«Наука и жизнь» 1986, №5, с. 46-50


сканировал Игорь Степикин
ТЕХНИКА. ПОИСКИ И ПРОБЛЕМЫ

КОСМОСЕРВИС НА ОРБИТЕ
Летчик-космонавт СССР П. ПОПОВИЧ заместитель начальника Центра подготовки космонавтов, и А. ЖЕЛУДКОВ, ведущий конструктор.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ КОСМИЧЕСКИX АППАРАТОВ СТАНОВИТСЯ САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ТЕХНИКИ





Три варианта перелета корабля с ремонтной бригадой для восстановления космического аппарата, находящегося на геостационарной орбите. При использовании двухимпульсного маневра (а) аппарат переводится первым импульсом (приращение скорости DV1) с опорной круговой околоземной орбиты на эллиптическую, в верхней точке которой он достигает высоты геостационарной орбиты. В этот момент второй импульс (DV2) разгоняет аппарат до скорости, обеспечивающей переход на круговую орбиту, и одновременно изменяет плоскость его движения (составляющая DVh), совмещая ее с плоскостью земного экватора. Второй вариант перелета (б) предусматривает изменение плоскости орбиты далеко за пределами геостационарной орбиты, где аппарат имеет наименьшую скорость, и поэтому изменение плоскости его движения требует минимальных затрат энергии. Третий импульс необходим, чтобы перевести аппарат с эллиптической орбиты на геостационарную. Перелет с использованием гравитационного маневра (в) отличается от трехимпульсного маневра тем, что роль второго импульса выполняет притяжение Луны при близком ее облета, и затраты топлива на изменение плоскости орбиты не нужны.



В разрезе показаны транспортный корабль (вверху) и орбитальная станция (внизу). Орбитальный отсек (1) и спускаемый аппарат (2) транспортного корабля используются как жилые помещения, в них нет оборудования, кроме средств жизнеобеспечения, органов управления и средств индикации. Топливная система, двигатели ориентации и маршевая двигательная установка корабля размещены в негерметичных переходном и агрегатном отсеках (4), а аппаратура систем ориентации, связи, электроснабжения сосредоточена в приборном отсеке (3), герметичном и заполненном инертным газом. На орбитальной станции, как и на транспортном корабле, топливная система и двигательная установка находятся в негерметичном агрегатном отсеке (7) однако основное оборудование (3) размещено на боковых стенках рабочего отсека (6) и доступно экипажу для обслуживания и ремонта. Переходный отсек (5) и промежуточная камера (8) играют роль "буферных" зон станции при причаливании кораблей к стыковочным агрегатам, а также при выходе экипажа в открытый космос.
  • Скоро минет год со дня начала космической экспедиции В. А. Джанибекова и В. П. Савиных, а память цепко хранит волнение, которое царило в Центре управления полетом. Да как было не волноваться — задачи, которые стояли перед космонавтами, до сих пор не приходилось решать никому. Последствия незначительной, казалось бы, неисправности неотвратимо превращали станцию "Салют-7" в безжизненное, бесполезное небесное тело, а В. А. Джанибекову и В. П. Савиных предстояло возвратить ее в работоспособное состояние. Задача многократно усложнялась тем, что на Земле никто достоверно не знал, каковы истинные причины неисправности, масштабы постигшего станцию бедствия и возможно ли вообще возвращение ее к жизни. Одна только отправка экипажа на аварийный космический объект и поставленные перед ним задачи сами по себе были уникальным техническим экспериментом (см. журнал "Наука и жизнь" № 9, № 11 за 1985 год).
  • Надо сказать, что техническое обслуживание и отдельные восстановительные работы выполнялись на орбитальных станциях и прежде. Однако сделанное на этот раз космонавтами принципиально отличается от выполнявшихся раньше операций чрезвычайной сложностью и поистине огромным для космоса объемом работ. Здесь, как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло — космонавты продемонстрировали возможность автономного выполнения сложных и ответственных технологических операций. Нельзя не согласиться с мнением одного из первых наших космонавтов, профессора К. П. Феоктистова, заметившего в своей статье, напечатанной в газете "Правда", что восстановление станции стало реальным предвестником выполнения монтажных работ на орбите. В этом смысле полет В. А. Джанибекова и В. П. Савиных без преувеличения стал прологом к качественно новым методам освоения космического пространства, которые предполагают выполнение чрезвычайно сложных и широкомасштабных операций, например, по сборке и отработке огромных космических объектов, отдельные элементы которых можно доставлять на орбиту только порознь отдельными ракетами-носителями.
  • Однако полет Дженибекова и Савиных поставил перед учеными и конструкторами совершенно новые вопросы. Насколько важна и актуальна задача ремонта на бесконечных дорогах Вселенной? Какова вероятность выполнения аналогичных или даже более сложных работ в будущем? Нужно ли предусматривать возможность ремонта при планировании космических полетов и предусматривать определенные конструктивные особенности космических аппаратов, обеспечивающие их эксплуатационную технологичность? Надо ли специально обучать космонавтов выполнению ремонтно-восстановительных работ повышенной сложности на орбите?
  • Кому-то эти вопросы, возможно, покажутся праздными. Ведь с начала космической эры публикуемые в печати сообщения о безупречной работе в космосе наших ракет-носителей, спутников, лунников, пилотируемых космических кораблей породили у многих иллюзию абсолютной надежности космической техники. А слово "ремонт", к сожалению, часто соседствует с претензиями к качеству изделий, свидетельствует о низкой надежности тех или иных машин и аппаратов. Безусловно, низкое качество не уживается рядом с космической техникой, но абсолютной надежности все же нет и последнее знает любой инженер.
  • Элементы ракет-носителей и космических аппаратов, прежде чем попасть на орбиту, испытывают многочисленные и разнообразные воздействия внешней среды. Всего предусмотреть невозможно — подчас даже удар вагона на рельсовом стыке на пути от завода-изготовителя до космодрома может повлиять на дальнейшую судьбу какого-либо элемента ракеты-носителя. Узлы и детали космических кораблей сделаны из вполне земных материалов, а потому пусть в меньшей степени чем их земные собратья, но все же подвержены износу, механической усталости, чувствительны к температурным воздействиям и т. д. Проблема усугубляется тем, что многие элементы работают в экстремальных, предельных для данных материалов условиях. Обеспечить большие запасы прочности и других свойств здесь невозможно из-за ограничений по массе, еще более жестких, чем в авиации. Недостаточно изучено и воздействие специфических космических факторов; здесь возможны любые неожиданности.
  • Словом, если попытаться создать исключительно надежный ракетно-космический комплекс, то масса его будет такой, что он не сможет даже оторваться от Земли. Но и в этом случае стопроцентно поручиться за идеальную надежность всех деталей и узлов все равно будет невозможно. Словом, изменение технического состояния космических аппаратов, пилотируемых и автоматических, объективно носит случайный характер, поэтому вероятность выхода из строя и необходимость последующего ремонта отдельных элементов систем по мере увеличения продолжительности и интенсивности космических полетов будет возрастать. Строго говоря, в июне прошлого года удивления заслуживал не столько выход из строя орбитальной станции, сколько то, что такое событие произошло впервые за многолетнюю историю эксплуатации станций типа "Салют".
  • Конечно, вышесказанное не снимает с конструкторов и технологов ответственности за совершенствование конструкций и технологии изготовления ракетно-космической техники, очевидно, что субъективные причины отказов и поломок надо решительно и полностью устранять. А вот объективные причины останутся и будут всегда. Поэтому задача повышения надежности космических объектов, обеспечения максимально длительной их работоспособности и исправности неизбежно тесно соседствует с другой задачей — необходимостью системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР). О некоторых возможных ее элементах и пойдет далее речь в этой статье.
  • На первый взгляд задачу создания системы технического обслуживания и ремонта космических объектов надо было начинать с нуля — ведь на Земле нет ничего, даже отдаленно похожего на космическую орбитальную станцию или, транспортный космический корабль. Существенным окажется и разнообразие космических аппаратов — автомобиль и железнодорожная платформа внешне имеют гораздо больше общих признаков, чем может оказаться их у космических аппаратов различного назначения, особенно перспективных. И тем не менее на Земле существуют некоторые аналоги возможных вариантов системы их ТОиР, которые несколько облегчили бы решение проблемы, во всяком случае, помогли бы создать идеологию нового дела.
  • Скажем, на "земной" технике давно создалось и непрерывно совершенствуется практика назначения работ по ТОиР и их периодичности с учетом технического состояния и влияния функциональных элементов на работоспособность объектов в целом. В ходе развития "земная" техника сменила многие варианты систем ТОиР, и космонавтика начинает свой путь на основе творческого восприятия достижений многих отраслей. Можно, например, использовать опыт Министерства морского флота, суда которого работают с минимальными простоями благодаря широкому применению принципов ТОиР в рейсе. Опыт поэтапного обслуживания самолетов в гражданской авиации также способствовал бы комплексированию работ таким образом, чтобы их выполнение не требовало длительного отвлечения космических экипажей от основной деятельности. Конкретным выражением сказанного для космонавтов являются графики выполнения работ по ТОиР (составлялись они и прежде), но при этом обязательно нужно постоянно совершенствовать, рационализировать их.
  • Но что предпринять, когда речь идет о техническом обслуживании и ремонте автоматических космических объектов, автономных или объединенных в систему, а таких, как известно, у нас запускается большинство. Стоимость создания и запуска многих из них может достигать весьма высоких значений, и выход из строя подобного спутника или автоматической станции чреват большими экономическими потерями. Надо ли предусматривать возможности восстановления и тем более планового ТОиР подобных объектов на орбите? Однозначного ответа здесь дать нельзя, ведь полет ремонтников к такому объекту — тоже не дешевое удовольствие. Здесь слово за экономистами — при рассмотрении альтернативных вариантов их мнение может быть решающим. Однако на окончательный выбор должна влиять не только стоимость собственно ракетно-космических систем. Критическим может оказаться народнохозяйственный или научный ущерб из-за неработоспособности космической системы, что в итоге приведет к невозможности решения какой-либо конкретной задачи в нужное время. Что это значит? Полагаем, что при промышленном освоении космоса (см. журнал "Наука и жизнь" № 6 за 1985 год) даже кратковременное бездействие отдельных космических аппаратов может привести к серьезным экономическим потерям на Земле.
  • Какие факторы должны учитывать экономисты при решении вопроса о том, посылать или не посылать ремонтную космическую экспедицию, ремонтировать или не ремонтировать тот или иной космический объект? Таких факторов может быть очень много. Главные — расход топлива на перелеты и фактор времени. Причем роль и значение этих факторов со временем могут меняться.
  • Заметим попутно, что непосвященному человеку, не побывавшему в космосе, либо далекому от решения конкретных технических проблем космических полетов, трудно представить всю грандиозную сложность этих задач, когда речь идет о поиске, стыковке, совместном полете космических объектов, удаленных на громадные расстояния, движущихся по самым разнообразным орбитам, изменить которые ничуть не проще, чем попасть на них. И тот факт, что такие проблемы во вполне деловом ключе обсуждаются на страницах массового научно-популярного журнала, свидетельствует о поистине грандиозном прогрессе науки и техники. Ведь на практике решаются задачи, которые еще два-три десятилетия назад относились к "компетенции" исключительно писателей-фантастов, да и то самых дальновидных и смелых из них.
  • Итак, если иметь в виду будущее, перспективу, причем скорее всего не очень далекую, то техническое обслуживание и ремонт станут, очевидно, непременным условием эксплуатации большинства космических аппаратов. Правда, здесь опять-таки существуют различные решения проблемы. Некоторые работы, в первую очередь регулировочные и подстроечные, можно будет выполнять дистанционно, по команде с Земли, либо по программе, предусмотренной самой аппаратурой космических аппаратов. Но в ряде случаев, и со временем такая необходимость будет все более возрастать, техническое обслуживание и ремонт космических объектов будут выполняться специальными бригадами космонавтов, доставляемыми с Земли и специально подготовленными к работам такого рода. Космический ремонтник — профессия будущего, возможно, одна из весьма популярных в космонавтике XXI и XXII веков.
  • Возможны два варианта специализируемых пилотируемых аппаратов, запускаемых для технического обслуживания и ремонта, — аппараты разового действия и своеобразный космический ремонтный патруль длительного действия. На современном этапе, очевидно, более целесообразен и реален первый вариант. В частности, исключительно эффективной по космическим стандартам была экспедиция В. А. Джанибекова и В. П. Савиных — ведь затраты на создание новой станции "Салют" с мощной ракетной системой "Протон" и налаживание работы новой станции были бы намного больше, чем затраты на подготовку и оснащение ремонтной экспедиции, которая к тому же после восстановления станции выполнила ряд целевых программ.
  • Иное дело, когда в космосе будет находиться не один, а много однотипных или близких по конструкции космических объектов. Тогда скорее всего целесообразно размещать на орбиты постоянно действующие специализированные корабли для ремонта и обслуживания всех подобных объектов. На борту их может храниться довольно обширная номенклатура запасных деталей и узлов, постоянно пополняемая с Земли. По особому графику, по мере наступления плановых сроков технического обслуживания, космический корабль-ремонтник мог бы подлетать то к одному, то к другому космическому объекту и выполнять все необходимые работы. Он же, очевидно, будет оперативно устранять и более сложные нарушения, отказы и повреждения, если такие возникнут. Чем сложнее и дороже космические объекты, будь они пилотируемыми или автоматическими, чем больше их действует в околоземном или ином космическом пространстве, тем более оправдан такой вариант системы ТОиР.
  • Конечно, к экипажу корабля-ремонтника будет предъявляться ряд специфических требований, его роль в получении новой научной информации о космосе может оказаться относительно невелика. Зато космонавты-ремонтники должны быть мастерами высочайшего класса, владеющими множеством профессий. Не будет преувеличением сказать, что Земле нужно посылать на орбиту в составе таких экипажей лучших специалистов.
  • А разве исключен вариант, когда специализированный аппарат не облетает аппараты, нуждающиеся в ТОиР, а они подходят к нему в нужное время? В любом случае, если подумать по-настоящему о широкой и мобильной системе ТОиР космических аппаратов, вспоминаются всем с детства знакомые слове Жюля Верна — "Подвижный в подвижном". Отметим, что перелет с орбиты на орбиту — процедура сложная и энергоемкая. Такие перелеты сложны в навигационном отношении, могут требовать большой затраты топлива и времени. Но как быть, если нужно срочное восстановление попавшего в беду космического объекта? Как обеспечивать максимальную быстроту перелета, сближения и аварийной стыковки, как предельно сократить время между появлением необходимости в восстановлении и его реализацией?
  • Все это чрезвычайно сложные вопросы. Вспомним, что с учетом суточного вращения Земли для запуска космического аппарата, предназначенного для стыковки с другим космическим объектом, приходится выбирать момент с точностью до долей секунды, когда точка старта оказывается в одной плоскости с орбитой аппарата, уже находящегося в космосе. Но и в этом случае процесс сближения кораблей может быть очень длительным. Вспомним, что время маневрирования кораблей в полете по программе "Союз" — "Аполлона, прежде чем стала возможной их стыковка, превысило 40 часов. Увы, на нынешнем этапе развития космонавтики экипажу корабля, нуждающемуся в ремонте, лучше запастись терпением в ожидании помощи ремонтников — в большинстве случаев такая помощь придет не через считанные минуты, а скорее всего через часы или даже десятки часов. Поэтому пилотируемые аппараты должны располагать минимумом средств для локализации опасных отказов и повреждений.
  • Чтобы стали яснее трудности перелетов с целью выполнения ТОиР космических аппаратов, рассмотрим укрупненно проблемы маневрирования.
  • Маневры в космосе (за исключением гравитационных, когда изменение параметров движения осуществляется за счет силы притяжения небесных тел, в том числе Луны) требуют затрат топлива, тем больших, чем сильнее различие исходной и требуемой орбит по целому ряду параметров (высота, эксцентриситет, наклонение и т. д.). Много хлопот доставляет фазирование — аппарат должен проходить определенные точки в заданное время. Некоторые маневры просто неосуществимы из-за невозможности обеспечить необходимые для этого запасы топлива, что накладывает серьезные ограничения на возможность выполнения перелетов, в том числе для ТОиР космических аппаратов. Особенно сложным был бы перелет на геостационарную (суточную) орбиту, где аппарат как бы зависает над некоторой точкой экватора, вращаясь вместе с Землей. Именно на таких или близких к ним орбитах дислоцирован ряд спутников связи.
  • Рассмотрим два способа перелета одного космического аппарата для ТОиР другого аппарата, находящегося на геостационарной орбите. При этом аппарат-ремонтник находится на некоторой околоземной базовой орбите, плоскость которой не совпадает с плоскостью экватора (рисунок на стр. 48).
  • При первом способе перелета силовая установка сообщает импульс, и по эллиптической траектории аппарат достигает высоты геостационарной орбиты. В этот момент следующий импульс переводит аппарат в плоскость экватора и сообщает ему скорость для движения не по эллиптической, а уже по круговой орбите. Что касается сближения и стыковки аппаратов, то это процесс штатный, хорошо отработанный, и важно только обеспечить требование фазирования аппаратов за счет выбора времени включения силовой установки на опорной орбите.
  • Сколько времени займет такой перелет? Около 6 часов. Однако расход топлива будет непомерно велик — достаточно сказать, что одни только затраты на существенное изменение плоскости орбиты соизмеримы с мощностью самих ракет-носителей.
  • Нельзя ли сделать доставку ремонтников на геостационарную орбиту более экономичной? Для этого придется воспользоваться путем, показанным на третьей схеме. В определенное время аппарат с опорной орбиты уходит по эллиптической орбите для встречи с Луной. Облетев ее, аппарат направляется по траектории, в некоторой точке касательной к геостационарной орбите, на которую и переводится путем создания отрицательного импульса. Луна с ее полем тяготения играет роль пращи, выбрасывающей космический аппарат с нужным ускорением, в нужной плоскости и в нужную сторону. Вопросы подобных перелетов исследованы и рассмотрены в специальной литературе, а современным ЭВМ доступны расчеты их траекторий. Правда, такой перелет продлится около недели, и возможен только два раза в месяц — необходимо, чтобы облет Луны выполнялся при прохождении ее в плоскости земного экватора. Схема такого перелета впервые разработана В. В. Ивашкиным и Н. Н. Тупицыным.
  • Словом, создание действенной системы технического обслуживания и ремонта космических объектов — дело чрезвычайно непростое. И невольно думаешь: какой большой эффект дало бы объединение усилий разных государств в решении ремонтных проблем космонавтики! Важно отметить, что именно Советский Союз в последнее время постоянно призывает крепить мирное сотрудничество в космосе, в том числе имея в виду и наиболее рациональную организацию спасательных и ремонтных работ.
  • Еще в ранних работах профессора Н. Н. Смирнова, основоположника науки об эксплуатационной технологичности самолетов, сделан вывод: уровень ее для одной и той же конструкции зависит от принятой системы ТОиР. Это правомерно и для космических объектов, в подтверждение чего сошлемся на уже существующие конструкции — транспортный корабль "Союз" и долговременную орбитальную станцию "Салют". Как видно из рисунка, для первого характерно размещение основного оборудования вне обитаемых объемов в герметичном приборном отсеке, доступ в который для ТОиР невозможен даже при выходе экипажа в открытый космос. На станции же оборудование размещено внутри общего контура герметизации, и к нему есть доступ. Одноразовое использование и сравнительно недолгое существование корабля "Союз" позволяют исключить ТОиР этого оборудования, и схема его размещения всех устраивает. Но на станции подобная схема была бы неприемлемой, так как не позволила бы реализовать важные для длительно действующих объектов принципы ТОиР. Важно также в максимально и степени унифицировать космические объекты, причем и здесь унификация может осуществляться на межнациональной основе.
  • Читатель может спросить: для кого написана эта статья, ведь за исключением напоминания о полете Джанибекова и Савиных, о выполненной ими работе, речь идет в основном о прогнозах, имеющийся опыт ремонтных работ в космосе более чем скромен. Да, большую часть нашей статьи занимают именно прогнозы, но речь идет, повторяем, о прогнозах в области важнейших условий освоения космоса, о проблемах, которые нужно решать и которые решаются уже сегодня.
  • Ясно, что ремонт и соответствующее техническое обслуживание нужны всем без исключения машинам и аппаратам (конечно, в пределах целесообразного), работают ли они в космосе, либо на Земле. Не надо относиться к ремонту в космоса как к какому-то чрезвычайному событию. Качество и надежность космических аппаратов, несомненно, будут расти, но это не исключает необходимости в ТОиР. Насколько быстро и на каком техническом уровне будут выполняться эти работы, во многом зависит от практических исследований сегодняшнего дня, от принципиальных концепций организации технического обслуживания и ремонта в космосе, которые закладываются и создаются сегодня.