Высотные обитаемые опоры взлётно-посадочного комплекса общепланетарного транспортного средства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.016

Высотные обитаемые опоры взлётно-посадочного комплекса общепланетарного транспортного средства

А.Э. Юницкий12

доктор философии транспорта

М.В. Кубышкин2 А. Г. Кошелев2 Р.А. Малахов2

1 ООО «Астроинженерные технологии»,

г. Минск, Беларусь

2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь

ГГ

Индустриализация околоземного пространства - одна из ключевых задач человечества, инженерное решение которой важно найти в кратчайшие сроки. Авторами статьи выполнены расчёты потенциальной потребности в людских ресурсах, необходимых для функционирования космической промышленности в ближайшей перспективе. Впервые представлено техническое обоснование расселения обслуживающего персонала данной индустрии в обитаемых опорах взлётно-посадочного комплекса (ВПК) общепланетарного транспортного средства (ОТС). Рассмотрено их функциональное наполнение, предложены объёмно-планировочные варианты, проведён инженерный анализ возможности строительства обитаемой опоры высотой до 3000 м.

Ключевые слова:

взлётно-посадочный комплекс (ВПК), космическая промышленность, небоскрёб, обитаемая опора, общепланетарное транспортное средство (ОТС), Струнные технологии Юницкого (ЮСТ).

UDC 624.016

High-Altitude

Inhabited Supports

of the Takeoff

and Landing Complex

of the General Planetary Vehicle

A. Unitsky12

Ph.D. in Information Technologies (Transport)

M. Kubyshkin2

A. Koshelev2

R. Malakhau2

1 Astroengineering Technologies LLC,

Minsk, Belarus

2 Unitsky String Technologies Inc., Minsk, Belarus

PP

Industrialization of near-Earth space is one of the key tasks of humanity, the engineering solution

of which is important to find as soon as possible. The authors of the article made calculations

of the potential need for human resources necessary for the space industry functioning in the near future.

For the first time, a technical solution for resettlement of service personnel of this industry

in the inhabited supports of the takeoff and landing complex (TLC) of the General Planetary Vehicle (GPV)

has been presented. Their functional content was considered, space-planning options were proposed,

and an engineering analysis of the possibility to construct the inhabited support

with a height of up to 3,000 m was carried out.

Keywords:

General Planetary Vehicle (GPV), inhabited support, skyscraper, space industry, takeoff and landing complex [TLC], Unitsky String Technologies (uST).

Введение

Одним из первых решений человека, демонстрирующих его разумность, стал перенос очага за пределы своего дома - пещеры. Огонь в то время не только служил для обогрева, но и был прототипом производственной площадки. Возле костра человек реализовывал свои первые технологические решения: выделывал шкуры зверей, готовил пищу, создавал примитивные орудия труда и охоты. Естественно, дым, гарь и копоть скапливались внутри жилища. Порой не доживая и до 20 лет, человек умирал от рака лёгких [1]. С того момента, когда огнище разместилось рядом с пещерой - на природе, люди смогли дышать в своём доме чистым воздухом.

Сегодня идея перемещения производства в ближний космос кажется такой же очевидной, как и перенос огня предками за пределы собственного жилища много тысяч лет назад. Сейчас нашим общим домом стала земная биосфера, населённая миллионами видов живых существ, один из которых, причём отнюдь не самый главный для биосферы, - человек.

По мнению экспертов, наибольшую вероятность переноса в ближний космос имеют следующие отрасли промышленности: горнодобывающая, энергетика, металлургия, химическое производство, а также изготовление новых неметаллических материалов, фармацевтика, биоинженерия [2].

Несмотря на непрекращающийся прогресс в автоматизации, промышленное производство немыслимо без человека. В данной работе осуществлено исследование, позволяющее определить количество людей для организации космической индустрии, их мест жительства и перемещений для ведения активного образа жизни.

Укрупнённый расчёт

потенциальной потребности в людских ресурсах для функционирования космической индустрии

Согласно данным Всемирного банка [3] количество населения, занятого в промышленности, остаётся довольно стабильным на протяжении последних 30 лет (рисунок 1)

и находится в диапазоне 20,4-23,4 % от общего числа занятых в мировой экономике. В целях дальнейших расчётов примем долю населения, занятого в промышленности, - 23 %.

Доля занятых в мировой экономике от общего числа трудоспособного населения довольно стабильна на протяжении 15 лет и составляет 67 % [4]. В свою очередь, число

трудоспособных людей находится на уровне 65 % от общего количества жителей планеты, этот показатель также не меняется в течение 15 лет [5]. Таким образом, перемножив вышеуказанные значения, получим долю занятых в промышленности от всего населения планеты:

0,23 х 0,67 х 0,65 = 0,1.

Исходя из данных укрупнённых расчётов, можно сделать вывод, что в мировой промышленности задействовано около 10 % всего населения планеты. Причём этот показатель остаётся стабильным на протяжении последних десятилетий, несмотря на всеобщую диджитализацию и автоматизацию производственных процессов.

Согласно данным ООН численность населения планеты в 2050 г. составит 9687 млн человек (таблица 1) [6], т. е. в мировой промышленности будет занято около 970 млн человек.

Представим, что к 2050 г. 5 % объёма мирового промышленного производства будет расположено в околоземном пространстве. В данном случае потенциальная потребность в персонале для полноценного функционирования космической индустрии составит около 50 млн человек.

Исторически люди селились в непосредственной близости от крупных предприятий, создавая такие сообщества, как моногорода. Следовательно, работники станут стремиться населить область, находящуюся недалеко от производства, - ближний космос (рисунок 2).

1 I

>ООо< '«о,«' )«в«о( 1°«-ооо< )

1991 1995 2000 2005 2010 2015 2021 Год

•■•«••■ Мужчины --о-- Женщины —•— Всего

Рисунок 1 - Доля населения, занятого в промышленности, от общего числа занятых в мировой экономике [3]

Таблица 1 - Прогноз количества населения планеты, млн человек

Регион Год

2022 2030 2050

Африка к югу от Сахары 1152 1401 2094

Северная Африка и Западная Азия 549 617 771

Центральная и Южная Азия 2075 2248 2575

Восточная и Юго-Восточная Азия 2342 2372 2317

Латинская Америка и Карибский бассейн 658 695 749

Австралия/Новая Зеландия 31 34 38

Океания 14 15 20

Европа и Северная Америка 1120 1129 1125

Наименее развитые страны 1112 1328 1914

Развивающиеся страны, не имеющие выхода к морю 557 664 947

Малые островные развивающиеся государства 74 79 87

Мир 7942 8512 9687

Однако существует серьёзная проблема: человеческий организм адаптирован только к условиям жизни на Земле. Мы эволюционно, в течение миллионов лет, приспособлены к стандартной силе земного притяжения, магнитному и электрическому полю нашей планеты, атмосфере, обогащенной фитонцидами цветущих растений, слабоминерализованной родниковой воде и продуктам питания, выращенным на земной живой и плодородной почве [1].

Решением этой проблемы станет использование опор экваториальной эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС) для проживания и работы, превращение их в аналог земных моногородов, которые хорошо знакомы в наше время. Обитаемые опоры открывают перспективы для экономического роста, технологических инноваций и создания комфортабельного жилого пространства. Тем не менее важно изучить сложности, с которыми моногорода сталкивались на протяжении своей истории существования, прежде чем приступить к реализации подобного подхода.

Рисунок 2 - ОТС и космическое индустриальное ожерелье «Орбита» -принципиально новый этап в развитии человеческой цивилизации

Градостроительные предпосылки размещения обитаемых опор взлётно-посадочного комплекса ОТС

Монопромышленные города, также известные как моногорода (рисунок 3), представляют собой сообщества, экономическое выживание которых в значительной степени зависит от одной отрасли. Хотя эти поселения часто процветают в успешные времена, они сталкиваются с серьёзными проблемами (таблица 2) [7], когда их ведущая промышленность приходит в упадок.

Рисунок 3 - Вид традиционного моногорода

Таблица 2 - Общие проблемы моногородов Область

возникновения Описание проблемы

проблемы

Экономика

Социальная и культурная сфера

Отсутствие альтернативных отраслей или источников дохода, что делает моногорода уязвимыми перед страновыми и общемировыми экономическими колебаниями и кризисами. Спад в градообразующей отрасли может иметь серьёзные последствия для всего города, вызывая высокий уровень безработицы и снижение доходов

Упадок в градообразующей отрасли приводит к оттоку и сокращению населения, утечке мозгов. Сокращение населения и ограниченные ресурсы являются причиной неэффективности работы местных коммунальных служб, систем образования и здравоохранения, а также замедления развития инфраструктуры. Упадок первичной промышленности может подорвать чувство идентичности и предназначения сообщества, влияя на благополучие жителей

Так, один из символов американской промышленной мощи и инноваций г. Детройт (рисунок 4) за последние несколько десятилетий пережил значительный регресс. На это повлияло множество факторов:

• утрата обрабатывающей промышленности. Произошёл крах автомобильной индустрии, которая являлась основой экономики города. Кризис крупных автопроизводителей, закрытие заводов и аутсорсинг привели к массовым потерям рабочих мест и снижению налоговых поступлений;

• городской упадок и заброшенная недвижимость. Наблюдался рост количества заброшенных зданий и собственности по всему городу. Это привело к снижению стоимости имущества, ограниченным инвестициям и сокращению населения;

• высокий уровень преступности. Город долгое время отличался неблагополучной криминогенной обстановкой, что имело далеко идущие последствия. Восприятие опасной окружающей среды удерживает предприятия от инвестиций, а жителей от пребывания. Как следствие, сокращается население города;

• расовое и социально-экономическое неравенство. Подобная дискриминация повлияла на образование, возможности трудоустройства и общее качество жизни, что воспрепятствовало способности города восстанавливаться и привлекать новые инвестиции;

• неэффективное финансовое управление. Кризис г. Детройта десятилетиями усугублялся из-за нерациональных управленческих решений, коррупции и политической нестабильности. В 2013 г. город объявил о банкротстве;

• неэффективное руководство. Отсутствие сплочённой административной команды и чёткого видения возрождения препятствовало восстановлению г. Детройта. Проблемы управления городом затянули его деградацию и усложнили реализацию своевременных решений.

Рисунок 4 - Вид г. Детройта, США

Экономические проблемы, социальное и демографическое неравенство, правительственные трудности также сыграли свою роль в упадке г. Детройта. Хотя были предприняты усилия по возрождению этого моногорода, решение перечисленных проблем имеет ключевое значение для его долгосрочного восстановления. Понимая и преодолевая их, можно проектировать динамичные и процветающие города [8].

Для полноценного функционирования космической промышленности расселение персонала в обитаемых опорах решает ряд кризисных моментов, характерных для моногородов. Во-первых, транспортно-инфраструк-турная эффективность ОТС, экваториального линейного города (ЭЛГ) и космического индустриального ожерелья «Орбита» обеспечит быстрое распределение ресурсов -сырьевых, энергетических, продуктовых, людских - между производствами, находящимися на орбите и на Земле. Во-вторых, руководство такими поселениями, основанное на принципах автономного самоуправления, будет способствовать их устойчивому функционированию и развитию, свободному от политических и экономических событий на планете. В-третьих, равный уровень комфортной жизни и унификация условий обитания в размещённых по длине экватора опорах-зданиях (моногородах) дают возможность исключить массовую миграцию между ними.

При реализации геокосмического комплекса ОТС требуется в первую очередь рассчитать необходимое количество таких жилых и/или производственных опор и установить места их расположения.

Так как форма Земли не является строго шарообразной, а представляет собой геоид, Международным астрономическим союзом (1А11) и Международным союзом геодезических и геофизических наук (ИЮО) принято условное определение экватора в виде окружности, радиус которой соответствует стандартизированному радиусу Земли (рисунок 5). Согласно геофизическому стандарту \А/05-84 радиус равен 6 378 137 м, а стандарту 1Аи-2009 -6 378 136,6 м. Оба значения приводят к длине экватора -40 076 км [9].

В соответствии с [10] протяжённость дистанции по суше (включая острова) - 8944 км (в том числе 3596 км -джунгли); длина по океанам - 31 438 км, что в сумме равно 40 382 км. Следует отметить, что расстояние по суше указано с учётом рельефа. Если считать по радиусу Земли, то протяжённость суши в проекции на окружность экватора равна 8637 км.

Таким образом, пригодными для возведения обитаемых опор на суше следует рассматривать участки протяжённостью

всего 8637 км. Поскольку опоры эстакады ОТС будут размещаться с шагом до 400 м, их количество на земле составит примерно 21 600 шт. Для дальнейших расчётов принимаем число сухопутных опор именно таким.

Представим опору максимальной высоты в районе пересечения взлётно-посадочным комплексом (ВПК) ОТС субэкваториальных Анд, достигающих 5000-6000 м над уровнем моря. Учитывая рельеф местности, высота обитаемых опор в этом районе может доходить до 3000 м (рисунок 6).

Рисунок 5 - Схема земного шара

Рисунок 6 - Вид на эстакаду ОТС с обитаемыми опорами наибольшей высоты в предгорьях (вариант, визуализация)

Длина экватора Южный полюс 40 076 км

Земная ось

Северный полюс

Экваториальный радиус 6378 км

Наклон оси 23,5°

Полярный радиус 6356 км

Покорение новых высот -экваториальная обитаемая опора высотой 3000 м

Мир архитектуры всегда был одержим покорением новых высот, раздвигая границы проектирования и дизайна. Рассмотрим конструкцию 3000-метрового небоскрёба, расположенного на экваторе и сочетающего в себе инновации и экологичность. При такой высоте обитаемая опора выйдет за рамки простого здания, она превратится в вертикальный город (рисунок7].

Рисунок7 - Обитаемая опора (вариант, визуализация)

В его структуре предполагаются жилые помещения, коммерческие площади, зоны для отдыха и развлечений, социальные объекты, а также зелёные насаждения, что оптимизирует использование пространства и способствует созданию комфортной атмосферы сообщества.

Транспортировка людей и грузов внутри каркаса опоры будет осуществляться сетью высокоскоростных лифтов, созданных по Струнной технологии Юницкого (ЮСТ). Приоритет отдаётся простоте передвижения и близости к местам притяжения.

Главное назначение обитаемой опоры ВПК ОТС, как и любой опоры транспортной эстакады, - воспринимать нагрузки от вышележащих конструкций и передавать

их на основание. Однако у опор эстакады ОТС возникает и дополнительная, не менее важная функция - обеспечение пространства для обитания людей.

Размещение опор на всём протяжении экватора предполагает освоение территорий с различными природно-климатическими условиями и неравным уровнем социально-экономического развития. Следовательно, некоторые опоры могут возводиться в отдалённых и малоосвоенных районах, что в обычном представлении потребовало бы развития инфраструктуры. В нашем случае все обитаемые опоры поверху объединены поясом ВПК ОТС и рельсо-струнной транспортно-инфраструктурной сетью uNet, что позволяет не проводить особую инфраструктурную подготовку на поверхности земли. Можно рассматривать концепцию эксплуатации обитаемой опоры «сверху вниз», устраняя необходимость в автомобильных и железных дорогах, электростанциях, жилых и производственных помещениях и инженерной инфраструктуре, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду в месте строительства опоры ВПК ОТС.

Для каждой опоры запланировано два уровня транспортного сообщения:

• свободное передвижение жителей и грузов за пределами опоры с использованием трёх видов транспорта (рисунок 8): на дальние расстояния - высокоскоростного (скорость до 600 км/ч); для ближнего проезда - городского (скорость до 200 км/ч); для путешествий за пределы Земли - планетарного (за 2 ч на орбиту со скоростью до 28 ООО км/ч (7,9 км/с));

•

Высокоскоростной ТК (до 600 км/ч) Городской ТК (до 200 км/ч) Взлётно-посадочная полоса ОТС

Рисунок 8 - Распределение транспортных комплексов (ТК) на рельсо-струнной эстакаде ОТС ферменного типа

• вертикальное перемещение в пределах опоры по лестницам и скоростным вертикальным лифтам ЮСТ.

Для обеспечения ровной поверхности взлётно-поса-дочной полосы ОТС возникает необходимость возводить опоры на местности со сложным рельефом. Следовательно, они будут иметь разную высоту и функциональность. Несмотря на эти вариации, принципы работы жилых опор остаются схожими, напоминая развитие традиционных поселений:

• чёткое функциональное разделение опоры на жилые

зоны, инженерные блоки, социальные объекты, зоны отдыха и производственно-технические зоны;

• максимально короткие транспортные связи между функциональными зонами;

• самоорганизация в пределах каждой обитаемой опоры как основа системы управления всего комплекса ОТС.

Объёмно-планировочные решения обитаемой опоры

Общий объём обитаемой опоры высотой 1-3 км представляет собой усечённый конус с диаметром основания 120-360 м и диаметром вершины 30-150 м (рисунок 9).

В состав жилой опоры входит станция ОТС, выполняющая также функции узла высокоскоростного и городского транспорта в сети иМ (рисунок 10). Она сочетает в себе различные функции, такие как посадка (высадка) пассажиров, обработка грузов, пересадка и связь между транспортными системами. Станция расположена на верхнем уровне опорной конструкции и спроектирована как самостоятельный блок с вертикальными и горизонтальными связями. Для каждого направления транспорта предусмотрены безопасные платформы, а также помещения для погрузки, разгрузки, санитарии, ожидания и других услуг.

Средняя часть опоры состоит из чередующихся блоков этажей и проветриваемых пространств (рисунок 11). Этажи различаются по размеру в зависимости от их высоты. Блоки ограничены максимум пятью этажами. Верхний уровень каждого блока отведён озеленению, включая газоны, огороды и фруктовые деревья (рисунок 12). На площадях этажей находятся жилые, общественные, социальные и технические помещения. Вентилируемые пространства расположены между блоками для обеспечения свободного проветривания и уменьшения парусности всей опоры.

Основание башни (рисунок 13] состоит из отдельных высотных зданий, построенных рядом с несущими колоннами и объединённых в блок.

Рисунок 9 - Вертикальное зонирование обитаемой опоры (вариант)

Пространство верхнего уровня Взлётно-посадочная полоса ОТС Г) Станция ОТС

Рисунок 10 - Схема размещения станции ОТС на вершине обитаемой опоры (вариант)

Центральное ядро Пространство среднего уровня

Рисунок 11 - Схема типового этажа средней части обитаемой опоры (вариант)

Рисунок 12 - Схема озеленения кровли ярусов средней части обитаемой опоры (вариант)

Л

V

%

Ф,

■X

«I к* © Не

й*. V- ~ • /

V N ... / V

Щшш Яш V -у

Ш ^

Центральное ядро

Пространство внутреннего кольца, примыкающего к ядру Пространство внешнего кольца

Рисунок 13 - Схема типового этажа основания обитаемой опоры (вариант)

Технические показатели обитаемой опоры

Для расчёта технических параметров обитаемой опоры используем показатели общей площади и ёмкости заселения опоры.

Общая площадь опоры рассчитана как сумма площадей всех этажей и составляет для самой широкой и самой высокой опоры около 7,3 млн мг. Для сравнения применены данные по жилому фонду г. Минска за 2017 г. Так, по информации Главного статистического управления г. Минска [11], общая площадь жилого фонда белорусской столицы -44,9 млн мг (обеспеченность населения - 22,7 мг на одного жителя].

Однако нужно учесть, что обитаемая опора будет иметь не только зоны жилого назначения, но и технические, вспомогательные, общественные и производственные. На долю жилых помещений предполагается отвести 3/5 общей площади. Таким образом, жилой фонд будет насчитывать порядка 4,4 млн м\

Исходя из уровня обеспеченности жильём 40 мг на одного жителя, население обитаемой опоры таких размеров составит около 110 ООО человек. При этом планируется проживание не только людей, занятых в функционировании космической промышленности, но и членов их семей, персонала, оказывающего услуги жизнеобеспечения опоры и ВПК ОТС. Для целей настоящей работы принят коэффициент 0,4 для расчёта количества населения опоры.

Так, примерно 40 ООО человек из общего числа жителей такого моногорода будут заняты в космической промышленности. Учитывая вместимость каждой опоры, можно определить потребность в подобных зданиях. Согласно выполненному ранее расчёту космическая промышленность будет нуждаться в 50 млн работников. Значит, предполагаемое количество обитаемых опор составляет приблизительно 1000 единиц. Поскольку их средняя высота на порядок ниже (около 300 м], то понадобится примерно 10 000 обитаемых опор. Вместе с тем общее количество опор, необходимых для поддержания экваториальной эстакады ОТС, равняется 21 600 единицам. Таким образом, почти половину всех сухопутных опор можно сделать обитаемыми для обеспечения космического производства работниками.

Принимая во внимание длину сухопутного участка экваториальной эстакады ОТС в 8637 км [10], среднее расстояние между обитаемыми опорами составит порядка 1 км, которое городской транспорт ЮСТ преодолеет всего за 1 мин. Дополнительные опоры взлётно-посадочной полосы ОТС могут быть спроектированы в упрощённой форме - в виде основного несущего ядра. Впоследствии, при росте потребностей, вокруг него планируется построить этажи и превратить опору в обитаемую, тем самым увеличивая количество населения, проживающего в опорах-моногородах ЭЛГ.

Конструктивные решения обитаемой опоры

Реализация обитаемой опоры ВПК ОТС является сложной инженерной задачей. Учитывая высоту строения (до 3000 м], оно будет самым высоким в мире. Каждое подобное сооружение уникально, и трудоёмкость разработки возрастает пропорционально высоте. Например, в проектировании здания СоттеггЬапк (300 м, Германия) принимали участие свыше 400 исследовательских групп [12].

Любая высотная конструкция подвержена воздействию ветра, из-за чего она может легко отклоняться на несколько метров в разном направлении, как раскачивающееся дерево, без ущерба для структурной целостности (рисунок 14). Однако такие деформации создают ряд проблем. Одна из них связана с комфортом пребывания людей в верхней части сооружения. Излишние перемещения опоры ВПК ОТС опасны также для посадки геокосмического летательного аппарата на платформу. Поскольку ОТС имеет линейную форму (тонкое кольцо длиной около 40 000 км), то значительное смещение опоры вместе с взлётно-посадочной полосой затруднит его приземление.

Исходя из физиологических требований и комфорта нахождения людей на высоте, горизонтальное ускорение на верхних этажах ограничивается величиной 0,08 м/с2 [13]. Данный параметр достигается путём оптимального подбора гибкости и жёсткости сооружения. Определить баланс между этими показателями - ещё одна сложность в разработке конструкций сверхвысотных строений.

шштшшшшшш

Рисунок 14 - Схема деформации высотного сооружения от ветровой нагрузки

В погоне за архитектурными изысками многие небоскрёбы выполняются в виде спирали (Turning Torso, Швеция, г. Мальмё), гиперболоида (Tabling Haji, Малайзия, г. Куала-Лумпур), арки (Dusit Dubai, ОАЭ, г. Дубай), квадрата (Taipei 101, Тайвань, г. Тайбэй), диагонали (Capital Gate, ОАЭ, г. Абу-Даби), полосы (Kingdom, Китай, г. Шанхай) (рисунок 15).

Рисунок 15 - Архитектурное разнообразие форм небоскрёбов

ВЫСОТНЫЕ ОБИТАЕМЫЕ ОПОРЫ ВЗЛЁТНО-ПОСАДОЧНОГО КОМПЛЕКСА О Г Г

ОБЩЕПЛАНЕТАРНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Э Э

Юницкий А.Э., Кубышкин М.В., Кошелев А.Г., Малахов Р.А.

Данные архитектурные решения являются не самыми приемлемыми с точки зрения сопротивления ветру, так как здания обладают не лучшими аэродинамическими качествами, из-за чего необходимо развивать сечения несущих конструкций. Небоскрёбы линейного города высотой 300 м спроектированы в виде цилиндров - более оптимальной формы сточки зрения аэродинамики (рисунок 16].

Обитаемую опору экваториальной эстакады ОТС планируется выполнить в виде усечённого конуса. Аэродинамические нагрузки и распределение веса конструкций здания по вертикали требуют сохранения конфигурации по всей его высоте. Ветровое влияние при такой форме строения снижается до минимально возможных значений (рисунок 17]. Таким образом, с точки зрения аэродинамики усечённый конус - самая оптимальная форма для опоры ВПК ОТС высотой до 3000 м. Отсутствие выступов позволяет воздуху обтекать объём, не создавая завихрений, появляющихся на углах прямоугольных в плане построек.

По высоте опора имеет много сквозных проёмов, по которым потокам ветра легче обтекать объём сооружения; значит, уменьшается площадь давления ветровой нагрузки.

Кроме того, горизонтальные перемещения зданий, как правило, ограничиваются величиной Л/500-/)/600 [13] (Л - высота]. К примеру, для строения высотой 500 м максимальное допустимое перемещение составит 1 м (таблица 3].

Особенностью самой высокой обитаемой опоры считается то, что, несмотря на её высоту (3000 м], горизонтальные перемещения не превысят 4,6 м [1/652], что может гарантировать комфорт проживания людей на верхних этажах (рисунок 18]. Достигается это благодаря рациональной форме. Большим достоинством является также то, что каждая высотная опора раскреплена в верхней части предварительно напряжёнными (растянутыми] рельсо-струнными путевыми структурами ЮСТ, входящими в экваториальную транспортно-инфраструктурную сеть иМ с продольными и поперечными струнными коммуникациями.

Рисунок 16 - Небоскрёбы линейного города (визуализация) [14]

Рисунок 17 - Результаты моделирования обдувки в аэродинамической трубе призмы, параллелепипеда, конуса, пирамиды и гиперболоида

Таблица 3 - Максимальные горизонтальные перемещения верхних этажей наиболее высоких сооружений мира

Сооружение Высота, м Горизонтальное перемещение, м Относительное перемещение Источник

Merdeka 118, Малайзия, г. Куала-Лумпур 678 1,2 1/456 [15]

Останкинская телебашня, Россия, г. Москва 540 6 1/90 [16]

Burj Khalifa, ОАЭ, г.Дубай 829 1,5 1/550 [17]

432 Park Avenue, США, г. Нью-Йорк 426 1,5 1/284 [17]

Empire State Building, США, г. Нью-Йорк 381 0,7 1/540 [17]

Опора ВПК ОТС 3000 4,6 1/652 -

В итоге сооружение в одном из направлений работает не как консольный стержень, а как раскреплённая вдоль взлётно-посадочной полосы ОТС стойка, жёстко соединённая с основанием.

Чем выше сооружение, тем сильнее влияние ветровой нагрузки, которая кроме больших перемещений вызывает значительные усилия в несущих конструкциях. Строительство зданий в виде неразвитого тонкого стержня (например, 432 Park Avenue, США, г. Нью-Йорк (рисунок 19)) также не является оптимальным решением с точки зрения работы конструкции.

Рисунок 19 - Здание 432 Park Avenue, США, г. Нью-Йорк

От ветра происходит раскачивание здания, при этом в плоскости действия ветра конструкции испытывают растяжение, а с противоположной стороны - сжатие. Известно, что изгибающий момент в основании защемлённого стержня раскладывается на пару сил и чем больше плечо, тем меньше будет значение пары сил, следовательно, тем меньшими окажутся сечения несущих конструкций (рисунок 20). Конфигурация обитаемой опоры ВПК ОТС спроектирована согласно простейшим принципам: нижняя часть опоры более развита в плане и сужается к верхней части.

В таблице 4 приведены данные об изгибающих (опрокидывающих] моментах в основании некоторых небоскрёбов и обитаемой опоры ВПК ОТС.

Если необходимость восприятия ветровых нагрузок требует повышения жёсткости, то сейсмические воздействия, напротив, диктуют повышение гибкости сооружения, чтобы колебания гасились конструкцией без её разрушения.

Эквивалентная пара сил М, = Гэ Г, = Гг

Сжатие колонн с подветренной стороны

Натяжение колонн с наветренной стороны

Рисунок 20 - Схема определения эквивалентной пары сил

Оптимальное отношение высоты к ширине 1:8-1:10. Большие значения приводят к недопустимым колебаниям верха здания и обязательному использованию демпфирующих элементов. Ширина опоры ВПК ОТС высотой 3000 м в одном из вариантов исполнения в нижней части составляет 360 м, в верхней части - 150 м. Современная конструкция надёжной сверхвысокой опоры ВПК ОТС включает: наружные пространственные фермы (башни), ядро жёсткости, горизонтальные жёсткие диски (аутригеры] (рисунок 21].

Конструкцией предусмотрено предварительное натяжение высокопрочных канатов с внутренней грани железобетонного ядра жёсткости, что позволило существенно повысить жёсткость опоры и увеличить частоту собственных колебаний. В одном из вариантов исполнения внутри ядра размещается 800 канатов диаметром 50 мм; общее натяжение составляет 64 000 тонн. Данный принцип применялся, в частности, при строительстве Останкинской башни в г. Москве (рисунок 22): благодаря преднапряжению ствола уменьшено горизонтальное отклонение здания с 12 м до 6 м [16].

Для понимания влияния преднапряжения ядра приведём пример с деревянными катушками, которые, как бусинки, нанизаны на прочный шнур (рисунок 23). Сверху шнур закреплён узлом для исключения проскакивания через катушку. При натяжении шнура катушки выстраиваются в вертикальное положение. После этого нижнюю катушку можно как угодно наклонять, но все катушки будут сохранять форму башни неизменной. Объяснение данного эффекта следующее: поворот одной катушки относительно соседней приводит к удлинению шнура. Подобная деформация требует совершения работы. Такая работа увеличивает потенциальную энергию шнура. Однако, как известно, всякая механическая система стремится к состоянию, которое соответствует минимуму её потенциальной энергии.

Таблица 4 - Опрокидывающий момент в основании фундамента опоры ВПК ОТС и иных небоскрёбов [15,18]

Сооружение Характеристика Shanghai World Financial Center Lotte World Tower CTF Finance Centre Merdeka 118 Burj Khalifa Опора эстакады ОТС

Локация Китай, г. Шанхай Южная Корея, г. Сеул Китай, г. Гуанчжоу Малайзия, г. Куала-Лумпур ОАЭ, г. Дубай Экватор

Высота, м со г*о 55 530 535 828 3000

Базовая скорость ветра, м/с 45 43 43 35 45 23

Опрокидывающий момент от ветра в основании фундамента, МН • м 25 000 21 000 37 000 34 000 22 000 54 000

Рисунок 21 - Несущие конструкции сверхвысокой обитаемой опоры ВПК ОТС

1 ]

0 0

Рисунок 22 - Останкинская башня: а - схема перемещений; б - преднапряжение ствола канатами

▼ Т

Г Р

Рисунок 23 - Работа натяжения шнура на примере с катушками [19]

Несущие башни

3000 м

2000 м

1000 м

Несущие башни

Горизонтальные жёсткие диски (аутригеры)

Придание сверхвысокой опоре дополнительной жёсткости защищает её и от землетрясений. Поскольку здание движется в соответствии с горизонтальными колебаниями земной коры, каркас не перекручивается и не натягивается.

Каждые 100 м по высоте опоры выполняется аутригер-ный этаж высотой 12 м (на три этажа здания). Он представляет собой металлические конструкции, играющие роль горизонтального жёсткого диска (горизонтальные фермы). Подобные элементы являются для небоскрёба своеобразными кольцами жёсткости, которые держат форму здания в горизонтальной плоскости (рисунок 24).

Изгиб ядра

с аутригерным креплением Изгиб ядра

без аутригерного крепления

Рисунок 24 - Эпюра моментов ядра жёсткости с аутригерами от ветрового воздействия

^^ Ядро

Диагональные фермы

Рисунок 25 - Внутреннее устройство горизонтального композитного аутригера общественно-делового комплекса «Лахта Центр», Россия, г. Санкт-Петербург.

Высота фермы - два этажа (8,4 м) [20]

Конструктивно горизонтальные жёсткие диски выполняют несколько функций сразу: увеличение изгибной жёсткости здания и устойчивости к ветровым нагрузкам, а также противодействие прогрессирующему обрушению.

Использование логичных принципов проектирования и мирового опыта строительства высотных сооружений позволяет создать обитаемую опору ВПК ОТС, соблюдая все требования надёжности и эксплуатационной пригодности.

Аутригерные этажи помогают распределять нагрузку между ядром и колоннами наружной пространственной фермы. В случае одномоментного деструктивного воздействия (например, удар самолёта) последствия должны быть сведены к минимуму. На практике это означает: даже если в опорах эстакады ОТС будет разрушена часть периметральных колонн, аутригеры распределят нагрузку на оставшиеся элементы устойчивости.

Аутригерные системы могут быть горизонтальными, диагональными, двухэтажными или без опоясывающих ферм или вертикальных связей. Конструкция для каждого высотного здания уникальна, а в зависимости от расположения по высоте может быть разной в пределах одного объекта (рисунок 25).

Заключение

Реализация глобальной геокосмической программы иБрасе не только требует строительства ОТС и его экваториальной эстакады, но также предполагает расселение людей в непосредственной близости к местам приложения труда, а именно - к космической промышленности.

Авторами представлено инновационное решение -обитаемые опоры эстакады ОТС, выполненные в форме усечённого конуса, что является оптимальным для сооружений такой высоты (до 3000 м). Обеспечение жизнедеятельности вблизи места работы позволит сократить время, затрачиваемое сотрудниками на дорогу «работа - дом», и даст возможность трудиться в ближнем космосе, а жить на Земле.

Список основных источников

1. Юницкий, А.Э. Исторические предпосылки программы Space Way как единственного пути устойчивого развития цивилизации технократического типа/А.Э. Юницкий// Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г/ООО «Астроинженерные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 23-29.

2. Бабаян, А. В. Индустриализация космоса - новая эра человеческого развития и необходимый шаг для спасения биосферы Земли (экономическое обоснование) / А. В. Бабаян // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / ООО «Астроинженерные технологии»; под общ. ред. А.З. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 103-109.

3. Employment by Sector [Electronic resource], - Mode of access: https://genderdata. worldbank.org/indicators/ sl-empl-zs/?employment=lndustry&view=trend/. - Date of access: 27.07.2023.

4. Employment Rate [Electronic resource], - Mode of access: https://data.oecd.org/emp/employment-rate.htm. -Date of access: 27.07.2023.

5. Working Age Population [Electronic resource], - Mode of access: https://data.oecd.org/pop/worklng-age-population.htm. - Date of access: 27.07.2023.

6. World Population Prospects 2022: Summary of Results / Department of Economic and Social Affairs, Population Division. - New York: United Nations, 2022. - 48 p.

1. Моногород [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.ru.wikipedia.org/wiki/MoHoropofl. - Дата доступа: 30.07.2023.

8. Что убило Детройт и почему все вдруг заговорили об урбанистике? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://science.theoryandpractice.ru/posts/2593-ch to-ubilo-detroyt-i-pochemu- vse-vdrug-zagovorili-ob-urbanlstlke. - Дата доступа: 02.08.2023.

9. Экватор [Электронный ресурс] - Режим доступа: https:// www.ru.wikipedia.org/wiki/Экватор. - Дата доступа: 30.07.2023.

10. Юницкий, A3. Экваториальный линейный город: особенности строительства / А.Э. Юницкий, М.М. Давыдик// Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы IV междунар.

науч.-техн. конф., Марьина Горка, 18 сент. 2021 г. / ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2022. - С. 101-115.

11. Жилищный фонд г. Минска [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.minsk-city.belstat.gov.by/ ofitsialnaya-statistika/sotsialnaya-sfera/zhilischnye-usloviya/godovye-dannye_4/p1/index.php?sphrase_id= 1974267. - Дата доступа: 02.08.2023.

12. Руденко, A.A. Инновационные технологии возведения высотных зданий: электрон, учеб.-метод, пособие / A.A. Руденко, ЕЛ. Ушакова. - Тольятти: Изд-во ТГУ,2020. -106 с.

13. Высотные здания: СН 3.02.08-2020. - Минск: БелГИСС, 2021.-66 с.

14. Юницкий, А.Э. Инженер Мира: автобиография /Анатолий Юницкий. - Минск: СтройМедиаПроект, 2022. - 496 с.

15. Ahmad Abdelrazaq - Constructing Merdeka 118: World's Second-Tallest Building [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=a_q-1RUU1rw. - Дата доступа: 22.06.2023.

16. Возведение телевизионной башни в Останкино, 1969 [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www. youtube.com/watch?v=tTQ74kkb7Q4. - Дата доступа: 22.06.2023.

17. Держитесь крепче: как шатаются башни и небоскрёбы [Электронный ресурс] - Режим доступа: https:// www.ria.ru/20170413/408518830.html. - Дата доступа: 22.06.2023.

18. Pou los, H. G. Tall Building Foundations: Design Methods and Applications [Electronic resource] / H.G. Poulos. -Mode of access: https://Hnk.springer.com/article/10.1007/ S41062-016-0010-2. - Date of access: 26.06.2023.

19. Дворян и нов, C.B. Останкинская телебашня и... велосипедный тормоз/C.B. Дворянинов//Потенциал. - 2017. -№ 11. - С. 37-39.

20. Может ли небоскрёб сдуть ветром? [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/ lakhtacenter/articles/399809/. - Дата доступа: 30.06.2023.