Обитаемые космические станции

Рис. 36. Схема термоэлектронного генератора:

1 — горячий катод; 2 — холодный анод

В таком генераторе параметры тока также зависят от максимальной температуры катода. К.п.д. термоэлектронного устройства может достигать довольно больших величин. Так, при температуре, катода 1250 °C и анода 550 °C был получен к.п.д. преобразования, равный 13 %. Считается, что к.п.д., равный 30 %, далеко не предел для термоэлектронных генераторов. Удельный вес таких преобразователей оценивается в 50-100 кг/квт без защиты, но в будущем предполагается получить 10 кг/квт, что позволит успешно применить термоэлектронные установки для энергоснабжения ОКС.

Хорошие весовые данные можно получить и от солнечной энергоустановки с термоэлектронным преобразователем, а также от установки, работающей на химическом топливе.

В настоящее время в зарубежной печати появляются сообщения о разработке принципиально новых, еще более эффективных бестурбинных электросистем с высоким к.п.д., например магнитогидродинамического генератора с к. п. д. 60 % и выше при относительно небольшом удельном весе.

Кроме немашинных схем получения электроэнергия, которые основаны на преобразовании тепловой энергии, существует еще один довольно перспективный способ получения небольших мощностей тока, основанный на применении так называемого топливного элемента, который является непосредственным преобразователем химической энергии в электрическую. В этом отношении данный способ во многом напоминает действие аккумулятора. Устройство топливного элемента схематически показано на рис. 37. Через емкость, заполненную электролитом, например раствором едкого калия, проходят электроды — полые стержни из специального пористого материала, например графита.

Рис. 37. Схема топливного элемента:

1 — пористые графитовые трубки; 2 — электролит

Через внутренние полости электродов под давлением пропускаются газы — водород и кислород. Диффундируя через пористую поверхность, они вступают в контакт с электролитом. На водородном электроде в результате химической реакции освобождаются электроны, которые по внешней электрической цепи поступают на кислородный электрод. Движущиеся между электродами ионы замыкают цепь, причем образующаяся в результате химической реакции вода уходит через полый электрод вместе со струей водорода.

Топливные элементы могут дать очень высокий к.п.д. — до 80 % (теоретически до 100 %) при мощности в несколько киловатт. Удельная мощность и расходы газов через топливный элемент зависят от температуры электролита и давления газов. Расход газообразного водорода через один элемент с напряжением 0,8 в — около 1100 л/час на каждый киловатт мощности. Удельный вес топливных элементов при мощности 1 квт оценивается в 30–60 кг/квт [32].

Как видим, в качестве основных рабочих компонентов для топливного элемента (а также для рассмотренных ранее химических источников энергии) применяются водород и кислород. Транспортировать эти газы в жидком состоянии на орбиту и хранить их на борту ОКС — весьма сложная задача. Но в этом и нет необходимости. Существует целый ряд способов получения газообразных водорода и кислорода непосредственно на орбите из различных «полуфабрикатов», транспортировка и хранение которых не представляют трудностей и не требуют очень больших емкостей. Водород, например, можно получать из воды разложением ее с помощью гидрида кальция или гидрида лития, а также разложением аммиака или углеводородов с помощью катализаторов. Очень выгодно получать сразу оба компонента — и кислород, и водород. Как известно, если воду подвергать фотоэлектролизу, то она будет разлагаться, выделяя газообразный водород и кислород. Этот способ очень удобен для применения на ОКС, так как солнечных лучей, ультрафиолетовая часть спектра которых служит отличным средством электролиза, на орбите вполне достаточно. При этом запасы воды на борту ОКС практически не расходуются, так как в результате реакции в топливном элементе снова образуется вода. Чувствительность исходного продукта — воды — к ультрафиолетовым лучам Солнца может быть повышена более чем в 10 раз специальными светочувствительными добавками — сенсибилизаторами.

ЧТО ЖЕ ЛУЧШЕ?

Мы рассмотрели несколько способов получения электроэнергии, которые могут найти применение для космической станции. В табл. 4[31, 32] приведены некоторые параметры различных источников тока. Разумеется, приведенные цифры нельзя считать окончательными, так как известно еще слишком мало успешно работающих конструкций космических электростанций.

Таблица 4

Табл. 4 свидетельствует о преимуществах ядерных и солнечных тепловых установок перед остальными, особенно в отношении максимальной мощности и ресурса, что прежде всего важно для применения на ОКС.

Если недостатками ядерных систем являются потребность в защите и эксплуатационные трудности, то недостатками солнечных систем являются необходимость развертывания в космосе огромных солнечных рефлекторов, сложность их постоянной ориентации на Солнце с высокой точностью, а также неэффективность работы в неосвещенной части орбиты. Кроме того, длительное воздействие потока микрометеоров на зеркальное покрытие рефлектора приведет со временем к ухудшению свойств отражающей поверхности.

Такой показатель, как удельный вес, сам по себе еще не определяет пригодности системы для данного летательного аппарата. Зато очень важны такие показатели, как надежность и стабильность работы.

С точки зрения надежности несомненные преимущества имеют немашинные генераторы электроэнергии — у них нет вращающихся в тяжелых температурных условиях узлов, каким является турбина. Они хороши для небольших энергоустановок длительного действия. Из немашинных способов наиболее перспективен с точки зрения весовой отдачи термоэлектронный источник, но он требует более высоких температур и сложен в конструктивном отношении.

Для малых мощностей очень перспективны радиоактивные изотопы и топливные элементы.

Применение электролиза воды под действием солнечных лучей может выдвинуть топливные элементы в ряд самых перспективных источников тока для небольших ОКС.

ОТ ПРОБЛЕМ К ПРОЕКТАМ

В 1903 г. К.Э.Циолковский предложил начать непосредственное освоение космоса с создания «эфирного поселения», т. е. околоземной обитаемой станции, на орбите высотой 1000–2000 км. По существу это была первая попытка проектирования орбитального корабля.

Циолковский поставил и решил целый ряд технических задач по созданию ОКС. Большинство идей Циолковского отличается оригинальностью и смелостью решения и, несмотря на низкий уровень техники того времени, сохраняет свое значение до сих пор. Например, для регулирования температуры в помещении космического аппарата Циолковский предложил систему, состоящую из специальных жалюзи, имеющих с одной стороны хорошо отражающую блестящую поверхность, а с другой — темную, хорошо поглощающую солнечные лучи. Изменением излучающей способности теневой стенки и отражающих (поглощающих) свойств стенки, обращенной к Солнцу, можно регулировать температуру внутри герметической кабины. Циолковский предложил замкнутую систему обмена веществ, которую предполагал осуществить с помощью специальных растений, выращиваемых на космическом корабле и дающих плоды для питания. Эти растения должны поглощать углекислый газ и производить кислород. Для создания небольшой искусственной тяжести — Циолковский считал, что полная, земная, она и не нужна в космосе, — станция будет вращаться с определенной угловой скоростью. Для работы вне станции им были предусмотрены специальные скафандры с запасом сжатого кислорода. Источником энергии на орбитальном корабле, по мнению Циолковского, должно быть Солнце.

ПЕРВЫЕ ПРОЕКТЫ ОКС

С 20-х годов идеи Циолковского получили широкое распространение на Западе, особенно в Германии.

Проекты обитаемых космических станций стали появляться один за другим. Однако все они несли на себе печать фантастики, ибо никто из конструкторов не знал еще, когда и с помощью каких ракет эти станции будут доставлены на орбиту.

Герман Оберт (Германия) вслед за Циолковским, которого он считал своим вдохновителем и учителем, в своих трудах широко рассмотрел возможность создания ОКС и ее задачи. По его мнению, в основном это геофизические наблюдения, астрономия и военная разведка. В качестве средства связи с Землей Оберт предложил применить пучок солнечного света, образованный системой зеркал. Одновременно Оберт предложил создать гигантское, диаметром 100 км, космическое зеркало, надеясь с его помощью использовать тепло Солнца для смягчения климата Земли. Он же выдвинул идею использования космического орбитального корабля как межпланетной станции для дозаправки на ней космической ракеты топливом. На рис. 38 показана схема космической станции по проекту Оберта (1923 г.).

Рис. 38. Обитаемая космическая станция по проекту Оберта:

1 — жилые помещения; 2 — труба; 3 — натяжной насос; 4 — лифт; 5 — рабочий отсек; 6 — подсобные помещения; 7, 9 — телескопы; 8 — выход наружу; 10 — каркас

Проект Оберта предусматривал создание искусственной силы тяжести с помощью вращающейся конструкции. Как видно из рисунка, жилые помещения расположены на концах гигантских труб, связанных с осью натяжными тросами. Вдоль труб расположены лифты, предназначенные для перемещения членов экипажа станции из жилых помещений в рабочий отсек и обратно.

На специальных фермах размещены подсобные помещения, средства связи, специальные лаборатории и огромных размеров телескоп.

В центре рабочего отсека предусмотрен выход наружу для астронавтов.

Вокруг станции Оберт предложил построить легкий проволочный каркас с защитными средствами против метеорной опасности.

Большой интерес представляет проект Германа Нордунга (Австрия), который опубликовал книгу по межпланетным станциям (1929 г.). Относительно близкий к реальности проект Нордунга предусматривает создание для экипажа ОКС искусственной силы тяжести путем расположения жилых и вспомогательных помещений на ободе колеса диаметром 30 м, вращающегося со скоростью 8 об/мин. Кроме этого, станция включает силовую установку и обсерваторию.

В качестве источника энергии для станции Нордунг предложил использовать солнечные зеркала, нагревающие рабочую жидкость турбогенераторов в паропроводах, размещенных в фокусе зеркала. На теневой стороне колеса располагаются трубы конденсаторов для сброса избыточной тепловой энергии. Ступица, вращающаяся в обратную сторону по отношению к колесу, является воздушной камерой, т. е, входом и выходом для космонавтов.

Солнечную энергию Нордунг предложил использовать и для обогрева внутренних помещений, превратив стекла иллюминаторов в линзы и поставив снаружи около них специальные сборные зеркала.

Менее подробно Нордунг описал две другие части своей конструкции — обсерваторию и силовую установку. Первая из них должна иметь форму цилиндра и не вращаться, с тем чтобы исследования велись в реальных космических условиях, в невесомости. Силовая энергетическая установка — того же типа, что и у жилого колеса, — связана с двумя другими частями станции кабелем. Обсерватория соединяется с основной силовой установкой еще и гибким трубопроводом, по которому проходит электропроводка и подается теплый воздух для обогрева. В обсерватории также должны были находиться люди, но создание искусственной силы тяжести там;не предполагалось.

Многое в проекте Нордунга устарело, но его идея размещения основных элементов станции представляет интерес и в наши дни. Действительно, размещение, например, ядерной электростанции с относительно небольшой круговой защитой на расстоянии нескольких сот метров и даже нескольких километров от обитаемой (вращающейся) части станции дало бы большой выигрыш в весе. Можно отделить от основной станции и часть научного оборудования (например, телескопы). Энергию можно передавать по проводам (невесомым!), а связь с научным блоком осуществлять телеуправлением. Конечно, при этом потребуется специальная корректировка орбитального движения элементов станции.

СТАНЦИИ-ГИГАНТЫ

В послевоенный период в связи с бурным развитием ракетной техники вновь появились различные предложения по созданию обитаемых спутников Земли. Несмотря на то, что первые искусственные спутники-малютки еще только зарождались в недрах конструкторских бюро, в печати начали появляться проекты огромных космических станций.

Одним из первых в 1949 г. появился проект англичан Смита и Росса, отличавшийся оригинальностью конструкции и особенно гигантскими размерами энергетической гелиоустановки (рис. 39).

Рис. 39. Проект обитаемой космической станции Смита и Росса

Несколько проектов появилось в США (Эрике, Браун, Дербин). Представляет интерес своей детальной разработкой проект большой станции инженера Брауна (1953 г.). Проект отличается серьезностью подхода и тщательной продуманностью этапов запуска орбитальных ракет и сборки станции на орбите. Некоторое представление о проекте, многократно описанном в нашей печати, дает рис. 40. Кольцеобразная вращающаяся станция диаметром 75 м должна быть построена на орбите высотой 1730 км из отдельных элементов, доставляемых туда с помощью ракет (пояса радиации еще не были известны).

Рис. 40. Межпланетная станция по проекту Брауна

За исключением некоторых элементов (например, стартовый вес транспортных ракет должен быть более 6500 т), проект был основан на вполне реальных пред-посылках. Много внимания автор уделил проблеме облегчения станции. С этой целью он предложил создать искусственную тяжесть, равную лишь трети земной, а давление внутри станции сделать около 0,5 атм, но с повышенным содержанием кислорода и гелием вместо азота. Это должно, по мнению автора, существенно снизить требование к прочности конструкции, а значит, и вес станции. Источник энергии — экранированный атомный реактор, размещенный в. ступице колеса. Браун принципиально разработал специальный скафандр для перемещения и работы человека вне станции.

Уже в послевоенные годы советским ученым А.Штернфельдом была высказана интересная идея, которая должна существенно облегчить строительство больших космических станций. Штернфельд предложил собирать станцию на орбите не из специально доставляемых туда частей и элементов, а непосредственно из особым образом спроектированных последних ступеней ракет (рис. 41), используя под помещения емкости топливных баков. Позднее такую же мысль высказал Эрике, которого поддержал Браун. Последний даже переделал свой проект применительно к этой идее.

Рис. 41. ОКС, смонтированная из последних ступеней ракет (предложение А.Штернфельда)

Среди многочисленных проектов орбитальных научных лабораторий выделяется проект американского инженера Дарелла Ромика (1956 г.). Проект создания в космосе целого города с населением 20 тыс. человек (рис. 42) поражает смелостью, грандиозностью и размахом. Оставляя в стороне вопрос о целесообразности постройки в космосе лаборатории таких размеров, нельзя не отдать должного тщательной инженерной разработке проекта. Проект привлекает своей четкостью и несет в себе весьма остроумные идеи.

Рис. 42. Проект орбитальной станции Д.Ромика

Ромик плодотворно использовал также многие из идей, предложенных до него. Например, основные жилые помещения он предложил разместить в огромном вращающемся колесе с целью создания искусственной силы тяжести. Здесь же должны располагаться школы, больницы, театр, кино, спортивные площадки и магазины.

Основные научные лаборатории и вспомогательное оборудование предусматривалось разместить в невращающемся цилиндре диаметром 300 м и длиной около 1 км.

Особенно детально автор разработал процесс сборки станции, опираясь при этом на идею использования в качестве исходных элементов монтажа самих ракетных кораблей.

Полный срок строительства ОКС был рассчитан Д. Ромиком на 3,5 года, но выполнение научных работ должно было начаться значительно раньше.

Процесс строительства станции, по мысли конструктора, должен выглядеть так. Сначала третьи ступени двух ракет, достигнув расчетной орбиты, соединяются своими носовыми частями, предварительно претерпев некоторые изменения: хвостовая часть ракеты с двигателями и оперением разбирается и размещается впереди. Экипаж выходит наружу и начинает монтаж. Ракеты скрепляются тягами, тросами и шпангоутами. Топливные баки временно приспосабливаются под жилье и оборудование. К десятому дню после начала монтажа в линию последовательно соединены уже десять ракетных кораблей, причем носовые отсеки разбираются, а в качестве наружных панелей используются детали оперения.

К исходу четвертой недели вокруг основного стержня — трубы диаметром 3 м, составленной из корпусов ракет, начинают собираться и устанавливаться круглые шпангоуты диаметром 25 м. При этом вес огромных деталей не вызывает, конечно, каких-либо трудностей — в условиях невесомости перемещение их не требует почти никаких усилий, необходимо лишь точное управление.

К исходу десятой недели сборка первой секции диаметром 25 м должна быть закончена — это уже настоящая научная лаборатория. Работа в ней может начинаться. Одновременно монтируется жилое вращающееся колесо. Пока оно имеет в диаметре 160 м.

К концу двенадцатой недели должны быть собраны уже три секции диаметром 25 м каждая. Длина невращающейся части достигнет 300 м. Объем жилых помещений во вращающемся колесе значительно увеличится.

Через полгода после начала монтажа диаметр основных рабочих помещений будет доведен до 330 м, а диаметр колеса — до 500 м. К этому времени научные исследования будут проводиться уже в полном объеме. Но строительство продолжается. Через два года гигантский цилиндр достигнет своей проектной длины — более 1 км. Центральный стержень — труба — включит в себя в конечном итоге 49 ракет. На станции будут предусмотрены причалы для приема космических кораблей, которые ежедневно будут доставлять с Земли грузы и пассажиров.

Ромик дал несколько оригинальных решений по некоторым инженерным проблемам. Например, возможный дисбаланс колеса должен автоматически ликвидироваться с помощью специальных балансировочных грузов, перемещающихся внутри колеса в радиальных направлениях. Переход из вращающегося колеса в рабочие отсеки и обратно должен осуществляться с помощью движущейся по круговым рельсам специальной герметичной вагонетки.

В целом проект Ромика, конечно, не может представлять интерес даже для весьма отдаленного будущего. Едва ли предлагаемые размеры орбитальной станции будут необходимы на практике. Нетрудно себе представить, какое огромное количество вспомогательного оборудования потребуется для обеспечения такой станции. Вызывает сомнение и экономическая сторона этого проекта: снабжение космического города будет очень дорого стоить.

Нельзя, конечно, забывать о том гигантском скачке, который сделала техника со времени опубликования проекта. Тем не менее можно сделать важные замечания и по конструкции проекта. Едва ли, например, удобно размещать жилые помещения в плоском колесе такого диаметра. Очевидно, что центробежная сила, пропорциональная радиусу, будет различной в зависимости от расстояния до центра колеса. Следовательно, искусственная сила тяжести будет далеко не одинаковой для большинства обитателей этого огромного жилища.

ПРОЕКТЫ НАШИХ ДНЕЙ

Проекты ОКС в наши дни опираются на более реальный фундамент. В последние годы в зарубежной печати опубликовано несколько проектов орбитальных станций. Рассмотрим некоторые из них.

Проекты фирмы «Мартин» (США), 1960 г. Один из проектов этой фирмы представлен на рис. 43. Это летающая космическая лаборатория с экипажем из четырех — шести человек, рассчитанная на проведение геофизических, астрономических и биолого-медицинских исследований в условиях невесомости. Поэтому в конструкции станции не предусмотрено каких-либо способов создания искусственной силы тяжести. Это в свою очередь ограничивает срок работы экипажа лаборатории между сменами. Смена предусматривается раз в две — три недели. Продолжительность пребывания станции на орбите — один год. Высота орбиты станции — примерно 660 км. Конструктивно станция выполнена как цилиндр, имеющий двойные стенки. Такая конструкция вытекает из требований тепловой, противорадиационной и антиметеорной защиты. Внешний экран выполнен из бериллия, внутренняя стенка — алюминиевая. Внутри цилиндра располагаются исследовательские лаборатории: геофизическая, астрономическая, биохимическая и медицинская, а также центр управления. Специальная аппаратура поддерживает внутри кабины температуру 16–32 °C.

Рис. 43. Проект орбитальной станции жесткой конструкции фирмы «Мартин» (США):

1 — ракетный аппарат; 2 — центр управления; 3 — биохимическая лаборатория; 4 — медицинская лаборатория; 5 — астрономическая и геофизическая лаборатория; 6 — антенна; 7 — телескоп; 8 — телескопический рефлектор; 9 — космические лаборатории

В конструкции предусмотрены различные антенны, а также установлены телескоп с большим фокусным расстоянием и телескопический рефлектор. Кроме того, предусмотрены наружные камеры для проведения исследования непосредственно в космической среде (космические лаборатории).

В верхней части цилиндра располагается специальный ракетный аппарат, предназначенный для снабжения, смены экипажа и аварийного покидания, спутника.

Другой проект той же фирмы в отличие от рассмотренного, выполненного целиком из металла, имеет принципиально иное конструктивное решение. Это так называемая полужесткая конструкция — отдельные ее отсеки заполняются воздухом уже после вывода на орбиту (рис. 44). На рисунке слева показана часть станции в сложенном состоянии, представляющая собой последнюю ступень ракеты-носителя. Объем ее при этом значительно меньше, чем в рабочем положении. После вывода на орбиту надувные отсеки становятся основным рабочим помещением. Эта конструкция также снабжается ракетным аппаратом для связи с Землей. Основные данные и назначение спутника те же, что и предыдущего проекта фирмы «Мартин».

Рис. 44. Проект орбитальной станции полужесткой конструкции фирмы «Мартин»:

1 — надувная сфера; 2 — летательный аппарат; 3 — оборудование

Учитывая большие достоинства проекта полужесткой конструкции с точки зрения удобства вывода на орбиту, нельзя не сказать об его конструктивной сложности, а главное, о метеорной уязвимости.

Некоторые американские фирмы считают, что сборка космической станции на орбите является экономически более выгодной, особенно для крупного сооружения.