«Техника-молодежи» 1962 №5, с.2-4

А. ШИБАНОВ, инженер

Рис. В. ПЕРЦОВА

Предполагаемые изображения космических станций, встречающиеся в технической и научно-популярной литературе, уже сейчас поражают воображение читателей необычностью и причудливостью схем. Складывается впечатление, что в выборе формы космического аппарата царит полный произвол. Во многих странах мира большинство проектов межпланетных станций еще покоится на бумаге, терпеливо ожидая своего осуществления. Но уже сейчас ясны некоторые основные принципы, которые лягут в основу будущей «космической архитектуры». Вот некоторые из идей, высказываемых различными зарубежными учеными по поводу форм космических аппаратов.

Для некоторых искусственных космических тел выбор подходящей внешней формы не представит особых затруднений. Она будет подсказываться самим назначением космического аппарата. Например, спутникам-рефлекторам предстоит фокусировать и отражать в определенном направлении электромагнитное излучение, будут ли это лучи света или невидимые радиоволны. Таким спутникам можно придать форму гигантских параболических зеркал, поднятых на большую высоту над поверхностью Земли. С помощью сферических искусственных спутников очень удобно измерять сопротивление верхних разреженных слоев атмосферы при движении в них с большой скоростью, так как сферическая форма наиболее удобна для пересчета аэродинамического сопротивления.

Число искусственных космических тел вблизи Земли увеличивается с каждым годом. В недалеком будущем, несомненно, понадобится быстро распознавать отдельные спутники среди массы других наблюдаемых космических объектов. Ученые должны заранее подумать о каком-то простом и надежном способе «метить» небесные тела. Одна из таких возможностей тоже непосредственно связана с внешней формой космических аппаратов. Если искусственный спутник, например тот же самый диск, заставить вращаться вокруг оси, лежащей в его плоскости, то видимая с Земли площадь этого спутника будет периодически уменьшаться и снова возрастать до полной своей величины. Земному наблюдателю такой спутник будет представляться далеким мигающим фонариком. Чем быстрее вращается диск, тем чаще мигает «фонарик». Мигающий спутник уже легко выделить среди остальных небесных тел.

ОБИТАЕМЫЕ
СФЕРЫ

Присутствие человека на искусственном спутнике вносит коренные изменения в расчеты конструкторов. Экипажу спутника необходимо обеспечить надежную защиту от космической радиации. Весь внутренний жилой объем такого космического аппарата должен быть окружен толстым слоем радиационной защиты, без единой щели, сквозь которую мог бы прорваться губительный поток излучения. По подсчетам ученых, вес такой защиты составит четверть тонны на каждый квадратный метр защищаемой поверхности. Но каждый лишний килограмм груза на орбите вырастает в сотни килограммов дополнительного ракетного топлива на Земле. Можно представить себе, каким непосильным бременем ляжет громоздкая радиационная защита на ракету-носитель! И первая мера, которую нужно предпринять конструкторам, — это сократить поверхность космического аппарата.

Но, сокращая наружную поверхность аппарата, конструкторы не могут посягнуть на его внутренний объем. Выход из такого затруднительного положения может подсказать геометрия. Как известно, у различных простейших геометрических фигур с одинаковым объемом величина поверхности различна. Наименьшая поверхность у шара. Поэтому обитаемым спутникам, несущим тяжелый груз радиационной защиты, выгодное иметь форму сферы.

Сферическая форма будущих космических станций оправдывается и с точки зрения их прочности. Во внутренних помещениях таких станций должно поддерживаться нормальное давление искусственной атмосферы. Внутреннее давление распирает стенки аппарата, который должен выдержать эту нагрузку.

Конструкторам не в новинку такая задача. Много раз приходилось им рассчитывать прочность баллонов высокого давления; и они давно уже знают, что в зависимости от формы баллона материал его испытывает различные напряжения при одинаковой нагрузке. Наименьшие напряжения при прочих равных условиях возникают в стенках сферического баллона. Поэтому вес сферической межпланетной станции при равных объемах в 1,3 раза меньше, чем вес той же станции, сделанной в виде цилиндра. Иногда будет выгоднее применять космические аппараты из ряда пересекающихся сфер, чем в виде какой-нибудь другой, пусть даже простейшей, геометрической фигуры. Правда, при этом экономия в весе снижается по сравнению с одной целой сферой.

Итак, требования прочности космических аппаратов и экономия веса радиационной защиты вынуждают конструкторов проектировать шарообразные межпланетные станции. К сожалению, такое удачное совпадение различных требований к формам космических кораблей не является общим правилом. Гораздо чаще конструкторам приходится сочетать прямо противоположные стремления.

КУДА
ДЕВАТЬ ТЕПЛО?

Окружающая станцию космическая «пустота» служит для нее наилучшим теплоизолятором. Такая надежная теплоизоляция космических аппаратов приносит свою долю неприятностей при их проектировании. Все тепло, получаемое аппаратом от солнечных лучей, от работающих на нем энергетических установок и электронного оборудования, постепенно накапливалось бы в замкнутом объеме станции, если бы не существовал «канал утечки» — тепловое излучение. Чтобы увеличить количество излучаемого тепла и понизить температуру внутри космической станции до нормального уровня без специальных охлаждающих установок, необходимо увеличить наружную излучающую поверхность станции. Только что заботливо урезанные, сэкономленные кусочки наружной поверхности аппарата конструкторы должны заново вернуть на их старые места. Да и этого, пожалуй, будет мало. А с каждым лишним квадратным сантиметром неумолимо растет вес станции и ее радиационной защиты. С точки зрения внутреннего теплового режима, космической станции выгоднее придать форму цилиндра, а не сферы.

Конструкторы ищут выход и из этого противоречия. Они предлагают присоединить к сферическому аппарату тепловой радиатор — именно те многие квадратные сантиметры, которых не хватало космической станции для теплоизлучения. Радиатор в виде лопасти отходит в теневую сторону станции. Он «вытягивает» из нее избыточное тепло и рассеивает его в окружающем пространстве. Для него не нужна радиационная защита, и он может быть сделан достаточно легким. В зарубежных журналах при описании проектов межпланетных станций приводятся данные о размерах «космических» радиаторов. Например, если на станции работает электрический генератор мощностью в 1 мегаватт, то для отвода выделяемого им тепла потребуется излучающая поверхность в 93 кв. м! Вполне понятно, что вес таких радиаторов, даже очень тонких, может превышать вес самих энергетических установок, для которых они предназначены. Дорогостоящее, но неизбежное приложение!

Так зависит вес радиационной защиты космических кораблей от формы при постоянном объеме.

СПУТНИК-
ХАМЕЛЕОН

Основной источник тепла космических станций находится все-таки не внутри них, а вовне. Ведь на космический аппарат в виде сферы диаметром в 0,3 м, находящийся в районе Земли, падает в виде солнечных лучей тепловая энергия в 87 500 калорий в час. Вблизи Марса падающий на такой аппарат солнечный тепловой поток составит 46 тыс. калорий в час.

Изменяя цвет космического тела, можно регулировать приток к нему солнечного тепла. Известно, что белый цвет отражает большую часть падающих на него солнечных лучей, а черный, наоборот, поглощает основную их долю. Но зато белый цвет намного слабее излучает тепловые лучи в окружающее пространство, чем черный. Если орбита проходит вблизи Солнца и станция сильно нагревается, то можно уменьшить приток тепла к аппарату, окрасив его освещенную сторону в белый цвет, и , увеличить утечку тепла, окрасив теневую сторону в черный цвет. Для далекой от Солнца станции целесообразно поменять цвета освещенной и теневой сторон, чтобы повысить температуру внутри станции до нормального уровня.

Бедна палитра у художников космоса, всего только два цвета — черный и белый — могут они использовать для окраски космических кораблей. Но и с этими двумя цветами можно совершать настоящие чудеса. Цвет аппарата может иногда заменить громоздкие, тяжелые радиаторы. Мало того, аппарат может автоматически менять окраску в зависимости от того, нужно ему нагреваться или охлаждаться. Ученые сейчас разрабатывают такие покрытия для искусственных спутников, которые меняли бы свой цвет с черного на белый, как только температура внутри аппарата превысит определенную величину. Приток тепла к спутнику, переодевшемуся в светозащитное белое покрытие, уменьшается, и он начинает охлаждаться до нормальной температуры. При слишком сильном охлаждении цвет его покрытия меняется на черный, и спутник начнет усиленно впитывать своей поверхностью энергию солнечных лучей. Таким образом, изменение цвета наружной поверхности будет автоматически поддерживать внутри космического аппарата определенную температуру. Для такого спутника-хамелеона можно использовать свойства некоторых полимерных соединений, меняющих свой цвет при переходе от твердого к гелеобразному состоянию с повышением температуры.

«ДИРИЖАБЛЬ»
НА ОРБИТЕ

Большая поверхность космических станций нужна не только для лучшего отвода тепла. Наружная поверхность внеземных аппаратов — это единственный их орган «осязания» внешнего мира, единственная «точка» соприкосновения с окружающей средой. Только через свою поверхность могут получить искусственные спутники информацию извне о стремительных ливнях космических частиц, о плотности и составе межпланетного газа, о потоках метеоритов, бороздящих космическое пространство, о сопротивлении верхних, разреженных слоев атмосферы, о расположении земных радиационных поясов и, наконец, о силе давления солнечных лучей. Чем больше площадь аппарата, тем легче его обнаружить по отраженным солнечным лучам или по «эху» радиосигнала, посланного с Земли. А мощность электроэнергии, вырабатываемой солнечными полупроводниковыми батареями, прямо пропорциональна величине поверхности, которую они покрывают.

Площадь и вес космических аппаратов находятся явно не в ладах друг с другом. Конструкторам то и дело приходится задумываться над тем, как увеличить площадь космических объектов, не повышая их веса, или как уменьшить их вес, не затрагивая наружной поверхности. В связи с этим американские специалисты предложили использовать в космосе надувные аппараты. Засылать такие надувные спутники на орбиту можно в наиболее компактном, собранном виде. С гибкой, сложенной в небольшой контейнер оболочкой в космос выводится баллон с газом под высоким давлением. Газ выпускается в оболочку автоматически, когда аппарат минует нижние, плотные слои атмосферы. В качестве наполнителя надувных аппаратов обычно используется гелий.

С помощью таких аппаратов можно наглядно продемонстрировать силу давления солнечных лучей на космические тела. Удалось даже наблюдать влияние солнечных бурь на движение надувных искусственных спутников Земли.

Стремление всеми мерами уменьшить вес космических аппаратов, в то же время сохранив их достаточно большие размеры, сказалось и в другом проекте американских специалистов. В качестве строительных, монтажных конструкций для внеземных станций будущего они предлагают использовать... пенопластические материалы; причем «вспенивать» материалы можно прямо на орбите. У космических сооружений, сделанных из пенопласта, можно получить гораздо большие внешние размеры, чем при использовании обычных металлов и сплавов. А условия невесомости в космосе вполне позволяют применять такие конструкции, которые на Земле не смогли бы выдержать даже собственный вес. Немалое количество таких необычных идей найдет практическое воплощение в будущем, когда космическое пространство вокруг Земли превратится в гигантскую строительную площадку.