В этом блоге я неоднократно обращался к теме астроинженерных сооружений, чрезвычайно интересующей Хабр. Навскидку вспоминаются материалы о сфере Дайсона (91 комментарий), космическом лифте (124 комментария) и обустройстве космической станции внутри астероида (212 комментариев). Все подобные идеи кажутся осуществимыми в обозримом будущем, так как мы привыкли экстраполировать успехи, уже достигнутые при сборке космических станций. Эпоха обитаемых космических орбитальных станций начинается в 1971 году и хронологически выглядит так:
Обзор планируемых к запуску орбитальных станций — тема для самостоятельной публикации, к которой я, возможно, ещё вернусь. Сегодня же будет затронута смежная тема: поговорим об автоматической сборке и состыковке орбитальных блоков для получения космических обиталищ, имеющих произвольную форму. В 2018 году в Массачусетском технологическом институте началась реализация проекта TESSERAE, характеризуемого как «самосборная космическая архитектура». Промо-ролик этой программы я поставлю ниже, но предварительно отмечу, что мечты о такой космоархитектуре были сформулированы в Японии ещё в 1988 году.
Предыстория. Адаптивные фермы
В 1988 году Хироси Фуруя из Нагойского университета и Корио Миура из Японского космического агентства предположили, как можно было бы автоматизировать сборку и надстройку космических станций с их постепенным превращением в космические поселения. Также они затрагивали вопросы развёртывания, состыковки и герметизации отсеков, исследовали роль микрогравитации как в процессе сборки, так и в процессе эксплуатации такой адаптивной модульной станции.
Чтобы обеспечить адаптивность такого сооружения, оно должно быть оборудовано механизмом для изменения собственной конфигурации. «Линейным» аналогом такого сооружения был бы обычный многозвенный манипулятор, который изгибается по принципу змейки Рубика. Но такой структуре недостаёт жёсткости, и при низкой гравитации она быстро разболтается. В одномерном случае, чтобы получить эффективную и при этом легковесную структуру, топологически она должна походить на пространственную ферму. Вот как Миура с Фуруей представляли себе такие «линейные» фермы с адаптивно меняющейся формой:
При каких же условиях такая совокупность ферм получится адаптивной? Как вариант – если любой элемент структуры сможет менять длину, не влияя при этом на длину других элементов и не увеличивая внутреннего напряжения всей системы. Такое условие выполнимо, если вся ферма является статически определимой.
При развёртывании и постепенной надстройке космической станции наиболее привлекательная черта адаптивной системы заключается в том, что эта система сама управляет собственной сборкой. Эластичные и вибрационные свойства как отдельных ферм, так и их совокупностей непременно будут зависеть от конфигурации всей станции. При подборе конфигурации наиболее важно оптимизировать жёсткость и фундаментальные частоты конструкции. Такая прикладная дисциплина уже называется «эластичная адаптивность».
Но в вышеупомянутой работе японцев исследовались именно ажурные протяжённые конструкции. Из таких ферм, даже сравнимых по прочности с углеродными нанотрубками, вряд ли можно построить замкнутые сообщающиеся отсеки, которые при этом сохраняли бы герметичность и в то же время допускали расширяемость конструкции путём вклинивания новых блоков в имеющуюся конструкцию.
Корио Миура (род. 1930) продолжает эти исследования и выступает соавтором классической кембриджской книги «Forms and Concepts for Lightweight Structures». Полагаю, именно его наработки могли вдохновить группу Ариэля Экблоу (Ariel Ekblaw). Экблоу руководит в MIT разработкой самосборных модулей в рамках проекта TESSERAE, которые в перспективе могут послужить основой для космических станций нового поколения. Как и фуллерен, тессеры состоят из пятиугольников и шестиугольников, однако теоретически могут собираться в структуры значительно сложнее додекаэдра или футбольного мяча, например в тор.
Поговорим о них подробнее.
Проект TESSERAE
Итак, для развёртывания орбитальных поселений будущего человечеству понадобятся самосборные, адаптивные, достраиваемые (аддитивные) и надувные конструкции. Поскольку орбитальные инженерные разработки не стеснены земной гравитацией, там можно исследовать совершенно новые варианты оболочек и ярусов. Земная архитектура традиционно ориентирована по вертикали (этажи, стены, потолки, арки, лифты) и требует затрачивать значительные ресурсы не столько на полезную площадь, сколько на несущие конструкции. Автономная космическая сборка вместе с одновременной цифровой печатью и допечаткой блоков позволит обойтись без конвейеров, блоков и, конечно же, без подъёмных кранов. При печати необходимых блоков на геостационарной орбите можно было бы существенно снизить объём выводимой на орбиту полезной нагрузки, а при заимствовании строительных материалов из астероидов, пришвартованных в точках Лагранжа, — и массу полезной нагрузки.
Возможный вид снаружи:
Вид модуля внутри:
Этот проект называется TESSERAE (Замощённые электромагнитные космические структуры для исследования реконфигурируемых адаптивных окружений). В настоящее время команда из MIT занимается тестированием и сборкой прототипов (здесь показаны образцы по 13 дюймов в поперечнике):
Для обеспечения предсказуемости сборки необходимо стандартизировать размеры единичных плиток, а также геометрию многоугольников для получения макрофигур. Естественно, в таком качестве напрашиваются равносторонние и равноугольные (правильные) многогранники, но, учитывая, что конструкция должна сохранять устойчивость при ремонте и при обрастании новыми блоками, объёмная конструкция такого рода приближается по форме к фуллерену.
Грани конструкции по определению должны отличаться в функциональном отношении. Предполагается, что в каждом модуле будут присутствовать грани как минимум четырёх типов: покровные непрозрачные (стены), покровные прозрачные (окна), магнитные (стыковочные) и сенсорные. Возможно, также придётся предусмотреть и пятую категорию – солнечные батареи. Кастомизация внутренней части модулей и отсеков, вероятно, будет ещё более разнообразной.
Для того, чтобы сымитировать конвейерную сборку станции, модули можно было бы выводить на заранее заданную орбиту. Обращаясь по этой орбите вокруг Земли или Луны, конструкция подхватывала бы в заданных точках заготовленные для неё блоки и материалы.
Электромагниты обеспечивают автономное схватывание пластин друг с другом и выстраивание замкнутых многоугольников. Поскольку у пластин ярко выражена шестиугольная форма, вся конструкция вполне может сближаться по форме не только с фуллереном, но и с параллелепипедом или кубом, напоминая соты:
3D-печать и магниты
Основная сложность такой сборки заключается в координации. Каждая пластина должна действовать как отдельный агент роя.
Плитки для TESSERAE удобнее всего получать методом 3D-печати. Получатся жёсткие пластины (пятиугольные или шестиугольные) со специально прорезанными отверстиями для электропостоянных магнитов (EPM) на каждой грани. Модуль оснащается материнской платой, управляющей электросхемами для перемещения модулей, беспроводной связью с удалённым ЦУП (головным компьютером), датчиками движения, благодаря которым плитки не врезаются друг в друга, а мягко стыкуются, а также гиростабилизатором (IMU), позволяющим отслеживать относительное положение, вращение и изменение ориентации плиток. Также на плитках планируется предусмотреть разъёмы для установки периферийных устройств. Важнейшие из них — магнетометр (для обнаружения электромагнитного контакта и диагностики сигнатуры связи между состыкованными плитками, а также спаренный блок из эмиттера и детектора света (в цветовой cхеме RGB) для обмена данными между плитками методом фотоники.
Естественно, работа EPM будет полностью зависеть от данных, поступающих с сенсоров. Кроме того, именно EPM будут основными потребителями энергии, и им потребуется обеспечить бесперебойное питание. Полярность EPM также потребуется постоянно регулировать, чтобы структура не распадалась, но при этом не схлопывалась в нежелательную или катастрофическую форму, а также не оказывалась в метастабильном состоянии.
В настоящее время мы только осваиваем азы 3D-печати в космосе, но эта технология – настоящая инвестиция в будущее. Очевидно, что при освоении Солнечной системы придётся работать в условиях сильно пониженной гравитации. Это касается и марсианских колоний, и потенциальной разработки минералов на астероидах, и тем более колонизации точек Лагранжа. Базой для такой технологии могут послужить не только опыты по 3D-печати на борту МКС, но и аддитивное производство, вполне реализуемое и в условиях земной гравитации.
В отличие от множества современных (жёстких) орбитальных конструкций плитки-тессеры можно будет плотно упаковывать перед выводом в открытый космос, легко заменять и компоновать. Кроме того, учитывая магнитную сцепку, такие конструкции можно будет не только собирать, но и разбирать автоматически.
Здесь немного подробнее остановимся на роли магнитов и на сходстве сборки TESSERAE и аддитивного производства. При условиях, что каждый магнит работает автономно, а вся структура проявляет черты роя роботов, можно не только менять полярность магнитов — отдельные магниты можно просто кратковременно отключать. Так конструкция приобретает дополнительные опциональные степени свободы, а в условиях микрогравитации может превратиться в квази-стохастическую систему.
В таком случае модульность сочетается с реконфигурируемостью, поэтому всю конструкцию можно в кратчайшие сроки пересобрать с учётом изменившихся требований к экспедиции и новых задач, либо для избавления от повреждённых или разгерметизировавшихся элементов.
Первичная сборка может происходить не в открытом космосе, а в специальной надувной ёмкости, оптимизированной под форму фуллерена. Эта ёмкость может быть пришвартована к космической станции, откуда в ёмкость и загоняется начальный комплект плиток и гарантируется, что они приняли целевую конфигурацию. Вот как может выглядеть обитаемая орбитальная станция, собираемая в виде фуллерена (проект MOSAIC для работы на орбите Марса, аббревиатура расшифровывается как «Самосборные смежные камеры для марсианской орбиты»).
Внутреннее устройство
Переходим к самому интересному: насколько реально сделать такую станцию обитаемой и при этом не астрономически дорогой.
Внутренняя полость самосборного фуллерена должна оснащаться лёгкими и автоматически развёртываемыми конструкциями, которые бы не представляли угрозы для экипажа (например, не перегревались), а также оставляли бы максимум места как для жизни и работы, так и для хранения оборудования, пищи, воды и воздуха. Обратите внимание на конфигурацию проектируемой американской окололунной станции «Lunar Gateway», запуск которой в настоящее время планируется на 2024 год:
Предполагается, что на такой станции на протяжении трёх месяцев будет работать смена из восьми человек. Как выглядела бы аналогичная станция из фуллереновых блоков?
Важнейший фактор проектирования такой станции — размер шлюза между отсеками, и в Gateway диаметр шлюза составит 93 см. Соответственно, все предметы и приборы должны проходить в такой проём. Для комфортного проживания на станции TESSERAE должны быть предусмотрены столовая, ванная, помывочная, спальные места, переговорные и рабочие зоны. Не менее четверти пространства должно отводиться на хранение вещей, 30% пространства — на циркуляцию воздуха.
Жилой модуль
Личное пространство одного астронавта занимает три шестиугольника со свободным доступом в четвёртый шестиугольник, оборудованный для общения и совместной работы. Сине-зелёным цветом показаны площади для хранения личных вещей. Кроме иллюминаторов вся внутренняя поверхность стен доступна для покрытия ЖКИ-панелями с медиа-информацией.
В принципе, почти все элементы обстановки в капсуле должны быть складными или телескопическими, возможно, надувными.
Заключение и ещё немного про сенсоры
Ещё раз отмечу, что как внешняя, так и внутренняя поверхность блоков может быть просто нашпигована различными сенсорами, образуя своеобразный «умный отсек». Тогда как внешние сенсоры отвечают за ход сборки (динамика) и поддержание правильной конфигурации (статика), внутренние сенсоры могли бы фиксировать уровень радиации, содержание вредных примесей в воздухе, а также сигнализировать о потенциальной разгерметизации. Можно оснащать блок сенсорами двойного назначения, например, спектроскопическими, которые могли бы использоваться как в лабораторных целях, так и в качестве элемента жизнеобеспечения. Разработка таких сенсоров требует развития совершенно новой технологии функциональных волокон, сочетающих возможности сенсоров, телекоммуникационных устройств и батарей. Тем не менее, именно условия микрогравитации, вакуума, а также стремление к максимальной компактности всех элементов располагают к развитию таких технологий, которые на Земле казались бы экзотическими или малоприменимыми.
Я сомневаюсь, что TESSERAE будут до конца текущего десятилетия развёрнуты на орбите (в том числе, на окололунной или околомарсианской). Но полагаю, что «приёмочное тестирование» всех этих амбициозных наработок — хотя бы в виде миниатюрных прототипов — приоритетная задача для экипажей новых орбитальных станций, в особенности, «Тяньгун».
