3.4. Космос

Земля – колыбель человечества.

Но нельзя же вечно жить в колыбели!

К.Э.Циолковский

Человек всегда мечтал оторваться от земной поверхности и посмотреть на нее из Космоса. И в основе этой мечты – бескорыстное любопытство и вечная жажда человека расширить свое жизненное пространство. Мечта эта сбылась, но не для удовлетворения чистых и бескорыстных помыслов, а для победы в гонке вооружения между сверхдержавами – СССР и США.

Средства для покорения космоса – ракеты – изначально создавались с военными целями. Такие ракеты, приводимые в движение порохом, описывались Цэн Кун Ляном (Китай) еще в 1042 году.

Первое известное применение ракеты в современную эпоху было осуществлено 8 октября 1806 года. Ракета была использована английским Королевским флотом против Булони. Конструктором этой ракеты был полковник сэр Уильям Контрив, инспектор лондонской Королевской лаборатории и инспектор военной техники. Его 6-фунтовая (2,72 кг) ракета была рассчитана на радиус действия, не превышающий и двух километров. Так как дальнейшего развития это вооружение тогда не получило, можно сделать вывод, о том что его использование не было особо эффективным.

В1903 годуКонстантин Эдуардович Циолковский опубликовал статью«Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета. В этой статье и последовавших её продолжениях он разработал некоторые идеи теории ракет и использования жидкостного ракетного двигателя. Но никто – ни соотечественники, ни зарубежные учёные не оценили исследования, которым сегодня гордится наука. И это было вполне объяснимо: слишком далеко вперед заглянул Циолковский. Ведь первый запуск ракеты на жидком топливе был осуществлен Робертом Хатчингзом Годдардом из штата Массачусетс лишь 16 марта 1926 года. В ходе полета по траектории «Земля-Земля» ракета достигла высоты 12,5 м, и, пролетев 56 м, осуществила посадку. Никаких особо выдающихся возможностей по осуществлению межпланетных полетов она, естественно, не могла показать.

Мало кто знает, что первым аппаратом, достигшим космической высоты в наивысшей точке суборбитальной траектории полёта, стала немецкая баллистическая боевая ракета А-4, запущенная в 1942 году. В1943 годуГермания начала серийный выпуск этих ракет под названием «Фау-2». Ракета несла боезаряд массой в 1000 кг, а её дальность достигала 300 км. Точность попадания была крайне невелика: сначала ракета попадала в остров Великобританию, а затем смогла попадать в Лондон. Но даже в случае точного попадания эффективность ракет оказалась весьма низкой в связи с огромными ресурсозатратами на их производство. «Сверхоружием» Третьего Рейха ракета не стала, но положила начало разработкам американских и советских конструкторов в послевоенные годы.

И рассматривалась ракета только как средство доставки ядерной бомбы к своему бывшему союзнику, а теперь, потенциальному противнику. Как только стало понятно, что ракета может нести на себе не только ядерный боезаряд, но и вывести человека в космос, космическая гонка приобрела еще и идеологическое значение. Тот, кто первым завоевывал космическое пространство, доказывал преимущество своего строя. Понятно, что в споре между капиталистической и социалистической системами гигантские, ничем не окупаемые затраты никого не могли остановить. Именно этим объясняется такая поражающая быстрота первоначального освоения космоса. В 1957 году СССР запущен первый искусственный спутник Земли – «Спутник-1«, а уже через 4 года, 12 апреля 1961 года совершён первый в истории Цивилизации полёт человека в космос.

Из официальных документов следует, что корабль стартовал с космодрома Байконур в 6 ч 07 мин по Гринвичу и приземлился вблизи деревни Смеловки Терновского района Саратовской области СССР через 108 мин. Максималъная высота полета корабля «Восток» протяженностью 40868,6 км составляла 327 км с максимальной скоростью 28260 км/ч. За первый в истории человечества космический полет Ю.А. Гагарину было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

Этот полет Юрия Гагарина открыл новую, космическую эру в существовании Человечества. И сделано это было в нашей стране, еще полностью не оправившейся от последствий прошедшей войны! Мы по праву можем гордиться достижениями отечественной науки и техники.

Сгладить горечь поражения американцы смогли лишь после высадки своих астронавтов на Луне, что тоже является важной вехой в мировой истории. Далее космическая гонка престижа продолжалась с переменным успехом, что можно увидеть из таблицы в начале этого параграфа.

Путь этот был непростым, при неудачных запусках гибли люди, при сбое техники космические аппараты теряли связь с Землей, разбивались. Миллиардные средства с экономической точки зрения расходовались неэффективно, пока не стало понятно, что дальнейшие исследования будут настолько наукоемкими и дорогими, что для их реализации необходима международная кооперация и сотрудничество.

После распада Советского Союза в 1991 году идеологическая мотивация понизилась, и на первое место выдвинулись вопросы коммерческого использования космической техники. Дорогостоящие, чисто научные проекты уступают место проектам, имеющим практическое применение и дающим прибыль. На первый взгляд, кажется, что темпы освоения космоса значительно снизились. На самом деле, начался новый этап освоения космоса – естественный процесс «взросления», когда происходит важное качественное изменение, состоящее в последовательном включении космических систем в народнохозяйственный комплекс. Так было с покорением океанов и воздуха: люди осваивают новую для них среду только тогда, когда она становится для них повседневностью, без которой невозможно нормальное существование и развитие, а подвиги одиночных героев становятся достоянием истории.

Сегодня космонавтика – новая высокоэффективная отрасль промышленности.

Существуют три основных направления интеграции космических систем в инфраструктуру народного хозяйства:

1. Космические информационные комплексы.

Кним относятся современныесистемы связи, позволяющие транслировать телевизионные передачи, телефонные разговоры, данные телеметрии и т.п.

Мысли об использовании космических аппаратов для ретрансляции информации между удаленными объектами на земной поверхности возникли задолго до запуска первого спутника Земли и были высказаны писателями-фан­тастами. Известный писатель Артур Кларк еще в 1940-х годах предложил выводить спутники связи на геостационарную орбиту в плоскости земного экватора на высоте 35800 км. Такой спутник делает один оборот вокруг Земли примерно за 24 часа, что совпадает с угловой скоростью вращения планеты. Получается, что спутник висит над одной и той же точкой экватора, что позволяет исполь­зовать при работе через него направленную антенну.

Сначала американцы попытались реализовать другие идеи, кажущиеся сегодня странными. В 1963 году ВВС США запустили миллион иголок-диполей, которые должны были распределиться по орбите и отражать радиоволны. Однако такие пассивные ретрансляторы оказались неэффективными даже на низких орбитах. Первым полноценным специализированным спутником связи на геосинхронной орбите, позволившим реализовать предложение Артура Кларка, являлся «Syncom-2», запущенный Соединёнными Штатами 26 июля 1963 года. Через год, 19 августа 1964 года США вывели первый спутник связи на геостационарную орбиту — «Syncom-3». Спутник использовался для телевизионной трансляции в США летней олимпиады 1964 года, проходившей в Токио.

31 августа 1962 года президент США Джон Кенеди подписал закон о спутниковой связи, целью которого было установление коммерческой спутниковой связи в сотрудничестве с другими нациями. 19 августа 1964 года представители первых 12 стран подписали соглашение о создании Интернациональной организации спутниковой телекоммуникации. А первым коммерческим спутником связи стал американский «INTELSAT I», запущенный через один день после подписания соглашения, 20 августа 1964 года. После успешных запусков и работы спутников связи начался бум новых средств связи, не закончившийся и по сей день. Очевидно, что американцы раньше всех стали относиться к космосу прагматически.

Успешный запуск первого советского спутника связи «Молния-1» состоялся 23 апреля 1965 года. Уже на следующий день был проведен первый в Советском Союзе сеанс связи через космос между Москвой и Владивостоком. Причем конструкторам и ученым очень долго приходилось убеждать руководство страны в целесообразности создания такого спутника. Все дело решили военные ракетчики, которые сильно нуждались в надежной связи на огромных пространствах Советского Союза. Сегодня спутники обеспечивают телетрансляции на всей территории Российской Федерации.

2. Системы навигации.

В 1957 году в СССР группа учёных под руководством В.А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи – нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны.

Через 10 лет эти возможности были реализованы. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192».

Американцы сделали это на 3 года раньше, в 1964 году ими создаётся спутниковая радионавигационная система первого поколения «Transit». Основное её назначение – навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 году.

Характерной чертой радионавигационных спутниковых систем первого поколения является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного спутника, видимого в данный момент.

В советской системе «Цикада», так же как в системе США «Transit», координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли ~ 1100 км, период обращения спутников «Transit» равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения составляет 50-500 м. Это вполне приемлемо для баллистических ракет с ядерными боеголовками, но совершенно не подходит для навигации автомобиля на улицах города.

Определение местоположения с помощью нескольких спутников значительно повышает точность. В 1973 году начинает работать программа «Navstar-GPS». К 1996 году развёртывание системы было завершено. В данный момент доступно 28 активных спутников.

В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника «Космос-1413». Система Глонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. По своей структуре Глонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Военные системы стали гражданскими, имеющими большие коммерческие возможности. Сегодня навигационные приборы используются для определения координат не только самолетов, ракет, судов и кораблей, они стали вполне привычны для пассажирских автобусов и больших грузовиков. По закрепленному на животном прибору биологи смогли получать уникальную информацию о передвижениях орлов, тигров, акул, дельфинов и т.п. Более того, приборы спутниковой навигации становятся предметом быта, ими пользуются туристы, таксисты и простые автолюбители. Их одевают на маленьких детей, собак, кошек.

3. Системы использования и контроля природных ресурсов, охраны окружающей среды, метеорология.

Метеорологический спутник – искусственный спутник Земли, созданный для получения из космоса метеорологических данных о Земле, которые используются дляпрогноза погоды. Спутники этого типа несут на борту приборы, с помощью которых наблюдают за температурой поверхности Земли и облачным, снеговым и ледовым покровом.

Метеорологи почти сразу после запуска первых спутников заинтересовались возможностью наблюдать за атмосферой Земли из космоса. В СШАуже в апреле1960 годабыл запущен аппарат «Тирос-1», доказавший пригодность спутников для наблюдения запогодой. Глобальная спутниковая система «Тирос» была развёрнута в феврале1966 года.

В СССРпосле серии запусков технологических спутников25 июня1966 годабыл выведен на круговую орбиту спутник «Космос-122» с комплексом приборов для телевизионных и инфракрасных измерений. После запуска в1967 годуспутников «Космос-144» и «Космос-156» начала функционировать советская спутниковая система «Метеор». В настоящее время вРоссииэксплуатируется космическая гидрометеорологическая система «Метеор-3». Создание таких метеорологических систем позволило значительно повысить точность прогнозов погоды, что дает вполне ощутимый экономический эффект.

Кроме того, спутники позволяют обнаруживать лесные пожары, находить косяки рыб, следить за изменениями ледников и многое другое.

Хочется помечтать, а что могло бы быть, если бы США и СССР не конкурировали друг с другом, создавая одинаковые, полностью дублирующие друг друга системы, а объединили бы усилия и средства для решения новых, амбициозных задач по освоению космического пространства?

4. Космические научные системы — научно-проектные исследования и натурные эксперименты.

Уникальные условия для наблюдения за космосом и Землей, космические излучения, невесомость, возможность получения низких и высоких температур, вакуум – все это не могло остаться без внимания ученых. Именно поэтому научные исследования начинают составлять все большую долю от всей работы космонавтов и астронавтов на орбите, а научных приборов запускается все больше и больше.

На орбите сняты фильмы для школьников по физике, географии, астрономии. Мы можем увидеть невозможный на земле равномерный и прямолинейный полет авторучки, увидеть, как Амазонка выносит грунт далеко в океан и т.д.

Биологи получили возможность изучения поведения и различных живых существ на орбите – от простейших бактерий до приматов.

Медики, конечно же, всесторонне изучают влияние космоса на человека. Космонавту Валерию Полякову принадлежит рекорд пребывания в космосе — 438 суток. Самый большой суммарный налёт имеет российский космонавт Сергей Крикалёв, который в общей сложности провел в космосе 755 суток. В результате было установлено, что в человеческом организме в длительных условиях невесомости происходят значительные изменения. Для их компенсации были разработаны уникальные упражнения и медицинские тренажеры, оказавшиеся полезными и на земле.

Космические телескопы предоставили астрономам такие возможности, о которых раньше они и не могли даже мечтать. Размещение телескопа в космоседаёт возможность регистрироватьэлектромагнитное излучениев диапазонах, в которыхземная атмосферанепрозрачна; в первую очередь —в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы,разрешающая способностьтелескопа в 7—10 раз больше аналогичного телескопа, расположенного на Земле. Огромное количество ценной информации, полученной этими телескопами, привело к множеству сенсационных открытий в астрономии.

Один из таких телескопов – Астрон. Это советскаяавтоматическая станция для астрофизических наблюдений, имеющая космический ультрафиолетовыйтелескоп. Станция была запущена23 марта1983 годаракетой-носителем «Протон».

За 6 лет его работы были получены спектрысвыше сотни звёзд, около тридцатигалактик, десятков туманностей и фоновых областей нашей Галактики, а также нескольких комет. Этой станцией наблюдалась вспышкасверхновойвБольшом Магеллановом облакеи т.п.

Но, пожалуй, самым известным телескопом является «Хаббл», совместный проект НАСАиЕвропейского космического агентства.24 апреля1990 годаШаттл«Дискавери» STS-31вывел телескоп на расчётную орбиту.

Астрофизическая станция содержала следующие научные приборы: широкоугольную и планетарную камеру,спектрограф высокого разрешения Годдардадля работы в ультрафиолетовом диапазоне,камеру съёмки и спектрограф тусклых объектов,высокоскоростной фотометр,датчики точного наведения.

С помощью этой обсерватории было уточнено значение постоянной Хаббла, имеющей очень важное значение для астрономов. Получены высококачественные изображения столкновениякометы Шумейкеров—Леви 9сЮпитеромв1994 году, карты поверхностиПлутонаиЭриды, впервые наблюдалисьультрафиолетовыеполярные сияниянаСатурне,ЮпитереиГанимеде, найдено большое количествопротопланетных дисковвокруг звёзд вТуманности Ориона,доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей Галактики, впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. С помощью этого телескопа сделано много других, не менее захватывающих открытий.

5. Космическая индустриализация — производство фармакологических препаратов, новых материалов в интересах электронной, электротехнической, радиотехнических и других отраслей.

Создание глубокого вакуума в достаточно большом объеме и поддержание его долгое время возможно и в условиях земных лабораторий, но часто это оказывается дороже, чем работать в космосе. Создание же постоянного состояния невесомости на земле принципиально невозможно. Именно поэтому становится экономически перспективным создание космических фабрик, где можно получать сверхчистые металлы, материалы для электронной промышленности, новые лекарства.

Существуют проекты выноса за пределы атмосферы вредных производств, например атомных электростанций. Предлагается постройка огромных солнечных батарей на орбите, вырабатывающих электроэнергию для земли. Правда, при этом пока не решена проблема ее передачи земному потребителю.

Многие космические разработки уже нашли применение и в быту. Еда быстрого приготовления, технологии упаковки и пастеризациипищевых продуктов, непромокаемая одежда, незапотевающие лыжные очки и многие другие вещи имеют своим истоком технологии, разработанные для применения в космосе.

6. Космический туризм – отправка в космос частных лиц.

Первые коммерческие космонавты посетили советскую орбитальную станцию «Мир» на космических кораблях «Союз» в1989и1990 годах. Это былиТоёхиро Акияма(Япония) иХелен Шарман(Великобритания), аДеннис Тито— первый космический турист, оплативший свой полёт в космос в2001 году.

В настоящее время единственным космическим «отелем» является Международная космическая станция(МКС). Полёты осуществляются при помощи российскихкосмических кораблей на Российский сегмент МКС.

Всего в космосе уже побывали семь туристов (данные на конец 2009 года), причём один из них дважды. Хотя стоимость тура на орбиту составляет 20—23 млн долларов, число желающих увидеть космос неуклонно растёт. С июля 2007 года стоимость космического тура выросла с 20 до 30—40 миллионов долларов. Кроме того, была обнародована цена новой услуги — выхода космического туриста в открытый космос — 15 миллионов долларов.

Но спрос на такой, пока еще очень дорогой, отдых растет. Понятно, что такие недешевые запуски туристов, да еще и сопровождающиеся длительными и утомительными тренировками, тормозят покорение космоса «любителями». Требуется качественный прорыв, позволяющий относительно недорого и быстро предоставлять желающим суборбитальный полет.

Фонд X Prizeпредложилприз в 10 млн долларовв гонке за разработку суборбитального пилотируемого летательного аппарата, способного дважды в течение двух недель выйти вкосмическое пространствос тремя людьми на борту. Этот приз был получен в начале октября2004 годаразработчиками аппаратаSpaceShipOne, частного пилотируемого суборбитальногокосмического кораблямногоразового использования. Но это только начало разработки туристических суборбитальных и орбитальных космических кораблей с планами начала регулярной эксплуатации. Пройдет не так уж много времени, и полет за пределами атмосферы станет таким же обычным делом, как полет на самолете. В более отдаленной перспективе нас ждет использование полезных ископаемых на объектах Солнечной системы после того, как они закончатся на Земле.

Начался новый качественный этап освоения космического пространства, связанный с коммерциализацией космических услуг. Первой гонкой в этой области стало соревнование за предоставление разным странам и частным компаниям возможностей вывода прикладных спутников ракетоносителями разных стран и объединений. Первоначально лидерство захватило Европейское космическое агенство с носителями «Ариан», а затем сильную конкуренцию ей составили предложения России, США, Китая, Индии, а также международных консорциумов («Морской старт», «Воздушный старт», «Наземный старт» и т. д.).

Можно сказать, что ближайшее околоземное пространство уже освоено. По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, на околоземной орбите зарегистрировано 28140 спутников, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см).

И Россия, как страна, первой запустившая человека в космос, имеет все необходимые предпосылки для того, чтобы и дальше оставаться в мировых лидерах освоения космоса, но уже не в идеологической борьбе и гонке вооружений, а во включении космоса в экономику и народное хозяйство страны.

Темы для докладов и рефератов

Значение работ Константина Эдуардовича Циолковского в развитии космонавтики.

Сергей Павлович Королев – отец отечественной космонавтики.

Выдающиеся советские конструкторы космической техники.

Предвидение будущего космонавтики в произведениях писателей-фантастов.

Принципы создания навигационных космических систем.

Венера – «русская» планета. История покорения Венеры.

Освоение Луны.

Атомные космические двигатели.

Звездные паруса.

Астрофизическая лаборатория «Хаббл».

Биологические исследования в космосе.

Исследования Солнечной системы космическими аппаратами.

Проект полета человека на Марс.

Открытие экзопланет.

Перспективы космического туризма.

Борьба с космическим мусором.

Дискуссии

А нужен ли большой Космос человеку?

Как сложилось бы освоение космоса, если бы не было гонки вооружений?

Литература

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.

2. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. - М.: КНИЦ ВКС, 1995.

3. Липкин, И.А. Спутниковые навигационные системы / И.А. Липкин. - М.: Вузовская книга, 2001.

4. Романов, А.П. Королев / А.П. Романов. – М.: Мол. гвардия, 1990.

5. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации / Ю.А. Соловьев. - М.: Эко-Трендз, 2000.

6. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 1. Е. Поваляев, С. Хуторной. - www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200110/9.html.

7. Космос. Техника и наука. - www.kocmoc.info/lit.htm.

8. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru.