По канату в небеса
Александр Багров
«Популярная механика» №4, 2015
Ракетные двигатели, основанные на химических реакциях, хорошо зарекомендовали себя за последние полвека при работе на околоземных орбитах. Но чтобы пойти дальше, нужно что-то другое — например, космический лифт.
Сегодня космические аппараты исследуют Луну, Солнце, планеты и астероиды, кометы и межпланетное пространство. Но ракеты на химическом топливе все еще остаются дорогим и маломощным средством вывода полезной нагрузки за пределы земного тяготения. Современная ракетная техника практически достигла предела возможностей, поставленных природой химических реакций. Неужели человечество зашло в технологический тупик? Вовсе нет, если обратить внимание на старую идею космического лифта.
У истоков
Первым, кто серьезно подумал над тем, как преодолеть тяготение планеты с помощью «подтягивания», был один из разработчиков реактивных аппаратов Феликс Цандер. В отличие от фантазера и выдумщика барона Мюнхгаузена, Цандер предложил научно обоснованный вариант космического лифта для Луны. На пути между Луной и Землей есть точка, в которой силы притяжения этих тел уравновешивают друг друга. Она находится на расстоянии 60 000 км от Луны. Ближе к Луне лунное тяготение будет сильнее земного, а дальше — слабее. Так что если связать тросом Луну с каким-нибудь астероидом, оставленным, скажем, на расстоянии 70 000 км от Луны, то только трос не позволит астероиду упасть на Землю. Силой земного тяготения трос будет постоянно натянут, и по нему можно будет с поверхности Луны подняться за пределы лунного притяжения. С точки зрения науки — совершенно правильная идея. Она не получила сразу заслуженного внимания только потому, что во времена Цандера просто не существовало материалов, трос из которых не оборвался бы под собственной тяжестью.
Первые идеи
Первые же успехи космонавтики вновь разбудили фантазию энтузиастов. В 1960 году молодой советский инженер Юрий Арцутанов обратил внимание на интересную особенность так называемых геостационарных спутников (ГСС). Эти спутники находятся на круговой орбите точно в плоскости земного экватора и имеют период обращения, равный продолжительности земных суток. Поэтому геостационарный спутник постоянно висит над одной и той же точкой экватора. Арцутанов предложил соединить ГСС тросом с находящейся под ним точкой на земном экваторе. Трос будет неподвижен относительно Земли, и по нему так и напрашивается идея пустить в космос кабину лифта. Эта яркая идея захватила многие умы. Знаменитый писатель Артур Кларк даже написал фантастический роман «Фонтаны рая», в котором вся фабула связана со строительством космического лифта.
Проблемы лифта
Сегодня идею космического лифта на ГСС уже пытаются воплотить в США и Японии, устраиваются даже конкурсы среди разработчиков этой идеи. Основные усилия конструкторов направлены на поиск материалов, из которых можно сделать трос длиной 40 000 км, способный выдержать не только собственный вес, но и вес остальных деталей конструкции. Замечательно, что подходящее вещество для троса уже придумано. Это углеродные нанотрубки. Их прочность в несколько раз выше, чем нужно для космического лифта, но надо еще научиться делать бездефектную нить из таких трубок длиной в десятки тысяч километров. Сомневаться в том, что такая техническая задача будет рано или поздно решена, не стоит.
Вторая и тоже серьезная задача на пути строительства космического лифта состоит в разработке двигателя для лифта и системы его энергетического обеспечения. Ведь кабина должна подняться на 40 000 км без дозаправки до самого конца подъема! Как этого добиться — никто еще не придумал.
Неустойчивое равновесие
Но самая большая, даже непреодолимая, трудность для лифта на геостационарный спутник связана с законами небесной механики. ГСС находится на своей замечательной орбите только благодаря равновесию силы притяжения и центробежной силы. Любое нарушение этого равновесия приводит к тому, что спутник меняет свою орбиту и уходит со своей «точки стояния». Даже небольшие неоднородности гравитационного поля Земли, приливные силы Солнца и Луны и давление солнечного света приводят к тому, что находящиеся на геостационарной орбите спутники постоянно дрейфуют. Нет ни малейших сомнений, что под тяжестью лифтовой системы спутник не сможет оставаться на геостационарной орбите и упадет. Существует, однако, иллюзия, что можно продолжить трос далеко за геостационарную орбиту и на его дальнем конце разместить массивный противовес. На первый взгляд, центробежная сила, действующая на привязанный противовес, натянет трос так, что дополнительная нагрузка от движущейся по нему кабины не сможет изменить положения противовеса, и лифт останется в рабочем положении. Это было бы верно, если бы вместо гибкого троса использовался жесткий несгибаемый стержень: тогда бы энергия вращения Земли передавалась через стержень на кабину, и ее перемещение не приводило бы к появлению боковой, не компенсируемой натяжением троса силы. А эта сила неизбежно нарушит динамическую устойчивость околоземного лифта, и он рухнет!
Небесная площадка
К счастью для землян, природа припасла для нас замечательное решение — Луну. Мало того, что Луна настолько массивна, что никакими лифтами ее не пошевелить, она еще находится почти на круговой орбите и при этом развернута к Земле всегда одной стороной! Просто напрашивается идея — протянуть лифт между Землей и Луной, но закрепить лифтовый трос только одним концом, на Луне. Второй конец троса можно опустить почти до самой Земли, и сила земного тяготения вытянет его как струну вдоль линии, соединяющей центры масс Земли и Луны. Нельзя только допустить, чтобы свободный конец доходил до поверхности Земли. Наша планета вращается вокруг своей оси, из-за чего конец троса будет иметь относительно поверхности Земли скорость около 400 м в секунду, то есть двигаться в атмосфере со скоростью больше скорости звука. Такого сопротивления воздуха не выдержит никакая конструкция. Но если опустить кабину лифта до высоты 30−50 км, где воздух достаточно разрежен, его сопротивлением можно пренебречь. Скорость кабины останется около 0,4 км/с, а такую скорость легко набирают современные высотные самолеты-стратопланы. Подлетев к кабине лифта и состыковавшись с ней (эта техника стыковки давно отработана и в самолетостроении для дозаправки в воздухе, и в космических аппаратах), можно переместить груз с борта стратоплана в кабину или обратно. После этого кабина лифта начнет подъем на Луну, а стратоплан вернется на Землю. Кстати, доставленный с Луны груз можно просто сбросить из кабины на парашюте и подобрать его в целости и сохранности на земле или в океане.
Архитектура лунного лифта по версии компании LiftPort Group
С Земли на низкую околоземную орбиту грузы доставляются традиционными ракетами на химическом топливе. Оттуда орбитальные буксиры забрасывают грузы на «нижнюю лифтовую площадку», которая надежно заякорена закрепленным за Луну тросом. Лифт доставляет грузы на Луну. За счет отсутствия необходимости торможения (да и самих ракет) на последнем этапе и при подъеме с Луны возможна значительная экономия средств. Но, в отличие от описанной в статье, такая конфигурация практически повторяет идею Цандера и не решает проблему вывода полезной нагрузки с Земли, сохраняя для этого этапа ракетную технологию.
Избегая столкновений
Лифт, связывающий Землю и Луну, должен решить еще одну важную задачу. В околоземном космическом пространстве находится большое количество работающих космических аппаратов и несколько тысяч неработающих спутников, их фрагментов и прочего космического мусора. Столкновение лифта с любым из них привело бы к обрыву троса. Для того чтобы избежать этой неприятности, предложено «нижнюю» часть троса длиной 60 000 км сделать поднимаемой и выводить ее из зоны движения спутников Земли, когда она там не нужна. Контроль положений тел в околоземном пространстве вполне способен предсказывать периоды, когда движение кабины лифта в этой области будет безопасным.
Лебедка для космического лифта
У космического лифта на Луну просматривается серьезная проблема. Кабины привычных лифтов движутся со скоростью не больше нескольких метров в секунду, а на такой скорости даже подъем на высоту 100 км (к нижней границе космоса) должен занять больше суток. Если даже двигаться с максимальной скоростью железнодорожных поездов в 200 км/ч, то путь до Луны займет почти три месяца. Лифт, способный совершать только два рейса до Луны в год, едва ли будет востребован.
Если же покрыть трос пленкой сверхпроводника, то вдоль троса можно будет двигаться на магнитной подушке без контакта с его материалом. В этом случае можно будет половину пути разгонять и половину пути тормозить кабину.
Простой расчет показывает, что при величине ускорения в 1 g (эквивалентной привычной силе тяжести на Земле) весь путь до Луны займет всего 3,5 часа, то есть кабина сможет совершать три рейса к Луне ежесуточно. Над созданием сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, ученые активно работают, и в обозримом будущем вполне можно ожидать их появления.
Выбросить мусор
Интересно отметить, что на середине пути скорость кабины достигнет 60 км/с. Если после разгона полезную нагрузку отцепить от кабины, то с такой скоростью она может быть направлена в любую точку Солнечной системы, к любой, даже самой дальней планете. А это значит, что лифт на Луну сможет обеспечить безракетные полеты с Земли в пределах Солнечной системы.
И совсем экзотичной окажется возможность выбрасывать с помощью лифта вредные отходы с Земли на Солнце. Наша родная звезда — ядерная печь такой мощности, что в ней бесследно сгорят любые отходы, даже радиоактивные. Так что полноценный лифт к Луне может не только стать основой космической экспансии человечества, но и средством очищения нашей планеты от отходов технического прогресса.
-
Вот помоем статья неполная. Очень хотелось бы увидеть цифры по материалам, из которого планируется сделать трос для лифта. Пуст это будут углеродные нанотрубки (вроде бы самый прочный на разрыв материал при полученной плотности). Способны ли они выдержать сами себя при длине тороса в 40000-60000 километров. Ведь если этого принципиально невозможно, зачем вообще рассуждать о подобных лифтах. Ну и добавить к этому очень низкую температуру космоса в одних случаях, и при нагрев троса под действием солнечных лучей и разрушение от радиации в других.
А вот проблема с прикреплением подобного троса действительно есть. Если привязать его к земле и закрепить на другом конце троса груз (находящийся за геостационарной орбитой), то трос действительно натянется. Однако любая попытка запустить что нибудь по этому тросу вверх приведет к тому, что груз потеряет скорость и не будет успевать за точкой своего крепления на Земле и в конце концов намотается на планету. :)
Но по моему эту проблему можно решить. Проблема заключается в том, что груз на конце троса будет замедляться относительно Земли при попытке какого-либо массивного предмета двигаться по тросу вверх. Решение заключается в придании грузу на конце троса избыточной скорости по сравнению с точкой его крепления на Земле. А придать эту скорость можно притянув этот трос с грузом на конце к Земле. Можно представить огромную лебедку наматывающую на себя несколько сотен километров троса. При этом энергия, затрачиваемая лебедкой на преодоление центробежной силы, будет сообщена грузу в виде увеличения его кинетической энергии. Если на следующем этапе размотать лебедку со скоростью, большей чем удаление груза (чтобы не препятствовать его удалению от Земли) мы вернем груз на исходную орбиту, а скорость его при этом будет больше исходной. В этот момент по тросу можно запускать полезный груз наверх. Полезный груз при подъеме отнимет у груза на конце троса избыточную энергию и тот замедлится относительно точки крепления на Земле. Ускорение груза, его замедление и подъем полезной нагрузки можно сделать циклическим процессом. P.S. Это все рассуждения конечно, считать надо. -
Сверхоптимистично. Теоретический предел прочности материалов никогда не достигается. Насколько я помню, у идеальной углеродной трубки теоретический придел лишь в 3 раза больше минимально-необходимого. А минимальный понятно брать нельзя. То есть надо обеспечить, во первых, прочность каната, на теоретическом пределе, во вторых, обеспечить это на расстоянии порядка 100 000 км...
-
Космический лифт - идея хорошая, но для хоть какой-то реализации нужен прорыв в области материаловедения.
Вот столь-же древняя идея пушки в космос вполне осуществима уже сегожня. Ну скажем, не пушка, а ускоритель состоящий из глубокой шахты, дабы снизить до приемлимого уровня ускорение (и перегрузки) аппарата, и тем не менее достичь хорошей скорости. Выстреливает такой ускоритель ракетой, она пролетает некоторое расстояние, включает маршевые двигатели и дальше уже своим ходом, но имея выигрыш в скорости по сравнению с обычным стартом. Преимущество такого ускорителя было бы в том, что он не является частью ракеты, и потому не утяжеляет её, позволяя сэкономить на топливе.-
Проблема только в том, какую энергию будет потреблять этот ускоритель, если он не основан на реактивном принципе движения? Если допустим электрическую (соленоид), то например, мощность двигателя РД-170 около 40 млн л/с = 30 ГВт. Откуда будете брать и как подводить?
-
Он может быть основан по старинке на пороховых зарядах, срабатывающих последовательно, по мере прохождения аппарата в канале ствола, как это задумано в многокаморных пушках.
В любом случае, для шахты мощность двигателей не столь критична, как для летательного аппарата, ибо шахта длинная и вокруг неё можно расположить множество двигателей, которые все вместе придадут тяжёлой ракете необходимое ускорение. Это на ракете движок должен быть мощным, чтобы при наименьшем весе выдавать наибольшую тягу. И топливо должно быть высококаллорийным по той-же причине. Шахта наоборот, сможет работать хоть на дизельном топливе, нагнетая газы в канал ствола до огромных давлений, благо на начальном этапе скорость ракеты мала.
-
-
Во-первых, отчего такая уверенность, что лифт с противовесом непременно рухнет? Хоть бы ссылку на исследование в подтверждение своих слов дали. В википедиях ничего подобного не пишут.
Во-вторых, ежели у нас нет материалов, чтобы до ГСО лифт дотянуть, то тянуть лифт от луны до земли - это и вовсе какая-то ненаучная фантастика. Там понадобится прочность ещё в десятки раз больше, ежели не в миллионы. Ну или придётся делать лифт такой толщины, что никаких ресурсов человечества на него не хватит.
В-третьих, совершенно не обязательно, чтобы был один лифт на весь трос. Можно запросто сделать такие лифты, чтобы они могли друг с другом расходиться. Ну да, будет месяц подниматься, ну так извините, чтобы подниматься со скоростью 60 км/с, надо в лифте иметь ядрёный реактор совершенно неприличной удельной мощности и линейный двигатель, способный эту мощность преобразовывать в движение. То бишь у нас было одно фантастическое предположение - что у нас будут сверхпрочные материалы, а теперь появилось ещё два - сверхмощный реактор и сверхмощный же двигатель. Ежели мы считаем, что нам может так фантастически повезти, то отчего бы сразу не предположить, что мы изобретём антигравитацию и будем летать в космос бесплатно?
В общем, ежели бы просто статью из википедии скопипастили, и то лучше бы получилось.
