О звездных городах на небе

Одна из мирообразующих технологий "Лестницы Лагранжа" упомянутая и в "Загруженных" - космические поселения. Обоснованный даже не научно, а инженерными расчетами способ запроксить космооперную галактику в реальности. В самом деле, в каких-нибудь "Звездных войнах" от целой планеты мы традиционно видим только пару квадратных километров и это еще в лучшем случае. И это свойство не только "Звездных Войн" - пример "Дюны" говорит нам что попытка показать огромность планеты приводит к тому что вместо космооперы у нас планетарный романс.

Пятиминутка термеха

От космической колонии требуется держать давление атмосферы, обеспечивать колонистов силой тяжести похожей на земную и защищать их от космической радиации. Если давление у нас нормальное атмосферное, поверхностная плотность стенок 10 тонн на квадратный метр и центробежная сила тяжести земная - имеем давление на несущую конструкцию колонии в 2 атмосферы. Допустим что наша колония является цилиндром и возьмем два произвольно-заданных диаметрально-противоположных сечения его несущей стенки. Сила с которой внутреннее давление будет раздирать половинки циллиндра равна

F=2*L*r*0.2(МПа)*Int(sin(fi),o,pi)dfi

Где L - длинна циллиндра, r - его радиус. Проинтегрировав получим:

F=4*L*r*0.2(МН)

Очевидно что чем толще несущая стенка - тем лучше она держит нагрузку. И потому нужно поделить полученную силу на площадь стенки 2*L*s где s - толщина стенки (а стенок 2). При соотношениях радиуса циллиндра к толщине стенки порядка 1000 линейное приближение должно работать (да просто обязано)

P = 2*r*0.2/s МПа

Мы получили нагрузку на растяжение в мегапаскалях. Она не должна превышать предел прочности материала стенки. Допустим толщина стенки 1 метр, а радиус циллинда 3 км - как и было у О'Нила. Тогда имеем нагрузку в 1.2 ГПа. В принципе такое способна выдержать и хорошая сталь. Но впритык. И самое главное - стальная стенка "съест" 8 из 10 тонн на м2 поверхностной плотности стенки нашей колонии. Это означает что захотев организовать на нашей колонии озеро мы обнаружим что глубина его не может быть более 2 метров. Маловато будет. Да и "впритычность" напрягает - мало ли что может случиться со стенкой. Можно уменьшить давление атмосферы, как собственно было у О'Нила. Скорее всего можно пожертвовать силой тяжести. Но лучше применить более подходящие материалы:

Как видно из таблицы, арамидные и полиэтиленовые волокна при метровой толщине стенки обеспечивают 3-5 кратный запас прочности, занимая лишь 10-15 % поверхностной плотности стенок. Строительство космической колонии скорее всего будет выглядеть как как наматывание кевларовых, полиэтиленовых, паутинных, нанотрубочных, графеновых тросов на каркас с герметизацией, заполнением кислородом и раскруткой.

Проблема ориентации

Вращающийся цилиндр является гироскопом который упорно не хочет быть ориентирован на Солнце торцом в течении всего движения по орбите. Чтобы убрать гироскопический момент классическая колония О'Нила c окнами должна состоять из двух цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях.

Суммарный момент импульса связки близок к нулю, ее можно доворачивать на Солнце маховиком умеренной массы. Правда окна должны сочетать прозрачность с прочностью, а зеркала - двигаться, обеспечивая суточный цикл. В "Зета Гандаме" дизайнеры додумались до вполне здравого решения оформить зеркала колоний в виде жалюзи. Но в том же "Гандаме", только оригинальном сериале было и более интересное решение - вообще убрать окна, заменив их лампой по оси колонии и солнечными батареями (Зеон).

Безусловно при преобразовании солнечного света в электроэнергию будут потери. Но зато не надо двигать зеркала. Поставив две колонии рядом можно организовать суточный цикл в каждой колонии перекидывая мощность между ними.

Космический урбанизм

Чуть увеличив диаметр цилиндра до 6.2 км и взяв длину цилиндра между скруглениями в 30 км получим в случае закрытого цилиндра 30 на 20 км жилплощади или 600 км2. Что может поместиться на такой площади? Ну например миллионный Красноярск влезает с запасом:

Даже с частью дач и куском "Столбов". Плотность населения получается грубо 1666 человек на квадратный километр, что между Бахрейном (1753) и Мальтой (1432). Но обе названные страны вроде как не страдают самообеспечением продовольствием. А колонии надо бы содержать полностью замкнутую биосферу.

Бесконечное лето

Выручает тот факт что в колонии совсем не обязательно делать сезоны кроме летнего. Тогда вместо 3-4 месяцев на вегетацию в Средней Полосе имеем все 12. В установке БИОС-3 полное замыкание по кислороду и воде и частичное замыкание про пище (животный белок не производился) было достигнуто при 39.4 м2 фитотронов на 3 человек. Моделирование показывает что увеличение посевных площадей растений до 39.4 м2 на человека позволяет полностью закрыть потребность человека в калориях производимой растительной биомассой, однако пища остается неполноценной по составу белка - требуется источник животного белка. Таким источником могут быть как традиционная домашняя птица и живность, так и генетические модификации растений в сторону увеличения доли нужных аминокислот. В случае "традиционного" подхода посевные площади придется увеличить примерно вдвое чтобы обеспечить едой и кислородом живность. Итого 80 м2 на человека. 

Плотность населения 1666 на на квадратный километр означает что на каждого колониста приходится 600 м2 площади - те самые 6 соток. Посчитанные нами 80 квадратов влазят с запасом. Но на всякий случай накинем посевные площади до 3 соток на человека. И засеем картошкой. Считая что урожайность как у Курской области и учитывая что за год у нас минимум три урожая получаем почти 5 кг картофеля на человека в день. По калориям более чем достаточно даже если тупо варить. Конечно, нужны не только калории, ну так и картошки избыток. Одним словом, норма в 3 сотки на человека очень похожа на правду. И еще 3 сотки на человека остаются на площади не связанные с сельхозом.

Совсем не обязательно засаживать 6 соток одновременно и убирать авралом. В том же БИОС-3 применялся конвеерный метод - в фитотроне были растения разного возраста с таким расчетом чтобы каждый день было готово к сборке столько сколько нужно бионавтам. В итоге хоть посевных и уборочных у нас в 3-4 раза больше но они не авралы на несколько дней, а размазаны тонким слоем по всему году. Утром житель космической колонии выкапывает пару кустов картошки чтобы было что сварить пожрать, вечером садит две половинки клубня на освободившееся место.

Оптимальным "интерьером" колонии является, пожалуй, большой дачный поселок - не нужно возить еду от ферм к потребителю и вообще выделять фермерство в отдельную профессию. Правда дачный поселок размером с миллионник выглядит как-то странно.

Малые формы

В проекте ОНила цилиндр был лишь одним из трех вариантов, самым большим. Имелось два малоразмерных сферических варианта. Диаметром 500 и  1600 метров. Гравитация близкая к земной в такой конфигурации будет лишь на тропиках сферы. А они даже у второго варианта шириной всего 530 метров. Маловато будет! Так что "для себя" я взял диаметр 2 км. Ширина тропиков уже около километра при длине экватора 6 км.

Площадь 6.28 км2. При старой норме 600 соток на человека в сферу поместится до 10.5 тыс человек. Малые размеры означают что до любых объектов внутри сферы легко добраться пешком или на велосипеде. А еще нагрузка на несущую стенку снижается втрое что упрощает строительство.

И снова о Гандаме

На этот раз SEED. Была там оригинальная концепция космической колонии. Такая вот:

"Часы" вращаются вокруг поперечной оси, жилыми являются донца. Сам знаю что концепция сомнительна ибо очень много материала тратится на стенки, а не жилую поверхность. И этот материал должен быть очень прочным при том что еще и прозрачным. Кроме того, есть уязвимая перемычка разрушение которой смертельно для колонии.

Половина "часов"

Достоинствами же являются очень малая сила Корриолиса, возможность естественного освещения со сменой дня и ночи без сложных механизмов движения зеркал и весомая прибавка скорости вращения часов к скорости орбитального движения - с донцев можно скрытно стартовать.

Традиционно жилая поверхность колонии Красноярска. Вторую чашку рисовать было лень, но видно что весь город не влезет - это вам не Остров-3.