24.01.2003 12:43
ЧЕЛОВЕК В КОСМОСЕ - КОМПЬЮТЕРНАЯ ИМИТАЦИЯ
При конструировании обитаемых космических аппаратов важную роль играет имитация деятельности космонавтов на борту. Традиционно при этом использование наземных или подводных макетов, а также самолетов, летающих по пораболической троектории для создания условий, приближенных к состоянию невесомости. Применяются и методы математического моделирования. Однако все эти способы имеют те или иные недостатки.
У.Мортенсен и Ф.Баньяна предложили новый метод, в основе которого лежит графическое компьютерное моделирование.
Пакет программ DUNAMAN, реализуемый на рабочей станции "Силикон графикс", позволяет моделировать и воспроизводить на экране компьютера практически любые действия космонавта. В двух предложенных меделях ("нагая" фигура, имеющая 39 степеней свободы, и фигура "в скафандре" с 36 степенями свободы) учитываются соответствующие биохимические характеристики человеческого тела и скафандра. Возможна вариация тяготения - от невесомости до 1 g. Программа предусматривает создание и передачу из собственной и других баз данных геометрических моделей среды, в которой предстоит действовать космонавтам.
Важно, что программа действует в режиме реального времени, значительно облегчающем работу. Оператор может наблюдать моделируемое действие в различных ракурсах, воспроизводить на мониторе поле зрения космонавта и как бы оказывается на его месте в искусственно созданной среде. Сейчас разработчики программы пытаются создать оптимальный интерфейс, включающий монитор со стереоскопическим изображением, который следил бы за движениями головы оператора и соответствующим образом менял его поле зрения, а также специальные перчатки, регистрирующие движения его рук и воспроизводящие их на экране монитора.
ПРОГНОЗ ИЗ КОСМОСА
Известно, сколь дорого обходится геологическая разведка месторождений полезных ископаемых, особенно когда какая-то часть икспедиций ничего не находит. Понятно поэтому стремление геологов-разведчиков заранее, до выхода в поле, определять перспективность того или иного района на тот или иной вид полезных икопаемых. В последние годы большую помощь в этом деле оказывают наблюдения поверхности Земли из космоса - анализ изображений на снимках, полученных космическими аппаратами.
Разработана для этого специальная уникальная методика: особенности ландшафтов интересующих геологов участков земной поверхности исследуются с помощью космической съемки различного вида(телевизионные, радарные, фотографические, цветные, инфракрасные и т.п.) и масштаба. По таким снимкам можно разделять и оконтурировать тела и структуры, выявлять напрямую или косвенно геофизические,геохимические, минералогические и иные признаки, и даже некоторые глубинные особенности земной коры.
Сначала на обзорных снимках находят большие зоны, где могут залегать нужные месторождения. Затем на снимках более крупного масштаба локализуют площади возможного расположения рудных залежей. На последнем этапе (и самых
крупно-масштабных снимках) определяют районы поиска для наземных экспедиций.
Эта методика была проверена на известных месторождениях олова на юге-востоке Забайкалья, а потом использована для определения перспектив тех промышленных месторождений, которые уже давно разрабатываются. Прогноз позволяет планировать детальный наземный поиск на олово и золото, а также дальнейшее развитие этих рудников.
ЗЕМНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РЕШАЮТСЯ НА НЕБЕСАХ
Мы были первыми, и много лет считали себя в космосе далеко впереди всех других. Ну не ясно разве, что ракета весом в пятьсот тонн ровно в пять раз лучше стотонной ракеты? И многим почему-то не приходило в голову простое соображение: нам запуск одного человека на околоземную орбиту обошелся в 500 т стартового веса, а американцам ≈ всего в 100.
Конечно, сегодня пресса стала критичнее, она уже не столь склонна к безудержным восторгам. И все же порой дают о себе знать застарелые привычки: запуски ╚Энергии╩ и ╚Бурана╩ чуть было не вызвали нового потока самовосхвалений типа ╚опять мы их опередили!╩. Если бы ┘
Строго говоря, нам нужен в первую очередь не транспортный аппарат типа ╚Шаттл╩ (учитывая наши географические и стратегические отличия от США), а многоразовая авиационно-космическая система. Идти же по следам США значит никогда их не опередить. Так что для энтузиазма никаких оснований нет. По самым скромным оценкам, мы остаемся в космонавтике от США лет на 10 - 15.
Корень глобальных проблем ≈ в ограниченности размеров и природных ресурсов Земли. Как сказал поэт о нашей планете, ╚┘ огромная в ногах у пешеходов, но малая песчинка во Вселенной ┘╩ Рано или поздно нам все равно придется подумать об использовании внеземных вещественных и энергетических запасов, Так лучше рано, чем поздно. А то как бы не упустить момент, когда оставшихся на самой планете ресурсов уже не хватит для освоения космоса и привлечения его поистине неиссякаемых богатств.
Главный узел, клубок взаимосвязанных глобальных проблем образуют четыре ╚кризиса╩: энергетический, экологический, пищевой, военно-стратегический. Пищевой кризис называют также ╚протеиновым голодом╩, ибо особенно остро не хватает человечеству именно протеинов, то есть белков. О демографической ситуации на планете нередко говорят как о ╚демографическом взрыве╩, рост населения становится экспоненциальным. Очевидно, что это обостряет все остальные кризисы: чем больше людей, тем больше нужно пищи и энергии и тем труднее выдерживать экологические нормы. Нефти осталось мало; угля побольше, но он куда менее удобен. Собственно, нефть потому так быстро и сожгли, что уж очень легко ее добывать, перерабатывать, транспортировать по трубам.
ГИПОТЕЗЫ, ПРЕДЛОЖЕНИЯ, ФАКТЫ
Но если бы только это! Суть энергокризиса не сводится к нехватке первичных энергоисточников. Дело в том, что мы начинаем приближаться к прямому термодинамическому ограничению. Каждый потребленный (в любой форме) киловатт-час сопровождается выбросом в атмосферу трех с лишним киловатт-часов тепловой энергии. Все последствия такого выброса труднопредсказуемы. Но часть из них очевидна: нагрев атмосферы и, как следствие, таяние материковых льдов, что в свою очередь, чревато подъемом уровня мирового океана и, следовательно, сокращением пригодных для жизни территорий.
Развитие технотронной человеческой цивилизации невозможно без роста энергопотребления. Не зря же, согласно критерию астрофизика Н. С. Кардашова, уровень любой цивилизации характеризуется, в первую очередь, именно ее интегральным энергопотенциалом. Прекратить рост энергопотребления без немедленного регресса человечество не в состоянии. Значит, остается единственный путь; убрать энергосистемы за пределы атмосферы и подавать энергию на поверхность Земли в такой форме, которая исключает взаимодействие с атмосферой. К счастью для нас, такая форма известна ≈ это микроволновое электромагнитное излучение.
Убрав энергосистемы в космос, мы не только избавляем атмосферу от перегрева, но и переходим к использованию внеземного первичного энергоисточника ≈ Солнца. На геостационарной орбите, где период обращения спутника в точности равен суткам и он как бы ╚зависает╩ над заданной точкой, собирается опорная платформа. На ней устанавливают солнечные батареи, микроволновые генераторы и параболическую передающую антенну. На поверхности Земли монтируются приемные устройства (например, фразированная решетка из полупроводниковых твердотельных диодов). Солнечная энергия трансформируется в поток остронаправленного микроволнового излучения (╚силовой луч╩) ≈ и энергия течет из космоса к наземным потребителям. При определенных частотах (порядка 2 гигагерц) и плотности энергии в луче (200 - 300 ватт/смI ) силовой луч с атмосферой совершенно не взаимодействует ≈ в этом диапазоне частот она для него прозрачна.
Значит, становятся ненужными ЛЭП ≈ дорогие магистральные линии электропередачи, громоздкие ГЭС, опасные АЭС и коптящие небо ТЭС. Теперь ни моря, ни горя не являются препятствием для передачи энергии в любую точку Земли ┘ Космический вакуум обеспечит высокий КПД производства и передачи энергии; приемные антенны обладают неплохими показателями ≈ так что подобная энергосистема обещает быть весьма экономичной.
Эксплуатация гелиокосмической энергосистемы в течение 30 лет, по оценкам крупнейшего специалиста по космонавтике американского ученого Краффта Эрике, обеспечит стоимость электроэнергии на Земле менее 1 цента за 1 кВт. Ч. Вряд ли можно добиться этого на АЭС или ГЭС.
Но главное, конечно, не в этом. Как уже показано, на поверхности Земли развивать энергетику нельзя свыше определенного предела: суммарная мощность всех энергосистем не должна превышать 5% от падающей на поверхность Земли солнечной энергии. Если пересчитать это ограничение (к уровню населения в 2001 году) на каждого землянина, получим допустимый предел мощности в 20 кВт. Думаю, в развитых странах уже сегодня реальная цифра окажется между десятью и пятнадцатью киловаттами. Так что сейчас мы не так уж далеки от этого прямого термодинамического ограничения. Без переноса энергосистем за пределы атмосферы человечеству не обойтись.
Не обойтись без космоса и для решения экологического кризиса. Ведь главное его проявление ≈ загрязнение окружающей среды. Создать полностью безотходные технологии вряд ли когда-либо удастся. Поэтому проще всего все, что особенно загрязняет атмосферу, убирать в космос. Особенно опасны радиоактивные отходы. К счастью, природа ╚позаботилась╩ о человечестве. Она создала в космосе ╚урны╩, где шлаки АЭС могут надежно храниться. Такие точки (их называют точками Лагранжа или либрации) имеются в системах ╚Солнце ≈ Юпитер╩ и ╚Земля ≈ Луна╩. Любое тепло, попавшее в этот район, находится в состоянии устойчивого равновесия, внешние возмущения не выводят тело из точки Лагранжа. На космических картах опасные ╚свалки╩ будут помечены, а все остальное пространство будет свободно от ╚мусора╩;
Выводя в космос производство, мы сэкономим на коммуникациях ≈ раз энергосистемы уже там. Но куда важнее другое. В космосе можно использовать новые технологии, принципиально недоступные на поверхности Земли, на дне воздушного океана. Они основаны на применении малых сил и полей.
На земле получить вакуум ≈ проблема. В космосе он ≈ даровый. В земных условиях сплавить сталь с алюминием невозможно из-за разности удельных весов; там, в космосу, ≈ нет ничего проще. Не трудно даже соединить металл и керамику (будет лучше того ╚фарфора╩, из которого сегодня делают дорогие зубные протезы). Станет возможным в больших количествах получать иммуноглобулин, очень легко производить кремниевую подложку для электроники, шарики для шарикоподшипников ┘ На поверхности Земли получить такой шарик ≈ точную и гладкую сферу ≈ сложно и дорого. На орбитальном заводе достаточно выдуть каплю металла в магнитном поле. Такой космический шарик будет в десять раз легче земного (ибо он будет пустотелым) и при этом будет прочнее. В космосе можно производить анизотропные материалы и детали, например, лопатки для газовых турбин. Выходит, не только из-за экологической нужды следует выводить на орбиты производственные цеха ≈ это еще и очень выгодно.
Пищевая проблема решается с помощью выведенных на подходящие орбиты управляемых рефлекторов. Основы технологии таких устройств уже хорошо отработаны: на земле монтируется из нитинола илу другого металла с памятью формы легкая ажурная ферма, на которую натянута тончайшая пластиковая пленка с покрытием микронной толщины из алюминия или серебра. Эта конструкция свертывается в тугой клубок и в таком виде доставляется на орбиту, а после нагрева Солнцем ╚вспоминает╩ свою первоначальную форму и распрямляется в плоское, сферическое или параболическое зеркало ≈ когда какое потребуется.
Громадные пространства Сибири или Канады могли бы давать значительно больше хлеба, если бы там удлинить лето. Но повышение плотности солнечного света за счет добавления к естественному излучению Солнца искусственного светового потока, поворачиваемого к Земле орбитальным рефлектором, ≈ это не только обогрев. Куда важнее подстегивание фотосинтеза ≈ этой первопричины всех пищевых цепочек.
По оценкам Эрике, для стимуляции роста растений нужен дополнительный световой поток порядка двадцати процентов от исходного ╚естественного╩ излучения Солнца. Решение этой задачи возможно путем монтажа ╚роя╩ рефлекторов, световые потоки которых будут фокусироваться и накладываться друг на друга. Такой проект, как считает Эрике, обойдется в 30 млрд. долларов. Кажется, немало. Но если вспомнить, что программа ╚Аполлон╩ стоила 25 млрд. долларов, то станет ясно, что затраты вовсе не велики и что они окупятся еще при жизни одного поколения.
И, наконец, еще одна глобальная проблема ≈ проблема предотвращения войны. Если ее не решить, то об остальных проблемах можно не беспокоиться. Космос играет здесь сложную роль. С одной стороны, космические навигационные, геодезические и метеосистемы используются при запуске баллистических ракет. С другой стороны, только из космоса, только с помощью космических систем обнаружения и поражения баллистических ракет можно отразить удар ракетно-ядерного оружия. Как это ни парадоксально, но совершенные ракетные и противоракетные системы представляют собой в условиях паритета, в условиях равенства сил, могучий психологический фактор сдерживания милитаристских инстинктов. Если же здравый смысл одержит верх и человечество прекратит вкладывать миллиарды в милитаризацию космоса, то сбереженные средства можно использовать для реализации мирных космических программ.
Чем больше думаешь, тем четче осознаешь, что без освоения трехмерного пространства человечеству не решить своих наземных, ╚поверхностных╩ проблем. Здесь наше место в общем ряду со всеми народами планеты. И затраты на космос ≈ это затраты на саму жизнь.
СТОИМОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ СНИЗИТ СЭНДВИЧ
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.