Hi-Tech

План Циолковского по освоению космоса: насколько далеко продвинулось человечество и чего учёный ждал от будущего

Исследователь предвидел множество технических достижений, их устройство, но его замыслы пока далеки от воплощения.

В закладки

Константин Циолковский​

Краткая биография

Из-за перенесённой в детстве скарлатины он почти полностью потерял слух. Константин Циолковский родился в сентябре 1857 года в селе Ижевское под Рязанью. После Циолковский до конца жизни занимался только самостоятельно. Глухота не позволила продолжать учёбу в школе, и в 1873 году, в 16 лет, его отчислили.

В 1879 году экстерном сдал экзамены на звание учителя. С 16 до 19 лет он жил в Москве и изучал физико-математические науки. Вскоре его назначили учителем арифметики и геометрии в Боровском уездном училище Калужской губернии.

«Механика животного организма», вторая его работа, получила благоприятный отзыв Ильи Сеченова, и Циолковского приняли в Русское физико-химическое общество. В 1881 году Циолковский опубликовал свою первую научную работу «Теорию газов», в которой изложил основы кинетической теории газов.

Другое сочинение, «Свободное пространство», написано в форме дневника от имени наблюдателя, который находился в безвоздушном пространстве и не испытывал действия сил притяжения. Два года спустя учёный написал статью «Продолжительность лучеиспускания Солнца». В ней Циолковский впервые сформулировал принцип полётов в космосе — реактивное движение.

Работы Циолковского после 1884 года в основном связаны с четырьмя проблемами научного обоснования:

  1. Цельнометаллического аэростата (дирижабля).
  2. Обтекаемого аэроплана.
  3. Поезда на воздушной подушке.
  4. Ракеты для межпланетных путешествий.

В них он предложил основы теории многоступенчатых ракет, жидкостных реактивных двигателей и решил задачу посадки космических аппаратов на поверхность планет, лишённых атмосферы.

В этой публикации, переиздании работ 1903-го и 1911 годов, Циолковский сформулировал план по освоению космоса в 16 этапах, подробно описав развитие «аэропланного дела» на каждом.

Первый этап: оборудование самолёта реактивным двигателем

Устраивается ракетный самолёт с крыльями и обыкновенными органами направления. 1. Воздушного винта нет. Но бензиновый мотор заменён взрывной трубой, куда накачиваются взрывчатые вещества слабосильным двигателем. Есть запас взрывчатых материалов и остаётся помещение для пилота, закрытое чем-нибудь прозрачным, так как скорость такого аппарата больше аэропланной и сквозняк невыносим.

Этот прибор от реактивного действия взрывания покатится на полозьях по смазанным рельсам (ввиду небольшой сначала скорости могут остаться и колёса).

Затем поднимется на воздух, достигнет максимума скорости, потеряет весь запас взрывчатых веществ и облегчённый начнёт планировать, как обыкновенный или безмоторный аэроплан, чтобы безопасно спуститься на сушу.

Ввиду проницаемости для воздуха человеческого помещения в самолёте высота, конечно, не может быть больше известной рекордной высоты. Количество взрывчатых веществ и силу взрывания надо понемногу увеличивать, также максимальную скорость, дальность, а главное — высоту полёта. Достаточно и 5 км поднятия.

Цель этих опытов — умение управлять аэропланом (при значительной скорости движения), взрывной трубой и планированием.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

Под «взрывной трубой» Циолковский имел в виду камеру сгорания, а в качестве «взрывчатых веществ» рассмотрел множество окислителей и горючих, рекомендуя смеси жидкого кислорода с керосином, спиртом или метаном.

Рекомендованными Циолковским компонентами топлива пользовались при создании реактивного двигателя ракеты «Фау-2». Также Циолковский указал, что можно увеличить скорость истечения газа из сопла, если в качестве окислителя применять озон.

Первые самолёты держались в воздухе плохо, поскольку инженеры не умели решить проблемы управления и сохранения равновесия.

Их достижением стало открытие трёх осей вращения, что позволило пилотам самостоятельно управлять самолётом и поддерживать его равновесие во время полёта. В 1896 году над задачей задумались братья Райт. Сегодня метод продолжает оставаться основным для всех типов самолётов.

В 1903 году усовершенствованная модель планёра была готова, и братья Райт совершили первый полёт человека на аппарате тяжелее воздуха с двигателем внутреннего сгорания.

Такие аппараты называют нулевым поколением. Новый этап развития в самолётостроении наступил уже после смерти Циолковского, в 1939 году, — тогда появились самолёты с реактивным двигателем.

​Lockheed F-80 Shooting Star — первый американский серийный реактивный истребитель

Однако они унаследовали конструкцию фюзеляжа, прямые крылья и аэродинамику от самолётов с поршневым двигателем, поэтому новые модели мало отличались от предшественников. Самолёты этого поколения развивали скорость до 900 км/ч и поднимались на 13 км.

Затем появился вариант старта, при котором самолёт взлетал и поднимался в небо с помощью жидкостных ракетных двигателей, как ракета. Применялись различные варианты стартов — от колёсных шасси до направляющих рельс под определённым углом к земле.

Стартовая позиция в этом случае состояла из маятниковой конструкции, которая отводила самолёт от земли в самом начале движения, и подъёмников, необходимых для его установки на маятник.

Итог

Первый пункт плана осуществился спустя четыре года после ухода учёного.

Этапы со второго по четвёртый: совершенствование самолётов и первая ракета на жидком топливе

Крылья последующих самолётов надо понемногу уменьшать, силу мотора и скорость увеличивать. 2. Придётся прибегнуть к получению предварительной, до взрывания, скорости с помощью описанных ранее средств.

Корпус дальнейших аэропланов следует делать непроницаемым для газов и наполненным кислородом, с приборами, поглощающими углекислый газ, аммиак и другие продукты выделения человека. 3. Высота может много превосходить 12 км. Цель — достигать любого разрежения воздуха. Непроницаемость корпуса не даст ракете потонуть. В силу большой скорости при спуске, для безопасности, его можно делать на воде.

Применяются описанные мною рули, действующие отлично в пустоте и в очень разрежённом воздухе, куда залетает снаряд. 4. Пускается в ход бескрылый аэроплан, сдвоенный или строенный, надутый кислородом, герметически закрытый, хорошо планирующий.

Прибавочная скорость даст ему возможность подниматься всё выше и выше. Он требует для поднятия на воздух большей предварительной скорости и, стало быть, усовершенствования разбежных приборов. Центробежная сила может уже проявить своё действие и уменьшить работу движения.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

Первым прототипом реактивного истребителя с полноценным стреловидным крылом стал советский «Ла-160», построенный в июне 1947 года. Для первого поколения самолётов основным нововведением стало появление стреловидного крыла — для меньшего аэродинамического сопротивления на больших скоростях по сравнению с предшественниками.

Также в самолётах появились гермокабина и кислородное оборудование (первый известный патент с описанием такого самолёта, зарегистрированный в 1907 году, принадлежит Роберту Эсно-Пельтри, однако активная разработка гермокабин началась в 1930-е годы).

Характеристики самолётов первого поколения: скорость до 1000–1100 км/ч (дозвуковая скорость), высота полётов — до 15–16 км.

Поможем же ему достигнуть большего». Циолковский писал: «Разве и сейчас аэроплан, летая на высоте 12 км, не одолевает уже 70–80% всей атмосферы и не приближается к сфере чистого эфира, окружающего Землю! К преодолению этой высоты стремился учёный, опираясь на показатели летательных аппаратов своего времени.

​«Ла-160»

Характеристики второго поколения самолётов:

  • Сверхзвуковые скорости.
  • Двигатели с форсажными камерами (камера сгорания в турбореактивном двигателе, расположенная за его турбиной).
  • Высотность — 19 км.
  • Наличие радаров.
  • Наличие управляемого оружия.

Наряду с авиацией развивалась космическая отрасль.

Предложенный учёным механизм дополнил Юрий Кондратюк, схема сохранилась в современных двигателях. В 1903 году Циолковский разработал схему жидкостного ракетного двигателя и доказал возможность его использования для межпланетных полётов.

Первые двигатели такого типа испытали американский учёный Роберт Годдард в 1926 году и немецкий учёный Герман Оберт в 1929 году (спроектировал трёхступенчатую ракету).

Ракета Годдарда продержалась в воздухе 2,5 секунды, поднявшись на 12 метров, но через четыре года учёный повторил опыт: новая ракета взлетела на 600 метров со скоростью 800 км/ч.

Роберт Годдард готовит к старту одну из своих ракет scientificrussia.ru

Описываемые Циолковским «рули» в четвёртом пункте представляют собой специальные приспособления для управления полётом ракеты и изменения траектории её центра масс, о наличии которых Циолковский задумался в 1911 году.

Делают их из графита и жаропрочных сплавов; применялись в ракетах «Фау-2», Р-1, Р-2, Р5, на первых ступенях ракет-носителей «Джуно», «Космос», «Скаут». Две пары газовых рулей, отклоняемых относительно продольной оси ракеты-носителя, обеспечивают управление по тангажу, курсу и крену.

​Расположение газовых рулей в хвостовой части ракеты: 1 — сопло жидкостного ракетного двигателя; 2 — газовый руль; 3 — ось поворота руля «Космонавтика: Энциклопедия»

Схожие идеи — у Илона Маска: по его задумке, если первую ступень ракеты удастся успешно приземлить без повреждений, её можно перезаправить и запустить вновь, существенно снизив стоимость космических запусков. В плане по освоению космоса Циолковский также затронул тему приземления ракет на воду.

Следовательно, экономится топливо и повышаются шансы на успешное маневрирование при посадке. Преимущество посадки на плавучую платформу — сокращение заключительной фазы полёта первой ступени: аппарату не нужно достигать космодрома во Флориде.

Итог

Здесь Циолковский тоже оказался прав:

  • Самолёты совершенствовались: форма крыльев изменилась, скорость и высотность увеличились, появились гермокабина и кислородное оборудование.
  • Описанные Циолковским «рули» применялись во многих ракетах, а упомянутые им посадки на воду — работают сегодня.

Пятый и шестой этапы: освоение спутников

Скорость достигает 8 км/с, центробежная сила вполне уничтожает тяжесть, и ракета впервые заходит за пределы атмосферы. 5. Полетавши там, насколько хватает кислорода и пищи, она всё же спирально возвращается на Землю, тормозя себя воздухом и планируя без взрывания.

После этого можно употреблять корпус простой, не сдвоенный. 6. Реактивные приборы всё более и более удаляются от воздушной оболочки Земли и пребывают в эфире всё дольше и дольше. Полёты за атмосферу повторяются. Всё же они возвращаются, так как имеют ограниченный запас пищи и кислорода.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

Первый американский спутник «Эксплорер-1», разработанный Вернером фон Брауном, учеником Германа Оберта, отправился в космос 1 февраля 1958 года, после запуска уже второго советского спутника. Первым искусственным спутником Земли стал «Спутник-1», запущенный СССР 4 октября 1957 года.

Она не только вышла за пределы атмосферы, но и послужила прототипом всех будущих космических ракет-носителей («Восток-1», «Сатурн-5», которая доставила человека на Луну). Фон Браун создал и первую ракету, которая могла нести на большие расстояния груз весом до тонны («Фау-2», 1942 год).

«Восток-1» стал первым космическим аппаратом, поднявшим человека на околоземную орбиту — 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин совершил первый полёт в космос.

​«Восток-1»

Вернер фон Браун предложил создать на околоземной орбите обитаемые лаборатории, переделав верхние ступени ракет-носителей в жилые блоки для длительного пребывания на орбите.

А для миссий «Аполлон» для высадки на Луну использовалась ракета «Сатурн-5», которую фон Браун спроектировал в 1962 году. Свои планы он воплотил в космической станции «Скайлэб» — первой и пока единственной американской пилотируемой орбитальной станции.

​«Сатурн-5» перед запуском

Итог

Циолковский снова оказался прав в своих предположениях.

Этапы с седьмого по девятый: о космическом быте

Делаются попытки избавиться от углекислого газа и других человеческих выделений с помощью подобранных мелкорослых растений, дающих в то же время питательные вещества. 7. Над этим много, много работают и медленно достигают успеха.

Устраиваются эфирные скафандры (одежда) для безопасного выхода из ракеты в эфир. 8.

Для получения кислорода, пищи и очищения ракетного воздуха придумывают особые помещения для растений. 9. Человек достигает большей независимости от Земли, так как добывает средства жизни самостоятельно. Всё это в сложенном виде уносится ракетами в эфир и там раскладывается и соединяется.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

Свежий воздух

Космонавты поддерживают низкое содержание углекислого газа в воздухе несколькими способами.

Выделяемый при дыхании углекислый газ выбрасывается в вакуум вместе со всей остальной смесью, но кислорода в помещении остаётся достаточное количество. Первым решением проблемы стал «продув».

В таком случае воздух циркулирует по замкнутому циклу, без выброса наружу Сейчас такая система применяется только в скафандрах в качестве запасного варианта, на случай неисправности основной системы регенерации («шашки» для воздуха).

Убыток кислорода компенсируется тем, что подмешивается кислород из баллонов (или от электролиза воды), а для удаления углекислого газа используют специальные ёмкости с гидроксидом лития.

В современном скафандре космонавт может провести до десяти часов в открытом космосе. Благодаря компактности и надёжности «шашек» систему используют в скафандрах и на кораблях-доставщиках вроде «Союза».

Также она служит запасной системой на МКС: если штатная система вышла из строя или если на станции слишком много людей и основная система не справляется.

Вещество, хорошо пропитывающееся газом (не любым, а в зависимости от диаметра молекулы), захватывает углекислоту, а азот и кислород — нет. В штатном режиме МКС обеспечивают свежим воздухом с помощью молекулярного сита. Ситом выступает цеолит.

В углекислый газ добавляют водород, на выходе получаются вода и метан. Другой принцип — реакция Сабатье. Новый кислород затем извлекают через разложение воды.

Поэтому учёные ищут новые способы обеспечения кислородом и поддержания низкого содержания углекислого газа на космических станциях. У этой системы есть свои недостатки: в силу химических особенностей на практике перерабатывается лишь половина объёма углекислого газа.

Космическое садоводство

Космонавты по-прежнему зависят от доставки продуктов с Земли, несмотря на то, что в разные годы на МКС проводили эксперименты с выращиванием: салата, подсолнечника, кабачков, брокколи, пшеницы, редиса, гороха, китайской капусты.

Вырастить растение в условиях микрогравитации — непростая задача, для этого космонавты применяли специальное освещение, «направляли» рост растения.

Вода не льётся, а собирается в «шарики», которые могут затопить корни растений. Без влияния силы тяжести семена могут просто разлететься в разные стороны. Искусственный свет и вентиляторы необходимо расставить точно в нужных местах, чтобы они заменяли солнце и ветер.

Растения должны хорошо переносить условия на борту МКС: температуру +22 °С, влажность 40% и высокую концентрацию углекислого газа — около 3000 частей на миллион.

По словам ботаника NASA Джойи Массы, к таким условиям растения не привыкли, на Земле показатель составляет 400 частей на миллион.

Помимо перечисленного выше, растения, выращиваемые по методике, похожей на гидропонную, должны давать росток из небольшого количества влажной почвы и быть достаточно стерильными: в космосе их трудно мыть.

Итог

Сейчас космонавты не способны добывать «средства жизни» самостоятельно. Предположения Циолковского в целом оказались верны, но в деталях, например в способах избавления от углекислого газа, они не совпали с действительностью.

Десятый, двенадцатый и тринадцатый этапы: освоение глубокого космоса

Вокруг Земли устраиваются обширные поселения. 10.

Основывают колонии в поясе астероидов и других местах солнечной системы, где только находят небольшие небесные тела. 12.

Невообразимо разколонии Развивается промышленность и размножаются. 13.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

По крайней мере о них рассуждают предприниматели и космические агентства. Пока Марс и Луна — наиболее вероятные кандидаты на основание колоний в обозримом будущем.

«Роскосмос»

Она связана с освоением Луны. В 2019 году сформулировал стратегию развития космонавтики в долгосрочной перспективе.

Колонизация спутника делится на несколько этапов:

  • Создание базового модуля окололунной станции, испытания перспективного пилотируемого корабля «Федерация», беспилотные облёты Луны «Федерацией» и исследование Луны автоматическими станциями.
  • Отработка средств доступа на поверхность Луны, первые пилотируемые полёты на поверхность спутника, создание и размещение на Луне первых элементов посещаемой базы.
  • Завершение строительства полноценной посещаемой лунной базы, создание единой системы пилотируемых и автоматических средств освоения Луны. Далее — колонизация Марса.

Для реализации планов необходимо не только построить новые типы ракет-носителей, но и позаботиться о здоровье экипажа.

Последние исследования российских и зарубежных учёных показали: радиация вне магнитосферы Земли (или в зоне ослабленного действия магнитного поля планеты) не только повышает вероятность развития рака, но и способна менять поведение животных и людей, вызывая тяжёлые повреждения мозга.

Два десятка мышей на борту отправятся в длительный полёт, сопоставимый с путешествием к Луне. Предвидя эти проблемы, учёные взялись за разработку зонда «Возврат-МКА», аппарата для проведения биологических исследований в космосе.

NASA и ESA

NASA и ESA (Европейское космическое агентство) также объявили полёт на другие небесные тела своей целью.

Они могут использоваться в качестве баз для космических кораблей, что также сократит расходы на запуски и увеличит расстояния космических путешествий. Циолковский выделял астероиды в своих планах по освоению космоса.

Первая посадка космического аппарата на поверхность кометы прошла 12 ноября 2014 года: на поверхность кометы Чурюмова-Герасименко спущен модуль «Филы», построенный ESA.

Добытую на Луне или Марсе воду, помимо прочего, можно использовать ещё и для извлечения водорода, который необходим для реактивного топлива.

Также корабли можно дозаправлять уже на орбите: технологию разрабатывает SpaceX. Если топливо получится производить прямо на Луне (или Марсе), расходы на запуск ракет сократятся.

Металлы, добытые в космосе, использовали бы на месте для производства других объектов, например запасных деталей для космических кораблей.

Это можно сделать с помощью технологий 3D-печати, с чем уже экспериментирует стартап Made in Space при поддержке NASA: он напечатал радиационный щит и планирует создавать солнечные панели прямо в космосе.

Комета Чурюмова-Герасименко​ Rosetta-Osiris

Исследовательскую станцию запустят не раньше 2023 года, она займётся изучением ледяной коры и подлёдного океана спутника, его состава, а также поиском признаков жизни на нём. Кроме того, NASA официально одобрило миссию Europa Clipper по изучению спутника Юпитера — Европы.

Беспилотник исследует поверхность и атмосферу спутника Сатурна. NASA также планирует очередную миссию программы New Frontiers, в рамках которой к Титану отправят октокоптер Dragonfly. Старт миссии запланирован на 2026 год, а прибытие к Титану — на 2034 год.

Разработкой таких технологий занимаются Moon Express, Planetary Resources, Bradford. Одна из причин полётов к спутникам газовых гигантов — перспективы добычи полезных ископаемых.

Итог

Предположения Циолковского о колонизации ближайших небесных тел осуществимы в перспективе, в наши дни исследователи заняты разработкой нужных технологий: космических убежищ, производством топлива на Луне, добычи полезных ископаемых.

Одиннадцатый этап: солнечная энергия

Используют солнечную энергию не только для питания и удобств жизни (комфорта), но и для перемещения по всей солнечной системе. 11.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

Лёгкость паруса позволит сменить тяжёлое топливо на полезную нагрузку. В 1924 году советский учёный Фридрих Цандер написал статью «Перелёты на другие планеты», в которой представил схему конструкции солнечного паруса и принцип его работы.

Площадь паруса — 1200 м². В 2014 году NASA запустило в космос солнечный парус Sunjammer из каптона, термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 °С.

Инициативу поддержал Стивен Хокинг. В июле 2015 года российский инвестор Юрий Мильнер объявил об открытии программы Breakthrough Initiatives — серии научных благотворительных проектов, направленных на изучение жизни во Вселенной.

Благодаря фотоэлементам аппарат будет способен собирать и пересылать солнечную энергию на Землю. К 2030 году Япония планирует создание орбитального спутника с большим количеством солнечных панелей.

Среднее значение эффективности панели не превышает 20%; у ветряков оно выше — до 30–35%, у современного дизельного генератора — до 80%. Основной недостаток солнечных панелей — низкий КПД по сравнению с другими типами генераторов.

Итог

Солнечные панели используют в космосе и на земле уже сейчас, а технологии, позволившие бы перемещаться с помощью солнечных лучей, пока разрабатываются.

Совершенный человек и расселение по всему космосу

Достигается индивидуальное (личности, отдельного человека) и общественное (социалистическое) совершенство. 14.

Население солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. 15. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному пути.

Начинается угасание Солнца. 16. Оставшееся население солнечной системы удаляется от неё к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям.

Константин Циолковский

из «Исследований мировых пространств реактивными приборами»

В этом смысле учёный — один из представителей русского космизма, учения, решившего радикально изменить человеческий быт: полностью урегулировать природу, воскресить ушедших отцов, сделать нравственным идеалом общую братскую жизнь. Циолковский предлагал не только технические средства освоения космоса, но и духовные.

На практике исследователи смогли конкретизировать вероятные пути развития человечества: после колонизации Солнечной системы люди отправятся к экзопланетам.

Её пригодность для жизни определяется наличием воды в жидкой форме, плотной атмосферой, химическим разнообразием (простые и сложные молекулы на основе водорода, углерода, кислорода, серы, фосфора) и достаточным количеством света и тепла от звезды. Экзопланета — планета за пределами Солнечной системы, вращающая вокруг другой звезды.

У экзопланеты земного типа впервые нашли атмосферу

У экзопланеты земного типа впервые нашли атмосферу

nplus1.ru

Итог

Однако учёные уже отыскивают планеты, где человек сумел бы поселиться. С нынешним уровнем развития технологий последние пункты плана Циолковского неосуществимы.

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть