В декабре 2017 года президент Соединенных Штатов Дональд Трамп подписал документ о возвращении американских астронавтов к исследованию Луны и возможности полетов на нее. На этот раз американцы собираются не только оставить флаг и след на спутнике Земли, но и создадут основу для будущей миссии на Марс. Журнал ВКР проанализировал ситуацию, связанную с освоением Луны.
Леонид ГУСЕВ,
специалист по динамике космических полетов, автор монографии «Динамика перелетов между Землей и Луной», ветеран РКК «Энергия» им. С. П. Королева, кандидат технических наук
После овладения технологиями выхода в космическое пространство были реализованы успешные проекты по исследованию автоматическими космическими аппаратами Луны, Венеры, Марса и других объектов Солнечной системы, созданы долговременные обитаемые орбитальные станции вблизи Земли, получены завораживающие фотографии далеких космических миров.
Начиная с 1990 года, темпы изучения космического пространства изменились. Россия прекратила финансирование проектов создания научной базы на Луне, а США закрыли проекты «Сатурн-Аполлон» и «Спейс-шатл». На арену космических полетов стал выходить Китай.
Причины потери интереса к весомым космическим проектам разнообразны. Принцип реактивного движения, связанный с громадным расходом топлива, исчерпал свои возможности, стал экономически невыгоден и чрезвычайно затратен при возрастании полезной нагрузки. При этом надежность старта ракет-носителей мала. Так, например, по отечественной программе Л1 было запущено 12 ракетных комплектов УР-500 с кораблями 7кл1. Успешными были только четыре пуска. Неудачи происходили при отказе двигателей ракеты-носителя.
Ракета-носитель сверхтяжелого класса Н-1 (длина более 100 м и стартовая масса почти 3 тыс. тонн) предназначалась для высадки человека на Луну и стартовала четыре раза. Все четыре запуска оказались аварийными. Тем не менее, специалисты убежденно доказывали возможность доведения ракеты Н-1 до готовности к пуску с вероятностью 0,9999, но для этого нужно было иметь «королевское» упорство и время.
Убежденность в возможностях существующих ракетно-космических комплексов можно считать обоснованной, но для отработки нужны те люди, которых уже нет. Поэтому развернуть базу на Луне с использованием существующих ракетных комплексов России возможно только при наличии новых подготовленных специалистов.
На смену принципов реактивного движения со временем придут новые безрасходные двигатели. Тогда освоение космического пространства приобретет массовый характер. Но в силу многих причин противоречия в геоцивилизации сохранятся и с особенной силой могут проявиться на этапе освоения Луны.
Начиная с 02.01.1959 г. (Луна-1) и до 09.08.1976 г. (Луна-24) в Советском Союзе была осуществлена целая серия запусков автоматических космических аппаратов на Луну. В результате семнадцатилетних исследований впервые была создана полная карта поверхности Луны, изучены и реализованы траектории полетов между Землей и Луной, доставлены на Землю образцы лунного грунта, установлено тепловое излучение Луны. Появились предположения о наличии на Луне углеводородного сырья.
В настоящее время известен состав лунных пород после анализа лунного грунта, доставленного на Землю советскими и американскими автоматическими КА. Так, в грунте Луны оказалось 40%-61% окиси кремния, 10%-35% окиси алюминия. Это соответствует содержанию 21%-33% кислорода в породах с окисью кремния и 4,7%-16,7% в породах с окисью алюминия.
Лунные заводы по получению кислорода из этого сырья могли бы обеспечить окислителем местные нужды и космические транспортные грузовые и пилотируемые корабли местного и дальнего следования, обеспечивая заправку баков как на Луне, так и на селеноцентрической орбите.
При использовании в ракетных двигателях в качестве горючего кремния и кислорода как окислителя, может быть достигнут удельный импульс 280 с, а при использовании алюминия с кислородом – 290 с.
Однако не исключено наличие на Луне и углеводородного горючего. Луна не является, как ранее полагали, остывшим мертвым телом, а обладает внутренним теплом, на ней происходят лунотрясения и выделения вулканических газов, обычно совпадающие по времени с действием приливных сил. Остаточная вулканическая деятельность наблюдается в нескольких районах Луны.
Вулканическое газовыделение отмечено, например, в кратере Аристарх и долине Шретера. Истечение углеродосодержащих газов в лунных кратерах подтверждается также спектрограммами, впервые полученными советским астрономом Н. А. Козыревым.
Таким образом, одной из основных, ближайших задач космонавтики является глобальная разведка Луны и составление карты ее полезных ископаемых.
Роль Луны в развитии космонавтики трудно переоценить. Широкое использование Луны – крупный этап, который нельзя миновать в развитии космонавтики.
Следует отметить, что «доставка с территории СССР (России) на лунную поверхность груза с мягкой посадкой требует меньше энергетических затрат, чем доставка этого же груза на геостационарную орбиту». Так писал в 1981 году В. П. Глушко – выдающийся конструктор ракетных двигателей.
Учитывая стратегическое расположение Луны в лунно-земном космосе (ЛЗК) и ее не до конца исследованные минеральные богатства, создание научно-производственной базы на спутнике Земли становится крайне необходимым.
Луна движется под воздействием притяжения Земли и Солнца. В апогее расстояние Луны от Земли составляет 405,5 тыс. км и в перигее – 384,4 тыс. км. Так как вращение Луны вокруг ее оси с постоянной угловой скоростью происходит в том же направлении, в котором она обращается вокруг Земли, то обратная сторона Луны с Земли не видна.
Лунная ось вращения составляет с плоскостью эклиптики, то есть с плоскостью земной орбиты, угол 88,5 градусов, поэтому на Луне нет сезонов. Днем поверхность Луны разогревается до плюс 130 град С, а ночью температура падает до минус 170 град С. Поскольку теплопроводность лунного грунта низкая, то разогревается за лунный день лишь верхний слой толщиной 1 м. Глубже температура грунта остается почти постоянной.
Большое количество солнечной энергии и особенность лунного грунта создают жаро-криогенную среду, которую необходимо использовать в первую очередь для создания условий развития растениеводства. Непочатый объем необходимых исследований, возможно, даст новое направление в производстве продуктов питания для человека на Луне с последующей доставкой их на Землю менее, чем за трое суток.
Переработка кислородосодержащих грунтов, вулканических газосмесей и возможных углеводородных запасов недр обнадеживает создание производства кислорода и воды. На базе этих производств можно создать замкнутые бассейны искусственной атмосферы, где человек может трудиться и жить без скафандра.
Грандиозные задачи глобального исследования Луны, лунно-земного космоса и Вселенной, направленные на развитие геоцивилизации, требуют создания космической индустрии и развертывания в лунно-земном космосе целевых орбитальных группировок.
Первейшей задачей является создание обитаемой станции на орбите ИСЛ для долговременной работы космонавтов и развертывание орбитальных группировок, сопровождающих функционирование этой станции, и регулярных перелетов космических кораблей между Землей и Луной.
Современные ракеты-носители «Союз», «УР-500», «Энергия» – позволяют обеспечить грузопассажирские перевозки весом до 20 тонн с полигонов Земли на опорную круговую орбиту ИСЗ высотой 200 км при существующем наземном информационном сопровождении.
Перелеты с орбиты ИСЗ на орбиты ИСЛ могут быть выполнены ракетой- носителем «Ангара», совершившей один отладочный запуск в России в 2016 году.
Таким образом, организовать регулярную перевозку грузов и специалистов с орбиты ИСЗ на орбиту ИСЛ реально в настоящее время.
Однако задача освоения Луны предстает перед геоцивилизацией в форме контактного освоения всего лунно-земного космоса. Контактного в том смысле, что на поверхности Луны работают постоянно специалисты требуемых направлений исследования.
На орбитальной станции ИСЛ дежурят бригады инженеров-испытателей, управляющих приемом с Земли и с Луны и стартом к Земле космических аппаратов.
На целевых орбитах в пространстве ЛЗК обеспечивают текущее обслуживание целевых КА роботы и инженеры-исследователи. Обеспечением бесперебойного обслуживания КА для специалистов и роботов создаются инфраструктуры поддержки на Земле и Луне, на орбитальных станциях ИСЗ и ИСЛ, на целевых орбитах.
По результатам предварительной проработки контактного освоения ЛЗК просматриваются орбитальные группировки для решения следующих задач:
- Глобальная система связи и навигации развертывается на круговых орбитах различного наклонения с высотой от поверхности Земли около 300 тыс. км. Четыре космических аппарата обеспечивают связь и навигацию в пределах ЛЗК и в поясе Койпера.
- Система дальнего обнаружения объектов Вселенной состоит из четырех КА на круговой орбите различного наклонения на высоте от поверхности Земли около 470 тыс. км. Дальность обнаружения объектов может достигать до 100 астрономических единиц.
- Система всеволнового мониторинга Вселенной, включающая КА-телескопы и космический радиоинтерферометр, выводимые на круговые орбиты различного наклонения высотой около 500 тыс. км, пополнит науку неординарными знаниями о развитии и жизни далеких миров.
- Система всеазимутального зондирования Земли и Луны развертывается в смешанных вариантах.
- Монтажно-ремонтная группировка КА-модулей развертывается на эллиптических орбитах с высотой апогея около 450 тыс. км и высотой перигея около 70 тыс. км. Это производственные мастерские и склады для хранения расходных компонентов КА.
- Система тестирования гравитационного центра Земли, состоящая из двух КА, выведенных в точки либрации L4 и L5 притягивающих центров Земля-Луна, позволит изучить динамику процессов внутри геоида.
Системы орбитальных туристических маршрутов могут использовать освоенные целевые орбиты кругового и эллиптического типа с высотой апогея около 320 тыс. км и с минимальной высотой не менее 70 тыс. км от поверхности Земли. На этих орбитах предполагается развернуть работу учебного центра по адаптации специалистов к условиям космического пространства.
Орбитальные системы с индивидуальными космическими модулями могут разрабатываться по заказу частных лиц для длительного пребывания в орбитальном полете как вблизи Земли, так и в пределах сферы действия Луны.
Один из вариантов состава космических средств ЛЗК и схема орбитального построения представлен на рис.
Живописные восходы и закаты Луны над горизонтом Земли, восходы Солнца и виды голубой красавицы Земли, восходящей над горизонтом Луны предвосхитят воображение любого романтика. Поэтому разработка орбитальных модулей для частных лиц может быть востребованной и стать непрекращающимся источником инвестирования.
Развитие индивидуальных систем жизнеобеспечения в космосе и средств индивидуального передвижения в пространстве позволит частным предпринимателям осуществлять экспедиции в пояс Койпера с целью обретения в личную собственность объектов Вселенной, коих, по утверждению астрономов, там предостаточно.
В случае массового заселения ЛЗК экспансия космоса будет ограничиваться лишь способностями выживания человека в условиях космического пространства.
Просторы ЛЗК настолько громадны, а развертывание работ на Луне и оснащение орбитальных группировок так грандиозны, что потребуют привлечения к выполнению освоения ЛЗК всего человечества.
И лучше не повторять уже ранее сделанных ошибок и не ходить по кругу. В этом плане показателен пример закрытия работ по испытанию ракеты-носителя Н-1 сразу после четырех неудачных запусков под предлогом отсутствия финансирования. Но тут же началось проектирование с нуля многоразового ракетно-космического комплекса «Энергия» с кораблем «Буран» при полном отсутствии полезных нагрузок под этот комплекс.
Отсутствие задач для этого комплекса привело к прекращению испытаний после первого удачного полета в космос корабля «Буран». Потрачено около 2,5 млрд. руб. (в ценах середины 1980-х годов) на проект и испытания многоразового комплекса «Буран», а ракеты Н-1, «Энергия» и комплекса «Буран» нет.
Не исключено, что уже в ближайшее время кто-то первый создаст долговременную обитаемую станцию на орбите ИСЛ. Станция обеспечит сопровождение регулярных полетов между Землей и Луной и накопление на поверхности Луны грузов большой массы. Следовательно, на Луне можно сооружать все и даже то, что непозволительно на Земле. По траекториям регулярного полета можно доставлять в любой район Земли любые грузы, а на монтажно-ремонтных орбитальных группировках накапливать эти грузы и одновременно с орбит ЛЗК производить регулярное зондирование Земли. То есть владение средствами ЛЗК обеспечивает владение Землей.
Более того, в случае глобального ракетно-ядерного конфликта на Земле, уничтожающего основной цивилизационный генофонд человечества, население ЛЗК остается невредимым и будет в состоянии продолжить восполнение геоцивилизации. Таким образом, владелец ЛЗК владеет Землей и ее будущим.
С большой долей уверенности можно предполагать, что освоение Луны, ЛЗК и Вселенной при существующей культуре человечества будет сопровождаться теми или иными конфликтами.
Для примера вспомним, как происходило распределение географических долгот стояния КА на стационарной орбите между государствами – членами ООН.
Поэтому освоение Луны требует быстрых, активных, последовательных решений:
- Создание и запуск долговременной обитаемой станции (ДОС) на орбите ИСЛ с одновременным развертыванием глобальной системы дальней радиосвязи, навигации и управления средствами ЛЗК.
- Высадку экспедиции на поверхность Луны и доставку грузов для обустройства научно-производственных лабораторий и сооружений для проживания специалистов.
- Развертывание орбитальной монтажно-ремонтной группировки в виде производственных и жилых модулей с бригадой специалистов-монтажников и роботов для обслуживания космической техники.
На начальном этапе техническому персоналу требуется время для овладения приемами монтажа и ремонта в орбитальных условиях. Одновременно на монтажные орбиты выводятся грузовые модули с расходными компонентами для двигательных установок и систем ориентации, а также с продуктами длительного пользования.
Системы дальнего обнаружения объектов Вселенной и всеволнового мониторинга будут развертываться по мере готовности уникального оборудования.
Система тестирования гравитационного центра Земли предусматривает вычисление в режиме мониторинга положения гравитирующего центра Земли в инерциальной системе координат. Рассматривается два варианта построения этой системы.
Первый вариант предусматривает выведение трех КА на разнонаклонные орбиты, линии узлов которых разнесены по долготе на 120 град. Выбор формы орбиты имеет существенное значение.
Второй вариант состоит из двух КА, выводимых в точки либрации L4 и L5 и системы информационного сопровождения (наземной или лунной), оснащенной программно-математическим обеспечением измерения орбиты КА и сопряженной с программно-математическим обеспечением вычисления координат истинного положения гравитационного центра Земли в инерциальной системе.
Сопряжение системы измерения параметров движения КА в точках либрации с системой точного решения задачи движения КА в гравитационном поле Земли, Луны, Солнца и возмущения планет составляет один из предполагаемых алгоритмов решения задачи тестирования.
При достижении предельной точности измерения положение КА (L4) и КА (L5) в процессе движения в точках либрации выделяется влияние отдельно силы притяжения Луны и Солнца на изменение положения КА. Тогда находится доля влияния Земли на положение КА и, соответственно, направление вектора g(t) притяжения Земли. Проводя измерения положения КА на некотором интервале времени t, можно получить годограф вектора g (t).
Вид функции g(t) при спокойном обычном внутреннем состоянии Земли не изменяется от времени и интервала измерений. При возмущенной Земле у функции g (t) возникают флуктуации амплитуды и частоты. При известном времени t флуктуации g (t) и компонентов амплитуды g (t), g (t), g (t) позволяют вычислить географические координаты центра возмущений внутри земного геоида.
Таким образом, производя вычисление текущих значений, вектор функции g(t) в режиме мониторинга с помощью измерения положения КА (L4) и КА (L5) определяется время появления флуктуаций вектор-функции g (t) и вычисляются географические координаты возмущенной зоны геоида. Поскольку процесс возмущения магмы внутри Земли нарастает не мгновенно, то время максимального возмущения прогнозируется заранее.
При эксплуатации космической системы КА (L4) и КА (L5) могут быть рассчитаны времена прогнозирования для разной интенсивности возмущения.
Важнейшим высокотехнологичным инструментом исследования вселенной являются орбитальные группировки дальнего обнаружения объектов (в поясе Койпера и Оорта) с применением космического радиоинтерферометра и всеволнового мониторинга далеких звездных миров.
Результаты мониторинга позволят высветить важнейшие направления исследования темной энергии, темной материи и безграничной энергии межзвездного вакуума.
Через распознание этих загадочных явлений лежит путь создания звездолетов будущего как одной из обнадеживающей возможности миграции человека во Вселенной. Эти исследования составляют основную задачу заселения ЛЗК, важным принципом развития которого является поэтапное ознакомление людской массы с космосом, затем обучение жизни в космосе и далее частное, индивидуальное путешествие в пределах возможности технических средств.
Для увлечения космическими путешествиями в ЛЗК развертываются орбитальные туристические маршруты вблизи Земли, в окрестностях Луны, на орбитах с перемежающимися облетами Земли и Луны. Для этих целей разрабатываются специальные космические модули индивидуального или группового пилотирования.
Подобные модули могут изготавливаться по заказу частным лицам или группам лиц под согласованные задачи их использования: научные, лечебные, спортивные, туристические, учебные, познавательные и др. Доступная цена изготовления и посещения космоса будет способствовать быстрому заселению ЛЗК и создаст необходимость построения орбитальной космической инфраструктуры. Пребывание определенного числа человек в своих ИКМ покажет все преимущества жизни на орбите и позволит создать ИКМ с идеальным сервисом.
В заключение необходимо отметить исключительно важное для человечества значение заселения ЛЗК как необходимого этапа развития миграции во Вселенной.
Развертывание строительства научно-технической лаборатории на поверхности Луны и создание орбитальных группировок в ЛЗК должно происходить поэтапно, быстро и быть введено в эксплуатацию в необходимом предлагаемом объеме решаемых задач.
Бесконфликтное освоение ЛЗК, первого космического рубежа геоцивилизации, может быть обеспечено только при ведущем участии России, как первооткрывателя космического пути для человечества, выступающей за мирное открытое освоение Вселенной.
Контактное освоение ЛЗК исключит конфликтность, если будет соблюдаться приоритетность одной из участвующих сторон в темпах освоения и в эффективной мобильности и мощности целевых орбитальных группировок и технических средств на поверхности Луны.
Система безопасности ЛЗК и стратегия ее применения в будущем должны доминировать над интегральной мощностью и мобильностью системы безопасности Земли. С целью дублирования геоцивилизации в будущем живучесть ЛЗК должна быть выше выживаемости самой геоцивилизации.