Tolimų kosminių skrydžių raida ir perspektyvos Straipsnis parengtas XI pasaulio lietuvių mokslo ir kūrybos simpoziume skaityto pranešimo pagrindu

Dr. Saulius Augustinavičius

Saulius AUGUSTINAVIČIUS 1987 m. baigė VU ekonominės informatikos specialybę. 1989–1992 m. mokėsi VU aspirantūroje, informacijos sistemų ir procesų spec. ir 1993 m. apgynė dr. disertaciją tema “Sudėtingų informacijos sistemų tinklų projektavimo kriterijų analizė ir pagrindimas”. Dirbo informacijos sistemų apsaugos bei valdymo informatikos srityse. Šiuo metu taiko sistemų teoriją ir sisteminį požiūrį kosmonautikoje.

Mokslo raida glaudžiai susijusi su civilizacijos plėtra. Civilizacijos plėtra – integruoto pobūdžio problema, kurią norint išspręsti reikia ir įvairių mokslo sričių integracijos.

Pagal bendrą teorinį požiūrį į įvairias mokslo sritis integruojamos filosofija, mokslo istorija, mokslotyra. Tačiau, kalbant apie įvairių sričių technologijų integraciją, paprastai remiamasi sistemų teorija.

Vienas iš sisteminio tyrimo metodų – modeliavimas. Pamėginkime modeliuoti civilizacijos plėtrą. Ją lemia didėjantis žmonių skaičius, Žemės išteklių ribotumas, įvairių globalinių katastrofų grėsmė, civilizacijos išsaugojimo būtinybė. Civilizaciją būtų galima plėtoti pagal kryptis, įsisavinant:

1) kol kas nenaudojamus žemės plotus (dykumas, kalnus ir pan.);
2) vandenyną;
3) kosmosą.

Kadangi pirmųjų dviejų plėtros krypčių galimybės išsemiamos (geologiniu bei ekologiniu požiūriu), žmonijai tolimoje ateityje teks orientuotis į kosmosą ir jį įsisavinti.

Taigi galima teigti, kad kosmonautika iš visų mokslo sričių daugiausiai gali būti siejama su civilizacijos plėtra.

Nuodugniai ir sistemiškai kosmonautikos raida dar nėra ištyrinėta, nes turi labai ilgą latentinį vystymosi laikotarpį (nuo pirmųjų astronomijos atradimų iki pirmojo skrydžio į kosmosą).

Paskui ši sritis buvo iš dalies įslaptinta dėl po Antrojo pasaulinio karo susiklosčiusios valstybių blokų priešpriešos, konkurencijos bei pramoninio šnipinėjimo pavojaus, taip pat dėl patiriamų nuostolių (tarp jų ir gyvybinių), darant bandymus, ir klaidų.

Mokslo raidos požiūriu galima teigti, kad kosmonautika vystėsi, vystosi ir vystysis pagal raidos etapus besiplečiant mokslo sritims ir joms integruojantis. Šią integraciją reikia išsamiai ištirti, juolab kad čia iškylantys uždaviniai daugeliu atvejų sutampa su viso mokslo strateginiais uždaviniais.

Pagal mokslo teoriją kosmonautika pradėjo vystytis ir vystosi kaip chemijos, fizikos ir matematikos mokslų integracija, o konkrečiai - kaip astronomija (gr. astron ”žvaigždė” + nomos ”dėsnis”). Žodžių astronautika ir kosmonautika panaši prasmė ir apibūdinami kaip skridimų kosminėje erdvėje teorija ir praktika. Vis dėlto siūlyčiau vartoti žodį kosmonautika, nes jo platesnė sąvoka.

Praktiniu požiūriu kosmonautikos raida susijusi su aeronautikos vystymusi (gr. aer “oras” + gr. nautike ”laivų vairavimas”).

Mokslo ir technikos integracija lėmė tai, kad buvo sukurti orlaiviai, lėktuvai, vėliau - pirmosios kosminės raketos, įrengtos jų paleidimo vietos – kosmodromai.

1957 m. raketa išvedė į orbitą pirmąjį Žemės palydovą.

Toliau kosmoso įsisavinimas vyksta pagal tokį scenarijų: kuriami automatiniai įrenginiai žvalgybiniam tiriamajam darbui kosminėje erdvėje. Sukaupus, išanalizavus ir apdorojus pakankamai duomenų apie tam tikrą kosminės erdvės dalį, buvo rengiamasi žmogaus skrydžiui.

Šitaip pirmiausia išžvalgyta ir ištirta Žemės orbita, Mėnulis. Tyrimams pasitelkiamos geomokslų (geologijos, geofizikos, geochemijos) žinios.

Žmogaus skrydžio į kosmosą parengimas siejamas su erdvėlaivių sukūrimu, taip pat tai yra kosmonautikos integracijos į biomokslus pradžia. Pirmasis žmogaus orbitinis skrydis aplink Žemę erdvėlaiviu įvyko 1961 m. 1969 m. žmonės pirmą kartą pabuvojo Mėnulyje.

Didėjant raketų kosminiams greičiams, tobulėjant automatiniams įrenginiams toliau žvalgoma ir tiriama Venera, Marsas, Jupiteris, Merkurijus, Saturnas. Kartu tobulinami erdvėlaiviai ir jų pilotažas. Atliekamas dviejų erdvėlaivių susijungimas orbitoje (1969 m.). Paleidžiama pilotuojama orbitinė stotis (1971 m.). Prasidėjo daugkartinio erdvėlaivių panaudojimo laikotarpis (1981 m.).

Kitas žingsnis – žmogaus kelionė į Marsą, išsilaipinimas jame ir grįžimas atgal.

Kyla klausimas, kodėl šis žingsnis dar nežengtas? Juk nuo žmonių išsilaipinimo Mėnulyje jau praėjo 31 metai. Kokie gi veiksniai trukdo surengti šią kelionę?

Pirmiausia tai nuotolis nuo Žemės iki Marso. Nuotolis yra kintantis, nes planetos juda apie Saulę elipsinėmis orbitomis nevienodais greičiais. Todėl opozicijoje (t.y. kada nuotolis minimalus ir lygus 54,5 mln. km) planetos būna ~ kartą per 2 metus. Tačiau ir tokio nuotolio įveikimas skrendant 15 km/s greičiu truktų ~ 42 paras ir 2 val.

t = (54 500 000:15):3600= ~1009,26 val.): 24 = ~ 42 paros ir 2 val.

Taigi laukiant kitos planetų opozicijos kelionė atgal gerokai užtruktų. Todėl reikėtų įveikti didesnį atstumą, kuris susidėtų iš: nuotolio nuo Marso iki Žemės orbitos + nuotolio Žemės orbita iki Žemės, ją pasitinkant. Taip pat galimi kelio sutrumpinimai, kertant Žemės orbitą. Tokiu būdu kelionė į ten ir atgal užtruktų ~ 1 metus.

Antras apribojantis veiksnys –pavojingos skrydžio aplinkos sąlygos, iš jų svarbiausios:

1) susidūrimo su įvairiais kosminiais kūnais galimybė dėl traukos jėgų arba atsitiktinumo;
2) dideli temperatūrų svyravimai;
3) kosminio spinduliavimo (radiacijos) poveikis.

Trečias veiksnys, šiuo metu apribojantis skrydžius į Marsą, - ištekliai. Technologiniu požiūriu svarbiausi - kuras ir bioištekliai, užtikrinantys gyvybingumą. Bioišteklių nepakanka, ir tai yra dėl šių priežasčių:

- žmogus negali lengvai adaptuotis esant dideliems kosminiams greičiams, todėl pailgėja kosminės kelionės laikas;

- žmogaus gyvybingumui užtikrinti būtinų bioišteklių (deguonies, vandens, maisto) kosminei kelionei užtektinai pasiimti taip pat neįmanoma, nes kosminis laivas nedidelis.

Todėl tokie klausimai, kaip aprūpinti reikiama bioišteklių koncentracija bei juos efektyviai naudoti ir atnaujinti, tampa labai svarbūs mokslui. Optimalios erdvėlaivio ekosistemos sukūrimas šiuo metu yra, ko gero, prioritetinis kosmonautikos uždavinys. Čia aiškiai matome technikos ir ekologijos mokslų integracijos būtinumą.

Taigi prasidėjo kosmonautikos ir ekomokslų integracija, o šie jau tiesiogiai siejasi su civilizacijos plėtra. Būtina pabrėžti, kad kosmonautikos raida bei vykdomi kosminiai tyrimai turėjo teigiamą grįžtamąjį poveikį ne tik technologiniam progresui, bet ir mokslui. Buvo atrasti nauji fizikiniai reiškiniai, išsiplėtė ir patikslintos astronomijos žinios, taip pat buvo sukaupta daug eksperimentinės medžiagos, reikalingos kitiems aukščiau minėtiems mokslams.

Baigiantis kosmonautikos žvalgybiniam laikotarpiui Saulės sistemoje, vienareikšmiškai nustatyta galima civilizacijos plėtros kryptis - Marsas. Jame yra minimalios sąlygos gyvybei egzistuoti: atmosfera, vanduo, nėra vadinamojo šiltnamio sąlygų.

Kosmoso įsisavinimas turėtų paspartėti paleidus aplink Marsą šiuolaikinę automatinę orbitinę stotį. Norint tam pasirengti, būtina įveikti minėtus apribojimus.

Skrydžiui būtinų kuro ir bioišteklių kiekius apriboja erdvėlaivio talpa bei variklio pajėgumai. Vadinasi, ištekliai turi būti nuolat papildomi. Peršasi išvada, kad skrydžiui į Marsą vieno erdvėlaivio ar kosminės stoties neužtenka. Tai turėtų būti keleto erdvėlaivių ekspedicija. Galima pasiūlyti tokį ekspedicijos variantą.

Pateikiama supaprastinta ekspedicijos schema.

Čia Ž - Žemė; M - Marsas; S1 – pirmoji pilotuojama kosminė stotis; S2 - antroji pilotuojama kosminė stotis (S1 ir S2 gali būti ir transporto erdvėlaiviai, gabenantys būsimos Marso stoties modulius). TE1 - pirmasis transportinis erdvėlaivis; TE2 - antrasis transportinis erdvėlaivis. TKS - tarptautinė kosminė stotis, kurią planuojama paleisti iki 2005 m.

Iš pradžių vidutiniu kosminiu greičiu (15 km/s) iš Ž paleidžiama S1. Skrydžio pradžioje tarp TKS ir S1 kursuoja TE1. TE1 paskirtis – papildyti S1 išteklius. Todėl TE1 greitis dvigubai didesnis už S1. Jis lygus 30 km/s. S1 pasiekus pusiaukelę, iš Ž paleidžiama S2. Jos greitis lygus S1 greičiui (15 km/s). Dabar TE1 pasipildo ištekliais iš S2 ir papildo S1 išteklius. Savo ruožtu tarp TKS ir S2 kursuos TE2, analogiškas TE1. S1 pasiekus M, įvykdomos suplanuotos užduotys. Paskui S1 paliekama dirbti automatiniu režimu, o žmonės su TE1, skrendančiu dabar jau 15 km/s greičiu, grįžta į S2, o su ja - į TKS, paskui - į Ž.

Yra ir kitas ekspedicijos variantas – panaudoti natūralių dangaus kūnų – mažųjų planetų (asteroidų) judėjimą. Yra žinoma, kad kai kurių iš jų, pvz., Ikaro, Adonio, Amūro, orbitos yra išsitęsusios ir kerta Žemės bei Marso orbitas. Tokia natūrali stotis galėtų gabenti erdvėlaivį tarp savo orbitos taškų, esančių arčiausiai Žemės ir Marso.

Taigi turėdami tokius ekspedicijos variantus galime formuluoti kai kuriuos reikalavimus, keliamus erdvėlaiviams ir jų sudedamosioms dalims.

Fiuzeliažas (erdvėlaivio korpusas): turėtų būti pritaikytas skrydžiams kosminėje erdvėje ir atmosferoje (nuo pagaminimo vietos iki kosmodromo, taip pat leidimuisi iš TKS į Ž), taip pat būti atsparus dideliems temperatūrų svyravimams bei apsaugotas nuo radiacijos.

Susijungimo mazgas. Turi būti pritaikytas susijungimams su raketa nešėja, kitu erdvėlaiviu, kosmine stotimi. Jame turėtų būti numatyta galimybė, kaip papildyti ir pasipildyti išteklių.

Nusileidimo modulis turėtų būti pritaikytas nusileidimui ant asteroido ir pakilimui nuo jo.

Erdvėlaivio variklis. Didelio atstumo įveikimas dar nebaigtoje tyrinėti kosminėje ervėje, esant ribotiems kuro ištekliams – tai pirmosios kliūtys, su kuriomis susiduria variklio kūrėjai. Savo ruožtu nuo variklio parametrų priklauso viso erdvėlaivio konstrukcija, talpa, masė, kuro rūšis, naudingo krovinio masė, greitis, ekologiniai (triukšmas, tarša ) ir kiti parametrai.

Pagal tai, kaip sunaudojamas kuras, geriausi reaktyviniai plazminiai varikliai. Juos įrengus mažiau svarbu, kokios talpos yra erdvėlaivis. Tai varikliai, kurių darbo medžiaga yra plazma. Būna branduoliniai (juose plazmą kuria branduolinis reaktorius) ir elektriniai (plazmą kuria elektros energijos šaltinis).

Tokio variklio darbinis kūnas – vandenilis. Kadangi vandenilio yra tarpžvaigždinėje erdvėje, kuro ištekliai galėtų būti papildomi ir iš aplinkos. Variklio darbui galėtų būti panaudota taip pat kita tarpžvaigždinėje erdvėje esanti medžiaga (pvz., dujos). Pagrindiniai reikalavimai, keliami tokiems varikliams:

- darbas - paleidimo, keliais tarpiniais (norint didinti, mažinti erdvėlaivio greitį), stabdymo, avariniu režimais;

- darbo saugumas (avarijų tikimybės mažinimas);

- ekologiškumas (radioaktyvių atliekų mažinimas);

- patikimas variklio darbo valdymas.

Erdvėlaivio valdymo (pilotažo) sistema. Navigacijos sistema turėtų būti sukurta remiantis radijo astronomijos, radijo navigacijos žiniomis. Joje turėtų būti žvaigždėlapiai, teleskopas, globali vietos nustatymo sistema ir kitos posistemės.

Teleryšys turėtų būti užtikrintas ~25 mln. km spinduliu.

Šie reikalavimai turėtų būti toliau papildomi bei detalizuojami.