Сканировал Петр Дружинин

«Земля и Вселенная» 1992 №2



Программа КБ «Салют»:
космические дали
или космические миражи?


В. В. ПАЛЛО,
Зам. генерального конструктора
Конструкторское бюро «Салют»



В последние годы мы, наконец, стали «узнавать в лицо» прежде безымянные и безликие предприятия космической промышленности: НПО «Энергия», НПО «Машиностроение», завод им. Хруничева. Есть и конструкторское бюро «Салют», которое, как и другие фирмы, пытается решить многие проблемы, возникшие сейчас перед космонавтикой.

КБ «САЛЮТ»: ВЧЕРА И СЕГОДНЯ

КБ «Салют» ведет свою летопись с марта 1961 г., когда было образовано самолетостроительное предприятие, специализировавшееся на создании тяжелых стратегических бомбардировщиков. Во главе его стал Генеральный конструктор В. М. Мясищев. Под его руководством создавались такие образцы техники, как дальний бомбардировщик ЗМ (М4), эксплуатирующийся, кстати, до сих пор, и первый сверхзвуковой бомбардировщик M50. В 1960 г. предприятие было преобразовано в ракетно-космическое бюро во главе с академиком В. Н. Челомеем. Здесь в 60-70-х годах была создана самая надежная в мире на сегодняшний день (более 200 пусков) ракета-носитель «Протон», и начато производство тяжелых двадцатитонных космических аппаратов. В 70-80-х годах самостоятельно и совместно с НПО «Энергия» были созданы и запущены орбитальные станции «Салют» и «Мир», многие космические аппараты (КА) серии «Космос» (-929, - 1267, -1443, -1686), модули «Квант», «Квант-2», «Кристалл». Сейчас готовятся модули «Спектр» и «Природа». В 86-87-х годах был создан и первый 100-тонный космический аппарат «Полюс», с которым 15 мая 1987 г. проводился первый пуск ракеты-носителя «Энергия». Сегодня предприятием руководит Генеральный конструктор Д. А. Полухин. Таким образом, спектр задач, решаемых КБ «Салют», - создание ракет-носителей различных классов, разгонных блоков для выведения космических аппаратов (КА) в дальний космос, транспортных кораблей и орбитальных станций, возвращаемых аппаратов и спускаемых капсул,- очень широк.

Ясно, что для запусков этих космических аппаратов требуется еще Центр управления полетом (ЦУП), наблюдательно-измерительные пункты (НИП), находящиеся на территории России, Украины и Казахстана, на кораблях в океане, и многое другое. Поэтому объективно существует необходимость сохранить космическую отрасль общей для всего экономического пространства нашей страны, да и задачи перед космонавтикой должны быть едины. Сейчас нужны, конечно, там, где есть элементы космической отрасли, «республиканские NASA». Их деятельность могла бы координироваться органом вроде Европейского Космического агентства. Доходы же от космической деятельности делились бы пропорционально вкладу в общий комплекс каждой республики.

В то же время, пока будут создаваться новые формы управления космонавтикой и улаживаться различные вопросы между независимыми государствами, отрасль должна как-то функционировать, а для этого должен остаться хотя бы минимальный уровень финансирования, чтобы высококвалифицированный персонал отрасли не разбегался в поисках денег и работы. Поэтому КБ «Салют», не ожидая, пока будут решены все эти вопросы, пытается найти собственную «нишу» для своей деятельности, разработав в инициативном порядке несколько проектов, которые смогут послужить «кирпичиками» для здания «светлого будущего» советской космонавтики.

ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ - ПРОИЗВОДСТВО В КОСМОСЕ?

По всем признакам - об этом говорят многочисленные эксперименты у нас и за рубежом - близится эра космических заводов, на которых в условиях космического пространства будет организовано производство материалов с улучшенными и новыми свойствами. В настоящее время ведутся эксперименты в СССР на автоматическом КА «Фотон», на орбитальном комплексе «Мир» (Земля и Вселенная, 1991, № 6, с. 34.), и на Западе - во время полетов многоразового корабля «Спейс Шаттл». На подходе - специализированные аппараты для исследований и экспериментального производства в космосе небольших количеств материалов с улучшенными свойствами: «НИКА-Т» в СССР, «Eureca» в Западной Европе и «Industrial Space Facility» (Промышленное Космическое устройство) в США.

Полученные к настоящему времени образцы материалов имеют существенно лучшие свойства по сравнению с изготовляемыми в наземных условиях, однако экономическая целесообразность производства того или иного материала в космосе пока не подтверждена окончательно. Это связано - помимо высоких затрат на доставку груза на орбиту и обратно - с несовершенством существующих установок и неотработанностью технологических процессов.

Для успешного производства материалов в космосе необходимо выполнение нескольких условий: факторов космического пространства (невесомость, вакуум), требований технологического процесса (минимальный уровень перегрузок, мощная энергетика, длительность процесса), возможности оборудования.

Исследователи в области материаловедения, биотехнологии и физики жидкости предъявляют довольно жесткие требования к «качеству» невесомости. Реальная невесомость на борту космического аппарата (КА) определяется множеством факторов естественного и искусственного происхождения. Поэтому, идеальная невесомость может быть достигнута лишь в точках, совпадающих с траекторией центра масс аппарата. Любое отклонение от центра вызывает гравитационный градиент, увеличивающийся с удалением от траектории центра масс. Практически это означает, что нужно расположить все технологические установки в центре масс КА, что, конечно же, невыполнимо. К другим естественным факторам, влияющим на уровень невесомости, относятся вращение КА вокруг центра масс, торможение в остаточной атмосфере Земли и некоторые другие. Однако наиболее неприятны периодические и случайные возмущения от систем корабля и особенно от экипажа. Из всего этого следует, что для обеспечения невесомости оптимальным КА для развертывания производства в космосе будет, конечно, свободнолетающая автоматическая платформа. Такой КА может обеспечить уровень гравитационного ускорения не выше 10-5 10-6 g.

Производство материалов для микроэлектроники очень трудоемко, и для него требуется энергопитание в десятки киловатт, причем иногда непрерывно в течение нескольких месяцев. Только при таких мощностях можно, например, получить качественные и нужного диаметра (100 мм и больше) «образцы». Для сравнения: средняя мощность энергоснабжения орбитальной станции «Мир» составляет всего 3-4 кВт, американского «Шаттла» - 7 кВт.

Разные материалы требуют и разных циклограмм работы технологических установок, их выплавляющих, ведь длительность процессов колеблется от нескольких часов до нескольких месяцев. В перерыве между этими циклами производится коррекция орбиты аппарата, ориентирование солнечных батарей и другие динамические операции.

На борту космического аппарата должны быть средства оперативного возвращения на Землю образцов. полученных в результате технологического процесса. Ими могут быть уже разработанные специальные спускаемые баллистические капсулы. Сохранность материалов в них обеспечивается подбором режима торможения и приземления. Все это время на борту капсулы будет поддерживаться заданный температурно-влажностный режим. Поскольку на борту орбитального завода не будет людей, загрузка материалов производства в капсулы и их отстрел должны происходить автоматически.

Наконец, желательно, чтобы орбитальный завод работал на орбите в течение 5-10 лет. Все это время нужно поддерживать в рабочем состоянии не только технологические установки, но и сами системы корабля. Это будет возможно сделать, если выполнить КА посещаемым с кратковременным пребыванием экипажа на борту для проведения ремонтно-восстановительных или профилактических работ. Значит, на его борту нужно предусмотреть системы стыковки с транспортными кораблями и жизнедеятельности экипажа.


Технологический производственный модуль (ТМП). Ракета-носитель - «Энергия», стартовая масса - 101 т, масса на орбите - 88 т, масса технологического оборудования и расходуемых материалов - 25 т; время функционирования - 5 лет, мощность электроснабжения (напряжение 28,5 В) - 5-12 кВт, при напряжении 115 В - 26-57 кВт. Орбита: высота 380-400 км, наклонение - 51,6°. Режим функционирования - автоматический; посещение экипажем - от 1 до 2 раз в год; уровень микрогравитации в зоне технологического оборудования - 10-5-10-6 g


Технологическая установка модуля ТМП

НЕОБХОДИМ ТЯЖЕЛЫЙ КОРАБЛЬ

Анализ этих требований показал, что их можно удовлетворить только путем создания долгоживущего (~10 лет), тяжелого ( -~ 100 т), автоматизированного посещаемого космического аппарата, оснащенного мощной энергетикой (~60 кВт).

Проект такого корабля уже разработан. Он получил название «технологический модуль производственный», сокращенно ТМП.

Этот 100-тонный аппарат может быть запущен с по мощью ракеты-носителя «Энергия». Поскольку сама «Энергия» не выносит полезный груз на орбиту, то это должна будет делать двигательная установка самого ТМП. Эта схема уже прошла отработку и получила свое подтверждение в ходе 1-го пуска р-н «Энергия» 15 мая 1987 г. (Земля и Вселенная, 1988, № 4, с. 5.) с использованием КА «Полюс», опыт создания которого и лег в основу проекта ТМП.

Только при габаритах ТМП и могут быть реализованы те требования, которые предъявляются к орбитальному заводу. При стартовой массе в 101,9 т на рабочую орбиту будет выводиться 88 т, что позволит разместить на борту производственный комплекс с расходуемыми материалами общей массой до 25 т. Предполагается, что основу производственного комплекса составят термоэлектрические печи типа «Кратер», проходящие сейчас испытания на борту комплекса «Мир». Для одновременной работы нескольких технологических установок на борту предусматривается система энергоснабжения повышенной эффективности (напряжение 115 В) на основе солнечных батарей общей площадью 500 м2 при средней мощности 35 кВт (расчетная мощность - 60 кВт). Технологические установки разместятся в зоне центра масс аппарата. Значительные размеры завода (длина 40 м) позволят отодвинуть источники вибровозмущений от технологических установок, а автоматизация операций в пределах производственного цикла поможет избежать присутствия людей на борту КА во время процесса «выпечки». Таким образом, устраняются самые существенные из источников вибрации, влияющих на технологический процесс. В сочетании с правильно выбранными режимами ориентации и работы двигательной установки принятые меры обеспечат диапазон ускорений на борту в процессе производства в пределах 10-5- 10-6 g, что вполне достаточно для достижения высокого качества полученных материалов.

Модуль ТМП укреплен на ракете-носителе

Готовая продукция будет доставляться на Землю спускаемыми капсулами баллистического или планирующего типа, которые вместят до 140 кг материалов каждая. Загрузка материалов в них будет происходить автоматически с помощью бортового манипулятора. Второй манипулятор переместит капсулы со специального транспортера в шлюзовую камеру, из которой и будет происходить ее выброс по направлению к Земле.

В плотных слоях атмосферы она аэродинамически стабилизируется и с помощью парашюта произведет плавный спуск и посадку.

Космонавты смогут работать на борту ТМП до 10 суток, а доставлять их, расходуемые материалы и запасное оборудование на борт ТМП должны либо существующие корабли типа «Союз», либо орбитальные самолеты многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС), проект которой разработан НПО «Молния» (Земля и Вселенная, 1991, № 3, с. 19). МАКС состоит из разгонного блока с орбитальным самолетом (вторая ступень) и уже существующего самолета-носителя АН-225 «Мрия» (в качестве первой ступени).

Такой орбитальный завод позволит получать и доставлять на Землю от 1 до 2 т материалов в год.

Сейчас все готово для реализации этого проекта, так как в основе его лежат уже освоенные элементы. Конечно, некоторые проблемы преодолимы. На создание такого завода потребуется шесть - семь лет. Кому же нужен этот завод? Для ответа на этот вопрос придется немного отвлечься от техники. Стоимость его создания, т. е. сумма, которую придется затратить в период рабочего проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации, а это около 15 лет, составляет, по оценкам КБ «Салют», около 1,5 млрд руб. (в ценах 1990 г.).

Это большие затраты и для того, чтобы оценить, окупятся ли они, придется поговорить о материалах, производимых на борту завода.

ЧТО МОЖЕТ ОРБИТАЛЬНЫЙ ЗАВОД?

В настоящее время для получения нового качества приборов в микроэлектронике, в лазерной и инфракрасной технике требуются материалы с новым качеством. Их круг в настоящее время обрисован довольно четко: германий, кремний, арсенид галлия, окись цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, дийодид ртути, сплав МРТ (марганец - ртуть - теллур), может быть, и др. Для оптической промышленности возможно изготовление плоских оптических стекол граданов, получение которых принципиально недоступно на Земле. Наконец, в области биотехнологии невесомость позволяет получить кристаллы протеинов, а из лекарственных средств наиболее привлекательно получение большого количества высокоэффективных препаратов для терапии диабета, рака, анемии, болезней роста у детей и других недугов.

Так вот, на еще не сложившемся рынке этих материалов - как внутреннем, так и мировом - конъюнктура очень изменчива: сегодня, кажется, нужно производить одни материалы, а на завтра ситуация меняется. Поэтому цены, по которым могут быть проданы полученные материалы, меняются в очень больших пределах.

Поэтому для обеспечения гарантированного экономического эффекта нужно производить на борту завода разные материалы, по гибкой программе работ производственного комплекса, нацеленного на получение максимальной прибыли. Но даже самые осторожные подсчеты говорят о том, что затраты в течение 5 лет эксплуатации будут с лихвой, как минимум вдвое, перекрыты доходами от продажи полученных материалов (и это без учета возможной стоимости биопрепаратов - здесь колебания в ценах слишком значительны).

Для реализации этой программы необходимы заказчики. Каково же положение с ними?

Оказывается, бывший Минэлектронпром предпочитал вкладывать средства - и гораздо большие, чем требуются на орбитальный завод- в развитие и усовершенствование наземной технологии этих же материалов.

У медиков другая проблема - даже получив с орбиты перспективные лекарственные материалы, они должны затратить не менее 3-5 лет, чтобы превратить полученные материалы в лекарства.

Таким образом, ни один из потенциальных заказчиков не желает авансировать, казалось бы, перспективный проект.

Понимая сложность проблемы финансирования работ, Конструкторское бюро «Салют» предлагает свою программу постепенного развития космического производства.

Во-первых, использовать для целей отработки технологических процессов в космосе ракеты, снимаемые с боевого дежурства в соответствии с договором между СССР и США о сокращении стратегических вооружений. Вместо боеголовки на такую ракету можно поставить 1,2-тонный космический аппарат, который, будучи выведенным на невысокую орбиту, ненадолго (от 45 мин до 6 ч) сможет создать условия для, например, отработки биотехнологии. За это время может быть получено до 50 г высокочистых биоматериалов, возвращаемых на Землю в спускаемой капсуле. Такой проект достаточно прост и дешев и может быть реализован уже в 1993-1994 гг.

Схема функционирования спускаемых капсул модуля ТМП

Во-вторых, создать 20-тонные автоматические КА, запускаемые РН «Протон» на орбиту высотой до 500 км со сроком существования до 5 лет. Из 20 т общей массы К А порядка 10 т может быть использовано для решения различных научно-исследовательских и экспериментальных работ, опытного и полупромышленного производства медико-биологических препаратов и особо чистых веществ, отдельных материалов для оптико-электронной промышленности. КБ «Салют» проработало два варианта таких аппаратов: КА «Технология» и КА «Орфар» («орбитальный фармацевт»), У КА «Технология» уже имеется прототип - модуль «Кристалл», ныне работающий в составе комплекса «Мир» на орбите. Возвращение на Землю готовой продукции вместе с технологическими установками предусмотрено при помощи малых и крупногабаритных спускаемых капсул, которые можно использовать повторно. КА «Орфар» выполнен по другой схеме - это целиком возвращаемый аппарат. Его достоинство - многоразовое использование (до 10 раз) почти всего аппарата вместе с технологическими установками, которые перестраиваются и загружаются исходным продуктом во время пребывания на Земле.

Стоимость создания каждого из этих аппаратов сравнима со стоимостью ныне летающего модуля «Кристалл». Проект «Орфар» сложнее в отработке (спуск с орбиты большого корабля), но зато эффективнее и гибче в эксплуатации. Создать каждый из них вполне реально за 4-5 лет - ведь технический задел имеется. Таким образом, выстраивается следующая программа:

1. К существующему КА «Фотон» со сроком существования 2 недели, с которого возвращается 60 кг нагрузки, добавляется короткоживущий (до 6 ч) 1,2-тонник, спускающий на Землю до 100 кг груза.

2. Затем будет, возможно, будет создан КА «Ника-Т», возможности которого будут шире: длительность существования до 6 мес. грузоподъемность - до 2 т, энергооснащенность порядка 5 кВт и масса спускаемого груза - 1200 кг.

3. На летающем комплексе «Мир» продолжается отработка методик получения материалов и собственно технологических установок с использованием экипажа.

4. 20-тонные корабли «Технология» и «Орфар» составят следующий класс космических аппаратов. Длительности полета (до 5 лет) и энерговооруженности (9 кВт) и меньшие виброперегрузки создадут новые возможности производства. На них уже можно попробовать различные сочетания технологических установок и материалов с целью освоения опытного производства.

5. И, наконец, как логическое завершение всех усилий, - «орбитальный завод» с отработанными в автоматическом режиме установками и с полупромышленными масштабами производства.

Конечно, возможны и дополнения к этой программе со стороны других фирм, также ищущих применения своим возможностям.

Помимо описанных и включенных в программу КБ «Салют» разработало еще один проект на базе «20-тонников».

Проект орбитальной станции «Теллура-ЭКО». Ракета-носитель «Протон», масса станции ~20 т, масса полезного груза - до 10 т, энергообеспечение в непрерывном режиме до 5 кВт. Орбита: высота - 400-450 км, наклонение - 52°, 65°, 72°. На борту станции универсальный многочастотный лидарный комплекс: длина волны излучения 10,6; 1,06; 0,76 мкм, 0,3-0,5 мкм, энергия импульса - 1 -10 Дж, длительность импульса 0,01 - 1,0 мкс, максимальная частота импульса - 50 Гц, угол сканирования до 50°. Полоса обзора: в режиме обзора 800X9000 км, в режиме зондирования фронтальных процессов - 800Х Х100 км.

Технологический возвращаемый модуль «Орфар» ракета-носитель «Протон», масса КА на орбите ~20 т, масса технологического оборудования - до 2 т. Орбита: высота - 400-450 км, наклонение - 51,6 , мощность энергоснабжения - 5-12 кВт, длительность одного полета - до 1 г, количество повторных запусков - 10, производительность технологического оборудования за один полет - до 600 кг

Многоцелевая космическая станция «Теллура-ЭКО» может стать принципиально новым средством в комплексном изучении и контроле за состоянием природной среды - земной поверхности, околоземной среды и околоземного космического пространства. Впервые предусматривается использование на борту КА универсального многочастотного лидарного комплекса для дистанционного зондирования Земли. КА «Теллура-ЭКО» имеет массу 20 т, из них масса полезного груза до 10 т с энергообеспечением в непрерывном режиме до 5 кВт. Он запускается с помощью РН «Протон» на рабочую орбиту высотой 400-450 км с различным наклонением (52°, 65°, 72°). Этот КА может быть создан до 1995 г. и затем эксплуатироваться в течение 5 лет. В сравнении с тем, что теряет наше общество из-за недостаточной информации о процессах, происходящих на Земле и в околоземном пространстве, в том числе и из-за деятельности человека, затраты на его создание невелики. К примеру, даже использование информации о уже существующих космических средствах позволяет получить в народном хозяйстве экономический эффект, оцениваемый в сотни миллионов рублей.

Эта станция разработана на базе ранее созданных в КБ «Салют» и успешно эксплуатируемых КА 20-тонного класса. Вообще же на этой основе могут создаваться самые разные по назначению космические аппараты. Они состоят из двух основных частей: специальной, которая включает в себя оборудование, выполняющее целевые, научно-исследовательские или производственные задачи, и служебной - собственно унифицированной космической платформы. В специальной части возможно расположить любую полезную нагрузку массой до 6 т.

Можно было бы еще много говорить о возможностях использования космических аппаратов, создаваемых в КБ «Салют», в частности, для спутниковой связи всех видов, остро необходимой на огромных пространствах страны, но выполнимость всех этих проектов на сегодня зависит только от финансирования, т. е. от наличия реальных заказчиков. Если же они не появятся, космические дали, открывавшие прежде всего КБ «Салют», легко превратятся в космические миражи.