Главное на пути к созданию солнечных орбитальных электростанций научиться строить на орбите гигантские и одновременно легкие конструкции. Начинать можно, например, со сборки ажурной панели-блока размером, например, 100 на 100 метров. А затем, постепенно соединяя между собой такие блоки, наращивать площадь конструкции до десятков квадратных километров. С панели площадью 100 квадратных километров можно было бы снять мощность до 10 миллионов киловатт. Для передачи энергии на Землю на такой орбитальной электростанции потребуется антенна площадью около квадратного километра. Наземная приемная антенна будет при этом иметь диаметр порядка нескольких километров. Скорее всего, окажется целесообразным не только сборку, но и изготовление элементов блоков-панелей вести на орбите. То есть доставлять туда, скажем, рулоны металлической ленты, там ее резать и изготовлять из нее стержни, из которых собирать потом ферменные конструкции панелей (конечно, могут быть найдены и другие технологии изготовления и сборки панелей). И уже на эти панели натягивать пленочные солнечные батареи. С учетом массы самой пленки, фирменных панелей и других элементов конструкции, масса солнечной электростанции могла бы составить примерно 4–5 килограммов на киловатт ее мощности.
Сложнейшей частью задачи создания солнечных орбитальных электростанций является доставка на орбиту материалов для ее строительства. Масса станции мощностью 10 миллионов киловатт может составить около 50 тысяч тонн, и соответственно масса 100 таких станций составит порядка 5 миллионов тонн. Для решения задачи доставки на орбиту такого количества материалов с приемлемой стоимостью потребуется создать совершенно новые многоразовые ракеты-носители. С одной стороны, это должны быть достаточно большие машины, способные выводить на орбиту полезный груз массой, скажем, порядка 500 тонн, с тем чтобы за один-два года (при темпе их запусков 10–50 в год) можно было бы доставлять строительные материалы одной станции на орбиту и с такой скоростью вести строительство. С другой стороны, для рентабельности этого предприятия необходимо, чтобы стоимость выведения на таком носителе была бы не больше 100 долларов за доставку на орбиту килограмма полезного груза. Если сравнить эту величину со стоимостью доставки на орбиту с помощью современных одноразовых ракет (порядка 5000 долларов за килограмм), становится очевидной вся сложность решения этой задачи. Нужно снизить стоимость доставки на два порядка. Но эта задача не безнадежная. Мне она представляется решаемой.
Киловатт мощности орбитальной электростанции мог бы при этом стоить около двух-трех тысяч долларов (при условии эффективного решения транспортной проблемы). Это примерно в полтора раза дороже, чем у атомных станций, в два раза дороже, чем у гидроэлектростанций, и в три-четыре раза дороже, чем у тепловых электростанций. Однако орбитальные электростанции не расходуют природных ресурсов, и через несколько лет эксплуатации они могут оказаться рентабельнее и тепловых, и атомных. А главное, эти станции будут экологически чистыми.
Ориентация гигантских ферменных панелей на Солнце представляется также вполне решаемой задачей. Ведь практически придется вращать панель со скоростью равной одному обороту в год.
Для строительства электростанции на орбите возникнет необходимость создать специализированное производство. Потребуются строители. Им понадобятся жилища - орбитальные станции. Конечно, все производство должно быть максимально стандартизировано и автоматизировано. Строительство должны будут вести, в основном, роботы. Поэтому людей там должно быть немного. Работать на орбите они могут, сажем, не более года за одну "командировку" и, следовательно, искусственная тяжесть на строительных станциях не понадобится.
Есть, конечно, и много других проблем на пути создания солнечных орбитальных электростанций: преобразование гигантских мощностей электроэнергии в радиоизлучение, бортовая направленная антенна с диаметром порядка километра, средства приема мощного потока радиоизлучения и его обратного преобразования в электроэнергию и так далее. Но все эти проблемы лежат в области реального.
Идеи космических электростанций привлекают потому, что они могут внести существенный вклад в решение одной из самых сложных задач, стоящих перед человечеством, - задачи создания экологически чистой энергетики.
С идеей создания солнечных электростанций и других больших конструкций (например, гигантских радиотелескопов) связана задача создания космических роботов. Это актуальная задача современной космической техники. Опыт работы космонавтов на орбите в открытом пространстве показывает опасность этих работ и крайне ограниченные возможности человека, закованного в доспехи выходного космического скафандра. Даже изготовленные из мягких тканей и резиновой тонкой гермооболочки элементы выходного скафандра превращаются в жесткую конструкцию вследствие перепада между внутренним давлением в скафандре и внешним вакуумом, составляющего 0,3–0,4 атмосферы. Постоянная необходимость специальной фиксации и страховки, скованность движений человека, одетого в скафандр, резко снижают производительность, эффективность его работы в открытом пространстве. В то же время опыт показывает необходимость расширения работ вне герметичных отсеков станций и кораблей. Обслуживание самих орбитальных станций, их ремонт и профилактика, обслуживание автоматических космических аппаратов и пилотируемых кораблей на орбите, строительство больших конструкций, платформ спутников связи, больших орбитальных станций, больших астрофизических инструментов, антенн радиотелескопов и прочего невозможны без выполнения сложных и объемных работ в открытом пространстве. Общий объем этих работ представляется довольно большим, он явно не под силу одетым в скафандры космонавтам.
Отсюда и задача создания робота для выполнения работ в открытом пространстве. Каким он должен быть? Внешне он представляется пяти- или шестилапым существом. Вернее, двух- или трехруким и трехногим: одна или две "руки" работают, а одна или две держат запасной инструмент или подготовленную к установке деталь или прибор. Назначение "ног" - фиксация робота на внешних элементах конструкции обслуживаемого аппарата или строящегося объекта. Желательно иметь три "ноги", чтобы силовые моменты не нагружали конструкцию "ног".
Можно представить два типа роботов: телеуправляемые и автономные. Телеуправляемый робот управляется человеком-оператором или даже бригадой операторов, расположенных внутри орбитальной станции или даже на Земле. Для управления операторам нужно иметь стереоскопическое изображение места работы или места фиксации, причем в различном масштабе. Это означает, что робот должен иметь несколько пар телевизионных камер, снабженных трансфокаторами, направление визирования которых может меняться, и линии связи, обеспечивающие передачу изображений операторам по двум телевизионным каналам. На рабочем месте операторов должны быть достаточно мощные средства, строящие перед оператором стереоскопическое изображение динамичной картины в темпе приема. В случае, если выбирается управление с Земли, должна обеспечиваться широкополосная (два телевизионных канала) линия связи по цепочке: робот орбитальная станция - спутник-ретранслятор - наземный пункт связи с ретранслятором - центр управления, где располагаются пульты управления операторов. Обеспечение таких линий связи вполне реально, но очень громоздко. Поэтому можно представить, что на каком-то этапе предпочтение может быть отдано более простому варианту использования в качестве операторов космонавтов, находящихся непосредственно на борту станции.
Принципиально возможно создание роботов, самостоятельно выполняющих работу по указанию, данному в достаточно общем виде. Но пока это еще не под силу современной технике. Распознавание образов, выбор алгоритмов для данной конкретной работы, алгоритмы ее планирования - подобные задачи еще далеки от решения. Хотя развитие работ в этом направлении неизбежно. Это направление совпадает с общим направлением разработки универсальных роботов для нужд промышленности, для использования в сельском хозяйстве, в шахтах и на тяжелой работе в сложных и опасных условиях. Да и даже в домашнем хозяйстве неплохо избавиться от рутинных работ по уборке помещений, приготовлению пищи и тому подобному.
Жизнь прошла, но проблема орбитальных станций в целом так и осталась нерешенной. По существу это вопрос о жизни самого человека в новом мире, в который он проник, но не знает зачем и не видит, не понимает, что может непосредственно он в этом мире сделать, не оставаясь на уровне "дворника" или "сантехника". Разобраться в этом, экспериментировать и искать - задача следующего поколения.
РАКЕТА КАК САМОЛЕТ
Не только выбор цели, удачные или неудачные решения конструктивных проблем самих космических аппаратов определяют возможности и перспективы космической техники. Не меньшее значение будет иметь и экономическая сторона дела: а во сколько то или иное предприятие обойдется? Во сколько обойдутся работы по самому космическому аппарату, каковы будут транспортные расходы на доставку аппаратов к их месту работ. То есть многое, если не почти все, будет зависеть от стоимости аппаратов и их ракет-носителей.
Стоимость выведения на орбиту космических аппаратов пока очень велика. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, дорогой системой управления, дорогими материалами, используемыми в напряженной конструкции ракет и их двигателей, сложной и, как правило, дорогостоящей технологией их изготовления, подготовки к пуску и, главным образом, их одноразовым использованием.
Доля стоимости носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разной. Если носитель серийный, а аппарат уникальный, то около десяти процентов. Если наоборот - может достигать сорока процентов и более. Где вы видели на Земле объект, доставка которого к месту использования стоила бы так дорого?
Как вы думаете, сколько стоит выведение на орбиты или на орбитальную станцию одного килограмма массы космического аппарата? Данные о стоимости доставки на орбиту с помощью наших ракет в застойных рублях, которые можно приближенно принять равными доллару Соединенных Штатов, на килограмм массы КА, доставленного на орбиту (на орбитальную станцию дороже в два-три раза) дают очень большой разброс: от 250 (ракеты типа Р7 и "Протон") до 2000 (ракеты "Зенит") долларов на килограмм. Эту оценку едва ли можно считать достаточно надежной не только из-за большого разброса величин (который может быть объяснен и тем, что в больших цифрах учитывались не только эксплуатационные расходы, но и расходы на разработку, на экспериментальную отработку, на создание заводов), но и из-за того, что заработная плата в нашей стране была в несколько раз ниже, чем в развитых странах Запада. Поэтому более объективной представляется аналогичная оценка по стоимости доставки одного килограмма на орбиту с помощью современной французской ракеты "Ариан": примерно 5000–6000 долларов на килограмм.
Это очень дорого, и поэтому возникла мысль о том, чтобы создать ракету-носитель, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома, совершала полет на орбиту и, оставив там спутник или космический корабль, возвращалась на космодром.
Первой попыткой реализации такой идеи было создание системы "Спейсшаттл". Несмотря на прекрасно выполненную работу, эту попытку едва ли можно назвать удачной. По первоначальному проекту стоимость запуска системы не должна была превышать 10 миллионов долларов, и, соответственно стоимость доставки на орбиту 1 килограмма полезного груза предположительно составляла около 350–450 долларов, вместо 5000 при доставке полезного груза с помощью одноразовых ракет. Но жизнь показала, что это слишком оптимистичная оценка: только эксплуатационные расходы (то есть без учета расходов на разработку машины, подготовку производства и прочего) и стоимость пусков системы составляют около 400 миллионов долларов и, соответственно, стоимость доставки 1 килограмма полезного груза на орбиту - около 13000 долларов на килограмм. То есть по сравнению с проектным замыслом стоимость доставки полезного груза на орбиту с помощью системы "Спейсшаттл" оказалась в 30–40 раз больше!
Главными причинами такого ошеломляющего "превышения сметы" явились применение значительного количества одноразовых элементов, очень сложная конструкция, собираемая в районе старта из четырех частей, требующая сложной подготовки и испытаний перед запуском, анализа хода полета и управления машиной в полете, недостаточная автоматизация работ на космодроме, неоправданно трудоемкая роль служб космодрома в процессе подготовки, испытаний, запуска и управления в полете. Во всех этих процессах должно участвовать большое количество высококвалифицированных и высокооплачиваемых специалистов. Следует, справедливости ради, сказать, что наша аналогичная система "Буран" не отличается от "Шаттла" в лучшую сторону.
Тут вспоминается легенда о возникновении этой подражательной идеи у нас. Уже говорилось об идее фикс Каманина (ВВС), будто бы самим богом ВВС предназначалось поставлять экипажи нашим разработчикам космических кораблей и орбитальных станций, которая трансформировалась в предложение о том, что ВВС должны стать заказчиками и кораблей, и станций, то есть организацией, выдающей заказы на их разработку и изготовление, а следовательно, и организацией, через которую расходуются деньги. То есть у ВВС появилось желание занять такое же положение, какое ракетные войска стратегического назначения занимают относительно ракетной промышленности: РВСН являются заказчиками боевых ракет. Надо сказать, что С.П. подогревал эти настроения, чтобы в Министерстве обороны были две конкурирующие группы, обращающиеся к нему, - ракетчики и ВВС. До этого времени военная приемка у нас, персонал космодрома и сам космодром принадлежали военным ракетчикам.
Эта трансформация идеи фикс ВВС была совсем близка к положению: ракета это полет, а полет - это ВВС, а следовательно, ВВС должны стать заказчиком и ракет для космических кораблей и станций, и эти ракеты должны быть крылатыми, как и самолеты.
Поэтому появление сообщений о разработке "Шаттла" в Соединенных Штатах было манной небесной для ВВС. Они ринулись к тогдашнему министру обороны А. А. Гречко: враги делают "Шаттл", надо и нам. Как правило, заказы ВВС осуществлялись по такому принципу, поэтому наша авиация и плелась в хвосте американской: авиационные генералы не в состоянии были выдавать новые идеи, а подглядывать за потенциальным противником, красться за ним - это вполне в духе наших вояк. Но Гречко был человек трезвомыслящий и послал их по всем осям.
Через некоторое время ребята оправились от испуга и пошли к Д. Ф. Устинову, тогда секретарю ЦК по оборонным вопросам. И он, естественно, послал их в том же направлении. Тогда они проникли к Брежневу. Убеждали его, что "Шаттл" это на самом деле не транспортная система, а оружие. Дескать, выводят американцы "Шаттл" на орбиту с наклонением плоскости орбиты к экватору 28 градусов. Такое наклонение определяется тем, что запуски его осуществляются с космодрома во Флориде, и это означает, что трасса полета "Шаттла" не поднимется выше широты 28 градусов и, следовательно, никогда не проходит над нашей территорией, она проходит южнее Москвы примерно на 2500 км. Мы к этому привыкаем и никаких мер не принимаем. Но… "Шаттл", возвращаясь в атмосферу, может сделать боковой маневр до 2500 километров. И когда они решат, "Шаттл" может сделать маневр и сбросить водородную бомбу на Москву: Политбюро нет, Кремля нет!.. Вот какой коварный замысел у наших врагов - одним ударом покончить с СССР и выиграть третью мировую войну. А ваши недальновидные подчиненные - Устинов и Афанасьев - этого не понимают (на свое начальство, на Гречко, жаловаться побоялись!). И "дальновидный" генсек вызвал к себе Устинова и Афанасьева, отечески пожурил и дал указания. Так началось "Буранное дело".
Более бредового обоснования придумать трудно. Одной бомбой выиграть мировую войну? Как бы ни оценивать американских генералов и политиков, они до такого маразматического плана додуматься не могли. И наше начальство тоже это понимало, все понимали бессмысленность повторения шаттловской ошибки. Но приняли к исполнению - деньги-то пошли. Более того, сражались насмерть за возможность участия в этом позорном деле, особенно за то, чтобы возглавить его: им впереди светила карьера, возможность выбиться на "самый верх"!
Для "Спейсшаттл" была выбрана одна из компромиссных многоступенчатых схем. На первой ступени работают двигатели двух твердотопливных ускорителей, и двигатели, питаемые водородом и кислородом из баков центрального блока. Причем водородно-кислородные маршевые двигатели размещаются в третьей ступени: в самолете. После выгорания топлива ускорителей они отделяются и, можно сказать, начинается участок второй ступени, на котором продолжают работать двигатели, питаемые водородом и кислородом из центрального блока. Когда топливо в баках центрального блока кончается, маршевые двигатели выключаются, центральный блок сбрасывается. Довыведение на рабочую орбиту осуществляется за счет работы корректирующего двигателя из баков с высококипящими компонентами третьей ступени.
Корпуса пороховых ускорителей после их отделения совершают полет по баллистической траектории, входят в атмосферу, тормозятся, у них раскрываются парашюты, и на парашютах они приводняются в океане.
Потом морские корабли буксируют их к суше, и они могут по идее после восстановительного ремонта и установки в них твердого топлива повторно использоваться. Предполагалось, что в этой схеме будет экономиться примерно сорок процентов расходов на изготовление пороховых ускорителей. Но ясных сообщений о том, что это осуществляется после каждого пуска, мне встречать не приходилось.
Центральный блок после отделения от третьей ступени входит в атмосферу, часть его сгорает во время торможения в атмосфере, а остатки падают в океан. Так что после доставки груза на орбиту назад возвращается практически только третья ступень системы "Спейсшаттл", которой и является самолет "Шаттл".
На основании анализа недостатков одноразовых носителей и системы "Спейсшаттл" складывается представление о качествах, которыми должна обладать хорошая ракета-носитель, обеспечивающая доставку на орбиту полезного груза с минимальными затратами и с максимальной надежностью.
Она должна быть системой многоразового использования, способной совершать 100–1000 полетов. Многоразовость с целью снижения затрат на каждый полет (расходы на разработку и изготовление распределяются на количество полетов) и одновременно с целью повышения надежности выведения полезного груза на орбиту: каждая поездка на автомобиле и полет самолета подтверждают правильность его конструкции и качественное его изготовление. Следовательно, можно снижать затраты на страхование полезного груза и на страхование самой ракеты. По настоящему надежными и недорогими в эксплуатации машинами могут быть только многоразовые, такие, как паровоз, автомобиль, самолет.