2017-12-14
565
С тех пор как О'Нейл выступил со своими первыми проектами, проблема создания больших космических конструкций исследовалась и другими специалистами. Английский исследователь д-р Д. Дж. Шеппард, например, предложил технологически несложный метод получения из лунной породы материала, подобного бетону, для изготовления прочных корпусов поселений с улучшенными радиационными характеристиками. Эта технология - противоположность «аэрокосмическому» принципу строительства жилищ с широким применением легких сплавов, предложенному в Соединенных Штатах.
Космические поселения совершенно не похожи на другие сооружения. Их будет очень трудно проектировать, поскольку во многих отношениях наш опыт и знания окажутся недостаточными. Поскольку метод экстраполяции очень часто приводит к ненадежным результатам проектирования, крайне важно там, где это возможно, использовать проверенную технологию, говорит д-р Шеппард. Опасностей и без того достаточно, чтобы еще искать приключений с авантюрными идеями, когда в том нет необходимости.
Что же можно считать «проверенной технологией» применительно к космическому поселению массой 10 000 000 т, рассчитанному на срок службы не менее ста лет? Металл вряд ли является подходящим материалом, так как он не был проверен в конструкциях весом более 100 000 т (без «начинки»). Только камень и бетон успешно применялись для строительства сооружений таких же размеров, как и космические поселения. Предварительно напряженный бетон является наилучшим материалом для больших, сверхнадежных объемов, эксплуатируемых под давлением, когда их масса не ограничена, как в случае ядерных реакторов... и космических поселений.
В силу самой природы космических поселений их масса не является критическим параметром, так как очень жесткие требования предъявляются к защитным свойствам их корпуса. Типичная «металлическая» конструкция будет более чем на 90% состоять из бетона и только на несколько процентов из металла, который, собственно, и обеспечивает предварительное напряжение бетона. Рассчитанная на большие давления оболочка конструкции из предварительно напряженного бетона состоит из двух элементов - корпуса, находящегося под напряжением сжатия, и сетчатой арматуры из растянутых тросов. При таком строении корпус будет одновременно выполнять роль силового жесткого каркаса и экрана от радиации, обеспечивая экономичность, надежность и простоту устройства. В предыдущих проектах предусматривалось использование трех типов материалов, доставляемых с Луны. В предлагаемой конструкции будет использовано то же самое количество строительного камня и стекла, но гораздо меньше металла. Эта экономия обусловлена тем, что для усиления конструкции используются тросы, которые могут нести почти в шесть раз большую рабочую нагрузку, чем плоские элементы металлической арматуры.
При сравнении со «Станфордским тором» оказывается, что по любым действующим нормам для больших резервуаров, работающих под давлением, предварительно напряженная конструкция потребует втрое меньше металла, чем полностью металлическая. В проекте предварительно напряженной конструкции предусматривается применение лунной плавленой породы вместо бетона на водной основе, что повысит надежность корпуса по меньшей мере в десять раз.
На рисунке (с. 252) показаны сборочные детали конструкции. Используется принцип «блочного» строительства, известный в современной практике сооружения больших мостов и платформ для морской добычи нефти. Технология отливки больших каменных плит пока еще не известна, но в космических условиях этот процесс будет более простым, чем на Земле. Процедура сборки корпуса начнется с набора «ожерелья» из плит, которое образует одно кольцо тороида. Ниткой «ожерелья» станут меридиональные связующие тросы. Постепенное натягивание этих тросов позволит соединить плиты в жесткое кольцо, которое затем будет усилено на стыках клеями на эпоксидной основе. Сам тороид будет собран из многих таких колец, стянутых кольцевыми тросами напряженной обвязки. Когда тороид полностью собран, все тросы находятся в рабочем напряженном состоянии.
Во избежание постепенного ухудшения прочности корпуса предусмотрено, чтобы трубы и каналы не проходили сквозь переборки, разделяющие полости в стенах. Эти полости отводятся также под посевные и промышленные зоны, которые должны быть устроены так, чтобы их обслуживание было минимальным.
Поступление света внутрь конструкции может быть обеспечено двумя способами. Первый из них соответствует принципу «оконного переплета», примененному в станфордском проекте. Другой вариант заключается в использовании толстых стеклянных плит как структурных элементов корпуса, что придает конструкции легкость, прочность и жесткость, а также одновременно обеспечивает радиационное экранирование. Этот вариант, хотя и дороже, позволяет избежать проблем с устройством светопроводов в виде сложной системы экранов и зеркал в обшивке и открывает возможность создания поселений с однородным по структуре и полностью просвечиваемым корпусом.
Безопасность - это самый главный вопрос всей проблемы космических поселений, говорит в заключение д-р Шеппард. Успехи аэрокосмической техники сократили частоту чрезвычайных происшествий в коммерческой авиации до одной катастрофы на миллион часов полетов, но и этот показатель нельзя считать удовлетворительным для космических поселений, рассчитанных на миллионы часов. Более подходящим следует признать принцип безусловной безопасности, которым руководствуются при создании корпусов ядерных реакторов. Основной строительный материал для реакторов - предварительно напряженный бетон, и поэтому высокая надежность реакторов и космических поселений будет определяться следующими общими для них факторами:
1 В корпусах, находящихся под напряжением сжатия, не развиваются каверны и трещины, в то время как корпуса, находящиеся под напряжением растяжения, могут взрываться, подобно воздушным шарам.
2 Предварительно напряженный бетон имеет высокую надежность благодаря большому числу независимых тросов обвязки.
3 Емкости высокого давления, изготовленные из предварительно напряженного бетона, перед серьезной аварией дают течь.
4 В ходе сборки возможно проведение испытаний материалов и при необходимости их замены.
5 Обшивка из камня очень устойчива и долговременна, а тросы обвязки в толще камня хорошо защищены.
6 Напряженный бетон легко ремонтировать.
Д-р Шеппард пишет: «При строительстве сооружений из предварительно напряженного бетона объем работ по изготовлению элементов конструкций будет уменьшен благодаря простоте и сокращению номенклатуры производственных процессов производства материалов и выпуска готовых изделий. Трудно сравнивать объемы работ по сборке элементов, однако опыт, накопленный в земных условиях, показывает, что предварительно напряженные конструкции изготавливаются по более простой технологии, чем сварные. Проведение периодической инспекции и профилактических осмотров напряженных конструкций гораздо легче, поскольку места повреждений легче локализовать и характер самих повреждений не так опасен. До сих пор мы говорили о затратах труда в экономическом, т. е. безличном, смысле. Надо полагать, что сами строители отдадут предпочтение бетону за его экранирующие свойства - ведь конструкция, хотя бы частично построенная из бетона, обеспечит полную защиту от радиации, в то время как обшивка, включающая металлические части, может даже усугубить эту опасность. Хотя затраты труда являются наименее определяющим фактором, стоит отметить, что строительство сооружений из напряженного бетона вряд ли потребует больше рабочей силы, чем строительство сооружений из металла».
Более того, сооружения из бетона будут служить гораздо дольше, чем сооружения из сплавов или стали. При необходимости проведения восстановительных работ толстостенный бетонный корпус, по-видимому, можно заделать изнутри, в то время как металлическая обшивка более доступна для ремонта в опасных условиях с внешней ее стороны.
Шеппард продолжает: «Внутренние узлы и детали могут быть легко прикреплены к корпусу из бетона болтовыми соединениями, поскольку поверхностный слой не влияет на прочность конструкции в целом. Сопоставьте это с теми проблемами, которые возникают, когда надо что-либо приварить к сильно напряженной стальной конструкции. Вдобавок представьте себе полного энтузиазма космического умельца, который просверливает насквозь тонкую металлическую оболочку в попытке навесить книжные полки. Бетон гораздо более надежный материал просто потому, что он толще и устойчивее к большинству воздействий... Чисто психологически можно найти много доводов в пользу каменной твердыни толщиной в 1,6 м под ногами!
В любых конструкциях, сооружаемых в точках либрации из доставляемого с Луны материала, будут применяться как выплавляемый из него металл, так и образующиеся при этом шлаки... вопреки традиционному мнению, что спутники и космические электростанции непременно должны быть ажурными металлическими сооружениями».
«Космический остров» Деметры
Д-р Фрэнк Д. Гесс из фирмы «Аэроспейс корпорейшн» разработал другую возможную альтернативу, предложив концепцию «Космического острова» Деметры. Исходя из основного требования обеспечения наиболее благоприятных условий для космического сельского хозяйства и других жизненно важных функций, в том числе космического производства, он предложил идею устройства космического поселения, которая логичным и естественным образом соответствует исходному предположению о нарастании объема производимого продовольствия, регенерируемых отходов и атмосферы.
Чтобы ограничить количество материалов, требуемых для строительства, и сохранить объем атмосферных газов внутри границ поселения, на начальном этапе его существования поселение имеет форму тонкого тороида, заключенного в цилиндр с плоскими крышами на торцах. Веретенообразное тело в центре цилиндра образует производственную зону в невесомости. Свободно парящие зеркала, размещенные вне поселения на расстоянии около 3 км, отражают солнечный свет для освещения и производства энергии с помощью фотоэлектрических преобразователей. Тороид внутри цилиндра является жилой и сельскохозяйственной зоной. Первоначально размер его сечения составит всего 50 м, что позволит обойтись сравнительно небольшим объемом атмосферного воздуха, в состав которого входит доставляемый с Земли азот или заменяющий его газ. (Надежда отыскать достаточные источники азота на Луне или астероидах очень мала, хотя со временем Юпитер или его луны, быть может, станут источниками азота в виде аммиака.) Тор устроен так, что его внутренний объем можно изменять; когда количество имеющегося азота возрастет, «крышу» можно будет поднять, чтобы увеличить жизненное пространство.
Другое новшество предложения д-ра Гесса заключается в методе формирования силовой основы конструкции. Он предлагает каркас из алюминия, который перекрывается тросами из непрозрачного стекловолокна, изготовленными из лунной реголитовой породы вытягиванием стеклянных нитей и свиванием их в тросы. На алюминиевый каркас как на оправу с натягом наматываются стеклянные тросы перекрещенными слоями, пока толщина обмотки не достигнет 2 м. Когда поселение вместе с экранами вращается со скоростью 1,25 об/мин, этот слой лунного стекла, охватывающий алюминиевый корпус, служит одновременно и элементом конструкции, поддерживающим алюминиевый каркас, и радиационной защитой. Крыша «над головой» в тороидальной жилой и сельскохозяйстченной зонах изготовлена из прозрачных стеклянных панелей.
Социальный аспект
Новизна идеи заселения космоса заключается не только в овладении необходимой техникой. Привлекательность доводов в пользу космических поселений в значительной мере проистекает из новых возможностей, которые они открывают для технического прогресса, не разрушающего тонкого экологического равновесия на Земле в отличие от предыдущей промышленной революции. Что действительно захватывает воображение, так это мысль о том, что космические поселения предоставят шанс выработать новые общественные структуры, основанные на принципах истинной взаимозависимости и заботы о сохранении ресурсов и экологии. Можно предположить, что люди различных культурных традиций и даже различных религиозных принадлежностей смогут поселиться в разных космических поселениях и построить свою судьбу по собственному усмотрению,- но этот путь не изменит человеческой природы и в конце концов может привести к конфликтам.
Это, однако, оборотная сторона медали. Как отметила группа исследователей летней школы 1975 г., многие люди с тоской смотрят в будущее вследствие ограниченности продовольственных и энергетических ресурсов. Если человечество станет упорствовать в своем стремлении остаться на Земле, единственным решением проблемы будут, видимо, принудительные политические меры по распределению ресурсов, недостаточных для удовлетворения мировых потребностей. Это неизбежно посеет семена раздора.
Устройство общественного порядка в космическом поселении может стать трудным делом. Разве нет опасности, что люди вывезут с собой груз всех старых догм и дух соперничества? Если же люди попытаются избежать такой опасности путем персонального отбора, то не заслужат ли они обвинения в элитизме?
Чтобы такие проекты стали действительно международными, узы, порожденные установившимся политическим порядком на Земле, должны отойти на второй план во имя общего блага.
Сооружение, предложенное в 1975 г. группой инженеров Эймской лаборатории НАСА и студентов Станфордского университета «Станфордский тор», было взято за основу английским инженером д-ром Д. Дж. Шеппардом при исследовании проблемы строительства космических конструкций из внеземных материалов. Главной частью проекта «Станфордский тор» является колесообразное сооружение, изготовленное преимущественно из металла и вращающееся в неподвижном внешнем корпусе с изготовленным из лунной породы экраном для защиты от поражающего космического излучения.
Проект Шеппарда при тех же размерах и проектных параметрах имеет совершенно иные принципы построения и другое внутреннее устройство. Основным строительным материалом является «лунобетон», полученный путем промышленной переработки лунной породы.
Тройной сборный корпус, подобный корабельному с двойным дном, спроектирован так, чтобы обеспечивать требуемую прочность и герметичность в случае повреждений, а также чтобы свести к минимуму утечку атмосферы в нормальных условиях. В толще корпуса имеются две полые прослойки шириной 3 м каждая, причем внутренняя находится при нормальных атмосферных условиях, а во внешней давление не поддерживается, чтобы можно было обнаруживать и заделывать течи. Натянутые стальные тросы, пропущенные по каналам в толще каменных переборок и обвязывающие всю конструкцию, придают корпусу жесткость.
Советские эксперименты
В 1926 г. К. Э. Циолковский выступил с обсуждением вопроса о размещении крупных поселений вокруг Земли и даже предложил проект вращающейся конструкции такого поселения, в котором могли расти деревья и растения.
В течение нескольких лет советские ученые работали над созданием искусственной среды обитания, подобной земной, где находящиеся в космосе люди могли бы жить продолжительное время. В этих экспериментах на Земле в изолированном помещении с помощью производящих кислород растений поддерживался пригодный для дыхания воздух. Растения выращивались гидропонным методом, т. е. в воде с растворенными в ней питательными веществами при искусственном освещении. Два испытателя жили в таком изоляторе 4 мес, выращивая пшеницу и овощи. Воды, получаемой путем конденсации из атмосферы, хватало для удовлетворения личных нужд, а вместе с обработанными сточными водами - и для водоснабжения растений, выращиваемых в искусственной почве или в пластмассовой пленке.
Урожай состоял из овощей, клубневых и хлореллы (для производства кислорода и водоочистки). Зерно, собранное с «гидропонной пашни», перемалывалось и использовалось для выпечки. Но система не была полностью замкнутой: нехватку животного протеина и жира приходилось покрывать за счет консервированных продуктов. Каждый исследователь имел кухню с электроплитой и холодильником, душ и туалет, комнату отдыха, маленькую библиотеку, радио и телевизор. Они могли видеть друг друга через большие окна и переговариваться по телефону. В 1978 г. советские ученые опубликовали описание наземного космического корабля, в котором трое добровольцев жили в течение года. Они дышали производимым растениями кислородом и выращивали продовольственные культуры в искусственной почве из ионитных смол, насыщенных питательными веществами. Основу этой почвы составляли полимеры, образующие нечто подобное химической губке. Питательный раствор проходил через всю массу ионитной почвы, которая сама отбирала все минеральные вещества, необходимые растениям, в нужных для питания корней количествах.
Образцы ионитной почвы испытывались в космосе на борту станции «Салют-4» и продолжали удовлетворительно «работать» по возвращении. После съема нескольких урожаев их свойства восстанавливались путем обработки растворенными в воде специальными таблетками. Однако применение пескообразного ионитного субстрата в условиях невесомости на реальных космических кораблях связано с определенными трудностями, поэтому были разработаны новые пенообразные и нитевидные ионитные материалы в виде толстой розовой или светло-коричневой ткани, которая не будет крошиться в невесомости. Чтобы растения нормально развивались, в инертный наполнитель, песок или древесные опилки достаточно добавить 20- 30% ионитов.
Такого рода техника, видимо, найдет большое применение в крупных космических поселениях, которые предлагает проф. О'Нейл, причем в качестве песка можно будет применять лунную почву.
20. Звездолеты А. Бонд (Великобритания)
Человеку вполне по силам, если он того захочет, стать хозяином Солнечной системы, простирающейся до Плутона и даже за пределы его орбиты. Освоение новых территорий, добыча полезных ископаемых, торговля, связь и другие виды человеческой деятельности будут развиваться примерно так же, как сейчас на Земле.
Регулярные космические трассы пролягут между всеми главными космическими портами, и возможно, что поверхности таких планет, как Марс или даже негостеприимная Венера, превратятся в комфортабельное место проживания людей. Все это становится возможным благодаря изобретению и созданию ракет. Человечество вступает в новую эру распространения нашей цивилизации.
Такая империя будет воистину огромной по сравнению с тем, чем когда-либо приходилось владеть человеку, и все же по сравнению с размерами Галактики, в которой нашей Солнце - всего лишь рядовая звезда среди сотен миллиардов других звезд, освоенный мир будет лишь незначительной частью мирового пространства, подобной капле в море. Итак, захочет ли человечество, вернее, сможет ли оно распространить свое влияние до отдаленных звезд Галактики? Какие виды на будущее человечества открывает перспектива освоения не только межпланетного, но и межзвездного пространства? Какие понадобятся средства передвижения и механизмы и как они помогут человечеству еще дальше расширить свои владения?
