В 1950-е Вернер фон Браун (1912–1977) и Вилли Лей (1906–1969) вернулись к этой идее в статье, опубликованной в журнале «Кольер»[28], где говорилось о полете на Марс[29]. Они придумали колесо диаметром 76 м, вращающееся вокруг своей оси со скоростью 3 оборота в минуту для создания на внешнем периметре искусственной гравитации, равной трети земной и эквивалентной той, что существует на поверхности Марса[30]. Вернер фон Браун, проявляя дальновидность, уточняет: «Космическая станция будет также отелем, астронавты смогут жить там месяц-два подряд. Они станут курсировать между Землей и станцией для проведения специальных работ». Следуя этому предложению, комитет НАСА пришел в 1959 году к мнению, что логическим продолжением программы «Меркурий», запущенной вскоре после создания американского космического агентства, станет такая космическая станция. Тем не менее конкретного воплощения эта идея не получила.
В 1975 году небольшой коллектив ученых и студентов под руководством Джерарда О'Нила (1927–1992) из Стэнфордского университета разработал более продвинутую версию концепции фон Брауна. Их станция представляла собой колесо диаметром 1,8 км, вращение которого со скоростью 1 оборот в минуту создавало бы центробежное ускорение, эквивалентное земному тяготению. Такая станция могла бы вмещать до 10 000 постоянных обитателей! Она, без сомнения, послужила прототипом станции «Элизиум» и для объекта в видеоиграх Halo. В дальнейшем О'Нил развил эту концепцию во впечатляющий проект Island Three («Остров Три»), орбитальную колонию из двух вращающихся цилиндров диаметром 3 км и длиной 30 км каждый. Для динамической стабильности всего комплекса цилиндры должны вращаться в противоположные стороны. Стабильность вращения объекта достигается его обращением вокруг свой главной оси инерции, той, у которой самый высокий инерционный момент[31]. В случае цилиндра требуется также, чтобы соотношение между его длиной и радиусом было меньше 1,66. Цилиндр, стабильно вращающийся вокруг своей оси симметрии, имеет форму огромной банки с арахисом, внутренней площади которой недостаточно для размещения значительного населения. С точки зрения увязывания динамической стабильности вращения и большой внутренней площади два цилиндрических модуля, вращающиеся в разные стороны, — это удачное решение.
Принцип цилиндрической станции неоднократно использовался в научной фантастике. В частности, в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» описано обследование землянами огромного пустого межзвездного корабля (цилиндра длиной 50 км с радиусом 10 км), пересекающего Солнечную систему. В кино станция «Купер» из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014), вращающаяся вокруг Сатурна, — тоже цилиндр вроде о'ниловского. Идея строительства огромной орбитальной станции не умерла: французские инженеры Оливье Буазар и Пьер Маркс предложили в 2009 году проект космического города на 10 тыс. жителей «Апогейос» (в переводе с греческого «далеко от Земли»).
НАСА никогда не пыталось строить ни такую крупную космическую станцию, ни станцию меньших размеров как по техническим причинам (ограниченная возможность запуска, трудности сборки, стоимость), так и из научных соображений, потому что считает, что невесомость позволяет заниматься интересными экспериментами, невозможными на Земле. Тем не менее в 2011 году НАСА опубликовало проект космического корабля «Наутилус X» с вращающимся жилым отсеком, где экипаж будущей экспедиции, к примеру, на Марс имел бы лучшие условия жизни. Прототип этой «центрифуги» можно было бы разместить на МКС для натурных испытаний и для обеспечения космонавтам сна при уменьшенной, но все же не нулевой гравитации. Великолепный космический корабль «Авалон» из фильма «Пассажиры» (Мортен Тилдум, 2016) тоже имеет три вращающихся отсека, три «крыла», образующих «тройной пропеллер» и создающих искусственную гравитацию, полезную для 5000 пассажиров, пребывающих в состоянии заморозки.
Что чувствуют люди на вращающейся орбитальной станции
Цель вращения — создание внутри станции искусственной гравитации, но ее обитателям все же надо двигаться с осторожностью. Чтобы понять это, начнем с простого и посмотрим на орбитальную станцию в форме уплощенного цилиндра (что-то вроде огромной банки арахиса), вращение которого вокруг собственной оси симметрии является, как мы видели, динамически стабильным. Внутри пассажир может ставить занятные физические эксперименты.
28
Статья вышла в серии «Скоро человек завоюет космос!» с подробностями проектов пилотируемых космических полетов Вернера фон Брауна. В создании серии участвовали видные фигуры космонавтики того времени: Вилли Лей, Фред Уиппл, Джозеф Каплан, Хайнц Хабер и сам фон Браун. Статьи проиллюстрировали лучшие представители тогдашнего «космического искусства»: Чесли Боунстелл, Фред Фриман и Рольф Клеп. Серию переиздали по случаю ее 50-летия в журнале Американского института аэронавтики и астронавтики. Статьи доступны по адресу: http://www.aiaahouston.org/newsletter.
29
Эта идея присутствует в многочисленных кинокартинах: «Миссия на Марс» (Брайан де Пальма, 2000), «Марсианин» (Ридли Скотт, 2015). Она использована при разработке кораблей Venture Star («Аватар» Джеймса Кэмерона, 2009) и Endurance («Интерстеллар» Кристофера Нолана, 2014).
30
Отметим, что орбитальные станции в научно-фантастических фильмах чаще попросту антинаучны. Их вращение бывает медленным (наверное, для красивой картинки). Такая станция должна бы иметь большой радиус, чтобы развивать центробежное ускорение порядка земного притяжения, часто более значительное, чем можно предположить по кадрам фильма. Это относится к кораблю «Гермес» из фильма «Марсианин», который доставляет астронавтов на Красную планету в 2035 году. Если внимательно, с хронометром следить за вращением его огромного колеса, то выявляется 40-секундный период вращения. Для равенства между центробежным ускорением и ускорением марсианского притяжения колесо должно иметь огромный радиус в 166 м (или даже больше, чтобы достигнуть ускорения земного притяжения). Однако из сравнения кажущегося размера колеса и человеческой фигуры явствует, что радиус колеса равен примерно 20 м. В этом случае для искусственной гравитации, сходной с марсианской, период его вращения должен составлять всего 15 секунд.
31
Момент инерции твердого тела характеризует состав его массы и количественно выражает трудность приведения его во вращательное движение. Примером нестабильности вращения твердого тела в невесомости служит эффект Джанибекова, названный так по фамилии советского космонавта, заснявшего это явление (см.: https://www.youtube.com/watch?v=r-TnCMZF3fA).