Для этого есть много причин. Осуществление программы «Аполлон» лишь положило начало исследованию Луны. Она может служить прекрасным местом для расположения астрономической обсерватории. В частности, обсерватория на обратной стороне Луны будет полностью изолирована от тех проявлений человеческой деятельности, которые пагубны для радиоастрономии. Но наибольший интерес представляют природные ресурсы Луны с точки зрения создания космической промышленности. Луна движется на большом удалении от Земли. Для выведения одного килограмма полезного груза за пределы гравитационного поля Луны потребуется затратить в 20 раз меньше энергии, чем для той же операции на Земле, а дальнейшая доставка в нужное место не вызовет затруднений.
Слева. Успешно выполненная программа «Аполлон» является лишь первым шагом в исследовании Луны человеком. Наступит ли время, когда он создаст на Луне базу по разработке полезных ископаемых, обслуживаемую регулярными полетами по трассе Земля-Луна?
Программа «Аполлон» показала, что на Луне имеются многие материалы, в которых мы нуждаемся. На рисунке показаны результаты химического анализа двух образцов лунной породы. Один из них доставлен кораблем «Аполлон-11» из Моря Спокойствия и богат железом и титаном. Другой образец, доставленный кораблем «Аполлон-16» из лунного кратера Декарт, содержит много алюминия. Геологи представили результаты анализа в виде эквивалентных весов окислов металлов, и это вводит в заблуждение. На Луне, как и на Земле, наиболее распространена окись кремния - основа песка и стекла. В нормальных условиях Земли она инертна. Но в жидком состоянии, при высоких температурах, которыми сопровождалось зарождение Луны, окись кремния становится химически активной. Интересующие нас элементы связаны в сложных силикатах металлов, и для их выделения потребуется определенная изобретательность.
 | Лунные материалы На диаграмме сравниваются составы двух образцов лунного грунта, доставленных из Моря Спокойствия кораблем «Аполлон-11» и из лунного кратера Декарт кораблем «Аполлон-16». В составе второго образца больше алюминия, в составе первого - титана и железа. Химики изучают возможности выделения этих металлов из лунной породы. Этот процесс может быть реализован в печах замкнутого цикла, для работы которых потребуется лишь наличие породы и энергии солнечного излучения. |
Химики уже изучают возможности извлечений металлов из лунных пород. Разрабатываемые ими технологические процессы будут отличаться от земных. Прежде всего они должны быть построены по замкнутому циклу с тщательным сохранением вспомогательных химических продуктов, используемых для извлечения металлов.
В 1975 г. на летней конференции НАСА и Американского общества технического образования по программе исследований в области космических поселений Т. Хаддлстон из Университета шт. Миссисипи и Дж. Фокс из Гавайского университета доложили о способах выделения алюминия и титана из двух типов лунной породы. Предложенные ими технологические процессы полностью замкнуты, и для их осуществления требуется наличие породы и энергии, хотя неизбежны некоторые потери, которые при длительной работе необходимо будет восполнять с Земли. Лунная порода лежит на поверхности, а энергия имеется в избытке в виде светового солнечного излучения, которое беспрепятственно попадает на поверхность Луны непрерывно в течение 14 сут.
Слева. Сотрудник фирмы «Макдоннел Дуглас» Ф. Боно демонстрирует модель в одну шестую натуральной величины межконтинентальной транспортной ракеты многоразового использования по проекту «Пегас» (1967 г.). Такой аппарат мог бы перевозить космических рабочих на околоземную орбитальную станцию и обратно.
Для осуществления некоторых процессов такое сложное производство может вообще не потребоваться. Земной базальт, очень сходный с породой лунных морей, может быть переработан в волокно, подобное стекловолокну, с помощью очень простого оборудования и затем использоваться как конструкционный материал. Возможны и еще более простые решения. Д-р Д. Шеппард, занимающийся исследованиями проблемы создания лунного поселения в рамках деятельности Британского межпланетного общества, считает, что лунная пыль может быть непосредственно использована для получения бетона. Связующим могла бы стать доставляемая с Земли эпоксидная смола, уже опробованная в наземных конструкциях. При этом бетон будет на 90% состоять из лунной пыли, для добычи которой нужен лишь экскаватор. В подтверждение своей идеи Шеппард указывает, что опыт развития техники на Земле показал преимущества бетона перед сталью в весьма неожиданных технических приложениях, например в конструкциях нефтяных буровых вышек. Однако применение бетона связано с определенными трудностями. Он хорошо работает лишь на сжатие. Правда, на Луне во многих случаях потребуется именно такой тип нагружения. Кроме того, даже на Земле мы научились использовать железобетон в конструкциях, работающих на растяжение. Из этого материала можно сделать даже купол, нагруженный внутренним давлением, но это будет не выпуклый сводчатый купол, какие мы привыкли видеть на иллюстрациях к научной фантастике, а конструкция, в которой бетонные секции образуют вогнутую поверхность.
Предварительные исследования Луны
Никому неизвестно, что может быть использовано на Луне. Программа «Аполлон» существенно расширила наши знания, но образцы были взяты лишь в шести точках всей поверхности. Не производилось извлечения образцов при глубоком погружении в грунт и не исследовались полярные области, а обратная сторона Луны не изучалась вовсе. Таким образом, первым шагом при возобновлении изучения Луны, вероятно, будут детальные геохимические исследования с орбиты. США и СССР заинтересованы в спутниках Луны на полярных орбитах, а европейские ученые предлагали создание таких спутников наряду с беспилотными посадочными модулями и аппаратами для взятия образцов грунта в рамках проектов Европейского космического агентства на 80-е годы. Опыт, полученный по программам «Аполлон» и «Викинг», позволит производить такие операции для проведения широких исследований всей лунной поверхности. Вместе с тем, если нам предстоит разрабатывать ресурсы Луны, необходимо возобновить полеты человека на нее, но когда и с какими затратами?
Орбитальный завод по производству топлива1 Теплоизолированный подвесной топливный бак корабля «Спейс Шаттл» для хранения топлива. 2 Космический радиатор. 3 Технологический модуль, установленный на узлах крепления «Орбитера» к подвесному баку. В соответствии с этой концепцией, предложенной специалистами фирмы «Конвэр», вода, доставляемая на околоземную орбиту на борту «Шаттла» как часть полезного груза, будет перерабатываться в жидкий кислород и жидкий водород для их последующего использования в качестве компонентов ракетного топлива космического буксира «Спейс Таг». Технологический модуль доставляется на орбиту «Шаттлом» и на орбите крепится к подвесному баку. Энергия вырабатывается фотоэлектрическими батареями большой площади, а избыточное тепло рассеивается тремя радиаторами, установленными на торце технологического модуля. «Профак» (аккумулятор жидкого топлива) 1 Вспомогательные топливные баки. 2 Бак жидкого кислорода. 3 Установка для сжижения и разделения компонентов. 4 Ядерный реактор. 5 Заборник воздуха. 6 Радиаторы установки сжижения. 7 Радиаторы реактора. 8 Разгонный двигатель. 9 Стыковочный узел. 10 Электрореактивные двигатели. Перемещаясь по орбите у границы плотных слоев атмосферы на высоте около 120 км, «Профак» захватывает разреженный воздух, сжимает и охлаждает его путем газодинамического сжатия в заборнике и в компрессорах, выделяет жидкий кислород и использует оставшийся азот в ядерном электрореактивном двигателе для компенсации потерь на аэродинамическое сопротивление. Большая часть внешней поверхности аппарата занята радиаторами для сброса избыточного тепла от энергетической установки, компрессоров и установки для сжижения. Компактный ядерный реактор требуется в связи с тем, что большая площадь солнечных батарей, применение которых выгодно в космическом пространстве, вызвала бы нежелательное увеличение 
аэродинамического сопротивления. Ядерный реактор будет не единственным источником энергии на борту аппарата; предусматривается обычная ракетная система для перевода аппарата на более высокую орбиту в аварийных ситуациях и для разгрузки. В штатных операциях аппарат «Профак» обеспечит заправку жидким кислородом буксира «Спейс Таг». Экономическая эффективность системы «Профак» в сильной степени зависит от располагаемой мощности энергетической установки на единицу массы. Представляется возможным создание аппарата, способного в течение 30- 40 сут вырабатывать количество жидкого кислорода, масса которого равна собственной массе аппарата.
Космическая транспортная система для лунной базы1 «Спейс Шаттл». 2 Двухступенчатый буксир «Таг». 3 «Профак». 4 Орбитальный завод по производству топлива. 5 Траектория возврата разгонной ступени буксира. 6 Спутник слежения и передачи информации (ТДРС) на геостационарной орбите. 7 Буксир «Спейс Таг». 8 Спутник связи в точке либрации. 9 Станция на окололунной орбите. 10 Лунный кислородныйзавод. 11 Спутник связи на залунной гало-орбите. На рисунке показан возможный вариант эффективной и экономичной транспортной системы связи Земли с Луной, которая может быть создана на базе существующей технологии к концу текущего столетия. Специалисты НАСА убеждены, что к 2000 г. корабли «Шаттл» обеспечат стабильный грузопоток на орбиту для выполнения экспериментов и развития космического производства. Некоторые задачи будут решаться на низких околоземных орбитах, доступных для корабля «Шаттл», однако для выполнения других задач «Шаттлу» потребуется дополнительная верхняя разгонная ступень, которая позволит выводить на высокие орбиты грузы, а впоследствии и людей, обеспечивая их безопасное возвращение на орбиту ожидания «Шаттла». Такая верхняя ступень, первоначально названная специалистами НАСА «Спейс Таг» («Космический буксир»), может использоваться и для лунных операций. Подобно «Шаттлу», буксир «Спейс Таг» должен быть многоразового и универсального применения и рассчитан на перевозку как грузов, так и людей. На первом этапе буксиры будут возвращаться на Землю после каждого полета, но впоследствии будут заправляться топливом на орбите и постоянно базироваться в космосе. Для запуска полезного груза на орбиту вокруг Луны корабль «Шаттл» выведет в грузовом отсеке на низкую околоземную орбиту два тандемно расположенных буксира «Спейс Таг» и модуль с полезным грузом. Первый буксир переведет всю сборку на высокоэллиптическую орбиту вокруг Земли, отделится и вернется на низкую околоземную орбиту для встречи с «Шаттлом». Второй буксир с полезным грузом достигнет окололунной орбиты с достаточным запасом топлива для обратного полета на околоземную орбиту «Шаттла». Посадка на Луну может быть выполнена с помощью третьего буксира, имеющего в отличие от предыдущих посадочные опоры и радиолокационную установку. Значительную часть общей стоимости транспортировки грузов на Луну составляет стоимость топлива. Для доставки 1 т груза на поверхность Луны необходимо вывести 4-5 т топлива на околоземную орбиту. Показаны две системы, обеспечивающие снижение стоимости топлива на орбите: орбитальный завод по производству кислорода и водорода из воды, доставляемой на борту корабля «Шаттл» как часть его полезного груза, и система «Профак» для выделения кислорода из воздуха, собираемого при движении по околоземной орбите у границы плотных слоев атмосферы. Вместе с тем самой экономичной схемой представляется получение жидкого кислорода на Луне из лунной породы. Существенную роль в снижении расходов играет рациональная организация системы связи. При эксплуатации корабля «Шаттл» будет использоваться спутник «ТДРС» на геостационарной орбите, заменяющий систему связи, развернутую по всему миру для обеспечения программы «Аполлон». Для лунных операций может потребоваться аналогичный спутник на гало-орбите (вокруг точки Лагранжа L2), обеспечивающий связь с объектами на обратной стороне Луны. Спутник связи необходимо также иметь в точке либрации между Землей и Луной для обеспечения радиосвязи с базами на стороне Луны, обращенной к Земле. 
Буксир «Спейс Таг»(модифицированный вариант, предложенный ЕЛДО) 1 Стыковочный узел. 2 Радиаторы. 3 Система ориентации. 4 Маршевый двигатель. 5 Раскладные посадочные опоры. 6 Баки жидкого кислорода. 7 Бак жидкого водорода. 8 Пульт управления. Буксир «Спейс Таг» - основное звено лунной транспортной системы. Он должен быть приспособлен для заправки и обслуживания в космосе без возвращения на Землю в течение длительного времени. Хотя большую часть объема баков буксира занимает жидкий водород, 86% (по массе) топлива составляет жидкий кислород. Унифицированная конструкция буксира должна допускать выполнение всех возможных oneраций как в одноступенчатом, так и в многоступенчатом исполнении. Для полетов к Луне оптимальной представляется максимальная заправка буксира топливом массой около 12,5 т, однако возможны полеты с неполной заправкой топливом. Буксир будет снабжен посадочными опорами и радиолокационной установкой для осуществления снижения и мягкой посадки на поверхность Луны. Освоение Луны не имеет исторических аналогов. Северная Америка и Австралия были колонизированы аграрными странами, что сразу предоставило возможности выгодного производства в рамках потребностей того времени. Луна же будет освоена обществом с высокоразвитой техникой, в котором золото и земля не будут иметь первостепенного значения. В наше время некоторую аналогию можно найти в организации поселений в Антарктике или на северном склоне Аляски, но для основания лунного поселения потребуется более высокая степень автономии. Создание постоянной населенной базы на Луне будет в основном зависеть от разработки эффективных, экономичных транспортных систем, действующих между Землей и Луной. Как и при реализации программы «Аполлон», в будущих перелетах будет использован принцип встречи на окололунной орбите. Груз, оборудование и астронавты будут доставляться с околоземной орбиты по двухступенчатой схеме выведения на окололунную орбиту, а оттуда переправляться на поверхность специальным аппаратом, обслуживающим только эту трассу. На начальном этапе такая операция, возможно, будет выполняться за два последовательных запуска. В дальнейшем более экономичным может стать создание танкера на окололунной орбите для регулярной заправки. |
В 1970 г. в апогее осуществления программы «Аполлон» НАСА имело обширные планы создания лунной базы. В качестве основного элемента транспортной системы предлагалась ракетная ступень с ядерным двигателем «Нерва» (с. 214-216). Она предназначалась для «челночной» транспортировки людей и грузов с околоземной орбиты и обратно; предполагалось, что ее обслуживание будет осуществлять корабль «Спейс Шаттл», а на окололунных орбитах - посадочные модули или буксир «Таг» на химическом топливе. За один полет ступень «Нерва» способна доставить 90 т груза на окололунную орбиту и почти половину этой массы на поверхность Луны. Из-за сокращений программы НАСА создание ступени «Нерва» было прекращено, однако последние исследования, проведенные в Англии и США, показали, что она может не потребоваться вообще в связи с успехами в развитии неядерной техники.
Внизу. Модель перспективного космического ЖРД фирмы «Рокетдайн», который может быть установлен на космическом буксире, функционирующем за пределами низких околоземных орбит. Особенностью конструкции является возможность укоротить сопло при транспортировке посредством втягивания его части. |
НАСА и фирма «Рокетдайн» уже проводят испытания перспективного космического двигателя тягой 1020 кгс, работающего на кислороде и водороде. Он имеет удельный импульс выше 476 с, по меньшей мере на 16 с больше удельного импульса основного двигателя корабля «Спейс Шаттл». В рабочем состоянии двигатель имеет диаметр немного более 1 м и длину около 2,5 м. Для транспортировки в грузовом отсеке корабля «Шаттл» двигатель может быть сложен и укорочен до размера 1,3 м.
Создание такого двигателя имеет важное значение. Установленный на межорбитальном транспортном аппарате, или буксире, который может быть выведен на орбиту в грузовом отсеке корабля «Шаттл», он обеспечит проведение космических операций за пределами низких околоземных орбит. Разработки такого буксира ведутся уже более десяти лет, в частности Европейской организацией по разработке ракет-носителей (ЕЛДО). Один из предложенных вариантов представляет собой буксир с полной массой 12,5 т. В состав буксира входят один большой бак жидкого водорода и четыре небольших бака жидкого кислорода, расположенных вокруг двигателя. Но в данном случае размеры обманчивы - большой бак содержит жидкий водород с плотностью, составляющей менее 1/10 плотности воды. Фактически 85% массы топлива буксира составляет масса жидкого кислорода.
Для полетов к Луне в грузовом отсеке корабля «Шаттл» потребуется разместить связку из двух буксиров по тандемной схеме. Первый буксир сообщит связке скорость около 2 000 м/с, отделится и совершит обратный полет на околоземную орбиту «Шаттла». Второй буксир доставит груз массой 7 т на окололунную орбиту и, используя оставшееся топливо, пустой возвратится на околоземную орбиту.
Создание первой базы
Для доставки груза на поверхность Луны потребуется модифицированный буксир, оснащенный посадочными опорами и радиолокационной установкой. Каждая посадка потребует двух полетов на окололунную орбиту - одного для доставки груза и другого для доставки топлива, заправляемого в посадочный буксир. Пилотируемые операции могут быть достаточно эффективно выполнены с использованием той же матчасти с доставкой до шести человек при каждой посадке. При стоимости пуска «Шаттла» в ценах 1980 г. доставка на Луну 1 кг груза обойдется в 8000 долл., а одного человека - в 9 млн. долл., т. е. в десять раз дороже, чем при выведении на околоземную орбиту.
 Лунный кислородный завод Кислород - наиболее распространенный элемент лунной породы. Ученые проводили исследования методов его выделения в жидком состоянии как компонента топлива для ракет многоразового использования. На рисунке показана схема химического завода на Луне. Лунная порода загружается в силикатный реактор, туда же подается метан, и печь разогревается теплом сфокусированных солнечных лучей. В результате реакции образуются окись углерода и водород. Эти газы охлаждаются в радиаторе и поступают в другой реактор, где окись углерода реагирует с циркулирующим водородом с образованием метана и водяного пара. Эти продукты через холодильник поступают в сепаратор, который отделяет метан и возвращает его в силикатный реактор. Вода конденсируется и направляется в установку для электролиза, работающую на солнечной энергии. Полученный кислород хранится в жидком состоянии, а водород используется в технологическом цикле. В состав шлака будут входить кремний и окиси ценных металлов. |
Такая транспортная система позволила бы создать первую базу, рассчитанную, вероятно, на пребывание не более 12 человек в течение 3-6 мес в заранее построенных специальных помещениях. Система могла бы развиваться с постепенным повышением экономической эффективности.
Группа специалистов фирмы «Дженерал дайнемикс/Конвэр» пришла к выводу, что при операциях в пределах околоземной орбиты «Спейс Шаттл» не всегда может нести полную нагрузку. Будучи в состоянии вывести на орбиту почти 30 т груза, он может возвратить лишь 14,5 т из-за ограничений по летным
Внизу. Концепция мобильной лаборатории, предложенная фирмой «Грумман». Такой аппарат сможет сыграть роль промежуточного звена в исследовании Луны, являясь как транспортным средством, так и временным жилищем для экипажа. |
Если дешевый источник топлива на околоземной орбите обеспечит снижение стоимости транспортировки на Луну, то источник топлива на самой Луне еще более снизит расходы.
Как упоминалось выше, некоторые компоненты лунной породы являются окислами, причем кислород, возможно, является наиболее распространенным элементом на Луне, а именно, он составляет 85% всего топлива, необходимого для заправки ракет.
НАСА уже рассматривало схемы выделения кислорода из лунной породы. Исследования показывают, что в расчете на грузоподъемность одного буксира потребуется небольшой химический завод производительностью около 100 кг жидкого кислорода в сутки с использованием солнечного излучения в качестве источника энергии. Лунная порода при высокой температуре реагирует с метаном с выделением окиси углерода и водорода. Затем в низкотемпературном реакторе окись углерода опять превращается в метан и воду в реакции с водородом. Затем вода конденсируется и путем электролиза разлагается на водород и кислород; кислород поступает в резервуар для хранения, а водород повторно используется в производственном цикле. Важно то, чо в состав «шлака», образующегося в процессе производства, будут входить свободный кремний и извлекаемые окислы металлов; поэтому шлак может быть в свою очередь использован для производства других материалов.
Сначала лунный кислородный завод будет производить кислород для нужд исследователей на поверхности, потребности которых будут умеренными. Группе из 12 человек потребуется лишь 350 кг кислорода в месяц, а лунный завод будет производить жидкий кислород в количестве, равном массе самого завода, приблизительно за 8 сут непрерывной работы. Две или три такие установки полностью удовлетворят потребности в жидком кислороде для заправки аппаратов, прибывающих на Луну с целью регулярного материально-технического снабжения небольшой постоянно действующей лунной базы.
Более того, организация постоянного хранения топлива на Луне позволит более гибко проводить различные операции. Не потребуется снабжать каждого астронавта (или группу астронавтов) индивидуальным аппаратом для передвижения. Вместо этого может быть создана служба, подобная аэрофлоту с регулярным графиком работы.
Когда будет достигнут подобный уровень развития, стоимость доставки 1 кг груза на Луну может снизиться до 2000 долл., т. е. станет примерно втрое превышать стоимость его доставки на околоземную орбиту. Если в 90-х годах «Спейс Шаттл» будет заменен более эффективными транспортными системами, можно ожидать дальнейшего снижения стоимости. И все это без привлечения ядерной энергетики со всеми проблемами ее использования.
Но даже если и применять ядерную энергетику, то совсем не обязательно в варианте «Нерва». Значительно больше освоена технология получения электроэнергии от ядерного источника. Электроядерные аппараты с ионными двигателями, хотя и требуют большего времени на перелеты, могут стать эффективным транспортным средством. Создание таких средств планируется, но в настоящее время предполагается применение электроядерной энергетики для доставки больших автоматических аппаратов к дальним рубежам Солнечной системы для исследования гигантских планет и их многочисленных спутников.
Ядерный накопитель воздуха
Возможно, наиболее интересным является предложение вообще не выводить ядерный реактор далее околоземной орбиты. В 1959 г. на страницах журнала Британского межпланетного общества был опубликован проект С. Деметриади под названием «Профак» (PROFAC - PROpulsive Fluid Accumulator - аккумулятор жидкого топлива). Суть идеи состоит в том, что электроядерный аппарат находится в пределах атмосферы на низкой околоземной орбите высотой всего 120 км и собирает разреженный воздух, выделяя из него кислород и используя оставшийся азот в электрореактивном двигателе для компенсации потерь на аэродинамическое сопротивление. За 20-30 сут реактор мощностью 10 МВт может обеспечить получение кислорода в количестве, достаточном для выведения 15 т полезного груза на околоземную орбиту при затратах, равных стоимости одного запуска корабля «Спейс Шаттл». Теоретически «Профак» имеет преимущества перед другими предлагаемыми ядерными транспортными системами просто потому, что устраняет необходимость перемещения тяжелого ядерного реактора на Луну и обратно при каждом выведении полезного груза. Благодаря использованию подобной системы к 2000 г. стоимость доставки на Луну 1 кг груза может снизиться до 1000 долл.
Лунная база
На рисунке показан возможный вариант лунной базы будущего. Справа на переднем плане изображено основное жилое помещение купольной конструкции и башня управления; рядом возводится второе аналогичное сооружение с использованием лунных строительных материалов. Справа видны ранее доставленные в собранном виде с Земли жилые блоки, а за ними ряд теплиц для выращивания некоторых сельскохозяйственных культур. В левой части рисунка показан электромагнитный ускоритель, катапульта и (справа от него) панели солнечных батарей, служащие основным источником энергии для базы. Ускоритель будет использован для доставки в космос производимых материалов и кислорода. Слева на переднем плане - сооружения промышленного предприятия, на заднем плане в углу - космодром, на котором производится разгрузка буксира «Таг», доставившего с Земли полезный груз и людей. Наряду с зависимостью такой базы от земного снабжения многими продуктами на ней в максимальной степени будут использоваться местные материалы, а также может быть организован вывоз сырья для производственных комплексов в космическом пространстве.
Наиболее важной проблемой эксплуатации системы «Профак», по-видимому, является обеспечение безопасности. В настоящее время вряд ли кого-либо обрадует перспектива пребывания на орбите в верхних слоях атмосферы работающего ядерного реактора. Однако «Профак» будет гораздо более совершенной системой, чем современные спутники. Время затухания орбиты системы «Профак» достаточно велико. При отказе ядерной двигательной установки с помощью обычного ракетного двигателя, работающего на накопленном кислороде и имеющемся на борту горючем, система будет переведена на более высокую орбиту для проведения ремонта. Было бы неразумно иметь систему, подлежащую ликвидации только из-за простой неисправности.
Следует отметить, что некоторые практические шаги по реализации подобной идеи предпринимаются в СССР. В конце 60-х годов на борту экспериментальной ракеты «Янтарь» был испытан «воздушно-реактивный плазменный двигатель», способный компенсировать потери на аэродинамическое сопротивление на малой высоте. По сообщениям, двигатель имел такую же скорость истечения газов, как и двигатель «Профак».
Обеспечение полетов на Луну - лишь часть проблемы; необходимо решить вопрос о месте размещения лунной базы.
Дальнейшие исследования Луны
Первые экспедиции нового этапа исследований Луны, по-видимому, продолжат работу, начатую по программе «Аполлон», и организуют временное посещение новых районов. Одним из проявлений более высокого уровня исследований может стать использование мобильной лаборатории, доставляемой заблаговременно с помощью автоматического транспортного корабля. В этой лаборатории исследователи смогут совершать путешествия на расстояния до 4000 км от места посадки в период лунного дня и возвращаться в сумерки. В случае развертывания постоянной базы имеются преимущества в выборе наиболее интересных участков для исследований.
Одним из факторов, который необходимо учитывать, является вращение Луны вокруг своей оси, в результате которого одна ее сторона постоянно обращена к Земле, вокруг которой Луна совершает один оборот в течение месяца. Таким образом, спутник, находящийся на полярной окололунной орбите, будет все время смещаться относительно поверхности Луны, проходя над любой ее точкой с интервалом в 14 сут. Если для снабжения лунной базы потребуются встречи на орбите, то они будут возможны только через каждые две недели.
В районе экватора такого ограничения не будет. Орбита встречи может быть расположена в плоскости экватора, и запуски с целью встречи будут возможны приблизительно через каждые 2 ч. Вблизи лунного экватора находятся районы, заслуживающие особого внимания. Одним из них является район посадки корабля «Аполлон-11» в Море Спокойствия, а на 20-м градусе южной широты с обратной стороны Луны расположен очень интересный кратер «Циолковский», названный в честь основоположника космонавтики. Этот кратер имеет обширную ровную поверхность из темной породы, появившуюся здесь, по всей вероятности, намного позже других форм рельефа, поскольку на ней очень мало вторичных кратеров.
Если для размещения лунной базы будет выбрана обратная сторона Луны, то для связи с Землей потребуется ретрансляция сигналов. Имеется класс орбит с центром в точке, расположенной за Луной (так называемая вторая точка Лагранжа L2, или точка либрации), которые не являются орбитами ни вокруг Земли, ни вокруг Луны, а при виде с Земли образуют гало вокруг точки L2. Подобно тому как околоземные спутники связи размещаются на геостационарной орбите, для обслуживания обратной стороны Луны спутники связи будут выводиться на такую гало-орбиту.
Для экваториальной базы имеется альтернативный вариант, имеющий важное значение. Как отмечено выше, спутник на полярной орбите пролетает над всей поверхностью Луны в течение двух недель, проходя при каждом обороте над обоими полюсами. Таким образом, с полярной базы можно обеспечить встречу с таким спутником каждые 2 ч.
Специалисты из Лаборатории реактивных двигателей НАСА выступили с серьезным предложением относительно полярной лунной базы. Одним из факторов, благоприятствующих созданию такой базы, является очень малый наклон плоскости экватора Луны к плоскости ее орбиты - всего 1,5° (для Земли этот угол составляет 23,5°). На полюсах наблюдателю Солнце будет всегда казаться уходящим за горизонт, а если он поднимется на какую-нибудь возвышенность, то ему будет казаться, что оно никогда не садится. Следовательно, на лунных полюсах почти наверняка имеются кратеры и затененные области, в которые солнечный свет не проникает никогда. По предположению специалистов Лаборатории реактивных двигателей в этих постоянно затененных областях с очень низкими температурами могут с древнейших времен сохраняться лед и замороженные газы. Если это так, то они представляют собой важные природные ресурсы.
Даже если там нет воды, возможность существования в непосредственной близости друг от друга постоянно освещенных Солнцем и постоянно затененных зон предоставляет привлекательные практические возможности. Солнечные лучи могут быть использованы для непрерывного получения электроэнергии для базы, тогда как в других местах в течение четырнадцати суток лунной ночи необходимо будет использовать другие источники энергии. Затененные области можно использовать для целей охлаждения, а также для размещения специального научного оборудования, например инфракрасных телескопов, которые необходимо эксплуатировать при очень низких температурах для достижения максимальной эффективности.
Поскольку астрономические наблюдения вполне могут стать одной из основных задач исследований на первом этапе эксплуатации лунной базы, а южная полусфера Луны (видимая с Земли) предоставляет богатые возможности для современной астрономии, специалисты из Лаборатории реактивных двигателей отдают предпочтение южному полюсу для размещения лунной базы. С полюса можно будет наблюдать лишь половину небосвода, однако привлекает возможность вести непрерывные наблюдения при отсутствии помех от дневного света и орбитального движения.
Техническое воплощение лунной базы
Первые базы почти наверняка будут построены из заранее изготовленных модулей, доставляемых на Луну автоматическими транспортными аппаратами. Эти базы будут служить основой базы следующего поколения, являясь жильем для астронавтов, проводящих научные эксперименты и изучающих технологию будущего строительства. По мере расширения базы будет возрастать рентабельность доставки орудий производства, а не готовых модулей, а также использования труда астронавтов. В этот начальный период возникнет много проблем, но они, вероятно, будут ненамного сложнее тех, с которыми сталкиваются исследователи отдаленных районов Арктики и Антарктики.
Технология строительства в Антарктике, которая вполне применима для условий Луны, основана на принципе заглубленной постройки. Бульдозеры на рыхлом грунте (реголите) выроют котлован, в котором будут собраны секции оболочки, нагруженной внутренним давлением. После завершения сборки на крышу будет нанесено покрытие из грунта, но не для компенсации внутреннего давления (для этого
Внизу. Перед созданием полярной лунной базы потребуется тщательное изучение полюсов Луны. На рисунке показан предложенный Лабораторией реактивных двигателей проект полярного орбитального спутника и вспомогательного высокоорбитального спутника. |
Лунная пыль может служить надежным изолятором для хранилищ жидкого кислорода и водорода, применяемых в качестве криогенного ракетного топлива. Для обеспечения изоляции емкости могут быть также заглублены в грунт.
Можно ожидать, что на базе будет в определенной степени организовано самообеспечение путем выращивания сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания. В лунном реголите имеются почти все необходимые для этого элементы, за исключением азота, цинка, бора и молибдена, из которых последние три необходимы только в качестве микроэлементов. Основной целью будет не обеспечение автономии базы от Земли, а включение в меню исследователей свежей пищи. Наиболее предпочтительными культурами для выращивания на Луне будут томаты, капуста, морковь, баклажаны и сладкий картофель.
Можно ли будет вырастить эти овощи внутри герметизированных оранжерей на поверхности Луны? Ведь на Луне Солнце заходит на 14 земных суток, и большинство растений, находясь в течение этого времени в темноте, завянет и погибнет. В Сибирском отделении АН СССР проводились исследования этой проблемы путем выращивания пшеницы при имитации месячного цикла лунного дня и ночи. Было установлено, что при понижении температуры во время длительной ночи до уровня, превышающего на несколько градусов точку замерзания, растения выживают и способны возобновить нормальный рост при появлении Солнца и повышении температуры. Более того, поскольку эти растения в течение 14 сут могут развиваться при непрерывном солнечном освещении, они созревают быстрее, чем на Земле. Таким образом, при организации сельского хозяйства на Луне нет необходимости искусственной имитации земных условий.
На Луне в отличие от космоса есть ресурсы. Потребность в этих ресурсах не вызывает сомнений; для орбитальных производственных комплексов и электростанций потребуется снабжение сырьем в таких количествах, которые достаточно быстро станут исчисляться тоннами. Лунному поселению придется удовлетворять эти потребности.
Как уже упоминалось в начале этой главы, для доставки одной тонны
 Вверху. Вариант технологии переработки лунных материалов, предложенный Лабораторией реактивных двигателей. На аппарате, совершившем посадку на полюс, установлен гелиостат; накопленное тепло используется для плавления лунных материалов, доставляемых автоматическим луноходом. |
полезного груза с поверхности Луны на околоземную орбиту требуется затратить меньше энергии, чем для выведения того же груза с поверхности Земли. Но даже если на Луне будет налажено производство достаточного количества жидкого кислорода, используемого в качестве ракетного топлива, все же маловероятно, что стоимость лунных материалов, доставляемых с помощью ракеты, будет меньше стоимости аналогичных материалов, доставляемых с Земли. По массе 15% ракетного топлива составляет жидкий водород, который все равно необходимо доставлять с Земли. Требуется иной принцип доставки лунных материалов в космос, нечто подобное гигантской катапульте, работающей от энергии, вырабатываемой солнечным генератором.
Катапульта на Луне
Электромагнитные катапульты уже существуют. Они проходили испытания в качестве движителей поездов и средств пуска автомобилей в установках для испытаний на столкновения. В этих катапультах используется устройство под названием линейного электродвигателя, однако для запуска груза с Луны потребуется несколько другая конструкция. В настоящее время большинство находящихся в эксплуатации электромагнитных катапульт перемещают объект с постоянной скоростью. Лунный ускоритель должен использовать принцип «волнового разгона», используемый в ускорителях элементарных частиц. Чем выше требуемая скорость разгона, тем сложнее конструкция пусковой установки, однако в условиях Луны с ее слабым гравитационным полем и в отсутствие сопротивления воздуха создание такой установки возможно.
Нетрудно показать, что около половины массы электромагнитного пускового устройства рассматриваемого типа должна составлять масса энергетической установки. В пусковой комплекс будет включена обширная территория, занятая солнечными батареями, преобразующими энергию солнечного излучения в электричество. Принимая некоторые допущения относительно технических решений, можно подсчитать, что для запуска 100 кг полезного груза на окололунную орбиту потребуются оборудование массой 200 т и электростанция мощностью 11 МВт. Ускоритель длиной 1,1 км будет сообщать объекту ускорение около 130 g, что выдвигает особые требования к прочности запускаемых грузов.
С учетом требуемой мощности для приведения в действие ускорителя важное значение приобретает обогащение лунной породы. Степень обогащения будет до некоторой степени зависеть от производительности лунной базы. Обогатительная фабрика и ускоритель указанных размеров могли бы обеспечить доставку на орбиту около 1000 т груза в год. Часть этого груза будет составлять жидкий кислород для заправки межорбитальных транспортных аппаратов, но основную долю составит сырье для орбитальных промышленных комплексов. На этом этапе капиталовложения в лунное поселение начнут давать коммерческий эффект. Может оказаться даже более удобным приблизить орбитальные заводы к Луне и ее сырью.
Проф. Дж. К. О'Нейл из Принстонского университета выдвинул еще более смелые идеи. По его мнению, в космосе могут быть созданы постоянные искусственные поселения (ст. 19). Для этого потребуется выведение в космос до миллиона тонн лунной породы ежегодно. Производительность ускорителя лишь 10 кг, но он будет запускать грузы непрерывным потоком, действуя подобно трубопроводу, нацеленному в точку либрации L2, в которой уравновешиваются воздействия гравитационных полей Земли и Луны.
Ускоритель, предложенный О'Нейлом (он называет его ускорителем массы), выводит лунную породу в космос с помощью специального ковша, снабженного индукционными катушками и системой магнитной подвески. Ковш разгоняется по направляющим протяженностью 10 км до скорости преодоления притяжения Луны (2400 м/с). По достижении этой скорости система магнитной подвески должна перейти на режим реверса, удерживая ковш на направляющих. Во время дальнейшего движения на участке направляющих до 2 км производится точная регулировка скорости перед открытием крышки и освобождением груза. На конечном участке направляющий ковш тормозится, а порция лунной породы весом 10 кг выносится в космос и в точке L2 перехватывается специальными кораблями. Ковш с замедлением по вспомогательным направляющим отправляются назад для повторного использования (рис. на с. 249).
Предложения О'Нейла, по-видимому, являются наиболее смелыми в планах освоения ресурсов Луны. Сегодня они кажутся фантастическими и, вероятно, относятся к достаточно отдаленному будущему и никогда не будут реализованы в первоначальном виде. Однако стоит мысленно представить себе впечатление, которое мог бы произвести на братьев Райт современный гигантский транспортный самолет «Боинг-747» с межконтинентальной дальностью полета - преемник их крошечного биплана, прежде чем иронизировать по поводу проектов, кажущихся фантастическими.