"Техника-молодежи" 1959 г №10, вкл., с.37-38

Г. ПОКРОВСКИЙ, профессор

Сферическая конструкция искусственных спутников-электростанций и спутников-телескопов.

С

ила тяжести уже давно стоит на пути прогресса техники и науки и требует изыскания новых путей для своего преодоления. Одним из таких способов следует считать достаточно быстрое движение вокруг Земли по дуге окружности, центр которой совпадает с центром Земли.

Возникающая при таком движении сила инерции может частично или даже полностью компенсировать силу тяжести. Например, если бы человек шел по Земле со скоростью 3,6 м/сек, то его вес снизился бы примерно на один миллиграмм. Если тот же человек летит на скоростном самолете типа «ТУ-104», то вес его снижается уже почти на сто граммов — величину, которую можно обнаружить без труда при обычном взвешивании человека.

Как известно, полное преодоление веса получится при первой космической скорости, равной вблизи поверхности Земли 7,9 км/сек. Такое движение вблизи поверхности Земли осуществить весьма трудно вследствие сопротивления воздуха. Поэтому практически пока оказалось возможным достигнуть такой скорости (при запусках искусственных спутников Земли) только на высоте в несколько сотен километров.

Вариант конструкции спутника из тонких оболочек.

Однако подъем каждого килограмма веса конструкции на такие высоты связан с большими затратами энергии, которые все увеличиваются с ростом высоты. Наиболее выгодным будет использование столь низких орбит, какие только возможны, если учесть сопротивление воздуха. По-видимому, такая высота составляет 200-300 км. В этом случае работа, затрачиваемая на каждый килограмм веса тела, будет равна примерно 3,5 тонно-километра, или несколько меньше 10 квт-ч.

Итак, в космосе в виде спутника можно создать весьма крупные конструкции научных и даже производственных сооружений, в которых сила тяжести практически действовать не будет, таким путем, по-видимому, удастся создать гигантские телескопы, ядерные научно-исследовательские сооружения и многое другое.

Здесь мы имеем огромные перспективы потому, что все эти установки могут быть освобождены от действия силы тяжести и поэтому могут быть сделаны чрезвычайно точными, легкими и устойчивыми.

Впрочем, было бы неправильным думать, что на конструкцию спутника вовсе не будут действовать никакие силы, вязанные с тяготением, в пределах спутника должны действовать силы, аналогичные тем силам, которые вызывают приливы и отливы на Земле под воздействием Солнца и Луны.

Эти силы возникают оттого, что части спутника, обращенные к Земле, притягиваются ею сильнее, чем центр спутника, так как они находятся к ней ближе. Они вызывают растяжение спутника в направлении Земля — спутник и его сжатие в плоскости, перпендикулярной этому направлению, величина этих сил возрастает пропорционально увеличению расстояния от центра спутника.

Приливные силы невелики. Если, например, мы представим себе гигантский спутник, который имеет деталь, весящую на Земле 6,4 т и расположенную на расстоянии 1 км от центра тяжести спутника, то величина приливной силы будет не более 1 кг. Если уменьшить расстояние детали от центра спутника всего до одного метра, мы все же имели бы силу, действующую на эту деталь, равную одному грамму.

Пространственная схема силового поля приливных сил, действующих на детали спутника. Силы тем больше, чем дальше отстоит соответствующая деталь от центра тяжести спутника.

Однако и такими силами нельзя пренебрегать при расчете определенного рода конструкций. Такими конструкциями являются, например, зеркала телескопов больших размеров, где недопустимо даже малейшее искривление.

Какими же должны быть связи, обеспечивающие при таких условиях прочность спутника?

Чтобы ответить на такой вопрос, нужно еще знать, каким будет расположение спутника относительно Земли. Может быть, например, такой случай, когда спутник вращается вокруг оси, перпендикулярной к плоскости орбиты, совершая один оборот за время полного оборота спутника вокруг Земли. Тогда конструкция спутника будет всегда испытывать в одном направлении сжатие и в другом — растяжение.

Во всех других случаях состояния растяжения и сжатия будут сменяться с течением времени, и связи в конструкции спутника должны работать попеременно на растяжение и сжатие.

Кроме этого, при достаточно быстром вращении конструкции спутника вокруг одной из своих осей будут играть первенствующую роль силы инерции, пропорциональные, как известно, расстоянию от оси вращения и квадрату угловой скорости вращения. Если задача будет состоять в том, чтобы создать возможно более легкую конструкцию спутника, то необходимо будет воздержаться от более или менее значительных скоростей вращения спутника, потому что такое вращение вызовет нагрузку конструкции силами инерции, которые во много раз больше приливных сил. По-видимому, в тех случаях,, когда придется в отдельных частях спутника создавать значительные силы инерции, что может быть нужным для воспроизведения действия силы тяжести на людей, лучше устраивать небольшие вращающиеся части конструкции, чем вращать спутник целиком.

Какими же должны быть конструктивные элементы крупных и в то же время легких спутников, подвергающихся действию рассмотренных сил?

По-видимому, наиболее целесообразной будет система гибких тонкостенных трубок, заполненных каким-либо легким газом, водород был бы удобен для этой цели, если бы он менее легко проникал через различные щели и неоднородности материала. Возможно, что лучше был бы гелий, потому что он менее легко дает утечку.

Диаметр трубок должен быть таким, чтобы давление газа в них растягивало трубку вдоль ее оси с силой, немного превосходящей сжимающую силу, которую необходимо воспринять конструкции. Исходя из этого требования, определяется и толщина стенок трубки. Стенки должны выдерживать давление газа. Трубка при таких условиях может также выдержать и растяжение вдоль оси в случае, если сжимающие ее силы сменятся силами растягивающими при перемене ориентации спутника по отношению к Земле.

Система из тонкостенных трубок может быть легко освобождена от заполняющего их газа и упакована в весьма малом объеме. В таком виде можно эту систему доставить в космос на ракете и уже в космосе заполнить газом. При этом сложенные трубки расправятся, и конструкция примет заданную форму. Такие операции можно будет осуществить автоматически.

Помимо трубчатых конструкций, можно применить также пленочные конструкции, натянутые на трубчатый каркас. Таким путем будет легко создавать грандиозные зеркала для собирания солнечного света и использования его в различных двигателях и солнечных батареях. Таким же способом можно будет создавать огромные по размерам, но малые по массе спутники-вехи, необходимые для геодезии и навигации. Натягивая на трубчатые каркасы тонкую металлическую сеть, можно будет создавать огромные зеркала, необходимые для радиотелескопов и установок радиорелейной связи, вынесенных в космическое пространство. Сверхлегкие конструкции из пленок и трубок, заполненные газом, являются отличным решением для большинства крупных и сверхкрупных спутников Земли, которые будут построены в недалеком будущем.

Другим принципом конструкции крупных искусственных спутников является использование для них тонкостенных сферических оболочек, заполненных внутри газом под небольшим давлением. Такие системы могли бы быть удобно применены для устройства спутников-электростанций, работающих на основе использования энергии солнечного света. С этой целью можно было бы часть сферической оболочки спутника путем покрытия серебром, алюминием или иным металлом превратить в сферическое зеркало огромных размеров. Остальную часть оболочки необходимо сделать прозрачной. При таких условиях можно было бы, ориентируя спутник в пространстве так, чтобы ось зеркала была параллельна лучам солнца, собирать эти лучи в фокусе, расположенном внутри сферической оболочки. Таким способом можно было бы использовать энергию солнечного света, преобразуя ее в энергию электрического тока при помощи солнечных батарей.

Комбинированная схема спутника из гибких сферических элементов. Гибкость элементов позволяет управлять телескопом и направленным излучением радиостанции.

Таким же способом можно было бы устроить спутник-телескоп. В этом случае необходимо было бы направлять ось зеркала на тот небесный объект — звезду или планету, которые должны наблюдаться через телескоп. В месте фокуса сферического зеркала необходимо было бы в этом случае расположить окуляр телевизионной установки или фотоаппарат. По такому же принципу можно устроить радиотелескоп, а также станции для направленного радиоприема сигналов, идущих с Земли. Очевидно, что такое устройство могло бы быть использовано и для направленной передачи радиосигналов со спутника на Землю.

Серьезной трудностью, с которой окажется необходимым считаться при расчете и осуществлении сферических спутников, является то, что их форма будет искажаться под действием приливных сил и сил инерции. Эти силы будут деформировать сферические шары, поэтому необходимо будет принимать сложные меры для того, чтобы обеспечить удовлетворительную работу телескопов и других устройств.

Существенным возражением против всех рассмотренных конструкций является опасность ударов по ним мелких метеоритов. С этой опасностью можно бороться многими способами. Можно, например, пленочные конструкции делать из материалов, способных быстро затягивать образовавшиеся в них отверстия, как это делается в баках для горючего на самолетах. Можно создавать системы из множества тонких трубок, соединяемых в общий жгут, и т. п. Конечно, во всех случаях надо иметь известный запас прочности в конструкции и соответствующий запас газа в баллонах для компенсации утечки газа. Все эти проблемы связаны с большими техническими трудностями, но, безусловно, в принципе вполне разрешимы.