Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

Вместо «челнока» – «летающая тарелка»?!

Одна из самых совершенных конструкций дирижабля на сегодняшний день – термоплан. Этот гибрид, объединившем в себе достоинства предыдущих конструкций, имеет отсеки, которые заполняются не только гелием, но и теплым воздухом, что позволяет обходиться без балласта. Однако достоинство термоплана не только в этом. Недавно конструкторы из Московского авиационного института придумали еще одно оригинальное усовершенствование.

Преимущества термоплана. По первому впечатлению термоплан «Россия» весьма похож на «летающую тарелку». И это сходство не случайно. Как вы помните, слабое знание аэродинамики приводило в 30-х годах XX века к тому, что первые дирижабли-гиганты под действием ветра переламывались пополам. Дело в том, что их рассчитывали, исходя из равномерного распределения нагрузки по длине корпуса, тогда как она прилагалась больше к корме и носу. И эта ошибка частенько приводила к трагедиям.

Термоплан «Россия» на испытаниях

Поэтому создатели термоплана и отказались от традиционной формы: не «сигара», а «чечевица», или, если хотите, «летающая тарелка» диаметром от 180 до 300 м и более, – вот, считают они, наилучшая форма современного дирижабля. При такой конфигурации сила воздействия бокового ветра уменьшается в несколько раз, а кроме того, создается дополнительная аэродинамическая сила.

Основную же подъемную силу, как уже говорилось, создает легкий газ гелий, заключенный в нескольких герметичных отсеках, распределенных по объему «чечевицы». Другие отсеки негерметичны, в них обычный воздух, который нагревают до температуры 150–200°C газовыми горелками – примерно такими же, что используют в современных монгольфьерах.

Надо взлететь – включают горелки. Суммарная подъемная сила термоплана увеличивается, он плавно поднимается вверх. А потребовалось совершить посадку, горелки гасят, воздух постепенно остывает, подъемная сила уменьшается, и аппарат плавно идет на снижение.

Если экипаж видит, что условий для мягкой посадки нет – скажем, кругом тайга, – термоплан может зависнуть на высоте, а вниз на тросах уйдут лишь грузовые платформы, выполняя роль своеобразных лифтов. А приземлившись, аппарат будет надежно «притерт» к земле с помощью своеобразного вакуумного «якоря». Под платформой у земли возникает эффект присоски, и аппарат как бы прилипает к поверхности.

Конечно, сегодня трудно определить весь круг обязанностей, который смог бы выполнять термоплан в народном хозяйстве. Но основные направления их использования прослеживаются уже достаточно четко. Еще в 1978 году специальная экспертная комиссия, например, заключила, что аппараты подобного класса могут взять на себя до 12 % грузоперевозок России. Причем, по подсчетам специалистов, тонно-километр такой перевозки обойдется в 6 раз дешевле, чем использование, скажем, автомобиля-вездехода в условиях Заполярья. К тому же автомобильный транспорт в тех районах используется, как правило, лишь на «зимниках». Весной и летом он безнадежно вязнет в болотах…

Заместитель «шаттла»? Создатели термоплана между тем придумали вот какую интересную штуку. Как показали продувки в аэродинамической трубе, «летающая тарелка» имеет свойства крыла-диска. То есть, как уже говорилось, при движении с достаточно высокой скоростью к аэростатической подъемной силе добавляется еще и аэродинамическая. При этом удельная нагрузка на крыло в 15–20 раз меньше, чем, например, у всем известного «шаттла», снятого ныне с полетов.

У «челноке» тут мы вспомнили совсем не случайно. Какая у него главная обязанность? Правильно, выводить в космос коммерческие нагрузки. Так вот маевцы подсчитали, что термоплан может быть использован и в качестве первой ступени системы, которая будет осуществлять подобные транспортные операции в 2–3 раза дешевле, чем «шаттл».

Выглядеть все это будет примерно так. Термоплан берет прямо со двора завода, КБ или иного предприятия полезную нагрузку, представляющую собой ракету-носитель вместе со спутником связи, модулем строящейся международной орбитальной станции и т. д. Все это на внешней подвеске буксируется дирижаблем в экваториальную зону, где запускать ракеты, как известно, выгоднее всего, поднимается на высоту в несколько десятков километров, где и производит пуск ракеты-носителя из контейнера. Таким образом, как минимум мы экономим одну ступень ракеты-носителя.

А можно, в принципе, и вообще обойтись без нее. Термоплан ведь вовсе не случайно напоминает «летающую тарелку». И если сделать оболочку достаточно жесткой, прикрепить к нему реактивные двигатели и ракетные ускорители, то можно добиться, что, разогнавшись, наш термоплан сам выйдет на околоземную орбиту.

Выдуем… космолет?!

Мыльные пузыри, надувные матрасы, мячи, даже конструкции типа мобильного госпиталя хорошо известны многим. Но вот чтобы сделать надувным космический корабль – это уж, пожалуй, слишком… И тем не менее…

Сплошное надувательство. Было это уж лет тридцать тому назад, вспоминал Николай Хлебников. Работал он тогда в Казахстане, в г. Лисаковске, на станции юных техников. И готовился вместе с ребятами к очередному, тогда еще всесоюзному конкурсу «Космос». Юные техники строили модель очередного звездолета, и лишь один хитрован – Иван Варфоломеев – затеял мыльные пузыри пускать.

«Ваня, – сказал ему руководитель. – Ты что – маленький? Займись-ка делом…»

«А я делом и занимаюсь», – ответил тот. И развил такую идею.

Лишь в неспокойной земной атмосфере мыльные пузыри живут недолго. А вот в космосе, в условиях невесомости и абсолютного покоя, такой пузырь будет куда более долговечен. В особенности если вместо обычного мыла и воды использовать для его изготовления специальный пластик, твердеющий после выдувания в условиях космического пространства.

Тут уж всеобщая мысль заработала. И за несколько минут в результате спонтанного мозгового штурма ребята накидали с десяток идей по доработке первоначального предложения. Вот хотя бы некоторые из них.

Если внутри первого шара выдуть еще второй и третий, то получится многослойная конструкция, которой, вероятно, будут не страшны даже микрометеориты: несколько слоев подряд пробить не так-то просто.

Если перед тем, как надувать оболочку, ее заготовку поместить внутри какого-то объема (скажем, куба, грани которого сделаны из проволоки или иного материала), то и шар получится уже не круглым, а кубичным. Аналогично можно получить оболочку в виде параллелепипеда, цилиндра, конуса и т. д.

Если сделать необходимое количество отдельных модулей, «врезав» в их стенки переходные люки, тамбуры и т. д., можно затем собрать их в соответствующую конструкцию: хотите – орбитальную станцию, хотите – космический корабль…

Если отправиться на таком корабле, скажем, к Марсу, то можно продолжить возведение подобных конструкций и на самой планете. Купола, надежно прикрепленные, приклеенные к почве, сделанные из прочного пластика, способного противостоять марсианским бурям, послужат первым прибежищем для марсианских колонистов.

«В общем, размечтались мы, расфантазировались, – вспоминал Хлебников. – Разрисовали все покрасивее, сделали даже модель “пузырчатого” корабля, представили на конкурс. И тут нас словно холодной водой облили. “Не занимайтесь надувательством, – сказали нам. – Где это вы видели такую пластмассу?. ” И отвергли наш проект как беспочвенный…»

Честно сказать, не понимаю членов того жюри. Ребячью идею стоило поддержать даже и в том случае, если бы в ней действительно было маловато здравого смысла. Помните, что говорили великие: только из сумасшедших идей получается что-то стоящее. А тут… В общем, отбили людям руки, охоту заниматься данным проектом дальше.

Правда, упорный Хлебников как-то при случае поинтересовался у химиков: можно ли создать пластик, удовлетворяющий предъявляемым требованиям. «В принципе, химия все может, – сказали они. – Только заявок на подобные разработки пока не поступало…» Таким образом, круг замкнулся. Идея не может быть реализована, потому что нет пластика. А пластика нет, поскольку его никто не заказывал…

Тем временем в Америке… В общем, получилось как всегда. Нет пророков в нашем Отечестве… Но вот что интересно. Американцы лет двадцать пять тому назад запускали экспериментальный спутник «Эхо-1». Он представлял собой огромный шар из тонкой металлизированной пленки, отражающей лучи радара. Эксперимент прошел удачно, спутник просуществовал в космосе заданный срок, исполнив свою миссию.

Полученный опыт не забыт и сегодня. В проектах космической станций будущего может стать следующее. Специалисты NASA подумывает о его замене обычных жилых модулей облегченными надувными домами – так называемыми «трансхабами». (Название составлено из первых слогов двух слов «транс» – транспортировка и «хабитата» – жилище.) Он может стать основной квартирой для жильцов орбитальной станции.

Вместо металлического корпуса «трансхаб» будет состоять из облегченной сердцевины, изготовленной из композитных материалов. Она будет окружена коконом из гибкой, но прочной материи – из такой ныне делают пуленепробиваемые жилеты.

Если конструкция выдержит испытания, то такие же «трансхабы» можно будет использовать в качестве жилых модулей на Луне, Марсе и других планетах Солнечной системы, полагают разработчики этой конструкции из Центра имени Джонсона в Хьюстоне. «Мы проектируем надувное космическое жилище, которое будет надежнее, дешевле и качественнее своих предшественников, – сказала руководительница проекта Донна Фендер. – Мы не проектируем оборудование специально для Марса, но думаем, что наше надувное жилище можно будет использовать без существенной переделки и на Красной планете».

В грузовом отсеке космического «челнока» или иного космолета такой модуль будет находиться в компактном состоянии – его внешнюю оболочку обернут вокруг сердцевины. Получится этакий кокон диаметром чуть более 3 м. В космическом пространстве «трансхаб» расправится под действием поданного внутрь воздуха, раздуется до 7,5 м в диаметре. Длина кокона составит порядка 8 м.

Компоновка модуля TransHab

Так в пространстве будет развернуто нечто вроде 3-этажного дома, в котором с удобствами смогут разместиться 6 человек. При весе 5 т такой модуль будет вдвое легче того, который пытались спроектировать специалисты «Боинга», используя традиционные технологии. А поскольку он будет еще и втрое объемнее, то астронавты при таком раскладе смогут получить не только комфортабельные помещения для работы и отдыха, но и собственный спортивный зал. Кроме того, появится возможность значительно усилить радиационную защиту модуля от космических излучений за счет дополнительного экрана.

Проектировщики предлагают окружить центральную часть модуля, где большую часть времени и будет находиться экипаж, водяной рубашкой толщиной 12–15 см. Она преградит путь радиоактивным частицам, входящим в состав космического излучения, и потокам ионов, вылетающих при солнечных вспышках.

Такой щит в особенности понадобится при полете к Красной планете и на самом Марсе. Ибо эта планета, в отличие от Земли, практически лишена магнитосферы, защищающей нас от вредного излучения.

Надувная башня. И «трансхаб» – не единственный способ использования надувных конструкций в космических целях. Давно уже идут разговоры о том, что нынешний способ доставки грузов на орбиту с помощью ракет, стартующих с наземных космодромов, – далеко не идеален. А потому ныне транспортировка всего одного килограмма груза на орбиту обходится в 10–20 тыс. долларов, а то и более. Специалисты хотели бы снизить стоимость до 200, а еще лучше до 20 долларов за килограмм.

«Традиционный способ – создание более дешевых ракет-носителей, – рассказывает эксперт центра NASA в Кливленде Джефри Лендис. – Однако наш анализ показывает, что этот способ себя практически исчерпал. Пытаясь модернизировать его, специалисты предлагают запускать ракеты не с земли, а, например, с борта самолета-носителя, который поднимается на высоту 10–12 км. Таким образом, удается сэкономить по крайней мере одну ступень».

Впрочем, нынешние самолеты позволяют поднять сравнительно небольшие, легкие носители, которые, в свою очередь, способны транспортировать на орбиту сравнительно компактные и немассивные грузы. Для выведения на орбиту крупных спутников и модулей орбитальных станций Дж. Лендис и его коллеги предлагают модернизировать… сам космодром.

«Надо оснастить стартовую площадку высокой башней, а еще лучше – одновременно перенести ее на какую-нибудь высокую гору, – говорит Лендис. – Наши расчеты показывают, что старт ракеты с высоты в 15 км позволяет увеличить полезную нагрузку в 1,5 раза, а с 20 км – вдвое»…

Эксперты NASA полагают, что современные композитные материалы на основе углерода позволят в скором будущем соорудить «вавилонскую башню» высотой в 25 км. С ее вершины полезную нагрузку можно бы было выводить в космос с помощью всего одноступенчатой ракеты, а не трехступенчатой, как ныне. И если ныне полезная нагрузка составляет примерно 2 % от стартовой массы всего носителя, то с помощью высотных запусков этот показатель удастся существенно повысить.

Строительство же подобного сооружения обойдется примерно столько же, как и возведение обычного небоскреба где-нибудь на Манхэттене.

Кстати, подобную же идею изобретатель из Самары, специалист по ракетно-космической техники В. Н. Пикуль предложил еще в конце 90-х годов прошлого века.

«Особенность моего способа состоит в медленном разгоне особой платформы с ракетой на борту по широколейному железнодорожному спуску (точнее, в данном случае – подъему), – рассказывал он. – По мере возрастания скорости, подъем становится все круче, и, наконец, ракета стартует практически вертикально, используя мощь собственных двигателей».

В свою очередь, Пикуль опирался на идею К. Э. Циолковского, красочно описанную Александром Беляевым в научно-фантастической повести «Звезда КЭЦ».

Причем строить подобные космодромы оба исследователя предлагают где-нибудь в гористых, малонаселенных местах. Горы, как уже говорилось, дают природный выигрыш в высоте – ведь вершины некоторых пиков находятся на высоте 8 км над уровнем моря.

Наконец, еще одни оригинальный подход к строительству космодромов нового поколения предлагают канадские исследователи из Университета Йорка. Они предлагают построить надувную башню высотой около… 15 км! Такая же башня, собранная из модулей, могла бы достичь и высоты в 20 км, если ее возвести на горе.

Ученые полагают, что 15-километровая башня может состоять из 100 модулей, а те из надувных труб двухметрового диаметра, сделанных из композитного материала – кевлар-полиэтилена. Каждый модуль 150 м в высоту и 230 м в диаметре, а весить вся конструкция будет около 800 тыс. т. Надуть ее предлагается гелием или другим легким газом. Сохранять вертикальное положение и противостоять порывам ветра структуре должны помочь гироскопы и системы активной стабилизации в каждом модуле.

Внутри же башни на тросах, сделанных не из сверхпрочных нанотрубок, стоящих ныне бешеных денег, а из более традиционных и дешевых материалов, может курсировать космический лифт, доставляющий части ракетной конструкции, грузы и астронавтов, а также любопытных туристов на вершину башни.

Интересно, что идея канадцев напоминает надувную же 160-километровую башню, придуманную известным нашим специалистом профессором Г. И. Покровским еще в 1959 году.

Полет Фоссета вокруг света

В марте 2005 года известный американский бизнесмен и путешественник Стив Фоссет, как известно, установил новый рекорд. Ранее он облетел земной шар в одиночку на воздушном шаре, потом проделал то же самое и на самолете за 67 часов и 2 минуты. Как ему это удалось?

Вслед за «Вояджером». Накопив достаточно денег на Чикагской бирже, где он первую половину жизни проработал брокером, Фоссет стал думать, как бы ему поинтереснее потратить приобретенное состояние? И не придумал ничего лучшего, как начать путешествовать. Но не обычно, как то делают миллионы состоятельных туристов, а, так сказать, эксклюзивно.

Сначала он совершил кругосветное путешествие на яхте. Потом в 2002 году после ряда неудачных попыток попал в Книгу рекордов Гиннеса, облетев земной шар в одиночку за 14 суток. И наконец, решил осуществить такое же путешествие на самолете.

Сначала он попытался купить и переоборудовать для этой цели списанный сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд». Однако сделка не состоялась. Одни говорят, так получилось потому, что продавцы запросили за старый самолет слишком большую цену. Другие – что, поразмыслив, Фоссет отказался от покупки сам – такую махину пилотировать в одиночку сложно; да и уж больно прожорлив этот авиагигант.

И тогда он пошел проторенным путем. Как известно, в 1986 году беспосадочный полет вокруг земного шара за 9 суток уже совершил экипаж в составе Джины Игер и Чака Рутана. Вот к Чаку и обратился Стив Фоссет. И попросил того познакомить со своим братом Бартом Рутаном – конструктором рекордного самолета «Вояджер». А встретившись с ним, спросил, нельзя ли переделать «Вояджер» для одиночного полета.

Поразмыслив, Барт Рутан от идеи переделки отказался, сославшись на то, что одному человеку невозможно будет выдержать более чем недельный перелет. И предложил создать новый, более скоростной самолет, который бы смог совершить подобный перелет в 2–3 раза быстрее.

От цифровой модели к «железу». Обговорив детали контракта, партнеры ударили по рукам. Интересно, что каждая из сторон при этом решила подстраховаться. Фоссет на всякий случай сговорился со своим приятелем и старинным напарником по полетам на воздушных шарах сэром Ричардом Брэнсоном – основателем, генеральным директором и президентом фирмы Virgin Atlantic, что он будет запасным пилотом, а к тому еще и спонсором проекта. А Барт Рутан, занятый подготовкой к первому в мире частному суборбитальному полету на высоту более 100 км, перепоручил новое задание своему заместителю Джону Каркову, который и стал ведущим конструктором проекта.

Конечно, работал он не один. Аэродинамик Джон Ронц разработал профили для крыла (он делал это и для самолета «Вояджер»), Джо Рудди проектировал планер, Чак Колеман разрабатывал системы самолета, а Боб Морган сконструировал шасси…

Стив Фоссет перед полетом вокруг света

В процессе разработки, по словам Каркова, группа не раз меняла саму концепцию самолета. Сначала разработчики хотели было совсем устранить фюзеляж и посадить летчика в одну из балок, соединивших крыло с хвостовым оперением. Но это привело бы к серьезным аэродинамическим проблемам, связанным с дальностью полета и летными качествами самолета. Была рассмотрена и обычная схема самолета, но из него уж за прошедшие десятилетия конструкторы выжали все, что могли. В итоге оптимальной была признана схема тримарана – такая конфигурация самолета позволяет обеспечить дальний полет на большой высоте при сильном ветре.

Современная компьютерная техника позволяет инженерам изучить поведение конструкции, используя теорию динамики жидких течений. Помещая цифровую модель самолета «Глобалфлайер» в виртуальную аэродинамическую трубу, конструкторы оптимизировали его форму, еще даже не приступая к постройке.

На это ушло около двух лет. И лишь убедившись, что лучшего они добиться уж не смогут, создатели Clobal Flayer («Всемирного летуна») приступили непосредственно постройке летательного аппарата.

(Заметим в скобках, что изначально самолет назывался «Козерог», поскольку маршрут полета намечалось проложить вдоль тропика Козерога вместо экватора, что несколько сокращало дистанцию, но позволяло не нарушить требований Международной авиационной федерации (FAI), предъявляемых к маршруту. Но Ричард Брэнсон предложил переименовать проект, напомнив, что «Козерогом-1» в одном из фантастических фильмов назывался космический корабль, на котором экипаж должен был лететь на Марс, но так и не попал туда.)

Не удалось купить и тот двигатель, на который поначалу рассчитывалась конструкция. Оказалось, что таких двигателей промышленность уже не выпускает. Пришлось остановить свой выбор на турбовентиляторном двигателе FJ44–3 фирмы Williams, который оказался менее экономичным. Тем не менее расчеты показали: если проложить трассу перелета с умом и толком горючего должно хватить на облет всего земного шара с посадкой в исходной точке.

Сборка самолета началась в сентябре 2002 года. При этом единственными металлическими конструкциями на самолете (не считая электроники и двигателя) оказались алюминиевые стойки шасси и моторама. Все остальное было изготовлено из углепластика и прочих композитов. В итоге 83 % веса пришлось на топливо. (К слову, «Вояджер» имел весовую составляющую топлива 72 %.)

Смелым иногда везет. Пока шли летные испытания самолета, к полету готовился и сам Стив Фоссет. Во-первых, несмотря на свои 60 лет, он каждое утро пробегал до 8 миль, поддерживая физическую форму, а также регулярно совершенствовал летное мастерство. Во-вторых, по его заказу диетологи разработали для полета специальное меню, состоявшее в основном из шоколадно-белкового витаминизированного коктейля, сухую смесь которого надо было в полете разводить молоком. В кабину был поставлен биотуалет размером с ящик письменного стола, а само пилотское кресло раскладывалось так, что большую часть пути пилот мог управлять полетом лежа. Не был забыт, конечно, и автопилот, который мог самостоятельно вести самолет, запрашивая свои координаты у системы GPS и корректируя маршрут таким образом, чтобы попутные ветры позволяли увеличить скорость полета на 90–180 и более км/ч.

И вот 3 марта 2005 года Стив Фоссет осторожно разогнал «летающий бак» по 5-километровой взлетной полосе аэродрома Салина в Калифорнии и поднял перегруженную машину в воздух. Самая опасная фаза полета была преодолена.

Дальше было уже легче. Хотя тоже не обошлось без неприятностей. То навигационная система забарахлила, то расход горючего оказался больше расчетного (1180 кг вообще непостижимым образом куда-то исчезли – возможно, испарились через микротрещины в баке)… Так что последние сутки пилот совсем не спал. Говорят, он даже принимал специальные медикаменты, чтобы поддерживать свой организм в тонусе. Но на последних литрах горючего все же дотянул до той же самой полосы, где и стартовал, закончив свой полет спустя 67 часов и 2 минуты после старта.

В дальнейшем Фоссет намеревался совершить кругосветный перелет на планере, совсем без горючего. Были также идеи проложить маршрут перелета строго по экватору или, напротив, по меридиану через оба полюса. Однако сбыться им было не суждено – в одном из тренировочным полетов Фоссет погиб. А другого такого смельчака пока не нашлось…