый из них, «Молния-1», был
выведен в космос в апреле 1965 года.
Тогда это произвело полную сенса
цию — жители Владивостока впервые
смотрели военный парад и демонстра
цию на Красной площади одновремен
но с москвичами. Сегодня Советский
Союз
располагает самой развитой
внутригосударственной системой спут
никовой связи: «Орбита», «Экран»,
22
«Москва». В многоцелевой системе
спутниковой связи также используются
спутники «Молния-3», «Радуга», «Гори
зонт», «Экран». Они работают в сан
тиметровом и дециметровом диапазо
нах длин волн. Спутники типа «Мол
ния» выводят на высокоэллиптические
орбиты, а «Радуга», «Горизонт» и
«Экран» — на геостационарную.
СССР является участником Между
народной организации морской спут
никовой связи, объединяющей около
полусотни стран. Центр морской спут
никовой связи (ЦМСС-1) обеспечивает
прямую телефонную или телеграф
ную связь практически с любым або
нентом. По телефону или телеграфу
моряки советских судов передают
информацию, которую спутник «Гори
зонт» ретранслирует на береговую
станцию. Другая международная сис
тема «КОСПАС-САРСАТ» действует
по следующему принципу: аварийные
радиобуи (АРБ), установленные на су
дах и самолетах, в случае аварии
включаются вручную или автоматиче
ски. Искусственные спутники Земли
принимают сигналы АРБ над районом
бедствия и передают их на пункты
приема информации, где сигналы ав
томатически обрабатываются для оп
ределения координат места аварии.
Люди путешествуют с незапамятных
времен. И во все времена случались
аварии, требовалось найти попавших
в беду, помочь им, спасти. Характер
помощи, ее технические средства,
естественно, соответствовали уровню
каждой эпохи; сейчас помощь терпя
щим бедствие стала приходить из кос
моса. Используя современную косми
ческую технику, удалось создать на
дежную систему обнаружения места
бедствия на суше или на море. Ежесу
точно в море находится около 25 ты
сяч судов, около 15 тысяч бурильных
и нефтедобывающих платформ, не
считая сотен тысяч мелких судов.
Следить за их благополучным плава
нием помогает система «КОСПАС-
САРСАТ» (Космическая система по
иска аварийных судов и самолетов
и аббревиатура с английского «Поиск
и спасение с помощью спутников»).
По печальной статистике «Регистра
Ллойда» в Мировом океане только
в 1979 году из-за различных аварий
погибло 465 судов. За период с 1973
по 1982 год потеряно 2228 крупных
судов; 33 судна пропали бесследно,
не успев дать по радио сигнал бед
ствия.
Являясь древнейшей из наук, астро
номия на протяжении многих веков
изучала небесные тела по испускаемо
му ими свету — электромагнитному
излучению в очень узком интервале
длин волн, которые не задерживаются
земной атмосферой и к которым
чувствителен человеческий глаз. Вы
вод телескопов за пределы атмосфе
ры — на космические просторы — от
крыл широчайшие перспективы для
астрономических исследований. Стало
возможным изучение небесных тел
в инфракрасном и ультрафиолетовом
диапазонах, в гамма- и рентгеновских
лучах. Большую часть излучения в этих
диапазонах длин волн имеют астрофи
зические объекты, находящиеся в со
вершенно иных физических условиях,
чем обычные звезды, испускающие
львиную долю своей энергии в при
вычных для нас световых лучах.
Большое практическое значение бу
дет иметь вынос телескопа в космиче
ское пространство. Это событие этап
ное, сравнимое по значимости с от
крытием самого телескопа. Наблюде
ния при помощи телескопа, вынесен
ного
за
пределы
атмосферы
и
имеющего такие же размеры, как
максимально возможный на Земле,
позволят исследовать объекты со све
тимостью в 1000 раз меньшей, чем
это удается в настоящее время назем
ным телескопам. При этом, возможно,
удастся решить такую волнующую
проблему: имеются ли планеты у бли
жайших к нам звезд.
На всем протяжении своей истории
человек пользовался солнечным све
том — прямым и отраженным. Одна
ко вариации света, как дневного, так
и ночного, были и остаются непод
властными человеку. Сегодня косми
ческая техника подвела человека к
порогу, за которым открывается воз
можность установки в космосе при
способлений для отражения солнеч
ного света. При этом освещенность
может произвольно меняться от осве
щенности, создаваемой полной Луной,
до освещенности, во много раз пре
восходящей интенсивность солнечного
излучения. Впервые идея создания
космических рефлекторов была вы
сказана немецким ученым и инжене
ром Г. Обертом еще в 1929 году. Сей
час мы вплотную подошли к практи
ческому осуществлению этих казав
шихся фантастическими проектов.
Но прежде всего о том, для чего
нужны
такие
искусственные
луны
Оказывается, им можно найти цельи
ряд весьма ценных народнохозяйст
венных применений, особенно в нашей
стране, обладающей огромными тер
риториями.
Использование спутников-рефлекто
ров для освещения в ночное время
улиц в крупных городах, транспортных
магистралей, строек окажется эконо
мически выгодным. Например, затра
ты на освещение из космоса пяти та
ких городов, как Москва, окупятся
только благодаря экономии электро
энергии за 4—5 лет. Причем ту же
систему рефлекторов можно пере
ключить на другую группу городов
практически без дополнительных ка
питальных затрат. Еще одна возмож
ность — освещение мест, где необхо
димо организовать работу в ночное
время. Например, крупные стройки в
высоких широтах или сельскохозяйст
венные районы в период посевной и
уборочных кампаний. Окрасит и об
легчит искусственное светило жизнь
и северянам, особенно тем, кто стра23
дает от темноты долгой полярной но
чи.
Исследователями уже проработан в
общих чертах облик рентабельных от
ражающих систем. По-видимому, их
следует располагать на геостационар
ной орбите. Каждый рефлектор будет
напоминать обыкновенный зонтик, ав
томатически раскрывающийся после
доставки на орбиту. В качестве покры
тия может быть применена тончайшая
пленка с нанесенным на нее отражаю
щим слоем. Ориентация светового
потока будет производиться по задан
ной программе или по команде с Зем
ли. Можно даже будет продавать
«лунный свет», ведь продают же в
других странах нефть, газ, уголь!
Как показывают расчеты, если вы
вести на геостационарную орбиту от
ражатель площадью несколько квад
24
ратных километров, то в зависимости
от ориентации он сможет дать свето
вое пятно на много тысяч квадратных
километров. Причем освещенность в
нем будет в несколько раз больше,
чем дает полная Луна. Соорудив ис
кусственную луну (ей даже уже при
думано название «Лунетта») площа
дью в несколько десятков квадратных
километров,
мы
«зальем»
светом
Землю, как если бы на небосводе
взошло сразу множество полных лун
*.
Однако «Лунетта» не может согре
вать освещаемые районы, изменить их
погоду и климат, для этого она че
ресчур слаба. Другое дело — «Солет
та», более крупное рукотворное све
тило, главное назначение которого
продлить день для светолюбивых рас
тений, таких, например, как пшеница,
’ Напомним нашим читателям:
освещен
ность, создаваемая солнечными лучами в пол
день,— 100 000 лк (люкс), от полной Луны —
0,2 лк, от ночного неба в безлунную ночь —
0,0003 лк.
сахарная свекла. Громадные просторы
Сибири, если удастся удлинить лето
и повысить среднегодовую температу
ру на несколько градусов, смогли бы
дать больше хлеба и овощей.
Большой рефлектор не так-то легко
вывести на орбиту, даже если его там
собирать по частям. Удобнее создать
несколько отражателей меньших раз
меров (рис. 2). Но все равно эти затра
ты окупятся через 20—30 лет, а увидим
мы «Солетту» на небосводе, по всей
вероятности, в начале следующего
века.
ЗАВОДЫ ВНЕ ЗЕМЛИ
Вся наша жизнь протекает в мире,
где властвует тяжесть; мы приспосо
бились к ней, привыкли. Причем при
выкли настолько, что иной мир, ли
шенный
притяжения,
кажется
нам
странным. Сначала робко, а затем
смелее человек стал обживать новую
для себя стихию — космос. Теперь
появились другие вопросы. Например:
«А нельзя ли заставить космос слу
жить людям, создав там «космические
заводы»?».
Неограниченный источник энергии,
каким является Солнце, делает эту
идею особо привлекательной. Оказа
лось, что луч Солнца, сконцентриро
ванный
параболическим
зеркалом,
способен варить детали из нержавею
щей стали и титановых сплавов. Пока
сделаны только первые шаги, а фан
тазия инженеров уже видит заводы
на орбите. В космосе открываются за
хватывающие
перспективы
творить,
причем в совершенно иной среде; в
условиях глубокого вакуума, мощных
потоков тепла, идущего от Солнца, и
низких температур, при наличии не
весомости. Сейчас еще трудно себе
представить все преимущества этих
факторов, но уже можно утверждать,
что открываются поистине фантастиче
ские перспективы.
Многие материалы в расплавленном
состоянии реагируют со' стенками тиг
лей, форм, огнеупорной облицовкой
печи. В результате расплав пачкается,
в него попадают примеси. В то же
время в технике все больше возрас
тает потребность в сверхчистых мате
риалах. Как же их получить?
Производство стекла в космосе по
зволит не только получить абсолютно
чистые стекла, но и создать новые
сорта с более высокими оптическими
свойствами, чем у полученных на Зем
ле. Здесь нет ограничений в размерах.
Мы можем делать линзы и зеркала
для телескопов такими большими, что
на Земле они просто треснули бы от
собственного веса. Земные условия не
позволяют получать и большие, не
имеющие дефектов полупроводнико
вые кристаллы. А дефекты — это сни
жение качеств не только самих крис
таллов, но и изготовленных из них
приборов. Невесомость и космический
вакуум обеспечивают получение крис
таллов «неземной чистоты» с нужны
ми свойствами.
Когда на Земле плавят материалы,
имеющие различный удельный вес,
они зачастую расслаиваются: более
тяжелые оседают на дно, легкие —
всплывают. Получать их равномерную
смесь не удается. В невесомости же
все материалы не спешат «отмеже
ваться» друг от друга. Здесь можно
их равномерно перемешивать.
Примерно 300 лет назад профессор
Флорентийской академии Эвандже
листа Торричелли открыл «...пустоту—
вакуум». Это открытие сыграло в тех
нике огромную роль. Без изучения
вакуума, без понимания его физики
невозможно было создать двигатели
внутреннего сгорания, не была бы
создана и электронная техника. И если
относительный
вакуум,
полученный
людьми на Земле, способствовал рос
ту промышленности, то можно себе
представить, какие возможности от
кроются при освоении безграничных
просторов космоса.
25
Пройдет
некоторое
время,
преж
де чем удастся окончательно опре
делить все основные
направления
космической
технологии,
которые
должны развиваться и приносить поль
зу народному хозяйству. На станции
«Салют-7» уже получены с помощью
установки «Корунд» достаточно круп
ные партии (в килограммах) полу
проводниковых материалов. Причем
это удалось сделать не только в
присутствии космонавтов, но и в ав
тономном режиме полета. Эго дает
основание сказать, что будущий завод
на орбите станет работать в автома
тическом режиме, космонавты-опера
торы будут посещать его сравнитель
но редко для подзаправки исходным
сырьем, профилактики аппаратуры и
вывоза продукции. Подобным образом
перспективно производство сверхчис
тых металлов.
Луна, астероиды и другие небесные
гела со временем могут обеспечить
не только нужды космических поле
тов в высококачественных металлах,
но и станут снабжать своей продук
цией Землю. Специалистов по косми
ческой индустрии астероиды могут
заинтересовать по двум причинам.
Во-первых, их можно использовать в
качестве баз расположения производ
ственных мощностей. Не беда, что
некоторые из них далеко от нас. Зато
посадка на их поверхность и взлет с
них большого труда не представляют,
ведь у астероидов слабые поля при
тяжения; на самом крупном астерои
де, Церера, притяжение почти в 20
раз меньше земного. И второе, чем
могут
заинтересовать астероиды —
это запасы ископаемых. Предполага
ют, что в состав веществ, из которых
состоят астероиды, входят железо,
никель и другие необходимые нам
металлы.
Некоторые близкие и сравнительно
небольшие астероиды со временем
можно будет перевести на новые ор
биты поближе к Земле. Кандидатами
26
в соседи нашей планеты являются, на
пример, Гермес (диаметр 1,6 кило
метра, максимальное сближение с
Землей 0,5 миллиона километров),
Адонис (соответственно 1 километр и
1,5 миллиона километров). Конечно,
приблизить астероид к Земле непрос
то. На нем необходимо установить
мощные двигатели, которые создали
бы реактивную тягу в направлении по
касательной к траектории астероида.
Кроме двигателей, с Земли надо при
везти много топлива. Все это кажется
нереализуемым. Но только для сегод
няшнего дня. А в будущем решение
этой задачи может быть вполне по
сильным.
В заключение хотелось бы отметить,
что хотим мы того или нет, но чело
вечество, скорее всего, вынуждено
будет строить заводы на орбите и на
Луне, использовав ресурсы астерои
дов.
Дополнительная
литература
1. Новиков Э А. Планета загадок.— Л.:
Недра, 1986.
2. У л у 6 е к о в А. Т. Богатства внеземных
ресурсов.— М.: Знание, 1984.
3. Воронов Г. С. Штурм термоядерной
крепости.— М.: Наука, 1985.
4. Г о р ш к о в С. П. Земельные ресурсы
мира: антропогенные воздействия.— М.: Зна
ние, 1987.
5. Озима Минору. История Земли.—
М.: Знание, 1983.
6. Харитонов А. В. Энергетика Солнца
и звезд.— М.: Знание, 1984.
7. Нестеров
И. И., Рябухин Г. Е.
Нефтяные и газовые месторождения мира.—
М.: Знание, 1984.
8. Р у м я н ц е в П. А. Космическая систе
ма. «Метеор».— М.: Знание, 1983.
9. Токовинин А. А. Орбитальные оп
тические телескопы.— М.: Знание, 1986.
Журнальные статьи
Благов В. Д. «Мир»—советская орбиталь
ная станция нового поколения//3емля и Вселен
ная.— 1986.— № 6.— С. 2—10.
Б у д ы к о М. И. Антропогенное изменение
климата//Природа.— 1986.— № 8.— С. 14—21.
Г
1ПУТМ
ГЛАВА ВТОРАЯ
^ка
Глава вторая
Космонавтика в пути
Локомотивы
для космических трасс
Более 80 лет назад (в 1903 году)
К. Э. Циолковский впервые установил
зависимость конечной скорости, кото
рой может достичь ракета, от количества находящегося на ее борту топлива
и от скорости истечения продуктов
его сгорания (газов) из ракетного дви
гателя. При приближенных расчетах
он исходил из того, что сила тяжести
и сопротивление воздушной среды от
сутствуют. Найденную зависимость он
выразил формулой:
V КОМ = XV- 1п
МКОН
(1)
Здесь Укон — конечная скорость раке
ты, то есть та скорость, которую при
обретает ракета после сгорания всего
запасенного в ней топлива при усло
вии разгона ее в «свободном» косми
ческом пространстве. Ее обычно на
зывают характеристической, или иде
альной, скоростью, подчеркивая тем
самым, что хотя в действительности
она и не достигается, однако в неко
торых идеальных условиях ее все же
можно было бы получить. V/ — ско
рость истечения газов из ракетного
двигателя; Мнач — начальная масса ра
кеты, так называемая стартовая масса,
включающая массу конструкции, запа
са топлива и полезного груза; М
—
конечная масса ракеты, то есть масса
после израсходования топлива; 1п—
знак натурального логарифма.
Из приведенной формулы следует:
чтобы ракета смогла достичь возмож
но большей скорости полета, ее со
здатели должны стремиться сделать
ракету как можно легче, чтобы воз
можно большая доля начальной мас
сы приходилась на топливо и полез
28
ный груз. Скорость истечения газов
из сопла ракетного двигателя зависит
от их температуры и молекулярного
веса. Чем выше температура, тем
больше скорость. Молекулярный вес
продуктов сгорания (рабочего тела),
напротив, желательно иметь как мож
но меньше: с его уменьшением ско
рость истечения возрастает. С этой
точки зрения наилучшим горючим
считают жидкий водород. Он облада
ет
большой
теплотворной
способ
ностью, обеспечивает высокую темпе
ратуру продуктов сгорания, и самым
низким молекулярным весом из всех
веществ, известных на Земле.
Так, если скорость истечения газов
взять равной 3500 метрам в секунду,
то двигатель, в котором в каждую
секунду сгорает, допустим, 100 кило
граммов топлива, разовьет тягу Р =
= 100 X 3500 = 35 000 ДаН на кило
ньютон (35 тонн-сил). Совершенство
двигателя и эффективность его рабо
ты характеризуются удельным им
пульсом (удельной тягой) /уд, который
получается при израсходовании 1 ки
лограмма топлива за 1 секунду. Раз
мерность удельного импульса — мет
ры на секунду
*.
По виду используемой энергии дви
гательные установки космических ап
паратов подразделяются на термохи
мические,
ядерные,
электрические.
Каждый из указанных типов имеет
свои преимущества и недостатки и мо
жет применяться в определенных ус
ловиях. В настоящее время космиче
ские корабли, орбитальные станции и
беспилотные спутники Земли выводят
ся в космос ракетами, оснащенными
мощными термохимическими двигате
лями.
Существуют
также
миниатюрные
двигатели малой тяги. Это уменьшен
ная копия мощных двигателей. Неко-
’ В технической системе единиц
ность удельного импульса в секундах.
размер
торые из них могут уместиться на ла
дони. Тяга таких двигателей очень
мала, но и этой силы бывает доста
точно, чтобы управлять положением
корабля в пространстве.
Ядерные ракетные двигатели нахо
дятся в стадии изучения и разработки,
но очевидно, в будущем найдут самое
широкое применение на межпланет
ных космических кораблях. То же
можно сказать и об электрических
двигателях, являющихся перспектив
ными и экономичными силовыми ус
тановками для путешествий к далеким
мирам. Но давайте будем последова
тельными и рассмотрим все по по
рядку.
Термохимические ракетные двигате
бериллий, литий и др. Окислитель
компонент ракетного топлива, служа
щий для окисления горючего.
Горючее и окислитель для ЖРД хра
нятся раздельно в специальных баках.
С помощью специальных насосов они
оттуда под давлением газа подаются
в камеру сгорания. Здесь при их сое
динении развивается температура до
3000—4500° С и давление 0,5—2,0 мега
паскаль (50—200 килограммов-сил на
квадратный сантиметр). Продукты сго
рания, расширяясь, стремительно вы
летают со скоростью 2500—4500 мет
ров в секунду и, отталкиваясь от корпу
са двигателя, создают реактивную тя
гу. При этом чем больше масса и ско
рость истечения газов, тем больше
тяга двигателей. Насосы подают топ
ливо к головке двигателя, в которой
смонтировано
большое
количество
форсунок: через одни из них в камеру
впрыскивается окислитель, через дру
гие — горючее (рис. 3).
При сгорании топлива развиваются
большие тепловые потоки, нагреваю
щие стенки двигателя. Если не охлаж
дать стенки камеры, то они быстро
прогорят. ЖРД, как правило, охлаж
дают одним из компонентов топлива.
Для этого камеру делают двухстеночной, чтобы в зазоре между стенками
протекал компонент топлива.
ли. Термохимические ракетные двига
тели можно классифицировать по фи
зическому состоянию применяемого
топлива на жидкостные ракетные дви
гатели (ЖРД), работающие на жидком
топливе, и твердотопливные (РДТТ),
использующие специальные ракетные
пороха. Топливо для ЖРД может быть
однокомпонентным (перекись водоро
да, гидразин и др.), двухкомпонент
ным и многокомпонентным. Из повсе
дневной практики известно, что в дви
гателе внутреннего сгорания, топке
парового котла — всюду, где происхо
дит сгорание, самое активное участие
принимает кислород. Без него нет
горения. В космическом пространстве
кислорода нет, поэтому для работы
ракетных двигателей в космическом
пространстве необходимо топливо, со
держащее горючее и окислитель.
Мы уже рассказывали об удельном
импульсе — показателе, характеризу
ющем эффективность ракетного дви
гателя. Напомним,
что чем выше
удельный импульс, тем экономичнее
двигатель.
Горючее — компонент
ракетного
топлива, вступающий в химическую
реакцию
окисления
(горения)
при
взаимодействии с окислителем. Жид
кие горючие делятся на углеводороды
(керосин, скипидар и др.), азотоводороды (гидразин, аммиак и др.), бороводороды (диметилгидразин, спирты,
эфиры и др.), водород жидкий. В пер
спективе могут быть использованы в
качестве горючего легкие металлы —
Удельный импульс хорошо извест
ной «пары», состоящей из азотной
кислоты и керосина, равен 235 секун
дам. Значительно большим удельным
импульсом (345 секунд) обладает дру
гая «пара» — жидкий фтор и гидра
зин. Более подробные сведения о топ
ливах приведены в табл. 4.
Близкий к максимальному оказыва
ется удельный импульс двигателя, ра
ботающего на жидком кислороде и
29
жидком водороде. В реактивной струе
этого двигателя газы мчатся со ско
ростью немногим больше 4 километ
ров в секунду. Температура этой струи
около 3000° С, и состоит она из пере
гретого водяного пара, который обра
зуется при сгорании жидких водорода
и кислорода.
Но у кислорода наряду с рядом
достоинств есть и один крупный недо
статок: при нормальной температуре
он представляет собою газ. Понятно,
что применять в ракете газообразный
кислород нельзя, ведь в этом случае
пришлось бы его хранить под боль
шим давлением в массивных баллонах.
Чтобы превратить кислород в жид
кость, его нужно охладить до темпе
ратуры —183° С. Однако сжиженный
кислород легко и быстро испаряется,
даже если его хранить в специальных
теплоизолированных сосудах. Поэтому
нельзя, например, долго держать сна
ряженную ракету, двигатель которой
работает на жидком кислороде. При
ходится заправлять кислородный бак
такой ракеты непосредственно перед
пуском.
Азотная кислота не обладает таким
недостатком и поэтому является «со
храняющимся» окислителем. Этим в
большей мере объясняется ее проч
ное положение в ракетной технике,
несмотря на существенно меньшую
удельную тягу, которую она обеспечи
вает. Использование наиболее силь
ного из всеизвестных в химии окис
лителей, фтора, позволяет существен
но увеличить эффективность ЖРД.
Правда, жидкий фтор неудобен в
эксплуатации из-за ядовитости и низ
кой температуры кипения (—1 88° С).
Но это не останавливает ракетчиков:
экспериментальные двигатели на фто
ре уже существуют.
30
Наш соотечественник Ф. А. Цандер
предложил использовать в качестве
горючего
легкие
металлы — литий,
бериллий и др., особенно как добав
ку к обычному топливу, например
водородно-кислородному.
Подобные
«тройные композиции» способны, по
жалуй, обеспечить наиболее возмож
ную для химических топлив скорость
истечения — до 5 километров в секун
ду. Но это уже, вероятно, предел ре
сурсов химии. Большего она практи
чески сделать не может.
Хотя мы и начали рассказ с ЖРД,
но первым
был создан ракетный
термохимический двигатель на твер
дом топливе или просто РДТТ. Во
время Великой Отечественной войны
прославились многозарядные миноме
ты — легендарные «Катюши»; их реак
тивные снаряды были оснащены таки
ми двигателями. Топливо, специальный
порох, находится в РДТТ непосредТаблица 4
Основные данные
типичных топлив для ЖРД
Окисли
тель
г орючее
Плот
ность,
кг/л
Удель
ный
им
пульс,
м/с
Тепло
твор
ная
спо
соб
ность,
к Дж/кг
Примеча
ние
Азотная
кислота
Керо
син’
1,36
2 350
6 100
Жидкий
кислород
Керосин
1,0
2 750
9 200
Жидкий
кислород
Жидкий
водо
**
род
0,25
3 400 13 400 Самовос
пламеня
ющиеся
Жидкий
кислород
ДимСтилгидразин
1,02
2 850
9 200
Жидкий
фтор
Г идразин
1,32
3 450
9 350 Самовос
пламеня
ющиеся
Содержание азотной кислоты по массе
84,6%, по объему — 75%.
Содержание кислорода по массе 86%,
по объему— 78%.
ственно в камере сгорания. Камера
с реактивным соплом — вот и вся
конструкция.
По своему
удельному
импульсу
твердые топлива на 10—30% уступают
жидким. Тем не менее реактивные
двигатели на твердом топливе имеют
много преимуществ перед двигателя
ми на жидком топливе: они просты
в изготовлении, длительное
время
могут храниться, всегда готовы к
действию и т. д.
Ядерные ракетные двигатели. Один
из основных недостатков ракетных
двигателей, работающих на жидком
топливе, связан с ограниченной ско
ростью истечения газов. В ядерном
ракетном двигателе (ЯРД) представля
ется возможность использовать колос
сальную энергию, выделяющуюся при
разложении ядерного «горючего» для
нагревания рабочего вещества. Прин
цип действия ЯРД почти не отличается
от принципа действия термохимиче
ских двигателей. Разница же заключа
ется в том, что рабочее тело нагрева
ется не за счет своей собственной хи
мической энергии, а за счет тепла,
выделяющегося
при
внутриядерной
реакции. Рабочее тело пропускается,
например, через ядерный реактор,
в котором происходит реакция деле
ния атомных ядер (скажем, урана-235),
и при этом нагревается.
У ЯРД отпадает необходимость в
окислителе, и поэтому может быть
использована только одна жидкость.
В качестве рабочего тела целесо
образно применять вещества, обла
дающие большим удельным импуль
сом. Этому условию наиболее полно
удовлетворяет водород, затем следу
ют аммиак, гидразин и вода.
Процессы, при которых выделяется
ядерная энергия, подразделяют на
радиоактивные превращения, реакцию
деления тяжелых ядер, реакцию син
теза легких ядер. Радиоактивные пре
вращения реализуются в так называе
мых изотопных источниках энергии.
31
Удельная массовая энергия (энергия,
которую может выделить 1 килограмм
массы) искусственных радиоактивных
изотопов значительно выше, чем у хи
мических топлив. Так, для 2|0Ро она
равна 5-10
*
килоджоулей на кило
грамм, в то время как для наиболее
энергопроизводительного химическо
го топлива (бериллий с кислородом)
это значение не превышает
3 -10'
килоджоулей на килограмм (7200 ки
локалорий на килограмм)
*.
К сожалению, подобные двигатели
применять на космических ракетах-но
сителях пока нерационально из-за вы
сокой стоимости изотопного вещества
и трудностей в эксплуатации. Ведь
радиоактивный изотоп выделяет энер
гию постоянно, даже при его транс
портировке в специальном контейнере
или при стоянке ракеты на старте.
Ядерные реакторы деления исполь
зуют еще более энергопроизводитель
ное топливо, чем радиактивные изото
пы. Так, удельная массовая энергия
урана-235 (делящегося изотопа урана)
равна 6,75 • 109 килоджоулей на кило
грамм, то есть примерно на порядок
выше, чем у изотопа 2|0Ро. Эти двига
тели можно «включать» и «выклю
чать»,
ядерное горючее
уран-233,
уран-235, уран-238, плутоний-239 зна
чительно дешевле изотопного. У таких
двигателей в качестве рабочего тела
может быть спирт, аммиак, жидкий
водород. Особенно высокие значения
удельных импульсов (до 9000 м/с)
можно получить, применяя жидкий
.
**
водород
|
Величина удельной тяги для некото
рых рабочих тел, м/с (с):
Водород — 9000 (900)
Аммиак — 5000 (500)
Гидразин — 4500 (450)
’ См.: Бурдаков В. П., Данилов Д. И.
Ракеты будущего.— М.: Атомиздат, 1980.
” См.: П а н е в и н Г. И., Прищепа В. И.,
Хазанов В. Н. Космические ядерные ракет
ные двигатели.— М.: Знание, 1978.
32
Вода — 3500 (350).
Простейшая схема ЯРД, работающая
на твердом ядерном горючем, показа
на на рис. 4. Рабочее тело помещено
в баке; насос подает его в камеру
двигателя.
Распыляясь с
помощью
форсунок, рабочее тело вступает в
контакт с тепловыделяющим ядерным
горючим, нагревается, расширяется
и с большой скоростью выбрасывается
через сопло наружу.
Заставить атомы работать в ракетном
реакторе — задача невероятной трудности. В «адском пламени» реактора
пакет ядерного горючего раскаляется
до температуры вольфрамовой нити
в электролампе. Но ядерное горючее
превосходит по теплопроизводительности любой другой вид топлива. Так
почему же установки на этом горючем
имеют все-таки большую массу?
Дело в том, что ядерная энергети
ческая установка при работе выделя
ет большое количество излучений,
состоящих главным образом из ней
тронов и гамма-лучей. В земных усло
виях атомный реактор, являющийся
главной частью атомных электростан
ций, окружают толстыми бетонными
стенами
для
создания
безопасных
условий обслуживающему персоналу.
Бетонная защита весит тысячи тонн.
Конечно, такой вид защиты не приго
ден для применения на космических
летательных аппаратах.
Какая же защита от проникающей
радиации, возникающей при работе
атомного реактора, возможна на кос
мическом летательном аппарате?
По-видимому, ядерная энергетиче
ская установка во время работы долж
на находиться не на борту, а на некото
ром отдалении от аппарата. При такой
схеме нейтроны и гамма-лучи будут
рассеиваться в космическом простран
стве, минуя корпус космического ап
парата, но все же какая-то часть излу
чения будет попадать в помещение,
где находятся люди, и от нее также
нужна защита в виде экранов из плас-
Рис. 4. Схема ядерного ракетного двигателя:
1 — бак с жидким рабочим телом; 2 — насос;
3 — приборы управления подачей рабочего те
ла; 4 — форсунки для распыления рабочего
тела; 5 — пакеттвердого ядерного горючего;
6 — охлаждающий тракт (межрубашечное про
странство); 7 — сопло
тин. Однако большая толщина означа
ет увеличение массы, что для косми
ческих аппаратов очень нежелательно.
Экраном, защищающим человека от
потока заряженных частиц и гамма-лу
чей, лучше всего служит свинец. Вза
имодействуя с электронными оболоч
ками его атомов, эти излучения быст
ро гаснут. Но для нейтронов даже
толстые свинцовые стены не преграда.
Зато тепловые нейтроны очень силь
но поглощаются ядрами атомов неко
торых элементов: кадмия, гафния, га
долиния. Тоненькая пластинка из этих
металлов
преграждает
путь
почти
всем нейтронам. Практические разра
ботки ЯРД, использующих твердое
ядерное горючее, были начаты в сере
дине 50-х годов, то есть одновремен
но с введением в строй первых атом
ных электростанций. В космосе уже
побывали
американская
установка
«СНАП-10А» и советская установка
«Топаз». Существуют проекты ЯРД,
у которых делящееся вещество нахо
дится в жидком, газообразном или
даже плазменном состоянии. Удель
ный импульс таких двигателей в случае
применения в качестве рабочего тела
водорода может составить 25 000 мет
ров в секунду, однако реализация по
добных логически возможных схем
встречает многочисленные трудности.
Нам остается еще рассказать о ра
кетных двигателях, использующих для
получения энергии не деление тяже
лых ядер урана, а термоядерную ре
акцию синтеза. Предварительные ис
следования показывают, что подобный
двигатель должен обладать совершен
но уникальными характеристиками и,
в частности, удельный импульс дол33
жен превышать 180 000 метров в се
кунду; это более чем в 30 раз выше
удельного импульса самых лучших
из перспективных термохимических
двигателей. Заметим для сравнения,
что удельный импульс ядерных ракет
ных двигателей, использующих энер
гию распада, не превышает 9000 мет
ров в секунду. Двигатели, созданные
на базе термоядерных
реакторов,
позволят человеку в подлинном смыс
ле слова стать хозяином Солнеч
ной системы, достигнуть ее самых
удаленных планет (Урана, Нептуна,
Плутона), наладить постоянную связь
между планетами земной группы —
Марсом и Венерой, организовать экс
педиции в межзвездное пространство.
Но главная особенность термоядер
ного ракетного двигателя состоит в
том, что для его работы отпадает не
обходимость возить с собой огромные
>апасы топлива. Ведь используемый
для работы двигателя водород являет
ся основным компонентом окружаю
щей космической среды. Нужно будет
только научиться его улавливать в
процессе полета и подавать в камеру
двигателя.
Весьма перспективной может ока
заться идея использовать энергию
большого количества малых ядерных
зарядов (в том числе и термоядер
ных), находящихся на борту ракеты
(например, с тротиловым эквивален
том порядка 10 тонн). Эти ядерные
заряды последовательно выбрасыва
ются из ракеты и подрываются за ней
на некотором расстоянии. При каждом
взрыве часть
расширяющихся газо
образных продуктов с высокой ско
ростью ударяет об основание раке
ты — толкающую
платформу.
Под
действием удара платформа движется
вперед с большим ускорением, кото
рое гасится демпфирующим устройст
вом таким образом, чтобы возникаю
щая при этом перегрузка не превыша
ла предела выносливости человека.
После цикла сжатия демпфирующее
на
устройство
возвращает
толкающую
платформу в начальное положение,
после чего она готова принять новый
очередной удар. Суммарное прира
щение скорости полета ракеты зависит
от количества ядерных взрывов.
Электрические ракетные двигатели.
Итак, для вывода на орбиту космиче
ской ракеты необходимы двигатели,
развивающие огромную тягу. Совсем
другое дело — двигательные установ
ки для уже выведенных на орбиту кос
мических аппаратов. Здесь, как прави
ло, нужны двигатели малой тяги, мощ
ность которых может измеряться не
сколькими киловаттами и даже едини
цами ватт. Пожалуй, наиболее универ
сальными и простыми двигателями,
удовлетворяющими этим требованиям,
являются
электрические
ракетные
двигатели (ЭРД).
В основу всякого реактивного дви
жения заложен процесс ускорения
вещества (рабочего тела) с последую
щим его истечением. У ЭРД разгон
рабочего тела до определенной ско
рости производится за счет электриче
ской энергии. Необходимая энергия
поступает
от
бортового
источника
(панелей солнечных батарей или атом
ной
электростанции).
Академик
В. П. Глушко предложил первый про
ект, предусматривающий крупномас
штабное использование солнечной ра
диации с последующим преобразова
нием ее в электрическую энергию для
питания силовой установки, гепеоракетоплана.
Схемы раз’рабатываемых ЭРД чрез
вычайно разнообразны; также раз
личны способы нагревания тела. В
электротермическом ракетном двига
теле рабочее тело, твердое или газы
с малым молекулярным весом (гелий,
водород и др.), нагреваются до высо
кой температуры (1000—5000° С) с по
мощью электрической дуги. Нагретое
до высокой температуры рабочее тело
превращается в плазму — электриче
ски нейтральную смесь положитель
ных ионов и электронов. При лабора
торных испытаниях электротермиче
ских (электродуговых) двигателей до
стигнута скорость истечения 150—200
километров в секунду. Если удастся
осуществить
магнитную
изоляцию
плазмы от стенок камеры, то темпера
туру плазмы можно будет значитель
но увеличить, а скорость истечения
довести до 100 километров в секунду
*.
Более совершенным является элек
тромагнитный (плазменный) ракетный
двигатель, в котором рабочее тело
превращается в плазму и ускоряется
с помощью воздействующего на нее
электромагнитного поля. В таких дви
гателях возможно получение скоро
стей истечения в несколько сотен ки
лометров в секунду. Плазменные дви
гатели не только испытываются в ла
бораториях, но уже давно были про
верены в космическом полете. Запу
щенная в конце 1964 года к Марсу
межпланетная автоматическая станция
«Зонд-2» имела 6 небольших плазмен
ных двигателей, с помощью которых
достигалась
требуемая
расчетами
ориентация станции.
Другим представителем современ
ного ЭРД является электростатический
(ионный) ракетный двигатель, в кото
ром рабочее тело (цезий, рубидий,
ртуть, аргон и т. п.) сначала путем
подогрева
подвергается
ионизации,
после чего образовавшиеся положи
тельные ионы ускоряются в сильном
электростатическом поле до скоростей
в десятки и сотни километров в секун
ду. С помощью специального устрой
ства (эмиттера) производится нейтра
лизация реактивной струи электронами.
Электрические ракетные двигатели
отличаются
простой
регулировкой
тяги, и в этом одно из важных их пре-
’ Подробнее
об
этом
см.:
Моро
зов
А.
И.,
Шубин А.
П.
Космические
электрореактивные
двигатели.— М.:
Знание,
1975 (серия «Космонавтика, астрономия»).
имуществ. Основной же недостаток
состоит в том, что для каждого ЭРД
необходимо иметь на борту источник
электроэнергии.
У
ЖРД
источник
энергии и рабочее тело нераздельны,
и эта проблема отсутствует.
Любопытно, что максимальная мощ
ность,
развиваемая
современными
ЖРД, огромна. Так, можно подсчитать,
что ЖРД тягой 1 меганьютон (100 тоннсил) развивает мощность 1,6 миллиона
киловатт (2 миллиона лошадиных сил).
Если поставить такую же задачу перед
ЭРД, то это значит, что надо захватить
с собой электростанцию более мощ
ную,
чем
Братская
ГЭС!
Правда,
ЭРД—это двигатели малой тяги, для
старта непригодные. Поэтому требова
ния к мощности соответственно снижа
ются. Снижаются, но не исчезают: под
счеты показывают, что при ничтожной
тяге всего в 100 граммов мощность
бортовой электростанции должна быть
не менее 30 киловатт (40 лошадиных
сил).
Вот в этом состоит основная труд
ность использования ЭРД. Из всех
источников электроэнергии, пожалуй,
наиболее подходящий — атомный, ос
нованный на радиоактивном распаде
некоторых элементов. Не исключено
также использование для этих целей
ядерного реактора. Таких проектов
очень много.
Космические корабли
ЧЕЛОВЕК — ЖИТЕЛЬ ЗЕМЛИ
Путь в космос лежит через воз
душный океан, окутывающий нашу
Землю. По мере удаления от планеты
давление воздуха неуклонно снижает
ся, а на большой высоте оно становит
ся столь ничтожным, что практически
соответствует вакууму. В связи с этим
перед учеными возникла задача созда
ния человеку условий для нормальной
жизни в безвоздушном пространстве.
Поэтому на всех пилотируемых кос
35
м ческих летательных аппаратах уста
навливаются герметические кабины, в
которых поддерживается заданная воз
душная среда.
Какой же климат должен быть в
помещениях, в которых находится эки
паж. давление, газовый состав, темпе
ратура и влажность воздуха?
Человек — житель Земли и не при
способлен для существования в усло
виях, отличных от тех, к которым
привык, находясь на ее поверхности.
Кислород, который мы вдыхаем вмес
те с атмосферным воздухом, служит
для осуществления реакции окисле
ния, при его участии происходит «сго
рание» органических веществ в клет
ках, в результате чего образуется энер■ия, обеспечивающая все виды деятельости человека.
Газообмен
между
атмосферным
.оздухом и органами дыхания челове
ка происходит в легких, представляю
щих собой множество мельчайших ле
гочных альвеол (диаметром около
0,2 миллиметра), густо оплетенных
кровеносными сосудами. Через тонкие
стенки альвеол легко проникают газы:
из воздуха в кровь — кислород, а из
крови в воздух — углекислый газ и па
ры воды. На уровне Земли артериаль
ная кровь почти на 100% насыщена
кислородом. При подъеме на высоту
до 2 километров насыщение крови
кислородом снижается незначительно,
и никаких заметных изменений у че
ловека не наблюдается. На высотах от
2 до 3 километров насыщение крови
кислородом продолжает снижаться,
но организм компенсирует недостаток
кислорода учащением дыхания и уве
личением его глубины. При дальней
шем же подъеме содержание кисло
рода в крови продолжает падать, и ор
ганизм человека уже не может с этим
справиться.
Начиная с высоты 4 километра про
никновение кислорода из легких в
кровь замедляется до такой степени,
что наступает кислородное голода
36
ние — гипоксия. Следует подчеркнуть
что у человека в это время теряется
способность целенаправленно действо
вать даже в тех случаях, когда это
необходимо для спасения собствен
ной жизни и жизни товарищей.
Из того, что было сказано, можно
сделать такой вывод. «Высота» в ка
бине космического корабля должна
быть не более 2 километров, а еще
лучше, если поддерживать нормальное
атмосферное давление и состав воз
духа, к которым привык человек. Так
и решили наши специалисты, установив
в кабинах космических кораблей дав
ление 101,3 килопаскаля (760 милли
метров ртутного столба).
Известно, что общее давление воз
духа является суммой давлений входя
щих в его состав газов, и на долю
кислорода из этой суммы приходится
21,1 килопаскаля (159 миллиметров
ртутного столба). В процессе дыхания
участвует только кислород.
А что если создать в кабине чисто
кислородную атмосферу? Сможет ли
в этих условиях жить и работать че
ловек в течение длительного времени?
Проделали много экспериментов,
которые установили, что человек мо
жет в течение длительного времени
дышать чистым кислородом, но при
давлении не менее 26,2 и не более
41
килопаскаля. Если же
вдыхать
кислород
при
давлении
большем,
чем 41 килопаскаль (308 миллимет
ров ртутного столба), то возникают
признаки
кислородного отравления,
появляется кашель, нарушается сер
дечная деятельность. Однако в любой
аптеке можно приобрести кислород
ную подушку, кислородом дышат тя
желобольные. Что же, вместо целеб
ного лекарства им дают яд? Дело в
том, что медицинским кислородом
дышат в течение короткого времени,
и тогда он оказывает спасительное
действие. Стоит перешагнуть некото
рый предел длительности, и вместо
блага получится вред.
Чистокислородная атмосфера при
менялась в кабинах американских кос
мических кораблей. Пониженное дав
ление позволяло уменьшить массу ко
рабля за счет утоньшения стенок его
кабины. Это обстоятельство, уменьше
ние массы, очень ограничивало амери
канских инженеров, которые в то вре
мя не располагали мощными ракетами
Для доставки на орбиту тяжелого ко
рабля.
Сколь необходимо присутствие азота
в атмосфере кабины — до сих пор не
ясно. Некоторые исследователи счита
ют, что он не участвует в обмене ве
ществ, происходящем в организме че
ловека, однако еще нет данных, даю
щих полную уверенность в его биоло
гической инертности.
Различные вредные вещества выде
ляются установленным оборудовани
ем и материалами, из которых изго
товлена кабина. Сколь ни малы эти
выделения, со временем их содержа
ние достигает опасной концентрации.
Специалисты тщательно отбирают ма
териалы, которые «допускаются» в ка
бину, особое беспокойство вызывают
пластмассы, лаки, клей. Хорошим по
глотителем дурнопахнущих веществ
является древесный уголь. Если прого
нять воздух через патрон, заполнен
ный древесным углем, то в нем будут
задерживаться многие ароматические
соединения, включая углеводороды,
спирты, органические кислоты.
Для поддержания нормальной жиз
недеятельности человек, как и все
живые организмы, должен непрерыв
но получать из окружающей среды
определенные вещества, химическое
превращение
которых
и
является
энергетическим
источником
жизни.
При потреблении 1 литра кислорода
человек выделяет примерно 20 кило
джоулей (5 килокалорий) энергии. Эта
важная характеристика, дающая воз
можность определить теплопродук
цию человека в зависимости от коли
чества потребляемого кислорода. Че
ловек в состоянии покоя, лежа в пос
тели, на поддержание нормальной
жизнедеятельности — работу внутрен
них органов: сердца, печени, почек и
др., а также на сохранение тонуса
мышц — тратит около 75 ватт (64,5 ки
локалории в час). Эта величина харак
теризует так называемый основной
обмен — минимальную теплопродук
цию. Выполнение физической работы
сопровождается значительным увели
чением теплопродукции. При выпол
нении тяжелой работы (землекопы,
лесорубы) теплопродукция увеличива
ется в 7—10 раз.
Количество энергии, поступающей в
организм с пищевыми продуктами,
должно соответствовать теплопродук
ции. У экипажа космического корабля
«Союз-9» в составе А. Г. Николаева и
В. И. Севастьянова в течение 18-суточного полета теплопродукция в сред
нем на одного человека составляла
120 ватт (2600 килокалорий в сутки).
Замеры, проведенные при последую
щих полетах, показали, что среднесу
точный расход энергии оставался при
мерно на этом уровне.
Сколько же нужно пищевых продук
тов (белков, жиров и углеводов), что
бы возместить расход энергии?
Оказывается, не так уж много —
примерно 700 граммов. Однако энер
гетическая ценность пищевых веществ
неодинакова. Так, 1 грамм углеводов
или 1 грамм белка дает при сгорании
в организме около 17 джоулей (4 ки
локалории). Жиры представляют зна
чительно
большую
энергетическую
ценность, так как при сгорании в орга
низме выделяют 38 джоулей (8 кило
калорий). Казалось бы, 300 граммов
чистого жира было бы достаточно для
удовлетворения суточной потребности
космонавтов в пище. Компактно и лег
ко. Но физиологи утверждают: подхо
дить к питанию человека только с
энергетической точки зрения нельзя,
Пища не только источник энергии,
но и строительный материал, необхо37
димыи для непрерывного обновления
клеток организма. Для осуществления
этого процесса прежде всего нужны
белки. В их химический состав входят
различные аминокислоты, представля
ющие микроскопические «кирпичики»,
необходимые для постройки клеток.
Ученые установили наиболее рацио
нальное соотношение этих веществ в
рационе питания. В сутки космонавт
должен получать примерно 400 грам
мов углеводов, 100 граммов белков и
100 граммов жира, около 2200 грам
мов воды, минеральные соли и вита
мины.
СКАФАНДР —
ОДЕЖДА для вакуума
В замкнутом объеме герметической
кабины заключена как бы частичка
гемной атмосферы: такие же, как на
5емле, атмосферное давление и сос
тав воздуха. Здесь космонавт может
жить и работать в течение длительно
го времени. Надежно и многократно
испытана космическая техника. Но по
леты в космос связаны с определен
ным риском, и очевидно, что в случае
возникновения аварийной ситуации не
обходимо найти спасательные средст
ва, с помощью которых была бы со
хранена жизнь космонавтов.
Наибольшая опасность для космо
навтов возникает при разгерметизации
и полной утечке имеющегося в ней
воздуха. Однако беды может не быть,
если экипаж совершает полет в ска
фандрах. Работы по созданию скафан
*
дров
начались более 50 лет назад, и
* Когда говорят о «высоте» в скафандре,
то под этим подразумевают атмосферное дав
ление, которое соответствует этой высоте. Так,
например, если «высота» в скафандре 10 ки
лометров, то это означает, что под его обо
лочкой поддерживается такое же давление, как
на высоте атмосферы 10 километров, то есть
26,2 килопаскаля (197 миллиметров ртутного
столба).
38
наша страна включилась в них одной
из первых. С тех пор скафандры про
шли большой путь развития — от ма
лоподвижного герметичного комбине
зона до сложного технического уст
ройства. Скафандр — это, по существу,
та же кабина, но сжатая до минималь
но возможных размеров. В его кон
струкции воплощены последние дос
тижения науки и техники. В разработ
ке скафандра участвуют самые раз
личные специалисты: ученые, инжене
ры, врачи и физиологи.
В нормальных условиях полета, ког
да в кабине поддерживается давление,
скафандр не надут: он включится в
работу немедленно и автоматически,
как только произойдет разгерметиза
ция кабины. Скафандр является уни
версальным снаряжением для космо
навта. Он не только защищает от низ
кого барометрического давления, но
при попадании в воду обеспечит пла
вучесть, а в случае возникновения
пожара спасет от огня.
Напомним читателю, что с подъ
емом на высоту уменьшается давле
ние воздуха и соответственно ему —
давление содержащихся в нем газов.
В итоге гленьше кислорода поступает
в кровь, а кровь, в свою очередь, не
доставляет его нужным тканям, и нор
мальная жизнедеятельность человека
нарушается.
Уменьшение
давления
кислорода компенсируют увеличени
ем его процентного содержания. На
высоте 10 километров человек может
находиться, если для дыхания пода
вать чистый кислород. Высота 1 2 кило
метров является предельной, выше
которой, даже вдыхая чистый кисло
род, человек может жить считанные
минуты. Следовательно, для обеспече
ния процесса дыхания «высота» в ска
фандре должна быть не более 10 ки
лометров.
Следующее обстоятельство, с кото
рым приходится считаться при выборе
режима работы скафандра,— это вы
сотные боли, которые могут появиться
у человека, когда он находится на вы
соте более 7 километров. На этой вы
соте растворенный в тканях организма
азот переходит в газообразное состо
яние. Появившиеся пузырьки газа на
рушают
кровоснабжение
жизненно
важных органов или вызывают боли,
оказывая давление на нервные оконча
ния. Вот еще важный критерий: для
защиты от высотных болей «высота» в
скафандре должна быть не более
7 километров.
Таким образом, в космическом ска
фандре желательно иметь два режи
ма: при «высоте» 7 километров — для
длительного пребывания в скафандре
и защиты от высотных болей и при
«высоте» 10 километров, обеспечивая
потребность организма в кислороде и
выполнение заданной работы с мини
мальной затратой сил. Когда космо
навт находится в спокойном состоянии
или работа не требует от него боль
ших усилий, тогда режим соответству
ет «высоте» в скафандре 7 километ
ров. Нужно космонавту выполнить ра
боту, требующую больших усилий,—
и «высота» в скафандре увеличивается
до 10 километров.
Человека в скафандре нужно обес
печить кислородом для дыхания, но
не следует забывать, что организм не
прерывно выделяет влагу и тепло.
Влагу и тепло следует выводить из
скафандра, иначе белье станет мок
рым, а температура тела начнет повы
шаться, наступит тепловой удар. Чтобы
этого не произошло, скафандр снаб
жен системой трубок (вентилирующей
системой), по которым непрерывно
пропускается воздух. Воздух забирает
избыток тепла, способствует испаре
нию влаги и удалению ее из подска
фандрового пространства.
Современные скафандры применя
ются не только как спасательное сред
ство при разгерметизации кабины, их
также надевают космонавты, собира
ясь покинуть корабль и выйти в откры
тый космос. Таким образом, в зависи
мости от назначения скафандры Раз
деляются
на аварийно-спасательны
(или просто спасательные) и для выхо
да в космос
.
*
Первый шаг на пути освоения откры
того космического пространства был
сделан 18 марта 1965 года граждани
ном СССР Алексеем Леоновым, кото
рый впервые вышел из корабля в от
крытый космос. Ранец, с которым со
ветский космонавт вышел в космос,
вмещал в себя три баллона емкостью
по 2 литра каждый. С помощью ком
прессора в баллоны был накачан кис
лород под давлением, в 150 раз боль
шим, чем атмосферное. Таким обра
зом, если привести запас кислорода к
нормальным атмосферным условиям,
то окажется, что в баллонах умести
лось около 1666 литров кислорода. Из
баллонов кислород поступал в прибор,
который был отрегулирован так, чтобы
подавать в шлем скафандра около
30 литров газа в 1 минуту. А всего за
паса кислорода хватало на 30 минут.
Скафандр,
которым
пользовался
А. Леонов, был вентиляционного типа.
У него выдыхаемые газы, содержащие
кислород, выбрасывались наружу. У
такой системы происходит большой
расход кислорода ( более 30 литров в
минуту). Перед учеными и конструкто
рами была поставлена задача создать
более экономичный скафандр и тем
самым увеличить время, в течение ко
торого космонавт мог находиться в от
крытом космосе. Для удовлетворения
этих требований
необходимо было
разработать принципиально новую ус
тановку, у которой происходит очистка
выдыхаемых газов от вредных приме
сей и влаги, после чего они вновь ис
пользуются.
Как устроена эта система, показано
на рис. 5. Установленный в ранце вен
тилятор
обеспечивает
циркуляцию
' Подробнее об этом см.: Уманский С. П.
Снаряжение космонавта.— М.:
Машинострое
ние 1982.
39
кислорода между ранцем и скафанд
ром. С помощью трубок вентилирую
щей системы кислород поступает ко
всем частям тела: снимает тепло, спо
собствует испарению и удалению влаги.
Очистка газов (поглощение СО2 и про-
Рис. 5. Схема
устройства
регенерационного
скафандра: 1 — баллон с кислородом; 2 — ма
нометр; 3 и 6—редукторы; 4, 5, 10, 13 — дат
чики телеметрического контроля; 7 — регене
рационный патрон; 8 — инжектор; 9 — центро
бежный вентилятор; 11 —теплообменник; 12—
влагоотделитель; 14 — блок измерительной ап
паратуры;
15 — дистанционное
управление;
16 — трубопроводы подачи газа в скафандр и
забора из него; 17 — направление потока вен
тилирующего газа под оболочкой скафандра;
18—шланг для вентиляции ног; 19 — шланги
вентилирующей системы рук
чих примесей) происходит в специаль
ном патроне аналогично тому, как это
делается у всем нам известного про
тивогаза. Еще одна особенность ново
го скафандра — это наличие холо
дильника. Принцип действия
холо
дильника весьма прост: используется
свойство воды кипеть в вакууме при
температуре около 0 С. Изготовлен
холодильник в виде бачка, имеющего
примерно 3 литра воды. Запас кисло
рода находится в баллоне, где хранит
ся под большим давлением.
Работа в современном скафандре
требует значительных усилий. Буду
щее может подсказать, вероятно, и
неожиданные решения. Почему бы не
использовать,
например,
механиче
ские манипуляторы, управляемые био
токами мышц человека. Между про
чим, впервые подобные (биопротезы)
были созданы в нашей стране.
КАК УСТРОЕН
КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ
Если проследить за рядом величай
ших открытий, сделанных за всю мно
говековую историю человечества, то
можно убедиться в том, что истина
никогда не познавалась сразу. Шаг за
шагом приближались ученые к откры
тию новых законов. У каждого велико
го творца можно было найти пред
шественников. Закон развития науки и
техники — от простого к сложному.
Именно таким образом мы получили
электрическую лампочку, автомобиль,
атомный двигатель. Созданные в на
шей стране космические корабли в
этом смысле были уникальными: ни
когда, никто, нигде не строил косми
ческих кораблей. Эскизные наброски
К. Э. Циолковского, О. В. Кондратюка,
Ф. А. Цандера не представляли боль
шой практической ценности для конст
рукторов. Это был редкий случай в нау
ке и технике, когда начинали с нуля.
Как устроен легендарный корабль
«Восток», на котором впервые чело
век проник в космос?
Корабль «Восток» состоит из соеди
ненных вместе спускаемого аппарата
и приборного отсека; масса корабля
4730 килограммов. Спускаемый аппа
рат (кабина экипажа) выполнен в виде
чуть скошенного шара диаметром 2,3
метра. В спускаемом аппарате уста
новлены кресло космонавта, приборы
управления, система жизнеобеспече
ния. Кресло расположено таким обра
зом, чтобы возникающая при взлете и
посадке перегрузка оказывала на кос
монавта наименьшее влияние. В каби
не поддерживалось нормальное атмо
сферное давление и такой же, как на
Земле, состав воздуха. Шлем скафан
дра был открыт, и космонавт дышал
воздухом кабины. Но если случилась
бы беда и давление упало, то шлем
автоматически закрылся бы и включи
лась система аварийной подачи кисло
рода.
Ракета-носитель вывела корабль на
орбиту с максимальной высотой над
поверхностью Земли 320 километров
и минимальной— 180 километров. Та
кая орбита выбрана не случайно: на
ней время существования космическо
го аппарата не более 10 суток, что при
отказе тормозной двигательной установки обеспечивало бы благополучное
возвращение корабля на Землю. Что
бы начать движение по траектории
спуска, корабль должен потерять лишь
небольшую часть своей скорости (все
го около 180 метров в секунду
*).
Встречный поток воздуха оказывает
большое сопротивление
движению.
Трение о воздух сопровождается вы
делением тепла. Наружная поверх
ность нагревается до такой температу
ры, что самые тугоплавкие вещества
начинают превращаться в газ.
Температура газов, непосредствен
но соприкасающихся со спускаемым
аппаратом, достигает 7000° С, однако
температура поверхности «жертвенно
го» слоя, из которого сделано за
щитное
покрытие,
всегда
бывает
меньше температуры газов, с кото
рыми он соприкасается. В практике
строительства космических аппаратов
наибольшее распространение получи
ли материалы с температурой субли
мации
2500—3500° С.
Основу
этих
материалов составляют так называе
мые эпоксидные или формальдегид
ные смолы. Толщина теплозащитного
слоя не везде одинакова. Наибольшая
толщина делается на лобовой поверх
ности. Достигает она 400 миллиметров,
то есть почти полметра. Вот такую
толщину теплозащитного материала
должно пройти тепло, поступающее
* См.:
Сыромятников
В.
Космиче
ские превращения//Авиация и космонавтика.—
1982,— № 9.
41
от раскаленных газов раньше, чем оно
достигнет
металлической
оболочки
космического корабля.
Расширялись
задачи
космических
полетов и соответственно совершенст
вовались космические корабли. 12 ок
тября 1964 года сразу три человека
поднялись в космос на корабле «Вос
ход». Командир корабля Владимир
Комаров, ученый, кандидат техниче
ских наук Константин Феоктистов и
врач Борис Егоров. Новый корабль
существенно отличался от кораблей
«Восток». Он вмещал трех космонав
тов, имел систему мягкой посадки,
мог спускаться не только на сушу, но и
приводняться. Космонавты находились
в корабле в полетных костюмах без
скафандров.
На базе корабля «Восход» создан
корабль «Восход-2». Этот космический
аппарат имел шлюзовую камеру для
выхода из корабля в открытый космос.
Полет корабля «Восход-2» состоялся
в марте 1965 года, на его борту нахо
дился командир Павел Беляев и вто
рой пилот Алексей Леонов. Первый
выход человека позволил получить
ценнейшую информацию для после
дующих экспедиций. Было доказано,
что хорошо подготовленный космонавт
в условиях открытого космоса может
выполнять различные задания.
Новый космический корабль «Союз»
состоял из орбитального отсека, где
космонавты проводили научные иссле
дования и отдыхали, спускаемого ап
парата, в котором они находились в
креслах во время выведения на орби
ту и при возвращении на Землю, и
приборно-агрегатного отсека с уста
новленными в нем аппаратурой, обо
рудованием, двигательной установкой.
Спускаемый аппарат имел специаль
ную форму, наиболее выгодную с точ
ки зрения спуска в атмосфере Земли.
В нем установлены кресла космонав
тов, радиоаппаратура, система жизне
обеспечения, аппаратура для активно
го управления полетом. Орбитальный
42
отсек, по форме близкий к шару, по
сути своей — это лаборатория, где
космонавты проводят научные иссле
дования, а также едят, отдыхают. Если
им надо выйти в открытый космос, ор
битальный отсек использовался как
шлюз; в нем был люк, который откры
вался автоматически и вручную’.
В жилых помещениях КК «Союз»
с помощью генерационных патронов
поддерживалась обычная кислородноазотная атмосфера с давлением около
101,3 килопаскаля (760 миллиметров
ртутного столба) с возможным увели
чением процентного содержания кис
лорода по объему до 40% и пониже
нием его давления до 69 килопаска
лей (520 миллиметров ртутного стол
ба). Стартовая масса корабля 6500—
6800 килограммов (в том числе масса
спускаемого
аппарата
при
старте
2800 килограммов)”.
С учетом опыта эксплуатации КК
«Союз» был создан новый усовершен
ствованный вариант «Союз Т». Он со
стоял из орбитального («бытового»)
отсека с агрегатом стыковки, спускае
мого аппарата и приборно-агрегатного
отсека новой конструкции. Стартовая
масса корабля — 6850 килограммов,
свободный объем жилых помеще
ний — 6,5 кубических метров, расчет
ная продолжительность автономного
полета—4 суток (120 суток в составе
орбитального комплекса). Перегрузки
на участке спуска не более 3—4 еди
ниц. Первый испытательный пилоти
руемый полет этого корабля, «Со
юз Т-2», (экипаж Юрий Малышев и
Владимир Аксенов) со стыковкой со
станцией «Салют-6» состоялся 5 июня
1980 года. На базе корабля «Союз»
создан также грузовой корабль «Про-
Об устройстве корабля «Союз» см.: Земля
и Вселенная.— 1978.— № 5.
Подробнее об устройстве космических ко
раблей см.: Бойков В. Н., Сыромятни
ков В. Г. Космические корабли.— М.: Зна
ние, 1985.
гресс», который запускается с по
мощью той же ракеты-носителя. В за
груженном состоянии масса «Прогрес
са» 7 тонн. Корабль состоит из трех
отсеков, внешне не отличающихся от
отсеков «Союза». В грузовом отсеке
размещаются сухие грузы и запасы
воды (всего до 1,3 тонны), в нем обыч
ный воздух при нормальном давлении.
В негерметичном отсеке компонентов
дозаправки установлены два бака с
окислителем и два бака с горючим
(баки вмещают до 1 тонны топлива),
а также механизмы для перекачки со
держимого баков в баки станции че
рез два трубопровода. Корабль непи
лотируемый и на Землю не возвра
щается. После разгрузки космонавты
заполняют его отходами и использо
ванными материалами, которые затем
сгорают в плотных слоях атмосферы
при спуске вместе с кораблем.
В настоящее время в практике со
ветской
космонавтики используется
транспортный космический корабль
«Союз ТМ», который во многом от
личается от своих предшественников,
хотя внешне очень похож на них. Пер
вый пилотируемый полет этого кораб
ля, «Союз ТМ-2», начался 6 февраля
1987 года. Экипаж корабля состоял
из командира Юрия Романенко и
борт-инженера Александра Лавейкина, которые отправились в длительную
экспедицию на орбитальную станцию
«Мир».
И
в
автономном
полете,
и в полете в составе орбитального
комплекса новый космический корабль
показал себя с самой хорошей сто
роны.
Орбитальные станции
ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ
НА БОРТУ СТАНЦИИ
Космический
корабль
является
транспортным средством, доставляю
щим на орбиту людей и различные
грузы, в основном для работы в со
ставе орбитальной космической стан
ции (ОКС). Это специально созданное
и соответствующим образом оборудо
ванное сооружение или комплекс со
оружений, расположенных на орбитах
вокруг Земли (в перспективе и на
других планетах, и в открытом косми
ческом пространстве). ОКС может
быть своеобразной лабораторией в
космосе, на которой размещено раз
личное оборудование для проведения
наблюдений и исследования Земли с
орбиты. Станция может служить ба
зой, где будут заправляться топливом
различные летательные аппараты, с
нее может быть произведен запуск
межпланетных кораблей, а к ней мо
гут причаливаться корабли, возвраща
ющиеся из дальних странствий.
Радиация, вакуум, большой перепад
температур, невесомость — вот дале
ко не полный перечень факторов, с
которыми встретился человек при по
лете в космическом пространстве. Ва
кууму противопоставили герметиче
скую кабину, в которой сохраняется
земная атмосфера. От радиационных
излучений космонавтов защищает ат
мосфера и магнитное поле Земли.
Температурному перепаду тоже на
шли противоядие: многослойную изо
ляцию из алюминиевой фольги. А вот
какое действие на организм человека
окажет длительное состояние невесо
мости — пока неясно. Если будущие
исследования покажут, что человек
может жить в этом новом для него
существовании, то это решающим об
разом скажется на устройстве и внеш
нем облике орбитальных космических
станций.
Дело в том, что если организм че
ловека не может находиться в состоя
нии невесомости в течение длитель
ного времени, то придется создать ис
кусственное поле тяготения. Скажем,
при помощи двигателя придавать вра
щение космическим объектам, тем
самым создавая хотя бы частично «си
лу тяжести». На вращающейся станции
43
все предметы, находящиеся внутри
нее под действием центробежной си
лы, будут прижиматься к наружной
стенке, которую можно сделать по
лом. Такая искусственная «тяжесть»
ничем не отличается от настоящей, а
изменяя скорость вращения станции,
можно увеличить или уменьшить «силу
тяжести». Однако такой прием потре
бует дополнительного расхода энер
гии и, естественно, вызовет соответ
ствующее конструктивное оформле
ние ОКС. К. Э. Циолковский предло
жил создать искусственную силу тяже
сти еще в 1895 году, причем он не
настаивал на точном воспроизводстве
земной тяжести.
Человеку нужно в течение суток
1200 граммов кислорода, 600 граммов
обезвоженных продуктов, 2200 грам
мов воды для питья и разбавления
пищи, около 20 граммов соли, вита
мины. При этом человек выделяет
1300
граммов
углекислого
газа,
1600 граммов жидкости с отходами,
500 граммов в виде пота, 300 граммов
в процессе дыхания, а также 200 грам
мов твердых отходов. Кроме того,
человеку нужно ежесуточно не менее
2 килограммов воды для хозяйствен
ных и санитарно-гигиенических нужд.
Таким образом, самым массовым про
дуктом является вода — 4,2 килограм
ма в сутки. Нетрудно подсчитать, что
экипажу из двух человек понадобится
в течение месяца 252 килограмма во
ды, 36 килограммов обезвоженных
продуктов питания. Ну а как быть, ес
ли полет продолжается более дли
тельное время?
Проблему можно решить, если ор
ганизовать на станции очистку воздуха
и воды, а продукты питания и воду
для питья доставлять с Земли грузо
выми кораблями. На космических ко
раблях «Союз ТМ», как и на орбиталь
ных станциях «Салют», для получения
кислорода используются кислородсо
держащие вещества,
которые при
взаимодействии с углекислым газом
44
и водой выделяют кислород. Каждый
килограмм кислородсодержащего ве
щества (КО • или ИаО ) выделяет око
ло 300 литров чистого кислорода. При
таком способе углекислый газ связыва
ется щелочью и хранится в виде бал
ласта. Ученые работают и над другими
способами получения кислорода.
Один из них предусматривает вос
становление кислорода из выдыхаемо
го углекислого газа. При высоких тем
пературах (примерно 300 С) водород
способен вступать в реакцию с угле
кислым газом, отнимая от него кисло
род. Углекислый газ, взаимодействуя
с водородом, восстанавливается сна
чала до окиси углерода (угарного га
за), а водород окисляется до воды.
Для того чтобы получить водород и
кислород, воду разлагают электриче
ским током. Таким образом, процесс
получения кислорода из углекислого
газа состоит из двух стадий: сначала
водород окисляется углекислым газом
до воды, а затем вода разлагается
на кислород и водород (рис. 6).
При температурах от 600 и до 760 С
в присутствии катализатора углекис
лый газ вступает в реакцию с молеку
лярным водородом, образуя воду и
углерод: СО? + 2Н • —2Н?О + С (ре
акция Боша). В электролизе вода раз
лагается на водород и кислород:
2Н?О — 2Н • 4- О?. Но как извлечь уг
лекислый газ из воздуха?
Для этого применяют так называе
мые молекулярные сита (их называют
также цеолитами). Молекулярные си
та имеют настолько малые отвер
стия — поры, что через них свободно
проходят молекулы таких газов, как
азот, кислород и т. п., а молекулы
углекислого газа, большие по разме
рам, задерживаются.
Городские жители для питья поль
зуются водопроводной водой. Но по
ступающая в водопровод природная
вода
проходит
предварительную
очистку на специальных станциях. В
сельской местности питьевую воду
берут из колодцев. Воде, поступаю
щей в колодец, пришлось просачи
ваться через толщу песка и других
пород. Слои почвы служат естествен
ным фильтром, в котором задержива
ются загрязнения, попавшие в воду.
Таким образом, в природе осуществ
ляется кругооборот воды, при кото
ром загрязненные стоки после естест
венной очистки снова используются
для питья.
Однако не все отходы влаги нуж
даются в одинаковой очистке. Проще
всего превратить в питьевую воду вла-
гу, находящуюся в атмосфере, кото
рая образуется при испарении пота
и дыхании. В этой влаге сравнительно
мало загрязнений. Более трудная за
дача — восстановить воду из мочи че
ловека и довести ее до состояния,
пригодного для питья. Существует
много способов очистки (регенерации)
воды из продуктов жизнедеятельно
сти человека. Расскажем об одном из
них, в котором используется кипяче
ние. Образующиеся при кипячении па
ры направляются в холодильник, где
они конденсируются. Полученный кон
денсат прогоняют еще через систему
фильтров, после чего воду можно
употреблять для приготовления пищи
и питья.
Сублимированию подвергаются не
только натуральные продукты, но и
такие блюда, как борщ, суп, куриный
бульон, антрекот, фарш колбасный,
творожный крем, напитки — кофе и
какао. Различные соки, хлеб столовый,
рижский, бородинский, конфеты, цу
каты и др. Всего даже и не перечис
лишь. Система питания космической
станции — это не только пища, сюда
относится холодильник, в котором
хранятся продукты, подогреватели, на
боры столовых принадлежностей, кон
тейнеры для сбора и хранения остат
ков пищи. Паек каждого космонавта
на одни сутки упакован в отдельном
пакете. Энергетическая ценность (ка
лорийность) суточного рациона при
мерно 1 2 600 килоджоулей (3000 кало
рий), масса около 1500 граммов.
СОВЕТСКИЕ ОКС
«САЛЮТ» И «МИР»
Первая в мире орбитальная станция,
«Салют-1», была запущена в космос
в апреле 1971 года. В июне того же
года Георгий Добровольский, Вяче
слав Волков и Виктор Пацаев провели
на ней 23 суток. В последующие годы
на орбите побывали другие станции
«Салют». Причем последняя, «Салют-7»,
была запущена 19 апреля 1982 года.
Космические станции первого поколе
ния, от «Салюта-1» до «Салюта-5»,
обеспечивали длительное пребывание
человека в космосе, продуктивную
его работу на орбите, существенно
расширили возможности проведения
научных исследований. Следующим
крупным шагом советской космонав
тики стало создание орбитальных на
учно-исследовательских
комплексов
«Салют» — «Союз» — «Прогресс». Для
этого станции второго поколения, «Са
лют-6» и «Салют-7»,имели уже два
стыковочных узла. Создание грузового
транспортного
корабля
«Прогресс»
разрешило проблему снабжения всем
необходимым для жизни и работы
экипажа. Впервые в космической прак
тике прямо в космосе двигательную
установку станции начали заправлять
46
топливом, доставляемым с Земли ко
раблем «Прогресс».
Станция «Салют-6» проработала в
космосе около 5 лет, на ней побывало
5 основных экспедиций и 11 экспеди
ций посещения, в том числе 8 меж
дународных — с участием космонав
тов из социалистических республик.
На станцию «Салют-7» было соверше
но 4 основные экспедиции и 5 экспе
диций посещения, в том числе 2 меж
дународные — с
космонавтами
из
Франции и Индии, а также первый
экипаж, в который входила женщинакосмонавт Светлана Савицкая.
Коротко о внешних характеристиках
этого орбитального комплекса. Общая
масса системы «Салют» — «Союз» —
«Прогресс» 32 500 килограммов, при
чем на долю «Салюта» приходится
почти 19 тонн. Уже на первом из «Са
лютов» масса научных приборов со
ставляла 1200 килограммов, а на по
следующих станциях этот груз увели
чен до 1500 килограммов. В состыко
ванном состоянии система «Салют» —
«Союз» — «Прогресс»
достигает
в
длину 29 метров, причем на долю ор
битального блока (то есть самой стан
ции) приходится 15 метров. В самой
широкой своей части «Салют» имеет
поперечник 4,14 метра, а при раскры
тых солнечных батареях— 17 метров.
Общая площадь солнечных батарей —
60 квадратных метров. Но особенно
поражает общий объем внутренних
помещений станции — около 100 ку
бометров.
Доставка на орбиту станции «Са
лют» производится ракетой-носителем
«Протон», первый старт которой со
стоялся 16 июля 1965 года, когда она
доставила на орбиту спутник «Про
тон». С применением ракеты «Про
тон» связаны такие выдающиеся собы
тия, как посылка на Луну «Луноходов»,
автоматических станций, взявших про
бы лунного грунта, совершивших по
садку на Марс. Ракета-носитель «Про
тон» выполнена по схеме тандем, то
Рис. 7. Ракета-носитель «Протон»
есть с поперечным делением ступе
ней. На всех ступенях РН установлены
однокамерные ЖРД. Топливо двух
компонентное (окислитель — четырехокись азота, горючее — несимметрич
ный диметилгидразин). На первой сту
пени установлено 6 однокамерных
ЖРД РД-253 с общей тягой около
9 меганьютон, на второй ступени —
4 однокамерных ЖРД с тягой каждого
0,6 меганьютон, на третьей ступени —
один такой же ЖРД и рулевой ЖРД
с тягой около 30 килоньютон, кото
рый имеет 4 поворотные камеры, обес
печивающие управление направлени
ем полета ступени и ее положением
(рис. 7).
В феврале 1986 года ракета-носи
тель «Протон» вывела на космическую
орбиту
новую советскую
научную
станцию третьего поколения. Новой
станции дали название «Мир», что от
ражает стремление нашего народа к
миру, к использованию космической
техники только в мирных целях. По
виду ее легко отличить от «Салют-6»
и «Салют-7». Новый переходный от
сек с 5 стыковочными узлами, 2 увели
ченные (сейчас их 3) по площади сол
нечные батареи, чаша остронаправ
ленной антенны радиосистемы связи.
Всего «Мир» имеет 6 стыковочных
узлов, что позволяет, кроме кораблей
«Союз» и «Прогресс», пристыковывать
к ней еще 4—5 специализированных
модулей с различной аппаратурой
(рис. 8).
Первый из таких модулей, «Квант»,
по
своей
основной
специальности
астрофизический. На его борту нахо
дится уникальная аппаратура для ис
следования рентгеновских источников в
широчайшем диапазоне энергий — от
2 до 800 килоэлектронвольт. Вся рент
геновская аппаратура объединена в
общий комплекс — орбитальную об
серваторию «Рентген». На модуле ус47
Рис. 8. Орбитальная станция «Мир»
*.
нии
Эксплуатацию станции предпола
гается осуществить в начале будущего
века. Число членов экипажа 10—21 че
ловек. Объем герметизированных от
секов в течение 10 лет может увели
читься от 169 до 405 кубических мет
ров. Основные
несущие элементы
системы
образуют
прямоугольную
конфигурацию
94,5 X 45,7
метров.
В жилых помещениях давление и
..содержание кислорода не будут от
личаться от атмосферного на уров
не Земли, система жизнеобеспечения
произведет очистку воды и угле
кислого газа. В настоящее время
проект этой ОКС утвержден. Так
же более упрощенные ОКС с на
чалом эксплуатации в следующем
веке разрабатываются в Японии и
Европейским
космическим
агентст
вом (ЕКА).
тановлен также ультрафиолетовый те
лескоп «Глазар», который предназна
чен прежде всего для исследования
активности квазаров и ядер галактик.
Астрофизический модуль «Квант» вы
веден на околоземную орбиту 31 мар
та 1987 года с помощью ракеты «Про
тон». Стыковка с комплексом «Мир»
осуществлена 12 апреля 1987 г. В ре
зультате на околоземной орбите был
образован пилотируемый космический
комплекс: «Мир» — «Квант» — «Союз
ТМ» общей массой 51 тонна и длиной
35 метров’.
29 декабря космонавты Юрий Ро
маненко и Александр Александров
(вместе с Анатолием Левченко) верну
лись на землю. При этом Юрий Ро
маненко установил новый абсолютный
рекорд продолжительности космиче
ского полета — 326 суток. Работу на
орбите продолжили Владимир Титов
и Муса Л\анаров.
В начале этого раздела мы уже го
ворили о назначении орбитальных кос
мических станций. Здесь можно еще
отметить, что по мере развития кос
мической техники роль ОКС значи
тельно возрастет. К станции пристро
ятся новые секции (модули), в кото
рых будет налажено производство ма
териалов, требующих для своего из
готовления вакуума, невесомости, зна
чительного количества энергии. На
станциях могут проживать десятки спе
циалистов. Так, например,
в США
к решению этой проблемы привлечены
ведущие концерны и фирмы.
На рис. 9 показан один из ва
риантов
станции,
разрабатываемой
в
США
при
участии
некоторых
европейских стран, Канады и Япо
Любая современная ракета с ее
мощными двигателями и многочислен
ными сложными системами служит
только 1 раз. Произведен запуск, и
удалось или нет вывезти полезный
груз на орбиту — все равно ракета
гибнет. Разумеется, положение улуч
шилось, если бы удалось создать раке
ту, пригодную для повторного пуска.
Для этого нужно обеспечить возврат
ступеней ракеты на Землю без сколь
ко-нибудь серьезных
повреждений.
Как же этого можно добиться?
Изучаются разные
пути. Можно
спускать отработанные ступени на
Землю на парашютах, причем лучше
на воду, в океан. А может, вместо
парашюта использовать специальное
надувное устройство — планирующее
Подробнее об этом см.: Современные до
стижения космонавтики.— М.: Знание, 1987.
Подробнее об этом см.: Аэрокосмическая
техника.— 1987.— № 4.
Авиация на пороге космоса
АВИАЦИЯ НАЧИНАЕТСЯ С КРЫЛА
49
Проект орбитальной станции, разрабо—"ный в США (эксплуатация станции намечает10 начале будущего века)
1ыло пароплан? Или тормозные ра■тные двигатели?
1Но пожалуй, перспективен другой
ть. Кстати, он уже проверен прак1кой. Речь идет о создании крылатой
пакеты. Именно крыло, основа всей
=>»временной авиации, в ближайшем
■✓/дущем станет не только необходи
мым, но и выгодным для космических
зэкет. Создать крылатую ракету нуж=ых размеров — дело непростое. Но
зато какая цель! Мало того, что за■у/ски можно было бы совершать с
аэродромов, но и на аэродром можно
еелать безопасную посадку, используя
■созможности планирующего крыла,
-.атем снова и снова проводить подоб
ные старты и посадки. Расчеты пока
пывают, что крылатые носители выгод
нее существующих, ведь при полете
атмосфере ракета опирается уже не
на реактивную струю двигателя, а на
:рыло, создающее подъемную силу.
Вспомните старт космической ракеы. Как бы опираясь на столбы огня
н газов, медленно уходит ввысь ги
гантская сигара. Прямо-таки физически
ощущаешь ее чудовищную массу.
Эдин за другим отделяются цилиндры
:ту пеней-ускорителей.
устремляются
< Земле и гибнут, превращаясь в бес
форменное нагромождение металло
лома. Представьте теперь, что пасса
жирский самолет строился бы только
для одного рейса. Невероятно, а вот
эакеты строятся только для одного
юлета, и поэтому вывод на орбиту
саждого космического объекта стоит
эчень дорого. Особенно ощутимы
треимущества многоразовых трансюртных средств (МТКС) будут в обо
зримом будущем, когда количество
рузов, доставляемых на орбиты, до:тигнет многих десятков и сотен тысяч
тонн. Но прежде чем перейти к рас
смотрению возможных схем МТКС,
ознакомим наших читателей с устрой
ством воздушно-реактивных двигате
лей, особенностями их эксплуатации.
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ
ДВИГАТЕЛИ
Теория воздушно-реактивных двига
телей основана на фундаментальной
работе Б. С. Стечкина «Теория воз
душно-реактивного двигателя», кото
рую этот выдающийся ученый, став
ший впоследствии академиком, опуб
ликовал в 1929 году
*
1. Мы начнем их
описание с турбореактивных двигате
лей, затем рассмотрим двухконтур
ные, закончим обзор прямоточными и
трубопрямоточными двигателями.
Турбореактивные двигатели. Турбо
реактивные двигатели за сравнительно
короткий период развития достигли
большого совершенства. Существен
ное повышение экономичности и тяги
турбореактивных двигателей достига
ется применением для сжатия воздуха
компрессора, приводимого во враще
ние турбиной. Турбореактивный двига
тель состоит из входного устройства
компрессора, камеры сгорания, газо
вой турбины и выходного сопла. Ат
мосферный воздух поступает во вход
ное устройство, где происходит его
наибольшее сжатие от скоростного на
пора. Затем поток воздуха направля
ется в компрессор, в котором давле
ние еще больше увеличивается.
Из компрессора сжатый воздух уст
ремляется в камеру сгорания, куда
через форсунки впрыскивается мелко
распыленное горючее. В результате
смешения воздуха и горючего полу
чается топливовоздушная смесь, кото
рая, сгорая, образует рабочее тело —
См.: Стечкин Б. С. Теория воздуш
ного реактивного двигателя//Техника воздуш
ного флота.— 1929.— № 2.
51
горячие газы. Выходя из камеры сго
рания, газы приводят во вращение
турбину, а турбина — компрессор, за
тем с большой скоростью выходят из
реактивного сопла; при этом и обра
зуется сила тяги. Наиболее простым
методом повышения тяги турбореак
тивного двигателя является увеличе
ние расхода воздуха, проходимого че
рез двигатель. Однако это требует
увеличения размеров, а следователь
но, и веса двигателя.
Другим способом повышения тяги
является увеличение скорости газов
на выходе из двигателя. Достигается
это за счет сжигания горючего в спе
циальных
устройствах,
называемых
форсажными камерами. Современные
турбореактивные двигатели, устанав
ливаемые на сверхзвуковых самоле
тах, снабжены форсажными камерами.
Важными показателями, характери
зующими работу этих двигателей, яв
ляются удельный расход топлива,
удельный вес двигателя. Удельным
расходом топлива называется отноше
ние часового расхода топлива к тяге
двигателя; он характеризует эконо
мичность двигателя: чем она меньше,
тем более экономичен
двигатель.
Удельный расход топлива при полете
на крейсерском режиме составляет
0,7—0,8 килограмма на килограмм-си
лу тяги в час. Удельным весом дви
гателя называется отношение веса
двигателя к развиваемой им тяге при
работе на месте. Он характеризует си
ловую установку в весовом отноше
нии. Удельный вес современных тур
бореактивных двигателей составляет
примерно 0,16 килограмма на кило
грамм-силу тяги. Тяга турбореактив
ных двигателей зависит от числа обо
ротов: наибольшая величина тяги до
стигается на максимальных оборотах
двигателя.
Однако пока скорость вращения ро
тора не достигла 1000 оборотов в ми
нуту, мощность турбины настолько ма
ла, что ее не хватает для привода ком
52
прессора, и двигатель работать не мо
жет. Чтобы запустить двигатель и рас
крутить ротор до оборотов, обеспе
чивающих
самостоятельную
работу
двигателя, применяются небольшие
вспомогательные стартеры. Так что у
турбореактивного двигателя не только
одни преимущества, но есть и недо
статки, некоторые весьма существен
ные. Дело в том, что турбореактивный
двигатель может обеспечить полет до
скорости примерно километр в секун
ду (около 3 М). Выше этих скоростей
он неприменим. Почему?
Турбореактивный двигатель выгоден
в диапазоне скоростей полета, при
которых давление поступающего в
двигатель воздуха меньше давления
газа за турбиной. Если же давления
равны, то компрессор становится не
нужным. В этом случае можно прямо
из заборника направлять воздух в ка
меру сгорания двигателя. Равные дав
ления достигаются как раз при скоро
сти полета около 3 М
*.
Советские инженеры и конструкто
ры оснащают нашу авиацию отличны
ми турбореактивными двигателями.
Коллективы инженеров и рабочих под
руководством выдающихся конструк
торов С. К. Туманского, А. М. Люлька,
А. А. Микулина, Н. Г. Кузнецова,
А. Г. Ивченко и других создали много
совершенных двигателей. В последнее
время все более широкое примене
ние находят двухконтурные, или, как
их часто называют, турбовентилятор
ные воздушно-реактивные двигатели.
Скорость
полета
характеризуется
также
числом М==—-< где у—скорость полета, а —
скорость
звука.
Можно
записать V • - М • а.
Таким образом, при скорости полета, равной
3 М, она в 3 раза превышает скорость звука.
Скорость же звука определяется зависимостью
а
20 \ Т. В частности, у Земли при Т
288 К
(15 С), а
340 метров в секунду (1224 кило
метра в час), на высоте 12 километров при
температуре 220 К (—53е С), а =300 метров
в секунду (1100 километров в час).
Рис. 10. Прямоточные
воздушно-реактивные
двигатели; А — для дозвуковых и малых сверх
звуковых скоростей полета; Б — для сверхзву
ковых скоростей полета (до 2 км/с); В — для
гиперзвуковых скоростей полета (более км/с)
По своим характеристикам они за
нимают промежуточное положение
между турбовинтовыми и турбореак
тивными. Как и в турбореактивном
двигателе, тяга создается струей га
зов, вырывающихся из сопла. Здесь
действует тот же «маршрут» движе
ния газов: воздухозаборник— ком
прессор — камера сгорания — турби
на — сопло. Но есть и второй, внеш
ний, контур — туннель, по которому
воздух засасывается через воздухоза
борник вентилятором и выбрасывает
ся через сопло. Вентилятор-диск с ло
патками-лопастями
насаживается на
вал компрессора или турбины. Он иг
рает роль воздушного винта неболь
шого диаметра, вращающегося с боль
шим числом оборотов внутри кожуха
двигателя.
Автором двухконтурного двигателя
является А. М. Люлька. Об этом фак
те красноречиво свидетельствует вы
данное ему авторское свидетельство
от 22 апреля 1941 года.
Прямоточные воздушно-реактивные
двигатели (ПВРД). При полете самоле
та с прямоточным воздушно-реактив
ным двигателем встречный поток воз
духа, набегающий на двигатель, тормо
зится перед входом в него и во вход
ном устройстве (диффузоре), за счет
чего и происходит повышение давле
ния воздуха, необходимое для осуще
ствления горения. Величина повышения
давления в двигателе зависит от ско
рости полета. На рис. 10 приведены
схемы прямоточных воздушно-реак
тивных двигателей для самолетов с
дозвуковыми и сверхзвуковыми ско
ростями полета
*.
См.: Пономарев А. Н. Авиация на
пороге в космос.— М.: Воениздат, 1971.
53
Они отличаются в основном типом
входного устройства и выходного соп
ла. У двигателя для самолетов с дозву
ковыми и малыми сверхзвуковыми
(до М-2) скоростями полета (рис. 10, а)
входное устройство представляет со
бой расширяющийся канал (диффу
зор). При сверхзвуковых скоростях
самолета, если не принять специаль
ных мер, торможение потока сопро
вождается большими потерями давле
ния. Поэтому у сверхзвуковых прямо
точных воздушно-реактивных двигате
лей для уменьшения потерь давления
на входе в камеру сгорания устраи
вается остроконечный конус (рис. 10, б).
При гиперзвуковых скоростях полета
(рис. 10, в), превышающих 7 М (при
мерно 7500 километров в час), эффек
тивность прямоточного воздушно-ре
активного двигателя начинает падать
из-за увеличения потери давления при
торможении воздушного потока на
входе в камеру сгорания. Наряду с
ухудшением эффективности двигателя
при таких скоростях возникают труд
ности в организации процесса сгорания
топлива. Поэтому у гиперзвукового
прямоточного воздушно-реактивного
двигателя скорость избегающего пото
ка уменьшается в воздухозаборнике
до определенной величины, но как
правило, остается на всех режимах
больше скорости звука. В соответствии
с этим такие двигатели называют двига
телями со сверхзвуковым горением
(или двигателями с самовоспламене
нием топлива).
Гиперзвуковой
прямоточный воз
душно-реактивный двигатель сохраня
ет эффективность до скоростей поле
та, не превышающих 10—12 М
*.
Рас
ширение диапазона работы воздушнореактивных
двигателей
в
сторону
больших скоростей полета так же, как
* См.: Курзинер Р. И. Реактивные двига
тели для больших сверхзвуковых скоростей
полета.— М.: Машиностроение, 1977.
54
и улучшение их экономических харак
теристик, в настоящее время обосно
ванно связывается с использованием
криогенных топлив, прежде всего во
дорода, и созданием оптимального
воздухозаборника.
Краткие характеристики некоторых
криогенных топлив (водорода и мета
на) и керосина приведены в табл. 5.
Приведенные данные позволяют оце
нить целесообразность применения
криогенных топлив в силовых установ
ках летательных аппаратов. Так, на
пример, увеличение массовой тепло
творной способности в 2,8 раза при
переходе от керосина к водороду
обусловливает примерно пропорцио
нальное уменьшение удельных расхо
дов топлива, но одновременно требу
ет примерно в 4,15 раза увеличения
емкости бака. Естественно, бак боль
шей емкости будет и более тяжелым.
Таблица 5
Показатели
Массовая теплотворная
способность
Обозна
чения
Керосин
Мотан
Водород
кДж/кг
ккал/кг
4 2 850
10 000
50 000
12 000
1 20 000
28 600
Плотность жидкости при
давлении 98 КПа
(735 мм рт. ст.), Дж
кг/м3
Объемная
теллотворная способность
кДж/м3
ккал/м3
Температура
кипения
при давлении 98 кПа
К
820
352 105
82-Ю5
430
424
212-Ю5
50 105
116,6
70,9
85-105
20 105
20,43
Турбопрямоточные двигатели. Мы
уже знаем, что прямоточный воз
душно-реактивный двигатель, будучи
эффективным при больших скоростях
полета, не может самостоятельно
стартовать и разгоняться. Турбореак
тивный двигатель, наоборот, при раз
гоне развивает хорошую тягу. Поэтому
возникла мысль объединить двигатели
обоих типов в одной силовой установ
ке. Двигатель, в котором органически
объединяются оба типа воздушно-ре
активных двигателей, получил назва
ние турбопрямоточного двигателя. На
взлете и разгоне он работает, как тур
бореактивный, но при скорости полета
более 1 километра в секунду (около
3 М) переходит на работу по схеме
прямоточного двигателя.
КАКОЙ МОЖЕТ БЫТЬ
КОСМИЧЕСКАЯ АВИАЦИЯ
В настоящее время во многих стра
нах обсуждаются различные варианты
многоразовых транспортных космиче
ских систем (МТКС), способных до
ставить на орбиту грузы массой до
100 тонн и более. Сегодня еще нет
окончательных конструктивных реше
ний и бесспорных суждений относи
тельно того, какими должны быть
МТКС. Идет трудный и интересный
процесс научно-технического поиска в
области создания новых типов лета
тельных аппаратов, и только опыт, на
копленный в процессе их эксплуатации,
позволит выбрать наиболее оптималь
ный вариант.
Каковы наиболее важные преиму
щества МТКС перед ракетами-носите
лями, выполняющими практически те
же задачи?
Для ответа на этот вопрос рассмот
рим, как изменяется расход топлива
в процессе разгона до орбитальной
скорости при ракетном и самолетном
стартах. Оказывается, что разгон до
одной и той же скорости этими двумя
способами требует разного количе
ства топлива. Например, для разгона
трехступенчатой ракеты до скорости,
равной 30% орбитальной, требуется
топлива, составляющего 50% старто
вой массы ракетной системы, а до ор
битальной
скорости — более
85%
стартовой массы. Разгон с помощью
космического самолета до 30% орби
тальной скорости требует расхода
топлива, масса которого — всего 7%
стартовой массы, а до орбитальной
скорости — 65% этой массы. Как ви
дим, разница в расходе топлива весь
ма существенная.
Указанные преимущества самолет
ного старта по сравнению с ракетным
обусловлены главным образом эконо
мичностью применяемых двигателей.
При
ракетном
старте
используют
ЖРД, экономичность которых отно
сительно низкая. Даже применение
таких
высокоэффективных
топлив,
как жидкий водород и жидкий кисло
род, позволяет получить удельный
импульс 420—450 секунд. На косми
ческом самолете могут быть при
менены воздушно-реактивные двига
тели,
удельный
импульс
которых
существенно больше (4000 и даже
5000 секунд).
Космический самолет мало похож
на своих земных собратьев. Общим
у них останется только способ обра
зования подъемной силы — с помо
щью крыла. Ему придаются угловатые
формы «несущего корпуса», при кото
рых фюзеляж будет обладать подъ
емной силой и разгрузит крыло. Осо
бые заботы вызывает значительный
нагрев ракетоплана при входе в плот
ные слои атмосферы. Конечно, здесь
возникают значительно меньшие теп
ловые нагрузки, чем при баллистиче
ском спуске космического корабля,
имеющего форму шара или конуса.
До сих пор все космические аппараты
выдерживали спуск благодаря нали
чию «жертвенного» слоя — специаль
ной обмазки. У ракетоплана вопрос
о защите от нагрева решается приме
нением теплостойких материалов, спо
собных сохранить прочность при тем
пературе более 1500е С. Наиболее
подвержены нагреву передняя часть
фюзеляжа, кромки крыла и киля.
Во время взлета и при пробивании
плотных слоев воздуха обшивка само
лета разогревается. Раскаленная по
верхность обтекается потоком газа
распадающегося от сжатия на отдель
ные атомы. Ясно, что взаимодействие
металла с таким газом будет отличать
ся от их взаимодействия в условиях
обтекания тела обычным воздухом.
Еще более необычной будет для ма
териалов окружающая среда в мо55
Алент обратного зхода аппарата з ат
мосферу Земли. В результате тормо
жения большая часть энергии его дви
жения перейдет з тепло. Молекулы
воздуха з пограничном слое разру
шатся, а осколки (электроны, ионы и
ядра атомоз) образуют плазму. Со
прикасаясь с поверхностью, плазма
чрезвычайно сильно нагреет его стен
ки. Самолет на некоторое время ока
жется в своеобразном раскаленном
мешке. Даже короткое пребывание в
нем оставит на летательном аппарате
глубокие следы.
Требования к системе теплозащиты
космического самолета весьма высо
ки. Необходимо обеспечить не только
допустимый нагрев поверхности, но и
герметизацию щелей между крылом
и элеронами, килем и рулем направ
ления, поскольку возникающие в этих
зонах зихри могут вызвать интенсив
ный местный нагрев. Алюминий пла
тится при температуре около 660 С
теряет прочность при температуре
чачительно ниже этого уровня. Все
/гоплавкие металлы имеют сущест
венный недостаток: при высоких тем
пературах они начинают быстро раз
рушаться в результате окисления.
Значительной тугоплавкостью облада
ют соединения металлов с углеродом,
называемые карбидами. Карбид нио
бия плавится при 3500° С, а тантала —
при 4150 С.
Материалы для теплозащитного по
крытия, кроме тугоплавкости, должны
обладать рядом других качеств, преж
де всего пластичностью. Именно бла
годаря пластичности изделие не раз
рушается при тепловом ударе, то есть
при сверхбыстром нагреве, в момент
зхода летательного аппарата в атмо
сферу Земли. Поставленным требова
ниям может удовлетворить теплоза
щитное покрытие, изготовленное из
плиток, содержащих кварцевое волок
но, к которому добавляются связую
щие вещества. Пустоты занимают до
90% объема плитки, и только 10%
56
приходится на материал. Плотность
подобного покрытия не превышает
150—350 килограммов на кубометр
Толщина плиток з зависимости от на
грева тех мест, где они устанавлива
ются, составляет 3—12 сантиметров.
Масса теплозащитного покрытия — не
сколько тонн. Очевидно, что это одна
из сложнейших проблем, которую не
обходимо решить ученым и. инжене
рам.
Большое внимание должно быть
уделено обеспечению безопасности
полетов. В случае разгерметизации
кабины при взлете космонавты вос
пользуются скафандрами. Спасение на
орбите будет необходимо только в
том случае, когда орбитальный аппа
рат выйдет из строя и не сможет
обеспечить возвращение экипажа на
Землю. Тогда взлетит второй (спаса
тельный) космический самолет, кото
рый встретится с вышедшим из строя
и примет на борт членов его экипажа.
Наряду с дальнейшим повышением
характеристик ЖРД на кислородно-зодородном топливе в последнее время
внимание
уделяется
исследованию
даухтоп пивных двигательных устано
вок. В двухтопливной двигательной
установке предполагается использо
вать при одном окислителе (кислоро
де) два типа горючих — углеводород
ное (керосин) и водород. Такая комби
нация позволит реализовать преиму
щества
углеводородного
горючего
(большая плотность и соответственно
малый объем) и преимущества водо
рода — высокий удельный импульс.
Рассмотрим теперь МТКС, которые
подразделяются на частично спасае
мые, одноступенчатые и двухступен
чатые. История их создания говорит
о том, что разработка МТКС зани
мает около 10 лет, и еще 5—7 лет
требуется для изготовления первого
образца и начала эксплуатации. Таким
образом, процесс создания и испыта
ния космических аппаратов длится
15—17 лет.
Частично спасаемые МТКС. Харак
терным представителем этой груп
пы летательных аппаратов является по
строенный в США космический са
молет по программе «Спейс шаттл»
(от английского «Космический чел
нок»). МТКС «Спейс шаттл» предна
значена для доставки на околоземную
орбиту космических аппаратов различ
ного назначения, проведения на ор
бите научных исследований, техниче
ских экспериментов (в том числе
военного характера),
обслуживания
космических аппаратов, находящихся
на орбите высотой 200—500 километ
ров, доставки на Землю результатов
исследований с борта этих объектов,
а также самих космических аппаратов
с целью ремонта или модификации
и последующего повторного вывода
на орбиту (рис. 11). В своем составе
МТКС «Спейс шаттл» может иметь
межорбитальные буксировщики, пере
водящие полезный груз с орбиты кос
мического самолета на более высо
кую, вплоть до геостационарной, или
на межпланетную (лунную) траекто
рию.
Номинальная
длительность орби
тального полета 7 суток, а при нали
чии дополнительных запасов расхо
дуемых материалов она увеличивает
ся до 30 суток, численность экипажа
до 7 человек. Экипаж совершает по
лет без скафандров (за исключением
выхода в открытый космос). Перегруз
ка на всех участках полета не превы
шает 3 единиц.
Основная двигательная установка
МТКС «Спейс шаттл» состоит из 3
кислородно-водородных ЖРД. Макси
мальная продолжительность непре
рывной работь: — 8 минут, общий
ресурс — 7,5 часа. Имеются также 2
ЖРД для маневров на орбите тягой
по 27 килоньютон (2,7 тонны-силы),
работающих на четырехокиси азота и
монометилгидразине,
и
44
ЖРД
ориентации тягой по 3,9 или 0,11 кило
ньютон (390 или 11 килограмм-сил),
работающих на том же топливе. ЖРД
маневрирования обеспечивают дове
дение ступени на орбиту после отде
ления центрального топливного бака,
коррекции орбиты, сближения с дру
гими орбитальными объектами и тор
можения для схода с орбиты
*.
При взлете работают двигатели,
установленные на космическом само
лете и стартовых ракетах. После того
как горючее в ракетах сгорит, они
сбрасываются. На заданной высоте
срабатывает автомат, и над падающей
ракетой откроется купол парашюта.
Скорость падения резко уменьшается,
и она приводнится в океане. Корабли
спасательной службы вытащат ракеты
из воды и доставят на завод, где они
будут частично восстановлены и для
дальнейшего применения.
Внешний
бак не спасается: после отделения он
совершает беспорядочное падение и
разрушается.
Масса всей МТКС («Спейс шаттл»)
2040 тонн. Космический самолет мо
жет доставить на орбиту полезную на
грузку в 29,5 тонны, а масса его самого
(без топлива) 68,04 тонны. Стоимость
запуска космического аппарата с по
мощью МТКС «Спейс шаттл» состав
ляет сейчас около 300 миллионов дол
.
**
ларов
Таким образом, удельная стои
мость за 1 килограмм доставленного
на орбиту груза более 8000 долларов.
Причем только 12% суммарных за
трат составляют амортизационные от
числения на космический самолет и
двигательную установку, а остальные
составляющие распределены следую
щим образом: амортизационные от
числения на РДТТ — 24%, одноразовые
элементы — 22, эксплуатационные рас
ходы— 42%.
В 1985 году было проведено 9 по-
См.: Елисеев А. С. Техника космиче-.
ских полетов.— М.: Машиностроение, 1983.
Подробнее см.: Ермаков Е. Космиче
ские скачки//Авиация и космонавтика.— 1986.
57
Рис. 11. Частично спасаемая
МТКС
«Спейс
шаттл»: 1 —на стартовой позиции; 2 — отделе
ние твердотопливных ускорителей; 3 — отделе
ние центрального бака; 4 — конец участка вы
ведения; 5 — отделение полезного груза; 6 —
торможение и спуск; 7 — посадка; 8 — привод
нение пороховых ускорителей
летов по программе «Спейс шаттл»,
в 1986 предполагалось выполнить 15
полетов. Однако гибель 7 астронавтов
в результате аварии, происшедшей
при взлете космического самолета
«Челленджер» в январе 1986 года,
показала
настоятельную
необходи
мость прекращения полетов и основа
тельной доработки всей МТКС «Спейс
шаттл».
В нашей стране 15 мая 1987 года
состоялся первый запуск мощной уни
версальной ракеты-носителя «Энер
гия», предназначенной для выведения
как многоразовых космических само
летов, так и крупногабаритных косми
ческих аппаратов научного и народно
хозяйственного назначения. Первые
испытания универсальной ракеты, яв
ляющейся основным звеном МТКС,
оздаваемой в СССР, а также уникаль
но стартового комплекса завершикь полным успехом. После оконча
