вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1994 №5




Гипотезы,
дискуссии,
предложения


Следующие 25 лет мировой космонавтики: попытка прогноза

Л. В. ЛЕСКОВ,
доктор физико-математических наук

37 лет отделяют нас от начала космической эры. 25 лет назад человек впервые ступил на поверхность Луны. Автоматические межпланетные станции провели с близкого расстояния исследования почти всех планет Солнечной системы, а на Венеру и Марс неоднократно совершались посадки космических аппаратов. Многое уже дала космонавтика различным областям народного хозяйства.

Как же будет развиваться космонавтика в ближайшие десятилетия? Автор излагает свое видение этой проблемы.

ЗАЧЕМ НУЖЕН ТАКОЙ ПРОГНОЗ?

Космонавтика, войдя в нашу жизнь, заняла в ней вполне достойное место наряду с электричеством, авиацией, телевидением, но место все же особое. Во-первых, с ее развитием человек получил возможность распространить свою техническую деятельность на совершенно новую производственную среду — космическое пространство. Во-вторых, одно из основных направлений космической деятельности ориентировано на решение проблем экологии и охраны окружающей среды, значимость которых для будущего земной цивилизации сегодня чрезвычайно высока. И наконец, в-третьих, эта деятельность сама быстро превращается в задачу общечеловеческого масштаба: большинство современных крупных космических программ основывается на международном разделении труда и сотрудничестве.

Но существуют и сдерживающие факторы, заставляющие правительства и коммерческие структуры проявлять осторожность в вопросах финансирования, — это высокая стоимость большинства космических программ, длительный период их реализации и сравнительно немалый риск. Учитывая позитивные стороны, а также факторы риска, следует признать: для проведения правильной научно-технической и финансовой политики большое значение приобретает составление долгосрочного прогноза такой деятельности в масштабе мирового хозяйства.

КОСМОНАВТИКА В 2020 ГОДУ: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Если современные темпы роста космической деятельности сохранятся, то к 2020 г. коммерческий оборот рынка космических услуг достигнет 100 млрд долл. (в ценах 1993 г.), и космическая деятельность выйдет на качественно новые рубежи. Будут разработаны высокоэффективные транспортные космические системы следующего поколения, достигнут существенного прогресса в создании космических энергосистем и использовании внеземных ресурсов.

Спутниковые системы связи и дистанционного зондирования Земли, высокая народнохозяйственная эффективность которых практически доказана в настоящее время, очевидно, предполагается по-прежнему активно развивать. Совершенство же информационных космических систем следующих поколений зависит в первую очередь от успехов электронной и оптоэлектронной промышленности, прогресса в разработке вычислительной техники и систем искусственного интеллекта. Экономическая эффективность этих систем будет повышена за счет перехода к новым носителям.

Дальнейшее расширение получит сервисное обслуживание с использованием космических средств связи системы профессионального и общеобразовательного обучения, информационных банков данных, медицинских сетей, обслуживание средств транспорта, индивидуальных средств связи, ремонт сложного оборудования с использованием видеотехники и многое другое. При этом следует ожидать как дальнейшего увеличения доли коммерческого капитала, так и расширения видов обслуживания.

Если в развитии мировой цивилизации не произойдет радикальных перемен, то останется без изменений взаимодействие между государственным сектором и ведущими предприятиями ракетно-космической и радиоэлектронной промышленности. Сохранение в руках правительств контрактной системы выполнения национальных космических программ позволяет им контролировать научно-технический прогресс и мобилизовывать научно-технический и производственный потенциал на наиболее актуальных направлениях.

В выигрыше от такого взаимодействия окажется и коммерческий сектор: выполнение госзаказов позволяет предприятиям обеспечить высокий уровень технологичности выпускаемой продукции, а на этой основе и последующую диверсификацию производства. Поэтому даже при сохранении на среднем уровне нормы прибыли, получаемой предприятием в рамках государственного контракта, экономическая прибыль останется достаточно высокой.

Коммерциализация космической деятельности при сохранении правительственного контроля над стратегическими направлениями космонавтики будет способствовать ее быстрому росту и повышению эффективности. Лидирующую роль в этом процессе, скорее всего, станет играть космическая связь. По некоторым оценкам, доля космической связи в совокупности всех ее видов достигнет к 2000 г. примерно 90%.

Дальнейшей активизации коммерческой деятельности следует ожидать также в дистанционном зондировании Земли, производстве в космосе материалов, разработке систем ракетно-космической деятельности, наземном обеспечении.

И еще одна важная особенность космической деятельности в XXI в., которую следует ожидать: дальнейшее расширение и укрепление различных форм международного сотрудничества. Космонавтика будет способствовать формированию единого хозяйства Земли и утверждению общечеловеческого единства.

Важные преимущества международного сотрудничества проявляются при выполнении программ типа «Полет к планете Земля» (Земля и Вселенная, 1992, № 1, с. 64). Для этого будет создана широкая глобальная сеть различных спутниковых систем, функционирующих на различных орбитах — полярной, геостационарной, экваториальной. Большое развитие получат также национальные и региональные наземные службы инфраструктуры, обеспечивающей оперативное использование космической информации.

СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Транспортные системы. В XXI в. будут разработаны новые одноразовые носители малого, среднего и тяжелого классов. Их отличительные особенности: высокая надежность, экономичность, повышенная экологическая безопасность.

Не исключено, что носители нового поколения оснастят гибридными ракетными двигателями (ГРД). Применяемые в настоящее время жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (РДТТ) ракетные двигатели обладают рядом серьезных недостатков. В ЖРД возможны аварии, обусловленные, например, самопроизвольным контактом горючего с окислителем. В РДТТ — нарушением режима горения в сопле (как при катастрофе «Челленджера»). Кроме того возможность снижения стоимости этих двигателей довольно затруднительна, а некоторые виды их топлив высокотоксичны.

В отличие от этого потенциальные преимущества ГРД (жидкий окислитель, твердое топливо) в состоянии обеспечить более высокую надежность, экономичность и безопасность.

Другой класс перспективных транспортных космических систем, которые несомненно появятся в XXI в., это воздушно-космический самолет (ВКС). Его преимущества также хорошо известны: высокая экономичность и оперативность полетов, возможность выхода на широкий диапазон околоземных орбит, использование обычных аэродромов. Эти преимущества столь значительны, что создание ВКС связывают со второй космической революцией. Работы по ВКС активно ведутся в разных странах (Х-30 в США, «Хотол» в Англии, «Зенгер» (Земля и Вселенная, 1989, № 6, с. 75), в Германии, «Гермес» (Земля и Вселенная, 1993, № 1, с. 40) во Франции). Начаты они и в России: известен проект ВКС, разработанный в НПО «Молния» под руководством Г. Е. Лозино-Лозинского (Земля и Вселенная, 1991, № 3, с. 19). Один из вариантов этого проекта предполагает совместную работу с создателями английской космической ступени «Хотол».

Другой проект, также разрабатываемый в России, выполнен ассоциацией «Земля и космонавтика» под руководством летчика-космонавта И. П. Волка. В качестве топлива для двигателей ВКС предполагается использовать жидкий водород, а окислителем служит атмосферный кислород.

После создания космических солнечных энергоустановок мощностью 20 — 500 кВт станут применяться электрические ракетные двигатели (ЭРД), которые в состоянии обеспечить высокую экономичность грузовых транспортных операций в околоземном космическом пространстве, а также при полетах в пределах Солнечной системы. Поскольку можно ожидать появления более экономичных и эффективных солнечных батарей, чем используемые в настоящее время, область практического использования ЭРД в XXI в. будет постоянно расширяться.

Что касается применения ядерных энергоустановок большой мощности в сочетании с маршевыми ЭРД, а также ядерных двигателей, то из-за того, что пока не ясно как можно обеспечить достаточно высокую безопасность таких систем, их использование в начале XXI в. представляется маловероятным. Заметим, что хотя создание маршевых ЯРД и ЭЯРД большой мощности, кажется пока маловероятным, не исключено широкое применение радиоизотопных ЯЭУ с термоэлектрическими и термоэмиссионными преобразователями. Уже в настоящее время некоторые отечественные ИСЗ серии «Космос» оснащены энергоустановками «Топаз», относящимися к этому классу.

Известны еще два типа перспективных транспортных систем, чье практическое использование может начаться в XXI в., — это тросовые системы и ударные пушки. Тросовые системы (Земля и Вселенная, 1993, № 3) существенно облегчат выполнение транспортных операций на околоземных орбитах (ведь можно обойтись без космических буксиров, что упростит конструкцию космических кораблей и снизит стоимость перевозок).

Крупнейшая в мире двухступенчатая пушка на легком газе сооружается в Ливерморской лаборатории (США). Предполагается, что она разгонит снаряд массой 5 кг до скорости 4 км/с. В ее конструкции использован ряд принципиально новых решений, повышающих эффективность работы.

Пушки, построенные на этих принципах, смогут выводить на околоземные орбиты (с ускорением 1,5·103g) до 90% грузов, причем их стоимость составит лишь около 500 долл/кг. Другое преимущество пушки — значительно менее интенсивное воздействие на окружающую среду по сравнению с запуском ракет. Возможны и другие варианты пушек, предназначенных для вывода в космос полезных нагрузок (электромагнитный разгон, гибридные пушки, разгон в закрытой шахте и др.). Однако соответствующие исследования находятся пока на стадии предэскизного проектирования.

Переход от традиционных ракет-носителей к транспортным системам, основанным на иных физических принципах, существенно облегчит задачу строительства на околоземных орбитах космических энергоустановок большой мощности с соблюдением необходимых требований экологической безопасности.

Космические энергосистемы. В настоящее время совместное российско-американское предприятие «Международные энергетические технологии» проводит проектные исследования по созданию ядерной энергоустановки мощностью 30 — 40 кВт для лунной базы и марсианской экспедиции. Большой экспериментальный материал, накопленный в нашей стране по исследованию ЭУ такого класса, позволяет сделать вывод, что все физические и технические проблемы, стоящие перед разработчиками, могут быть успешно разрешены. Однако гарантировать безопасность подобных ЯЭУ сложно, а последствия аварии при их выведении в космос могут быть катастрофическими. Поэтому прогноз относительно возможности их использования — сдержанный.

Весьма вероятно, что в XXI столетии одним из основных источников энергоснабжения Земли станут космические солнечные электростанции (КСЭ), которые в значительно меньшей степени, чем существующие, будут загрязнять природную среду и не могут привести к авариям типа Чернобыля. Основные проблемы, связанные с КСЭ, — необходимость разработки соответствующей элементной базы и вывода в космос грузов порядка десятков тысяч тонн. Министерство энергетики США и NASA рассматривают возможность строительства 60 КСЭ мощностью 5 ГВт каждая, расположенных на геостационарной орбите. На частоте 2,45 ГГц потери микроволновой энергии в атмосфере Земли в среднем не должны превышать 1% мощности. Высокий КПД преобразования энергии микроволнового излучения в наземной ректенне /около 90%/ способствует предотвращению «теплового загрязнения» Земли.

Видимо, в начале XXI в. основное внимание в рамках проблемы КСЭ сосредоточится на решении нескольких взаимосвязанных задач:

— совершенствование элементной базы;

— исследование вопросов безопасности;

— разработка перспективных систем выведения;

— подготовка и проведение космических экспериментов с моделями КСЭ мощностью порядка 100 кВт и 10 МВт.

Эксперимент с передачей в космосе СВЧ-излучения мощностью 1 кВт подготовлен в Японии, а в начале XXI в. запланированы эксперименты более высокой мощности. Следует заметить, что создание КСЭ мощностью порядка 1 ГВт позволит на новых принципах организовать межорбитальные перелеты в околоземном космосе («космический троллейбус»).

Другое перспективное направление космической энергетики, время которого наступит в XXI в., — орбитальные отражатели, предназначенные для освещения районов Земли. Соответствующие проектные исследования выполнены к настоящему времени в нашей стране и за рубежом. Среди менее исследованных возможностей практического использования подобных систем отметим разведку полезных ископаемых, основанную на проникновении вглубь Земли длинноволнового электромагнитного излучения, передаваемого из космоса, использование пленочных отражателей для очистки околоземного пространства от «космического мусора», разработку транспортных систем, оснащенных космическим парусом.

Первый эксперимент освещения районов Земли с помощью майларового алюминированного отражателя диаметром 20 м, установленного на борту транспортного грузового корабля «Прогресс», осуществили в феврале 1993 г. (Земля и Вселенная, 1994, № 1, с. 3). Интересно, что эксперимент вызвал в отечественной печати протесты некоторых высокопоставленных экологов, которые, очевидно, совершенно не разобрались в этом вопросе.

Внеземные ресурсы. Более высокий уровень технического обеспечения, рост финансирования; активизация международного разделения труда сделают возможным осуществить ряд программ, нацеленных на исследование и освоение внеземных ресурсов. Наиболее значительные среди этих проектов — создание исследовательской базы на Луне и организация экспедиции на Марс. Реализация проектов существенно облегчится, если им с самого начала придадут международный характер и первая программа будет предшествовать второй.

Перспективы освоения Луны в XXI в. кажутся весьма широкими: научные исследования, строительство разнообразных лунных предприятий, горная промышленность для поставки минерального сырья на околоземные производственные комплексы, входящие в систему сооружения сети КСЭ на геостационарной орбите, добыча изотопа гелия-3, организация туристических рейсов.

До 2020 г. может быть осуществлена лишь часть этой программы. На первом этапе возобновится детальное исследование поверхности Луны с помощью автоматов: подробная съемка топографических и геологических карт, луноход для изучения физико-химических свойств грунта. На следующем этапе — сборка солнечной батареи достаточно высокой мощности. После этого можно будет приступить к строительству долговременной базы, способной функционировать в значительной мере за счет внутренних ресурсов, а из кремния изготавливать солнечные батарей, стекло, элементы для электронной аппаратуры.

Предполагается, основным строительным материалом на Луне будет бетон, сырьем для которого может служить минерал анортозит, содержащий 20% SiO2; можно использовать и алюмосиликаты. Нагревая минерал гельменит до 800° С, можно получать кислород. Чтобы добыть воду, потребуется доставлять с Земли водород, хотя возможно, что он содержится в лавовых потоках или в приповерхностном слое лунного грунта. Реализацию первых этапов этой программы планируют начать уже до 2020 г. Одна из задач, которая будет решена уже на ранних стадиях лунной программы, — исследование возможности промышленной добычи на Луне изотопа гелия-3, будущего перспективного сырья для производства энергии в установках термоядерного синтеза. Малая сила тяжести на Луне и отсутствие атмосферы позволит использовать для обеспечения транспортных операций электромагнитные ускорители массы и тросовые системы.

Программы полетов к Марсу автоматических КА, а около 2020 г. и пилотируемой экспедиции, уже проработаны довольно детально, но во всех случаях этому предшествует решение двух задач: создание нового тяжелого носителя и постоянной крупномасштабной орбитальной станции (ОС). Предложение использовать для этих целей РН «Энергия» вряд ли осуществимо, ведь к началу XXI в. ее элементная база устареет.

Космическая экология. Одна из крупномасштабных экологических программ — «Полет к планете Земля», в которой участвуют США, Западная Европа, Япония, рассчитана на 1996 — 2011 гг., но нет сомнений, что со временем примут решение о ее продолжении и развитии. В рамках этой программы предполагается разместить автоматические КА на полярной орбите, на ГСО и на экваториальной орбите. Будет исследована земная поверхность с целью определения результатов техногенного давления, связи растительного и животного мира и других экологических проблем.

Следующая крупная программа — удаление с Земли радиоактивных отходов (РАО). (Земля и Вселенная, 1992, № 5, 1993, № 5, 6).

Около 2000 г. мировой объем РАО достигнет порядка 100 кг ежегодно. Проблема надежного их захоронения на Земле весьма серьезна: период полураспада некоторых из изотопов превышает 1000 лет. Существуют также особо опасные короткоживущие изотопы с периодом полураспада меньше 10 лет. Поэтому, вероятно, технически наиболее приемлем вариант, когда тяжелые актиниды с большим периодом полураспада выводятся в герметичном контейнере в далекий космос, а затем распыляются в газообразном виде. При таком распылении концентрация радиоактивного газа значительно меньше концентрации водорода, а плотность энергии их излучения — меньше плотности энергии космических лучей.

Другое направление космической экологии — экология самой космонавтики, иными словами, проблема вредных воздействий со стороны ракетно-космических систем. Одна из серьезных работ в этом направлении — проект КСЭ-2000, — осуществляемый в Японии, начат в настоящее время и будет продолжен в XXI веке. Предполагается разместить на экваториальной орбите высотой 1000 км опытную КСЭ мощностью 10 МВт. Вывод станции на орбиту планируют осуществить с помощью российской ракеты «Энергия», или французской «Ариан».

Одна из центральных задач проекта — исследование экологического воздействия микроволнового излучения на окружающую среду. Эксперименты с КСЭ-2000 позволят решить вопрос безопасности и полноразмерных станций гигаваттной мощности. Возможно, тогда будет преодолен психологический барьер, определяющий сдержанно-настороженный характер отношения общественности к этому новому классу энергосистем.

Важная отличительная особенность японской программы КСЭ-2000 — ее комплексный характер, стремление с самого начала учесть все возможные обратные связи, изучить ущерб, который работа таких станций может нанести окружающей среде. Данный подход резко отличает программу от проектов, когда все перечисленные аспекты отходят на второй план. Программа КСЭ-2000 — образец для аналогичных проектов XXI в. Другой пример комплексной программы, имеющей экологическую направленность, — упомянутая программа «Полет к планете Земля». Нет сомнений, в XXI в. удельный вес подобных работ значительно возрастет — таково требование экологического императива. Этот критерий будет играть все более важную роль при выборе перспективных и транспортных космических систем. На первом этапе их разработки он практически не учитывался. Между тем, при запуске, например, одной ракеты «Союз» в атмосфере Земли уничтожается 220 — 230 т озона.

Очень важный аспект таких программ — исследование солнечноземных связей. Земная биосфера порождена Солнцем и связана с процессами на нем многочисленными сложными связями, которые исследованы совершенно недостаточно. Одна из важнейших задач космической экологии XXI в. — комплексное исследование этих проблем.

Чтобы выжить, в XXI в. человечество должно выработать новую стратегию взаимоотношения с миром природы — стратегию коэволюции. И космическим исследованиям суждено взять на себя роль одного из главных инструментов решения указанных проблем.

Космическое машиностроение. Развитие космической техники, работающей в условиях, резко отличающихся от земных (невесомость, космический вакуум, радиационные воздействия, нестационарный тепловой режим), настоятельно требуют нового подхода к разработке космических систем. В особенности это относится к материалам смогут (?) и элементам конструкций, которые предполагается производить непосредственно на орбитальных промышленных комплексах. Задачи подобного типа ранее не встречались в машиностроении, и в XXI в. их значение существенно возрастет.

Это потребует развития нового направления в науке и технике — космического машиностроения, представляющего собой совокупность научных и инженерно-технологических дисциплин, а также производственных маршрутов, направленных на разработку сложных конструкций и оборудования для работы в космическом пространстве, и на других небесных телах (Луна, Марс, Фобос, астероиды).

За счет обратных связей развитие космического машиностроения будет стимулировать прогресс хозяйства Земли, продвижение в различные отрасли промышленности передовых технологий и материалов. Поэтому одним из важных направлений космического машиностроения станет создание на околоземных орбитах специализированных технологических комплексов по производству новых материалов. Это автоматические аппараты, часть которых будет функционировать в режиме посещения с помощью многоразовых транспортных ВКС. Существующие в настоящее время планы организовать промышленное производство материалов на борту орбитальных станций вряд ли смогут реализовать из-за высокого уровня динамических помех на пилотируемых объектах и высокой стоимости. Они удобны для проведения исследований и предварительной отработки технологических процессов и оборудования, но для организации самого производства лучше ориентироваться на специализированные автоматические КА. Первые проекты КА этого типа существуют — «Ника-Т» (ЦСКБ) (Земля и Вселенная, 1992, N° 4, с. 18), проект «Текос» (НПО им. С. А. Лавочкина). Нет сомнений, в XXI в. создадут более совершенные КА этого типа.

КОСМОС — НАШ ДОМ

В США, к которым после развала Советского Союза отошла роль лидера в освоении космоса, стали все громче звучать голоса скептиков: никакой Никита Хрущев нас больше не подгоняет, стуча ботинком по столу и обещая закопать нас, и не пора ли нам поэтому более бережно расходовать деньги налогоплательщиков1. Расходы на космонавтику велики, а результат неопределенный. Им возражают оптимисты: это неверная постановка вопроса. Надо спрашивать иначе: чего у нас не будет, если мы начнем не в меру экономить? Триста лет назад выиграли те, кто поверил Колумбу. Сегодня перед человечеством открылись просторы космоса. Конечно, за удачу приходится платить. Но так обстоит дело в любой новой области, включая освоение космоса. Преимущества, которые человечество получит, осваивая космическое пространство, огромны. Поэтому пришло время понять: космонавтика — не эпизод в истории человечества. Космонавтика — это наша судьба.

1 По решению Конгресса США расходы на изучение и освоение космического пространства в 1994 г. снижены впервые за 20 лет (Ред.)