Научная статья на тему 'Космические программы: когда безумствует мечта - души прекрасные порывы'

Космические программы: когда безумствует мечта - души прекрасные порывы Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
1025
229
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ / КАТАСТРОФЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ / ОЦЕНКА РИСКА / МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ / ПРОГНОЗНЫЙ МОНИТОРИНГ / ДИСКОНТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ / SPACE ELEVATOR / ACCIDENTS OF SPACE VEHICLES / RISK ESTIMATION / INTERPLANETARY STATIONS / FORECAST MONITORING / DISCOUNTING OF PERFORMANCE

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Самков Леонид Михайлович

Представлен критический обзор популярных идей по космическим программам. Проанализированы ошибки, ставящие под угрозу их реализацию. Оценены риски фатальных катастроф. Предложена новая концепция, предусматривающая не экспедиции посещения, а полномасштабное освоение космоса. Предложена необходимая для этого инфраструктура и логистика, включающая систему межпланетных станций и челночный режим их эксплуатации. Анонсирована модернизация системы прогнозного мониторинга, разработанная автором несколько десятилетий назад.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Самков Леонид Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Space Program: When the Dream Raves - Ravel One Out

The critical review of popular ideas under space programs is presented. The errors threatening their realisation are analysed. Risks of fatal accidents are estimated. The new concept providing space exploration rather than visiting mission is offered. The needed infrastructure and the logistics including interplanetary stations and a shuttle mode of their operation are offered. The upgrading of the forecast monitoring, developed by the author several decades ago is announced.

Текст научной работы на тему «Космические программы: когда безумствует мечта - души прекрасные порывы»

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 г. Выпуск 3 (22). С. 102-106

УДК 001.18:629.78

КОСМИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ: КОГДА БЕЗУМСТВУЕТ МЕЧТА - ДУШИ ПРЕКРАСНЫЕ ПОРЫВЫ

Л. М. Самков

Начнем с цитаты из повести А. Кларка «Фонтаны рая» [1].

«Башня, несмотря на свои колоссальные размеры, служила всего лишь основой еще более сложного сооружения. Вдоль ее четырех граней пройдут пути длиной в 36 тысяч километров, работоспособные при скоростях, каких еще никогда никто не пытался достичь. Дорога по всей длине должна питаться энергией, подаваемой по сверхпроводящим кабелям от мощных ядерных генераторов. Управлять всем этим хозяйством будет невероятно сложная сеть безотказных компьютеров».

Теперь давайте посчитаем. Мы должны построить башню высотой 36000 километров. Сколько нужно монтировать каждый день всех этих сверхпроводящих кабелей (не считая всего прочего), чтобы закончить всю работу хотя бы за сотню лет? Правильно - каждый день по километру! И не нужно быть инженером, чтобы понять, насколько это безнадежно.

Более обещающей, казалось бы, выглядит идея космического лифта, в которой вместо башни используется трос, по которому, как по рельсу, движется космический аппарат. Проект активно обсуждается энтузиастами, а одна фирма даже взялась к 2018 году построить такой лифт [2]. Правда, потом срок отодвинули на 2031 год [3]. Однако простой расчет показывает [4], что диаметр троса, чтобы он не оборвался, экспоненциально зависит от высоты, и при использовании традиционных конструкционных материалов должен быть порядка сотни километров. Использование же перспективных материалов (например, углеродных нанотрубок), которые, согласно указанным источникам, будут иметь прочность в десятки раз выше, соответственно уменьшит необходимую площадь поперечного сечения троса. При этом диаметр троса уменьшится, по меньшей мере, в 10 раз, то есть должен быть порядка 10 км., а площадь поперечного сечения 78 км2. В этом случае максимальный объем монтируемых за сутки конструкций при том же сроке строительства (100 лет) составит 78 км3. Каждый день (!) нужно будет забрасывать на геостационарную орбиту объем наноматериалов, равный годовому стоку реки Невы. Пожалуй, цивилизация, способная на такие подвиги, не будет нуждаться в космическом лифте.

И, однако же, все это обсуждается совершенно серьезно. Более того, отрабатывают системы перемещения аппаратов по этому еще не существующему тросу и даже устраивают гонки роботов по нему [5].

Приведенные примеры демонстрируют одно опасное психологическое явление, когда увлеченность мечтой отключает способность просчитать хотя бы еще на один ход вперед (как выражаются шахматисты), причем на уровне школьников не самых старших классов.

А вот пример двухходовки, только неправильной. В фильме «Москва-Кассиопея» отроки отправляются на Альфу Кассиопеи спасать братьев по разуму. Но по пути они пролетают мимо Проксимы Центавра. Безупречное умозаключение - раз Проксима ближайшая к нам звезда, ну как ее минуешь? А на самом деле расположены эти звезды в диаметрально противоположных точках звездного неба (координаты соответственно (14ь30ш, -62°40’) и (0Ь40Ш, +56°32’)). Выезжая из Москвы в Санкт-Петербург ну как не посетить Тулу?

Алхимиков, которые занимались трансмутацией химических элементов, можно понять, они еще не владели теми знаниями о природе вещества, которые позволяют решать эту задачу в наше время. Но ведь в приведенных выше примерах нет ничего непознанного, нужно только воспользоваться знаниями, лежащими на поверхности. Что же говорить о современных проектах, включающих непознанные элементы, например, управляемая термоядерная реакция или пилотируемый полет на Марс.

Остановимся на последнем, поскольку для него особенно велики как риски, так и затраты. В таких проектах даже небольшие конструктивные ошибки могут быть фатальными, как показывает опыт последних запусков в нашей стране. Тем более следует внимательно отнестись к принципиальным ошибкам. Большинство выявляются на стадии проектирования или испытаний, но есть и такие, которые могут проявиться, когда пройдена точка невозврата. Катастрофы могут быть критически опасными для самого существования проекта. Достаточно вспомнить взрыв дирижабля «Гинденбург», после которого был фактически исключен целый класс летательных аппаратов. Катастрофы челноков привели к преждевременному прекращению данной программы, и в результате шаттлы отлетали менее трети запланированного для них ресурса полетов [6]. После каждой катастрофы на два года прекращались полеты челноков. Для марсианской же экспедиции подобная катастрофа отбросит нас не на годы, а на десятилетия.

Можно оценить надежность таких проектов, поскольку уже накопилась достаточная статистика (таблица 1).

Таблица 1. Оценка рисков космических проектов

Проект Число полетов Число фатальных катастроф Оценка вероятности катастрофы, % Доверительный интервал Примечания

Восход [7] 6 1 16,7 [8-25] Беспилотный полёт 22.02.1965

Союз [8] 134 2 1,5 [0,9-2] Союз-1 24.04.1967, Союз-11 29.06.1971

Салют-Мир [9] 16 1 6,2 [3-9,5] Беспилотный полет, разгерметизация 13.04.1973

Джемини [10] 13 1 7.7 [3,7-11,7]

Аполлон [11] 10 1 10 [4,8-15,2] Аполлон-13 11.04.70

Космический челнок [6] 135 2 1,5 [0,9-2] Челленджер 28.01.1986, Колумбия 1.02.2003

Мы учли катастрофы с аппаратами, работавшими в беспилотном режиме, но предназначенными для пилотируемых полетов. Но не учли в количестве полетов «Аполлон-7», поскольку он летал на околоземной орбите, что не соответствует цели программы «Аполлон».

Катастрофу «Аполлона-13» считаем фатальной, поскольку космонавтам удалось спастись только благодаря близости Земли и тому обстоятельству, что аппарат фактически уже находился на орбите возвращения. При полете на Марс в подобном случае спасение было бы невозможным.

Доверительный интервал для вероятности катастрофы рассчитан с использованием критерия Стьюдента при однопроцентном уровне значимости. Наиболее точные оценки вероятности фатальной катастрофы можно получить по проектам «Союз» и «Космический челнок», у которых число полетов на порядок выше, чем у других проектов. Нет оснований полагать, что полет на Марс будет более надежным, учитывая, какой уровень героического энтузиазма сопутствует его подготовке и отмеченные выше опасности ошибок.

Уровень риска 1,5 % следует считать базовым. Для марсианского проекта он может только возрасти, поскольку добавляются факторы, которых раньше не было, и в первую очередь радиационная опасность [12]. Снизить уровень риска можно только за счет принципиально новых подходов к планированию, проектированию и организации марсианской экспедиции.

Проект «Марс-500» осуществляет имитацию жизни экипажа в течение 500 дней, которые требуются для полета к Марсу и возвращения. При этом, однако, остаются непротестирован-

ными важнейшие факторы, такие, как радиационный фон, невесомость, психологический фактор оторванности от Земли. Еще важнее изучить совместное действие перечисленных факторов на организм, их синергию. Некоторые эксперименты ставят на животных, например, радиационные угрозы изучены на макаках [13] в наземном эксперименте, то есть без учета невесомости, а также все того же психологического фактора - обезьяна не знает, что такое радиация, и не осознает, что от нее никуда не скроешься, находясь за миллионы километров от Земли. По-настоящему полезные результаты можно получить только в опытах на людях и только в глубоком космосе с реальной радиационной нагрузкой. Марсианский экипаж следует тестировать в точке Лагранжа Ь2 системы «Солнце-Земля», что обеспечит комплексный учет всех факторов, кроме одного - фактора принципиальной невозможности вернуться на Землю при возникновении критической ситуации. Этот фактор проанализирован в рассказе Гаррисона «Тренировочный полет» [14] - космонавты просто посходили с ума, когда вдруг обнаружили, что находятся на настоящем Марсе, а не экспериментальном.

Главной задачей такого эксперимента должно быть определение предельного срока экспедиции, что позволит сформулировать вариационную задачу выбора такой траектории (и соответственно соотношения полезной нагрузки и запаса топлива), которая бы соответствовала этому предельному сроку полета. Могут быть также сформулированы требования к желаемым характеристикам двигателя (возможно, придется подождать создания ядерного двигателя).

Саму концепцию марсианского проекта нужно пересмотреть. Он не должен повторять программу «Аполлон» - несколько экспедиций посещения со скудными научными результатами, которые вполне могли бы получить роботы. Точно так же не следует отправлять людей на Марс выполнять работу, которую могут сделать роботы. Нужно поставить цель сразу начать освоение Марса, даже если это отодвинет сроки. Воспользуемся аналогиями с подобными проектами освоения Земли. Колумб предпринял экспедицию, в результате которой открыл Америку. Но ведь нам же не надо открывать Марс, мы прекрасно знаем, где он находится, и что нас там ждет. В рамках программы «Аполлон», не ставящей целью заселение Луны, вначале были осуществлены четыре «пристрелочных» полета («Аполлоны 7-10»). А гораздо более сложную задачу достижения Марса мы собираемся осуществить с первой же попытки. После такого рывка, скорее всего, произойдет то же, что и с Луной - надолго о Марсе забудем, поскольку регулярные экспедиции при существующей концепции будут нереальны ввиду крайне низкого отношения эффективности к затратам.

Восхождение на Эверест даже ради его посещения, а не освоения, требует создания промежуточных лагерей и челночных походов между ними для доставки необходимых грузов. Для освоенных же территорий непременными элементами инфраструктуры их транспортных систем являются железнодорожные станции, альпинистские лагеря, промежуточные базы и т. п., которые служат для пополнения запасов топлива и провианта, обслуживания путешественников. Отсутствие такой инфраструктуры (длительный поход подлодки, антарктическая зимовка) чревато тяжелыми последствиями в случае заболевания или несчастного случая [15]. В точности те же реалии относятся к завоеванию Марса.

Целесообразно создание подобных станций в точках Лагранжа, а также на орбитах между Землей и Марсом, с использованием богатейшего опыта создания и эксплуатации МКС. Если будет создано «ожерелье» таких станций, промежутки между окнами запуска будут исчисляться не годами, а месяцами, что существенно повысит безопасность полетов на Марс. Расписание полетов будет определяться не марсианскими противостояниями, а противостояниями этих станций. Следует использовать комбинированный вариант - грузы (провиант, рабочее тело и топливо) доставляются на станцию медленно, но в больших объемах, поскольку грузам радиация не опасна. А экипаж летит налегке и быстро, что снижает кумулятивную радиационную нагрузку. Возможен вариант использования высвободившихся ресурсов и для более надежной системы жизнеобеспечения, включающей радиационное убежище, искусственное тяготение, оборудование для физических упражнений. При возникновении аварийной ситуации можно на станции получить необходимую, в том числе врачебную, помощь, осуществить эвакуацию на Землю.

В более отдаленной перспективе подобные станции будут создаваться в астероидном поясе для полетов к внешним планетам.

При планировании космических экспедиций важнейшее значение имеет учет социальных, экономических и политических факторов, поскольку необходимое финансирование предоставляют организации, не мотивированные космическим будущим человечества. Наиболее убедительны для них экономические аргументы. Околоземная космонавтика обеспечивает высокую прибыль от космического мониторинга земной поверхности, прогнозов погоды, спутников связи, навигации (GPS). Лунные же экспедиции получают сильный стимул после обнаружения на Луне воды, что должно существенно снизить издержки ее освоения. Однако получение прибыли проблематично, пока не будут найдены на Луне достаточно ценные и дефицитные на Земле минералы.

Многое зависит от будущих открытий и изобретений. Как только будет решена проблема управляемой термоядерной реакции, станет актуальной добыча на Луне гелия-3 [16]. Создание ядерного реактивного двигателя существенно упростит полеты на Марс, а открытие надежного анабиоза - к внешним планетам. То есть нужно при проектировании учитывать изобретения и открытия, которые еще не сделаны, но которые можно предвидеть.

При этом возникает опасность оторваться от реальности, чтобы этого не произошло, нужна строгая дисциплина расчета необходимых параметров проекта в их функциональной взаимосвязи и масштабируемости.

При проектировании сложной системы конструктор обычно руководствуется информацией об имеющихся в наличии на рынке материалах и комплектующих изделиях, их параметрах, которые должны быть системно соединены в конструкции. Специфика же космических проектов состоит в том, что приходится ориентироваться не на то, что имеется сейчас, а то, что еще только будет разработано, изобретено, открыто в ближайшие (а может и отдаленные) годы. Возникает необходимость в непрерывном процессе прогнозирования этих изобретений и открытий как естественной составной части самого процесса проектирования [17]. Этот процесс можно назвать прогнозным мониторингом среды проекта, органично связанным с процессом управления проектом.

Согласование прогнозных значений технических параметров нужно осуществить таким образом, чтобы они относились к одному и тому же моменту времени в будущем, а именно к моменту завершения проекта. Это аналогично дисконтированию финансовых показателей [18], то есть их приведению к одному моменту времени. Например, при годовой инфляции 10 % сегодняшние 100 рублей эквивалентны 110 рублям через год. В качестве прогнозной функции используется экспонента. При дисконтировании же технического параметра [19] используется его прогнозная функция (не обязательно экспонента), полученная в результате прогнозного мониторинга или математического моделирования. Затем проверяется согласованность дисконтированных значений различных параметров на момент завершения проекта путем расчета интегрального критерия. В результате получаем оценку реализуемости проекта.

Если проект не удовлетворяет критерию реализуемости для какого-либо года предполагаемого завершения проекта, нужно провести перерасчет для следующего года и так далее. Прирост технических параметров, произошедший благодаря техническому прогрессу, в конце концов даст нам реализуемость проекта (или же, увы, не даст!).

Прогноз может оказаться чересчур оптимистичным, что выясняется по мере приближения к сроку его исполнения. Непрерывность прогнозного мониторинга позволит своевременно скорректировать стратегию проекта.

Если же, наоборот, дела идут лучше, чем спрогнозировано (например, сделано ключевое открытие или изобретение, не предусмотренное в прогнозе), следует без промедления развить успех, перераспределить ресурсы, добиться выделения дополнительных средств. Необходимая обосновательная аргументация уже будет сформулирована в прогнозном мониторинге.

Описанная методика была разработана автором несколько десятилетий назад и использовалась для системы программно-целевого управления прикладными разработками [17, 20] в условиях существовавшей тогда плановой социально-экономической системы.

В заключение автор выражает глубокую признательность Георгию Михайловичу Гречко

за вдохновляющую дискуссию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кларк А. Фонтаны рая [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lib.ru/KLARK/fontany.txt.

2. Прототип космического лифта испытан в Аризоне [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/9719.

3. Топ-5 частных космических проектов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rb.ru/inform/25517.html.

4. Космический лифт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator (некоторые расчеты переведены на русский язык в http://ru.wikipedia.org/wiki/Космический_лифт).

5. Гонка космических лифтов завершится в 2010 году [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/373.

6. Спейс шаттл [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Спейс_шаттл.

7. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Восход (космический корабль).

8. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Союз (космический корабль).

9. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Салют (космическая программа).

10. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Джемини (космический корабль).

11. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Аполлон (программа).

12. Защитить космонавтов от радиации в полете к Марсу пока что нечем [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.polit.ru/news/2011/09/01/space_radiomars.

13. Марс-500 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Марс-500.

14. Гаррисон «Тренировочный полет» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lib.rus.ec/b/75001/read.

15. На Западе вспоминают и до сих пор чтут советского хирурга, который сам себе вырезал аппендикс на антарктической базе [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.newsru.com/world/12jan2010/rogozov.html.

16. Гелий-3 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Гелий-3.

17. Самков, Л. М. Информационно-прогностическая подсистема как составная часть системы непрерывного прогнозирования [Текст] / Л. М. Самков, В. А. Чабровский // Опыт и задачи прогнозирования в промышленности. - Л. : ЛДНТП, 1976. - С. 31-34 ([Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mtb.uriit.ru/saml/Pub/0021.pdf).

18. Дисконтирование [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Дисконтирование.

19. Самков, Л. М. Дисконтирование прогностических оценок результата разработок [Текст] / Л. М. Самков // Практика прогнозирования развития науки и техники. Материалы краткосрочного семинара. - Л. : ЛДНТП, 1977. - С. 28-30 ([Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mtb.uriit.ru/saml/Pub/0023.pdf).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.