«Техніка-молоді" 1962 №5, С.2-4
А. ШИБАНОВ. інженер
П редполагаемие зображення космічних станцій, що зустрічаються в технічній і науково-популярній літературі, вже зараз вражають уяву Новомосковсктелей незвичністю і химерністю схем. Складається враження, що у виборі форми космічного апарату панує цілковита сваволя. У багатьох країнах світу більшість проектів міжпланетних станцій ще спочиває на папері, терпляче чекаючи свого здійснення. Але вже зараз зрозумілі деякі основні принципи, які ляжуть в основу майбутньої «космічної архітектури». Ось деякі з ідей, висловлюваних різними закордонними вченими з приводу форм космічних апаратів.
Для деяких штучних космічних тіл вибір відповідної зовнішньої форми не представить особливих труднощів. Вона буде підказувати самим призначенням космічного апарату. Наприклад, супутникам-рефлектора належить фокусувати і відображати в певному напрямку електромагнітне випромінювання, чи будуть це промені світла або невидимі радіохвилі. Таким супутникам можна надати форму гігантських параболічних дзеркал, піднятих на велику висоту над поверхнею Землі. За допомогою сферичних штучних супутників дуже зручно вимірювати опір верхніх розріджених шарів атмосфери під час руху в них з великою швидкістю, так як сферична форма найбільш зручна для перерахунку аеродинамічного опору.
Число штучних космічних тіл поблизу Землі збільшується з кожним роком. В недалекому майбутньому, безсумнівно, знадобиться швидко розпізнавати окремі супутники серед маси інших спостережуваних космічних об'єктів. Вчені повинні заздалегідь подумати про якийсь простому і надійному способі «мітити» небесні тіла. Одна з таких можливостей теж безпосередньо пов'язана із зовнішньою формою космічних апаратів. Якщо штучний супутник, наприклад той же самий диск, змусити обертатися навколо осі, що лежить в його площині, то видима з Землі площа цього супутника буде періодично зменшуватися і знову зростати до повної своєї величини. Земного спостерігача такий супутник буде представлятися далеким миготливим ліхтариком. Чим швидше обертається диск, тим частіше миготить «ліхтарик». Миготливий супутник вже легко виділити серед інших небесних тіл.
П рісутствіе людини на штучному супутнику вносить докорінні зміни в розрахунки конструкторів. Екіпажу супутника необхідно забезпечити надійний захист від космічної радіації. Весь внутрішній житловий обсяг такого космічного апарату повинен бути оточений товстим шаром радіаційного захисту, без єдиної щілини, крізь яку міг би прорватися згубний потік випромінювання. За підрахунками вчених, вага такого захисту становитиме чверть тонни на кожен квадратний метр поверхні, що захищається. Але кожен зайвий кілограм вантажу на орбіті виростає в сотні кілограмів додаткового ракетного палива на Землі. Можна уявити собі, яким непосильним тягарем ляже громіздка радіаційний захист на ракету-носій! І перша міра, яку потрібно зробити конструкторам, - це скоротити поверхню космічного апарату.
Але, скорочуючи зовнішню поверхню апарату, конструктори не можуть посягнути на його внутрішній обсяг. Вихід з такого скрутного становища може підказати геометрія. Як відомо, у різних найпростіших геометричних фігур з однаковим об'ємом величина поверхні різна. Найменша поверхню у кулі. Тому населеним супутникам, що несе важкий тягар радіаційного захисту, вигідне мати форму сфери.
Сферична форма майбутніх космічних станцій виправдовується і з точки зору їх міцності. У внутрішніх приміщеннях таких станцій має підтримуватися нормальний тиск штучної атмосфери. Внутрішній тиск розпирає стінки апарату, який повинен витримати це навантаження.
Конструкторам не в новинку таке завдання. Багато разів доводилося їм розраховувати міцність балонів високого тиску; і вони давно вже знають, що в залежності від форми балона матеріал його відчуває різні напруги при однаковому навантаженні. Найменші напруги при інших рівних умовах виникають в стінках сферичного балона. Тому вага сферичної міжпланетної станції при рівних обсягах в 1,3 рази менше, ніж вага тієї ж станції, зробленої у вигляді циліндра. Іноді буде вигідніше застосовувати космічні апарати з ряду пересічних сфер, ніж у вигляді якої-небудь іншої, нехай навіть найпростішої, геометричної фігури. Правда, при цьому економія у вазі знижується в порівнянні з однієї цілої сферою.
Отже, вимоги міцності космічних апаратів і економія ваги радіаційного захисту змушують конструкторів проектувати кулясті міжпланетні станції. На жаль, таке вдале збіг різних вимог до форм космічних кораблів не є загальним правилом. Набагато частіше конструкторам доводиться поєднувати прямо протилежні прагнення.
КУДИ
ДІВАТИ ТЕПЛО?
Про кружало станцію космічна «порожнеча» служить для неї найкращим утеплювачем. Така надійна теплоізоляція космічних апаратів приносить свою частку неприємностей при їх проектуванні. Все тепло, що отримується апаратом від сонячних променів, від працюючих на ньому енергетичних установок і електронного обладнання, поступово накопичувалося б в замкнутому просторі станції, якби не існував «канал витоку» - теплове випромінювання. Щоб збільшити кількість випромінюваного тепла і знизити температуру всередині космічної станції до нормального рівня без спеціальних охолоджувальних установок, необхідно збільшити зовнішню випромінює поверхню станції. Тільки що дбайливо урізані, зекономлені шматочки зовнішньої поверхні апарату конструктори повинні заново повернути на їхні старі місця. Та й цього, мабуть, буде мало. А з кожним зайвим квадратним сантиметром невблаганно зростає вага станції і її радіаційного захисту. З точки зору внутрішнього теплового режиму, космічної станції вигідніше надати форму циліндра, а не сфери.
Конструктори шукають вихід і з цієї суперечності. Вони пропонують приєднати до сферичного апарату теплової радіатор - саме ті багато квадратні сантиметри, яких не вистачало космічної станції для теплоизлучения. Радіатор у вигляді лопаті відходить в тіньову сторону станції. Він «витягує» з неї надмірне тепло і розсіює його в навколишньому просторі. Для нього не потрібна радіаційний захист, і він може бути зроблений досить легким. У зарубіжних журналах при описі проектів міжпланетних станцій наводяться дані про розміри «космічних» радіаторів. Наприклад, якщо на станції працює електричний генератор потужністю в 1 мегават, то для відводу виділяється їм тепла потрібно випромінююча поверхню в 93 кв. м! Цілком зрозуміло, що вага таких радіаторів, навіть дуже тонких, може перевищувати вагу самих енергетичних установок, для яких вони призначені. Дороге, але неминуче додаток!
Так залежить вага радіаційного захисту космічних кораблів від форми при постійному обсязі.
Про переважно спеціалізуються джерело тепла космічних станцій знаходиться все-таки не всередині них, а зовні. Адже на космічний апарат у вигляді сфери діаметром в 0,3 м, що знаходиться в районі Землі, падає у вигляді сонячних променів теплова енергія в 87 500 калорій на годину. Поблизу Марса падаючий на такий апарат сонячний тепловий потік складе 46 тис. Калорій на годину.
Змінюючи колір космічного тіла, можна регулювати приток до нього сонячного тепла. Відомо, що білий колір відображає більшу частину падаючих на нього сонячних променів, а чорний, навпаки, поглинає основну їх частку. Але зате білий колір набагато слабкіше випромінює теплові промені в навколишній простір, ніж чорний. Якщо орбіта проходить поблизу Сонця і станція сильно нагрівається, то можна зменшити приплив тепла до апарату, пофарбувавши його освітлену сторону в білий колір, і. збільшити витік тепла, пофарбувавши тіньову сторону в чорний колір. Для далекої від Сонця станції доцільно поміняти кольори освітленій та тіньової сторін, щоб підвищити температуру всередині станції до нормального рівня.
Бідна палітра у художників космосу, всього лише два кольори - чорний і білий - можуть вони використовувати для забарвлення космічних кораблів. Але і з цими двома кольорами можна робити справжні чудеса. Колір апарату може іноді замінити громіздкі, важкі радіатори. Мало того, апарат може автоматично змінювати забарвлення залежно від того, потрібно йому нагріватися або охолоджуватися. Вчені зараз розробляють такі покриття для штучних супутників, які змінювали б свій колір з чорного на білий, як тільки температура всередині апарату перевищить певну величину. Приплив тепла до супутника, переодягнувшись в світлозахисні біле покриття, зменшується, і він починає охолоджуватися до нормальної температури. При занадто сильному охолодженні колір його покриття змінюється на чорний, і супутник почне посилено вбирати своєю поверхнею енергію сонячних променів. Таким чином, зміна кольору зовнішньої поверхні буде автоматично підтримувати всередині космічного апарату певну температуру. Для такого супутника-хамелеона можна використовувати властивості деяких полімерних з'єднань, що змінюють свій колір при переході від твердого до гелевидний стан з підвищенням температури.
«ДИРИЖАБЛЬ»
НА ОРБІТІ
Б Ольша поверхню космічних станцій потрібна не тільки для кращого відведення тепла. Зовнішня поверхня позаземних апаратів - це єдиний їх орган «дотику» зовнішнього світу, єдина «точка» зіткнення з навколишнім середовищем. Тільки через свою поверхню можуть отримати штучні супутники інформацію ззовні про стрімких зливах космічних частинок, про щільність і склад міжпланетного газу, про потоках метеоритів, що борознять космічний простір, про опір верхніх, розріджених шарів атмосфери, про розташування земних радіаційних поясів і, нарешті, про силу тиску сонячних променів. Чим більше площа апарату, тим легше його виявити по відбитим сонячним променям або по «луні» радіосигналу, посланого з Землі. А потужність електроенергії, що виробляється сонячними напівпровідниковими батареями, прямо пропорційна величині поверхні, яку вони покривають.
Площа і вага космічних апаратів знаходяться явно не в ладах один з одним. Конструкторам раз у раз доводиться замислюватися над тим, як збільшити площу космічних об'єктів, не підвищуючи їх ваги, або як зменшити їх вагу, не зачіпаючи зовнішньої поверхні. У зв'язку з цим американські фахівці запропонували використовувати в космосі надувні апарати. Засилати такі надувні супутники на орбіту можна в найбільш компактному, зібраному вигляді. З гнучкою, складеної в невеликий контейнер оболонкою в космос виводиться балон з газом під високим тиском. Газ випускається в оболонку автоматично, коли апарат мине нижні, щільні шари атмосфери. В якості наповнювача надувних апаратів зазвичай використовується гелій.
За допомогою таких апаратів можна наочно продемонструвати силу тиску сонячних променів на космічні тіла. Вдалося навіть спостерігати вплив сонячних бурь на рух надувних штучних супутників Землі.
Прагнення усіма заходами зменшити вагу космічних апаратів, в той же час зберігши їх досить великі розміри, позначилося і в іншому проекті американських фахівців. В якості будівельних, монтажних конструкцій для позаземних станцій майбутнього можуть запропонувати використовувати. пенопластіческіе матеріали; причому «вспінювати» матеріали можна прямо на орбіті. У космічних споруд, зроблених з пінопласту, можна отримати набагато більші зовнішні розміри, ніж при використанні звичайних металів і сплавів. А умови невагомості в космосі цілком дозволяють застосовувати такі конструкції, які на Землі не змогли б витримати навіть власну вагу. Чимала кількість таких незвичайних ідей знайде практичне втілення в майбутньому, коли космічний простір навколо Землі перетвориться в гігантський будівельний майданчик.