bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Category:

Маниловщина космических бубликов



Скучно. Скучно... Давайте позанимаемся чем-то интересным. Например, вот этим:

Уже через шесть лет фонд Gateway Foundation обещает распахнуть шлюзы орбитального отеля, рассчитанного на ежегодный прием до сотни туристов.



Вопрос в лоб. Почему этого не будет?

Начнем с технической части.

В свое время Циолковский, предложив "бублик", сразу указал, что стыковка к нему будет возможна только на оси. Нет, теоретически, можно, используя двигатели, по очень сложной траектории, с очень сложной динамикой управления, цепляться к ободу. Однако после такой стыковки центр масс "бублика" изменится, и вращение испытает возмущение. В момент выключения двигателей, прижимающих корабль к ободу, на нем появится дополнительная масса, в результате чего изменится центр вращения, а значит - и вектор центробежной силы. При этом изменится рисунок напряжений в конструкции - то есть, она испытает деформацию. Вдобавок, стыковочный узел будет работать на растяжение, и в любой ситуации будет происходить разрыв с разгерметизацией шлюза. Хотя с другой стороны, какие-нибудь спасательные капсулы на ободе держать как раз хорошо - ничто не помешает им оторваться от "бублика", и удалиться в космическое пространство.

Космическая конструкция, испытывающая постоянные знакопеременные нагрузки - это нонсенс. Понимаете?

Еще одной плохой чертой стыковки к "бублику" на его ободе является чудовищный расход топлива на маневры стыкующегося корабля. Чем больше топлива нам надо для стыковки - тем меньшую полезную нагрузку мы можем доставить на борт. Соответственно, тем хуже весовая отдача транспортной системы получается, и экономика полета (об этом дальше) летит к черту.

Вывод - стыковочный узел "космического бублика" может располагаться только и исключительно на его оси. А отсюда вывод следует. Стыковочных узлов может быть только два.

Даже на такой небольшой, в сущности, станции, как МКС, есть большее количество стыковочных узлов - и все равно возникают неудобства в эксплуатации. Так, при полете робота Федора на МКС пришлось перестыковывать "Союз". Мало стыковочных узлов на МКС, понимаете?

Помимо ограничения на количество стыковочных узлов у нас возникает еще одна проблема. Чтобы стыковаться по оси "бублика", нам надо раскрутить стыкующийся корабль. Технически это не сложно. Однако вестибулярный аппарат никто не отменял, и следовательно - экипаж будет испытывать головокружение. С точки зрения техники и по энергетике стыковки со вращением все в порядке, и система управления, в принципе, реализуема - но вот люди будут страдать. Достаточно посмотреть, сколько времени требуется для сближения корабля с МКС, чтобы понять - подготовленному профессиональному космонавту за это время понехорошеет, а что говорить о туристе?

Глядя на видео на систему стыковки, мы видим, что условия стыковки для экипажа являются отвратительными.

Следующее. Система с центральным "порталом". Как видно на видео, там предусмотрена транспортная платформа. То есть корабль хватается специальными манипуляторами, после чего механически перемещается к стыковочному люку. При этом, поскольку корабль смещается от центра вращения, на экипаж и груз начинает действовать центробежная сила. И мало того, что у вас голова кружится, и тянет проблеваться - так еще и двигаться становится не то, что невозможно - но очень неудобно. Лепота.

Существует вариант стыковки с манипулятором вращающегося объекта с неподвижным, при котором нет вот этих вот биологических противопоказаний. А именно, стыковка с переходником.

На оси бублика располагается герметично/негерметичный стыковочный отсек. Без пристыкованного корабля он негерметичен. Подходит корабль, и начинает (не вращаясь) стыковаться. Отсек раскручивается (относительно "бублика") и синхронизируется по вращению с кораблем. Корабль стыкуется. После чего отсек начинает раскручивать корабль, синхронизируя его со станцией. Когда скорость вращения корабля и станции синхронизирована - отсек стыкуется уже к станции, и объем его заполняется воздухом.

Почему так сложно? Потому что вращающиеся шарниры в вакууме, как их не уплотняй - все равно будут сифонить воздух. При этом чем больше шарнир, тем сложнее (учитывая потребную точность изготовления деталей) обеспечить его функционирование. А с учетом нагрузок на стыковочный агрегат, мысль о вращающемся газонаполненном стыковочном агрегате (кстати, предлагавшемся Циолковским) как-то энтузиазма не вызывает.

Потому для "бублика" герметично-негерметичный вращающийся переходник-манипулятор-стыковочный отсек является единственным рабочим вариантом конструкции. Однако повторяем - на всем бублике у нас будет всего два таких стыковочных узла, а это крайне мало для большой космической конструкции...

Наконец, существуют еще паллиативные варианты реализации стыковочного узла.

На оси "бублика" у нас находится стыковочный портал вроде нарисованного дизайнерами. Вокруг стыковочного портала по кольцевым направляющим ездит манипулятор, принимающий корабли. Во время стыковки манипулятор еде так, чтобы быть неподвижным относительно корабля, он "хватает" корабль, затем "останавливается" относительно станции, синхронизируя свое вращение с ней, и одновременно - он принимает на себя все механические напряжения, возникающие в связи с вращением корабля на его конце. Далее манипулятор подводит корабль к стыковочному узлу, где (скорее всего) корабль перехватывается уже другим манипулятором, непосредственно удерживающим корабль для стыковки. Конструкция сложная, и критически зависящая от одного (ну ладно - двух) сложных технических устройств (вращающихся манипуляторов).

С учетом того, что манипуляторы для МКС, существенно более простые, может изготовить одна-две фирмы на Земле, а вращающихся манипуляторов вообще никто не делал никогда - очень спорный вариант.

Далее. Любые перемещения массы внутри "бублика" приводят к возмущениям вращения. Это говорит о том, что для компенсации моментов нужны встречные перемещения масс (например, перекачка жидкостей). В противном случае у нас возможна прецессия. Более того, для более-менее стабильного положение относительно Земли, что необходимо для упрощения маневров подхода к станции, нужно, чтобы бублик лежал в плоскости орбиты. Иначе у нас получается совершеннейшая чехарда с антеннами связи, системой астроориентации, приборами наблюдения за Землей и пространством. В таком положении "бублик" имеет наименьшее сопротивление к верхним слоям атмосферы (которые даже на высоте 400-600 км оказывают влияние на движение). А это означает, что двигатели, поддерживающие орбиту бублика, должны работать поперек оси вращения, понимаете? Более того - при работе таких двигателей будут возникать ускорения, локально-коллинеарные "силе тяжести" на борту, возможно вплоть до отрицательной "силы тяжести", то есть "бублик" будет неудобен с точки зрения его обитателей.

Любая другая ориентация "бублика", кроме как "лежа в плоскости орбиты", приведет к тому, что Земля будет вращаться вокруг него. Это означает, что остронаправленные антенны связи должны быть подвижными, и располагаться по всей поверхности "бублика". Либо нам нужно покрыть "бублик" фазированными решетками. Датчики астроориентации... Ну мне даже сложно представить, как они должны работать, понимаете? А еще у нас всякие камеры-телескопы для наблюдения Земли - им очень сильно будет плохо, многие виды наблюдений земной поверхности станут невозможны.

Заметьте - мы пока говорим исключительно об особенностях стыковочного процесса.

В реализации вращающихся модулей у нас есть два возможных подхода. Подход один. Герметичный объем вращающейся части станции самодостаточен, и нигде не связан с (возможным) герметическим объемом неподвижной части станции. То есть - у нас отсутствует герметический "шарнир". Второй подход - это когда станция состоит из двух частей, вращающейся и неподвижной, и они связаны общим гермообъемом. Проблема второго варианта - в наличии вращающегося герметичного узла. Реализовать герметичность такого узла крайне сложно, а его долговечность - в связи с механическим износом - находится под большим вопросом. Речь идет о том, что он должен вращаться не несколько часов, или несколько суток. Проблема в том, что он должен вращаться долгие десятилетия. Космическая станция - штука дорогая, и потому строить ее надо на долго.

Наличие общего гермообъема между вращающейся и неподвижной частью станции, каковая проблема требует наличия безусловно надежного, критически важного для станции и уникального узла, каковой узел продублировать нельзя даже теоретически - герметичного шарнира - с учетом обязательного наличия механического износа и требований по долговечности принятого технического решения, в настоящее время нерешаема.

Это мы к чему говорим? Это мы говорим к тому, что в начале мы упоминали предлагавшийся Циолковским вращающийся шлюз. Так вот - вращающегося шлюза на "бублике" не будет. Забудьте, короче...

А если учесть, что такой шарнир будет подвергаться усилию атмосферного давления "на разрыв" - то вообще становится невесело.

Однако существует еще один вариант реализации центробежной гравитации. Данный вариант был предложен Артурам Кларком в его бессмертной "Космической одиссее".



В космическом корабле "Дискавери" "карусель", создававшая "гравитацию", располагалась целиком внутри герметического объема. Более того - корабль не станция, и потому время беспрерывного вращения там ограничено не десятилетиями, а всего лишь годами.



Как нетрудно понять, в данном случае шарнир вращения может быть негерметичным, и становится реализуемым. В этом случае мы получаем весьма интересный вариант станции с неподвижным корпусом, герметичным и прочным, внутри которого вращается негерметичный (хоть сетчатый) объем-карусель, где уже живут космонавты в условиях центробежной гравитации. И вроде бы все хорошо, да, ребята?

А вот хрен!

И теперь мы обращаемся вот к какой картинке:



Дело в том, что материалы обладают определенными прочностными характеристиками. И эти характеристики не зависят от объема и размера - а только от самого материала. Если мы представим себе металлические баллоны двух размеров, маленький и большой - а космическая станция представляет из себя такой баллон - то создаваемое внутренним напором механическое напряжение в обшивке растет с ростом размера. Большой баллон для того же давления должен иметь большей толщины стенки, нежели маленький. Сейчас в космонавтике используются лучшие материалы, и при характерных размерах толщина стенки модуля МКС составляет примерно 3 мм. Однако в случае больших помещений эта толщина будет расти. Посмотрите на гифку карусели "Дискавери", и вы поймете, что объемлющая ее герметичная конструкция значительно больше МКС - а значит, толщина герметичной обшивки там хорошо за сантиметр уже.

Ребята, это не просто металл - это очень хороший металл, изготовленный по специальной технологии, прошедший самое изощренное дефектоскопирование, и все равно работающий на пределе своих возможностей, понимаете?

В случае карусели "Дискавери", которую трудно назвать комфортной, требуется пять оборотов в минуту, чтобы создать тяготение в 1/6 земного. Это геометрия. Чем больше радиус вращения - тем больше, при той же угловой скорости, сила искусственной гравитации. Однако чем больше радиус - тем больше геометрические размеры гермообъема, и тем толще, а значит тяжелее, должна быть конструкция.

Чтобы наша станция не была перетяжелена за пределами возможностей техники, она не должна иметь больших гермообъемов. А значит (для нас) отсюда следует два вывода. Первый - о роскошных апартаментах на картинке из проекта бравых американцев можно забыть, причем не в перспективе шести лет - а минимум в перспективе шестидесяти. Второй - нам следует забыть о карусели внутри гермообъема, потому что гермообъем получается технически нереализуемым.

Особо одаренным, мечтающим ткнуть меня носом в углеволокно, я имею сказать следующее. Углепластики состоят не только из углеволокна (которое вполне себе долговечно в вакууме), но и из связующего (заполнителя). В вакууме заполнитель (пластмасса, смола) деградирует, причем достаточно быстро. Сам заполнитель может отвердевать пока что только в присутствии воздуха, то есть выклеить в вакууме корпус станции и потом его наддуть - нереально, не будет выдержан техпроцесс по формированию тела композита, да и пригодные для этого материалы будут стоить сумасшедших денег. Проконтролировать качество подобной работы в космосе - нереально в квадрате, а исправить возможные недочеты - в кубе.

Пока что единственной возможностью создать в космосе большой гермообъем в космосе я вижу только одну. На земле сделать шарик, ну или цилиндр с полусферическими окончаниями, и гермошлюзом с одного конца, короче, "пузырь" с "калиткой". Шарик должен быть надувным, герметичным, механически прочным и геометрически точным. Материал шарика не должен испытывать деформаций при наддуве (чтобы не полезли складки). Вывести шарик в космос на очень высокую орбиту, и молясь постоянно, чтобы какой-нибудь мусор не проткнул его там, слегка наддуть. Космонавты через гермошлюз должны посменно ходить в гермообъем, нанося на внутреннюю поверхность пузыря слой за слоем углепластик, формируя тело композита. При этом им нельзя прикасаться к поверхности, то есть им потребуются какие-то средства механизации внутри, типа манипулятора МКС. Вот так, нанося слой за слоем - они должны сформировать (и дефектоскопировать, и при необходимости исправить!) механическую оболочку. Затем изнутри эта оболочка должна быть покрыта герметичным слоем, исключающим просачивание воздуха внутрь тела композита. И снаружи также должна быть произведена работа по созданию прочного гермослоя, чтобы исключить деградацию композита в вакууме. При этом в силу того, что на ранних стадиях работы оболочка не является жесткой - обеспечить прижим одного слоя композита к другому очень непросто.

И вот после того, как наш "пузырь" сформирован, отвердел и герметизирован - через тот же шлюзик нам надо пропихнуть кучу материала и инструментов, чтобы построить внутри "карусель".

Одна только отработка необходимых технологических операций, подбор материалов, пробные работы - займет десятилетия. Кроме того, поскольку на орбитах порядка 400-600 км. сопротивление атмосферы велико, и наш "пузырь" слишком быстро упадет вниз, мы даже пукнуть не успеем - нам потребуется это делать на гораздо более высоких орбитах, вне защиты радиационных поясов... Мало того, что космонавты будут подвергаться облучению, так у нас еще и кораблей таких нет - людей туда таскать, непрерывно, постоянно и долго. А сделать такие корабли - это еще долгие годы...

Возможен еще один вариант. 3Д-печать гермообъема. Собирается ферменная конструкция метров сорок на сорок, геометрически правильная и жесткая, калиброванная по размерам, внутри располагается каретка 3Д-принтера, который долгие-долгие годы капля за каплей наносит металл, формируя механически прочную, герметичную, оболочку. И когда она сформирована - тогда опять же, через люки космонавты входят внутрь, и начинают заниматься стройкой.

Ребята, все, что перечислено выше - это чудовищная терра инкогнита, этого никто никогда не отрабатывал, понимаете?

Почему я не рассматриваю варианты с космической сваркой, отработанные еще в СССР? Да, качество шва удалось достичь приемлемое. Однако толщина материалов, термическая деформация конструкции, необходимость создания стапелей для сборки, и наконец - при наддуве результата геометрия скажет свое, и так как любой сварной шов является местом концентрации усилий - ой как меня стремает по поводу таких методов сборки гермообъема... Да и 3Д-печать не лучше - такого размера конструкции в космосе геометрически нетермостабильны (односторонний нагрев солнцем), возможны неприятные сюрпризы с предварительно сформированными напряжениями металла.

Резюме. Ситуация с внутренней каруселью технологически реализуема, но явно не через шесть лет. Если упороться, и выделить финансирование - вариант с 3Д-принтером кажется более-менее рабочим, и полученный пузырь может быть нужной толщины - то лет через шестьдесят-семьдесят чудовищных затрат всего человечества мы получим, наконец - первую двадцати-тридцатиметровую дуру, с "каруселью" внутри, чисто ради прикола.

Вопрос. А есть ли более технически обоснованное решение?

Есть. Например, шестиугольник модулей, каждый из которых размером не больше МКС-овских. Модули жестко связаны ферменной конструкцией, которая обеспечивает механическую прочность. Между модулями располагаются гермопереходы. Вся эта лабуда вращается. При этом внутренний объем получается недостаточным и даже дискомфортным, с учетом гравитации. Там, где в невесомости места хватает - в силу иного использования объема - у нас получится жуткий недостаток места. По оси полученного монстра нам нужно будет разместить совершенно уникальный шарнир, объединяющий подвижную часть с герметичными объемами, и неподвижную - с агрегатным, энергетическим, двигательным оборудованием. С другой части оси у нас будет единственный стыковочный агрегат, с уникальным вращающимся манипулятором, или уникальным вращающимся переходником. И нам будет страшно не хватать стыковочных узлов, такая фигня...

Вот что мы сможем собрать лет не через шесть - а через двадцать шесть, если сейчас начнем НИОКР, и будем тратить сколько надо, а не сколько не жалко.

А все остальное - маниловщина чистой воды...
Tags: Автостоп и дальнобой в космосе, Мысли дилетанта, Неоднозначное, Се ля ви...
Subscribe

  • Ответ агрессору

    Пока американцы готовятся снимать фильм в космосе, пока россияне отработали на МКС (два киноэкипажа последовательно - я не завидую космонавтам,…

  • Шикарный фильм!

    Американцы молодцы. Вот в данном конкретном случае, не везде, конечно... :) Но в этом фильме они точно молодцы. Фильм набит информацией с первых…

  • Обещанная космическая идея...

    Короче. Посмотрел я сейчас по списку всех планетоходов, запущенных человечеством... И охренел. Проходимость колеса в грунте прямо пропорциональна…

promo bigdrum february 17, 2019 22:31 6
Buy for 10 tokens
На мейл-ру пролетела очередная "желтая" новость, коих не счесть. Касательно контактов с инопланетянами. В силу чего, втыкая по причине небольшой эмоциональной раздолбанности, я вот тут вдруг решил взять и откомментировать это дело. Да, ребята! МЫ БУДЕМ ГОВОРИТЬ ОБ НЛО, ПРИШЕЛЬЦАХ…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 26 comments

  • Ответ агрессору

    Пока американцы готовятся снимать фильм в космосе, пока россияне отработали на МКС (два киноэкипажа последовательно - я не завидую космонавтам,…

  • Шикарный фильм!

    Американцы молодцы. Вот в данном конкретном случае, не везде, конечно... :) Но в этом фильме они точно молодцы. Фильм набит информацией с первых…

  • Обещанная космическая идея...

    Короче. Посмотрел я сейчас по списку всех планетоходов, запущенных человечеством... И охренел. Проходимость колеса в грунте прямо пропорциональна…