вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №3




Космонавтика

Орбитальные станции:
идея и воплощение



В.С.ШИШОВ,
кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник КБ «Салют»

Идея построения на околоземной орбите пилотируемых орбитальных станций высказывалась задолго до старта первой космической ракеты многими из пионеров мировой космонавтики: об этом в России писали и К. Э. Циолковский, и Ю. В. Кондратюк, и Ф. А. Цандер, и многие их современники в Европе — Г. фон Пирке, Г. Оберт, В. Хоман и др. Почти все они рассматривали орбитальную станцию как промежуточный заправочный пункт во время дальних перелетов к другим планетам Солнечной системы или к Луне. В их проектах орбитальные станции представлялись крупными сооружениями, обычно кольцеобразной формы, вращающиеся вокруг своей оси для придания силы тяжести, оснащенные каютами, лабораториями, оранжереями и другими удобствами для обитателей.

Может быть, в будущем станции и обретут именно такой вид, но реальные пути освоения космического пространства оказались гораздо прозаичнее тех, которые представлялись теоретикам начала века. И космические корабли, и орбитальные станции проектировались с учетом жестких ограничений веса и габаритов, диктуемых параметрами современных ракетных систем.

Первые космические станции появились в Советском Союзе, и именно на их эксплуатации была построена вся программа пилотируемых полетов в нашей стране. Освоение космоса осуществлялось пилотируемыми кораблями «Союз» различных модификаций, транспортными грузовыми кораблями «Прогресс» и транспортными кораблями снабжения (ТКС). С их помощью в 70-х гг. в СССР были созданы орбитальные космические станции и транспортные корабли нескольких типов, которые могли обеспечивать работу станции в течение длительного времени, доставляя на ее борт космонавтов, грузы и топливо.

В США запуск станции «Скайлэб» было скорее эпизодом, а не результатом реализации долгосрочной программы. Станция «Скайлэб» существовала в единственном экземпляре, обслуживаясь модифицированными кораблями «Аполлон».

ОРБИТАЛЬНЫЕ СТАНЦИИ «САЛЮТ»

В нашей стране разработка орбитальных станций началась в середине 60-х гг. в конструкторском бюро, руководимым С. П. Королевым (НПО «Энергия»). Одновременно в конструкторском бюро В. Н. Челомея (НПО «Машиностроение») началось проектирование орбитального комплекса «Алмаз», который предполагалось использовать в оборонных целях.


Так выглядел «Салют» — орбитальная станция первого поколения с причаленным к единственному стыковочному агрегату кораблем «Союз»

Для ускорения работ было решено объединить усилия трех ракетно-космических организаций — НПО «Энергия», НПО «Машиностроение» и КБ «Салют». Созданные ими орбитальные станции разделяются на три поколения: первого поколения — «Салют» — «Салют-5», второго поколения — «Салют-6», «Салют-7» и третьего поколения — «Мир».

Орбитальные станции «Салют», «Салют-4», «Салют-6», «Салют-7» и «Мир» с целевыми модулями были разработаны в НПО «Энергия» совместно с КБ «Салют», а станции «Салют-2», «Салют-3» и «Салют-5» в НПО «Машиностроение». С самого начала определили, что в состав комплекса «Салют» войдет орбитальная станция, выводимая в космос без экипажа ракетой-носителем «Протон», и космический корабль (КК) «Союз», доставляющий на станцию космонавтов.

Первую станцию «Салют» вывели на околоземную орбиту 19 апреля 1971 г. Она имела один стыковочный агрегат для причаливания КК «Союз». 23 апреля 1971 г. к «Салюту» был направлен «Союз-10» с экипажем в составе В. А. Шаталова, А. С. Елисеева и Н. Н. Рукавишникова, который осуществил первую стыковку со станцией. Так появился первый в мире орбитальный комплекс массой 26 т. Совместный 5,5-часовой полет корабля и станции в единой сцепке подтвердил правильность принципов и методов сближения и стыковки космических аппаратов с существенно различными массами 7 и 19 т.

Следующая орбитальная станция, «Салют-2», была запущена на орбиту 3 апреля 1973. г. Однако во время выведения на орбиту и автономного полета произошли разгерметизация ее корпуса и постепенный выход из строя всех систем. Через 27 сут станция прекратила существование.

На последующие станции — «Салют-3», «Салют-4» и «Салют-5» — было осуществлено несколько экспедиций космонавтов; в результате проведены длительные полеты и получено большое количество разнообразной научной информации.

Следующим этапом дальнейшего повышения эффективности и долговечности орбитальных комплексов стали станции второго поколения — «Салют-6» и «Салют-7». Они в отличие от предшествующих «Салютов» имели уже по два стыковочных узла вместо одного и могли одновременно принимать по два транспортных корабля. Это позволило значительно расширить возможности работ на их борту. Общая масса комплекса, состоящего из станции «Салют-6» и двух пристыкованных к ней кораблей «Союз», превышала 32 т. Однако длительная эксплуатация станции на орбите требует большого количества ракетного топлива для проведения коррекций орбиты, поддержания ориентации, а также воды и пищи для экипажа (полет двух-трех человек в течение года предусматривает потребление около десяти тонн дополнительного груза). Объем же герметичных отсеков станции «Салют» ограничен — 50 м3. Поэтому регулярное снабжение станции «Салют-6» и «Салют-7» осуществлялось КК «Союз», транспортным грузовым кораблем «Прогресс», а также транспортным кораблем снабжения «Космос».


К орбитальным станциям «Салют» второго поколения могли причаливать уже два космических корабля. Обратите внимание, что транспортные корабли «Союз» и «Прогресс» выводились в космос без собственных солнечных батарей

В 1978 г. начались регулярные рейсы с Земли в космос транспортно-грузовых кораблей «Прогресс». 26 января 1978 г. первый корабль подошел к причалу «Салют-6», имея на борту 1300 кг груза и около 1000 кг топлива. Всего за 14 лет эксплуатации в космосе транспортно-грузовых кораблей «Прогресс» и «Прогресс-М» а их было пристыковано к станциям «Салют» и «Мир» — 53, ими доставлено на станции более 70 т груза и 50 т топлива.

Важным этапом в истории станции «Салют-6» и «Салют-7» стало использование ТКС «Космос». 19 июня 1981 г. к «Салюту-6» был пристыкован ТКС «Космос-1267» (суммарная масса созданного комплекса достигла 40 т). Более 400 дней его орбита регулярно корректировалась с помощью двигателей ТКС «Космос-1267», что значительно продлило срок существования станции. В дальнейшем ТКС «Космос-1443» и «Космос-1686» использовались для снабжения станции «Салют-7». Были созданы на орбите Земли комплексы массой 47 т («Салют-7», ТКС и «Союз»). Каждым указанным транспортным кораблем снабжения доставлено на орбиту 6 т груза (объем герметичного отсека ТКС — 48 м3). Благодаря этим кораблям была обеспечена восьмилетняя результативная работа на околоземной орбите станции «Салют-7». Если транспортные корабли «Прогресс», пристыковавшись к станции, оказывались у нее «на иждивении», то ТКС «Космос-1443» и «Космос-1686» с момента стыковки со станцией сами себя обеспечивали электрической энергией, а при необходимости могли и подпитывать ее системы. Кроме того, ТКС «Космос-1443» и «Космос-1686» имели возвращаемые аппараты, в которых каждым доставлено на Землю более полутонны разных грузов. Таким образом, ТКС были не только грузовыми кораблями, причем двухстороннего движения, но и космическими буксирами. Фактически — это дополнительные рабочие модули орбитального комплекса, которые при необходимости легко превращались в специализированную лабораторию. Позднее в КБ «Салют» на базе ТКС «Космос» были созданы модули различного назначения для стыковки их со станцией «Мир».

Орбитальный комплекс «Салют-7» — ТКС «Космос-1443» и корабль «Союз-19»
ОРБИТАЛЬНАЯ СТАНЦИЯ «МИР»

Станция «Мир» относится к третьему поколению и начала свой полет 20 февраля 1986 г. Она имеет два причала со стыковочными агрегатами, к которым могут пристыковываться КК «Союз» для доставки и смены экипажа, беспилотные модули различного назначения и грузовые корабли «Прогресс». Один из причалов станции оборудован устройством, с помощью которого пристыкованные к причалу модули могут перестыковываться на четыре боковые узла и находиться там в процессе эксплуатации станции «Мир». Такая конструкция базового блока

комплекса дала возможность впервые создать в космосе многоцелевой пилотируемый комплекс модульного типа. Оборудование специализированных модулей, пристыкованных к базовому блоку, позволяет осуществить еще больший, по сравнению со станцией «Салют», объем разноплановых исследований в интересах науки, народного хозяйства и охраны окружающей среды.

В апреле 1987 г. к базовому блоку комплекса был пристыкован астрофизический модуль «Квант», в декабре 1989 г. — модуль дооснащения станции «Квант-2», а 10 июля 1990 г. — стыковочно-технологический модуль «Кристалл». В результате на орбите создан комплекс массой 90 т.

В полетах орбитальных станций «Салют» и «Мир» приняло участие 17 международных экспедиций с участием космонавтов-исследователей различных стран мира. Космонавты В. Г. Титов и М. X. Манаров установили абсолютный рекорд длительности полета на орбите — один год (с 21 декабря 1987 г. по 21 декабря 1988 г.).


Так будет выглядеть орбитальный комплекс «Мир» после того, как к нему пристыкуют модули «Спектр» и «Природа». Орбитальные космические корабли «Буран» и «Спейс Шаттл» смогут причаливать к стыковочному узлу модуля «Кристалл»

Успешная бесперебойная работа наших орбитальных пилотируемых комплексов, особенно второго и третьего поколения, была во многом определена тем, что базовые блоки станции, тяжелые транспортные корабли снабжения «Космос» и целевые модули выводила и выводит на околоземные орбиты ракета-носитель «Протон». Созданная в КБ «Салют» еще в середине 60-х гг. и подвергнутая ряду модификаций, это — одна из самых надежных и экономичных ракет в мире.

ОРБИТАЛЬНАЯ СТАНЦИЯ «СКАЙЛЭБ»

Американская орбитальная пилотируемая станция «Скайлэб» проектировалась в 60-е годы. Орбитальный блок станции был построен на базе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн-5», доставившей человека на Луну. Ее водородный блок переоборудован в просторное двухэтажное помещение для экипажа из трех человек. Полный внутренний объем герметичных отсеков станции вместе с пристыкованным к ней модифицированным основным блоком КК «Аполлон» — около 330 м3.

В отличие от отечественных станций, на «Скайлэбе» вода, пища и одежда были запасены в специальных контейнерах перед запуском в количестве, достаточном для всех девяти космонавтов трех запланированных экспедиций. Вода находилась в резервуарах. Масса пищи, хранившаяся в шкафах, холодильниках и морозильных камерах, составляла около 907 кг. Для стыковки с КК «Аполлон» на станции имелось два стыковочных агрегата — осевой и боковой.

Станция «Скайлэб» без космонавтов была выведена на орбиту ракетой-носителем «Сатурн-5» 14 мая 1973 г., т. е. через два года после выведения на орбиту станции «Салют». При выводе на орбиту станция получила повреждения: набегающим потоком воздуха сорвало панель солнечной батареи и противометеоритный экран. Вторая панель после выхода на орбиту не раскрылась из-за того, что ее заклинило куском металла от оторванного противометеоритного экрана. Несмотря на эти повреждения 26 мая 1973 г. к ней был пристыкован модифицированный основной блок КК «Аполлон», выведенный ракетой-носителем «Сатурн-1», в котором находились космонавты Ч. Конрад, Д. Кервин и П. Венц. После стыковки астронавты в течение многочасовой и подчас драматической работы выполнили в открытом космосе операции по установке нового легкого экрана, защищающего орбитальный блок от перегрева солнечным излучением, и раскрыли оставшуюся панель солнечной батареи. Это позволило обеспечить нормальное снабжение станции электроэнергией и восстановить заданный температурный режим внутри жилого отсека.

Масса КК «Аполлон» достигала 13,4 т (рабочий объем герметичных отсеков 10 м3), а после стыковки суммарный вес комплекса «Скайлэб» — «Аполлон» достиг уже 86 т.
Станция «Скайлэб» — единственная долговременная орбитальная станция, выведенная в космос США. На снимке, полученном 14 мая 1973 г. астронавтами, она запечатлена в том виде, в котором закончила свой полет: с единственной сохранившейся боковой панелью солнечной батареи и отражающим солнцезащитным экраном, предохраняющим станцию от перегрева
Станция «Спейслэб» в грузовом отсеке корабля «Спейс Шаттл». Станция позволяет астронавтам около двух недель вести на орбите разнообразные исследования. В будущем продолжительность полета «Шаттлов» с этой станцией, возможно, достигнет одного месяца

Несмотря на все трудности ракеты доставили на поврежденную станцию три экипажа. Общая продолжительность всех трех космических экспедиций превысила 171 сут. Сама станция «Скайлэб» просуществовала на орбите 6 лет и сгорела, войдя в плотные слои атмосферы 11 июля 1979 г.

ОРБИТАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ «СПЕЙСЛЭБ»

Разработка многоцелевой орбитальной космической лаборатории «Спейслэб» началась в конце 70-х гг. по совместной программе NASA и Европейского космического агентства (ESA). Лаборатория собирается из нескольких герметичных отсеков и открытых негерметизированных платформ. Герметичные отсеки — цилиндры, максимальный объем которых 22 м3. Они оборудованы шлюзовыми камерами с иллюминаторами. В лаборатории размещаются научные приборы и другое съемное оборудование, состав которого меняется от полета к полету в зависимости от задач. Общая масса «Спейслэба» достигает 9,5 т. Лаборатория находится в грузовом отсеке американского многоразового транспортного космического корабля (МТКК) «Спейс Шаттл».

Первый полет лаборатории «Спейслэб-1» состоялся на борту орбитальной ступени корабля МТКК «Спейс Шаттл» с 28 ноября по 8 декабря 1983 г. За это время астронавты провели испытание лаборатории, отработали методику ее эксплуатации и выполнили 70 экспериментов по программе NASA и ESA. Полет «Спейслэб» подтвердил, что присутствие человека на борту орбитальной лаборатории позволяет оперативно устранять возникающие в полете неисправности. Например, в ходе первой экспедиции космонавты отремонтировали три прибора, вышедшие из строя.

Второй и третий полеты лаборатории «Спейслэб-2» и «Спейслэб-3» состоялись в 1985 г. на борту орбитальных станций МТКК «Спейс Шаттл». Эти лаборатории отличались друг от друга тем, что в каждом полете они были собраны из разного числа стандартных герметичных отсеков и платформ, что позволило размещать в них разнообразное научное оборудование.

В этих и последующих полетах лаборатории «Спейслэб» проводились исследования в области космической биологии и медицины, космического материаловедения, астрономии, физики атмосферы и динамики жидкостей.

РАЗВИТИЕ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ В БУДУЩЕМ

В 1993-94 гг. планируется вывести в космос и состыковать с «Миром» модуль «Спектр» и модуль дистанционного зондирования Земли — «Природа». Прототипом этих модулей послужил, в известной степени, уже испытанный временем ТКС «Космос». Модули изготовлены и в настоящее время проходят наземные испытания.

Следующим этапом работы на орбите комплекса «Мир» будет пристыковка к нему многоразового космического корабля «Буран». Модуль «Кристалл», ранее пристыкованный к станции «Мир», имеет еще второй стыковочный агрегат, к которому и будет причаливать «Буран». В этом случае на околоземной орбите появится орбитальный комплекс массой более 200 т.


Рисунок показывает одну из возможных конфигураций станции «Фридом», к постройке которой приступили США

Достигнута договоренность, что в 1993 г. российский космонавт сможет принять участие в полете на американском космическом корабле «Спейс Шаттл», а космонавт из США будет включен в экипаж орбитальной станции «Мир». Рассматривается также возможность стыковки американского корабля МТКК «Спейс Шаттл» с комплексом «Мир».

Предполагается, что комплекс «Мир» проработает в космосе 1996-97 г., т. е. более 9 лет, и его базовый блок потребует замены. Сейчас в КБ «Салют», НПО «Энергия», на заводе им. Хруничева создается новый такой аппарат, который условно назван «Мир-2». Выведенный на околоземную орбиту ракетой-носителем «Протон», он будет пристыкован космическим кораблем «Буран» к находящемуся на орбите базовому блоку «Мир». Затем с помощью манипулятора КК «Буран» космонавты перестыкуют на «Мир-2» два или три модуля, входившие ранее в состав комплекса «Мир». После этого несколько грузовых кораблей «Прогресс-М» отстыкуют отслужившие свой срок модули комплекса «Мир» и утопят их в заданной точке океана. По оценке зарубежных специалистов, орбитальные космические станции способны приносить колоссальные доходы при их рациональном использовании. Поэтому ведущие страны Запада работают над созданием своих станций. Так, в 1995-96 гг. ряд американских фирм в кооперации с европейскими и японскими фирмами начнут собирать на орбите станцию «Фридом». Для первой сборки станции на орбите необходимо 22 — 26 полетов американского космического корабля «Спейс Шаттл». Масса будущей станции составит 300 — 320 т. Предполагается, что в состав ее должны входить четыре герметичных блока: американский обитаемый блок, американский блок-лаборатория, обитаемый блок Европейского космического агентства и многоцелевая лаборатория. К концу 90-х на станции «Фридом» должны постоянно находиться четыре астронавта. Кроме того, в рамках Европейского космического агентства, где основная роль принадлежит Франции, ведется разработка пилотируемого многоразового корабля «Гермес». Конструкторы прорабатывают возможность его стыковки с орбитальной станцией России. В настоящее время Франция готовится к пилотируемым полетам на этом корабле. Запуск «Гермеса» планируется на 1998 г.


Орбитальный модуль «Колумбус», созданный специалистами Европейского космического агентства. Такой модуль войдет как составная часть в конструкцию станции «Фридом», где на ее борту будут постоянно работать два европейских астронавта. Другой же будет совершать автономный полет (с пристыкованным модулем дооснащения) по программе «Свободнолетающей лаборатории», разрабатываемой ESA

Большая программа работ в освоении космоса разработана в КНР. В начале апреля 1992 г. в Китае опубликован доклад, утвержденный Госсоветом КНР, в котором говорилось, что еще до 2000 г. Китай запустит в беспилотном режиме космический корабль, а затем будет осуществлен полет аппарата с человеком на борту. Пилотируемый космический полет, согласно докладу, — это одна из важнейших задач китайской космической программы на период до начала следующего столетия. Подготовка полета в космос считается сейчас одним из главных направлений национальной космической программы КНР. В докладе также отмечалось, что до 2020 г. КНР выведет на орбиту экспериментальную космическую станцию, которая будет использоваться для решения народнохозяйственных, военных и социальных программ. В течение следующих 30 лет в Китае намечается создать многоразовый транспортный космический корабль, аналогичный МТКК «Спейс Шаттл». До 2000 г. будет разработан космический аппарат средних размеров, предназначенный для пилотируемых полетов. В его состав войдут модули для проведения технологических экспериментов. Параллельно в Китае ведется подготовка к созданию космического транспортного терминала, объединяющего упомянутые модули и жилые отсеки космонавтов. Разработка такого терминала должна завершиться до 2020 г. Одновременно планируют построить центр управления пилотируемыми полетами. Кроме того, будет продолжаться разработка новых средств выведения на орбиту, включая тяжелые ракеты-носители для запуска пилотируемых объектов. Эксплуатация ракет нового поколения, согласно планам, начнется до 2020 г. В настоящее время ракетно-космические организации КНР для ускорения работ по созданию пилотируемых космических аппаратов устанавливают деловые контакты с соответствующими КБ и институтами нашей страны, в частности с КБ «Салют».

Хроника полетов пилотируемых орбитальных станций

Орбитальная станцияСтранаДата вывода на орбитуДата окончания полетаТранспортный корабль снабженияПродолжительность полетаМасса на орбитеПримечание
«Салют»СССР19.04.1971 г.11.10.1971 г.6 мес«Союз»26 тПервая в мире орбитальная пилотируемая станция
«Салют-2»СССР3.04.1973 г.29.04.1973 г.27 сут-20 тПрекратила существование из-за разгерметизации корпуса
«Скайлэб» США 14.05.1973 г.11.06.1979 г.6 лет«Аполлон»86 тПервая американская орбитальная пилотируемая станция
«Салют-3»СССР25.06.1974 г.24.04.1975 г.1 год 6 мес.«Союз»26 т 
«Салют-4»СССР26.12.1974 г.3.02.1977 г.2 года 1 мес.«Союз»26 тОсуществлен длительный совместный полет станции и транспортного корабля
«Салют-5»СССР22.06.1976 г.8.08.1977 г.1 год 1 мес.«Союз»26 т 
«Салют-6»СССР29.09.1977 г.29.07.1982 г.4 года 10 мес.ТКС «Космос»40 тСоздан на орбите крупногабаритный комплекс
«Салют-7»СССР19.04.1982 г.7.02.1991 г.8 лет 10 мес.«Союз», ТКС «Космос»47 тСоздан на орбите крупногабаритный комплекс с переходом космонавтов
«Мир»СССР20.02.1986 г. По настоящее время«Союз», «Прогресс», «Квант», «Квант-2», «Кристалл»94 тМодули обеспечили длительное функционирование комплекса на орбите