Почему человечество вот уже 45 лет болтается на низкой околоземной орбите? — Журнал "Все о Космосе"

Почему человечество вот уже 45 лет болтается на низкой околоземной орбите?

6:17 19/06/2017
Просмотров: 159

МКС

Почему у нас до сих пор нет обитаемых баз на Луне, не состоялась пилотируемая экспедиция к Марсу и нет огромных городов на орбите?

Полвека назад, в разгар космической гонки, звёздное будущее человечества ни у кого не вызывало сомнений. Рекорд следовал за рекордом, достижение за достижением: первый спутник, первый человек в космосе, первая посадка на Луну, первые аппараты, достигшие Венеры и Марса, первая стыковка… На носу были полёт человека на Луну, создание орбитальных станций, а после — Марс, Венера, астероиды и спутники Юпитера, орбитальные обсерватории и целые города на орбите. Если бы в то время кто-то заикнулся, что через полвека после всего этого вокруг нашего шарика будет болтаться единственная скорлупка с тремя хомосапиенсами, изредка принимающими столь же немногочисленных гостей, — ему бы рассмеялись в лицо. Так кто и как убил космическую мечту? А может, она была всего лишь несбыточным фантомом?

Может, все эти огромные космические корабли, орбитальные города и лунные базы являлись фантастикой, потому что на деле никому не были нужны? Нет — именно тогда они были совершеннейшей необходимостью. Новые знания о других планетах и флаги, водружённые на их поверхности, — это, конечно, хорошо, однако в реальности люди отправились в космос за «горами хлеба и безднами могущества», которые обещал им К.Э. Циолковский. Чего ожидало человечество от его освоения?

Связь и климат как двигатель космоса

Во-первых, речь идёт о радио- и телевещании, а также космической связи. Даже высочайшая на тот момент в мире Останкинская телебашня, начавшая работу в 1967 г., покрывала своими передачами радиус всего в какие-то 120 километров, оставляя неохваченными огромные пространства. Для дальней передачи телеграфных сообщений и телефонных разговоров по всему миру использовались сотни тысяч километров дорогого и металлоёмкого медного кабеля, ёмкости которого постоянно не хватало, — а также десятки тысяч радиорелейных вышек-репитеров.

Связь была дорогим удовольствием: стоимость минуты международного телефонного разговора могла достигать нескольких долларов. Радикально решить проблему можно было только при помощи спутников.

Спутник Kazsat-2

Телекоммуникационное оборудование тех времён — частично ламповое, частично транзисторное — компактностью не отличалось. Огромные аппаратные останкинского телецентра обеспечивали вещание всего-то четырёх телевизионных и трёх радиопрограмм — масса необходимого для этого железа составляла десятки тонн. Компьютер того времени, производительность которого сильно уступала любому современному смартфону, занимал несколько залов, а то и целое здание.

Всё это «железо» потребляло огромную по нынешним меркам энергию. Чтобы обеспечить работу всех орбитальных телекоммуникационных станций, потребовались бы сотни квадратных километров солнечных батарей или десятки ядерных реакторов.

Даже самая надёжная и качественная ламповая и транзисторная техника того времени периодически выходила из строя и требовала ремонта, который сводился к поиску и замене перегоревших элементов. При таком количестве оборудования обслуживанием этих нескольких десятков космических станций непрерывно должны были бы заниматься сотни людей.

Помимо связи вторым приоритетным направлением было наблюдение Земли из космоса. В первую очередь речь шла о метеорологии: автоматических метеостанций ещё практически не было, поэтому огромнейшие территории тундры и тайги, гор, пустынь и океанов были совершенно не охвачены метеорологической сетью. Решить проблему мог только взгляд из космоса.

Хотя телевизионная техника и переживала в то время значительный прогресс, разрешающая способность тогдашних видиконов не позволяла получать картинку с достаточной степенью подробности. Первая фотография обратной стороны Луны, сделанная в 1959 г. советским аппаратом «Луна-3», была снята на фотоплёнку, проявленную после этого в полёте, а после сосканированную уникальным оптико-механическим сканером, что и позволило передать изображение на Землю по радио.

Более того, даже космическая разведка осуществлялась при помощи традиционного фотографического процесса. Разведывательные спутники различных модификаций серии «Зенит» выводились на орбиту, в течение двух недель фотографировали интересующие участки земной поверхности, а после возвращались на Землю с отснятой плёнкой — таких запусков начиная с 1962 г. было произведено более пятисот, причём последний из них состоялся аж в 1994 г. Только после этого развитие микроэлектроники позволило перейти к передаче отснятых телевизионных изображений по радио, многократно снизив потребность в запусках.

спутник ICESat-2

Метеорологические спутники серии «Метеор» передавали на Землю телевизионную картинку, но её детализация позволяла рассмотреть на снимках только самые крупные объекты вроде циклонов, имеющих диаметр сотни километров.

Снимали земную поверхность и с борта пилотируемых орбитальных станций — в частности, на «Салюте-6» для этого использовалась уникальная спектрозональная камера МКФ-6М, позволявшая различить множество невидимых глазу подробностей. Отснятые кассеты отправлялись на Землю с возвращавшимися экспедициями посещения, и от момента съёмки до того, как снимки становились доступными для исследования, иногда проходили месяцы.

Чтобы оперативно обеспечить при тогдашнем уровне техники все потребности в наблюдении земной поверхности для метеорологии, картографии, геологоразведки и реагирования на чрезвычайные ситуации, космические станции необходимо было снабдить мощной оптикой, фотолабораториями, запасами плёнок и реактивов — а также людьми, которые фотографировали бы, проявляли отснятые материалы и тут же, на борту, изучали бы их при помощи микрофотометров, блинк-компараторов и прочих приборов, требующих участия человека.

Всяческие иные научные задачи — будь то выращивание в невесомости разнообразных растений, получение сверхчистых материалов или наблюдение далеких звёзд при помощи заатмосферного телескопа — на тот момент также были невозможны без участия заметного числа людей.

Заветами Кубрика

Все эти люди, обслуживающие связную аппаратуру и занимающиеся другими исследованиями, требовали бы достаточного пространства для жизни и работы, производительных систем жизнеобеспечения, запасов кислорода, воды и пищи — а также врачей и инженеров, управляющих всем этим хозяйством. Сами станции, согласно основной на тот момент парадигме, должны были располагаться на достаточно высокой геостационарной орбите, чтобы постоянно «висеть» над одной и той же точкой земной поверхности — это упростило бы наблюдения и в особенности связь. Масса каждой такой станции могла достигать в итоге многих тысяч тонн, заброска которых в космос была бы крайне энергоёмким и дорогим удовольствием.

База на луне

Решить эту проблему позволило бы частичное использование лунных ресурсов — кислорода, воды, металлов и других материалов. Хотя наличие на Луне пригодных для промышленной разработки месторождений и залежей льда на тот момент было всего лишь гипотезой, химический состав поверхностного слоя лунного грунта — реголита был уже довольно хорошо известен.

Получение из него как минимум кислорода для дыхания и кремния для солнечных батарей никакой принципиальной проблемы не представляло — требовалось только достаточное количество энергии. А учитывая, что Луна лишена атмосферы и имеет силу тяжести вшестеро меньше земной, доставка материалов с неё на геостационарную орбиту обходилась бы дешевле, чем с Земли.

Но для всего этого необходимо было бы создать постоянные обитаемые лунные базы. Формирование столь мощной и развитой космической инфраструктуры и последующее её обслуживание потребовало бы разработки и серийного выпуска сверхтяжёлых ракет-носителей, которые, благодаря массовому производству и хотя бы частичной многоразовости, стали бы довольно дешёвыми в пересчёт на килограмм выводимой полезной нагрузки. А уж в ситуации, когда интенсивность космических полётов таких сверхтяжей была бы сравнима с активностью пассажирской и грузовой гражданской авиации, выделить десяток-другой запусков уже имеющейся системы для отправки пилотируемой экспедиции к Марсу не оказалось бы неподъёмно дорогим и технически неосуществимым удовольствием.

Собственно, некоторое время развитие космонавтики шло именно по этому пути. Предварительные работы над системой «Спейс Шаттл» начались в 1967 г., ещё до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон«.

Discovery Шаттл Дискавери

С сегодняшних позиций весь проект выглядит совершенно шизофренически. Выведение на орбиту тяжёлого спутника массой до 30 т осуществлялось в грузовом отсеке челнока, стартовая масса которого с полезной нагрузкой составляла около 100 т. Иначе говоря, примерно 2/3 забрасываемой в космос массы отправлялись на орбиту в виде тары, «упаковки», роль которой играл шаттл.

Однако с позиции тех времён всё было естественно и логично. «Большой» вариант развития американской космической программы, позднее «зарубленной» президентом Никсоном из-за её дороговизны, включал в себя создание большой орбитальной станции с экипажем до 50 человек, межорбитальных буксиров, окололунной орбитальной станции и постоянной базы на Луне. Обслуживать всё это хозяйство должны были шаттлы, летающие дважды в месяц.

Электроника в то время была громоздкой, тяжёлой, не слишком надёжной и очень дорогой. Настолько дорогой, что слетать за неисправным спутником на орбиту, вернуть его на Землю, отремонтировать в заводских условиях, а после запустить снова получалось значительно дешевле, чем сделать новый. Помимо предназначенной в ремонт техники на Землю могли впоследствии доставляться полученные в невесомости новые материалы, товарные количества лунного грунта и прочие грузы. И с учётом этого кажущаяся шизофреничность проекта получает вполне разумное объяснение: выведя на орбиту новый спутник или модуль орбитальной станции, обратно челнок тоже не должен был возвращаться порожняком, и это окупало бы все затраты.

Отказ от отдельной ракеты-носителя и размещение маршевых двигателей на самом космоплане позволяло сделать одноразовый внешний топливный бак сравнительно дешёвым. С учётом того, что боковые стартовые ускорители со временем также предполагалось сделать многоразовыми, при регулярном транспортном сообщении стоимость выведения на низкую околоземную орбиту 1 кг полезной нагрузки надеялись снизить до фантастически низких $400 (в тогдашних, разумеется, ценах).

Буран Мрия самолет

Созданный в СССР «Буран», первые работы над которым начались в 1972 г., при всём своём внешнем сходстве с «Шаттлом», концептуально был устроен совершенно иначе. Он также имел грузовой отсек для возвращения грузов из космоса на Землю, однако выводился на орбиту при помощи полноценной ракеты-носителя «Энергия». Которая, разумеется, была дороже по сравнению с американским топливным баком — зато вместо «Бурана» могла при необходимости забросить на орбиту сразу 100 т — против максимум 30 т у «Шаттла». В общем, до поры космонавтика развивалась именно так, как виделось Кубрику и Кларку.

Что же произошло дальше?

Пока в конструкторских бюро космической отрасли проектировали огромные многоразовые космолёты, прогресс в других областях тоже не стоял на месте. Именно на 70-е годы прошлого века приходится взрывное развитие электроники. Если на начало этого десятилетия большинство выпускаемых образцов собиралось на транзисторах, а многие и всё ещё на лампах, то к его завершению уже массово штамповались большие и сверхбольшие интегральные микросхемы и микропроцессоры, первый из которых появился ещё в 1971 г. Аналоговая техника начинала вытесняться цифровой.

Мощные вычислительные машины, первоначально занимавшие большие залы и даже целые здания, уменьшились сперва до размеров одной комнаты, потом — шкафа, затем — небольшого ящика. Телекоммуникационная аппаратура, для размещения которой в космосе в 60-х годах потребовалась бы огромная орбитальная станция с десятками человек обслуживающего персонала, уже к 80-м умещалась в спутнике размером и массой приблизительно с грузовик и питалась от сравнительно небольших и лёгких солнечных батарей. Для выведения такого спутника на орбиту не требовались сверхтяжёлые носители, и работал он в полностью автоматическом режиме.

Целый ряд экспериментов и наблюдений — астрономических, биологических, технических — стало возможно проводить без участия человека, на роботизированных установках. При этом обнаружилось, что пилотируемая орбитальная станция для многих из них — далеко не самое лучшее место. Перемещение людей внутри станции, работа вентиляторов и насосов систем терморегулирования и жизнеобеспечения создают вибрации и портят «качество невесомости»: изображения в телескопах размазываются от мелкого дрожания, а получаемые кристаллы и медицинские препараты оказываются далеко не так однородны, как хотелось бы. В результате многие исследования такого рода были перенесены на беспилотные спутники, где присутствие человека не является мешающим фактором.

Вдобавок космонавтика получила от развития электроники ещё один удар — на этот раз с Земли. Изначально спутниковая связь была наиболее дешёвым способом коммуникаций на дальние расстояния. Однако в 1977 г. компания «Сименс» построила для немецкого оператора «Дойче телеком» первую в мире волоконно-оптическую линию связи. По мере удешевления конечного оборудования и повышения производительности телекоммуникационного оборудования оптоволокно расползалось по планете всё шире и шире. При этом если отправка сигнала через спутник связана с характерной задержкой, подчас критичной при передаче данных, а пропускная способность транспондеров жёстко ограничена, то у оптоволоконных линий этих недостатков нет.

В результате к тому моменту, когда первый шаттл «Колумбия» совершил в 1981 г. свой первый полёт, он уже успел устареть чуть более, чем полностью, — как и вся программа космических челноков. Планировавшегося транспортного потока между Землёй и космосом не получилось — возить оттуда на Землю оказалось нечего. Ремонтировать на орбите, в общем-то, тоже: при выходе из строя спутника проще и дешевле было запустить новый, причём из-за небольшого веса и габаритов нагрузки сделать это при помощи лёгкой одноразовой ракеты-носителя. Практически все потребности объединённого человечества в пребывании человека в космосе уже четвёртое десятилетие полностью покрываются единственной орбитальной станцией (сначала это был «Мир», а после — МКС), на борту которой постоянно присутствует три человека.

Columbia Шаттл Колумбия

В СССР, к счастью, программа «Энергия — Буран» развивалась параллельно с использованием «Союзов», отказываться от которых никто не спешил. Это позволило России не прерывать программу пилотируемых полётов после её закрытия и даже неплохо заработать на космическом извозе. Однако расхожая точка зрения, будто «Буран» был убит в результате разрухи и бардака начала 90-х, имеет мало общего с реальностью. Эта программа всё равно неизбежно была бы закрыта. Для сверхтяжёлых носителей масштаба «Энергии» и огромных космических челноков в результате развития электроники просто не осталось задач.

А что же с экспедицией к Марсу, базами на Луне и городами на орбите? Практической необходимости в таких проектах сегодня нет: необходимые исследования с успехом проводятся небольшими и недорогими автоматическими аппаратами, отлично справляющимися с теми задачами, решение которых в 60-х гг. было совершенно невозможно без участия человека.

Если, конечно, не появится какой-либо реальной, экономически рентабельной задачи, требующей создания и массовой эксплуатации недорогих серийных сверхтяжёлых носителей и прочих элементов создания разветвлённой обитаемой космической инфраструктуры.

Таких задач в обозримом будущем может возникнуть только две.

Если наконец удастся получить устойчивую самоподдерживающуюся реакцию термоядерного синтеза — а это коренным образом решило бы энергетическую проблему человечества, — возникнет проблема топлива для термоядерных реакторов. В этом случае может оказаться вполне рентабельной и даже, возможно, сверхприбыльной промышленная добыча гелия-3 из лунного реголита и его доставка на Землю.

Другой вариант — обнаружение астрономами крупного астероида, который в обозримом будущем должен будет столкнуться с Землёй. Тогда перед человечеством встанет крайне нетривиальная задача изменения орбиты другого небесного тела.

А пока не произошло ни того ни другого — всё будет продолжаться более или менее так же, как и сейчас.

Автор: Александр Милицкий

От Журнала «Все о Космосе»: автор забыл упомянуть третий вариант — колонизация, тоесть то, что на сегодняшний день нам предлагает Илон Маск и для чего уже идет строительство ITS.

По материалам КОНТ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *