В СССР и США уделяется большое внимание созданию долговременных орбитальных станций (ДОС). В то же время, историко-технических работ по анализу развития конструкций ДОС явно недостаточно. В частности, до сих пор не разработана периодизация процесса развития компоновочных схем ДОС.

В настоящее время наблюдается переход от экспериментальной отработки ДОС к созданию постоянно действующих эксплуатационных орбитальных станций. Если основными задачами этапа экспериментальной отработки были: выбор оптимальной конструкции ДОС и методов компенсации вредных воздействий факторов космического полета на организм человека, то основные задачи этапа создания эксплуатационных орбитальных станций — проведение на борту станций высокоэффективных научных исследований и создание экономически выгодного промышленного производства в космосе.

Период экспериментальной отработки конструкций ДОС продолжался около пятнадцати лет: с 1971 по 1986 гг. Можно определить и более точные даты начала и окончания этого периода. Это — 19.04.71 г., когда на орбиту была выведена первая в мире орбитальная станция "Салют", и 20.02.86 г., когда был проведен успешный запуск станции "Мир", которая в полной комплектации по своим возможностям должна значительно превосходить станции предыдущего поколения — "Салют-6" и "Салют-7" и может быть отнесена к классу эксплуатационных станций.

Целью данной работы было: определение в рамках выбранного этапа основных тенденций в развитии конструкций ДОС в СССР и США, выявление общих черт и национальных различий.

Несмотря на то, что советские и зарубежные орбитальные станции создавались практически одновременно и предназначались для решения аналогичных задач, они, наряду с общими чертами, имели значительные различия в компоновке и конструкции как в целом, так и ее отдельных систем. Национальные различия в конструкциях ДОС определялись различиями в советской и американской концепциях освоения космического пространства и имевшимся научно-техническим заделом. В СССР создание ДОС является магистральным направлением развития космонавтики, в США программа создания ДОС "Скайлэб" была призвана заполнить разрыв между программами "Аполлон" и "Спейс Шаттл" и, таким образом, не допустить ухода из космической промышленности большого отряда квалифицированных специалистов /9, с.317/.

Различия в подходе оказали существенное влияние на конструкции проектируемых ДОС. В СССР планировалось создание серии экспериментальных станций, на которых предполагалось последовательно отработать компоновочные и конструктивные решения станции в целом и ее отдельных систем. В США создание ДОС было разовой работой. Дальнейшего развития конструкции не планировалось, в процессе эксплуатации станции предполагалось лишь отработать частные проектно-конструкторские решения.

При разработке конструкций первых ДОС как в СССР, так и в США была принята схема моноблочной цилиндрической станции, монтируемой на Земле и выводимой на орбиту без экипажа. На станциях не предполагалось создавать искусственную силу тяжести. Компенсация вредного влияния невесомости на организм космонавтов должна была осуществляться за счет использования спортивных тренажеров. Экипаж доставлялся на станцию в транспортных космических кораблях (КК), переход из корабля в станцию должен был осуществляться через стыковочный узел без выхода в открытый космос. Электроэнергия должна была вырабатываться с помощью солнечных батарей (СБ).

Весовые и габаритные характеристики станций определялись возможностями ракет-носителей (РН), использовавшихся для их выведения на орбиту.

Основные характеристики станций "Салют" и "Скайлэб" приведены в табл. I /1, с.340, 341, 357. 376; 7, с.320/.

Таблица 1

Большие, по сравнению со станцией "Салют", размеры станции "Скайлэб" позволяли обеспечить более длительный полет экипажей и создать более комфортные условия для жизни и работы космонавтов. Общая продолжительность пилотируемого режима составила 171 день, а максимальная продолжительность полета одного экипажа — 84 дня. Еще одним преимуществом станции "Скайлэб" было наличие шлюзовой камеры (ШК), благодаря которой космонавты смогли выйти в открытый космос и устранить последствия аварии, произошедшей в момент выведения ДОС.

Однако то, что космонавты должны были регулярно выходить в открытый космос для перезарядки пленки комплекта ATM (Аpollo Teleskop Mount) с нашей точки зрения, является недостатком конструкции.

Несмотря на разницу в массе и габаритах станций "Салют" и "Скайлэб", они имели примерно одинаковые возможности для проведения научно-технических экспериментов, в то время, как стоимость их выведения значительно отличалась. Так, стоимость запуска РН "Сатурн-5", выведшего станцию "Скайлэб", составляла 186 млн. долл., а стоимость запуска РН "Сатурн-1Б", аналогичного РН "Протон", составляла только 42 млн. долл. /3/. Американская программа создания ДОС за счет использования более дорогого класса РН была значительно дороже советской.

Однако никакие, даже очень большие размеры ДОС, не могли обеспечить ее длительного полета без доставки расходуемых компонентов. Для кардинального увеличения длительности полета необходимо было создать космическую транспортную систему, способную доставлять большое количество грузов: расходуемых элементов и дополнительного оборудования. Можно было идти двумя путями: увеличивать размеры пилотируемых КК или создать станцию с несколькими стыковочными узлами для стыковки с меньшими по размеру транспортных КК.

В СССР пошли по пути дальнейшего совершенствования конструкций хорошо зарекомендовавших себя станций серии "Салют". Введение в конструкцию второго стыковочного узла и создание на базе КК "Союз" автоматического транспортного КК "Прогресс" позволило в минимальные сроки и с минимальными затратами значительно увеличить возможности ДОС. С помощью транспортных КК "Прогресс" на станцию "Салют-6" было доставлено 22 тонны грузов, т.е. больше, чем масса станции при выведении на орбиту /2, с.342/. Это позволило увеличить продолжительность полета станций второго поколения — "Салют-6, 7" до четырёх-пяти лет, по сравнению с одним годом у станций первого поколения.

Увеличилась и продолжительность пилотируемого режима. Диаграммы увеличения длительности пилотируемого режима и полета ДОС показаны на рис.1.

Рис.1. Диаграммы длительности полета станций серии "Салют" и количества человеко-суток работы экипажей на борту: — длительность полёта станций, сут; -- общая продолжительность пребывания космонавтов на борту станцции, чел.-сут; "С" — станции серии "Салют"; "СК" — станция "Скайлэб".

В конструкции станций второго поколения были внесены следующие основные усовершенствования, обеспечившие возможность увеличения длительности их полета: установлены системы для перекачки компонентов топлива и воды из транспортного КК в ДОС, смонтированы системы, обеспечивающие выход космонавтов в открытый космос для проведения экспериментов и ремонтных работ, бортовые системы доработаны с целью обеспечения ремонтопригодности. Для увеличения выработки электроэнергии на станции "Салют-7" были смонтированы в космосе шесть панелей дополнительных СБ общей мощностью 2,1 кВт. На станциях была установлена более совершенная научная аппаратура такая как: многофункциональная фотокамера МКФ-6М, радиотелескоп КРТ-10 и другие. Улучшились и условия быта космонавтов, в сборной душевой камере они могли принимать душ.

Планомерно шло накопление данных о воздействии факторов космического полета на организм человека и отработка методов компенсации. Успехи советских ученых в этой области позволили увеличить продолжительность непрерывного полета до 237 суток. Диаграмма увеличения длительности рекордных полетов космонавтов показана на рис. 2.

Рис.2. Диаграмма увеличения длительности рекордных полетов в сутках полета

Длительные полеты советских космонавтов практически показали, что в нашей стране, взят правильный курс проектирования ДОС. Отказ от создания на ДОС искусственной силы тяжести и компенсация вредных воздействий невесомости за счет физических упражнений упростил конструкцию ДОС без снижения эффективности деятельности космонавтов.

В США в 1969-1970 гг. фирмы North American Roskwell (NAR) и McDonriel Douglas (MDD) по контрактам НАСА проводили проектирование ДОС с несколькими (шестью-семью) стыковочными узлами, длительностью полета десять лет с экипажем двенадцать человек /7;8/. При выведении ДОС таким же РН, что и в программе "Скайлэб", отказ от использования в качестве основы конструкции станции ступени С-4Б, значительно расширил возможности проектировщиков. Увеличение диаметра станции с 6,6 м до 10 м и отсутствие внутреннего разделения объема на кислородный и водородный баки, позволило более рационально спланировать отсеки и создать более комфортные условия для жизни и работы экипажа из двенадцати человек. Перед конструкторами впервые ставилась задача проектирования ДОС с таким длительным сроком эксплуатации. При этом в течение десяти лет полета было необходимо обеспечить работоспособность всех бортовых систем, гибкость проведения научных исследований, решить проблемы перемещения большого количества доставленных грузов и утилизации отходов.

Гибкость программы научных исследований можно было обеспечить только установкой аппаратуры на модули, выводимые на орбиту отдельно от ДОС. Совместно с ДОС предполагалось использовать модули трех типов: автономные экспериментальные модули, полуавтономные (состыкованные) и грузо-пассажирские. Таким образом, уже на этом этапе проекты имели черты сборных станций. Некоторые характеристики проекта фирмы приведены в табл. 1.

Проекты ДОС с экипажем двенадцать человек фирм NAR И MDD были наиболее совершенными проектами моноблочных ДОС. Однако, наряду с удачными техническими решениями, проекты имели ряд принципиальных недостатков, которые были обусловлены ошибочными, с нашей точки зрения, требованиями создания искусственной силы тяжести и сборки из отдельных ДОС станции-базы с экипажем пятьдесят-сто человек.

В феврале 1971 г. фирмы NAR и MDD по контрактам с HASA начали проектирование сборной станции с теми же возможностями, что и ранее проектируемые моноблочные ДОС /10/. Блоки должны были выводиться в отсеке полезного груза (ОПГ) многоразового транспортного космического корабля (МТКК) "Спейс Шаттл". Переход от моноблочной конструкции к сборной был логически подготовлен всем ходом развития конструкций ДОС, однако, по нашему мнению, непосредственной причиной, приведшей к такому резкому изменению концепции, было завершение программы "Аполлон" и развертывание работ по программе "Спейс Шаттл".

Станция на двенадцать человек должна была собираться на орбите из семнадцати блоков, хотя на начальном этапе могла собираться из пяти-шести блоков. В этом варианте на станции мог работать экипаж из шести человек.

Сторонники программы создания МТКК считали, что одновременное финансирование программ создания МТКК и ДОС приведет к распылению средств и увеличению сроков разработки МТКК. Их мнение победило, и программа проектирования ДОС была заморожена. Однако без специально оборудованной космической лаборатории МТКК не мог проводить эффективные исследования в космическом пространстве, поэтому было принято решение создать в рамках программы "Спейс Шаттл" блок-лабораторию "Спейслэб" ("Космическая лаборатория"), выводимую в ОПГ МТКК. Во время проведения исследований продолжительностью от семи до тридцати суток использовались системы МТКК. Блок рассчитывался на эксплуатацию в течение десяти лет и на пятьдесят полетов.

В 1973 г. между ESRO и NASA было подписано соглашение, по которому ESRO взяло на себя разработку блока "Спейслэб". NASA было заинтересовано в этом потому, что это отвлекало ресурсы западно-европейских стран от создания собственной РН и ставило их в еще большую зависимость от США. В конкурсном проектировании участвовали три консорциума: COSMOS (головная — западногерманская фирма MBB)» MESH (головная — западногерманская фирма ERNO) и STAR (головная — английская фирма British Aircraft /4/. Представленные проекты имели общие черты: наличие герметизированных лабораторного и агрегатного отсеков диаметром 4,5 м и негерметизированного отсека, предназначенного для размещения аппаратуры, работавшей в открытом космосе. Из предложенных проектов был выбран проект консорциума ERNO. По нашему мнению, преимуществами этого проекта перед другими были: универсальность и возможность совершенствования конструкции. В зависимости от задач полета, блок "Спейслэб" мог составляться из различного числа отсеков того или иного типа. Всего было предусмотрено четырнадцать сочетаний отсеков. В окончательном варианте для блока "Спейслэб" были разработаны стандартный и удлиненный герметизированные отсеки и НГО /5/.

Первый полет "Спейслэб" проходил с 28.11.83 г. по 8.12.83 г. Некоторые характеристики герметичного отсека приведены в табл. I (масса блока дана с учетом НГО). Экипаж из шести человек работал в две смены по двенадцать часов, что обеспечило непрерывное проведение работ. За время полета было получено в пятьдесят раз больше информации, чем с ДОС "Скайлэб" /6/. Этот факт говорит о том, что эффективность деятельности космонавтов не на прямую зависит от размеров станции.

Из табл. I видно, что ДОС, разрабатываемые в США, имели широкий диапазон характеристик. На наш взгляд, это свидетельствует о том, что у американских специалистов на этапе экспериментальной отработки не было единого мнения о том, какой должна быть оптимальная конструкция ДОС. Станция "Скайлэб" не была оптимальна с конструкторской точки зрения, зато использование для создания станции готовой ступени "С-4Б" позволило резко сократить сроки и стоимость изготовления ДОС. Проекты моноблочных станций с экипажем двенадцать человек были конструктивно более совершенными, чем станция "Скайлэб". Однако для обеспечения ее функционирования космическая транспортная система "Аполлон" не подходила, а МТКК в то время еще не был создан, поэтому программа создания ДОС была "принесена в жертву" проекту "Спейс Шаттл". Блок "Спейслэб" разрабатывался на совершенно иных конструкторских принципах, чем предыдущие проекты. Его неавтономность, зависимость от МТКК, не позволяют проводить регулярные исследования в космосе.

В 1982 г. в США приступили к проектированию постоянно действующей обитаемой орбитальной станции, тем самым завершая этап экспериментальной отработки ДОС. В СССР в это же время велась разработка эксплуатационной станции "Мир". Эти станции качественно отличаются от предшествующих ДОС, что, с нашей точки зрения, позволяет считать их создание началом следующего этапа в развитии конструкций ДОС.

В заключение можно сделать следующие выводы. На этапе экспериментальной отработки конструкций ДОС нами были выявлены:

а) общие для СССР и США тенденции:

— переход от моноблочной к сборной конструкции ДОС, а в перспективе к концепции базовой станции с "эскадрильей" отдельно летящих модулей;

— увеличение срока эксплуатации ДОС и ее пилотируемого режима;

— создание станций с экипажем 3-6 человек;

б) общие черты конструкций ДОС в СССР и США:

— отказ от создания искусственной силы тяжести;

— использование для получения электроэнергии СБ;

— создание в гермоотсеках жизнеобеспечивающей атмосферы, по своим параметрам близкой к земной;

в) национальные различия:

— отсутствие в США преемственности программ создания ДОС;

— рекламный характер многих проектов американских ДОС;

— приоритет программ создания транспортных космических систем перед программами создания ДОС в США, и увязка программ создания ДОС и транспортной системы в СССР.

Литература

1. Космонавтика. Энциклопедия, Гл.ред. В.П.Глушко. М., 1985.

2. "Салют-6" — "Союз" — "Прогресс" работа на орбите /Сост. В.А.Иванов и др. М., 1983.

3. Aerospace Daily 1972, vol.44, №23, p.177.

4. Air at Cosmos 1973, vol.11, №467, р.5,38,42.

5. Aviation Week and Space Technology. 1973, vol.99, N19, p.42,43,46.

6. Aviation Week and Space Technology. 1983, vol.119, №25, p.52-57.

7. Baker D. Orbital Bacee Space station. Report-1. The North American Rockwell Proposal // "Spaceflight", 1971, vol.19, N9, p.318-334.

8. Baker D. Space Station. Report-2. The McDonnel Douglas Proposal/ "Spaceflight", 1971, vol.13, №9, p.344-351.

9. Interavia, 1973, vol.28, N4, p.317-321.

10. Spaceflight, 1971, vol.13, №2 , p.96.