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.

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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

В 1896 году над задачей задумались братья Райт. Их достижением стало открытие трёх осей вращения, что позволило пилотам самостоятельно управлять самолётом и поддерживать его равновесие во время полёта. 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.

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

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

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

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.

Первый пункт плана осуществился спустя четыре года после ухода учёного.

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

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.

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! Поможем же ему достигнуть большего». К преодолению этой высоты стремился учёный, опираясь на показатели летательных аппаратов своего времени.

Характеристики второго поколения самолётов:

Наряду с авиацией развивалась космическая отрасль.

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

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.

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.

Две пары газовых рулей, отклоняемых относительно продольной оси ракеты-носителя, обеспечивают управление по тангажу, курсу и крену. 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».

В плане по освоению космоса Циолковский также затронул тему приземления ракет на воду. 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.

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

Здесь Циолковский тоже оказался прав:

Первым искусственным спутником Земли стал «Спутник-1», запущенный СССР 4 октября 1957 года. 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.

Фон Браун создал и первую ракету, которая могла нести на большие расстояния груз весом до тонны («Фау-2», 1942 год). 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).

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

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

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

Циолковский снова оказался прав в своих предположениях.

Космонавты поддерживают низкое содержание углекислого газа в воздухе несколькими способами.

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

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

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

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

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.

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

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

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

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.

Без влияния силы тяжести семена могут просто разлететься в разные стороны. Вода не льётся, а собирается в «шарики», которые могут затопить корни растений. 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.

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

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

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

Колонизация спутника делится на несколько этапов:

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.

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

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

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

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.

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

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.

Кроме того, NASA официально одобрило миссию Europa Clipper по изучению спутника Юпитера — Европы. 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.

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

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

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.

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

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

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

Один из проектов посвящён разработке флота межзвёздных космических кораблей, использующих световой парус StarChip, для перелёта к звёздной системе Альфа Центавра.

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

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

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

Циолковский предлагал не только технические средства освоения космоса, но и духовные. 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.

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

Экзопланета — планета за пределами Солнечной системы, вращающая вокруг другой звезды. 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.

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

#космос #марс #луна