Космічні станції, орбітальні міста: сміливі проекти з минулого та майбутнього

Ідею штучного супутника сформулював ще Ісаак Ньютон у своїй фундаментальній роботі «Математичні засади натуральної філософії» (1687). Він запропонував розігнати гарматне ядро до такої швидкості, що воно не впаде на Землю, а нескінченно довго обертатиметься по орбіті. Ідею набагато пізніше обіграли французькі фантасти Жюль Верн та Андре Лорі у романі «П’ятсот мільйонів бегуми» (1879).

Проте за десять років до французів американський письменник і теолог Едвард Хейл у дилогії, що складається з повістей «Цегляний місяць» (1869) і «Життя на цегляному місяці» (1870), описав куди сміливіший проект: не просто супутник на орбіті, а живий супутник.

Хейла називають «літературним вундеркіндом»: він дуже рано почав писати і публікуватися, причому віддавав перевагу реалістичним оповіданням. «Цегляний Місяць» став винятком, хоча й у цьому тексті автор постарався надати вигаданим подіям достовірності. Персонажі дилогії задумали відправити на орбіту штучний об’єкт діаметром двісті футів (61 метр), зроблений із цегли: вони вважали, що при прольоті через атмосферу цей об’єкт розжариться настільки, що таку температуру не зможе витримати жоден метал. Для запуску використовувалися гігантські маховики, проте вони випадково спрацювали раніше часу, і разом із «місяцем» у космос вирушили її будівельники — причому вони не лише вціліли, а й заснували процвітаючу колонію.

Наступною ідею висловив німецький фантаст та філософ Курт Лассвіц у романі «На двох планетах», вперше опублікованому у жовтні 1897 року. Високорозвинена цивілізація марсіан організувала таємну базу північному полюсі Землі. Над базою на висоті 6356 кілометрів знаходиться космічна станція: гігантське колесо із зовнішнім діаметром 120 метрів та внутрішнім – 50 метрів. Станція служить “перевалочним пунктом” для кораблів марсіан. По суті Курт Лассвіц був першим автором, який припустив, що орбітальну станцію можна використовувати як базу для обслуговування та заправки міжпланетних кораблів.

Подальший розвиток ідея орбітальної станції отримала у працях основоположників теоретичної космонавтики. Костянтин Ціолковський вперше торкнувся цієї теми у науково-фантастичній повісті «Поза Землею», перші розділи якої були опубліковані в популярному журналі «Природа і люди» у 1918 році.

Ціолковський припускав, що в майбутньому (орієнтовно після 2017 року) вчені вигадають, як запустити на геостаціонарну орбіту тисячі ракет із пасажирами, які почнуть будувати станцію у вигляді циліндричної оранжереї. Вона повинна повільно обертатися, але не для створення штучної сили тяжіння, а для регулювання внутрішньої температури. Такі станції-оранжереї, за задумом Ціолковського, можна буде поєднувати одна з одною, створюючи в космосі більші споруди — у вигляді п’ятикутних зірок чи простих геометричних фігур.

Для калузького мислителя будівництво станцій на орбіті було одним з обов’язкових етапів на шляху до освоєння космосу. Він вірив, що коли населення станцій досягне десятків тисяч людей, вони вирушать у міжпланетну подорож, використовуючи ресурси зустрічних астероїдів та комет. Вирвавшись із гравітаційного «криниці», земляни стануть воістину галактичною цивілізацією. Ідеї Ціолковського знайшли свій відбиток у пізнішої радянської фантастиці — наприклад, у романі Олександра Бєляєва «Зірка КЭЦ» (1936) .

Інший основоположник космонавтики, німець Герман Оберт, прагматичніше підійшов до ідеї орбітальної станції. У двох своїх книгах «Ракета в міжпланетний простір» (1923) та «Шляхи здійснення космічного польоту» (1929) він виклав проект великої ракети масою 300–400 тонн, яка могла б залишатися на високій орбіті як завгодно довго. При необхідності, писав Оберт, можна запустити дві однакові ракети, зв’язати їх тросом і розкрутити одна щодо одної, щоб створити всередині штучну силу тяжіння. Передбачалося, що станція полегшить морську навігацію, зв’язок, картографування, відстеження айсбергів. Крім того, Оберт пропонував зібрати поряд зі станцією величезне дзеркало, яке могло б концентрувати сонячні промені на будь-якій точці земної поверхні для впливу на клімат або знищення ворожих військ і навіть міст.

Проект Оберта теж мав успіх у фантастів. Наприклад, він описаний у романі Карла фон Лаффета «Світова пожежа» (1926). Дія відбувається в майбутньому, всі цивілізовані країни підпорядковуються Лізі Світу, яка, серед іншого, побудувала та запустила на орбіту «Ефірну станцію» з дзеркалом, здатним впливати на клімат. Однак більшовицький диктатор захоплює один із космічних кораблів, які обслуговують станцію, і збирається використовувати її як зброю. На щастя, його зловісні плани зазнають краху, а «Ефірна станція» рятує Європу від глобальної пожежі, спричиненої аномальним спалахом на Сонці.

У романі Отто Гейла “Місячний камінь” (1926) орбітальну станцію будують німецькі інженери з Міжпланетного товариства. Її призначення — не лише керувати кліматом, а й забезпечити складання пілотованого космічного корабля «Ікар», який має вирушити на Венеру.

У 1929 році з’явився ще оригінальніший проект — космічної станції на геліоцентричній орбіті (тобто штучної планети). Його запропонував англійський фізик Джон Бернал, відомий автор терміна «науково-технічна революція». Станція була сферою діаметром 16 кілометрів, виготовленою з матеріалу астероїдів і здатною вмістити від 20 до 30 тисяч чоловік — вони мали жити на її внутрішній поверхні. Бернал вважав, що вихід у космос навіть на примітивних ракетах настільки потужно стимулює прогрес, що будівництво позаземної колонії стане неминучим. Вона могла б служити майданчиком для старту та ремонту міжпланетних кораблів, для астрономічних спостережень та для космічного туризму.

Але головною метою сферичної станції мало стати зниження демографічного тиску Землі. Джон Бернал, як і багато вчених першої половини ХХ століття, вважав, що незабаром наша планета виявиться перенаселеною, природні ресурси будуть вичерпані, і виникне потреба в будівництві штучних планет. Коли і їх виявиться надто багато на орбіті навколо Сонця, деякі зі сфер-колоній вирушать у політ до сусідніх зірок.

Ці масштабні проекти зараз видаються наївними. Але їхніх авторів вибачає те, що вони й уявити не могли, з якими труднощами зіткнеться реальна космонавтика.

1928 року австро-угорський військовий інженер Герман Ноордунг (Поточник) розвинув проект орбітальної станції Германа Оберта у своїй книзі «Проблема подолання космічного простору. Ракетний двигун». Станція Ноордунга складалася з трьох модулів: «жилого колеса» діаметром 30 метрів, що обертається для створення штучної сили тяжіння, електростанції з параболічним дзеркалом та обсерваторії. Інженер запропонував запустити станцію на високу геостаціонарну орбіту, зручну для наукових досліджень.

Паралельно з Ноордунгом над концепцією орбітальної станції працював австрійський інженер-винахідник Гвідо фон Пірке. У статті «Міжпланетні маршрути» (1928) він цифрах показав, що старт міжпланетного корабля з орбітальної станції енергетично вигідніше, ніж із земного чи місячного космодрому. При цьому, наголошував фон Пірке, будівництво такої станції буде надзвичайно складною і витратною справою, проте пізніше, коли почнуться польоти до Венери та Марса, всі зусилля окупляться сторицею. Переконливі викладки австрійця сприяли з того що «спостережна станція» у роботах теоретиків була витіснена концепцією «космічного порту».

З книгами Оберта, Ноордунга та статтями фон Пірке був, без сумніву, знайомий молодий німецький інженер Вернер фон Браун, який очолив ракетну програму Третього рейху. Ще в школі він під враженням від їхньої праці написав фантастичне оповідання «Лунетта» (1929), в якому докладно описав пристрій станції, побудованої за проектом Оберта. Щоб мрії попередників стали реальністю, фон Браун присвятив себе ракетобудуванню і досяг неабияких успіхів: під його керівництвом у центрі Пенемюнде було сконструйовано та побудовано важку балістичну ракету «А-4», нині відому як «Фау-2». 1944 року вона стала першою ракетою в історії, яка подолала умовний кордон космосу на висоті 100 кілометрів. Проте, всупереч планам Вернера фон Брауна та його соратників, гітлерівці використали «А-4» не для проникнення в навколоземний простір, а для обстрілу Лондона.

Після війни інженерні таланти німецьких ракетників виявилися затребуваними у країнах-переможницях. Вернера фон Брауна з групою фахівців вивезли до США, де вони зайнялися звичною справою виготовленням військових ракет. При цьому німецький конструктор не забув про свої юнацькі мрії: у резюме, складеному для американських «кураторів» у 1946 році, він навів опис космічної станції у вигляді колеса, що обертається, з дзеркалом.

Широку популярність ідеям фон Брауна приніс Перший симпозіум з космічних польотів, що відбувся 12 жовтня 1951 року у планетарії Хейдена (Нью-Йорк). За його підсумками в березні 1952 року журнал Collier’s опублікував серію матеріалів про майбутні польоти в космос, проілюстровані Чеслі Боунстеллом. Серед іншого, була опублікована і стаття німецького конструктора про тороїдальну станцію, що обертається, образ якої на два десятиліття визначив уявлення вчених і фантастів про підкорення ближнього космосу.

Ідеї фон Брауна та інших ентузіастів виявилися потрібними ще й тому, що з 1950 року в США почався справжній космічний бум. Йому сприяли фантастичні журнали та романи для юнацтва. Серед провідних авторів того часу був Роберт Хайнлайн , за сценарієм якого зняли чудовий фільм «Місце призначення — Місяць» (1950), який вразив глядачів революційними спецефектами.

На хвилі інтересу до теми Хайнлайн запропонували взяти участь у створенні фантастичного серіалу «Зовнішній світ» про майбутню космічну експансію. На жаль, витівка провалилася і до екранів дійшов лише пілотний епізод, озаглавлений «Кільце навколо Місяця». Але в результаті його доопрацювали до повнометражного фільму, який отримав назву «Проект «Місячна база» (1953). Хайнлайн залишився незадоволеним результатом і вимагав прибрати своє ім’я з титрів. І, напевно, даремно, бо й цей фільм був досить революційним для свого часу. Наприклад, у ньому вперше було показано жінку-президента і… орбітальну станцію, яка служила проміжним пунктом при польоті на Місяць.

Нові образи сподобалися кінематографістам. У лютому 1954 року на американських екранах з’явився серіал «Роккі Джонс, космічний рейнджер». Звичайно, це була далеко не перша “космічна опера” на телебаченні. Але примітною вона була тим, що її творці звернулися до дизайну космічних проектів, які пропонували німецькі вчені. Дія серіалу відбувається у далекому майбутньому. Сонячна система повністю освоєна, земляни розселилися по планетах, їх супутникам і навіть штучним планетоїдам, але при цьому пілотовані ракети літають на хімічному паливі, а штучна сила тяжіння на тороїдальних станціях створюється за рахунок обертання.

Ще більш прискіпливо підійшли до візуалізації технологій майбутнього автори фільму «Підкорення космосу» (1955). Режисер Байрон Хескін, котрий прославився любов’ю до масштабних спецефектів, запросив технічним консультантом самого Вернера фон Брауна. Тому в кадрі можна побачити повний комплект проектів, які запропонував німецький конструктор і проілюстрував Чеслі Боунстелл, включаючи тороїдальну станцію, що обертається.

Більше того, незабаром і сам фон Браун з’явився в науково-популярних фільмах «Людина в космосі» та «Людина та Місяць», випущених студією Діснея заради реклами тематичної зони Tomorrowland («Земля майбутнього») у «Діснейленді». Завдяки цьому німецький конструктор став вважатися «головним по космосу», хоча якраз до реальної космічної програми його з урахуванням нацистського минулого не допускали. Тільки після невдалого запуску супутника «Авангард», який мав стати відповіддю на радянський «Супутник-1», фон Брауну нарешті дозволили надолужити втрачене.

Водночас кінематографісти продовжували тиражувати проекти фон Брауна та дизайнерські рішення Боунстелла. Їх можна побачити у фільмах «Гог» (1954), «Королева космосу» (1958), «Заколот у космосі» (1965), «Дика-дика планета» (1965), «Війна між планетами» (1966), «Діафаноїди» з Марса» (1966), «Зелений слиз» (1968).

Зрозуміло, не оминув тему космічного «колеса» та Стенлі Кубрик у знаменитому фільмі «Космічна одіссея 2001 року» за однойменним романом Артура Кларка. Фільм вийшов 1968 року, незадовго до перших польотів кораблів «Аполлон» до Місяця. У цій кінострічці, яка давно стала класикою, тороїдальна станція, що обертається, постає як вищий і найдосконаліший твір людства.

Інженерна думка не стояла дома. Запуски штучних супутників, орбітальні польоти космонавтів та астронавтів, підготовка до висадки на Місяць — здавалося, що швидка космічна експансія вже розпочалася. Фантасти та футурологи 1960-х років були впевнені, що протягом найближчих десятиліть земляни дістануться сусідніх планет і астероїдів, розгорнуть там населені бази і почнуть підготовку до міжзоряної експедиції. Відповідно цим очікуванням змінювалися і проекти станцій.

У 1969 році американський фізик Джерард О’Ніл, який захоплювався космонавтикою і навіть подавав документи в загін астронавтів, запропонував проект космічної колонії у вигляді сфери або циліндра, що обертаються. Він запропонував розмістити їх у лібраційних точках простору, де сили гравітації Землі та Місяця взаємно врівноважуються.

На основі своїх досліджень О’Ніл написав статтю «Колонізація космосу», але зумів опублікувати її тільки в 1974 році. За цей час він прочитав про власний проект кілька лекцій, які викликали інтерес у наукових колах. Фізик говорив, що його «циліндри» здатні вирішити багато проблем людства: розширити простір проживання, гарантувати цивілізаційну різноманітність, знизити демографічний тиск, покращити екологію тощо. Несподівану підтримку О’Ніл отримав від Артура Кларка , який прийшов до подібної концепції у романі «Побачення з Рамою» (1972).

У травні 1974 року О’Нілу вдалося організувати у стінах Прінстонського університету дводенну конференцію з питань космічної колонізації, у роботі якої взяли участь наукові журналісти та представники NASA. Після неї про проект дізналася масова аудиторія, а також впливові політики. О’Ніл отримав грант на дослідження і зміг ретельно опрацювати ідею.

Колонізацію космосу фізик розділив на три етапи, кожен з яких був пов’язаний з будівництвом великої населеної станції: кулястих «Острова-1» та «Острова-2», а також складається з двох циліндрів «Острова-3». Остання споруда вражала своїми розмірами: 8 кілометрів у діаметрі та 32 кілометри завдовжки. Виготовити його мали з матеріалу Місяця, доставленого до лібраційної точки за допомогою електромагнітних катапульт. Хоча вартість будівництва «острівів» оцінювалася в сотні мільярдів доларів, О’Ніл стверджував, що вони можуть окупитися, якщо будуть служити як сонячні електростанції, передаючи енергію на Землю за допомогою мікрохвильового випромінювання.

В якості альтернативи проекту О’Ніла група студентів зі Стенфордського університету запропонувала космічне колесо, що обертається, діаметром 1,8 кілометра з населенням 10 тисяч осіб. Споруда, прозвана в літературі «Стенфордським тором», сподобалася фантастам: її можна побачити, наприклад, у фільмах «Пан Ніхто» (2009) та « Елізіум » (2013), в іграх Mass Effect (2007) та Elite: Dangerous (2014) .

Для розвитку проекту Джерард О’Ніл заснував Інститут космічних досліджень, а невдовзі видав книгу «Високі рубежі» (1976), яка викликала безліч захоплених відгуків. Справа дійшла до того, що ініціативу О’Ніла схвалив президент Рональд Рейган, і в 1985 NASA провело дослідження, присвячене можливості побудувати колонію протягом п’ятдесяти років. Проте загибель шатлу «Челленджер» поставила хрест на дискусіях про масовий прорив у космос.

Реальність розійшлася із фантастикою ще раніше. Незважаючи на велику кількість різноманітних проектів, американським фахівцям вдалося запустити лише одну орбітальну станцію — Skylab. З травня 1973 до лютого 1974 року на ній побували три експедиції; при цьому значну частину часу довелося астронавтам ремонтувати свій космічний будинок.

У Радянському Союзі ідею орбітальної станції популяризували Арі Штернфельд та Борис Ляпунов. Станцію, створену за їхньою концепцією, можна побачити у фільмі Павла Клушанцева «Дорога до зірок» (1957). Цей образ вплинув і на західний кінематограф: наприклад, у любові до робіт Клушанцева зізнавався Стенлі Кубрик, який запозичив звідти деякі візуальні рішення для своєї «Космічної одіссеї».

Головний конструктор ракетно-космічної техніки Сергій Корольов підійшов до ідеї орбітальних станцій прагматично: вони мали вирішувати наукові та військово-прикладні завдання, слугувати прототипами міжпланетних кораблів та проміжними базами на шляху до Місяця. На жаль, до запуску перших станцій Корольов не дожив і його плани реалізовували соратники.

У розпорядженні радянських фахівців була ракета-носій «Протон» з вантажопідйомністю до 23 тонн, що накладало обмеження на габарити та можливості станцій. Першу з них під назвою «Салют» було виведено на орбіту 19 квітня 1971 року. Її експлуатація закінчилася трагічно: екіпаж «Союзу-11», який працював на ній, загинув під час повернення на Землю через розгерметизацію . Саму станцію звели з орбіти у жовтні того ж року. Доля «Салюта-2» теж незавидна: станція отримала пошкодження під час запуску та згоріла в атмосфері. Станція «Салют-3» змогла прийняти лише одну експедицію (друга повернулася на Землю через несправну систему стикування), після чого була затоплена.

Втім, невдачі початкового етапу не завадили подальшому розвитку програми. У космос вирушили станції «Салют-4» та «Салют-5», за ними — «Салют-6» та « Салют-7 », конструкція яких дозволяла пристиковувати одразу два кораблі. На кожну наступну станцію відбувалося більше експедицій, ніж попередню. 20 лютого 1986 року було запущено базовий блок орбітального комплексу “Мир” – прототипу великого космічного міста. Станція провела на орбіті 5511 днів, зробивши 86331 оборот навколо Землі.

Незважаючи на величезні економічні та політичні проблеми, які переживала Росія, на станції «Мир» постійно працювали екіпажі: за 15 років там побували 104 космонавти з 12 країн. Рекорд з безперервного перебування на орбіті, який не побито до цього дня, належить лікарю Валерію Полякову: з’явившись на борту «Миру» 10 січня 1994 року, він повернувся додому через 437 діб та 17 годин. Станцію «Світ» можна побачити у фантастичних фільмах «Армагеддон» (1998), « Контакт » (1997), «Вірус» (1999) та «Залізне небо» (2012). Вітчизняний кінематограф обмежився одним фільмом — «Злодії та повії» (2004).

Досвід експлуатації «Миру» став у пригоді при будівництві Міжнародної космічної станції (МКС), складання якої почалося із запуску блоку «Зоря» 20 листопада 1998 року і триває до сьогодні. У міру зростання станція також стала «персонажем» фантастики. Наприклад, вона фігурує у фільмах « Післязавтра » (2004), «Кохання» (2011), «Гравітація» (2013), « Живе » (2017), а також у телесеріалах «Сильні ліки», «Мадам держсекретар» та « Теорія великого вибуху ».

Останнім часом космічні станції з’явилися у Китаю. Наразі на орбіті знаходиться «Тяньгун-2» («Небесний палац 2»), виведена туди у вересні 2016 року. Ми вже бачили китайську станцію у фільмі «Гравітація», і не варто сумніватися, що з часом вони все частіше з’являтимуться на екранах.

Втім, майбутнє орбітальних станцій поки що не визначено. Одні вважають, що треба будувати повноцінні колонії на кшталт «Стенфордського тора». Інші кажуть, що станції лише пожирають ресурси, а нам треба одразу освоювати Місяць і летіти на Марс. Але в якому напрямі не рушила б подальша експансія людства, одне можна сказати напевно: орбітальні станції, фантастичні і реальні, допомагають нам звикнути до думки, що ворожий космос все-таки може стати житловим.