Космические станции, орбитальные города: смелые проекты из прошлого и будущего

Идею искусственного спутника сформулировал ещё Исаак Ньютон в своей фундаментальной работе «Математические начала натуральной философии» (1687). Он предложил разогнать пушечное ядро до такой скорости, что оно не упадёт на Землю, а будет бесконечно долго вращаться по орбите. Идею много позже обыграли французские фантасты Жюль Верн и Андре Лори в романе «Пятьсот миллионов бегумы» (1879).Однако за десять лет до французов американский писатель и теолог Эдвард Хейл в дилогии, состоящей из повестей «Кирпичная луна» (1869) и «Жизнь на кирпичной луне» (1870), описал куда более смелый проект: не просто спутник на орбите, а обитаемый спутник.Хейла называют «литературным вундеркиндом»: он очень рано начал писать и публиковаться, причём отдавал предпочтение реалистическим рассказам. «Кирпичная Луна» стала исключением, хотя и в этом тексте автор постарался придать вымышленным событиям достоверность. Персонажи дилогии задумали отправить на орбиту искусственный объект диаметром двести футов (61 метр), сделанный из кирпича: они полагали, что при пролёте через атмосферу этот объект раскалится настолько, что такую температуру не сможет выдержать ни один существующий металл. Для запуска использовались гигантские маховики, однако они случайно сработали раньше времени, и вместе с «луной» в космос отправились её строители — причём они не только уцелели, но и основали процветающую колонию.

Следующим идею высказал немецкий фантаст и философ Курт Лассвиц в романе «На двух планетах», впервые опубликованном в октябре 1897 года. Высокоразвитая цивилизация марсиан организовала тайную базу на северном полюсе Земли. Над базой на высоте 6356 километров находится космическая станция: гигантское колесо с внешним диаметром 120 метров и внутренним — 50 метров. Станция служит «перевалочным пунктом» для кораблей марсиан. По сути, Курт Лассвиц был первым автором, который предположил, что орбитальную станцию можно использовать как базу для обслуживания и заправки межпланетных кораблей.Дальнейшее развитие идея орбитальной станции получила в трудах основоположников теоретической космонавтики. Константин Циолковский впервые коснулся этой темы в научно-фантастической повести «Вне Земли», первые главы которой были опубликованы в популярном журнале «Природа и люди» в 1918 году.Циолковский предполагал, что в будущем (ориентировочно после 2017 года) учёные придумают, как запустить на геостационарную орбиту тысячи ракет с пассажирами, которые начнут строить станцию в виде цилиндрической оранжереи. Она должна будет медленно вращаться, но не для создания искусственной силы тяжести, а для регулирования внутренней температуры. Такие станции-оранжереи, по замыслу Циолковского, можно будет соединять друг с другом, создавая в космосе более крупные сооружения — в виде пятиконечных звёзд или простых геометрических фигур.Для калужского мыслителя строительство обитаемых станций на орбите было одним из обязательных этапов на пути к освоению космоса. Он верил, что, когда население станций достигнет десятков тысяч человек, они отправятся в межпланетное путешествие, используя ресурсы встречных астероидов и комет. Вырвавшись из гравитационного «колодца», земляне станут поистине галактической цивилизацией. Идеи Циолковского нашли отражение в более поздней советской фантастике — например, в романе Александра Беляева «Звезда КЭЦ» (1936).

Другой основоположник космонавтики, немец Герман Оберт, прагматичнее подошёл к идее орбитальной станции. В двух своих книгах «Ракета в межпланетное пространство» (1923) и «Пути осуществления космического полёта» (1929) он изложил проект большой ракеты массой 300–400 тонн, которая могла бы оставаться на высокой орбите сколь угодно долго. При необходимости, писал Оберт, можно запустить две одинаковые ракеты, связать их тросом и раскрутить друг относительно друга, чтобы создать внутри искусственную силу тяжести. Предполагалось, что станция облегчит морскую навигацию, связь, картографирование, отслеживание айсбергов. Кроме того, Оберт предлагал собрать рядом со станцией огромное зеркало, которое могло бы концентрировать солнечные лучи на любой точке земной поверхности для воздействия на климат или для уничтожения вражеских войск и даже городов.Проект Оберта тоже пользовался успехом у фантастов. Например, он описан в романе Карла фон Лаффета «Мировой пожар» (1926). Действие происходит в будущем, все цивилизованные страны подчиняются Лиге Мира, которая среди прочего построила и запустила на орбиту «Эфирную станцию» с зеркалом, способным воздействовать на климат. Однако большевистский диктатор захватывает один из космических кораблей, обслуживающих станцию, и собирается использовать её как оружие. К счастью, его зловещие планы терпят крах, а «Эфирная станция» спасает Европу от глобального пожара, вызванного аномальной вспышкой на Солнце.В романе Отто Гейла «Лунный камень» (1926) орбитальную станцию строят немецкие инженеры из Межпланетного общества. Её назначение — не только управлять климатом, но и обеспечить сборку пилотируемого космического корабля «Икар», который должен отправиться на Венеру.

В 1929 году появился ещё более оригинальный проект — космической станции на гелиоцентрической орбите (то есть искусственной планеты). Его предложил английский физик Джон Бернал, известный как автор термина «научно-техническая революция». Станция представляла собой сферу диаметром 16 километров, изготовленную из материала астероидов и способную вместить от 20 до 30 тысяч человек — они должны были жить на её внутренней поверхности. Бернал полагал, что выход в космос даже на примитивных ракетах настолько мощно стимулирует прогресс, что строительство внеземной колонии станет неизбежным. Она могла бы служить площадкой для старта и ремонта межпланетных кораблей, для астрономических наблюдений и для космического туризма.Но главной целью сферической станции должно было стать снижение демографического давления на Земле. Джон Бернал, как и многие учёные первой половины ХХ века, полагал, что скоро наша планета окажется перенаселена, природные ресурсы будут исчерпаны, и возникнет нужда в строительстве искусственных планет. Когда и их окажется слишком много на орбите вокруг Солнца, некоторые из сфер-колоний отправятся в полёт к соседним звёздам.Эти масштабные проекты сейчас кажутся наивными. Но их авторов извиняет то, что они и представить не могли, с какими трудностями столкнётся реальная космонавтика.

Небесные колёса

В 1928 году австро-венгерский военный инженер Герман Ноордунг (Поточник) развил проект орбитальной станции Германа Оберта в своей книге «Проблема преодоления космического пространства. Ракетный двигатель». Станция Ноордунга состояла из трёх модулей: «жилого колеса» диаметром 30 метров, вращающегося для создания искусственной силы тяжести, электростанции с параболическим зеркалом и обсерватории. Инженер предлагал запустить станцию на высокую геостационарную орбиту, удобную для научных исследований.Параллельно с Ноордунгом над концепцией орбитальной станции работал австрийский инженер-изобретатель Гвидо фон Пирке. В своей статье «Межпланетные маршруты» (1928) он на цифрах показал, что старт межпланетного корабля с орбитальной станции энергетически выгоднее, чем с земного или лунного космодрома. При этом, подчёркивал фон Пирке, строительство такой станции будет необычайно трудным и затратным делом, однако позднее, когда начнутся полёты к Венере и Марсу, все усилия окупятся сторицей. Убедительные выкладки австрийца способствовали тому, что «наблюдательная станция» в работах теоретиков была вытеснена концепцией «космического порта».

С книгами Оберта, Ноордунга и статьями фон Пирке был, без сомнения, знаком молодой немецкий инженер Вернер фон Браун, возглавивший ракетную программу Третьего рейха. Ещё в школе он под впечатлением от их трудов написал фантастический рассказ «Лунетта» (1929), в котором подробно обрисовал устройство станции, построенной по проекту Оберта. Чтобы мечты предшественников стали реальностью, фон Браун посвятил себя ракетостроению и добился немалых успехов: под его руководством в центре Пенемюнде была сконструирована и построена тяжёлая баллистическая ракета «А-4», ныне известная как «Фау-2». В 1944 году она стала первой ракетой в истории, которая преодолела условную границу космоса на высоте 100 километров. Однако, вопреки планам Вернера фон Брауна и его соратников, гитлеровцы использовали «А-4» не для проникновения в околоземное пространство, а для обстрела Лондона.После войны инженерные таланты немецких ракетчиков оказались востребованы в странах-победительницах. Вернера фон Брауна с группой специалистов вывезли в США, где они занялись привычным делом — изготовлением военных ракет. При этом немецкий конструктор не забыл о своих юношеских мечтах: в резюме, составленном для американских «кураторов» в 1946 году, он привёл описание космической станции в виде вращающегося колеса с зеркалом.Широкую известность идеям фон Брауна принёс Первый симпозиум по космическим полётам, который состоялся 12 октября 1951 года в планетарии Хейдена (Нью-Йорк). По его итогам в марте 1952 года журнал Collier’s опубликовал серию материалов о грядущих полётах в космос, проиллюстрированных Чесли Боунстеллом. Среди прочего, была опубликована и статья немецкого конструктора о вращающейся тороидальной станции, облик которой на два десятилетия определил представления учёных и фантастов о покорении ближнего космоса.

Идеи фон Брауна и других энтузиастов оказались востребованы ещё и потому, что с 1950 года в США начался настоящий космический бум. Ему способствовали фантастические журналы и романы для юношества. Среди ведущих авторов того времени был Роберт Хайнлайн, по сценарию которого сняли превосходный фильм «Место назначения — Луна» (1950), поразивший зрителей революционными спецэффектами.На волне интереса к теме Хайнлайну предложили принять участие в создании фантастического сериала «Внешний мир» о грядущей космической экспансии. К сожалению, затея провалилась и до экранов дошёл только пилотный эпизод, озаглавленный «Кольцо вокруг Луны». Но в итоге его доработали до полнометражного фильма, получившего название «Проект «Лунная база» (1953). Хайнлайн остался недоволен результатом и потребовал убрать своё имя из титров. И, наверное, зря, потому что и этот фильм был довольно революционным для своего времени. Например, в нём впервые была показана женщина-президент и… орбитальная станция, которая служила промежуточным пунктом при полёте на Луну.

Новые образы понравились кинематографистам. В феврале 1954 года на американских экранах появился телесериал «Рокки Джонс, космический рейнджер». Конечно, это была далеко не первая «космическая опера» на телевидении. Но примечательна она была тем, что её создатели обратились к дизайну космических проектов, которые предлагали немецкие учёные. Действие сериала происходит в далёком будущем. Солнечная система полностью освоена, земляне расселились по планетам, их спутникам и даже искусственным планетоидам, но при этом пилотируемые ракеты летают на химическом топливе, а искусственная сила тяжести на тороидальных станциях создаётся за счёт вращения.Ещё более дотошно подошли к визуализации технологий будущего авторы фильма «Покорение космоса» (1955). Режиссёр Байрон Хэскин, прославившийся любовью к масштабным спецэффектам, пригласил техническим консультантом самого Вернера фон Брауна. Поэтому в кадре можно увидеть полный комплект проектов, которые предложил немецкий конструктор и проиллюстрировал Чесли Боунстелл, включая вращающуюся тороидальную станцию.Больше того, вскоре и сам фон Браун появился в научно-популярных фильмах «Человек в космосе» и «Человек и Луна», выпущенных студией Диснея ради рекламы тематической зоны Tomorrowland («Земля будущего») в «Диснейленде». Благодаря всему этому немецкий конструктор стал считаться «главным по космосу», хотя как раз к реальной космической программе его с учётом нацистского прошлого не допускали. Только после неудачного запуска спутника «Авангард», который должен был стать ответом на советский «Спутник-1», фон Брауну наконец-то позволили наверстать упущенное.

В то же время кинематографисты продолжали тиражировать проекты фон Брауна и дизайнерские решения Боунстелла. Их можно увидеть в фильмах «Гог» (1954), «Королева космоса» (1958), «Мятеж в космосе» (1965), «Дикая-дикая планета» (1965), «Война между планетами» (1966), «Диафаноиды с Марса» (1966), «Зелёная слизь» (1968).Разумеется, не обошёл тему космического «колеса» и Стэнли Кубрик в знаменитом фильме «Космическая одиссея 2001 года» по одноимённому роману Артура Кларка. Фильм вышел в 1968 году, незадолго до первых полётов кораблей «Аполлон» к Луне. В этой киноленте, которая давно стала классикой, вращающаяся тороидальная станция предстаёт как высшее и самое совершенное произведение человечества.

Орбитальные города

Инженерная мысль не стояла на месте. Запуски искусственных спутников, орбитальные полёты космонавтов и астронавтов, подготовка к высадке на Луну — казалось, что быстрая космическая экспансия уже началась. Фантасты и футурологи 1960-х годов были уверены, что в течение ближайших десятилетий земляне доберутся до соседних планет и астероидов, развернут там обитаемые базы и начнут подготовку к межзвёздной экспедиции. Под стать этим ожиданиям менялись и проекты станций.В 1969 году американский физик Джерард О’Нил, который увлекался космонавтикой и даже подавал документы в отряд астронавтов, предложил проект космической колонии в виде вращающихся сферы или цилиндра. Он предложил разместить их в либрационных точках пространства, где силы гравитации Земли и Луны взаимно уравновешиваются.На основе своих изысканий О’Нил написал статью «Колонизация космоса», но сумел опубликовать её только в 1974 году. За это время он прочитал о собственном проекте несколько лекций, которые вызвали интерес в научных кругах. Физик говорил, что его «цилиндры» способны решить многие проблемы человечества: расширить пространство обитания, гарантировать цивилизационное разнообразие, снизить демографическое давление, улучшить экологию и так далее. Неожиданную поддержку О’Нил получил от Артура Кларка, который пришёл к сходной концепции в романе «Свидание с Рамой» (1972).

В мае 1974 года О’Нилу удалось организовать в стенах Принстонского университета двухдневную конференцию по вопросам космической колонизации, в работе которой приняли участие научные журналисты и представители NASA. После неё о проекте узнала массовая аудитория, а также влиятельные политики. О’Нил получил грант на исследования и смог тщательнее проработать идею.Колонизацию космоса физик разделил на три этапа, каждый из которых был связан со строительством большой обитаемой станции: шарообразных «Острова-1» и «Острова-2», а также состоящего из двух цилиндров «Острова-3». Последнее сооружение поражало своими размерами: 8 километров в диаметре и 32 километра длиной. Изготовить его должны были из материала Луны, доставленного в либрационную точку с помощью электромагнитных катапульт. Хотя стоимость строительства «островов» оценивалась в сотни миллиардов долларов, О’Нил утверждал, что они вполне могут окупиться, если будут служить как солнечные электростанции, передавая энергию на Землю с помощью микроволнового излучения.В качестве альтернативы проекту О’Нила группа студентов из Стэнфордского университета предложила вращающееся космическое колесо диаметром 1,8 километра с населением 10 тысяч человек. Сооружение, прозванное в литературе «Стэнфордским тором», понравилось фантастам: его можно увидеть, например, в фильмах «Господин Никто» (2009) и «Элизиум» (2013), в играх Mass Effect (2007) и Elite: Dangerous (2014).

Для развития проекта Джерард О’Нил учредил Институт космических исследований, а вскоре издал книгу «Высокие рубежи» (1976), которая вызвала множество восторженных отзывов. Дело дошло до того, что инициативу О’Нила одобрил президент Рональд Рейган, и в 1985 году NASA провело исследование, посвящённое возможности построить колонию в течение пятидесяти лет. Однако гибель шаттла «Челленджер» поставила крест на дискуссиях о массовом прорыве в космос.Реальность разошлась с фантастикой ещё раньше. Несмотря на обилие разнообразных проектов, американским специалистам удалось запустить только одну орбитальную станцию — Skylab. С мая 1973 по февраль 1974 года на ней побывали три экспедиции; при этом значительную часть времени астронавтам приходилось ремонтировать свой космический дом.

Возвращение на Землю

В Советском Союзе идею орбитальной станции популяризировали Ари Штернфельд и Борис Ляпунов. Станцию, созданную по их концепции, можно увидеть в фильме Павла Клушанцева «Дорога к звёздам» (1957). Этот образ оказал влияние и на западный кинематограф: например, в любви к работам Клушанцева признавался Стэнли Кубрик, который позаимствовал оттуда некоторые визуальные решения для своей «Космической одиссеи».

Главный конструктор ракетно-космической техники Сергей Королёв подошёл к идее орбитальных станций прагматически: они должны были решать научные и военно-прикладные задачи, служить прототипами межпланетных кораблей и промежуточными базами на пути к Луне. К сожалению, до запуска первых станций Королёв не дожил, и его планы реализовывали соратники.В распоряжении советских специалистов находилась ракета-носитель «Протон» с грузоподъёмностью до 23 тонн, что накладывало ограничение на габариты и возможности станций. Первая из них под названием «Салют» была выведена на орбиту 19 апреля 1971 года. Её эксплуатация закончилась трагически: экипаж «Союза-11», работавший на ней, погиб при возвращении на Землю из-за разгерметизации. Саму станцию свели с орбиты в октябре того же года. Судьба «Салюта-2» тоже незавидна: станция получила повреждения при запуске и сгорела в атмосфере. Станция «Салют-3» смогла принять только одну экспедицию (вторая вернулась на Землю из-за неисправной системы стыковки), после чего была затоплена.Впрочем, неудачи начального этапа не помешали дальнейшему развитию программы. В космос отправились станции «Салют-4» и «Салют-5», за ними — «Салют-6» и «Салют-7», конструкция которых позволяла пристыковывать сразу два корабля. На каждую следующую станцию совершалось больше экспедиций, чем на предыдущую. 20 февраля 1986 года был запущен базовый блок орбитального комплекса «Мир» — прототипа большого космического города. Станция провела на орбите 5511 дней, совершив 86 331 оборот вокруг Земли.

Несмотря на огромные экономические и политические проблемы, которые переживала Россия, на станции «Мир» постоянно работали экипажи: за 15 лет там побывали 104 космонавта из 12 стран. Рекорд по непрерывному пребыванию на орбите, который не побит по сей день, принадлежит врачу Валерию Полякову: появившись на борту «Мира» 10 января 1994 года, он возвратился домой через 437 суток и 17 часов. Станцию «Мир» можно увидеть в фантастических фильмах «Армагеддон» (1998), «Контакт» (1997), «Вирус» (1999) и «Железное небо» (2012). Отечественный кинематограф ограничился одним фильмом — «Воры и проститутки» (2004).Опыт эксплуатации «Мира» пригодился при строительстве Международной космической станции (МКС), сборка которой началась с запуска блока «Заря» 20 ноября 1998 года и продолжается по сей день. По мере роста станция тоже стала «персонажем» фантастики. Например, она фигурирует в фильмах «Послезавтра» (2004), «Любовь» (2011), «Гравитация» ( 2013), «Живое» (2017), а также в телесериалах «Сильное лекарство», «Мадам госсекретарь» и «Теория большого взрыва».

С начала 1990-х годов отечественные специалисты обсуждают различные концепты Российской орбитальной станции (РОС). Например, рассматривались варианты под рабочими названиями «Мир-2», «Русь» и «Надежда». Но ни один из них не получил поддержки, ведь все ресурсы уходили на строительство МКС. После большого перерыва в декабре 2014 года официально объявили, что, когда срок эксплуатации МКС подойдёт к концу, наша страна будет готовить ей замену.Проект РОС включает пять модулей: многоцелевой лабораторный модуль «Наука» (в 2021 году такой же модуль пристыкован к МКС), узловой модуль «Причал», шлюзовой модуль, научно-энергетический модуль и трансформируемый (надувной) модуль. Интересно, что станция будет находиться на сравнительно высокой орбите (наклон 64,8° против 51,6° у МКС), что позволит запускать к ней ракеты с космодрома Плесецк.

Государственные космические агентства редко позволяют себе пофантазировать и заглянуть в будущее дальше чем на 20–30 лет. Совсем другое дело — частники. Российская группа компаний «Галактика» разрабатывает проект настоящего орбитального города на 10 тысяч жителей. Её сотрудники учли опыт предшественников, которые занимались вопросами космических колоний, и соединили в своей концепции лучшие теоретические достижения Принстонского и Стэнфордского университетов. Они остановили свой выбор на вращающемся жилом торе диаметром 2 километра. Материал для его сооружения можно добывать на Луне, отправляя в космос готовые элементы конструкции с помощью электромагнитной катапульты.Построить город в пустоте будет, конечно, непросто. Нужны сверхтяжёлые ракеты-носители и мощное транспортное средство, чтобы доставить людей и технику на Луну. Нужны модули для лунной базы и промышленные роботы, которые смогут перерабатывать лунный грунт, извлекая из него кремний, железо, алюминий, титан и кислород. Нужны десятки тысяч специалистов. Вероятнее всего, орбитальный город «Галактики» останется на бумаге, — но даже так он может послужить прогрессу, указывая нам цели и определяя границы возможного.В последнее время космические станции появились и у Китая. Сейчас на орбите находится «Тяньгун-2» («Небесный дворец 2»), выведенная туда в сентябре 2016 года. Мы уже видели китайскую станцию в фильме «Гравитация», и не приходится сомневаться, что со временем они всё чаще будут появляться на экранах.Впрочем, будущее орбитальных станций пока не определено. Одни считают, что надо строить полноценные колонии типа «Стэнфордского тора». Другие говорят, что станции только пожирают ресурсы, а нам нужно сразу осваивать Луну и лететь на Марс. Но в каком бы направлении ни двинулась дальнейшая экспансия человечества, одно можно сказать наверняка: орбитальные станции, фантастические и реальные, помогают нам привыкнуть к мысли, что враждебный космос всё-таки может стать жилым.