3. участие города шадринска в развитии космических технологий

Вид материала

Документы

Содержание 3. Участие города шадринска в развитии космических 5. Список литературы С.п. королев) Актуальность темы. Цель работы Практическая значимость 2. Космические технологии дня сегодняшнего 2.2 Классификация современных ракет-носителей и возможность их I.     Поверхность Земли – орбита Земли IV. Поверхность планеты – орбита планеты Мтопл /  Мкон А.    Космический аппарат с реактивным химическим двигателем на высококипящем топливе Б.     Космический аппарат с реактивным химическим двигателем с кислородным окислителем В.     Космический аппарат с реактивным химическим двигателем на водородно-кислородном топливе Г. Космический аппарат с ядерным водородным двигателем Д.    Космический аппарат с ионным двигателем Е.Космический аппарат с солнечным термическим двигателем Ж Космический аппарат с солнечным парусом Большой марсианский корабль Космический паром ... Полное содержание

Подобный материал:

• Утверждаю руководитель Комитета по физической культуре, спорту и туризму Администрации, 66.65kb.
• Курсивом выделены основные моменты, которые желательно отразить в докладе, 172.09kb.
• Ю. М. Урличич, к т. н., генеральный директор фгуп «рнии кп» Н. С. Данилин, 73.66kb.
• Реферат спуск и посадка космических аппаратов (КА), 175.67kb.
• Доклад директора Института космических исследований Спивака, 71.47kb.
• Методика проведения урока "Солнечные и лунные затмения" Цель урока: формирование понятий, 137.39kb.
• du ua, 94.07kb.
• Малое и среднее предпринимательство города новосибирска, 145.96kb.
• Итоговой оценочный доклад Роль офисных технологий в развитии ключевых базовых компетенций, 300.05kb.
• Ухабы на космических трассах: гравитационные «линзы» вместо «черных дыр», 514.38kb.

МОУ «Гимназия №9»


Проект по технологии


Межпланетная космическая станция


Ученик 11 класса

Шергин Сергей

Учитель технологии

Колесников И.А.


Шадринск, 2009


ОГЛАВЛЕНИЕ


1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………...2

2. КОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДНЯ СЕГОДНЯШНЕГО …………………..3

2.1 История зарождения и развития первых пилотируемых

космических станций…………….…………………………………………… .3

2.2 Классификация современных ракет-носителей и возможность

их использования для межпланетных пилотируемых полетов………….…...5

2.3 Требования конструкции и дизайна для межпланетных

пилотируемых станций ближайшего будущего…………………….…………12

3. УЧАСТИЕ ГОРОДА ШАДРИНСКА В РАЗВИТИИ КОСМИЧЕСКИХ

ТЕХНОЛОГИЙ..................................................................................................................14

3.1 Сопричастность промышленных предприятий нашего города

к осуществлению пилотируемых космических полетов….…………………...14

3.2 Проектирование макетов в моей практической деятельности…………….…15

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………..………….………………………..……19

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………….…………….……20

6. ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………………21-38


«Одной из самых увлекательнейших проблем, волнующих на протяжении веков умы человечества, является проблема полета к другим планетам и дальним мирам Вселенной. Сначала к наиболее близкому к Земле небесному телу – вечному спутнику нашей планеты Луне… затем к ближайшим к Земле планетам Солнечной системы – опаленному Меркурию, окутанной плотной облачностью Венере, загадочному Марсу, далекому Юпитеру и остальным четырем естественным планетам… А далее – гигантские солнца и миры других галактик…»

(С.П. КОРОЛЕВ)


ВВЕДЕНИЕ


За всю историю человечества не было более дерзновенной мечты, чем мечта о полете в небо. Заветное стремление послать в небес­ную высь нечто материальное, со­творенное руками человека, прошло длительную эволюцию от прими­тивной стрелы до шара, наполнен­ного легким газом, от неуклюжей «этажерки» до скоростного самоле­та, от ракеты и искусственного спут­ника Земли до многоместного кос­мического корабля и долговремен­ной орбитальной станции. Проникновение человека в космос – естественный и логический шаг, и мы вправе гордиться, что именно наша страна была у истоков открытия космической эры.

Актуальность темы. Сегодня правительство РФ обеспокоено тем фактом, что известны случаи, когда Россия стала терять свои ракетно-космические технологии, хотя с этой отраслью связаны и оборона, и безопасность нашей страны, а так же связь и новые технологии. Так еще 6 июля 2006 года премьер министр Михаил Фрадков сообщил: «В соответствие с требованиями президента Владимира Путина необходимо построить новую стратегию развития космической отрасли России, в основе которой должно лежать понимание того, что мы являемся основоположниками, лидерами и наиболее конкурентоспособной страной в космической отрасли… Россия может успешно конкурировать в сфере ракетно-космических технологий на внешних рынках».

Цель работы: Исследовать проблему осуществления межпланетных пилотируемых полетов и выполнить учебный проект межпланетной космической станции по собственным разработкам, представив наиболее комфортный модуль станции (приложение 1), учитывая пожелания отечественных первопроходцев космоса.

Задачи работы:

1. Исследовать информацию о пилотируемых космических станциях

ближайшего будущего.

2. Изучить первые шаги отечественной космонавтики в данной области.

3. Спроектировать оптимальный вариант проектирования модуля

пилотируемой космической станции будущего.

4. Выявить сопричастность предприятий нашего города к осуществлению

космических программ.

5. Восполнить пробел в личной проектной деятельности

моделированием нового для меня вида космической техники.

Данное исследование позволит: осветить теоретические вопросы, выявить проблемные моменты, сделать прогноз по их устранению и применить на практике методы исследовательской творческой деятельности, а так же сопоставив личный опыт с проектированием производственным, наметить планы на будущее.

Практическая значимость:

1. Расширить кругозор в области мировых космических технологий.

2. Выявить структуру исследования и результат применения метода

проектов в процессе обучения и подвести итог.

3. Применить объект труда в качестве учебного экспоната.

2. КОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДНЯ СЕГОДНЯШНЕГО


2.1 История зарождения и развития первых пилотируемых космических

станций

Еще вчера на вопрос «Человек или автомат» не было однозначного ответа. Одни ученые утверждали, что человек в дальнем космическом полете является излишней роскошью, что автоматические системы в целом ряде случаев эффективнее и надежнее. Другие, наоборот, дву­мя руками голосовали за челове­ка. Между тем правы, оказались и те и дру­гие. Никто не найдет аргумен­тов, опровергающих исключитель­ное значение спутников-автома­тов и автоматических межпланет­ных станций. Их вклад в космонав­тику неоценим. Они были, есть и будут важным инструментом по­знания окружающего мира. Залог тому наши «Лунники» и «Метео­ры», «Венеры» и «Марсы», «Космосы» и «Зонды», «Электроны» и «Протоны», «Радуги», «Молнии», «Прогрессы». В то же время познание окру­жающего мира — это творчество. Могут ли автоматы полностью за­менить пилота-исследователя? Ко­нечно, нет. Ведь освоение Все­ленной осуществляется не для машин, а для чело­века. Это, естественно, не исключа­ет наличия автоматических уст­ройств на борту космического лета­тельного аппарата. Более того, год от года таких устройств будет больше, да и «уметь» они будут больше. И все-таки космическая техника не станет от этого менее «человеческой». Человек и авто­мат не конкурируют друг с дру­гом. И в звездном полете могут быть непредвиденные ситуации, когда автомат может «запутаться», а человек найдет выход. Машина, какой бы совершенной она ни была, действует на основе данных, собранных и заданных ей человеком.

По этому, неслучайно, работы по созданию пилотируемых космических систем (приложение 2), начались практически одновременно с запуском «Первого искусственного спутника Земли», правда, первоначально вместо человека, в герметичные отсеки космических аппаратов помещали собак. Так 3 ноября 1957 года в космос стартовала собака Лайка; 19 августа 1960 года в космос отправились собаки Белка и Стрелка; 1 декабря 1960года - собаки Пчелка и Мушка; 9 и 25 марта 1961года космос посетили Чернушка и Звездочка и др. Космический полет Юрия Алексеевича Гагарина открыл космические врата и для человека, и с 12 апреля 1961 года началась эра пилотируемых космических станций. Но первые космические корабли «Восток» и Восход» выполняли ограниченный круг научно-технических задач, в связи с чем, С.П.Королевым были выдвинуты предложения по созданию средств, для орбитальной сборки, которые нашли свое воплощение в космических кораблях «Союз», снабженными системами сближения, стыковки, дистанционного управления, и системой микродвигателей причаливания и ориентации. Так первая автоматическая стыковка была осуществлена 30 сентября 1967 года беспилотными кораблями-спутниками «Космос-186» и «Космос-187» А первая стыковка пилотируемых космических кораблей была выполнена 16 января 1969 года в ходе полета кораблей «Союз-4» и «Союз-5» с космонавтами В.А.Шаталовым, Б.Б. Волыновым, А.С. Елисеевым, Е.В. Хруновым. Так была создана первая экспериментальная космическая станция, которая существовала 4 часа 34 минуты, затем корабли расстыковались и продолжали раздельный полет. Дальнейшее развитие пилотируемой орбитальной космонавтики продолжилось в ноябре 1969 года, когда стартовали «Союзы-6,7,8» с космонавтами Г.С. Шониным, В.Н. Кубасовым, А.В. Филипченко, А.С. Елисеевым, В.Н. Волковым, В.В. Горбатко и В.А. Шаталовым. В результате эксперимента, проходившего в течение 7 суток, отрабатывалось взаимное маневрирование, управление кораблями в автоматическом, ручном режимах, а так же их взаимодействие с наземными командно-измерительными пунктами.

Первой в истории долговременной орбитальной станцией стала станция «Салют» с космонавтами В.А. Шаталовым, А.С. Елисеевым, Н.Н. Рукавишниковым. 30 июня, того же года к станции пристыковался корабль «Союз-11» с космонавтами Г.Т. Добровольским, В.Н. Волковым, В.И. Пацаевым. Совершив стыковку, космонавты по внутреннему люку-лазу перешли из корабля в по­мещение станции. Так начала функционировать первая пилотируемая научная орбитальная станция. Пилотируемая космическая система «Салют-Союз» представляет собой комплекс, состоящий из собственно орбитальной станции и космического корабля типа «Союз». Их общий объем составляет около 100 м³, длина свыше 20 м., а вес более 20 т. Такие «солидные» размеры космического комплекса позволили разместить на нем многочислен­ную научную аппаратуру, создать комфортабельные условия для работы и отдыха космонавтов. Первая и единственная вахта станции продолжалась 24 дня. За первым «Салютом» последовали второй, третий и т.д. В течение 10 лет в космосе отработало целое семейство орбитальных станций. Самой крупной из них был «Салют-6». Его общая длина составляла 20 м., объем – 100 м³, масса – 18,9 т. На станции размещалось много аппаратуры, в том числе крупногабаритный телескоп «Орион» и гамма-телескоп «Анна-111»

20 февраля 1986 года на орбиту была выведена орбитальная станция «Мир». Ее общая длина составляла 33 м. и масса 140 т. Станция состояла из базового блока (подобного станции серии «Салют»), где располагались центральный пост управления, средства связи, индивидуальные каюты, кают-компания с рабочим столом, беговая дорожка, велоэргометр. В 1987 году к базовому блоку был пристыкован модуль «Квант», который служил рабочим портом для приема транспортных кораблей. В декабре 1989 года был добавлен модуль «Квант-2», где располагалось оборудование, необходимое для работы систем жизнеобеспечения станции и создания дополнительного комфорта. В 1990 году к станции пристыковался модуль «Кристалл» с научным оборудованием для исследования технологии получения новых материалов в условиях невесомости. В 1995 году – модуль «Спектр», позволяющий вести постоянные наблюдения за состоянием атмосферы, океана и земной поверхности, а так же проводить медико-биологические исследования. Для осуществления стыковок с американскими космическими челноками станция была оборудована стыковочным отсеком в 1995 году. В 1996 году к ней был присоединен блок «Природа» с оборудованием для изучения за поведением человека в условиях длительной невесомости.

На «Мире» космонавты жили подолгу. Здесь они проводили на­учные эксперименты и наблюдения в реальных условиях космического про­странства, испытывали технические устройства. За время существования станции было установлено множество мировых рекордов, среди которых - 78 выходов в открытый космос. Так, Анатолий Соловьев, выходил за пределы станции — 16 раз, а общее вре­мя, проведенное им в открытом космосе, составило 78 часов!

«Мир» — уникальная орбитальная станция. Многие из космонавтов просто влюбились в нее. Летчик-космонавт Анатолий Соловьев, 5 раз, летавший на «Мир», прибыв на станцию, ловил себя на мысли: «Мои руки сами начинали совершать привычные действия. Это подсознательная память тела, «Мир» вжился в подкорку. Отговарива­ла ли меня жена от полетов? Никогда. Сейчас могу признаться, что повод для ревности был: «Мир» забыть невозможно, как первую женщину. Стану стариком, но станцию не забуду».

Идея создания международной космической станции возникла в начале 1990-х годов. Проект стал международным, когда к США присоединились Канада, Япония и Европейское космическое агентство. В декабре 1993 года США совместно с другими странами, участвующими в создании космичес­кой станции «Альфа», предложили России стать партнером данного проек­та. Российское правительство приняло предложение, после чего некоторые эксперты стали называть проект «Ральфа», то есть «Русская Альфа», — вспо­минает представитель НАСА по связям с общественностью Эллен Клайн.

По прикидкам экспертов, строительство «Альфа-Р» могло быть завер­шено к 2002 году и обойдется примерно в 17,5 миллиардов долларов.

Финансы, точнее их недостаток, заставили НАСА искать парт­неров. Первоначальный проект назывался «Свобода», он был весьма грандиозен. Предполагалось, что на станции можно будет ремонтировать спутники и целые космические корабли, изучать функционирование чело­веческого организма при длительном пребывании в невесомости, вести аст­рономические исследования и даже наладить производство.

Привлекли американцев и уникальные методики, на которые были по­ложены миллионы рублей и годы работы советских ученых и инженеров. Поработав в одной «упряжке» с россиянами, они получили и достаточно полные представления о российских методиках, технологиях и т.д., касаю­щихся долговременных орбитальных станций. Трудно оценить, сколько миллиардов долларов они стоят.

Американцы изготовляют для станции научную лабораторию, жилой модуль, стыковочные блоки «Ноуд-1» и «Ноуд-2». Российская сторона раз­рабатывает и поставляет функционально-грузовой блок, универсальный стыковочный модуль, транспортные корабли снабжения, служебный мо­дуль и ракету-носитель «Протон».

Участники Евро­пейского космическо­го агентства разраба­тывают лабораторию «Колумбус» и автома­тический транспорт­ный корабль под ра­кету-носитель «Ариан-5». Канада поставляет мобильную систему обслуживания, Япо­ния — эксперимен­тальный модуль.

Общий внутренний объем станции после сборки ее на орбите составит 1217 квадратных метров, масса — 377 тонн, из которых 140 тонн — рос­сийские компоненты, 37 тонн — американские. Расчетное время работы международной станции — 15 лет.

Отвечая на этот вопрос назначения космоса для человека или автоматических систем, академик Е. К. Федоров образно сказал так: - «Город считался взятым во вре­мя войны, когда в него входила пе­хота. Космос освоен, когда в нем живет и действует человек», а

С. П. Королев, после полета Юрия Гагари­на написал: «Отныне ученому доступны не только сухие цифры и записи при­боров, фото- и телеметрические пленки, показания датчиков. Нет, ему сейчас доступно свое, живое восприятие событий, чувство пере­житого и виденного, ему предостав­ляется увлекательнейшая возмож­ность вести исследования так, как он этого пожелает, тут же анализировать полученные результаты и продвигаться дальше».


2.2 Классификация современных ракет-носителей и возможность их

использования для межпланетных пилотируемых полетов

Одной из глобальнейших задач межпланетных космических полетов является сохранение нашей цивилизации на случай   глобальных катаклизмов на Земле, способных уничтожить все человечество. К таким катаклизмам можно отнести и возможность всемирной ядерной войны, и наступление нового ледникового периода, и столкновение Земли с крупными астероидами, и многое другое. В качестве одного из примеров может послужить тот факт, что астероид, упавший на Землю  65 миллионов лет тому назад, привел к гибели 90%  тогдашнего живого мира на нашей планете и то обстоятельство, что на будущее, нет гарантии в том, что подобная ситуация больше не повториться. К тому же ресурсы нашей планеты далеко не безграничны и будущим поколениям Землян волей-неволей придется столкнуться с проблемой организации космических поселений с целью создания космических систем дальнего действия, получения энергии, добычи ресурсов или переселения на другие планеты.

Проанализировав возможные на сегодняшний день варианты размещения космического поселения, ученые пришли к выводу, что единственно пригодным местом для создания внеземного космического поселения необходимой численности является Марс. Размещение поселений на орбите Земли и на Луне неприемлемо не только по причине отсутствия там воздуха и воды, но, прежде всего из-за полного отсутствия силы тяжести, а длительное пребывание человека в таких условиях, крайне негативно скажется на человеческом организме. Планы марсианских экспедиций будоражат человеческое сознание уже почти сто лет и, в первую очередь, со стороны фантастической литературы. В начале двадцать первого века в США и в России на самом высоком уровне были озвучены намерения организации пилотируемой марсианской экспедиции, и даже зазвучали конкретные сроки высадки человека на поверхность Марса, однако, пилотируемый полет по сей день остается лишь фантастическим проектом. Очень интересные и облагонадеживающие данные по освоению Марса разработаны китайскими специалистами, которые считают, что организация марсианской пилотируемой экспедиции вполне реальна. На основании их данных представлены следующие ее этапы:

I.     Поверхность Земли – орбита Земли;

II.   Орбита Земли - орбита планеты (например Марса);

III. Орбита планеты – поверхность планеты;

IV. Поверхность планеты – орбита планеты;

V.   Орбита планеты – орбита Земли;

VI. Орбита Земли – поверхность Земли;

Говорить сколько-нибудь серьезно о возможности подобной экспедиции можно лишь тогда, когда известные на сегодняшний день технические решения позволяют безопасно осуществлять транспортировку экипажа экспедиции на всех этих этапах. Рассмотрим их:

I.    «Поверхность Земли - орбита Земли» . Для осуществления этой программы необходима ракетно-космическая система, способная выводить на орбиту Земли грузы массой не менее 100 т., по этому проведем анализ существующих сегодня и реально применяющихся на практике ракетно-космических систем - (приложение 3,4): 1. Ракетно-космическая система «Союз» имеет чрезвычайно удачную компоновку. Топливные баки первой ступени расположены параллельно топливному баку второй ступени, поэтому при старте реактивные двигатели первой и второй ступени запускаются одновременно. Это позволяет создавать большую тягу на старте. Для повышения экономичности системы желательно как можно больше топлива сжигать на начальном этапе разгона ракеты и такая компоновка в максимальной степени отвечает этому требованию. Компоновка, предложенная выдающимся конструктором С.П. Королевым, оказалась  настолько эффективной, что и в настоящее время остается основным российским средством доставки на орбиту космических аппаратов. Необходимо отметить, что ракета-носитель Королева является также и самым дешевым средством вывода грузов на орбиту. Однако масса выводимого на орбиту этой ракетой-носителем груза не превышает 10 т., что крайне недостаточно для экспедиции. (приложение 3 - А, 4 - А) 2. Американская ракета-носитель «Сатурн-5», использовалась для запуска космических кораблей «Аполлон» способна выводить на околоземную орбиту груз массой 130 т. Однако эта система является чрезвычайно дорогой и вывод с помощью «Сатурн-5» на орбиту нескольких тысяч тонн груза является непосильной задачей (приложение 3 - Б). 3. Российская ракета-носитель «Энергия», так же не подходит, так как по своим техническим и стоимостным параметрам аналогична ракетно-космической системе «Сатурн-5» (приложение 3-В). 4. Ракетно-космическая система «Спейс-Шаттл» (ее аналог «Энергия-Буран»), была задумана в первую очередь для удешевления космических полетов. Предполагалось, что стоимость вывода единицы массы на орбиту с помощью многоразового космического корабля будет в несколько раз ниже, чем для обычных ракет-носителей.  На практике все оказалось совсем не так. Сейчас уже можно сказать, что программа «Спейс-Шаттл» окончилась провалом. Космические челноки оказались не только очень дорогим, но и крайне ненадежным и опасным орбитальным транспортным средством. Из пяти космических челноков два погибли в катастрофах – потери в 40% являются неприемлемыми для любой транспортной системы. В качестве основных технологических недостатков ракетно-космической системы «Спейс-Шаттл» отмечены следующие: 1. Боковое расположение космического челнока при старте, что увеличивает аэродинамическое сопротивление ракетно-космической системы при старте, усложняет и утяжеляет конструкцию бака, вынужденного нести нагрузку от орбитального самолета, и в результате приводит к дополнительному расходу топлива и уменьшению полезной нагрузки. 2.  «Самолетный» принцип посадки челнока на аэродром, предполагающий крылья, хвостовое оперение, стабилизатор шасси и т.д. Наличие этих элементов значительно уменьшает величину полезной массы, выводимой на орбиту, приводит к удорожанию стоимости  полета и снижает надежность работы всей системы в течение всего времени полета. Сегодня, вызывает удивление, тот факт, как могли американские инженеры, несомненно, специалисты высшего класса, так прямолинейно и без всякой фантазии подойти к такому ответственному делу, как конструирование многоразовой ракетно-космической системы? Неужели не рассматривались другие варианты компоновки и конструкции системы? А если рассматривались, то почему выбрали далеко не лучший вариант? (приложение 3-Г, 4-Б). 5. Китайская ракетно-космическая система «Ци Шихуан», спроектированная китайскими инженерами потрясает своей красотой, рациональностью и намного превосходит по своему техническому уровню все созданные до нее ракетно-космические системы. Свое название она получила по имени первого императора Китая, при правлении которого Китай стал великой империей. Она задумана как многоцелевая. Ее грузовой отсек может быть переоборудован для проживания экипажа и проведения научных и технологических работ. В этом случае модуль можно использовать как долговременную орбитальную станцию. В грузовом отсеке достаточно места для размещения необходимого количества топлива для полета по маршруту «Орбита Земли - орбита Луны – орбита Земли». На лунную орбиту может быть доставлен груз массой около 10 тонн, например  модуль для посадки на поверхность Луны или компоненты базы. Отметим основные достоинства ракетно-космической системы «Ци Шихуан»: 1. Предельная рациональность компоновки. Отсутствие обтекателя, несущих плоскостей, хвостового стабилизатора. Практически  минимальное отношения объема многоразового аппарата к площади его поверхности, следовательно, меньший объем теплоизоляции, защищающий аппарат от перегрева при аэродинамическом торможении в атмосфере. 2. Многоразовый модуль ракетно-космической системы «Ци Шихуан» - единственный из всех орбитальных аппаратов, который при взлете и посадке находится в одном положении относительно горизонтальной плоскости. Иными словами, экипаж и грузы не находятся при старте в положении «вверх ногами». 3. Отсутствие нагрузки на топливный бак со стороны многоразового аппарата. Это обстоятельство позволяет облегчить и удешевить конструкцию топливного бака ракетно-космической системы и увеличить массу выводимого на орбиту груза. 4. Многофункциональность системы. Как уже говорилось, с помощью многоразовой ракетно-космической системы «Ци Шихуан» возможна организация лунной экспедиции и создание долговременных орбитальных станций. Достоинства ракетно-космической системы «Ци Шихуан» этим перечнем не исчерпываются. Потенциальные возможности компоновки и конструкции системы настолько велики, что,  без сомнения, в ближайшем будущем остальные космические державы так же перейдут на ракетно-космические системы, своими основными чертами ее копирующие. (приложение 3 – Д,Е, 4-В)


II.      «Орбита Земли – орбита планеты (например Марса) - орбита Земли» «Характеристическая скорость космического перелета – это скорость, которую приобрел бы космический реактивный аппарат в том случае, если бы запас топлива, необходимый для данного перелета, был израсходован для разгона космического реактивного аппарата в безвоздушном пространстве вдали от гравитационных полей небесных тел» (приложение 5). Основной формулой космонавтики является «формула Циолковского»:

Мтопл /  Мкон =  eхр (Vкон /Vрс) – 1 

Мтопл – масса топлива в начале полета;

Мкон – масса космического аппарата в конце полета;

Vрс – скорость истечения струи из реактивного двигателя;

Vкон – скорость космического аппарата в конце полета.

Имея представление о характеристической скорости и формуле Циолковского, можно понять основные требования, предъявляемые к космическим аппаратам, предназначенным для межпланетных космических перелетов и определить принципиальную возможность того или иного перелета. В разработках российских и американских ученых имеются варианты межпланетных космических полетов с помощью следующих реактивных двигателей.

А.    Космический аппарат с реактивным химическим двигателем на высококипящем топливе (приложение 6-А). Высококипящим топливом называется ракетное топливо, в котором горючее и окислитель представляют собой вещества, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре, то есть при температуре около 20ºС (РД-216). Именно на таком виде топлива уже произведены перелеты автоматических космических аппаратов с орбиты земли на орбиты Луны, Марса, Венеры и к другим объектам Солнечной системы. Скорость истечения реактивной струи при сгорании высококипящего топлива достигает 3.0 км/сек. Для перелета по маршруту «Орбита Земли – орбита Марса» характеристическая скорость равна 5.8 км/сек.

По формуле Циолковского отношение массы топлива к массе космического аппарата в конце перелета составит Мтопл / Мкон = eхр(5.8/3.0) – 1 = 5.9.  Из опыта создания ракетно-космических систем известно, что максимальная величина отношения массы топлива к массе конструкции аппарата для криогенного и высококипящего ракетного топлива не может превышать двадцати. Величина Мтопл/Мкон = 5.9 является вполне разумной и позволяет создавать космические аппараты, способные достигнуть орбиты Марса. Однако перелет по маршруту «Орбита Земли – орбита Марса – орбита Земли», который требуется для пилотируемой экспедиции, на высококипящем топливе уже невозможен. При характеристической скорости такого перелета  Vхар = 11.8 км/сек. Следовательно:   Мтопл / Мкон = eхр(11.6/3.0) – 1 = 47. 

Такая величина явно выходит за пределы разумного и позволяет однозначно отказаться от конструирования реактивных космических аппаратов на высококипящем топливе для перелета по маршруту «Орбита Земли – орбита Марса – орбита Земли». 

Б.     Космический аппарат с реактивным химическим двигателем с кислородным окислителем (приложение 6-Б). Скорость истечения реактивной струи при сгорании керосино-кислородного  топлива достигает 3.1 км/сек. При характеристической скорости перелета по маршруту «орбита Земли – орбита Марса – орбита Земли»  характеристическая скорость Vхар = 11.8 км/сек, а отношение массы топлива к массе конструкции космического реактивного аппарата: Мтопл / Мкон = eхр(11.6/3.1) – 1 = 41. Полученная величина намного выходит за пределы максимально достижимого значения (Мтопл/Мкон = 20). Кроме того, топливо с кислородным окислителем требует специальной технологии хранения. Криогенные топлива с самого начала развития космонавтики применяются в двигателях ракетоносителей для вывода космических аппаратов на орбиту Земли. В российских ракетоносителях «Союз» используется керосин в качестве горючего и кислород в качестве окислителя. Кислород находится в топливных баках в жидком состоянии. Температура, при которой кислород при атмосферном давлении переходит в жидкое состояние, составляет -190ºС. Ракета-носитель, находящаяся на стартовой площадке космодрома, подключена к криогенной системе, которая обеспечивает подачу жидкого кислорода в баки ракетоносителя. Перепад температуры между жидким кислородом и окружающей средой может превышать 200ºС. За счет притока тепла кислород испаряется и при заправленных баках необходимо постоянно стравливать образующийся газообразный кислород и добавлять в баки жидкий кислород. При нахождении ракетоносителя на космодроме на стартовой площадке на земле эти операции не представляют технической проблемы. После старта  ракеты время разгона до первой космической скорости занимает около 10 минут. За столь малый промежуток времени успевает испариться совсем немного жидкого кислорода и эта потеря кислорода за счет испарения не сказывается на работоспособности ракетно-космической системы. Продолжительность межпланетной  экспедиции может составить несколько лет и проблема хранения все это время на борту большого объема жидкого кислорода при температуре -160ºС становится технически неразрешимой. Полностью перекрыть приток тепла к жидкому кислороду невозможно, поэтому нужно либо сбрасывать образующийся газообразный кислород в космическое пространство, либо постоянно охлаждать кислород с помощью криогенной системы. Криогенных систем, способных в условиях космического пространства обеспечивать охлаждение большого объема криогенной жидкости на протяжении нескольких лет, в настоящее время нет. На пути создания таких систем существуют принципиальные трудности.

Во-первых, для работы криогенной системы необходим постоянный источник электроэнергии большой мощности.

Во-вторых, отвод тепла от жидкого кислорода возможен только в том случае, если есть возможность отвода этого тепла в космическое пространство. Отвод тепла в безвоздушном пространстве возможен только путем излучения. Интенсивность излучения тепловой энергии пропорциональна четвертой степени температуры поверхности излучения. Для обеспечения работы криогенной системы корабль должен быть оборудован излучателем площадью в  несколько сотен квадратных метров. Вся система «бак жидкого кислорода - криогенный холодильник – источник электроэнергии – излучатель» должна непрерывно и безаварийно работать в космическом пространстве на протяжении нескольких лет. Создать такую систему на современном уровне развития техники невозможно.

В.     Космический аппарат с реактивным химическим двигателем на водородно-кислородном топливе (приложение 6-В).

Скорость истечения реактивной струи при сгорании водородно-кислородного топлива достигает 4.5 км/сек. При характеристической скорости перелета  Vхар = 11.6 км/сек отношение массы топлива к массе конструкции космического реактивного аппарата: Мтопл / Мкон = eхр(11.6/4.5) – 1 = 12.2. Водородно-кислородное топливо имеет прекрасные энергетические характеристики, но проблема хранения этого топлива на борту корабля во время полета является еще более сложной, чем для керосин-кислородного топлива. Водород становиться жидким при температуре -253ºС, а кроме того водород очень текуч. При всей привлекательности этого топлива возможность использования его для длительных космических перелетов не просматривается. 

Г. Космический аппарат с ядерным водородным двигателем (приложение 6-Г).     Водород, протекая через активную зону ядерного реактора, нагревается до 2500ºС и истекает через разгонное сопло в космической пространство. Скорость истечение достигает 8 км/сек и выше. При характеристической скорости перелета Vхар = 11.6 км/сек отношение массы топлива к массе конструкции космического реактивного аппарата. 

Мтопл / Мкон = eхр(11.6/8) – 1 = 3.3. Ядерный водородный двигатель был создан и испытан в США еще в 60-е годы прошлого века (проект «NERVA»). (Схема двигателя дана в приложении 6-Д). Активная зона ядерного двигателя заполнена шарообразными тепловыделяющими элементами, состоящими из смеси графита и микроскопических частиц ядерного топлива. Мощность ядерной реакции регулируется положением управляющих стержней. Испытания двигателя прошли успешно, однако для космических полетов он не применялся. Причина та же – непреодолимые проблемы с хранением жидкого водорода на борту космического аппарата во время длительного космического перелета. 

Д.    Космический аппарат с ионным двигателем (приложение 6-Е). В ионном двигателе рабочее тело (жидкий металл) нагревается до высокой температуры, превращается в плазму (смесь электронов и положительно заряженных ионов), разгоняется в ускорителе электрическим полем и истекает через сопло. Скорость потока ионов и электронов может достигать 20 - 30 км/сек. Главной проблемой в этом случае является создание мощных и легких источников электроэнергии. Мощность источника электроэнергии должна быть порядка 1000 кВт. Солнечные батареи на фотоэлементах не могут обеспечить необходимой мощности, так как электрическая мощность, снимаемая с одного квадратного метра фотоэлектрической батареи, составляет не более 0.2 кВт/м². Ядерный реактор может развивать практически любую мощность. Но для  преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, необходима турбина  на парах жидкого металла и конденсатор-излучатель большой площади. Технических возможностей для создания подобных космических ядерных электростанций требуемой мощности в настоящее время нет, и космические полеты с помощью ионных двигателей в настоящее время остаются фантастикой.

Е.Космический аппарат с солнечным термическим двигателем  (приложение 6-Ж).

Отражатель солнечных лучей представляет собой зеркальную пленку, которая концентрирует солнечные лучи на приемник излучения. Приемник излучения нагревается и передает тепло циркулирующему через приемник газообразному рабочему телу. Рабочее тело нагревается до температуры 2500 - 3000ºС и истекает через сопло. Для водорода скорость истечения может составлять 8 км/сек и выше. Площадь отражателя должна составлять несколько тысяч квадратных метров. Для отражателя из тонкой пленки это не слишком большая величина и масса отражателя получается вполне приемлемой для космического аппарата. Главной проблемой, помимо проблемы хранения жидкого водорода, для такого космического аппарата является создание приемника излучения. Расчеты показывают, что газообразное рабочее тело не сможет обеспечить необходимый теплоотвод с приемника излучения и приемник просто расплавится под сфокусированным солнечным излучением. Можно ли разрешить эту проблему – на настоящий момент непонятно.

Ж Космический аппарат с солнечным парусом (приложение 6-З). Солнечные лучи, отражаясь от поверхности паруса, сообщают ему импульс в противоположном направлении и разгоняют аппарат. Подобные системы в принципе возможны, но их масса крайне мала, всего несколько килограммов, поэтому для пилотируемых полетов солнечный парус не пригоден. Таким образом, из всех вышеперечисленных космических аппаратов для межпланетного полета нет пригодных ни одного!   

Китайские ученые и инженеры предполагают использовать для подобных целей ядерный двигатель на водяном паре, который по их уверению является, надежен и прост. В его активной зоне водяной пар, нагревается до температуры 3000ºС. Скорость истечения водяного пара из сопла двигателя, составляет 3.1 км/сек. Это значительно меньше, чем для водородного ядерного реактивного двигателя, но вполне достаточно для перелета до близлежащих планет Солнечной системы, например по маршруту «Орбита Земли – орбита Марса – орбита Земли». Для реализации своей марсианской программы Китай предполагает использовать три типа межпланетных космических кораблей:

• Большой марсианский корабль (приложение 7-А).  Корабль рассчитан на перелет по маршруту «Орбита Земли – орбита Марса – орбита Земли». Характеристическая скорость перелета составляет 11.6 км/сек. При характеристической скорости перелета Vхар = 11.6 км/сек отношение массы топлива к массе конструкции космического реактивного аппарата: Мтопл / Мкон = eхр(11.6/3.1) – 1= 41. Вода, как рабочее тело, обладает высокой плотностью и не требует при полете сложных систем поддержания температуры и давления. Поэтому такое отношение массы топлива к массе конструкции реактивного космического аппарата, неприемлемое для криогенных топлив, в этом случае оказалось вполне технически реализуемым. (Основные характеристики «Большого марсианского космического корабля» см. в приложении 8-А). Вода, в отличие от криогенных жидкостей, не требует сложной теплоизоляции бака для своего хранения и системы охлаждения, поэтому на современном уровне развития техники создать космический реактивный аппарат с такой характеристикой вполне реально. Кроме того, плотность воды в 11 раз больше, чем, например, у жидкого водорода, поэтому бак для воды получается компактным и легким.
  
• Космический паром (приложение 7-Б). При возможности заправки водой на орбите характеристическая скорость межпланетного полета например, для маршрута «орбита Земли – орбита Марса» составляет 5.8 км/сек. В этом случае отношение массы топлива к массе конструкции составляет  Мтопл / Мкон = eхр(5.8/3.1) – 1= 5.5 (Основные характеристики космического парома в приложении 8-Б).
  
• Космический буксир  (приложение 7-В). Для доставки грузов с орбиты Земли на орбиту другой планеты предполагается использовать автоматический беспилотный космический корабль. Основные характеристики «Космического буксира» совпадают с характеристиками «Космического парома». Главное отличие заключается в количестве ядерных реактивных двигателей. Требования к надежности транспортной системы здесь не такие жесткие, как для «Космического парома», поэтому решено ограничится одним двигателем. Во время космического перелета внутри грузового отсека не требуется земная воздушная среда с атмосферным давлением,  поэтому   оболочка грузового отсека не испытывает растягивающей нагрузки и торцевая часть оболочки может быть выполнена плоской. Вода не требует сложных систем для хранения и может находиться на борту, как в жидкой фазе, так и в виде льда (рассматриваются оба варианта).
  
• Основным двигателем для всех перечисленных типов межпланетных космических кораблей будет ядерный реактивный двигатель на водяном паре (приложение 9-А). Активная зона его реактора состоит из двух частей – испарительной части и части нагрева. В испарительной (внешней части) происходит нагрев и кипение подведенной воды. Пароводяная смесь поступает в кольцевой сепаратор, где пар отделяется от воды. Вода возвращается в контур циркуляции, а пар поступает часть нагрева активной зоны. Часть нагрева активной зоны представляет собой засыпку сферических  гранул ядерного топлива диаметром 2 миллиметра. Гранулы состоят из нескольких слоев. Ядро гранулы состоит из карбида урана. Ядро покрыто  слоем пиролитического графита и слоем карбида кремния. Проходя через засыпку сферических гранул ядерного топлива, водяной пар нагревается до температуры 3000ºС и разгоняется в сопле до скорости 3.1 км/сек.
  

(Характеристики ядерного реактивного двигателя приложение 8-В). III – IV. «Орбита планеты – поверхность планеты – орбита планеты» В настоящее время современной космической техникой освоена операция по посадке  и подъему с планет, не имеющих атмосферы (планеты типа Луна). Для планет с разряженной атмосферой (планеты типа Марс) отношение массы топлива к массе конструкции составляет: Мтопл / Мкон =  89. 

Это отношение явно превышает все разумные пределы и однозначно показывает, что посадка на поверхность таких планет и возвращение на их орбиту  при помощи реактивных  двигателей невозможна. Так как у планет подобных Марсу имеется атмосфера, то имеется  возможность воспользоваться ею для аэродинамического торможения при спуске с орбиты на поверхность планеты. Таким способом американские и российские аппараты уже достигли поверхности Марса. Однако перед ними не стояла задача последующего возвращения на орбиту планеты и, следовательно, не нужен был запас топлива для этой цели, который в этом случае должен быть весьма значительным. Для высококипящего топлива (а другое здесь просто невозможно) отношение массы топлива к массе конструкции довольно значительная (Мтопл / Мкон = 9), но вполне допустимая. Однако, опыт показывает, что аппарат при аэродинамическом торможении в атмосфере подвергается воздействию высоких температур, тряске, а при контакте с поверхностью сильному удару. Защитить в таких условиях бак с топливом от деформации, а само топливо от взрыва, не представляется возможным. Тем не менее, есть сведения, что китайским специалистам удалось найти решение этой, казалось бы, неразрешимой задачи. Для спуска и подъема на поверхность планет (типа Марс) с орбиты предполагается использовать космический лифт! (приложение 9-Б). Для планеты, вращающейся вокруг своей оси, существует такая орбита, на которой угловая скорость спутника, движущейся по этой орбите в экваториальной плоскости планеты, и угловая скорость вращения планеты совпадают. Спутник зависает над планетой и относительно ее поверхности становится неподвижным. Такая орбита называется стационарной орбитой. Если с такого спутника, опустить достаточно прочный трос, то по нему можно перемещать грузы с поверхности планеты и назад. Проблема для земных условий лишь в том, чтобы найти материал достаточной прочности. Иное дело для планет типа Марс, где период обращения вокруг своей оси составляет 24 часа 37 минут, а сила притяжения в 2.65 раза меньше земной. Так высота стационарной орбиты с 39000 км, снижается, до 9000 км. Отсюда, величина предельной прочности материала, пригодного для устройства марсианского космического лифта, может быть в 10 раз меньше, чем для Земного космического лифта. Поэтому, Марсианский космический лифт, возможно, выполнить из уже существующих материалов (графитового волокна). Общая масса такого космического лифта составит 2000 тонн. Все детали его конструкции предполагается доставить на марсианскую орбиту за восемь лет тридцатью  космическими буксирами с ядерными реактивными двигателями типа «Хун Чуань». Подъемник лифта будет способен передвигаться по направляющим тросам  со средней скоростью 200 км/час и может транспортировать груз массой 50 тонн. Подачу электроэнергии для привода электродвигателей подъемника планируется подавать по армированным алюминиевым шинам от электростанций, расположенных на поверхности Марса, мощность которых должна составлять 5000 кВт. Подъем на марсианскую орбиту займет всего четверо суток,

а спуск – двое.  V-VI «Орбита планеты - орбита Земли; орбита Земли – поверхность Земли»

(приложение 9-В).

Следование космических станций в соответствии с пунктами V и VI выполняются по вышерассмотренным этапам, но в обратной последовательности.