Энергетика и экология
Как уже говорилось, после выхода на пенсию в 1962 году Оберт ведет пропагандистскую работу в области космонавтики и обращается к "вечным" общечеловеческим проблемам. Но ищущий дух новатора в технике не дает ему покоя, и он предлагает ряд идей, открывающих новые возможности для техники будущего.
Проблема экологически-чистого источника энергии становится одной из основных для возможности существования человечества, и такая задача не могла пройти мимо внимания Оберта. Ему представляется почти очевидным, что экологически-чистым источником энергии является Солнце. Ему, конечно, были известны различные проекты использования солнечной энергии путем прямого преобразования лучистой энергии в электрическую (солнечные батареи) или путем разработки соответствующих нагревательных устройств, турбин и генераторов, которые в конечном итоге тоже дают электрическую энергию. Но все эти способы можно назвать прямыми, они непосредственно используют ту энергию, которую несут солнечные лучи. Однако могут существовать и методы косвенного использования солнечной энергии.
Как известно, ветры образуются на нашей планете в результате различного нагрева частей земли, и, следовательно, энергия ветра это, в конечном счете, преобразованная энергия Солнца. Поэтому использование ветровой энергии можно считать косвенным использованием энергии Солнца. Человечество уже давно использует ветровую энергию, достаточно напомнить ветряные мельницы. В XX веке возникла и ветроэнергетика - ветровые электростанции. В Калифорнии, например, существуют участки земли, где установлено огромное количество ветряков, управляемых компьютерами, которые в сумме вырабатывают уже заметное количество электроэнергии. Они используют достаточно постоянные ветры, вызванные близостью океана. В нашей стране тоже ставятся соответствующие опыты. Здесь уместно напомнить, что один из пионеров космонавтики - Кондратюк - занимался в 30-е годы сооружением гигантских ветряков в Крыму. К сожалению, его работы остались незавершенными, этому помешала смерть Орджоникидзе, горячо поддерживавшего идею ветровых электростанций, и начавшаяся вскоре война. Оберт, как и Кондратюк, считал использование энергии ветра весьма перспективным делом.
Как известно, энергия, вырабатываемая ветровой электростанцией, пропорциональна третьей степени скорости ветра. Поэтому ветровые электростанции должны располагаться в местах, где дуют достаточно постоянные и сильные ветры. Обычно это побережья морей и океанов. Однако скорости ветров в приземном слое атмосферы не могут быть очень большими из-за того, что поверхность Земли оказывает сильное тормозящее действие на воздушные течения. Здесь возникает своего рода эффект трения о земную поверхность. По мере удаления от поверхности Земли, скорость ветров растет, а на больших высотах достигает величин, немыслимых для приземных слоев атмосферы. К тому же на больших высотах ветры достаточно постоянны. Все сказанное привело Оберта к мысли, что ветряки надо поднять на большие высоты, измеряемые километрами, а не десятками метров, как у обычных ветровых электроустановок. Он рекомендует размещать агрегаты для выработки электроэнергии на высотах от 3000 до 10 000 м. Если первоначальные опыты оказались бы удачными, то Оберт предложил бы и большие высоты подъема, где можно гарантировать постоянные и сильные ветры, независимо от погоды у земной поверхности. В качестве подъемного средства предлагается воспользоваться воздушными змеями. Предложению этому, несмотря на его спорность, нельзя отказать в логичности - если дует достаточно сильный для выработки электроэнергии ветер, то он сможет и удерживать все нужное на требуемой высоте.
По оценке Оберта на указанных им высотах (при условии, что выбраны подходящие места для установки электроветровых станций) можно рассчитывать на скорость ветра от 10 м/с до 30 м/с, чего вполне достаточно для выработки электроэнергии, даже с учетом падения плотности воздуха с высотой. Как известно, воздушные змеи удерживаются соответствующий тросами, в рассматриваемом же случае функция удерживания должна выполняться специальным кабелем, по которому электроэнергия будет поступать к наземной станции. Оберт, как всегда, не только сформулировал некоторую идею, но и попытался инженерными расчетами доказать ее реализуемость. Чтобы оценить возможную эффективность сформулированного Обертом подхода, рассмотрим предложенные им конструктивные решения, касающиеся собственно змея, генератора электроэнергии и общей схемы всей системы в той форме, в которой он изложил свою идею в изданной им в 1977 году брошюре "Энергетическая установка на воздушном змее" [11].
Змей представляет собой конструкцию, выполненную из тонких, непроницаемых для воздуха и легких тканевых материалов. Нужная форма змея поддерживается тем, что его конструкция является надувной. После того, как во внутренних полостях этой конструкции возникает избыточное по сравнению с наружным давление, змей распрямляется и приобретает нужную внешнюю форму. Она обеспечивается не только наддувом, но и соответствующими тросами и другими конструктивными элементами. Чтобы поддерживать во внутренних полостях нужное давление, в верхней части змея установлен ветряк, приводящий во вращение небольшую динамомашину постоянного тока и воздушный насос. Воздушный насос служит для создания нужного давления во внутренних полостях конструкции змея, а электроэнергия нужна для питания приводов различных механизмов, обеспечивающих (путем изменения длин тросов, входящих в конструкцию змея) необходимые изменения конфигурации змея и его положения относительно вектора скорости набегающего ветра, в зависимости от изменения внешних условий. В противоположной от насоса части конструкции змея, имеются аварийные клапаны, которые служат для того, чтобы давление во внутренних полостях не превосходило заданных величин, а если надо они могут открываться и для их опорожнения. Закачиваемый воздух может служить и для внутреннего обогрева, если возникнет необходимость предотвращения обледенения. Здесь можно установить автоматические регуляторы, которые будут поддерживать нужную температуру нагнетаемого воздуха, используя естественное повышение его температуры при сжатии. Само собою разумеется, что поддерживаемое внутреннее давление должно быть, кроме того, согласовано со скоростным напором набегающего воздуха. Вопрос о том, что произойдет в случае неожиданного прекращения ветра и связанного с этим снижением змея (или даже его падением на землю), решается Обертом в том смысле, что это никакой опасности не представляет, так как большие и легкие поверхности змея будут играть роль парашютов.
Вторым вопросом, который представляется Оберту принципиальным, является конструкция генератора электроэнергии. Здесь, считает он, надо отойти от традиционных представлений. Следует применять не электромагнитные генераторы тока, а электростатические. Лучше всего подошел бы генератор типа разработанного Воммельсдорфом. К сожалению, машины такого типа сегодня малоизвестны. Кстати, машины Воммельсдорфа могут использоваться не только как генераторы постоянного тока, но и как электромоторы, переводящие электрическую энергию снова в механическую.
Обосновывает свой выбор Оберт следующим образом. Предлагаемые им генераторы вырабатывают постоянный ток и это важно, если на одном кабеле будут укреплены несколько ветровых агрегатов, расположенных друг над другом, поскольку в этом случае их все можно подключить к одному кабелю. Прикидки Оберта говорят о том, что диаметр колеса, приводимого во вращение ветром, вряд ли будет больше чем 50-100 м. Это дало бы при скорости ветра равной 20 м/с на высоте 6000 м мощности, не превышающие 3000 кВт. Однако на одном кабеле можно было бы установить несколько таких агрегатов не заботясь о синхронизации их работы и т.п. Электростатические генераторы большого размера позволяет получать напряжения, измеряемые мегавольтами, однако для рассматриваемой системы можно будет ограничиться напряжениями от 100 000 до 500 000 В. В местах интенсивного воздушного движения наличие высоко поднятых змеев недопустимо и поэтому потребуется наземная передача электроэнергии по высоковольтным линиям передач. Здесь преимущество передачи энергии постоянным током очевидно - нужен один, а не три провода, как обычно. Единственным недостатком системы энергоснабжения постоянным током является то, что в местах его потребления следует иметь установки, преобразующие постоянный ток в переменный, поскольку практически все используемые электротехнические устройства работают на переменном токе. В приведенном описании известное недоумение может вызвать диаметр электрического агрегата (десятки, а может быть, и сто метров) и связанные с этим последствия. Трудно представить себе такой агрегат, а еще более трудно мысленно увидеть его, приближающимся к земле на возникшем из змея "парашюте", однако и здесь Оберт предельно оригинален. Он считает, что огромные колеса, приводимые во вращение ветром, не должны быть металлическими, а тоже должны быть сделаны из тонкой ткани, надувными, как и весь змей.
Что касается общей схемы всей системы, то она должна, по Оберту, выглядеть следующим образом. Несколько змеев, каждый из которых содержит один большой силовой агрегат для производства электроэнергии, подымаются в воздух на едином кабеле. Это позволяет распределить змеи по вертикали и исключает возможное перепутывание кабелей, если бы змеи распределялись по соседству в единой горизонтальной плоскости. Расчеты показывают, что на высотах между 3000 м и 10 000 м можно установить порядка 27 силовых агрегатов. Если считать, что один ветровой агрегат дает в среднем 500-600 кВт, то такая цепочка будет производить от 13 500 до 16 200 кВт электроэнергии. Поднятая в воздух цепочка змеев не позволяет, правда, поместить все силовые агрегаты на наивыгоднейшей высоте, но это компенсируется простотой и надежностью всей системы в целом. Может оказаться, что подъемной силы змеев не хватит для удержания силовых агрегатов на нужных высотах (например, если упала сила ветра), и тогда может оказаться полезным, чтобы цепочку змеев возглавил бы воздушный шар, наполненный легким газом. В этом случае подъемная сила всей системы складывалась бы из аэродинамической подъемной силы змеев и аэростатической подъемной силы воздушного шара. Конечно, вся система должна иметь систему регулирования (главным образом путем изменения длин соответствующих тросов), задачей которой является обеспечение нужных режимов работы всех агрегатов системы. Может случиться, что усилившийся ветер приведет к выработке излишней электроэнергии. Тогда было бы целесообразным иметь на земле, вблизи силового кабеля установки для разложения воды. Кислород можно было бы продавать промышленным предприятиям, а водород либо продавать, либо хранить на месте и использовать для сжигания и получения электроэнергии в периоды ослабления ветра. При этом не возникает потребности в новых специальных агрегатах, так как комбинация устройств для разложения воды и электростатического генератора может быть сделана переключаемой, и в одном состоянии она будет потреблять электроэнергию и разлагать воду, а в другом - путем сжигания водорода - получать электроэнергию высокого напряжения. При сжигании водорода можно использовать окружающий воздух. Расчеты показывают, что водородная емкость диаметром 20 м и высотой 20 м потребует для своего заполнения водородом 222 кВтч, из которых можно снова использовать немного более 218 кВт-ч. Этот численный пример говорит о высоком совершенстве предложенного метода накопления энергии.
Подводя итоги своим соображениям по ветроэнергетике, Оберт указывает основные преимущества своей идеи:
Ветроагрегаты выносятся на большие высоты и, следовательно, становятся менее зависимыми от погоды.
2. Дешевизна, простота и безопасность конструкций из воздухонепроницаемых тканей с повышенным внутренним давлением.
3. Использование электростатических генераторов тока позволяет облегчить конструкцию, упрощает соединение многих генераторов в единую сеть, и это связано, в частности, с тем, что развиваемое напряжение не зависит ни от скорости ветра, ни от числа оборотов ротора.
Для рассматриваемой брошюры характерно то, что Оберт, как всегда, не ограничивается высказыванием тех или иных идей (как правило, далеко отстоящих от рутинных инженерных предложений) но приводит расчеты, набрасывает схемы наиболее ответственных элементов конструкции, короче - стремится как и в далекие 20-е годы показать техническую реализуемость своих предложений, долженствующих дать человечеству экологически чистый источник энергии.
Следует сказать, что основная идея Оберта - поднять ветровой агрегат на большие высоты, вызвала у многих большой интерес. Работа Оберта широко обсуждалась специалистами и одновременно шли более глубокие проработки идеи, в которых участвовал и их автор. Судя по имеющимся в архиве проф. Оберта материалам, в результате такой работы проявились две сосуществующие тенденции: с одной стороны, многие смелые новшества уступали место испытанным и уже освоенным инженерным решениям, а с другой стороны, подчеркивалась и усиливалась основная идея — подъем ветрового агрегата на большие высоты. С целью максимально использовать основное преимущество подъема ветрового генератора тока было решено сделать высоту подъема оптимальной, равно 10-12 км. На этой высоте существуют, так называемые струйные течения - как бы воздушные реки, текущие с удивительным постоянством, характеризуемые очень большими скоростями (более 100 м/с), которые здесь достигают максимума, и мало зависяцие от происходящих в нижних слоях атмосферы процессов. Поскольку струйные течения имеют ярко выраженный максимум скорости по высоте (выше их в стратосфере скорости ветра снова сильно уменьшаются), распределение ветровых агрегатов по вертикали, размещение их в виде цепочки на разных высотах, было бы уже нерационально. Наилучшим решением представляется подъем одного очень большого агрегата на оптимальную высоту. Но это сразу делает сомнительным его подъем с помощью воздушного змея, здесь нужен большой привязной аэростат. Так, аэростат, бывший в исходном проекте некоторым вспомогательным средством, становится теперь основным. Что касается воздушных змеев, то они сохраняются, но теперь их функция становится второстепенной - расположенные ниже ветрового агрегата они служат для разгрузки удерживающего аэростат троса.
В новом проекте (рис. 4) привязной аэростат находится на высоте 15км, а не на высоте струйного течения (10-12 км), где гигантский воздушный винт приводит во вращение расположенный в специальной гондоле генератор. Тип используемого генератора подлежал дальнейшему изучению. По расчетам проектировщиков такая система способна давать 50 МВт, иными словами половину энергии, необходимой для обеспечения жизни 50-тысячного города. Удерживающий аэростат трос является сложным устройством - он содержит два силовых кабеля и линии обеспечения привязного аэростата гелием или другим легким газом. К тому же он должен быть хорошо защищен от опасности поражения молнией. Известным недостатком этого, оптимально использующего энергию ветра устройства, является то, что гигантский ветросиловой агрегат оказывается на высоте наиболее интенсивного воздушного движения. Это сразу ограничивает возможность применения таких систем, они могут располагаться лишь там, где можно исключить появление многочисленных самолетов.
Вскоре возник еще один вариант решения проблемы подъема ветросиловых агрегатов на большие высоты. В этом варианте гигантский привязной аэростат располагается на высоте струйных течений, а ветросиловые агрегаты не подвешиваются на тросе заметно ниже аэростата, а находятся на нем (рис. 5). Привязной аэростат становится при этом очень похожим на обычный дирижабль, а ветросиловые агрегаты, расположенные на нем, напоминают моторные гондолы дирижабля. Конечно, из-за больших диаметров воздушных винтов, приводящих во вращение генераторы тока, гондолы располагаются необычно далеко от корпуса аэростата. Известно изображение ветросиловой системы такого типа, где на привязном аэростате расположено шесть гондол с ветросиловыми установками, которые должны вырабатывать 20 МВт. При этом привязной аэростат должен иметь впечатляющие размеры - длину 230 м,
Рис. 4. Ветросиловая система с генератором, подвешенным под аэростатом
Рис. 5. Ветросиловая система с генераторами, установленными на корпусе аэростата
Проекты экологически безупречного источника электроэнергии, предложенные Обертом, привлекли внимание деловых кругов. В 1978 году уже существовали компании, занятые осуществлением его идеи, в работе которых Оберт принимал деятельное участие. Был разработан весьма подробный перспективный план работ на несколько лет вперед, предусматривавший изучение струйных течений, глобальный анализ оптимального расположения ветросиловых систем: сравнительное изучение различных схем электрогенераторов, вопросы регулирования всего комплекса, типы необходимых кабелей и многое другое. В качестве первого экспериментального этапа предполагалось построить и сдать в эксплуатацию в 1979 году сравнительно небольшую ветровую систему в Австрии, в Граце. Высота подъема ветросилового агрегата была ограничена четырьмя километрами: и исследовательский центр в Граце уже приступил к подготовительным работам. На этом этапе главной целью было изучение, опробование и отработка в реальных условиях всего комплекса, а вовсе не получение электроэнергии для хозяйственных нужд. Австрия особенно хорошо подходила для такого эксперимента, поскольку использование атомной энергии было запрещено в ней законом, и поиск альтернативных источников энергии представлялся очень важным. Чтобы оценить потребные для реализации проекта суммы, можно указать на то, что изготовление сравнительно маленькой действующей модели разработанной системы (аэростат на высоте 2500 м, ветросиловой агрегат на высоте 2000 м с генератором в 5000 кВт) по оценке одного из исследовательских центров стоило бы миллион марок ФРГ. Системы больших размеров были бы соответственно много дороже. К сожалению, столь оптимистично начатые работы были в 1979 году прекращены из-за недостатка средств. Большую роль сыграло здесь отрицательное заключение экспертной комиссии ФРГ, составленной с участием специалистов по атомным электростанциям, которые вовсе не стремились к тому, чтобы на рынке появились альтернативные, конкурирующие с атомными и тепловыми электростанциями, системы. Кроме того, правительственные инстанции ФРГ указали на нежелательность создания систем, представляющих потенциальную опасность для воздушного транспорта. Эти отзывы исключали государственную поддержку проекта, без которой его осуществление становилось невозможным. Так или иначе, но интенсивно начатые работы, были прекращены. Невольно возникает мысль: если бы реализацию идей Оберта вновь возглавил бы человек типа фон Брауна, возможно, что отрицательные экспертные оценки не носили бы столь категорического характера, а ветросиловые установки для использования энергии струйных течений уже работали бы где-то сегодня.
Надо сказать, что проблемы экологии всегда интересовали Оберта, достаточно напомнить его проект гигантского космического зеркала, в котором он предлагал непосредственное использование солнечной энергии для целей освещения городов и для целей прямого воздействия на климат Земли. Хотя сегодня предложения такого рода и признаны экологически-опасными, поскольку за прошедшие годы выявилась крайне сложная и крайне чувствительная даже к слабым воздействиям структура экологии Земли, стремление ввести разум в стихийно и бездумно развивающуюся технику следует признать высоконравственным и прогрессивным. В своих (частично неопубликованных) работах Оберт призывает к строительству в пустынях установок для прямого использования солнечной энергии, призывает к обводнению пустынь, опреснению с помощью экологически-чистой энергии океанской и морской воды для нужд человечества. Что касается подземных богатств, которые сегодня объединяются в понятие "энергоносители" (уголь, нефть, газ), то здесь Оберт призывает к замене их другими источниками энергии и сохранению этих ископаемых богатств для будущих поколений, которые уже не будут рассматривать их как энергоносители, а будут использовать их как ценное сырье для своей промышленности. К тому же сегодняшнее сжигание этих энергоносителей приводит к загрязнению атмосферы и, как следствие, ко многим болезням. Оберт считает разумным строительство разного рода каналов, но неразумным связанное с этим строительство водохранилищ, особенно если они нужны для выработки энергии гидроэлектростанциями, поскольку это уменьшает количество пригодной для использования плодородной земли. Вместо занимающих огромные площади открытых водохранилищ следует, по его мнению, создавать подземные водохранилища, уплотнение которых возможно глубоководными красными глинами. Извлекая эти глины из моря, человечество будет лишь возвращать земле то, что у нее отняло море. Делать это надо с осторожностью, чтобы не повредить жизни глубоководных обитателей.
По поводу атомной энергетики Оберт предупреждал, что она потенциально опасна и ее следует избегать (это было написано задолго до чернобыльской катастрофы!). Из сказанного не следует, что надо прекратить исследования, связанные с изучением атомного ядра, однако надо учитывать, что потенциально опасна не только атомная энергетика, но и научные эксперименты, связанные с разработкой проблем атомной физики. Поэтому такие эксперименты надо перенести с Земли в космос. Лучше всего сосредоточить экспериментальные установки такого рода в точках либрации системы Земля-Луна. Эти точки (их существует две) лежат в плоскости орбиты Луны, вращающейся вокруг Земли, в вершинах равносторонних треугольников, основанием которых служит отрезок прямой, соединяющей Луну и Землю. Следовательно, рассматриваемая точка столь же удалена от Земли как и от Луны. Названные точки либрации обладают замечательным свойством, которым, безусловно, будет пользоваться космонавтика будущего: если какое-либо материальное тело будет доставлено в точку либрации и "оставлено" в ней, т.е. сделано так, чтобы его относительная скорость в системе Земля—Луна была достаточно мала (эта не означает абсолютной неподвижности, в системе Земля-Солнце его скорость будет огромной, порядка скорости вращения Земли вокруг Солнца), то оно останется там "навечно". Во всех других точках межпланетного пространства удержание некоторого материального тела неподвижным в указанном выше смысле потребовало бы постоянного управляющего воздействия, иными словами постоянного силового воздействия. Последнее потребовало бы непрерывного расходования топлива (в случае применения для этой цели ракетных двигателей) или расхода электроэнергии (для электрореактивных движителей), в точках же либрации требуемый эффект получается "бесплатно". Этим они и замечательны.
Кроме сказанного, одна из точек либрации могла бы быть использована как своего рода "склад", в котором накапливались бы необходимые материалы. Эта идея Оберта имеет своим источником его мысль об использовании ресурсов Луны для нужд человечества. По его мнению, на Луне можно было бы развить настоящую промышленную деятельность. Это, кроме того, имело бы глубокий экологический смысл, так как потенциально способствовало бы освобождению Земли от экологически вредных производств. С помощью энергетических установок, работающих на принципе использования солнечной энергии, можно будет, по мнению Оберта, осуществить некоторую аналогию доменного процесса и использовать добываемую из глубин лунного грунта руду для получения нужных материалов. Из этих материалов следует изготовлять элементы конструкции, которые необходимы для строительства различных больших сооружений (в том числе и для обитаемых станций), упрощающих освоение космического пространства человечеством. Если бы доставлять в космос все необходимое с Земли, то это было бы много дороже. В точке либрации можно было бы постепенно накапливать все нужное для строительства некоторого объекта (возможно, путем складывания их на "складе", т.е. путем их временного и простого соединения), чтобы затем собрать его. Собранные конструкции можно было бы доставить в нужную область космического пространства при помощи электрореактивных аппаратов, построенных из материалов, добытых на Луне и использующих в качестве рабочего тела для движителей также лунные материалы. Эти собранные из лунных материалов космические станции можно было бы использовать для наблюдения Земли и происходящих на ней процессов, например для сбора экологически важной информации. Сооружение с использованием таких "складов" больших телескопов много дало бы для познания законов, управляющих Вселенной, и тому подобное. Кстати, для складывания опасных радиоактивных отходов, которыми не следует загрязнять Землю и околоземное пространство, можно было бы тоже воспользоваться точкой либрации системы Луна-Земля. Ведь эта точка столь же удалена от Земли как и Луна.
Упрощение доставки заготовленных элементов конструкций в точку либрации системы Луна-Земля и удешевление этой доставки возможно с помощью специальных метательных устройств, позволяющих обойтись без ракетной техники. Сказанное особенно важно, если реактивный принцип реализуется в виде электрореактивных движителей, развивающих лишь малые тяги. Эти движители рационально использовать после того, как перемещаемое тело уже развило первую космическую скорость, т.е. для последующего разгона, для первоначального же разгона эти движители непригодны. Как известно, первая (или круговая) космическая скорость тем больше, чем больше масса тела, с которого происходит старт. Для Земли эта скорость равна 7,9 км/с, для Луны это число падает до значения 1,6, а для "склада" в точке либрации (учитывая малость суммарной массы собранных там материалов) будет пренебрежимо малой. Это и делает возможным использование электрореактивных движителей для работ на "складе" и для последующей доставки собранного сооружения в нужную область космического пространства, но совершенно непригодным для доставки материалов с Луны на "склад".
Метательное устройство, которое предлагает Оберт, первоначально представляется предельно простым: доставляемый груз помещается на некоторой платформе, которая разгоняется по рельсам, эта платформа использует для разгона электроэнергию, получаемую на Луне. После того как платформа разогналась, она резко тормозится, доставляемый груз по инерции продолжает свое движение, срывается с платформы и улетает в космическое пространство. Само собою разумеется, что рельсовый путь имеет нужное направление, а последний его участок - и нужный наклон к горизонту. Все это сравнительно легко осуществить на Луне, поскольку Луна является безатмосферной планетой и космическое пространство начинается непосредственно у ее поверхности.
Принципиальные трудности начинаются тогда, когда более внимательно рассматривается работа колес этой разгонной тележки. Если колеса бегут по рельсам, то наибольшую скорость платформа получит не тогда, когда она будет крепиться к подшипникам осей колес (как в обычных земных экипажах всех типов - колясках, автомобилях, велосипедах и аналогичных устройствах), а тогда, когда она будет свободно лежать на них наподобие того, как происходит у катков, используемых при перемещении больших грузов. В этом случае скорость перемещения платформы будет в два раза выше окружной скорости колеса. Следует напомнить, что окружной скоростью колеса называется линейная скорость внешних точек его обода (в предположении неподвижности оси), ее легко вычислить как произведение круговой скорости колеса (пропорциональной числу оборотов) на удаление этих внешних точек от оси вращения колеса (радиус колеса). При разгоне радиус естественно, не меняется, а увеличивается угловая скорость колеса (число его оборотов в единицу времени). Известно, однако, что при вращении развиваются центробежные силы, которые будут стремиться разорвать колесо. Задача о предельно-допустимой скорости вращения колеса, после достижения которой колесо разрушается, т.е. предельной с точки зрения прочности, давно решена. Соответствующая формула оказывается удивительно простой: квадрат допустимой окружной скорости должен быть меньше отношения допустимого напряжения материала на растяжение к его удельной плотности. Замечательным в этой формуле является то, что из кинематических и геометрических параметров колеса в нее входит только окружная скорость (а не число оборотов и радиус колеса). Это позволяет сформулировать следующее утверждение: предельно возможная скорость разгона платформы не может превышать удвоенного значения предельно-допустимой из соображений прочности окружной скорости колеса. Из сказанного очевидно, что никакие конструктивные изменения, например, казалось бы наиболее естественное — увеличение или уменьшение радиуса колеса - не могут изменить значения наибольшей возможной скорости разгона тележки.
Предельно-допустимые значения окружной скорости колеса легко вычисляются по таблицам свойств материалов, из которых изготовлено колесо. Для различных марок сталей эта скорость колеблется от 211 до 340 м/с, а для дюралюминия она равна 290 м/с (здесь меньшая прочность скомпенсирована меньшим удельным весом). Для особо прочных сталей Оберт считает возможным принять эту величину равной 390 м/с. Если остановиться на последнем значении, то можно утверждать, что максимальная скорость, которую может развить разгонная платформа, будет ограничена значением 780 м/с. Однако для Луны (на поверхности которой предполагается разгонять платформу) эта скорость составляет примерно половину свойственной Луне первой космической (круговой) скорости, а это означает, что разогнанный с помощью тележки груз не оторвется от Луны, а упадет на ее поверхность. Оберт указывает, что для доставки груза в точку либрации нужен разгон до 2320 м/с, а для того чтобы груз опустился на Землю (если это необходимо для других целей) до 2540 м/с. По порядку величин эти скорости тележки втрое превышают предельно-достижимые. Обход этого, казалось бы абсолютно непреодолимого препятствия, Оберт считает возможным осуществить при помощи предложенного устройства, которое он назвал "умножитель скоростей" (Cesch-windigkeits-Multiplikator) [8].
Основная идея, лежащая в фундаменте умножителя скоростей, может быть описана следующим образом. Пусть по горизонтальной поверхности Луны бежит по рельсам тележка, однако в отличие от обычных тележек не только нижние, но и верхние части колес существенным образом используются для получения нужного характера разгона. Если нижние части колес движутся по рельсам, лежащим на поверхности Луны, то на верхние части тех же колес опирается некая плоская и длинная платформа. Эта платформа может, как уже говорилось, быть в рассматриваемом примере разогнана до 780 м/с. Если на этой платформе укрепить рельсы, на них поставить аналогичную тележку с платформой и разгонять их по движущимся рельсам, то верхняя платформа сможет тоже разогнаться до 780 м/с относительно движущихся рельсов, опирающихся на нижнюю тележку. Но это означает, что по отношению к поверхности Луны верхняя платформа сможет развить скорость 780 + 780 = 1560 м/с. Если повторить этот прием, то третья от поверхности Луны платформа сможет развить относительно этой поверхности скорость 780 + 780 + 780 = 2340 м/с, т.е. скорость, достаточную для того, чтобы бросить разогнанный груз в точку либрации (для доставки этим методом груза на Землю в рассматриваемом примере потребуется четвертая тележка с платформой).
Конечно, выше была изложена лишь идея умножителя скоростей. "Длинные платформы", опирающиеся на колеса столь же длинных тележек, проще всего могут быть конструктивно осуществлены, если у них не будет "начала" и "конца", например, в виде поставленных друг на друга кольцеобразных рельсовых систем тележек с платформами. При этом радиус окружности рельсовых путей должен быть достаточно большим. Другим конструктивным решением той же задачи может быть оформление рельсовых путей, тележек и платформ в виде замкнутых лент, наподобие того как это сделано в эскалаторах станций метрополитена. Не вдаваясь в подробности, приведем пример разгонной метательной системы для забрасывания грузов в точку либрации с использованием второй из описанных выше схем, которую рассчитал Оберт.
Общая длина метательного комплекса на поверхности Луны имеет порядок 130 км. Начало трассы лежит на глубине 6 км, здесь начинается горизонтальный разгон на участке длиной 60 км. После этого, на длине примерно в 50 км происходит продолжение разгона с одновременным изменением наклона трассы от горизонтального до характеризуемого углом подъема в 16°. Длительность разгона по поверхности Луны для полета к точке либрации имеет порядок 70 с, а ускорение выбрано таким, чтобы перегрузка имела порядок четырех. Это сделано для того, чтобы метательное устройство могло бы "стрелять" и пилотируемыми объектами (перегрузки при разгоне для полета к Земле получаются несколько большими, порядка пяти). В момент "отрыва" груза от платформ происходит ее резкое торможение (перегрузка достигла бы 15, но ведь она не касается груза, а лишь платформы и поэтому для сохранности груза роли не играет).
Все описанное здесь весьма напоминает пушку Жюля Верна, с которой связано возникновение у Оберта интереса к космонавтике. Но теперь, в отличие от Жюля Верна, все строго рассчитано и обосновано. "Пушка" Оберта оказалась реализуемой при длине разгонного участка всего в 110 км (а не 3000 км, которые потребовались бы на Земле), вследствие того, что круговая скорость у Луны в 5 раз меньше, чем у Земли. Кроме того, из приведенных данных видно, что Оберт не забыл, в отличие от Жюля Верна, о необходимости ограничить ускорение груза, а с ним и перегрузку. Если "грузом" не будет являться человек, то перегрузки можно существенно увеличить, и в связи с этим заметно сократить размеры метательного комплекса.
Как и всегда, у Оберта проработка проведена достаточно детально, в частности, показаны различные полезные контруктивные детали, описана электромагнитная система разгона и другие подобные детали. Важным является то, что метательное устройство расходует лишь энергию, но никак не массу. Строительство столь впечатляющего метательного комплекса упрощается тем, что одна и та же масса весит на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Оценивая значение выдвинутого им предложения, Оберт особенно подчеркивает, что необходимая для приведения в действие столь мощного метательного устройства энергия, может быть получена от Солнца, которое светит на Луне 354 часа в месяц, причем светит гарантированно (нет облаков) и с интенсивностью не известной нигде на Земле. При реализации этого предложения резко падают расходы, связанные с доставкой грузов с Луны в космос и, если надо, с Луны на Землю, а это может окупить расходы, связанные с созданием достаточно сложного метательного комплекса на Луне. По довольно приближенным оценкам транспортные расходы снизятся (по сравнению с обычной сегодня ракетной техникой) в 1000 раз. Предложения такого рода будут тем более актуальны, чем ближе будет время, когда человечество начнет осваивать Луну и околоземное (вплоть до Луны) космическое пространство для практических целей. Этот пример убеждает еще раз в том, что как и в далекие 20-е годы, Оберт смотрит далеко вперед, стремясь указать человечеству пути решения проблем, которые могут перед ним встать. Интересно отметить, что Оберт не запатентовал свой умножитель скоростей, предлагая всем желающим воспользоваться его идеей и разрабатывать ее дальше.
назад