Человечество вступает в третье тысячелетие и очень важно правильно наметить генеральную линию его дальнейшего прогресса, выделить приоритетные научно-технические направления. Эти проблемы волнуют многих ученых, в том числе и Института биофизики СО РАН. Его сотрудники - академик И. И. Гительзон, кандидаты физико- математических наук С. И. Барцев и В. А. Охонин, а также кандидат биологических наук В. В. Межевикин - в возможную стратегию развития науки и техники включили исследование дальнего космоса под условным названием "Космический странник". И хотя авторы этой концепции вторглись в область, выходящую за рамки их прямой компетенции, однако, учитывая их высокий профессиональный уровень, предложенный ими проект представляет значительный интерес.

Общеизвестно: численность населения на земном шаре непрестанно возрастает при усиливающемся дефиците руд, ископаемого топлива, почвы, чистой воды, воздуха и пр. Поэтому нужно срочно принимать решения о выборе и поддержке наиболее перспективных направлений науки и разработки технологий, обещающих выход из жесткого лимитирования природных ресурсов.

Авторы считают: технологии, применяемые в космонавтике, прежде всего для обеспечения длительных пилотируемых полетов, можно использовать в вполне земных крупномасштабных проектах, способных стимулировать развитие многих научно-технических направлений. В связи с этим необходима стратегия освоения космоса, адекватная реалиям XXI в., и соответствующая национальная программа.

Уже в ближайшем будущем следует решить - нужно ли проникать в космос за пределы орбиты нашей планеты или ограничиться околоземным пространством? Авторы уверены: только освоение Солнечной системы даст толчок быстрому развитию принципиально новых земных технологий. С этой точки зрения они проанализировали уже существующую соответствующую технику.

Ближний космос ныне изучают как с помощью автоматов, автономных и управляемых с Земли, так и пилотируемых аппаратов. Каждый имеет свои особенности. Главное преимущество первого - отсутствие риска гибели людей. Кроме того, это значительно дешевле. Современные технологии позволяют сделать автоматы легкими и компактными, и их не нужно возвращать обратно. Но даже если это и потребуется (скажем, доставка инопланетного грунта), то нет необходимости в многотонной системе жизнеобеспечения, как в случае пилотируемых полетов. И еще. Автоматы незаменимы при исследовании космических тел, усло-

стр. 53

вия на которых исключают пребывание человека.

Однако есть ряд факторов, ограничивающих возможности такого способа освоения космоса. Полностью автономные роботы могут выполнять только жестко заданную программу исследований или их (программ) ограниченный набор. Они практически неэффективны при нештатных ситуациях, а автоматы, управляемые с Земли, ограничены функционально. Например, в зависимости от их расположения задержка обмена сигналами между нашей планетой и Марсом составляет от 8 до 40 мин. Между тем для максимально эффективного управления в режиме реального времени она не должна превышать десятой доли секунды. Наконец, управление роботами с Земли заведомо предполагает, что не будет стремительно возникающих неожиданностей ни при работе, ни при посадке. В подтверждение сказанного вспомним первую высадку человека на Луну. При ближайшем рассмотрении выяснилось: намеченное место не подходит для посадки, и только быстрая реакция Н. Армстронга спасла положение - в последний момент он перевел модуль в горизонтальный полет и посадил его на подходящей площадке. В аналогичной ситуации с беспилотным кораблем, тем более на удаленной планете, оператор сможет только наблюдать его крушение, произошедшее несколько десятков минут тому назад. Ограничивает поисковые возможности робота и весьма низкая скорость передачи им информации. Кроме того, автоматы мало приспособлены для эффективного поиска жизни на других планетах или ее следов. Причем это касается привычных для нас форм существования, а если произойдет встреча с абсолютно нам неизвестным, то они окажутся вообще бесполезными.

Возможности автоматов ограничены также и при проведении экспериментов для проверки фундаментальных физических теорий или гипотез. А опыт с американским космическим телескопом "Хаббл" и эксплуатация сложных научных агрегатов на отечественной станции "Мир" показали: лишь человек-оператор способен обеспечить их длительное функционирование. Наконец, присутствие людей на аппарате позволяет существенно упростить конструкцию приборов и провести эксперименты, включающие манипулирование с предметами.

Итак, при исследовании космических объектов, автоматы эффективны, если объем требующей переработки информации невелик и заранее известен ее тип. К таковой относятся химический состав и физические параметры грунтов, а также другие медленно меняющиеся со временем геологические характеристики. С другой стороны, дальние полеты человека при современном техническом уровне космонавтики весьма проблематичны. Да и экономические затраты, и риск при этом мало оправданы. Скажем, если удастся осуществить экспедицию на Марс, а там не обнаружат никакой формы жизни, то огромные усилия будут потрачены лишь на уточнение сведений, собранных автоматами, что, конечно, не оправдано.

Вместе с тем сокращение финансирования космических исследований в ряде стран, в том числе и в России, связано, считают авторы, с падением общественного внимания к этой тематике. Во-первых, получаемые научные результаты интересны только узкому кругу специалистов. А высокая стоимость полетов увеличивает нагрузку на бюджет ради непонятных большинству людей целей. Значит, новая стратегия освоения космоса должна быть адекватна нынешней ситуации. Прежде всего необходимо вернуть общественный интерес к данной проблеме, максимально увеличив информацию об изучении космоса в увлекательной и доступной форме. Разумеется, нужно существенно уменьшить стоимость полетов при повышении их безопасности. Одним из основных условий реализации высказанной концепции авторы видят в постоянном присутствии человека в космосе и расширения сферы его деятельности вплоть до планет-гигантов.

Технической основой полномасштабной реализации такой стратегии может быть исследовательский пилотируемый космический корабль нового типа - авторы назвали его "Космический странник". В конструкции последнего должны быть использованы три ключевые новации: электрический двигатель малой

стр. 54

тяги с солнечными батареями или ядерным реактором в качестве источника энергии; замкнутая экологическая система жизнеобеспечения человека; роботы-манипуляторы с высокоразвитыми средствами телеуправления.

Концепция "Космического странника" логично возникла из стремления повысить безопасность экипажа в космическом полете. Ведь самые опасные его этапы - взлет и посадка. А обсуждаемый корабль, собранный на околоземной орбите, от этих маневров избавлен в принципе. Исследователи, не покидая его борт, в течение всего полета изучают небесные тела с помощью дистанционно управляемого и подвижного, копирующего движения оператора, робота-манипулятора, работающего в реальном режиме времени. Для реализации задуманного космонавты должны находиться не далее 10 тыс. км от места событий. Скажем, в корабле, вышедшем на орбиту Марса, они смогут осуществлять прямое (без задержки связи) управление роботом- манипулятором на поверхности Красной планеты. Эти высококлассные механизмы, работающие в режиме так называемого "эффекта присутствия", или "перенесенной реальности", позволяют полностью снять противоречия между необходимостью находиться человеку в месте контакта с неведомым и требованиями безопасности.

Роботами-манипуляторами, имеющими стереоскопическую телепередающую систему высокого разрешения, звуковой и тактильный (передающий чувственные ощущения) каналы, станет управлять система, подобная компьютерной, - "виртуальная реальность", создающая эффект присутствия на поверхности изучаемого тела. Непосредственная сенсорная информация, полученная роботом (стереоскопическое изображение, звук, некоторые ощущения), будет записана и впоследствии доступна любому человеку, причем в форме, имитирующей естественное восприятие. Последнее обстоятельство создаст эффект сопричастности к освоению космического пространства всего общества, а не только ученых.

И еще несколько аспектов. Использование роботов в режиме "перенесенной реальности" позволит "побывать" на планетах (скажем, на Юпитере, Венере, Сатурне и др.), куда человеку в принципе путь заказан. Кроме того, в самых критических ситуациях, которые могут привести к гибели механических помощников, находящийся на расстоянии оператор будет получать информацию до самого последнего мгновения их существования.

Как уже говорилось, движущей силой "Космического странника" должен стать электрический, или, как его еще называют, электрореактивный двигатель малой тяги с солнечными батареями или ядерным реактором в качестве источника энергии. Подобные устройства в течение 25 лет используют в системе ориентации спутников и для коррекции их орбиты. Уже созданы и протестированы соответствующие установки, которые могут быть использованы как маршевые в космических кораблях. В отличие от применяемых сегодня химических или термических ядерных ракет с кратковременно работающим двигателем, для этого типа энергетических установок небесная механика представляет более широкие коридоры старта и прибытия. Здесь отпадает необходимость жесткого соблюдения назначенных сроков и траекторий полетных стадий, и экипаж сможет, если потребуется, оставаться около исследуемого объекта больше времени, чем планировалось, или оперативно скорректировать свой маршрут.

Авторы рассчитали оптимальные по соотношению "полезная нагрузка / общая масса корабля" варианты "Космического странника" с солнечными батареями и ядерным реактором. Правда, вычисления носили приближенный характер, ибо не были учтены реальные траектории полетов, а брались приближенные значения суммарного приращения скорости для реализации разных экспедиций. Тем не менее результаты прогнозов для беспилотной ракеты с элекгрореактивным двигателем дали расхождение со всеми ранее полученными на практике параметрами не более 10%. Вычисления проводили при значении коэффициента "масса / мощность энергосистемы", равном 24 кг/кВт для пленочных солнечных батарей и 10 кг/кВт для ядерной электроустановки. Значе-

стр. 55

ния брали из достигнутых или ожидаемых в ближайшее время характеристик. Между тем существуют еще и реальные оценки ядерных энергоустановок с использованием магнитогидродинамических генераторов (МГД) мощностью до 10 мВт и удельной массой около 1 кг/кВт. Разработан также проект электрического реактивного МГД- двигателя с тягой 1000 Н и скоростью истечения рабочего вещества до 20 км/с. Отсюда следует: параметры "Космического странника" на практике могут быть улучшены по сравнению с рассчитанными авторами.

Использование в расчетах только суммарного приращения скорости означает, что время выхода корабля на орбиты вокруг исследуемых планет не учитывается. Полученные оценки близки к реальным, если допустить, что старт и возвращение на околоземную орбиту осуществляется с помощью ускорительных и тормозящих ступеней, оснащенных химическими двигателями. Эти взлетно-посадочные устройства (ступени) не являются частью корабля и доставляются на околоземную орбиту отдельно.

Далее авторы рассматривают вопросы системы жизнеобеспечения космонавтов. Для "Космического странника" они, по мнению авторов, должны удовлетворять двум критериям - минимальной массе и оптимальной конфигурации - в зависимости от времени эксплуатации. Пока единственными претендентами, отвечающими этим двум условиям, видятся гибридные биолого-физико-химические системы. Реальность их создания подтверждена длительными полномасштабными испытаниями в наземном экспериментальном комплексе БИОС-3 Института биофизики СО РАН. Исследователи прожили в нем в общей сложности почти два года при полной регенерации атмосферы, воды и растительной части пищи. Было установлено: для обеспечения питания одного человека выращенными растениями при вегетарианской диете достаточно всего около 30 м ² , а для полной регенерации атмосферы (тоже для одного человека) - приблизительно 14 м ² . Эти размеры вполне подходят для "Космического странника": если учесть, что при компактной конструкции фитотронов ^* биоценоз площадью 14 м ² может быть размещен в объеме всего 6 м ³ , - тем более.

Рассмотрев три основные положения, показывающие реальность предлагаемого проекта, авторы обращаются к другим аспектам дальних перелетов. Прежде всего это опасность воздействия на организм человека космической радиации. Одним из вариантов зашиты от нее может служить щелочной металл, скажем цезий, ныне используемый как рабочее вещество в электрическом двигателе малой тяги. Слой этого вещества толщиной 20 см снижает солнечную радиацию (включая вспышки) почти до земного фона, а интенсивность галактического излучения падает примерно в 2 раза. Вероятно, антирадиационную защиту способны обеспечить и сжиженные инертные газы, применяемые сейчас в электрических двигателях.

Как уже говорилось, "Космический странник" будут собирать на околоземной орбите. При этом очень важно, чтобы отдельные компоненты системы (двигатель, роботы-манипуляторы и система жизнеобеспечения) проходили проверку в космических условиях. Полигоном для чего может стать Международная космическая станция ^** . Тогда стратегия "Космического странника" окажется естественным продолжением ее программы создания и развития.

^* Фитотрон - помещение для выращивания растений в искусственно регулируемых условиях (прим. ред.).

^** См.: В. П. Сенкевич. Российская космонавтика на рубеже веков. Наука в России, 2000, N 1 (прим. ред.).

Гительзон И. И., Барцев С. И., Межевикин В. В., Охонин В. А.

Дальний космос: люди или автоматы. - Вестник РАН, т. 70, N 7, 2000.

Материал подготовил А. К. МАЛЬЦЕВ

Постоянный адрес данной публикации: