Космический лифт: проекты альтернативных вариантов путешествий в космос

Описание различных проектов космических лифтов, спроектированных в 20-м веке. Какие преимущества дает космический лифт и когда он станет реальностью.

На сегодняшний день существует только один способ добраться с поверхности Земли до космоса: полет на многоступенчатой ракете. Однако, вариант с ракетой выбран не потому, что он самый экономичный, эффективный и вообще лучший, а потому что он единственный рабочий.

В самом деле: уже больше века лучшие умы пытаются придумать способ преодолеть земное притяжение и выйти за пределы атмосферы, однако при всем многообразии идей и вариантов, реально выполнимым остается самый простой и очевидный (“из пушки на Луну!” – учитывая, что ракета устройством мало отличается от прочих реактивных снарядов, разве что побольше размером).

В этой статье мы рассмотрим несколько наиболее интересных вариантов “альтернативного” выхода на орбиту Земли, предложенных за прошедшие сто лет. Учитывая, что все они, так или иначе схожи по принципу действия, назовем их все одинаково – Космические лифты.

Космический лифт, как его представляет себе художник.

1. 1895 год: проекты Константина Эдуардовича Циолковского

В 1880-е годы — время широкого общественного признания теоретической космонавтики и заслуг ее основоположника Константина Эдуардовича Циолковского — все специалисты мира в один голос утверждали, что единственным реальным средством преодоления гравитационного поля Земли и достижения космических скоростей является предложенная великим калужанином ракета на жидком топливе.

И тем не менее нашелся смелый человек, не посчитавшийся с мнением авторитетов и посягнувший на монополию ракеты. Это был сам Циолковский, который писал: «Многие думают, что я хлопочу о ракете и забочусь, о ее судьбе из-за самой ракеты. Это было бы грубейшей ошибкой. Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину Космоса, но отнюдь не самоцель. Будет иной способ передвижения в Космосе, — приму и его. Вся суть — в переселении с Земли и в заселении Космоса».

Зная недостатки ракеты гораздо лучше и ее энтузиастов, и тем более ее противников, как знают качества своих детей только по-настоящему любящие родители, Циолковский всю жизнь не переставал искать новые, более эффективные, чем ракетный, способы выхода в космос.

В «рязанских тетрадях», относящихся к 1879 году, можно видеть его рисунки планет с окружающими их кольцами, качелями, пушками и мостами вперемежку с расчетами скоростей, ускорений и времени движения тел в условиях притяжения различных небесных тел. А в знаменитой книге «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения», вышедшей в 1895 году, Циолковский наряду с идеей искусственного спутника Земли впервые публикует оценку возможностей транспортных космических сооружений.

Здесь он говорит и об экваториальном помосте, выходящем «за пределы атмосферы до высоты 300 верст, по которому движется поезд со скоростью 8 верст в 1 секунду с тем, чтобы в его вагонах тяжесть уничтожалась центробежной силой».

И о башне, выстроенной на экваторе, при восхождении на которую «тяжесть понемногу уменьшается, не изменяя направления; на расстоянии 34 тысяч верст совсем уничтожается, затем выше опять обнаруживается с силой, пропорциональной удалению от критической точки, но направление ее обратно, так что человек головой обращается к Земле, которую видит у себя сверху».

Константин Эдуардович Циолковский – основоположник теоретической космонавтики и автор первой идеи космического лифта

Критически глядя на эти проекты, сам Константин Эдуардович оценивал эти сооружения для Земли как “в практическом отношении нелепость”, тем не менее, относилось это скорее всего не к идее проекта “космического лифта” вообще, а скорее к попытке его реализации в то время.

(Источник: Ю.Бирюков «Мы построим лестницу до звезд…»)

2. 1910 год: «Лунный лифт» Фридриха Цандера

В 1910 году, Фридрих Артурович Цандер придумал и рассчитал лунный «космический лифт» — трос, протянутый с поверхности Луны в сто­рону Земли за коллинеарную точку либ­рации L₁ (она находится на одной пря­мой с центрами масс этих небесных тел, и равнодействующая гравитационных и центробежных сил в ней равна нулю) на расстояние более 60 тыс. км и удерживаемый от падения на поверх­ность Луны притяжением Земли.

К со­жалению, выбрав для расчетов характеристики стали, производимой в то время, автор пришел к выводу о нереальности этой идеи и «похоронил» ее. (За­метим, лифт переменного сечения, увеличивающегося по мере удаления от по­верхности планеты, можно сделать из любого материала, хоть из бумаги, но потребуется непомерно много мате­риала).

(Источник: В.Белецкий, Е.Левин «Тысяча и один вариант космического лифта»)

3. 1960 год: Геосинхронный космический лифт Юрия Арцутанова

Те, кто предлагал когда-либо свою концепцию космического лифта, сходятся на том, что этот проект может быть реализован только усилиями всего человечества, а следовательно, и потребность в нем возникнет при решении глобальной общечеловеческой задачи.

Среди таких задач может быть переселение части человечества в космос с терраформированием ближайших планет. Примерно такая ситуация и описана в романе «Фонтаны рая». Однако, когда Юрий Арцутанов опубликовал свою статью «В космос — на электровозе» (1960 год) он еще не задумывался об экономических и политических аспектах подобного строительства — его заворожила сама идея.

Ленинградский инженер излагал ее так:

«Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку.

Ну а что будет, если такую «веревку» укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают <…>, что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на Землю, как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч км центробежная сила оказывается равной силе тяжести.

Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос — пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч км! Да и «груз» к ней должен быть подвешен немаленький — ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната длиной почти в 40 тысяч км! Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!

Можно уже сегодня представить себе и некоторые подробности устройства нашей «космической канатной дороги». Прежде всего она состоит не из одной нити, а из целой пряди их, идущих параллельно и соединенных между собой поперечными лямками. Это сделано для защиты от метеоров, которые легко могут перебить одиночную нить.

Во-вторых, эти нити будут иметь разную толщину в разных местах. Минимальной их толщина будет у поверхности Земли, максимальной — в той точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести: это для того, чтобы растягивающее напряжение было всюду одинаковым. В-третьих, нити не будут однородными. Вероятно, в их сеть будут вплетены металлические провода для передачи электроэнергии. Вероятно, будут и такие нити, по которым смогут двигаться космические электропоезда…»

Принцип действия космического лифта – если схема налажена, грузы в космос и из космоса можно доставлять не тратя ни грамма топлива – обо всем позаботится инерция

Изложив идею, Юрий Арцутанов дает волю воображению, представляя себе, как будет выглядеть процесс подъема полезного груза с земной поверхности на высоту в 60 000 км:

«…Спокойно, не спеша и не суетясь, займут пассажиры места в герметичных вагонах такого поезда. Ведь это не космическая ракета, взлет которой рассчитывается до долей секунды. Электровоз даст последний гудок, медленно наберет скорость и помчится в переплетении ажурных нитей вертикально вверх. <…>

Нет, не металлическими лапами переступает он по ступеням лестницы и не зубцами шестерен цепляется за выступы реек! Его движет бегущее электромагнитное поле. Он подобен снаряду электропушки — орудия, о котором в свое время много говорили, но из которого никогда не стреляли. <…>

Недалеко от канатной дороги расположены гелиоэлектростанции — гигантские зеркала, сделанные из тончайшей фольги, улавливают потоки солнечных лучей и преобразуют их энергию в электрический ток. Он-то и питает соленоид канатной дороги. <…>

Скорость — она нарастает медленно, почти незаметно — достигает гигантской величины: нескольких км в секунду. И через несколько часов после плавного торможения новая остановка — в точке равновесия центробежной силы и силы тяжести.

Дальше электропоезд может не затрачивать на движение по канату никакой энергии — его будет отбрасывать от Земли центробежная сила. И двигатель может работать, как генератор, отбрасывая энергию вниз.

Еще несколько часов пути — и электропоезд достигает крайнего пункта космической дороги. Позади, в 60 тысячах км, наша родная Земля. А здесь расположен целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет. <…>

Отправляющиеся со здешнего космодрома ракеты совсем не похожи на те, что, грохоча взрывами, взлетают с Земли. Ведь здесь они уже имеют космическую скорость, вместе с космодромом вращаясь вокруг Земли. Здесь нет тяготения, которое заставляет делать земные ракеты массивными и прочными. Здесь не нужны сверхмощные двигатели. Космические ракеты плавно покидают причальные сооружения и подходят к ним, похожие в своей неспешной неповоротливости на океанские суда…»

Даже приблизительно не пытаясь оценить затраты на постройку подобного циклопического сооружения, Арцутанов в своей статье дает наметки будущей программы строительства.

Сначала необходимо «забросить» на геостационарную орбиту искусственный спутник, на котором будет находиться первая нить — в минимальном сечении «тоньше человеческого волоса», но весом около тысячи тонн. С этого спутника надо будет спускать сразу два конца этой нити: один — на Землю, другой — в космическое пространство.

Когда первая нить будет закреплена на Земле, используя ее как опору, можно пустить по ней автоматического «паука» — некое гипотетическое устройство, которое потянет за собой вторую параллельную нить, затем третью, четвертую и так далее.

Юрий Арцутанов указывает, что подобные «канатные дороги» можно создать и на других планетах и спутниках. Например, разместив в точке равновесия между силами притяжения Луны и Земли (57 000 км от поверхности Луны) соответствующий искусственный спутник и опустив с него нить «канатной дороги», можно получить лунный лифт. А построив две дороги, можно будет осуществлять «переезд» по маршруту Земля—Луна почти без затрат топлива.

(Источник: А.И.Первушин «Битва за звезды: Космическое противостояние»)

4. 1969 год: Башня Георгия Покровского

Георгий Иосифович Покровский стал автором первого опубликованного в мировой литературе реального инженерного проекта космического сооружения на Земле — пневматической башни-аэростата высотой 160 км.

В статье «Лифт в космос», опубликованной в «ТМ» № 4 за 1969 год, Покровский предложил соорудить башню, которая из условий прочности и устойчивости должна была иметь рупоровидную форму с диаметром у Земли 100 км и в космосе 390 м.

Верхняя площадка башни, выполненной на полимерного материала и заполненной водородом, могла бы нести нагрузку в 260 тыс. т. Основным назначением такой башни Покровский считал установку астрономических в астрофизических приборов за пределами атмосферы.

В заключение он писал: «Если башню заполнить гелием, то в ней могли бы на большую высоту подниматься аэростаты, заполненные водородом. Это могло бы заменить различные виды лифтов».

К сожалению, проект профессора Г.И.Покровского не вызвал тогда заметного резонанса. Он был настолько необычным, что читатели, видимо, восприняли его просто как фантазию…

(Источник: Ю.Бирюков «Мы построим лестницу до звезд…»)

Космический лифт ведущий с поверхности Земли к космической станции-противовесу. Лифт «бесплатно» поднимает грузы и топливо, а космические корабли собираются прямо на орбите.

Небольшой постскриптум

В теории “Космического лифта” есть одно слабое звено – человечество пока не располагает таким материалом, чтобы создать трос подходящий для использования в проекте. Подсчитано, что такой трос должен иметь прочность примерно равную 120 гигапаскалям, в то время как прочность лучших видов стали примерно равна… 5 гигапаскалям. И это без учета того, что сталь тяжелая!

Но не все так плохо – прочность кварцевого волокна равна 20 ГПа, прочность углеродистого волокна доходит до 52 Гпа, и, говорят, что в некоторых лабораториях удалось довести её даже до 90 ГПа (правда сами трубки при этом пока очень короткие и свить из них даже шнурок для ботинка – и то не удастся).

Учитывая, что Юрию Арцутанову, когда он опубликовал в 1960 году свой проект Космического лифта в “Комсомольской правде”, промышленность не могла предложить даже этого, мы можем, что называется “смотреть в будущее с оптимизмом”, глядишь – и ещё лет через 20-30 о идее Космического лифта действительно заговорят всерьез.

Почему идея не окажется выброшенной на свалку? Давайте перейдем на язык цифр: цена доставки на орбиту Земли груза с помощью ракеты составляет 25 000 – 40 000 долларов за 1 килограмм. Тот же килограмм груза доставляемый на орбиту космическим лифтом, будет стоить 5-25 долларов.

Использованы фрагменты текста с сайта http://spacelift.gondor.ru