Текст книги "Вторая земля. Проект третьего тысячелетия"

Жёсткая оболочка, скорее всего, будет тяжелее мягкой. Но с опусканием в нижние слои мягкая оболочка нуждается в поддуве, что уменьшает её подъёмную силу. Точнее, подъёмная сила всё равно возрастает на разнице в удельном весе газа внутри и снаружи при давлении на высоте.

У жёсткой по мере спуска подъёмная сила возрастает с увеличением плотности газа на данной высоте. То есть эффективность жёсткой растёт с уменьшением высоты, а мягкой – падает. Хотя, с учётом веса самой оболочки, у мягкой может оказаться и выше.

Если учесть, что в жёсткой больше комфорта, лучше компоновка и проще оборудование внутреннего пространства, выше безопасность, пожалуй, жёсткая может оказаться предпочтительнее для людей и для оборудования. Но с её созданием будут проблемы. Её так, как мягкую, не сложишь для вывода на орбиту. Придётся собирать на орбите, что, конечно же, более трудоёмко. Так что окончательный выбор можно будет сделать только после тщательного анализа. Пока же нам достаточно знать, что существуют разные варианты.

Рабочий горизонт

Как выбрать высоту полёта атмосферных станций или рабочий горизонт? Логичнее всего было бы выбрать горизонт с «земными» условиями: давление – 1 атмосфера и температура – 20–30 °C. Такие условия – на высоте над поверхностью около 52 километров.

Казалось бы, внутри станции людям не важно, какие давление и температура снаружи. Но на меньших высотах придётся отводить излишки тепла, на что потребуется энергия. Есть у более глубоких горизонтов и преимущества. С каждым километром «глубины» увеличивается плотность венерианской атмосферы и, значит, выталкивающая сила. На Земле плотность воздуха у поверхности 1,22 кг/м³, с высотой она уменьшается. Понятно, почему огромный баллон с гелием или с водородом держит в воздухе сравнительно небольшую обитаемую гондолу. На Венере ситуация даже хуже, несмотря на то что плотность атмосферы выше. Там придётся поддерживать не пассажирскую гондолу, а герметизированный жилой отсек, который много тяжелее. Придётся искать оптимум: температура – подъёмная сила.

На высотах 49–63 километра находится основной слой облаков. Это не облака, а лёгкий туман с дальностью видимости в нём около километра. Конечно, такие облака не помешали бы разглядеть поверхность планеты, если бы не их большая толщина. Прямой солнечный свет сильно ослабляется в облаках, поэтому на поверхности Венеры царят лёгкие сумерки.

Облака на Венере неприятные. Соединения серы – прежде всего, серная кислота – являются основным компонентом облаков. Правда, это всего несколько миллиграммов в кубическом метре. Кислоты могут быть вредны для оболочек и оборудования, поэтому стоит держаться подальше от облаков.

Может быть, выбрать горизонт ниже облаков? В этом случае будет видна поверхность планеты, что немаловажно. Но станция будет получать мало солнечной энергии. Турбулентность атмосферы наиболее интенсивна на высотах 56–70 км и около 48 км. Ниже 49,5 км находится подоблачная дымка.

Если мы выбираем горизонт 44–46 километров, то температура соответственно 101 °C и 82 °C, а давление – 2,49 и 1,94 атмосферы. Плотность атмосферы – соответственно 3,42 и 2,81 кг/м³. Тогда мы можем 1 м³ гелия поднять около 3 кг груза. На земле даже у поверхности 1 м³ гелия поднимает около 1 кг груза. А с высотой грузоподъёмность сильно падает.

В этом случае придётся решать проблему теплоотвода. Для большинства типов станций это окажется неприемлемым, и придётся дрейфовать на высоте около 52 километров, где грузоподъёмность 1 м³ гелия несколько больше 1 кг. Возможно, целесообразным будет выбор рабочего горизонта выше верхней кромки облаков. Там мы сильно проиграем в грузоподъёмности нашей оболочки, поскольку давление внутри будет больше наружного. Придётся принимать меры к подогреву внутреннего помещения станции. Зато над облаками агрессивность атмосферы много ниже, а энергия Солнца будет доходить до станции почти без потерь.

Станции технологического назначения без постоянного персонала, где температура не является помехой для технологического процесса, могут дрейфовать и ниже, где мы получим выигрыш грузоподъёмности. Они могут быть заполнены вообще чистым гелием. Правда, проблемы возникнут при кратковременных посещениях станций наладчиками или контролёрами. Можно будет заранее дать сигнал на станцию, чтобы готовилась к приёму гостей, снижала температуру в обитаемом отсеке. Либо чтобы поднялась на более высокий горизонт. И работать наладчикам придётся в изолирующем снаряжении.

А вот для жилых и обитаемых рабочих следует выбирать горизонт, исходя из комплекса параметров, оптимального с точки зрения жизнеобеспечения станции. Например, необходимость повышенного теплоотвода может оказаться решающей и заставит выбрать горизонт с умеренной температурой атмосферы.

Ясно, что, заполненная воздухом, при таких объёмах она себя поддерживать в атмосфере не сможет, поскольку плавучесть, создаваемая каждым кубометром воздуха в атмосфере CO2 на выбранных нами горизонтах, значительно меньше 1 кг. Даже если заполнить её дыхательной смесью, где азот воздуха заменён гелием, как это было в глубинных домах Кусто, выигрыш будет значительным, но подъёмная сила около 1 кг на метр объёма не решит проблемы.

Значит, придётся оснащать компактную обитаемую сферу поплавком, наполненным гелием или водородом. Водород предпочтительнее на Венере, так же как и на Земле, потому что его легче получать. На Земле от него отказались после нескольких грандиозных катастроф дирижаблей-гигантов. На Венере, в бескислородной атмосфере, водород может, пожалуй, применяться без опаски.

Таким образом, наша малая атмосферная станция (МАС) начинает приобретать сходство с земными аэростатами, где небольшую гондолу держит в воздухе огромный пузырь с лёгким газом. Или с глубоководным батискафом, где прочный обитаемый корпус также приходится снабжать огромным поплавком, заполненным бензином.

Досадное увеличение габаритов, пожалуй, можно как-то оправдать. Дело в том, что компактная сфера пригодна для того, чтобы дрейфовать в атмосфере по воле ветров. Что нас устраивать явно не будет, разве что для станций чисто технологического назначения.

Дрейф или полёт

МАС должны обладать свободой перемещений. Здесь придётся изобретать, потому что земные решения, как всегда, подойдут не полностью. Главное отличие от земных дирижаблей – в том, что наш аэростатический аппарат не предназначен для спуска на землю.

Но возможен принцип компоновки подводных лодок (ПЛ), где прочный корпус упрятан в лёгкую негерметичную обтекаемую оболочку. Эта оболочка не только улучшает гидродинамическую форму ПЛ, но и служит для размещения аппаратуры, могущей работать под давлением, без защиты от окружающей среды.

В нашем случае наружная оболочка будет заполнена не атмосферой, а лёгким газом и будет выполнять функции аэродинамического обтекателя и поплавка. Можно разместить под ней часть оборудования, чтобы высвободить дефицитное жилое пространство.

Такие станции будут внешне походить на дирижабли, только внутри сигаровидного корпуса будут размещаться три-четыре сферические оболочки, одна жилая и остальные – служебного назначения и значительной грузоподъёмности.

Ни чертежей, ни расчётов мы здесь не приводим, потому что это, как мы уже отмечали, не проект ещё, а соображения по проблеме, заявка на будущее. Тем более что мы не считаем нужным навязывать готовое решение будущим разработчикам какого-либо элемента проекта.

Чисто сферические компоновки будут применяться только для станций специального назначения, предназначенных для дрейфа, или для полностью автономных станций, которые будут годами свободно плавать в атмосфере.

4.7.3. Эпоха МАС

На начальном этапе освоения атмосферы малые атмосферные станции будут основным элементом атмосферного комплекса. В них будут жить и работать первые преобразователи планеты. Их нельзя называть ни колонистами, ни поселенцами, потому что они будут в основном работать. В этом смысле МАС можно уподобить существующим уже орбитальным станциям. Но также по фактору изолированности от окружающей среды они подобны и подводным домам Кусто, и вахтовым посёлкам, и арктическим метеостанциям. Существенным отличием будет, пожалуй, то, что на них вряд ли удастся обеспечить полное снабжение продовольствием извне. Хотя почему бы и нет? Не возвращаться же в третьем тысячелетии к натуральному хозяйству, когда всё делается и добывается тут же, на месте.

Печальная история нашего Севера там не должна повториться. Огромные регионы, жившие за счёт «северного завоза». С началом перестройки завоз начал сокращаться. Потом сократился катастрофически. И всё, богатейшие регионы прокормиться не могут – за исключением нефтегазоносных. На Венере не будет такого продукта, которым можно расплатиться за снабжение с Земли.

Продовольствие будет в основном производиться и поставляться централизованно. С тем отличием от земных автономных производственных, научных или военных баз, что продовольствие будет доставляться не с Большой земли, в данном случае попросту с Земли, а будет производиться на специальных автоматизированных комплексах тут же, в атмосфере.

Впрочем, и этому были аналоги на Земле не только в давние времена, но и в настоящее время. Хозяйственные начальники пограничной заставы заводят подсобные хозяйства, чтобы иметь свежие продукты. Так же поступал и начальник метеостанции на Канином полуострове Черёмушкин. У него в летние месяцы шла интенсивная заготовка впрок.

Почему не на орбите? А зачем устраивать лишние сложности с невесомостью и с доставкой продуктов, когда необходимое оборудование приблизительно одинаково, а питательные вещества на орбиту придётся тоже доставлять с планеты. Скорее, наоборот, на орбиту будут доставлять сельскохозяйственную продукцию с атмосферных станций.

Типология атмосферных станций

Подразделение атмосферных станций на МАС (малые), САС (средние), БАС (большие) введено для простоты и отражает лишь порядок размеров планетных станций и хронологию их использования. Но не функциональное назначение. Размеры станций будут увеличиваться со временем по мере совершенствования технологии их строительства и накопления практического опыта эксплуатации.

Первыми будут, естественно, МАС: проще наладить их изготовление, правильнее отрабатывать конструкции на небольших станциях, наконец, большие на начальных этапах попросту не нужны.

Они будут выполнять множество функций самого разнообразного, прежде всего технологического, характера. Это будут автоматизированные мини-заводы, плавающие в атмосфере. Они будут снабжать колонию сырьём и полуфабрикатами, а в некоторых случаях выдавать и готовые изделия. Другой тип – автономные сельскохозяйственные комплексы, плавающие в атмосфере и выдающие готовые продукты или сырьё для переработки в продукты питания.

Их будет много не только из-за многообразия функциональных типов. Поскольку большая часть грузов будет доставляться в атмосферу в оболочках, загруженных на небольшую часть их объёма, окажется много свободных оболочек – не использовать их было бы неразумно. Поэтому в них будут оборудованы производства, не требующие больших исходных масс. Например, растениеводство первоначально требует лёгкого субстрата, оборотной воды и немного посадочного материала и само создаёт огромную зелёную массу растений.

Ещё одним соображением в пользу многочисленности атмосферной «флотилии» будет требование надёжности и устойчивости всего комплекса. Чем больше будет станций, тем меньше вероятность выхода из строя большого их числа. Кроме того, при большом количестве станций и некоторых различиях в их устройстве, компоновке и оборудовании, можно быстро собрать статистический материал о конструктивных решениях и экономичных схемах станций для следующих поколений, которые отвечали бы требованиям постоянного обитания в атмосфере.

Что значит «типовые серийные станции»? Все виды работ будут производиться небольшими бригадами от двух человек, которые будут жить в небольших по размеру станциях с диаметром обитаемого корпуса начиная с 10 метров. Они будут стандартизированы в конструктивном отношении, то есть по размерам, конструкции и методам изготовления. Это необходимо для упрощения технологической оснастки и также для устранения сложностей в дальнейшей эксплуатации.

То есть оболочки будут определённого ряда размеров. Характерный диаметр обитаемого корпуса. Наименьший – 10 метров. Следующим будет размер, скажем, 12 метров, потом – 15, потом – 20, 30, 40 и 50. Соответсвующими будут внутренние площади и объёмы.

Для обтекаемых корпусов характерным будет размер миделя того же ряда и соответственно площадь сечения по миделю. Для первого периода таких типоразмеров оболочек окажется достаточно.

Каждая станция будет иметь стандартный набор типовых агрегатов и устройств.

4.7.4. Стандартные системы МАС

Система плавучести

Вне зависимости от присутствия человека на борту эта система должна неопределённо долгое время поддерживать станцию на заданном горизонте. В случае если она перестаёт справляться с задачей, бортовой компьютер посылает сообщение на базовые станции с отчётом о сложившейся ситуации и требованием помощи.

Вообще задача слежения за состоянием станций, особенно в начальный период, будет одной из главных. Скрупулёзный учёт большого числа параметров понадобится для того, чтобы набирать информацию о долговременной жизнеспособности систем и узлов атмосферных станций, а также конструкционных материалов, из которых они построены. Одним из важнейших назначений этих станций будет как раз выяснение тех доработок, которые позволят почти беспредельно увеличить ресурс станций следующих поколений.

Это представляется невозможным. Но ведь существуют на Земле, наряду с эфемерными человеческими творениями, также и такие, которые прожили сотни и тысячи лет. Конечно, большинство их создано из такого долговечного материала, как камень. Но это потому, что в пору их создания существовали технологические ограничения на искусственные материалы. Теперь возможности сильно расширились.

Может быть, технологам будущего удастся заимствовать у природы идею растущих материалов. Тем более что нам и не требуется действительно вечные создания. Если те же оболочки будут способны просуществовать хотя бы десятилетия, этого будет более чем достаточно. За это время они не только физически, но и морально безнадёжно устареют и будут нуждаться в замене.

Вот «Мир» прожил 14 лет в космосе, и это довольно долго. За это время он износился и стал нуждаться в постоянных ремонтах. Но ведь он был первым.

С другой стороны, именно оболочка должна быть наиболее долгоживущим элементом – так же, как здание, которое может многократно поменять назначение и хозяев. Хотя это происходит потому, что здание представляет значительную ценность. Если оболочки не будут тянуть на львиную долю стоимости станции, тогда их замена не будет представлять большой проблемы, не считая трудностей «переезда» в венерианских условиях.

Ресурс будет в первую очередь определяться системой плавучести. Ибо как раз опускание на поверхность для станции смерти подобно.

Система жизнеобеспечения (СЖО)

Система жизнеобеспечения должна обеспечивать пребывание людей на станции вне зависимости от того, является станция постоянно обитаемой, работают ли на ней специалисты вахтовым методом, или вообще появляются с краткими визитами для обслуживания автоматики. Это необходимо для того, чтобы система работала стабильно и всегда была готова, например, принять персонал с аварийной станции. Для этого СЖО должна работать в режиме постоянного круговорота веществ, то есть воспроизводить нормальный природный механизм. Это предопределяет необходимость существования на каждой МАС сельскохозяйственного блока.

Возможно, придётся искать другой выход, поскольку нерационально создавать комплекс производства продуктов питания, когда его продукцией никто не пользуется. Или на незаселённые станции периодически будут наведываться с заселённых за этими самыми продуктами – так, как на Земле люди ходят в поле, сад или лес за плодами. Или хотя бы на рынок.

Система аварийного спасения (САС)

Ею будет снабжена каждая станция. Вряд ли эта система будет способна вывести на орбиту хотя бы небольшое число обитателей аварийной станции. Скорее она будет доставлять их на атмосферный «космодром», откуда можно будет стартовать уже на орбитальную станцию.

Шлюзы и стыковочные узлы

Каждая МАС должна без проблем стыковаться с любым другим обитаемым объектом в атмосфере, с тем чтобы возможен был переход, минуя атмосферу, непосредственно из одного внутреннего пространства в другое.

Должны МАС стыковаться и с необитаемыми аппаратами. Например, с добывающими, доставляющими полезные ископаемые с поверхности. Такое стыковочное устройство должно позволять перегрузить доставленные грузы в контейнеры МАС.

Способы перемещения

Вряд ли целесообразно, чтобы МАС перемещались по воле ветров в атмосфере планеты – тогда очень затруднится сообщение между ними. Понадобится большое число динамических ЛА, которые сами по себе представляют большую опасность для аэростатических аппаратов, это кроме их принципиальных недостатков, прежде всего ненадёжности в условиях Венеры, где исключена посадка на поверхность планеты.

Поэтому МАС должны быть снабжены устройствами для их перемещения. Возможно, такими устройствами ради экономии будут снабжены не все МАС, а лишь те, которые будут служить «буксирами» для сцепок многих МАС. У последних будут только маломощные двигатели для маневрирования при стыковках.

Двигатели будут электрическими с винтом в насадке – чем-то средним между воздушным и водяным винтом, поскольку атмосфера Венеры имеет плотность, находящуюся в промежутке между плотностью земной атмосферы и водной среды. Винты будут сравнительно небольших диаметров, на поворотных опорах, что и позволит достигать хорошей маневренности.

Управляться система перемещения будет бортовым компьютером, который сможет задавать режимы автоматического и ручного управления. Система навигации будет прокладывать оптимальный курс в заданную точку с учётом скорости и направления воздушных течений. Большинство обычных перемещений станций будет происходить как раз по воле этих течений, поскольку станции не служат транспортным средством и перемещение не является их главной функцией.

Перемещение им будут обеспечивать постоянные ветры в атмосфере. Они обеспечат смену дня и ночи, цикл которой будет сильно отличен от земного и может составлять около 4 суток. Скорость движения атмосферных масс относительно поверхности составляет на экваторе около 400 км/час. Именно с такой скоростью обращаются вокруг планеты слои атмосферы на интересующих нас высотах. Придётся смириться с таким циклом, как с одним из неизбежных неудобств – миримся же мы с полярной ночью в северных районах.

Энергетические системы

Основная часть энергопотребления на Венере будет обеспечиваться за счёт энергии Солнца от солнечных батарей. Поток солнечного излучения на орбите Венеры примерно в два раза больше, чем у Земли. Часть его будет гаситься атмосферой. Панелями можно будет покрыть большую часть поверхности корпуса МАС.

Часть энергетических потребностей могут обеспечить движительные комплексы. Если там будет стоять мотор-генератор, то в режиме генератора он будет поворачиваться на поворотной опоре и воспринимать местные течения вокруг корпуса и таким образом вырабатывать ток. Понятно, что таких агрегатов для получения заметного эффекта должно быть много, но они могут быть маломощными. При использовании их для перемещения, они могут обеспечивать широкие манёвренные возможности станции. Могут использоваться и другие источники. Скажем, злектрохимические генераторы на местных материалах.

Аварийный запас

Он будет на каждой МАС – аварийный запас продуктов питания, медицинских препаратов и оборудования, индивидуального снаряжения и спасательных средств. То есть каждая МАС может в любой момент принять группу людей и обеспечить их необходимым.

Понятно, что в условиях жёсткого тотального дефицита на планете кажется недопустимой роскошью хранение неиспользуемого снаряжения и оборудования. Да и продукты питания могут быть использованы по прямому назначению.

Эту проблему удастся окончательно разрешить только на месте. Но это одна из важных средств обеспечения автономности и надёжности, которые являются важнейшим условием существования колонии, в частности, для создания благоприятного психологического климата. Ведь и на Земле создаются аварийные запасы всего, достигая иногда огромных масштабов. Такие запасы могут храниться некоторое время, потом использоваться по прямому назначению, заменяясь более свежими.

4.7.5. Типы МАС по функциональному назначению

Основными типами будут следующие:

1) химические производственные лаборатории;

2) сельскохозяйственные, продовольственные базы;

3) производственные;

4) исследовательские лаборатории;

5) микробиологические лаборатории;

6) по обеспечения работ с поверхностью;

7) жилые комплексы-гостиницы.

Это лишь основное назначение каждой из МАС. По необходимости в большинстве случаев типы будут смешанными. Например, на каждой из станций в обязательном порядке будет присутствовать с/х комплекс. Дело не только в его прямом назначении для выработки продуктов питания. Он будет поддерживать нужный состав атмосферы вне зависимости от того, будут там люди в этот момент или нет. Мы уже говорили, что каждая МАС в любой момент в случае аварийной ситуации должна быть готова принять большую группу поселенцев.

Автономное химпроизводство

На планете необходимо будет развернуть прежде всего производство топлива и конструкционных материалов. Нелепо доставлять с Земли все материалы на станцию, плавающую в атмосфере, содержащей азот, углерод, кислород, водород, серу, хлор и другие химические элементы. Было бы естественно иметь на станции установки для выделения из окружающей среды некоторых веществ. Полезно было бы получить кислород для дыхания, водород для пополнения утечки газа из оболочек, гелий для дыхательных смесей, воду, компоненты топлива для двигателей спускаемых модулей и, конечно, топливо для заправки космических ракет.

Обеспечение ракет топливом является наиболее объёмной задачей. Не может быть и речи о том, чтобы обеспечивать регулярные старты привозным топливом. Возможно, первым по очерёдности производством и будет производство компонентов топлива из газов атмосферы. Например, водородно-кислородное топливо. При производстве топлива будет оставаться побочный продукт. Химикам придётся озаботиться тем, чтобы ничего не пропадало. Понадобится очень много разнообразных конструкционных материалов для дооборудования в атмосфере многочисленных оболочек.

Производство необходимых материалов происходит в автоматизированном режиме. Именно потому, что ещё не будет создана инфраструктура, это производство должно начаться ещё на орбитальном этапе освоения Венеры. Но, так как это экспериментальные процессы, необходимо регулярное наблюдение специалистов и контроль. Они периодически меняют параметры, добиваясь оптимума. На производственных МАС тут же производят испытания получившихся материалов и налаживают опытное производство изделий из них.

В самом общем виде возможности получения необходимых веществ из атмосферы я обсуждал в 1996 году с химиком Андреем Валерьевичем Бреевым. Он сказал приблизительно следующее:

– На основе азота ничего путного создать нельзя, из его соединений получаются ломкие, хрупкие изделия.

Можно попытаться получить углепластики. Есть ли там CO (окись углерода или угарный газ)? Его там нет в готовом виде. Но получить его можно диссоциацией CO2. Она происходит в верхних слоях атмосферы непрерывно под действием ультрафиолета солнечного света. Получившиеся молекулы снова соединяются. Можно по мере образования отбирать кислород, он тоже пригодится хотя бы для системы СЖО. Будет оставаться CO. Но можно разделять и охлаждением.

Водород можем получить из серной или соляной кислоты. Правда, получится много бесполезных веществ, которые можно попытаться утилизировать, а можно и выпустить в атмосферу – она от этого хуже не станет.

Нужны вода и энергия, потому что щёлочь, которая нужна для нейтрализации кислоты, без воды не получить. Обе проблемы на Венере придётся решать непременно, но здесь не будем останавливаться на путях их решения. Пока нам не важно, будет ли вода завозиться с Земли или с какого-то ещё небесного тела или синтезироваться на месте. Опять же не обсуждаем пути получения энергии, констатируя, что с энергией особых проблем не предвидится.

Необходимо обеспечить следующую реакцию:

2nCO + 2H₂ (190–250 °C + катализатор Fe) = С_nH_2n+2 + nCO₂

Получаем предельные углеводороды: метан, этан. этилен, этанол, ацетилен, бутадиен, уксусный альдегид. В результате можем синтезировать каучук и получить резину. То есть получение некоторых видов эластичных материалов для оболочек, в принципе, возможно.

Понятно, что это не материал для запредельных условий на поверхности Венеры. И совершенно ясно, что он не пригоден для агрессивной атмосферы планеты. Придётся долго работать, чтобы получить комбинацию материалов с необходимыми свойствами. Но это пример того, как можно получить материал из наличного сырья. Его много, и возможные варианты достаточно разнообразны. Не исключено, что защиту от агрессивной атмосферы будет обеспечивать наружная оболочка, доставленная с Земли, а получаемые на планете материалы будут использованы внутри неё для придания ей необходимой прочности и жёсткости и для создания внутреннего каркаса и оборудования МАС