Эти две красивые собаченьки слетали в космос почти ровно 65 лет назад, 19 августа 1960 года.
Следы Белки после этого уходят в Московский зоопарк, где она вела простую сытую жизнь, а вот Стрелке перепала романтическая линия сюжета.
В отряд самых первых космонавтов отбирали небольших московских дворняжек. Специалистам по отлову выдавали довольно длинный список критериев: размер, вес, цвет, умение лаять фальцетом и все такое. Одним из критериев был пол - для самок оказалось проще организовать космический туалет. Говорят, самцы все пытались поднять лапу, а места-то в кабине и не было. Потом эту сложную техническую задачу решили, и у Ветерка с Угольком проблем уже не возникало, а вот поначалу мужики попадали в команду только ошибочно. Похоже, что один из них спустя пару месяцев после полета и приглянулся космонавтке. По официальной версии, отцом щенков Стрелки стал ее коллега по имени Пушок.
Судя по сохранившимся фотографиям, щенков было шестеро. Имен, впрочем, получилось найти только четыре: Тишка, Кудряшка, Дамка и Пушинка. Я смогла опознать на фото Пушинку, и одна из кудрявых - наверняка Кудряшка. Про остальных остается только гадать. А еще есть фотография, где Стрелка лежит с четырьмя щенками заметно другого окраса, но про них информации не нашлось совсем.
1/5
На самом деле, более-менее достоверная информация имеется только про Пушинку. Ее маму отбирали в космонавты за внешние данные и покладистый характер, и Пушинку выбрали среди ее братьев и сестер таким же образом, но уже на дипломатическую роль. Красивой белой собачке проставили прививки, оформили паспорт и подарили непосредственно президенту Кеннеди.
1/2
Спецслужбы изрядно перепугались по поводу четвероногого дипломата и какое-то время допрашивали ее на предмет микрофонов, радио и прочих шпионских штучек. Дипломат Пушинка притворилась, что не понимает английского, поэтому ее прощупали, просветили рентгеном, ультразвуком, металлодетектором, и только тогда позволили выполнять непосредственные дипломатические обязанности.
Сама она, к сожалению, не очень прижилась в семье Кеннеди, а вот ее щенки часто мелькают на семейных фото. Блэки, Уайт Типс, Баттерфляй и Стрикер появились на свет после романа Пушинки с красавчиком Чарли, вельштерьером, который тоже жил у президента. Джон Кеннеди дал малышам прозвище папники (pupniks), от слов щенок (pup) и спутник (да, в английском языке есть слово sputnik). Они также работали дипломатами - правда, в основном разъезжались как подарки внутри страны.
Говорят, дальние потомки Стрелки до сих пор живут и здравствуют, как на территории бывшего Советского Союза, так и в США. Сейчас сложно достоверно установить родословную и найти настоящих родственников, но если у кого-то вдруг есть семейные легенды, что именно их песель - потомок первых космонавтов, то поделитесь, пожалуйста. Очень интересно посмотреть.
Идиомы есть в каждом языке и по сути своей являются цельными метафоричными выражениями, смысл которых не может быть извлечён из отдельных частей идиомы. Откуда обычно берутся идиомы? Ответ прост как две копейки – отовсюду. Источником идиомы может послужить народная мудрость, литература, исторические события, культурные особенности, иногда идиомы заимствуются в готовом виде из других языков, иногда придумываются на пустом месте и в случайном порядке спустя какое-то время закрепляются в языке.
Чем же с идиомами отличился китайский язык? Тем, что у них есть особая категория идиом, но сначала немного контекста – ни для кого не секрет, что в отличие от алфавитного письма китайский язык оперирует иероглифами. Секретом, однако, может оказаться тот факт, что со времён Конфуция, Лаоцзы, Мэнцзы и прочих великих китайских философов (условно классических период китайского языка датируют от V века до н. э. до III века н. э.), написание иероглифов, если не брать в счёт различные каллиграфические стили, изменилось ровно один раз – в 1956 году, когда написание некоторых элементов упростили с целью облегчения образовательного процесса. В свою очередь это значит, что теоретически любой образованный современный китаец может, после минимальной подготовки, прочитать труды тех лет с довольно высоким уровнем понимания написанного, и тут уже уместно поговорить о том, что такое чэнъюй.
Чэнъюй (成语) дословно переводится как “законченная фраза”. Это идиоматическое выражение, состоящее из четырёх иероглифов, взятое напрямую из древнекитайской литературы или созданное на основе её определённого сюжета. Они являются “застывшими во времени” выражениями с грамматической точки зрения – несмотря на сохранённое лексическое соответствие, слова внутри чэнъюя подчиняются грамматическим правилам классического китайского языка и не соответствуют тенденции современного китайского языка, при которой в использовании преобладают двусложные формы слов, в то время как классический китайский язык исключительно односложен. Всё это в совокупности создаёт определённые сложности в использовании данных идиом в разговорной речи, однако в то же время придаёт им культурную ценность – носители языка рассматривают чэнъюи как олицетворение китайской мудрости, а их уместное употребление считается показателем высокой образованности и умелого владения языком.
Не всегда, но зачастую за четырьмя словами чэнъюя стоит нравственная притча, придуманная древнекитайскими философами для выведения некоего морального образца поведения. Приведём пару примеров эпохи Воюющих царств:
1）守株待兔 – Сторожить пень, поджидая зайца. Означает: сидеть сложа руки, ждать у моря погоды. История из трактата китайского философа-легиста Хань Фэя “Хань Фэй-цзы” (III в. до н. э.) “В царстве Сун жил один крестьянин. Однажды он работал в поле, и вдруг мимо пробежал заяц. Он бежал так быстро, что по неосторожности врезался в пень на участке сломал шею и умер. Крестьянин обрадовался этому, но, однажды заполучив зайца даром, он больше не хотел работать в поле, поэтому он забросил свою мотыгу и стал круглые сутки сидеть рядом с пнем. Крестьянин надеялся, что появятся другие зайцы, которые тоже ударятся о пень и умрут, но так и не дождался их. Жители царства Сун стали рассказывать его историю друг другу и смеяться над ним”
2）刻舟求剑 – Сделать зарубку на лодке, чтобы (потом) найти (уроненный в воду) меч. Означает: действовать без оглядки на изменения в ситуации, делать по мёртвому шаблону История из энциклопедического текста Люй Бувэя (III в. до н. э) “Человек родом из земель Чу однажды переплывал реку Янцзы, и в этот момент лодку настигла огромная волна. От этого меч у него на поясе выпал в воду и пошел ко дну. Странник тут же вынул нож и сделал зарубку на борту. Люди вокруг удивились, но он только улыбнулся и сказал: "Мой меч упал там, где я сделал эту зарубку, поэтому я знаю, где его искать."
3）Ну и напоследок современная мудрость с картинки, которая только станет чэнъюем через пару тысяч лет. Хитрым каллиграфическим трюком восемь иероглифов уместили в четыре - 不想上班，那就不上 - Если работать не хочется, то и не надо.
Есть подозрение, что каждый в молодости мечтал, как он БАЦ! - и откроет что-нибудь новое. Великую Теорему Ферма докажет, первым найдет новый астероид (а это, кстати is real), покажет всем этим скучным седым профессорам да снискает мировую славу. И в некоторых случаях "бац" реально открывается и доказывается... Но, тем не менее, даже после этого все может пойти наперекосяк, и до лавров первооткрывателя вы можете и не дожить. Собственно, про это и заметка – об одном из самых известных случаев, когда неспециалист действительно совершил нечто фундаментальное.
Причудливая конструкция, напоминающая первые бипланы медленно вращалась на картофельном поле где-то в Нью-Джерси на колесах от Ford Model T. Сие тридцатиметровое чудо гаражных технологий (а дух колхоза из радиоастрономов так и не выветрился) являлось направленной радиоантенной, сооруженной молодым инженером Bell Telephone Laboratories Карлом Янским.
Тут стоит покаяться и признать, что с “неспециалистом” я несколько слукавил. Наш герой, родившийся в 1905 году и происходящий из семьи чешских иммигрантов (ВНЕЗАПНО НЕ ПОЛЯК), в 1927-ом году окончил университет Висконсина со степенью бакалавра по **барабанная дробь** физике. Ну, вот такой вот человек со стороны. Уже в 28-ом он начал работать в Bell Labs.
Дабы загладить вину, подкину мякотки для студентов, грезящих о скором успехе: работа, о которой пойдет речь, была буквально первым его заданием. Ее он начал в 28-ом, а продолжал аж до 1935-го! Чувствуете уровень? Первая работа, хоть и единственная, А ЕЕ УЖЕ ХВАТИЛО, чтоб в честь тебя, помимо прочих регалий, назвали внесистемную единицу измерения. Однако же продолжим описывать происходящее. Неплохо было бы пояснить, зачем он занимался тыканием антенной с приемником в небо.
В рамках проекта трансатлантического радиотелефона нужно было исследовать помехи, создаваемые естественным радиофоном. После нескольких месяцев наблюдений Янский выделил несколько типов шумов: - Создаваемые близкими грозами - Создаваемые далекими грозами - Слабое шипение неизвестного происхождения
Как любой приличный человек, он принялся выяснять природу сего шипения. Сначала максимум сигнала наблюдался по направлению на Солнце, затем спустя время он сместился - источник был явно более далекий. Но были у него и иные свойства, например, жесткая повторяемость каждые 23 часа 56 минут (звездные сутки aka период вращения Земли) т.е наш объект был жестко закреплен на небе.
Карл Янский на грубом рисунке Небесной Сферы поясняет, куда же на самом деле смотрит его антенна
Карл посмотрел, поосозновал, куда именно направлен его приемник и остановился на центре нашей галактики в созвездии Стрельца. Что этим он выяснил? Что центр нашей галактики прям СИЛЬНО светит в радиодиапазоне. В наше время уже понятно, что этот сильнейший “фонарик” суть сверхмассивная черной дыра Saggitarius A* (звездочка - это элемент нотации, обозначающий компактный объект-радиоисточник).
Та самая черная дыра Sagittarius(Стрелец) A* в объективе Event Horizon Telescope
Ну вот, собственно, весь научный результат. Его Янский и опубликовал: сначала в человеческой прессе по типу New York Times, а потом и в рецензируемых журналах.
Список публикаций
Прогремели еще несколько интервью и для газет, и для радио, в том числе и самое важное для последующего сюжета - доклад 3-его Июля 1935-го года на National Convention of the Institute of Radio Engineers in the Statler Hotel in Detroit.
Но с дальнейшей разработкой непаханного, во всех смыслах, поля по ряду причин не задалось. Первая – Великая Депрессия, из-за которой обсерватории побаивались вкладываться в нечто новое и странное. Оказывается, даже публикации в Nature бывает недостаточно.
Вторая же поинтересней и раскрывает наш заголовок. Когда Карл пришел к начальству с предложением построить новую антенну уже большей параболической формы (как у всех приличных телескопов радиоволны - тоже свет и подчиняются тем же законам) и продолжить исследования, ему доступно объяснили, что конторка-то частная. И все, что ей было нужно (что естественный радиофон - не помеха для их трансатлантического телефона) Янский уже получил, а где там в галактике светит - им побоку. Вот так радиоастрономия на некоторое время и загнулась.
Янский больше астрономией не занимался, жизнь вел вполне счастливую, одно плохо – умер рано в 44 года (14 февраля 1950-го) от болезни то ли почек, то ли сердца. А вот если бы не умер, имел все шансы на нобелевку, ибо точно также ловить радиосигналы от пульсаров начали уже в пятидесятые, (например, PSR B0329+54 в 1954 году), а поняли что это такое, лишь к концу шестидесятых.
(Радиоастрономию надо любить хотя бы за такие фотографии)
Что я хотел этим сказать? То, что радиоастрономия начала давать фундаментальные астрофизические данные еще почти при жизни Карла! Теперь надо разобраться, почему это круто, благодаря чему работы в этой области продолжились и кому сказать спасибо. Ну казалось бы – светит и светит, у нас нормальные телескопы есть, чтоб смотреть на звезды. Как бы не так!
Во-первых, специфика астрономической науки в том, что в сравнении с более приземленными областями знания, данных ВСЕГДА КРИТИЧЕСКИ НЕ ХВАТАЕТ. Поэтому если есть возможность смотреть на объект в ином диапазоне, то на него смотрят. Кроме того огромное количество штук светят либо только на этих длинах волн (многие пульсары), либо заслонены чем-то, что пропускает лишь радио (длинные волны гораздо лучше проходят через препятствия). Как пример: тот же самый центр Млечного пути заслонен пылевым облаком, поэтому в оптике для нас видим плохо. А вот в радио отлично.
Еще можно упомянуть о квазарах/блазарах и тд – это все активные ядра галактик, то есть очень яркие и ОЧЕНЬ далекие радиоисточники. Поэтому современная астрометрия, основная суть которой – точные местоположения и эфемериды (будущие положения) использует их для построения координатной сетки. В этом помогает радиоинтерферометрия, она позволяет создать квазителескоп размером в многие тысячи километров (в оптическом диапазоне такое тоже бывает, но характерные удаления – метры или десятки метров (см. телескоп KEK)). Итогом служит просто фантастическое угловое разрешение, поэтому вся современная астрометрия это либо GPS, либо радиоинтерферометрия. И это все лишь малая часть, которая пришла на ум сразу, поэтому великость открытия теперь будем считать очевидной. Ну и в довеску, чердные дыры фотографируют именно что массивами радиотелескопов.
1/2
1 — та самая знаменитая ЧД в M87. 2 — снова Sagittarius A*
Осталось назвать реципиентов нашей коллективной благодарности за продолжение дела Янского – Джона Крауса и Грота Ребера! Оба были на тот самом упомянутом докладе 1935-го года, поэтому я про него и говорил. Но про них, может быть, потом.
В прошлый раз мы погрузились в историю создания Кассини, рассмотрели его энергетическую систему и магнитную чистоту, разобрали различные проблемы, возникшие при планировании автономной миссии в глубоком космосе. Однако на энергии не оканчивается подготовка к космическому полёту: чтобы миссия приносила пользу, нужно иметь связь с Землей, где учёные могут анализировать показания приборов, корректировать курс аппарата и делать ещё кучу полезных штук.
В общем, нам нужна антенна. Мощная. Сигнал ослабевает пропорционально квадрату расстояния до объекта - а мы далеко улетаем. Если точнее, то на расстояние около 1400 миллионов километров, в среднем расстояние от Земли до Сатурна будет в колебаться в пределах от 1200 до 1600 миллионов километров. Для подсчёта идеальных потерь мощности сигнала есть одна замечательная формула FSPL. Подставив все известные значения получим ослабление примерно в 10^29 раз. При передаче с Сатурна на Землю он теряет в мощности 29 нулей - только вдумайтесь в эту цифру - и это ещё в идеальном случае…
Разумеется, ослаблению можно противопоставлять усиление сигнала: и здесь размер имеет значение. Сразу скажу, что на Кассини был установлен передатчик мощностью в 20 Ватт (та самая мощность, что ослабляется с расстоянием) - мощность была ограничена из-за жёсткого ограничения энерговыработки на Кассини. И, хотя временами передатчик использовал до 40 Ватт мощности для отправки сигнала, большую часть времени для сообщения с Землёй можно было использовать только запланированные 20 Ватт.
Передатчик работает так, что сигнал от него отправляется во все стороны, он похож на простую лампочку. Далее аналогия с лампой будет активно развиваться, благо видимый свет и радиоволны имеют единую природу электромагнитных волн. Эту лампочку нам нужно увидеть после ослабления её сигнала-свечения на 29 порядков - задача выглядит нереализуемо. Но на помощь приходят сразу 2 способа усилить наш сигнал для восприятия с Земли!
Для начала: почему бы не сфокусировать весь пучок света от нашей лампочки в одну точку - сделать её прожектором? Есть такое замечательное свойство у параболических зеркал: они способны создавать узконаправленный пучок параллельных лучей света, если расположить источник света в фокусе этого самого зеркала. Притом, так уж работают законы оптики: чем больше диаметр такого зеркала, тем более сконцентрированный луч. А если луч будет менее рассеян, усиление от антенны будет сильнее. И для радиоволн зеркало мы будем называть тарелкой, чтобы не путаться между аналогией и тем, что делаем с радиоволнами.
На Кассини была установлена усиливающая тарелка диаметром в 4 метра. Она обеспечивала видимое усиление для наблюдателя с Земли в 100 000 раз. Тарелка больших размеров создала бы огромное количество проблем при запуске и полёте миссии, а выигрыша от увеличения диаметра тарелки было бы очень мало из-за экспоненциально увеличивающихся требований к той же степени относительного усиления. Короче, тарелка больше была бесполезна и даже вредна для миссии…
Кассини при сборке. Опять-таки, масштаб без человека плохо воспринимается - поэтому вот и люди. В тарелку антенны поместится парочка высоких людей
Ну и вторая возможность усилить сигнал - уже на стадии приёма. Наш главный враг здесь - рассеяние. Чем дальше передатчик от приёмника, тем больше рассеяние и, как следствие, сигнал слабее. Рассеяние значит, что на единицу площади мы получим меньше, в нашем случае, фотонов радиоволн от передатчика, чем могли бы без него. Очень условно, чем ближе к костру мы находимся, тем больше тепла получаем - а с расстоянием тепла на единицу площади приходится меньше. Ну и раз мы хотим получить больше фотонов с передатчика, нужно сделать большие принимающие антенны, которые будут фокусировать весь полученный сигнал в виде фотонов от нашего аппарата в одну точку. Здесь нам опять помогают параболические зеркала. Есть пучок параллельного света от прожектора, который хочется собрать в одну точку. Есть параболическое зеркало. Оно может этот параллельный пучок света собрать в своём фокусе, главное - направить зеркало - принимающую антенну - правильно.
На Земле для приёма сигналов космических аппаратов использовалась Сеть дальней космической связи НАСА, или же просто DSN. Эта сеть включает в себя сеть параболических антенн в США, Испании и Австралии для круглосуточной связи с аппаратом в любой точке небесной сферы. В каждой точке установлено 3 или более 34-метровых (в диаметре) антенны и одна 70-метровая, что позволяет спокойно говорить об усилении сигнала с Кассини в 10^7 раз.
70-метровая антенна сети DSN NASA - конкретно эта антенна находится в Калифорнии
Суммарно получаем скорость передачи данных с орбиты Сатурна в пределах от 10 до 160 кбит/с - что медленно даже для 90-ых. А приборы продуцируют информацию гораздо быстрее, чем Кассини способен отправить. Более того, помимо показаний научных инструментов, нужно присылать на Землю регулярные отчёты о состоянии аппарата, иногда получать команды с земных антенн…
Кодирование всей необходимой для передачи информации - задача, опять-таки, космически сложная и нетривиальная. С одной стороны, из-за скорости отправки сигнала нужно его максимально сжимать, а с другой, при столь сильном ослаблении сигнала и огромных расстояниях между передатчиком и приёмником, нужно заботиться о помехоустойчивости: единственная ошибка в данных может привести к неправильной интерпретации, к ложному показанию прибора, к ложному знанию. Чтобы единственная ошибка не привела к потере данных, необходимо дополнять данные избыточными по определённым правилам. Эти правила позволяют при ошибке в какой-то из частей восстановить реальные данные.
Здесь я просто скажу, что далеко не все данные в целом покинули Кассини, а те, что всё-таки были отправлены на Землю, были сжаты для уменьшения размеров самих данных (что, тем не менее, могло приводить к их искажению), но в то же время дополнялись специальными избыточными данными, т.е. проводить процесс, обратный сжатию.
Антенна есть - нужно ещё направить сигнал. Если наша антенна будет отправлять сигналы в далёкий космос, нам от него не будет никакого проку. На столь огромном расстоянии даже малейшая ошибка в определении реального положения аппарата и необходимого положения для связи с Землёй чревата значительным ослаблением сигнала, если не сразу потерей связи. Вроде бы в этом отношении не должно возникать особых сложностей: просчитай ещё до самого полёта все необходимые положения, да отправляй на аппарат команды, чтобы он в нужные моменты поворачивался. На аппарате можно прописать модель солнечной системы, из расчётов на которой и из внешних способов определения положения он будет знать своё положение относительно Земли. Раз он сам будет знать своё положение, он сможет сам, при опасных ситуациях, связываться с Землёй - и можно дальше жить спокойно.
По счастью, сложности, способные препятствовать нормальной деятельности аппарата были давно известны. В первую очередь я говорю про эффекты Теории Относительности. Раз уж мы пользуемся часами на космическом корабле (нужно же запустить движки в момент Икс, а не когда солнечный ветер переменится), их ход будет иным вследствие иной близости/дальности массивного Солнца и относительной скорости Земля-Кассини. Т.е. программу нужно вбить ещё и поправки на часы, что должны работать автономно - нам посылать команды на Кассини так же сложно, как и получать с него информацию, и регулярно это делать нецелесообразно - передача информации и так ограничена в своих объёмах из-за скоростей, и кроме того для передачи с Земли энергозатратна. Занимать даже немного времени и энергии для ежедневных сеансов на поправку часов вылилось бы в потерю и так сжатых данных и, не будем забывать, в копеечку для NASA.
Более того, возвращаясь к определению эффектов с часами, Кассини должен сам очень хорошо ориентироваться в окружающем его пространстве и чётко понимать своё положение среди Солнца и планет, чтобы такая программа работала, а в теории и сама могла настроиться на Землю в случае непредвиденной ситуации. Такая программа была создана, и Кассини ею активно пользовался - притом вполне успешно. Разумеется, навигация в космическом пространстве нужна не только для непредвиденных ситуаций, и именно с Кассини связана ещё не одна интересная история. В одной из них тоже замешана Теория Относительности, однако сейчас нам нужно кратко окунуться в последний пункт программы с тарелками.
Так уж вышло, что аппарат Кассини должен двигаться с большой скоростью относительно Земли и, соответственно, должен испытывать Эффект Доплера. Когда мимо вас проезжает карета скорой помощи с включённой сиреной, её звучание слышно по-разному, пока она приближается и отдаляется. Так и с радиоволнами, хотя для того, чтобы почувствовать такой результат нужны приличные скорости, наподобие космических. Не будь частота важна, мы бы не сильно заметили эффект Допплера. Тем не менее, принимающие антенны на Земле настроены на узкий диапазон частот, которые могут воспринимать - и без различных правок к сигналу или самим антеннам они не смогут принять нужный сигнал. Кроме того, дешифровка сигнала сильно полагается на знание о его частоте. Снова помогает знание траектории аппарата: в каждый момент времени мы знаем его положение и скорость, можем рассчитать влияние эффекта Доплера - и как результат, справляться с этим препятствием заранее. Опять-таки, можно оказать компенсирующее воздействие на двух уровнях: на аппаратном и на стадии приёма сигнала на Земле. На уровне аппарата передатчик искусственно менял частоту сигнала так, чтобы скомпенсировать эффект Допплера хотя бы частично. На уровне приёмных антенн возможно немного корректировать диапазон принимаемых частот. И снова, знание аппаратом своего положения и моделирование скоростей невероятно помогает больше времени уделить отправке научных данных без потерь из-за неучтённых физических факторов.
визуализация эффекта Доплера для света. Эффект Доплера напрямую связан с "красным" смещением, повсеместно встречающимся в астрономии, но и для нас в космонавтике может иметь значение
Теперь можно заканчивать - взглянем же на весь этот массив инженерной мысли, направленный только в сторону связи между Землёй и Кассини. Впечатляет, хотя это далеко не вся информация, которую можно было бы вспомнить про его системы связи: про сами частоты, к примеру, можно было бы рассказать много, как и про кодирование телеметрии - данных с аппарата, как и про вспомогательные системы связи. А казалось бы, что может быть проще радиосвязи для космической миссии, когда эта же технология используется уже полвека везде, где можно? Под конец хочу ещё сказать, что с помощью всей этой системы связи, ещё на подлёте к Сатурну, Кассини смог с беспрецедентной точностью измерить один из параметров системы Параметрического Постньютоновского Формализма - ППН - и это измерение позволяет говорить о том, что теория гравитации Эйнштейна максимально близка к истине, тогда как на альтернативные были наложены жёсткие ограничения.
О сути эксперимента и результата я ещё расскажу в одной из последующих заметок, а пока предлагаю ужаснуться ослаблению сигнала в 100000000000000000000000000000 раз, поразиться глубине инженерной мысли, что раз за разом преодолевает подобные препятствия, и жить дальше, зная чуть больше.
8 лет назад, сгорев в атмосфере Сатурна, космический аппарат “Кассини” завершил своё почти 20-летнее путешествие от Земли до Сатурна. Дважды продлённая миссия этого космического аппарата была направлена на систему Сатурна: сам газовый гигант, его кольца и спутники.
Собственно, это был первый аппарат, что вышел на орбиту Сатурна и изучал его не на пролёте, но целенаправленно. Изучение на протяжении многих лет позволило совершить куда больше научных открытий, чем ранние миссии Пионеров и Вояджеров. Самые яркие прорывы, которые можно назвать уже сейчас - это открытие водяных гейзеров на Энцеладе - одном из крошечных ледяных спутников Сатурна, и посадка зонда на поверхность Титана - крупнейшего спутника Сатурна с плотной атмосферой и, как выяснилось примерно в то же время, вполне себе жидкими морями и реками из жидких углеводоров. В некотором роде, открытия Кассини-Гюйгенса позволили переписать учебники по астрономии, давая даже немного работы астробиологам в их нелёгком поиске внеземной жизни.
фотография Энцелада с теневой стороны, в нижней части фотографии явно видны гейзеры, оставшиеся от них облака льда, содержащие в себе следы органики
сопоставление фотографий при пролётах аппаратом Кассини Титана с радиокартографированием - видно изменение береговой линии, притом точный источник явления неизвестен до конца)
единственная фотография с поверхности Титана, переданная зондом Гюйгенс. Для облегчения восприятия была повышена контрастность фотографии
Итак, давайте внятно определимся, каковы были задачи для аппарата. Если совсем кратко, то было необходимо донести большое количество научного оборудования и спускаемый зонд до системы Сатурна, питать весь аппарат около десятка-двух лет, отправлять научные данные на Землю, уметь маневрировать для более полного осмотра системы Сатурна, и выполнить ещё сонм чуть менее заметных задач, не вошедших в этот список - и всё это обладая знаниями и технологиями из 90-ых. Задач много, и каждая требует пристальнейшего внимания - любая поломка может привести к преждевременной гибели миссии, и мы не получим ничего с тех усилий, что уже были вложены в аппарат…
С энергией в космосе вообще сложновато, т.к.половина способов получения энергии на таких масштабах времени без регулярного техобслуживания у нас, оказывается не работает: большая часть нынешних способов получения электричества заключается в использовании некоторого явления, что должно вращать турбину. Однако обычно после запуска с аппаратом невозможно что-либо сделать - разве что обновить программное обеспечение. Поэтому от движущихся частей на космических аппаратах пытаются избавляться - любой износ, поломка, смещение частей аппарата, воздействие полей могут вызвать поломку этой части и, вероятно, скорое прекращение миссии. Выработка энергии - невероятно важная задача для любой космической миссии, и здесь обходятся обычно двумя решениями: солнечные панели и РИТЭГи - Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы. Оба решения имеют свои особенности в работе, свои преимущества и недостатки, особо проявляемые в контексте временного периода.
Солнечные панели, очевидно, требуют солнца для работы, буквально преобразуя попадающий на них свет в напряжение между пластинами, создавая ток. Но есть в солнечных батареях парочка недостатков, сильно проявляющих себя в условиях, где мы хотим их использовать. Для начала, солнечные батареи сами по себе, на самом деле, малоэффективны - даже сейчас КПД в 20% считается большим. Этот минус усугубляется и пунктом нашего назначения, в который мы отправляем наш Кассини-Гюйгенс - в 10 раз дальше, чем уже сейчас (а значит солнечного света будет в 100 раз меньше на ту же площадь в идеальном случае) и ужасаемся площади, необходимой для покрытия наших хотелок в энергии. Даже если предположить, что мы сможем обеспечить необходимую площадь для перекрытия энергетических нужд солнечными панелями (т.е. иметь примерно в 100 раз большие солнечные панели, чем около Земли), приходят обычные космические проблемы: габариты и масса.
С учётом того, что солнечные панели не абсолютно плоские и вполне себе весомые, и единственный способ их упаковки заключается в складывании (что требует дополнительных поддерживающих ферм, огромного количества специальных шарниров, специальных соединений и прочих сложностей при больших рисках, связанных с отсутствием техобслуживания), такой аппарат банально может иметь слишком большие массу и объёмы, чтобы довести это дело до точки назначения в виде Сатурна. И опять-таки, если решим проблему доставки аппарата с такими гигантскими панелями, столкнёмся с комплексом проблем от огромной площади аппарата: ограниченная манёвренность вследствие низкой жёсткости всей конструкции, микрометеоритная бомбардировка, что особо актуально для Сатурна - микрочастицы пыли далеко не полностью собраны в кольца - и далее по списку.
РИТЭГи же - несколько иная тема. Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы преобразуют тепло, выделяющееся в большом количестве от распада радиоактивных элементов, в электричество. Замечательное решение для миссий, что не требуют сильно большого количества энергии и отправляются в далёкий космос. Нам парочки таких хватит, пусть они тяжёлые и жутко дорогие.
Если бы не совсем недавно произошедшие с разницей в 3 месяца сначала катастрофа шаттла Челленджер, а потом - авария на Чернобыльской АЭС, проблем с РИТЭГами бы вообще не было. Однако, на фоне развившейся радиофобии, полёты аппаратов, содержащих любые потенциально токсические вещества - в особенности, радиоактивные - встречали волны протестов. Тем более, что уже существовал аппарат, что полетел с РИТЭГом и вернул в земную атмосферу около килограмма распылённого ядерного топлива. Авария аппарата Transit 5BN-3 в 1964, что шёл с РИТЭГом SNAP-9A {5} была одним из основных аргументов в протестах.
РИТЭГ SNAP 9A, вызвавший радиационное загрязнение атмосферы при неудачной попытке вывода на орбиту очередного спутника Transit'а. Большая часть радиационного загрязнения пришлась на южное полушарие
РИТЭГ GPHS, работавший на Кассини. Аналогичные ему по строению летали на аппаратах Galileo, Ulysses, New Horizons. Эта махина весит почти полцентнера и содержит в себе около 11 килограмм диоксида плутония-238
Тем не менее, уже с 70-ых годов в NASA разрабатывался особый тип РИТЭГов - GPHS {6}. Если коротко, то ядерное топливо содержалось в особом контейнере из иридия, способном пережить взрыв ракеты на старте или в воздухе, огромные нагрузки - в общем, давно был рассчитан на худший вариант развития событий, и потому запуск был разрешён даже на волне радиофобии. Протесты не могли пересилить многолетние разработки и испытания… В общем, поставить радиоактивную батарейку разрешили - первый вопрос решён.
Однако просто поставить РИТЭГи на случайное место на аппарате нельзя. Всё-таки штука горячая, особенно ближе к старту, да ещё и фонит немного - аппарату требуется смотреть на магнитные поля вокруг, обследовать радиационный фон.. В общем, расположение РИТЭГов - ещё одна задачка со звёздочкой для разбора.
Конкретно в этот раз нас встречает такая проблема: учёные хотят поставить на аппарат магнитометр, дабы очень точно измерять магнитные поля около Сатурна и его лун. А раз это помогает им узнать внутреннее строение планет, они хотят высокую точность, чтобы точнее знать внутренности! Если вдаваться в цифры, учёные хотят точность от нескольких наноТесла (10^-9 Тл или 0,000000001 Тл) до Гаусса (10^-4 Тл или 0,0001 Тл). Для сравнения, магнитное поле Земли около поверхности имеет напряжённость около 30-50 мкТл (они же 30 000 - 50 000 нТл, они же 0,3-0,5 Гаусса). Неодимовый магнит может иметь напряжённость магнитного поля около 1 Тл - действительно мощная штука. Вернёмся к аппарату: чтобы точно не было значимого влияния на результаты изучения полей, мы должны уменьшить поле аппарата до примерно 0,2 наноТесла или же 200 пикоТесла, с такими помехами учёные готовы мириться.
Но вот незадача: магнитные поля появляются от очень многих источников, что мы ставим на аппарат: двигатели, электрические системы электрогенераторы… На самом деле, электроника является немалой проблемой: на Кассини было порядка 1,5 тысяч электрических компонентов, более 20 тысяч соединений проводами общей длиной в 14 км. Условно можно представить себе хаотичную систему из сотен, тысяч компьютеров, сложенных вместе в огромную стопку, высотой в 6 метров, диаметром в метра 4-5. Такая штука будет фонить даже на десяток метров на тысячи, десятки тысяч нанотесла при рассматривании на расстоянии в десяток метров. Здесь, на деле, ситуация схожая с вопросом от РИТЭГов, но о ней позже.
Как-то же нужно решить проблему шумов хотя бы от только что разрешённых РИТЭГов? Иначе на аппарате получится мёртвый груз на миссии, куча научных задач не будет решена - и инженерам дадут по шапке! Но ладно, можно вновь обратиться к прошлому опыту, возможно что-то добавив новое. В конце концов Кассини - не первый аппарат, летящий с магнитометрами и РИТЭГами… Ну и что, что первый столь большой, и сразу с 3 генераторами против летавших ранее на одном-двух?
Если посмотрим на относительно давние миссии - к примеру, Вояджеры 1 и 2, то увидим такое решение: вынесем магнитометр на длинную выдвижную балку (свыше десятка метров), там помехи аппарата будут минимальны. Ну а раз Вояджеры просто пролетают мимо планет, у которых нужно понять: есть магнитное поле или нет - в общем можно ограничиться пространственным разнесением. Если проще, можно представить, что магнитометр - это некий слушатель, магнитные поля - интересующий его концерт, а аппарат со своими РИТЭГами - шумная компания, приведшая этого слушателя послушать, но почти не замолкающая. Естественно, слушающий музыку захочет отсесть от шумной компании - но отзвуки всё равно могут доноситься. Однако пока аппарат просто пролетает мимо планеты, нам нужно в целом понять, есть ли магнитное поле у планеты или нет, возможно узнать его примерные порядки значений - но не точное картографирование магнитных полей. Если на концерт не удастся попасть полностью, слушатель просто хочет услышать, он вообще идёт или нет, узнать его жанр - и отдаляется чуть дальше от своей группы.
траектория полётов Вояджеров. Пролёты мимо планет длились несравнено меньше тех лет, что проводили на орбитах Галилео и Кассини
В общем, Вояджеры свою задачу на пролёте сделали - показали, что магнитные поля у гигантов есть, в целом не сильно отличные по мощности от земного, так что следующим аппаратам будет что изучать. Собственно, Кассини и будет изучать Сатурн…
Далее с похожей проблемой столкнулся Галилео. Этот аппарат был относительно мелким, и его магнитометр находился на балке, длиной всего в 4,8 метра - не чета тем десятиметровым гигантам, что мы обсуждали ранее. Тем не менее, требования к аппарату были аналогичны Кассини: Галилео выходил на орбиту Юпитера и должен был картографировать магнитное поле системы. Инженеры на Галилео извернулись достаточно эффектно: у собранного аппарата было измерено суммарное поле в точке будущих измерений, притом был известен вклад каждой системы, каждого прибора аппарата. Трудоёмкая работа, требующая особого оборудования в виде крупных камер Гельмгольца, что нивелируют магнитное поле Земли. Учитывая такой объём доступной информации, можно достаточно просто написать программу, что будет вычитать из показаний магнитометра помехи с аппарата, даже учитывая, какие системы на момент активны, и какие - нет. Продолжая аналогию с музыкой, слушатель смог игнорировать шум товарищей, абсолютно не обращая внимания на их болтовню, будто бы не слыша его. Если его пошлют на все 4 стороны 3 буквами, он услышит, но сможет заигнорить (хотя зарубку сделать сможет..).
Галилео при сборке. Можно немного прикоснуться к масштабам аппаратов, потому что на бумаге, по личным ощущениям, не воспринимается масштаб аппарата по сравнению с людьми
В целом, метод хороший, но имеет несколько минусов, что не позволят использовать в чистом виде на Кассини: в космических условиях никогда нельзя предугадать, как именно будет меняться система: возможно некий сигнал на антенне что-то поменяет в электрической схеме, где-то может произойти ошибка от наведённого на электронную схему заряда, где-то система может деградировать (привет РИТЭГам), ещё куча “может”, что за многие года миссии может создать приличную ошибку. Вероятнее всего, эта ошибка накапливается достаточно медленно, чтобы можно было о ней не беспокоиться, однако нам критически важен иной момент: Кассини невозможно запихнуть в камеру с достаточно точным нулевым магнитным полем (то есть достаточно мелким, чтобы мы могли на него забить при замерах), чтобы замерять его собственное поле. Галилео, в отличие от Кассини, был достаточно мелким, чтобы такая камера могла удовлетворить всем условиям.
Есть ещё аппарат - Улисс. Он использовал единственный РИТЭГ в своей конструкции, но имел важную задачу по исследованию магнитного поля Солнца, в частности, вне плоскости эклиптики (в которой вращаются планеты солнечной системы). Здесь инженеры пошли более хитрым путём экранирования сигнала от генераторов.
инженеры устанавливают РИТЭГ на Улисс. Вскоре они будут изучать солнышко - но сначала полетят к Юпитеру
Магнитное поле вполне себе поддаётся, при расчёте, различным математическим трюкам. Одним из таких трюков является правило суперпозиции: суммарное поле есть сумма полей от источников (обычно говорят про диполи - элементарные, простейшие источники магнитного поля). Можно создать нулевое поле, если в одно место положим 2 идентичных по всем параметрам магнита, но с разными направлениями полей - поля друг друга уничтожат по правилу суперпозиции. Попробуйте соединить два магнита с холодильника так, чтобы они притягивались друг к другу: север одного притянется к югу другого. После этого он не будет притягиваться к холодильнику так же хорошо, как и прежде - а если магниты обладали примерно одинаковой силой, то не будут притягиваться и удерживаться вообще.
Если говорить о реальной задаче, то любое магнитное поле можно попытаться разложить на конечное число полей, создаваемое своими диполями (как самыми простыми магнитными источниками поля). Если мы сможем очень хорошо понять структуру всего магнитного поля вокруг нашего источника, мы можем его описать достаточно точно в рамках модели через эти самые диполи. Если очень близко к ним расположить диполи с обратным направлением поля, но в остальном одинаковые, можно получить нивелирование, исчезновение суммарного поля от этого диполя, на требуемом расстоянии. Если говорить аналогиями, в данном случае они пошли по пути активного шумоподавления: слушатель надел умные наушники, что на шум компании накладывает “антишум”.
Примерно по такому пути и пошли инженеры при создании Улисса. При активации системы компенсационных катушек, поле аппарата становилось почти нулевым, что позволяло изучать межпланетное пространство без помех. Хорошая система, но требует полного картографирования аппарата (как у Галилео), а вдобавок к тому, забирает некоторое количество электричества, генерирует тепло, и сработала, вообще-то, для одного РИТЭГа - когда у нас их должно быть аж 3 штуки, что прилично нагрузит систему…
Краткое отвлечение на электронику: обычно её компенсируют именно таким образом. Любой проводок является источником магнитного поля. Это магнитное поле, если требуется, можно компенсировать проводом, что идёт очень близко к нашему изначальному, но с обратным направлением тока. Такая система практически нивелирует магнитное поле проводов. Электрические системы можно уже регулировать катушками.
Так, мы что-то говорили про сложение полей, и у нас 3 мощных источника тока - а давайте сложим наши три поля именно таким образом, что поля сложатся в ноль - мы же складываем вектора, стрелочки, как на геометрии. Проблема разве что в том, что с доступными технологиями невозможно знать точно поле всего аппарата - нет достаточно больших установок, что позволяли бы измерять поле достаточно точно. Ну да ладно, можно поставить очень большую стрелку магнитометра - получилось вынести на 11-метровую балку - и замерить поле, возможно, не от аппарата - с ним ещё можно разобраться потом - но от РИТЭГов в специальной камере. Поля всех приборов потом тоже замерим, будем, как на Галилео, вычитать их поле, если не получится их вообще не создавать/нивелировать сразу пассивно, как описано ранее, особыми расположениями проводов.
Было сложно, но эта самая камера для замеров магнитного поля была создана, калибровка на поле Земли была сделана - и инженеры смогли достаточно точно картографировать поле всех 4 РИТЭГов, что проходили испытания. Да, четырёх - как и всякая другая система, они делались с запасом, проходящим испытания наравне с остальным оборудованием. И да, изначально планировалось, что полетит всего 3 РИТЭГа. По результатам моделирования вышло, что нужно взять генераторы F2, F6 и F7 - тогда как F5 давал чуть худшие результаты.
И вот почему вообще возник вопрос с историей этих генераторов, почему я вообще пишу сейчас эту заметку, дорогие читатели - их расположение! Если вы присмотритесь к любым моделям, фотографиям и прочим изображениям Кассини, вы сможете обнаружить, что они расположены несимметрично! Они расположены “криво”!
вид 3D модели Кассини сзади. Видно, что РИТЭГи стоят “криво” - и эта кривость побудила меня написать эту статью
В ходе моделирования были выбраны лучшие положения РИТЭГОв, что можно рассмотреть на картинке: на 12, на 2 и на 6 часов, при расположении магнитной стрелы на 12 часов. По итогам такого расположения суммарные помехи от генераторов смогли уменьшить до приемлемых 114 пикоТесла - результат, много лучше требуемых в самом начале 200 пТл.
Если вновь вернёмся к аналогии со звуком, то можно представить, что если товарищей слушателя расположить в определённых местах, они в месте у самого слушателя будут друг друга перекрывать - с людьми такое сложно сделать из-за непостоянства их разговоров, но с приборами... При создании аудиторий обычно делают таким образом усиление для слушающих, и оно прекрасно работает. Однако таким же образом возможно создать и ослабление звука…
Подводя итоги, хочу сказать, что эта история с РИТЭГами крайне интересна не только тем, что инженеры были такими умными, что смогли решить всё максимально красиво (хотя, конечно, и об этом). Мы прошли маленький путь от незаданного вопроса “Почему РИТЭГи криво стоят” до ответа на него, даже не задавая напрямую этот вопрос, просто изучая историю - мы сами пришли к такому ответу, решая постепенно встающие проблемы. Есть свой шарм в исследовании чего-либо в развитии при наблюдении среза, будь то история, инженерная работа, эволюция - что угодно…
Чтож, на этом история с энергией на Кассини подходит к концу - если только я не упустил чего-то невероятно важного, прошу тогда кинуть в меня тапком в комментах. Если же я их не словлю, в следующий раз обсудим, каким образом вообще была организована сложная связь между Землёй, Кассини и зондом Гюйгенс, какие проблемы вставали на пути, и как их решали.
Смешно. Здания, построенные, типа римской цивилизацией, существуют и эксплуатируются до сих пор. Уже это говорит о том, что этим зданиям совсем не тысячи лет, а пару сотен, максимум лет 500 с натягом, поскольку кирпич больше не выдержит.
Античный архитектурный стиль прослеживается на всех континентах. Вот архивный снимок центральной части Пекина в конце 19-го века. Какая древняя, однако, китайская цивилизация :). Как такое могло быть? А где пагоды и всё такое, китайское?
А это Япония:
А получается, судя по анализу построек, которые были однотипны до 19-го века и в Японии, и на американских континентах, и в Индонезии, и в Австралии, получается, что под Римской цивилизацией подписалась единая планетарная цивилизация, с такими технологиями, которые мы до сих пор повторить не можем даже на примитивном уровне. Мы просто не понимаем как это строилось и лишь предполагаем, что система измерений была многоуровневой и намного совершенней чем современная.
В строительстве каждого здания, каждой статуи и даже предмета быта, закладывались математические пропорции золотого сечения и других постоянных соотношений, на которых построена вся живая и " не живая" природа планеты. И поэтому древние постройки так приятны глазу, а их энергетика потрясает.
Достаточно вспомнить такие меры времени, как Миг ( 1 миг примерно равен 0,0000005 секунды). и Сиг (1 сиг равен 0,000000003 секунды. Это значение следует из древней системы измерения времени, в которой 1 сиг равен 30 колебаниям электромагнитной волны, излучаемой атомом цезия).
Наивно полагать, что древние "римляне" строили свои здания методом тыка. Имея понимание размерности Сига, сразу возникает, как минимум, пару вопросов: Каким образом они это узнали и зачем им нужна была такая мерность?
Наша цивилизация, лишь недавно подошла к таким мерам, и даже более короткой - зептосекунде. Там после запятой 20 нулей - это время за которое свет пересекает молекулу водорода. Это случилось всего несколько лет назад, в 2021 году. При этом, развитие науки и технологий подошли вплотную к черте пилотируемых межпланетных полётов.
Современному человеку может показаться практически невозможным, что когда-то здания строили люди, никогда не державшие в руках калькулятора, не знавшие сопромата и не имевшие калиброванных строительных материалов серийного выпуска. Разве возможно просто взять и построить дом, не проведя расчётов и не зная свойств материалов? Не должны ли были островерхие средневековые соборы развалиться в первые месяцы после их постройки?
В этой статье я хочу исследовать историю развития строительной науки в Европе. Хотя матаппарата у древних не было, но какая-то наука, какая-то теория о том, что стоит, а что падает, у них была. Мы рассмотрим четыре знаменитых купола, каждый из которых может символизировать целый этап развития европейской архитектуры, и отдельно – погрузимся в методику архитектурного моделирования, которое отчасти возмещало предкам недостаток вычислительных мощностей.
У вас может возникнуть закономерный вопрос: почему как объекты изучения были выбраны именно купола? Я считаю, что купол – это один из сложнейших архитектурных элементов, требующий для своего возведения умения, аккуратности и, самое главное, точного понимания строителем, что именно ему надо построить. При этом каменный купол нельзя было «подсмотреть» в живой природе: он слишком отличается от всех других естественно встречающихся сводчатых структур.
Купол первый: Пантеон (I-II вв. Р.Х.)
Купол Пантеона. Обратите внимание на сложную форму бетонных плит, формирующих свод купола
Один из самых узнаваемых символов архитектуры древнего Рима – это величественный Пантеон. Храм был возведён где-то в промежутке от 30 года до Р. Х. до середины второго века Р. Х. Такой разброс связан с противоречивостью исторических источников – не совсем ясно, является ли нынешний Пантеон реконструкцией более древнего храма, или был возведён с нуля после 100 года.
До сих пор Пантеон держит за собой титул самого крупного купольного здания из неармированного бетона в мире. Диаметр купола составляет 43,2 м, а высота от пола до верхней точки купола – 43,57 м.
Купол состоит из концентрических колец, которые отливались из бетона по месту, удерживаемые кирпичной стенкой, расположенной с внутренней поверхности купола. Именно эти кирпичи оставили квадратные углубления, украшающие внутреннюю поверхность купола. Против ожидания, они не несут никакой структурной функции и являются исключительно декоративными элементами.
Такую структуру было невозможно построить без каких-то научных знаний, и Рим обладал этими знаниями. Римская наука была прагматичной и приземлённой: римляне не находили интереса в построении стройных теорий, их интересовали практические результаты. Поэтому и римская архитектурная наука, насколько мы знаем, больше напоминала сборник практических рецептов и расчётных приемов, чем современную систему механики и сопромата. Практически всё, что мы знаем о римской архитектуре, мы знаем из одного из двух источников: либо из исследований археологов, либо из трудов древнеримского архитектора, строителя и инженера Витрувия. Остановимся чуть подробнее на фигуре этого выдающегося учёного древности.
10 книг об архитектуре, издание 1521 г.
Марк Витрувий Поллион жил на рубеже эпох, родившись в 80-70 гг. до Р. Х. и умерев уже во втором десятилетии новой эры. Для всей европейской цивилизации он известен, в первую очередь, как автор "Десяти книг об архитектуре" - энциклопедии научной мысли Античности в области строительства и инженерного дела.
Его сочинение было написано в дар императору Октавиану Августу, который оказал поддержку не слишком успешному архитектору, но компетентному военному и гражданскому инженеру Витрувию. Единственный крупный архитектурный заказ, о котором тот сообщает - это постройка базилики в колонии на берегу Адриатического моря по заказу Августа. Помимо этого, Витрувий занимался изготовлением военных машин во время службы в армии Цезаря и гражданским строительством (в том числе - постройкой канализации) при Августе.
Трактат не снискал популярности у современников, и значение его раскрылось лишь после падения Империи. Витрувий создал поистине научный труд (основанный на трудах по крайней мере 37 его предшественников!), в котором постарался дать объяснения, как и почему нужно выполнять широкий спектр строительных и инженерных работ. Особенно примечательным мне кажется акцент, который он делает на эстетике и гигиене строительства: красота постройки и правильное её размещение в ландшафте ничуть не менее важно, чем её прочность и практичность.
Разумеется, "10 книг об архитектуре" не могли бы завоевать свое место в истории лишь за счёт философских размышлений об эстетике и организации работ. Они были незаменимы не только как научный труд, но и как практическое руководство. Среди прочего, в книге обсуждаются:
свойства строительных материалов;
проектирование зданий с учётом пропорций человеческого тела (почти за 2 тысячелетия до Ле Корбюзье!);
методики проектирования куполов и арок;
и практическое руководство по построению машин и механизмов для военного дела и гражданского строительства.
В Средние Века рукопись сохранялась и переписывалась в монастырях, и была единственным источником, сохранившим знания о строительстве древних римлян. Особенное значение эта прямая преемственность приобрела в эпоху Возрождения, когда идеалы классицизма и ориентация на Античность сделали её настольной книгой для всякого инженера и архитектора.
Интермедия: моделирование и свойства строительных материалов
Императоры Константин и Юстиниан преподносят Богородице модели Константинополя и собора Святой Софии. Айя-София, Стамбул.
Однако, сочинение Витрувия не содержит исчерпывающих сведений о том, как построить надёжное здание. Скорее всего, она служила скорее не учебником, а справочником для уже состоявшихся архитекторов, которые знали, как достигать поставленных ими целей. Итак, вопрос того, как же древние архитекторы ухищрялись строить прочные здания, остаётся открытым. Ответ на него состоит из нескольких частей.
Во-первых, конечно, мы, живущие на сотни и тысячи лет позже даты возведения этих монументальных строений, просто имеем больше шансов увидеть те здания, которые были возведены удачно. Те, в конструкции которых были внесены слабые места, просто развалились в далёком прошлом и уже забыты.
Во-вторых, для некоторых зданий вовсе и не требуется сложных расчётов. Традиция позволяет за столетия отбраковать все нерабочие конструкции и оставить в употреблении только те, которые лучше всего себя показали.
И, наконец, в-третьих, им помогали свойства материалов, из которых они строили.
Дело в том, что далеко не любой материал позволит так вольно с собой обращаться, как камень. Если вы возьмете деревянную или глиняную модель здания, уменьшенную в 10, 100 раз, вы можете построить из камня пропорционально увеличенную копию этой модели, практически не внося в её устройство изменений, и полученное здание будет стоять. Можно легко привести массу примеров обратного: очень большой бумажный самолётик не будет летать, как маленький; песчаный замок, увеличенный в 10 раз, просто развалится; из спичек или макарон можно построить мост, который выдержит вес человека, но нельзя построить автомобильный мост.
Секрет этого поведения заключается в двух свойствах, которые присущи большей части скальных пород, которые используются в строительстве:
Огромная прочность на сжатие: крайне тяжело раздавить камень под грузом.
Изотропность, то есть одинаковость свойств камня во всех направлениях (и одинаковость свойств маленького камушка и огромного булыжника)
Прочность на сжатие плотного кристаллического известняка – одного из самых популярных вариантов материала для средневековых соборов – составляет в районе 40-150 МПа. Тяжело понять, насколько это много: большую часть истории человек был практически не способен создать такого сооружения, чтобы раскрошить плотный камень в его основании. Давление 100 МПа достигается в коре Земли на глубине 10 км, на кончике острой иглы при шитье или в струе гидроабразивного станка, с помощью которого можно резать листовую сталь.
При этом прочность на растяжение у камня в десятки раз меньше, и, к тому же, он хрупок: легко идёт трещинами. Из камня нет смысла делать структуры, работающие на растяжение и сгиб, такие как балки. Их нужно делать из дерева: вдоль волокон дуб показывает такую же прочность на разрыв, как камень – на сжатие. Эта пара материалов, камень и дерево, во многом и определила облик всей средневековой архитектуры.
И сейчас самое время сказать: «но ведь главный строительный материал современности – бетон, и у римлян тоже был бетон! Значит, их строительные материалы были принципиально лучше!». Позволь не согласиться, мой удобный выдуманный оппонент с очевидно неправильным мнением: в наши дни мы пользуемся не бетоном, а железобетоном.
Добавили всего три слога – но разница свойств кардинальная. За счёт армирующих стальных конструкций железобетон имеет такую же прочность на сжатие, как камень, и в пять раз большую прочность на растяжение, чем дерево. По сути, с момента изобретения современного железобетона у архитекторов отпала всякая нужда в учёте свойств материалов для не слишком крупных зданий, и они могут творить практически все, что взбредёт им в голову, пока соблюдается технология и бюджет.
Римский же бетон был не армирован. По исследованиям, его прочность на сжатие немного меньше, чем у камня, а на растяжение – немного больше. Конечно же, бетон расширял доступный римским архитекторам инструментарий, но не давал им никакого критического преимущества по сравнению с прочими доступными на тот момент материалами. Он просто был удобнее. Детали из бетона могли принимать любую форму и их можно было изготавливать на месте, из сыпучих материалов и воды.
Вернемся к удивительной прочности камня. Нагрузка на конструкции подчиняется закону квадарта-куба. Прочность любого элемента растёт пропорционально квадрату его размера, а его масса (и, соответственно, нагрузка, которую он должен нести) – пропорционально кубу размера. Если вы будете стоить из бумаги, макарон, тонких досок или тому подобных материалов, не обладающих невероятным запасом прочности камня, вы столкнётесь с законом квадрата-куба, попытавшись пропорционально увеличить уже имеющееся здание. В какой-то момент оно просто сложится под своим весом.
Но, до тех пор, пока камень несёт только нагрузку на сжатие, он может снести любые издевательства. Поэтому в течение тысячелетий архитекторы имели возможность проверять реализуемость своих идей используя масштабные модели: если вы построили маленький собор из спичек, и он стоит, то большой собор из камня тоже, скорее всего, будет стоять.
Модель церкви из Ани
Сохранились письменные свидетельства, что средневековые архитекторы активно использовали масштабные модели в своей работе. К сожалению, мне не удалось найти фотографий или рисунков сохранившихся детализированных моделей. Однако сохранилась, например, модель церкви из армянского города Ани, выполненная Трдатом Архитектором (который, помимо прочего, известен восстановлением купола собора Святой Софии, разрушенного землетрясением) в 10 веке. Кроме этого, археологи обнаружили немало моделей зданий, выполненных греческими, китайскими, индийскими, и даже мезоамериканскими архитекторами из керамики, мрамора и других материалов. Разумеется, и римские архитекторы тоже использовали масштабные модели из терракоты в своей работе: правда, скорее всего, они служили скорее для переговоров с заказчиком, чтобы наглядно донести ему видение мастера.
Возможно, лучшие из архитектурных моделей древности выглядели так, как изображено на фреске в соборе Святой Софии, на которой императоры Юстиниан и Константин преподносят Деве Марии в дар модели собора Святой Софии и города Константинополя. Согласно историческим свидетельствам, миланский архитектор Джованнино да Грасси создал прекрасную модель Миланского Собора перед началом его строительства в конце 14 века. В 1398 г. да Грасси создал модель здания, которую городской совет, управлявший ходом работ, признал «примером ясности навсегда и кому угодно [понятным] взамен созерцания самой постройки».
Купол второй: собор Святой Софии (530-е гг. Р. Х.)
Эволюция собора Святой Софии. Справа налево: 1) исходная конструкция римской базилики 2) изначальный облик собора с плоским куполом 3) конструкция с поднятым куполом, установившаяся к XV веку.
У всякого упрощения есть свой предел. Традиция и моделирование позволили человеческому гению достичь многого, но, все же, пасовали перед единственными в своем роде, уникальными проектами.
В течение многих веков, до расцвета готической архитектуры, вершиной инженерной мысли западного мира оставался собор Святой Софии (илл. 3), построенный императором Юстинианом в 530-х годах Р. Х. В высоту он достигал 55 метров, диметр купола - 31 метр, а внутреннее убранство заставило послов, посланных в Константинополь князем Владимиром, сообщить своему господину: «Не знаем, на небе мы были или на земле».
Удивительным образом собор не раз перестраивался и ремонтировался в течение своей многовековой истории. Землетрясения постоянно угрожали величественному куполу: его приходилось перестраивать в 558, 986 годах, и ещё раз - в XIV веке (скорее всего, в 1353 году). Каждый раз купол приходилось перестраивать, поднимая и облегчая: традиционный римский канон купольного строительства достиг своего предела в этом здании.
Купол третий: собор Святого Петра
Деревянная модель купола собора Святого Петра, выполненная Микелеанджело Буонаротти
Ренессанс был парадоксальным временем в науке. С одной стороны, декларировались идеалы прогресса и развития наук. С другой - преклонение перед античностью повредило, по мнению некоторых учёных, самостоятельному, органическому развитию Европы. Пути и методы, найденные средневековыми учёными, отбрасывались ради идеализированных античных образцов.
Собор святого Петра стал первым зданием, превзошедшим Святую Софию по высоте. Его строительство затянулось более чем на 160 лет - срок, который лично мне кажется немыслимым. Да, в истории Европы были и более длинные стройки, но на таком временном масштабе тяжело понять - это все ещё строится одно и то же здание, или сменяет друг друга череда похожих проектов?
Впрочем, от начала строительства до возведения главного купола - самого интересного для нас элемента постройки - прошло "всего лишь" 60 лет, и его вид определили всего два архитектора.
Микеланджело Буонаротти спроектировал систему из пяти куполов - одного большого и четырех малых. Историки приходят к выводу, что он очень долго колебался и не мог решить: строить купол полусферическим или яйцеобразным? На одной чаше весов - авторитет античности и полусферический купол Пантеона. На другой - готическая архитектурная мысль. Архитектором Джакомо делла Порта был реализован, в итоге, яйцеобразный купол, который был и остаётся самым высоким куполом в мире. Похожую, но менее вытянутую, чем в реальности, форму имеет созданный самим Микеланджело деревянный макет купола, сохранившийся до наших дней.
Яйцеобразная, вытянутая вверх форма купола не случайно была тепло воспринята средневековыми архитекторами. Методом проб и ошибок они обнаружили, что купол, тянущийся к небу, стоит крепче и требует меньшей толщины стен.
Это верно не только для куполов: вы можете легко самостоятельно провести эксперимент, демонстрирующий удивительную прочность яйца. Положите в ладонь сырое куриное яйцо так, чтобы тупым концом оно было направлено к запястью, а верхушка лежала на первых фалангах пальцев, и начните сжимать кулак. Такое положение обеспечивает оптимальное распределение сил, и (если в скорлупе не было трещин) вам вряд ли удастся его раздавить. Хотя скорлупа яйца тонкая и хрупкая, само яйцо демонстрирует удивительную прочность.
Купол четвёртый: собор Святого Семейства
Собор Святого Семейства в Барселоне
Завершающий наше рассмотрение купол был спроектирован, но не построен, моим любимым архитектором: Антонио Гауди.
Дворец и парк Гуэля, дома Мила и Бальо и, разумеется – великолепный собор Святого Семейства, Саграда Фамилия, стоят на залитых солнцем улицах столицы Каталонии как памятники своему создателю. Кого-то могут пугать или нервировать органические, обтекаемые обводы его зданий, напоминающих то ли кораллы, то ли грибы или даже строения насекомых. Я же нахожу их завораживающими.
Этот неповторимый стиль – не просто плод каприза творческой мысли. Гауди был практичным человеком и эффективным строителем, который был вынужден работать с соблюдением строгих рамок бюджетов и сроков. Например, при возведении парка Гуэля Гауди покрыл огромные площади мозаикой, которую, для экономии, делал из битой посуды и отходов стекла.
Вот и причудливые формы его зданий обусловлены требованиями эффективности и прочности. Гений мастера заключается в том, что он смог обратить чисто механические, структурные элементы зданий в их неповторимый дизайн.
Как я и говорил в первой части заметки, для современного архитектора проектировать здания без помощи компьютерных программ для моделирования и расчёта прочности – форменное безумие. В эпоху Гауди не получили ещё широкого распространения даже ламповые компьютеры, и наука о прочности материалов была ещё в зачаточном состоянии. Однако, он нашел гениальное решение своих трудностей.
Уже тогда была известна разгадка секрета прочности яйца, о котором мы говорили в прошлый раз. Более научно форму острого конца куриного яйца можно (приблизительно) назвать параболоидом. Эта форма идеальна для строительства куполов и арок, так как в конструкции такой формы вес здания как бы стекает по стенам в землю, только сжимая строительный материал. А нагрузку сжатием камень и кирпич, как мы обсуждали ранее, переносят превосходно.
Чтобы применить это прекрасное свойство параболы, Гауди изобрел методику моделирования зданий при помощи верёвок и грузов. Провисающая верёвка практически идеально повторяет форму параболы. Изображая верёвками колонны и арки, и размещая на них мешочки с песком, соответствующие весу строения, Гауди получал модель распределения нагрузок в будущем здании. Сложная верёвочная структура сама принимала форму, которая будет прочнее всего!
Я не могу описать это решение иначе как «гениальное». Оно не только позволило Гауди оставить свой след в истории человечества, но и прославило в архитектурном мире параболу как самую эффективную форму. Период творчества Гауди совпал с большими потрясениями в консервативной области строительства, с приходом методов математического моделирования и с прагматическим сдвигом в архитектуре.
Заключение
Наше время отмечено печатью технократии. Компьютерное моделирование, большие данные, растущая роль ИИ приводят к тому, что, кажется, всё уже посчитано, все оцифровано. Бухгалтерская строгость и сухость приходит на смену творческому поиску и решению загадок с неясными условиями. Но невозможно всё просчитать заранее, и не всегда мы даже знаем, что и как нам нужно считать. И в таких ситуациях, в которых пасуют компьютерные программы, остаётся лишь встать с природой лицом к лицу и задать ей вопрос, который формулируется на языке эксперимента.
Изначально эта заметка была опубликована в моем телеграм-канале в виде серии постов, чем объясняется достаточно мелкое дробление тем и рваный ритм повествования. Подпишитесь, если нашли её интересной для себя!
Использованные источники:
Джеймс Гордон. Конструкции – почему они стоят и почему разваливаются.
