Соревнование Space Elevator Games 2009 года стало пусть небольшим, но примечательным шагом к мечте о космическом лифте (space elevator), идею которого в общем виде выдвинул Константин Циолковский ещё в 1895 году. Состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA, прошло с 4 по 6 ноября в Южной Калифорнии, на территории центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах знаменитой авиабазы Эдвардс.

Нынешние "игры" оказались во многом примечательны. И прежде всего тем, что впервые питаемый лазерным лучом робот-лифт поднялся на высоту порядка одного километра. Да, если раньше крохотные прототипы космических подъёмников вскарабкивались на натянутые при помощи кранов ленты высотой в 50 и 100 метров, ныне трос длиной более чем в один километр спустили с парящего вертолёта! Зачётная же дистанция гонки составила 900 метров (старт считался не от уровня земли).

Вертолёт над авиабазой Эдвардс – далеко не спутник. Но эти опыты впервые показывают, что идея подъёма робота с лазерным питанием на большую высоту – технически реализуема (иллюстрация и фото Spaceward Foundation).

Как и раньше, аппараты могли пользоваться лишь энергией, посылаемой по лучу снизу: ведь понятно, что на подъём в настоящем космическом лифте никаких аккумуляторов не хватит. Так что общий принцип построения роботов остался прежним: набор солнечных батарей, подсвечиваемых мощным наземным лазером, плюс электромотор с роликами, обхватывающими трос. Не зря это состязание в рамках Space Elevator Games называется Power Beaming Challenge (или Climber Competition).

Приз за него составлял $900 тысяч, при условии что аппарат преодолеет всю дистанцию со скоростью не ниже 2 метров в секунду, и $1,1 миллиона — если его скорость достигнет 5 м/с. Это впечатляющие требования, учитывая, что за все предыдущие годы данного соревнования лучшим достижением было преодоление 100 метров со скоростью 1,8 м/с.

Задуманная в 2004 году битва прототипов космических лифтов впервые проведёна была в 2005-м. Но только в 2009-м один из аппаратов смог выполнить жёсткие требования, за которые устроители состязания вручили победителю приз (фотографии Spaceward Foundation).

О предыстории нынешнего состязания и прежних успехах прототипов можно узнать из этого ролика.

В 2009 году на участие в соревновании подали заявки шесть команд, но реально за победу боролись лишь три квалифицировавшихся: Kansas City Space Pirates (небольшая компания, фактически — клуб любителей робототехники), USST (студенческая команда из канадского университета Саскачевана, демонстрировавшая в прошлые годы отличные результаты) и LaserMotive — промышленная фирма из Сиэтла. Именно эта тройка привезла в пустыню Мохаве работающие роботы-лифты.

Для подъёма роботов использовался стальной трос диметром около 5 мм. Внизу он заканчивался не у самой земли, а на высоте в несколько десятков метров (там и была точка старта), где разделялся на три "якорных" троса, заканчивавшихся цепями, которые крепились к бетонным блокам. Вертолёт (перед его пилотом нужно снять шляпу) должен был обеспечивать постоянное натяжение этой "дороги" и удержание её в положении, предельно близком к вертикальному. После установки аппарата на стартовую точку пилот натягивал трос, и команда давала роботу сигнал к подъёму (фотографии Spaceward Foundation).

В первый день состязаний LaserMotive выполнила два полных подъёма. Первый за 4 минуты и 2 секунды, второй за 4 минуты и 1 секунду. Со скоростью в 3,73 м/с LaserMotive была квалифицирована как претендент на $0,9-миллионный приз. Вот, кстати, её первая попытка.

Другим претендентам всё время что-то мешало. То у аппаратов были проблемы даже со стартом, то со скоростью или высотой подъёма. К примеру, "пиратам" из Канзас-Сити удалось довести свою машину до отметки в 850 метров за долгие 8 минут, но тут судьи были вынуждены отключить питающий лазер — закрылось временное окно, когда над местом соревнований не пролетали никакие спутники. На них мощный луч в теории мог бы повлиять, так что ради безопасности устроители "игр" сверяли все графики подъёмов с пролётами космических аппаратов над этой точкой.

Аппарат от LaserMotive: лёгкая пирамидальная рамка, электрика, электроника и блок солнечный панелей размером примерно 2 х 2 фута (0,6 х 0,6 м). На первом снимке – взвешивание робота. Слева направо: Энди Петро (Andy Petro), представитель программы NASA "Вызовы столетия" (Centennial Challenges), в рамках которой и проходят "Игры космических лифтов", Бен Шелеф (Ben Shelef), глава Spaceward Foundation, и один из руководителей LaserMotive Дэвид Бэшфорд (David Bashford). На втором кадре Дэвид стоит около аппарата, подготавливаемого к подъёму. На правом нижнем – виден низ машины, покрытый фотоэлектрическими ячейками (фотографии Spaceward Foundation, AP Photo/NASA, Tom Tschida, LaserMotive, kcby.com).

Несмотря на своё явное лидерство, во второй день LaserMotive тоже совершила пару восхождений. Она показала ещё лучшее время: 3 минуты 49 секунд и 3 минуты 48 секунд. Скорость в 3,95 м/с уже довольно близко подошла к планке, за которой "лифтёрам" из Сиэтла светил главный приз.

Правда, для достижения этой скорости LaserMotive облегчила своего робота: в первый день к собственному весу машинки в 4,8 кг её создатели добавляли груз весом 0,58 кг, а во второй день вес полезной нагрузки сократили до 0,4 кг. Это представляло определённый риск, ведь если бы кто-то из соперников тоже преодолел зачётную границу в 2 м/с, многое решал бы именно вес полезной нагрузки, которую робот поднимал в ходе соревнования.

Поясним, если команда выполняет задание (то есть аппарат поднимается по всей длине троса со скоростью не ниже указанной в правилах), конечное место претендента определяется набранными баллами. А они вычисляются так: скорость подъёма (в м/с) умножается на массу полезной нагрузки (в кг) и делится на собственный вес робота.

Последний, к слову, ограничен 50 килограммами, зато мощность, передаваемая на него по лучу, правилами не ограничена. На практике все машины были куда легче. Так вот, в первый день с меньшей скоростью, но большей нагрузкой LaserMotive набрала 0,45 балла, а во второй — 0,325, несмотря на более высокий темп восхождения.

Такое внимание устроителей к весовым параметрам роботов не случайно. Конечно, данные машинки имеют мало общего с теми лифтами, которые когда-нибудь смогут подниматься по тросу к звёздам. Но уже сейчас неплохо бы отработать решения и приёмы, которые позволят таким аппаратам быть максимально лёгкими при высокой мощности и большой полезной нагрузке.

В многочисленных фургончиках располагались не только штабы команд, но и лазерные системы, комплексы слежения за роботами-лифтами и прочая сопутствующая аппаратура (фотографии Spaceward Foundation).

Риск LaserMotive оправдался. Правда, сама она так и не смогла взять главную планку в 5 м/с, несмотря на буквальное выкидывание из конструкции робота всего не слишком важного (из-за чего у "похудевшей" машины начались неполадки при восхождении в третий день гонки).

Но двум другим соперникам не удалось даже близко приблизиться к параметрам машины из Сиэтла: "лазальщик" от Kansas City Space Pirates добирался почти до верха троса (но всё-таки не до конца), да только слишком медленно, а канадцы так и не смогли решить технические проблемы, из-за которых их робот-лифт не отъезжал дальше нескольких метров от точки старта.

Kansas City Space Pirates (слева) и USST – неудачники нынешнего года. Однако соревнование принесло им богатый опыт, так что команды, по их словам, намерены улучшить своих роботов и продолжить борьбу. Интересно, что по теоретическим расчётам всем трём машинам, вышедшим на старт Space Elevator Games, их весовые и мощностные параметры должны были позволить взять верхнюю планку в 5 м/с. Почему этого не произошло – будет предметом анализа в ближайшее время (фотографии Spaceward Foundation).

Таким образом, LaserMotive была объявлена победителем в "уровне-1" и получила чек на $900 тысяч из рук представителя NASA. $1,1 миллиона остались неразыгранными и перешли на следующий тур, дата проведения которого ещё не определена. Рекордный же подъём можно увидеть в ролике ниже.

Победа LaserMotive была принята командой с радостью, но при этом сама компания подчёркивает: главное для нас — проверка в бою системы передачи энергии по лазерному лучу. При расстоянии между передатчиком и роботом более чем километр непросто добиться очень точного попадания луча в машину. А ведь нужно было ещё отработать эффективное преобразование этой энергии (к слову, LaserMotive переправляла на борт своего робота при помощи лазера более 1 киловатта мощности).

Команда LaserMotive и её призовой чек на $900 тысяч. Пусть вас не смущают "цифры из будущего" на плакате – данное соревнование давно носит второе имя "Лифт-2010", как символическая круглая дата, к которой должны появиться на свет более-менее впечатляющие прообразы и лифта, и космического троса (фото Spaceward Foundation).

Как говорят представители компании, два года работы над аппаратом позволили им довести до кондиции именно комплекс "трансляции" энергии, который они хотят вывести на рынок. А лифты в космос — это, мол, красивая, но очень уж далёкая перспектива.

Действительно, даже километровое восхождение прототипов – ничто по сравнению с подъёмом по тросу на геостационарную орбиту (примерно 36 тысяч километров), который необходимо будет осуществлять настоящему космическому лифту. С другой стороны – надо же с чего-то начинать. Нынешние скромные роботы намечают путь, по которому следует развивать такого рода системы.

По понятным причинам, космический лифт должен брать начало точно на экваторе. Согласно одной из версий, стартовую платформу следует расположить в океане (иллюстрации wikipedia.org, Spaceward Foundation).

Может показаться, будто постройка космического лифта – неоправданно сложная затея. Но его прелесть в том, что после запуска он способен серьёзно сократить стоимость выведения грузов. Вот, кстати, концепция орбитального лифта.

В большой степени реальность "железной дороги в космос" зависит от успехов инженеров и учёных во второй половине "Игр космических лифтов". Она называется Strong Tether Challenge (или Tether Strength Competition).

Это соревнование призвано нащупать технологию создания троса, который, если его опустить с геостационарной орбиты на Землю, не только не порвётся под собственной тяжестью, но ещё будет способен нести приличную полезную нагрузку. В 2009 году конкурс проходил хронологически раньше Power Beaming Challenge — в августе. Но, увы, никто из претендентов не превзошёл достижения прошлых лет.

После нескольких дней напряжённой работы все участники "игр" вместе с организаторами шумно отметили событие в ресторанчике Domingo's близ авиабазы Эдвардс, в котором, как говорят, каждый раз обедают астронавты, когда шаттл приземляется в Калифорнии. На нижнем кадре в сомбреро – Дэвид Бэшфорд, который накануне отметил свой день рождения. Победа LaserMotive оказалась лучшим подарком (фотографии Spaceward Foundation).

Для оценки ключевых параметров такого троса фонд Spaceward придумал новую единицу – "Юрий" (Yuri) – названную в честь российского инженера Юрия Арцутанова, который в 1960 году опубликовал практический способ построения космического лифта.

Именно Арцутанов предложил заменить "орбитальную башню" Циолковского (которую калужский гений предполагал строить с Земли) на трос, постепенно спускаемый вниз с геосинхронного спутника. Одновременно в противоположную сторону выпускался бы второй трос с противовесом, так что центр тяжести системы всё время оставался бы на геостационаре.

Та самая статья Арцутанова в "Комсомольской правде" за 31 июля 1960 года. С неё началось серьёзное обсуждение возможности постройки космического лифта (иллюстрация Spaceward Foundation).

Итак, Yuri — это отношение прочности на разрыв к плотности материала, или в единицах СИ: Па•м³/кг. 1 мегаюрий (MYuri) соответствует более распространённой в инженерной науке величине ГПа•см³/г. Именно в мегаюриях устроители Tether Strength Competition измеряют прочность лент, претендующих на прообраз строительного материала для космического лифта.

Они указывают, для сравнения, что хорошая стальная проволока обладает удельной прочностью в 0,5 MYuri, лучшие же современные синтетические волокна: японский материал Zylon и американский Spectra 2000 — 3,74 и 3,6 MYuri соответственно. Между тем для построения реального космического лифта необходимо иметь хотя бы 25-30 MYuri, а лучше — 45-100 (во втором случае лифт выйдет существенно легче, и построить его можно будет гораздо быстрее).

Такие величины прочности, в теории, даже с хорошим запасом способны обеспечить углеродные нанотрубки, но беда в том, что рекордные характеристики они показывают лишь в микро- и наномасштабе (в том числе — в экспериментах), а вот при попытках сплести из нанотрубок макроскопические волокна, верёвки и ленты удельные характеристики такого "оптового" материала значительно ухудшаются. Именно на получение крупных изделий из нанотрубок и должны работать учёные, мечтающие помочь в деле возведения космического лифта.

Летом 2009 года учёные из университета Сидзуоки (University of Shizuoka) привезли на соревнование "космических лент" своё изделие, созданное из углеродных нанотрубок. Увы, оно порвалось довольно рано, в очередной раз показав, что макроскопическим материалам из нанотрубок пока ещё не тягаться с банальными полимерами, пусть теоретический потенциал углеродных нитей – намного выше (фотографии Spaceward Foundation).

В соревнованиях Strong Tether Challenge прошлых лет лучшим образцом была "привязь" с прочностью 3 MYuri (эту "ленточку" сплели на основе волокна Zylon). Дальше никто продвинуться пока не смог. А ведь для завоевания малого приза в $900 тысяч нужно достичь удельной прочности в 5 MYuri, что лучше, чем у любого существующего ныне материала, главный же приз в $1,1 миллиона сможет принести своим создателям лишь лента с прочностью и вовсе в 7,5 MYuri.

По правилам лента должна представлять собой замкнутую петлю общей длиной 2 метра и весом 2 грамма (ширина ленты — до 200 мм). Её закрепляют между двумя роликами, которые начинают медленно разводить в стороны. Определяется усилие, при котором лента порвётся или растянется более чем на 5%. Для достижения удельной прочности в 5 MYuri необходимо добраться до усилия разрыва в 907 кг, а 7,5 MYuri — соответственно в 1361 кг.

Кроме знаменитого романа Кларка космический лифт фигурирует ещё в целом ряде произведений. Интересно, что если капсулы будут подниматься со скоростями самых быстрых поездов, то есть 300-500 км/ч, поездка на космическую станцию, висящую на геостационаре, займёт 3-4 дня. Так что речь следует скорее вести не о "кабинах лифтов", а о "вертикальных поездах дальнего следования" (иллюстрации Neil Johnson, Alan Chan, civilbrights.net, spaceward.org).

Кажется, что от этих величин до напряжений, которые будут действовать в настоящем тросе, протянутом с геосинхронной орбиты на Землю, дистанция колоссальная. Но фонд Spaceward настроен оптимистично.

Во-первых, отмечает он, в различных синтетических материалах в последние годы идёт заметный прогресс, так что параметры передовых материалов постепенно улучшаются. Во-вторых, по научным публикациям Spaceward отслеживает прогресс в области экспериментов с нанотрубками и утверждает: конкурентоспособные с "Зилоном" и "Спектрой" макроскопические материалы из углерода появятся во вполне обозримом будущем.

В ближайшие годы создатели роботов-лифтов доведут до ума системы передачи энергии по лучу, способные работать уже на космических расстояниях. А химики и физики выдадут тросы и ленты, обладающие на порядок лучшими удельными параметрами, чем нынешние синтетические волокна.

Что за этим может последовать – лучше всего почитать в "Фонтанах рая" (The Fountains of Paradise). Ни в одном другом произведении постройка человечеством космического лифта не была описана столь красочно, научно точно и при этом так драматично.

Да, нынешние соревнования роботов-альпинистов – вовсе не драма, а, по большому счёту, весёлый "междусобойчик" горстки энтузиастов. Но, по оценке фонда Spaceward, последний человек перестанет смеяться над космическим лифтом уже в 2015 году.

Источник: www.membrana.ru