Орбитальные поселения. Автономная космическая станция-корабль

Введение

Ночное небо завораживало людей на протяжении всей истории. И сегодня наши взоры устремлены вверх. Космос — безграничный простор, который хранит в себе не только тайны мироздания, но и возможности для дальнейшего существования людей.

Орбитальные космические станции необходимый инструмент для изучения космоса. Однако сегодня они не способны обеспечить условия для космонавтов, чтобы те находились долгое время на орбите. Возникает необходимость в разработке такой станции, которая может быть автономной долгие годы, тем более что в будущем орбитальные поселения будут нуждаться в этом.

Не секрет, человечеству необходим запасной дом кроме Земли, ведь в будущем есть вероятность, что условия для жизни на нашей планете станут непригодны. Создание орбитальных поселений хорошее решение данной проблемы. Стоит отметить, что нахождение и заселение других планет так же приоритетная задача, для которой нужен космический корабль, способный долгое время быть автономным.

Видно, что для существования на орбите и дальних перелетов необходимо создать автономные космические аппараты, поэтому имеет смысл объединить космический корабль и орбитальную станцию, ведь они решают одну и ту же проблему — длительное проживание на них.

Чтобы создать автономную космическую станцию-корабль нужно использовать аналогию с тем, что создала природа, так как она создает системы, существующие долгие годы. Такой системой является планетарная [7]. Действительно, более гармоничного сочетания, где источник энергии — звезда, а планеты — дома жизни, не найти во всей вселенной. Поэтому воспользуемся идеей природы и по подобию создадим нашу станцию-корабль.

Предложенная космическая станция-корабль будет представлять собой модель планетарной системы, в которой, нужно выделить две принципиальные части:

1. Энергетическая область — соединенный с областью проживания сферический термоядерный реактор, принцип работы которого аналогичен звездному [3], обеспечивает автономию всего космического корабля, а также является основным двигателем для перемещений.
2. Область проживания — кольцеобразная структура, создающая условия схожие с земными для комфортного и длительного пребывания на космическом корабле.

Проиллюстрируем космическую станцию-корабль и сравним ее с планетарной системой на рис 1.

Разберем каждую часть.

Энергетическая область

Сердцем космической станции-корабля является термоядерный реактор, принцип работы которого, как и рассматриваемого космического корабля, основан на аналогии с природой, а именно с условиями, созданными в звездах, и рассмотрен в другой статье [3]. Изучив плазму, рождающуюся в звездах, был предложен способ воссоздания схожих условий на Земле. Отойдя от нейтральности четвертого агрегатного состояния и сделав его положительно заряженным, можно из 0,093 кг дейтерия получить 2,94* Дж энергии, и потратить ее на совершение полезной работы. Такая установка с плазмой может давать энергию, как на земле, так и в космическом пространстве.

Перспектива использования электростатического удержания плазмы видится в следующем:

1. Для будущей колонизации планет можно использовать такие источники энергии, ведь они находятся на орбите и не представляют опасности для поселенцев;
2. Установку можно использовать как реактивный двигатель, выпуская из сферы поток плазмы;
3. Возможность подробного изучения звезд и, возможно, их эволюции.

В рассматриваемом космической станции-корабле данный термоядерный реактор позволит обеспечивать станцию и ее обитателей энергией долгие годы и быстро перемещать ее в пространстве. Данный реактор безопасен, так как защищает людей от нейтронов, образующихся при реакции, с помощью слоя воды между обкладками конденсатора. Также, будет возможность защищать экипаж от внешних заряженных частиц своим электрическим полем и магнитным (при движении), что совпадает с аналогичной планетарной системой.

Область проживания

Безусловно, комфортное существование людей немыслимо без гравитации, поэтому создание такой конструкции, на которой будет создаваться притяжение равное земному необходимо. Существует несколько способов для создания гравитации:

1. Большая масса — сделать космический корабль настолько большим, чтобы на нем возникала искусственная гравитация. На корабле можно будет чувствовать себя комфортно, поскольку не будет потеряна ориентация в пространстве. К сожалению, этот способ при современном развитии технологий нереален. Чтобы соорудить такой объект, требуется слишком много ресурсов.
2. Ускорение — если придать кораблю плоскую форму, и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с нужным ускорением, то можно получить искусственную гравитацию. Однако стоит учесть топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Вторая проблема заключается в самой идее постоянного ускорения. Согласно физическим законам, невозможно ускоряться до бесконечности. Кроме того, такой транспорт не подходит для создания орбитальных станций.
3. Ускорение благодаря вращению — если заставить конструкцию вращаться, соблюдая необходимые параметры, то можно добиться создания гравитации. Данный способ подходит для решения проблемы наилучшим образом, поэтому рассмотрим его.

Для создания земной гравитации на космической станции-корабле нужно соблюсти следующе условия:

1. Необходимо, чтобы гравитация была в зоне проживания одинакова, то есть скорости вращения в каждой точке равны. Этого можно добиться при условии, что форма зоны проживания будет не сферической (иначе скорости вращения разных точек будут различны), а представлять кольцо.
2. Так как система вращается, а для комфортного пребывания необходим радиус не менее 10 метров [2], то габариты реактора — 123,4 км — удовлетворяют условию, ведь кольцо находится вне его.
3. Так как искусственные спутники Земли для стабилизации вращаются с частотой 80–100 оборотов в минуту [5], то для сохранения прочности конструкции при использовании тех же материалов частота вращения космической станции-корабля, должна быть не более приведенных значений.
4. Для изоляции области проживания от термоядерного реактора в целях безопасности и упрощения сборки (рассмотрим далее) отнесем его на расстояния 100 метров, тогда радиус кольца составит 123,5 км. Рассчитаем количество оборотов для данных условий по формуле центростремительного ускорения:

где — ускорение свободного падения; — угловая скорость; R — радиус кольца. Тогда кольцо область проживания для создания гравитации будет совершать 32 оборота в час, что согласуется с выдвинутыми условиями.

Стоит отметить, что энергия от реактора к области проживания будет передаваться с помощью радиально расположенных жестких труб. Проиллюстрируем космическую станцию-корабль ни рис.4.

Рис.4. Схема автономной космической станции-корабля

Построение и выведение в космическое пространство

Безусловно, данная космическая станция-корабль велика, поэтому строить ее на Земле и выводить на орбиту очень трудно. Для решения данной проблемы, необходимо собирать части на Земле, затем выводить их с помощью грузовых ракет на орбиту и подобно конструктору собирать. Процесс сборки в космическом пространстве может быть автоматизирован, а может выполняться людьми, используя для временного пребывания на орбите станции типа «Салют» или «Skylab» [4]. Стоит отметить, что, используя при построении космической станции-корабля принцип сборки конструктора, удобно сделать область проживания удаленной от термоядерного реактора. Тогда, он сможет заработать раньше, чем построится первая, для обеспечения энергией при дальнейшем строительстве.

Заключение

1. Рассмотрена космическая станция-корабль, разработанная по принципу аналогии с природой, а именно с планетарной системой, как идеальной структурой для существования людей.
2. Был предложен ранее разработанный нами термоядерный реактор, принцип работы которого основан на аналогии со звездами (рассмотрены условия возникновения термоядерного синтеза в них).
3. Выдвинуты условия для создания области проживания с расчетом ее параметров.
4. Рассмотрены вопросы построения и выведения в космическое пространство станцию-корабль.

Данная космическая станция-корабль позволит не только создавать автономные орбитальные поселения, но и быть источником энергии, а также перемещать людей в пространстве. Данное сочетание перспективно для развития человеческой цивилизации.

Литература:

1. Искусственная гравитация и способы ее создания. — Текст: электронный // FB: [сайт]. — URL: https://fb.ru/article/274686/iskusstvennaya-gravitatsiya-i-sposobyi-ee-sozdaniya (дата обращения: 14.11.2020).
2. Как создать искусственную гравитацию на космическом корабле?. — Текст: электронный // zen.yandex.ru: [сайт]. — URL: https://zen.yandex.ru/media/deep_cosmos/kak-sozdat-iskusstvennuiu-gravitaciiu-na-kosmicheskom-korable-5ee08ff162d0007fc80a4e99 (дата обращения: 14.11.2020).
3. Костылев, И. Г. Использование электростатического поля для создания условий по удержанию плазмы, сходных с условиями внутри звезд / И. Г. Костылев, В. Е. Харитонова. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2020. — № 8 (38). — С. 57–59. — URL: https://moluch.ru/young/archive/38/2147/ (дата обращения: 10.01.2021).
4. Орбитальная станция. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Орбитальная_станция#Список_орбитальных_станций (дата обращения: 10.01.2021).
5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСТРОЙСТВО РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ СПУТНИКОВ. — Текст: электронный // lib.qrz.ru: [сайт]. — URL: https://lib.qrz.ru/node/1365 (дата обращения: 14.11.2020).
6. Плазма. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Плазма#Определение_плазмы (дата обращения: 02.07.2020).
7. Планетная система. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Планетная_система (дата обращения: 10.01.2021).
8. Преимущества термоядерной энергетики. — Текст: электронный // world of science: [сайт]. — URL: http://worldofscience.ru/fizika/1614-preimushchestva-termoyadernoj-energetiki.html (дата обращения: 02.07.2020).
9. Румянцев, А. Ю. Астрономия: Учебно-методическое пособие для преподавателей астрономии, студентов педагогических вузов и учителей средних учебных заведений / А. Ю. Румянцев. — Магнитогорск: Магнитогорский государственный университет, 2003. — 312 c. — Текст: непосредственный.
10. Управляемый термоядерный синтез. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Управляемый_термоядерный_синтез#Реакция_дейтерий_+_тритий_(Топливо_D-T) (дата обращения: 02.07.2020).
11. Янин, С. Н. Лекции по основам физики плазмы. Часть 1 / С. Н. Янин. — Томск: Томский политехнический университет, 2012. — 78 c. — Текст: непосредственный.