CC BY
387
ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОБИТАЕМОЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ БАЗЫ НА ЛУНЕ
В.Д. БУРКОВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук,
В.П. ВАСИЛЬЕВ, проф. ОАО «НПК СПП», д-р техн. наук,
B.А. ЕСАКОВ, проф. каф. САУ МГУЛ, канд. техн.наук,
C.В. ПЕРМИНОВ, каф. ИИС и ТПМГУЛ, канд. техн.наук, Д.Г. ЩУКИН, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ,
Ю.С. КАПРАНОВ, начальник отдела ОАО «НПК СПП»,
Г.Э. КУФАЛЬ, начальник отдела ОАО «НПК СПП», канд. техн.наук,
А.Б. БУРЛАКОВ, проф. МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
ООО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения», г. Москва, Авиамоторная, 53 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова» 119991, Российская Федерация, Москва, Ленинские горы, д. 1 В работе рассмотрена потенциальная возможность создания постоянно действующей лунной базы, исходя из современного состояния отечественной космической отрасли. Проведена оценка технических и технологических средств для реализации такого проекта. Отмечается, что, в первом приближении, для создания лунной станции с посадочной массой в 100 т потребуется около 40 запусков ракеты типа «Протон». Стоимость доставки полезного груза, материалов и оборудования для создания лунной базы будет составлять около 3 млрд долларов. Для сокращения энергетики перехода на орбиту искусственного спутника Луны предлагается использование траектории полета от Земли к Луне нового «обходного» типа. Сборка лунного корабля на околоземной орбите в автоматическом режиме, перелет к Луне, перекомпоновка корабля-станции на окололунной орбите, спуск функционального модуля на поверхность Луны в автоматическом режиме займет не более месяца. При этом, в работе уделяется большое внимание первоочередным вопросам, с которыми будут вынуждены сталкиваться сменяемые экипажи обитаемой лунной станции: обеспечение необходимой теплоизоляции функционального блока лунной базы для компенсации перепадов температур в дневное и ночное время; обеспечение надежной защиты оборудования и персонала лунной базы от воздействия ионизирующих излучений космического пространства и излучений от солнечных вспышек. В перспективе проект создания стационарной лунной базы будет являться стартовой площадкой для дальнейшего освоения космического пространства, в частности, марсианских экспедиций и полетов к другим телам Солнечной системы. Большое значение имеет освоение Луны для решения целого ряда научных и прикладных задач, в том числе в плане изучения и отражения астероидной опасности. Ключевые слова: космические системы, Луна, космические полеты.
В настоящее время перед человечеством стоит множество разнообразных, весьма серьезных задач. Тут и перманентный экономический кризис, и разнообразные угрозы самому существованию привычной нам цивилизации от разгула терроризма до экологических катастроф. Все эти насущные задачи требуют своего разрешения. Авторы не сомневаются, что эти задачи будут так или иначе решены. Но вслед за одними решенными задачами неизбежно возникнут очередные. Какие, мы сейчас даже представить себе не можем, как не мог себе представить житель позапрошлого века проблему вирусного заражения компьютерных сетей. Но все эти задачи, проблемы, кризисы объединяет одно - они порождены на Земле и плоскость решения этих проблем лежит в плоскости земных интересов. Пока
очень немногие пытаются выйти из этого порочного круга и перенести решения сугубо земных проблем в космическое пространство.
Отсутствие общих цивилизационно-значимых целей, отсутствие соответствующей им идеологии заставляет Человечество вновь и вновь возвращаться к решению стандартных задач выживания и сохранения цивилизации в рамках привычных представлений.
Есть ли выход из этого порочного круга? Авторы видят выход для человечества в появлении новых горизонтов для развития, в космической экспансии. Впервые этот путь показал К.Э. Циолковский. С середины 50-х годов ХХ в. началось освоение околоземного космического пространства и затем первые экспедиции к планетам Солнечной системы [1].
Рассмотрим современное состояние космической отрасли и постараемся определить, способна ли современная космонавтика решать вопросы, которые были подняты в предыдущих абзацах. Авторы полагают, что в настоящее время назрела необходимость в создании долговременного форпоста вне привычных нам околоземных орбит. Таким форпостом может стать постоянная обитаемая лунная база. Начальным этапом непосредственного исследования лунной поверхности явился успешный запуск советской автоматической станции «Луна-9» [2]. Оценим возможность создания постоянно обитаемой лунной базы с точки зрения современных технических возможностей.
Сегодняшний этап развития космонавтики включает в себя, помимо чисто хозяйственных задач, и разработку долгосрочных космических программ [3]. В ряду этих проектов находится и проект создания стационарной лунной базы. Луна является естественной площадкой для дальнейших шагов в области освоения космического пространства, в частности, марсианских экспедиций и полетов к другим телам Солнечной системы. Большое значение имеет освоение Луны для решения целого ряда научных и прикладных задач, в том числе в плане изучения и отражения астероидной опасности [4, 5].
Ответим на основной вопрос - достаточен ли достигнутый к настоящему времени уровень земных технологий для решения задачи создания на Луне стационарной обитаемой базы? Нужны ли специальные разработки новых ракет-носителей?
Известны неудачи в создании лунной ракеты в СССР, не утихают споры о способности ракеты «Сатурн-5» доставлять необходимые грузы на Луну. Но зачем понадобилась разработка новых мощных ракет для доставки человека на ближайшую соседку Земли? Из уравнения Циолковского следует, что соотношение массы ракеты к массе полезного груза не зависит от того, будет ли космический аппарат для полета к Луне сначала выводиться на околоземную орбиту или будет стартовать на Луну непосредственно с поверхности Земли. В самом деле, если приращение Д V скорости равно
ЛУ = С/1п— т'
(1)
где и - скорость истечения продуктов сгорания ракетного двигателя; М и т - начальная и конечная массы ракеты соответственно. Из чего следует
М
А V
=еи ,
т
(2)
Следовательно, и при «ступенчатом» старте, когда конечное приращение скорости складывается из орбитальной скорости космического аппарата и скорости полета к
при соответс-
лун.КА г
Луне, т. е. Д V = V + V
^ спут л
твующих значениях выводимых масс тспут и
т
лун.КА
получим
М тС1
М
тспут тлун.КА
т
(3)
■лун.КА
С точки зрения надежности удобнее выводить космические аппараты (КА), предназначенные для полета к Луне, на околоземную орбиту частями, отдельными функциональными модулями. Впоследствии на монтажной околоземной орбите эти функциональные модули, снабженные собственными маневровыми двигателями, собирать в орбитальные блоки с собственными маршевыми двигателями. Заправка топливом как отдельных блоков, так и КА, предназначенного для полета к Луне, в целом, может быть проведена на той же монтажной орбите. Процедура заправки в космосе, так же как и стыковка отдельных блоков на околоземной орбите, к настоящему времени хорошо отработана. При этом не возникает необходимости разрабатывать и изготавливать новые гигантские ракеты-носители, аналогичные «Н-1», «Сатурн-5» или «Энергия».
Необходимо отметить, что исторически сложилась ситуация, что работы по созданию подобных сверхтяжелых ракет-носителей начались задолго до того, как была осуществлена первая автоматическая стыковка космических аппаратов (октябрь 1967 г.), что и предопределило характер и направленность «лунной гонки», развернувшейся в конце 60-х гг. прошлого века (Черток Б.Е.) [6].
В нынешних условиях, когда стыковка КА стала рутинной операцией при сборке и раз-
вертывании МКС, нет смысла строить новые ракеты-носители сверхтяжелого класса специально для создания стационарной лунной базы. Самый приблизительный расчет показывает, что для перевода КА с орбиты спутника Земли на лунную орбиту требуется четырехкратно увеличить его массу за счет дополнительной двигательной установки и горючего. Таким образом, КА с полезной массой в 20 т, находящийся на околоземной орбите, для старта к Луне должен иметь общую массу около 80 т.
Первый двадцатитонный модуль на окололунной орбите можно собрать за четыре запуска ракеты-носителя типа «Протон». На торможение и посадку на Луну уйдет приблизительно 50 % этой массы.
Следовательно, в первом, самом грубом приближении, для создания лунной станции с посадочной массой в 100 т потребуется около 40 запусков ракеты типа «Протон». Сама доставка полезного груза (материалы и оборудование) для создания лунной базы будет стоить менее 3 млрд долл. Расчет делался в приближении, что коммерческая стоимость одного старта ракеты-носителя типа «Протон» составляет около 70 млн долл. При этом следует отметить, что только разработка ракеты-носителя «Сатурн-5» обошлась в 9 млрд долл. в ценах 60-х гг. прошлого века.
Для непилотируемых космических аппаратов, где не требуется быстрая доставка грузов на Луну, дополнительный выигрыш по экономии топлива можно получить, оптимизируя траекторию полета к Луне [7]. Анализ показывает, что существуют траектории полета от Земли к Луне нового, «обходного» типа. В отличие от «традиционных» траекторий прямого полета с малым временем нахождения в пути, они используют отлет от Земли на большое расстояние, около 1,5 млн км, имеют большое время полета, порядка 100 суток и временный захват Луной КА на эллиптической орбите. Это заметно сокращает энергетику перехода на орбиту искусственного спутника Луны или для посадки на ее поверхность. Полет является полностью пассивным после ухода с околоземной орбиты.
Таким образом, первый из функциональных модулей лунной станции, массой 50-
60 т может быть установлен на лунной поверхности в течение весьма непродолжительного времени. Сборка лунного корабля на околоземной орбите в автоматическом режиме, перелет к Луне, перекомпоновка корабля-станции на окололунной орбите, спуск функционального модуля на поверхность Луны в автоматическом режиме займет не более месяца. Пилотируемый корабль, который доставит первый экипаж лунной станции, может состояться уже через 3-5 месяцев, после завершения тестовых операций на функциональном модуле. Задачей первого экипажа лунной станции, по-видимому, будет подготовка модуля к длительному существованию на поверхности Луны. Подготовительные операции в первую очередь должны включать развертывание систем связи «Луна-Земля» и «Луна-орбита -Земля». Сразу же после организации устойчивого канала связи и передачи информации между лунной станцией и наземным центром управления, а скорее всего, и одновременно с этим, необходимо провести операции по развертыванию энергетической установки для обеспечения потребностей лунной базы. На первых порах в качестве такой энергетической установки может быть использована солнечная электростанция на гибких элементах. Пленочные полупроводниковые преобразователи на основе GaAs с КПД более 20 % уже прошли проверку на борту искусственных спутников Земли. Впрочем, в качестве первой энергетической установки для нужд лунной базы могут быть использованы энергетические установки на основе кислород-водородных топливных элементов [8].
По окончании выполнения этих операций первый экипаж лунной станции должен быть эвакуирован на Землю. Для выполнения последующих операций по дальнейшей эксплуатации лунной станции необходимо решить следующие вопросы.
1. Оценить необходимый грузопоток по маршруту Земля-Луна (т/г) с целью его последующей оптимизации.
2. Обеспечить необходимую теплоизоляцию функционального блока лунной базы для компенсации перепадов температур в дневное и ночное время.
3. Обеспечить надежную защиту оборудования и персонала лунной базы от воздействия ионизирующих излучений космического пространства и излучений от солнечных вспышек.
4. Рассмотреть вопрос создания оранжереи при лунной базе для перехода к частичному самообеспечению продовольствием.
5. Решить вопрос утилизации отходов деятельности базы с целью включения их в частично замкнутый кругооборот вещества и энергии.
Данные вопросы уже рассматривались в работах Легостаева В.П. и Перминова А.Н. [7, 8], но решения, предложенные этими авторами, зачастую излишне громоздки и не позволяют оптимизировать как грузопотоки по трассе Земля-Луна, так и энергопотребление собственно лунной базы. Во-первых, если исходить из опыта эксплуатации околоземных орбитальных станций («Салют», «Мир», МКС), то при непрерывной эксплуатации лунной базы необходимо обеспечить грузопоток порядка 100 т/г. При использовании существующих ракет-носителей такой грузопоток приведет к недопустимо высокой нагрузке на экологию Земли, особенно в районах, где будут размещены «лунные» космодромы. В настоящий момент такими космодромами могут стать космодром Байконур, стартовые площадки полигона Куру и космодром во Флориде. Таким образом, снижение потребного грузопотока для обеспечения потребностей лунной базы является приоритетной задачей. Именно поэтому задачи частичного самообеспечения базы продовольствием (оранжерейное хозяйство) и утилизация отходов с вовлечением последних в необходимый массооборот, помогут решить и задачу снижения грузопотока.
Что касается вопросов тепловой и радиационной защиты, то эти задачи тесно взаимосвязаны. Тепловая изолирующая подушка, по данным Легостаева В.П., должна иметь толщину не менее нескольких дециметров, что объясняется низкой теплоемкостью лунного грунта [7], но и защита от космических ионизирующих излучений персонала и оборудования лунной базы должна иметь примерно такую же мощность. При удельном весе рего-
лита примерно 3,5 г/см3и необходимом слое защиты около 0,3-0,4 кг/см2 получаем толщину защитного слоя от 86 до 115 см. Таким образом, задача тепловой и радиационной защиты основных сооружений лунной базы решаются одновременно. В литературе [6,7] описан метод защиты сооружений и персонала лунной базы слоем реголита. Исходя из примерных размеров функционального модуля обитаемой лунной базы длина 10 м, диаметр - 4 м, необходимо переместить от 75 до 100 м3 лунного грунта. Такой объем грунта переместить в некомфортных условиях весьма затруднительно (Для сравнения - в земных условиях для относительно мягкого грунта норма выработки для земплекопа составляет 8 м3 за рабочий день). Академик Легостаев В.П. с соавторами [7] предлагает использовать для целей перемещения лунного грунта сборные, доставляемые с Земли механизмы, аналогичные скреперам и экскаваторам. Следует отметить, что помимо значительного собственного веса, эти устройства потребуют собственного независимого энергообеспечения. Кроме того, по данным эксплуатации Луноходов 1 и 2 было выявлено высокое абразивное действие лунного грунта (реголита) [1]. В жестких условиях эксплуатации - перепады температур, ограниченная энерговооруженность и сильное абразивное воздействие перемещаемого грунта следует ожидать низкой эксплуатационной надежности предлагаемых механических средств. Авторы предлагают найти альтернативный способ перемещения значительных объемов реголита, обладающего значительной сыпучестью. Одним из таких способов может служить перемещение грунта посредством направленного взрыва. Как показывают предварительные расчеты, можно подобрать тип взрывчатых веществ, которые обладают низкой скоростью горения (бризантностью) и в то же время вполне применимы в условиях вакуума [9].
Вопрос о создании оранжерей на Луне, получение урожаев для нужд персонала и технологических целей пока остается открытым. Развитие живых систем в условиях пониженной гравитации и низкого магнитного поля еще не изучено. Правда, уже есть первые обнадеживающие результаты. В частности,
«эффект Сураева», когда в результате незапланированного эксперимента космонавтом М. Сураевым на борту МКС был получен первый в мире урожай зерновых [10]. Таким образом, вопросы, поставленные авторами в данной работе, вполне могут быть решены даже на современной технологической базе. Ряд конкретных вопросов - освещение жилых и рабочих помещений, утилизация отходов, рекуперация воды не нашли отражения в данной работе. Эти вопросы требуют отдельного подхода и будут рассмотрены в следующий раз.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ.
Библиографический список
1. Мороз, В.И. Планетные экспедиции ХХ века / В.И. Мороз, В.Т. Хантресс, И.Л. Шевелев // Космические исследования, 2002. - Т. 40. - № 5. - С. 451-481.
2. Есаков, В.А. Аналитический обзор исследования Луны космическими аппаратами, запущенными в СССР по лунной программе / В.А. Есаков // Технический отчет ОКР «Луна-2», ЦНИИМАШ-МГУЛ. - 2005. - 93 с.
3. Федеральная космическая программа РФ на 2006-2015 годы. Основные положения. Утверждена постановлением Правительства РФ от 22 октября 2005 г. - № 635. -С. 14.
4. Есаков, В.А. Обзор и анализ использования возможных источников измерительной информации по космическим объектам в работах, связанных с «космическим мусором» / В.А. Есаков // Технический отчет ОКР «АС-ПОС ОКП», ЦНИИМАШ-МГУЛ. - 2006. - 36 с.
5. Бурков, В.Д. Проблема противодействия астероидной опасности космическими средствами / В.Д. Бурков, В.А. Есаков, Г.Э. Куфаль, Ю.С. Капранов, С.В. Перминов, Н.А. Харитонов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2011. - № 5(81). - С. 157-169.
6. Черток Б.Е. Ракеты и люди: О работе над пилотируемой лунной программой: Воспоминания. Т.4. / Б.Е. Черток. - М.: Машиностроение. 2002. - 569 с.
7. Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы: под ред. В.П. Легостаева, В.А. Лопоты. - М.: РКК «Энергия». 2011. - 584 с.
8. Перминов, А.Н. Перспективы освоения Луны / А.Н. Перминов, Н.Ф. Моисеев, Н.Н. Севастьянов и др. // Изв. РАН. Энергетика, 2006. - № 1. - С. 3-14.
9. Эпов, Б.А. Основы взрывного дела / Б.А. Эпов. - М.: Воениздат, 1974. - 224 с.
10. Бурлаков, А.Б. Механизм взаимодействия биологических объектов / А.Б. Бурлаков, Ю.С. Капранов, Г.Э. Куфаль, С.В. Перминов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2010. - Т. 15. - № 11. - С 44-53.
POSSIBILITY CREATION OF CONSTANTLY OPERATION THE MOON BASE Burkov VD., Prof. MSFU, Dr. Sci. (Tech.); Vasiliev VP., Prof. SPC CPR, Dr. Sci. (Tech.); Esakov VA., Prof. MSFU, Ph.D.
(Tech.); Perminov S.V, MSFU, Ph.D. (Tech.); Schukin D.G., MSFU; Kapranov J.S., SPC SPP; Kufal G.E., SPC CSE, Ph.D. (Tech.);
Burlakov A.B, Prof. MSU, Dr. Sci. (biol.)
Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow reg., Russia, Research and Production Corporation» Precision Instrumentation Systems, Russia, Moscow, Aviamotornaja 53, Lomonosov Moscow State University, GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia The paper considers the potential of creating a permanent lunar base in terms of the state of the domestic space industry. It contains an assessment of the technical and technological resources for the implementation of such a project. It is noted that, as a first approximation, it will take about 40 launches of «Proton» launch vehicle to create a lunar station with the landing mass of 100 tons. The delivery ofpayload, materials and equipment for building a lunar base would cost about 3 billion $. To reduce the energetics of the jump to the lunar orbit it is suggested to use the new «bypass» type flight path from the Earth to the Moon. It will not take more than a month to assemble the lunar craft in the Earth orbit in the automatic mode, reach the Moon, transform ship-station in the lunar orbit and perform the descent of the function module to the lunar surface. At the same time, the paper pays great attention to the priority issues exchangeable crews will have to face on manned lunar station: providing the necessary thermal insulation of lunar base function block to compensate the changes in temperature during the day and night; reliable protection of a lunar base equipment and personnel from the effects of ionizing radiation from space and solarflares radiation. In the long term, the establishment of a stationary lunar base is the starting point for further exploration of outer space, in particular, the Mars mission and missions to other planets of the solar system. The mastering of the moon has a great importance for a wide range of scientific and applied tasks, including those in terms of study and reflection of the asteroid hazard. Keywords: Space systems, the Moon, the space flights.
References
1. Moroz V.I., Huntress V.T., Shevelev I.L. Planetnye ekspeditsiiXX veka [Planetary expeditions of the XX century]. Space Research, 2002, vol. 40, № 5, p. 451-481.
2. Esakov V.A. Analiticheskii obzor issledovaniya Luny kosmicheskimi apparatami, zapushchennymi v SSSRpo Lunnoiprogramme [Analytical review of lunar exploration spacecraft, launched in the Soviet Lunar program]. Technical report OCD «Luna 2», TSNIIMASH-at MSFU, 2005, pp. 93.
3. Federal'naya kosmicheskaya programma RF na 2006-2015 gody. Osnovnye polozheniya. Utverzhdena postanovleniem Pravitel'stva RF ot 22 oktyabrya 2005 g. [Federal Space Program of the Russian Federation in 2006-2015. Basics. Approved by the Government of the Russian Federation on October 22, 2005]. № 635. pp. 14.
