Освоение космоса. 5

Освоение космоса

Вступление:

Во второй половине XX в. человечество ступило на порог Вселенной - вышло в космическое пространство. Дорогу в космос открыла наша Родина. Первый искусственный спутник Земли, открывший космическую эру, запущен бывшим Советским Союзом, первый космонавт мира - гражданин бывшего СССР.

Космонавтика - это громадный катализатор  современной науки и техники, ставший за невиданно короткий срок одним из главный рычагов современного мирового процесса.

В научном плане человечество стремится  найти в космосе ответ на такие  принципиальные вопросы, как строение и эволюция Вселенной, образование  Солнечной системы, происхождение  и пути развития жизни. От гипотез  о природе планет и строении космоса, люди перешли к всестороннему  и непосредственному изучению небесных тел и межпланетного пространства с помощью ракетно-космической  техники.

Ракетная техника - далеко не новое  понятие. К созданию мощных современных  ракет-носителей человек шёл через тысячелетия мечтаний, фантазий, ошибок, поисков в различных областях науки и техники, накопления опыта и знаний.

Принцип действия ракеты заключается  в её движении под действием силы отдачи, реакции потока частиц, отбрасываемых  от ракеты. В ракете. т.е. аппарате, снабжённом ракетным двигателем, истекающие газы образуются за счёт реакции окислителя и горючего, хранящихся в самой ракете. Это обстоятельство делает работу ракетного двигателя независимой от наличия или отсутствия газовой среды. Таким образом, ракета представляет из себя удивительную конструкцию, способную перемещаться в безвоздушном пространстве.

Особое место среди русских  проектов применения реактивного принципа полёта занимает проект Н. И. Кибальчича, известного русского революционера, оставившего несмотря на короткую жизнь(1853-1881), глубокий след в истории науки и техники. Имея обширные и глубокие знания по математике, физике и особенно химии, Кибальчич изготовлял самодельные снаряды и мины для народовольцев. «Проект воздухоплавательного прибора» был результатом длительной исследовательской работы Кибальчича над взрывчатыми веществами. Он, по существу, впервые предложил не ракетный двигатель, приспособленный к какому-либо существовавшему летательном аппарату, как это делали другие изобретатели, а совершенно новый(ракетодинамический) аппарат, прообраз современных пилотируемых космических средств. Летательный аппарат Кибальчича должен был функционировать по принципу ракеты.

Но т.к. Кибальчича посадили в тюрьму за покушение на Царя Александра II, то проект его летательного аппарата был обнаружен только в 1917 году в архиве департамента полиции.

Итак, к концу прошлого века идея применения для полётов реактивных приборов получила в России большие  масштабы. И первым кто решил продолжить исследования был наш великий соотечественник Константин Эдуардович Циолковский(1857-1935). Реактивным принципом движения он начал интересоваться очень рано. Уже в 1883 г. он дал описание корабля с реактивным двигателем. Уже в 1903 году Циолковский впервые в мире дал возможность конструировать схему жидкостной ракеты. Идеи Циолковского получили всеобщее признание ещё в 1920-е годы. И блестящий продолжатель его дела С. П. Королёв за месяц до запуска первого искусственного спутника Земли говорил, что идеи и труды Константина Эдуардовича будут всё больше и больше привлекать к себе внимание по мере развития ракетной техники, в чём оказался абсолютно прав!

Начало космической эры

И так через 40 лет после того как был найден проект летательного аппарата, созданный Кибальчичем, 4 октября 1957 г. бывший СССР  произвел запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Первый советский спутник позволил впервые измерить плотность верхней атмосферы, получить данные о распространении радиосигналов в ионосфере, отработать вопросы выведения на орбиту, тепловой режим и др. Спутник представлял собой алюминиевую сферу диаметром 58 см и массой 83,6 кг с четырьмя штыревыми антеннами длинной 2,4-2,9 м. В герметичном корпусе спутника размещались аппаратура и источники электропитания. 3 ноября Советский Союз сообщил о выведении на орбиту второго советского спутника. В отдельной герметической кабине находились собака Лайка и телеметрическая система для регистрации ее поведении в невесомости. Спутник был также снабжен научными приборами для исследования излучения Солнца и космических лучей.

6 декабря 1957 г. в США была  предпринята попытка запустить  спутник «Авангард-1» с помощью  ракеты-носителя, разработанной Исследовательской  лабораторией ВМФ .После зажигания ракета поднялась над пусковым столом, однако через секунду двигатели выключились и ракета упала на стол, взорвавшись от удара.

31 января 1958 г. был выведен на  орбиту спутник «Эксплорер-1»,  американский ответ на запуск советских спутников. Его полезный груз был присоединён к четвертой, последней ступени ракеты-носителя «Юнона-1». Спутник вместе с ракетой на орбите имел длину 205 см и массу 14 кг. На нем были установлены датчики наружной и внутренней температур, датчики эрозии и ударов для определения потоков микрометеоритов и счетчик Гейгера-Мюллера для регистрации проникающих космических лучей.

Важный научный результат полета спутника состоял в открытии окружающих Земля радиационных поясов. Счетчик  Гейгера-Мюллера прекратил счет, когда аппарат находился в  апогее на высоте 2530 км.

5 февраля 1958 г. в США была  предпринята вторая попытка запустить  спутник «Авангард-1», но она  также закончилась аварией, как  и первая попытка. Наконец 17 марта спутник был выведен  на орбиту. В период с декабря  1957 г. по сентябрь 1959 г. было  предпринято одиннадцать попыток  вывести на орбиту «Авангард-1»  только три из них были успешными.

Оба спутника внесли много нового в космическую науку и технику (солнечные батареи, новые данные о плотности верхний атмосферы, точное картирование островов в Тихом  океане и т.д.) 17 августа 1958 г. в США  была предпринята первая попытка  послать с мыса Канаверал в  окрестности Луны зонд с научной  аппаратурой. Она оказалась неудачной. Ракета поднялась и пролетела  всего 16 км. Первая ступень ракеты взорвалась на 77 с полета. 11 октября 1958 г. была предпринята  вторая попытка запуска лунного  зонда «Пионер-1», также оказалась  неудачной. Последующие несколько  запусков также оказались неудачными, лишь 3 марта 1959 г. «Пионер-4», массой 6,1 кг частично выполнил поставленную задачу: пролетел мимо Луны на расстоянии 60000 км (вместо планируемых 24000 км).

Так же как и при запуске спутника Земли, приоритет в запуске первого  зонда принадлежит СССР, 2 января 1959 г. был запущен первый созданный  руками человека объект, который был  выведен на траекторию, проходящую достаточно близко от Луны, на орбиту спутника Солнца. Таким образом «Луна-1»  впервые достигла второй космической  скорости. «Луна-1» имела массу 361,3 кг и пролетела мимо Луны на расстоянии 5500 км. На расстоянии 113000 км от Земли  с ракетной ступени, пристыкованной к «Луне-1», было выпущено облако паров натрия, образовавшее искусственную комету. Солнечное излучение вызвало яркое свечение паров натрия и оптические системы на Земле сфотографировали облако на фоне созвездия Водолея.

«Луна-2» запущенная 12 сентября 1959 г. совершила первый в мире полет на другое небесное тело. В 390,2-килограммовой сфере размещались приборы, показавшие, что Луна не имеет магнитного поля и радиационного пояса.

Автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» была запущена 4 октября 1959 г. Вес станции равнялся 435 кг. Основной целью запуска был облет  Луны и фотографирование ее обратной, невидимой с Земли, стороны. Фотографирование производилось 7 октября в течение 40 мин с высоты 6200 км над Луной.

Человек в космосе

12 апреля 1961 г. в 9 ч 07 мин по  московскому времени в нескольких  десятках километров севернее  поселка Тюратам в Казахстане на советском космодроме Байконур состоялся запуск межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, в носовом отсеке которой размещался пилотируемый космический корабль «Восток» с майором ВВС Юрием Алексеевичем Гагариным на борту. Запуск прошел успешно. Космический корабль был выведен на орбиту и совершил один виток вокруг Земли за 89 мин. На 108-ой мин после запуска он вернулся на Землю, приземлившись в районе деревни Смеловка Саратовской области. Таким образом, спустя 4 года после выведения первого искусственного спутника Земли Советский Союз впервые в мире осуществил полет человека в космическое пространство.

Космический корабль состоял из двух отсеков. Спускаемый аппарат, являющийся одновременно кабиной космонавта, представлял  собой сферу диаметром 2,3 м, покрытую абляционным материалом для тепловой защиты при входе в атмосферу. Управление кораблем осуществлялось автоматически, а также космонавтом. В полете непрерывно поддерживалась с Землей. «Восток-1» имел массу 4730 кг, а с  последней ступенью ракеты-носителя 6170 кг. Космический корабль «Восток» выводился в космос 5 раз, после  чего было объявлено о его безопасности для полета человека.

Через четыре недели после полета Гагарина 5 мая 1961 г. капитан 3-го ранга  Алан Шепард стал первым американским астронавтом.

Хотя он и не достиг околоземной  орбиты, он поднялся над Землей на высоту около 186 км. Шепард запущенный с мыса Канаверал в «Меркурий-3» с помощью модифицированной баллистической ракеты «Редстоун», провел в полете 15 мин 22 с до посадки в Атлантическом океане. Он доказал, что человек в условиях невесомости может осуществлять ручное управление космическим кораблем. КК «Меркурий» значительно отличался от КК «Восток».

Он состоял только из одного модуля - пилотируемой капсулы в форме  усеченного конуса длинной 2,9 м и  диаметром основания 1,89 м. Его герметичная  оболочка из никелевого сплава имела  обшивку из титана для защиты от нагрева при входе в атмосферу.

Атмосфера внутри «Меркурия» состояла из чистого кислорода 

20 февраля 1962 г. США достигли  околоземной орбиты. С мыса Канаверал  был запущен корабль «Меркурий-6»,  пилотируемый подполковником ВМФ  Джоном Гленном. Гленн пробыл на орбите только 4 ч 55 мин, совершив 3 витка до успешной посадки. Целью полета Гленна было определение возможности работы человека в КК «Меркурий». Последний раз «Меркурий» был выведен в космос 15 мая 1963 г.

18 марта 1965 г. был выведен на  орбиту КК «Восход» с двумя  космонавтами на борту - командиром  корабля полковником Павлом  Беляевым и вторым пилотом подполковником Алексеем Леоновым. Сразу после выхода на орбиту экипаж очистил себя от азота, вдыхая чистый кислород. Затем был развернут шлюзовой отсек : Леонов вошел в шлюзовой отсек, закрыл крышку люка КК и впервые в мире совершил выход в космическое пространство. Космонавт с автономной системой жизнеобеспечения находился вне кабины КК в течении 20 мин, временами отдаляясь от корабля на расстояние до 5 м. Во время выхода он был соединен с КК только телефонным и телемеметрическим кабелями. Таким образом, была практически подтверждена возможность пребывания и работы космонавта вне КК.

3 июня был запущен КК «Джемени-4»  с капитанами Джеймсом Макдивиттом и Эдвардом Уайтом. Во время этого полета, продолжавшегося 97 ч 56 мин, Уайт вышел из КК и провел вне кабины 21 мин, проверяя возможность маневра в космосе с помощью ручного реактивного пистолета на сжатом газе.

К большому сожалению, освоение космоса не обошлось без жертв. 27 января 1967 г. экипаж готовившийся совершить первый  пилотируемый полет по программе «Аполлон» погиб во время пожара внутри КК сгорев за 15 с в атмосфере чистого кислорода. Вирджил Гриссом, Эдвард Уайт и Роджер Чаффи стали первыми американскими астронавтами, погибшими в КК. 23 апреля с Байконура был запущен новый КК «Союз-1», пилотируемый полковником Владимиром Комаровым. Запуск прошел успешно.

На 18 витке, через 26 ч 45 мин, после запуска, Комаров начал ориентацию для  входа в атмосферу. Все операции прошли нормально, но после входа  в атмосферу и торможения отказала парашютная система. Космонавт погиб  мгновенно в момент удара «Союза»  о Землю со скоростью 644 км\ч. В  дальнейшем Космос унес не одну человеческую жизнь, но эти жертвы были первыми.

Космонавтика ярко демонстрирует  всему миру плодотворность мирного  созидательного труда, выгоды объединения  усилий разных стран в решении  научных и народнохозяйственных задач.

С какими же проблемами сталкивается космонавтика и сами космонавты?

Начнём с жизнеобеспечения. Что  такое жизнеобеспечение? Жизнеобеспечение в космическом полёте - это создание и поддержание в течении всего полёта в жилых и рабочих отсеках К.К. таких условий, которые обеспечили бы экипажу работоспособность, достаточную для выполнения поставленной задачи, и минимальную вероятность возникновения патологических изменений в организме человека. Как это сделать? Необходимо существенно уменьшить степень воздействия на человека неблагоприятных внешних факторов космического полёта - вакуума, метеорических тел, проникающей радиации, невесомости, перегрузок; снабдить экипаж веществами и энергией, без которых не возможна нормальная жизнедеятельность человека, - пищей, водой, кислородом и сетом; удалить продукты жизнедеятельности организма и вредные для здоровья вещества, выделяемые при работе систем и оборудования космического корабля; обеспечить потребности человека в движении, отдыхе, внешней информации и нормальных условиях труда; организовать медицинский контроль за состоянием здоровья экипажа и поддержание его на необходимом уровне. Пища и вода доставляются в космос в соответствующей упаковке, а кислород - в химически связанном виде. Если не проводить восстановление продуктов жизнедеятельности, то для экипажа из трёх человек на один год потребуется 11 тонн вышеперечисленных продуктов, что, согласитесь, составляет немалый вес, объём, да и как это всё будет хранится в течении года?!

В ближайшем будущем системы  регенерации позволят почти полностью  воспроизводить кислород и воду на борту станции. Уже давно начали использовать вода после умывания и душа, очищенную в системе регенерации. Выдыхаемая влага конденсируется в холодильно-сушильном агрегате, а затем регенерируется. Кислород для дыхания извлекается из очищенной воды электролизом, а газообразный водород, реагируя с углекислым газом, поступающим из концентратора, образует воду, которая питает электролизер. Использование такой системы позволяет уменьшить в рассмотренном примере массу запасаемых веществ с 11 до 2т. В последнее время практикуется выращивание разнообразных видов растений прямо на борту корабля, что позволяет сократить запас пищи который необходимо брать в космос, об этом упоминал ещё в своих трудах Циолковский.

Космос науке

Освоение космоса во многом помогает в развитии наук:

• 18 декабря 1980 года было установлено явление стока частиц радиационных поясов Земли под отрицательными магнитными аномалиями.

Эксперименты, проведённые на первых спутниках показали, что околоземное пространство за пределами атмосферы вовсе не «пустое». Оно заполнено плазмой, пронизано потоками энергетических частиц. В 1958 г. в ближнем космосе были обнаружены радиационные пояса Земли - гигантские магнитные ловушки, заполненные заряженными частицами - протонами и электронами высокой энергии.

Наибольшая интенсивность радиации в поясах наблюдается на высотах  в несколько тысяч км. Теоретические  оценки показывали, что ниже 500 км не должно быть повышенной радиации. Поэтому совершенно неожиданным было обнаружение во время полётов первых К.К. областей интенсивной радиации на высотах до 200-300 км. Оказалось, что это связано с аномальными зонами магнитного поля Земли.

• Распространилось исследование природных ресурсов Земли космическими методами, что во многом посодействовало развитию народного хозяйства.
• С самого начала спутниковая фотография использовалась для изучения Земли, мониторинга окружающей среды, промышленных объектов. К 2002 году развитие телекоммуникаций сделало огромный объём спутниковых снимков всей уголков нашей планеты доступным каждому с помощью программы Google. Спутниковые коммуникации широко используются для телевизионной, Интернет и телефонной связи. Космические системы позиционирования используются самолётами, морскими судами, автомобилями и туристами.
• Всё это и намного большее станет возможным с появлением нового пути в космос, более эффективного даже, чем современные корабли многоразового использования. С участием NASA разрабатываются планы строительства космического лифта! Ввиду малой силы притяжения Луны, строительство такого лифта из точек Лагранжа, где уравновешены силы тяготения Луны, Земли и Солнца, до поверхности Луны возможно даже с помощью сегодняшних технологий! Потребуется лишь кабель из свехпрочного волокна «M5», общим весом 7 тонн, который может быть поднят в космос за один запуск.
• Строительство такого лифта на Земле потребует более совершенных материалов, при этом, по расчётам, углеродные нанотрубки будут достаточно прочными для этих целей. Необходимые технологии могут быть разработаны в течение 10—15 лет. Но когда космический лифт будет построен, стоимость вывода грузов на орбиту упадёт до десятков долларов за килограмм. Вероятно, сразу же после появления первого лифта по экватору будут возведены новые, потом их усовершенствуют, и они будут представлять собой уже не несколько тонких лент, а ажурные башни с сооружениями на промежуточных уровнях.
• Также сейчас серьезно рассматриваются планы (НАСА) по добыче ресурсов на Луне и астероидах. Один из видов полезных ископаемых, добыча которого в космосе может быть экономически оправдана — это гелий-3. На Земле его нет, на Луне он присутствует в избытке (собранный Луной из солнечного ветра за миллиарды лет). А он, в то же время, является отличным топливом для термоядерной энергетики.
• Независимо от экономических перспектив, вопросы строительства обитаемых баз на Луне и Марсе остаются на повестке дня. Китай собирается построить первую базу на Луне, Россия и США стремятся к Марсу. Постепенное улучшение технологий делает эти проекты всё более реальными.
• Теперь о двигателях. В начале космической эры мы использовали ракетные двигатели. С тех пор предлагалось много альтернатив, но пока они не стали доминирующими. В будущем для полётов внутри Солнечной системы будут использовать ионные двигатели. Уже сейчас они обеспечивают необычайно высокую эффективность. Для подъёма на орбиту могут найти применение лазерные двигатели. Когда космический лифт будет построен, он заменит ракеты в этой области.
• Также для полёта к звёздам могут быть использованы атомные и фотонные двигатели, позволяющие путешествовать на околосветовых скоростях. Однако, если это физически возможно, то Сверхразум будущего наверняка найдёт способ обхода светового барьера.
• Прежде чем что-либо использовать, надо до этого долететь. Весьма вероятно, что эту задачу возьмут на себя так называемые зонды Фон-Неймана: разумные самовоспроизводящиеся корабли-автоматы, способные, долетев до цели, изучить её, передать информацию и создать сотни своих копий, которые будут отправлены к новым звёздам.
• Развитие ракетостроения закладывает исследовательскую и зкспериментальную базу для будущего, скорее всего, сверхтехнологического прорыва в ближний, а затем и в дальний космос.

Загрязнение космоса

Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая  возникла по существу сразу после  запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов. Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г., где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.

Необходимость мер по уменьшению интенсивности  техногенного засорения космоса  становится понятной при рассмотрении возможных сценариев освоения космоса  в будущем. Существуют оценки, так  называемый «каскадный эффект», который  в среднесрочной перспективе  может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц «космического  мусора». При экстраполяции существующих условий засорения низких околоземных орбит (НОО), даже с учетом мер по снижению в будущем числа орбитальных взрывов (42 % всего космического мусора) и других мероприятий по уменьшению техногенного засорения, этот эффект может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального мусора на НОО и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса. Предполагается, что «после 2055 года процесс саморазмножения остатков космической деятельности человечества станет серьёзной проблемой»

В настоящее время в  районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2000 км находится, по разным оценкам, порядка 220 тыс. техногенных объектов общей массой до 5000 тонн. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода достаточно неопределенно и может достигать 60 000 − 100 000. Из них только порядка 10 % (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами и только около 6 % отслеживаемых объектов — действующие. Около 22 % объектов прекратили функционирование, 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, и около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.

Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким  наклонением, плоскости которых  пересекаются, поэтому средняя относительная  скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с. Вследствие огромного запаса кинетической энергии столкновение любого из этих объектов с действующим космическим летательным аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Примером может послужить первый случай столкновения искусственных спутников: Космос-2251 и иридиум 33, произошедший 10 февраля 2009 года. В результате оба спутника полностью разрушились, образовав свыше 600 обломков. Эффективных мер защиты от объектов  такого космического мусора почти нет. Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это НОО, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).

Вклад в создание космического мусора по странам: Китай — 40 %; США — 27,5 %; Россия — 25,5 %; остальные страны — 7 %

Методы борьбы с космическим  мусором

Эффективных практических мер по уничтожению  космического мусора на орбитах более 600 км на настоящем уровне технического развития человечества не существует. Хотя в ряду других рассматривался, например, проект спутника, который будет искать обломки и испарять их мощным лазерным лучом или наземный лазер, который должен тормозить обломки для входа и последующего сгорания их в атмосфере, либо аппарат, который будет собирать мусор для его дальнейшей переработки. Вместе с тем актуальность задачи обеспечения безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства (ОКП) и снижения опасности для объектов на Земле при неконтролируемом вхождении космических объектов в плотные слои атмосферы и их падении на Землю стремительно растет. Поэтому в обеспечение решения этой проблемы международное сотрудничество по проблематике «космического мусора» развивается по следующим приоритетным направлениям:

• Экологический мониторинг ОКП, включая область геостационарной орбиты (ГСО): наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора».
• Математическое моделирование «космического мусора» и создание международных информационных систем для прогноза засоренности ОКП и её опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения КМ и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы.
• Разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц «космического мусора».
• Разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности ОКП.

Поскольку экономически приемлемых методов  очистки космического пространства от мусора пока не существует, основное внимание в ближайшем будущем  будет уделено мерам контроля, исключающим образование мусора, таким как предотвращение орбитальных  взрывов, сопутствующих полету технологических  элементов, увод отработавших ресурс космических  аппаратов на орбиты захоронения, торможение об атмосферу и т. п.

В то же время поскольку большинство  мер по уменьшению засорения прямо  или косвенно затрагивает вопросы  формирования облика и конкурентоспособности  перспективной космической техники  и сопряжены со значительными  затратами по проектам её модернизации, перспективные общие нормативы  и стандарты по засоренности ОКП  необходимо принимать взвешенно  и на глобальной основе.