Современные многоступенчатые космические ракеты являются устройствами одноразового использования. На Землю они, как правило, не возвращаются, а их детали остаются в космосе, засоряя и без того достаточно замусоренные земными изделиями околоземные орбиты. Сегодня таких искусственных тел насчитывается уже около десятка тысяч. Вследствие неудачных запусков захламляется деталями космических ракет и загрязняются остатками их топлива обширные территории вблизи стартовых комплексов. Особенно пострадали степи Казахстана и северная тундра, где сокращаются оленеводческие угодья. Кроме того, обидно терять такие дорогостоящие объекты, как космические ракеты. Все эти соображения говорят в пользу создания таких ракет-носителей, которые бы возвращались на Землю из космического пространства.
По-видимому, первыми над этим задумались американские ракетчики. В результате около двух десятилетий назад в США была создана система многоразовых транспортных космических кораблей (МТТК). Она была разработана по программе «Спейс-Шаттл» («Космический Челнок»), которую субсидировало Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА).
В основу компоновки МТКК положен иной, нежели во всех предшествующих космических кораблях с их последовательным сочленением ступеней, принцип: составные части объединяются в «пакет» параллельно соединяемых блоков. В МТКК «Спейс-Шаттл» таких блоков три. Первый из них содержит два твердотопливных цилиндрических ускорителя, второй - крепящийся к их поверхасти огромный бак для водородно-кислородного топлива третьей ступени, которая выполнена в форме аэроплана. В зависимости от названия этой возвращаемой на Землю ступени, весь комплекс получает одно из четырех названий: «Челленджер», «Колумбия», «Дискавери» или «Атлантис».
О том, какое топливо заливается в цилиндры ускорителей, можно лишь догадываться по просочившимся в прессу крайне скудным сведениям. Еще в 1942 г. после серии засекреченных испытаний в США было создано топливо на асфальтовой основе. Оно получило обозначение «Галсит» и состояло из 25% асфальта и 75% перхлората калия. Этот состав имеет жидкую фазу и затвердевает после заливки его в корпус ракетного ускорителя в течение четырех суток. Автором его считают Дж. У. Парсонса - главного эксперта лаборатории химических топлив. Новая модификация - «Галсит-61С», состоящая из 76% перхлората калия и 24% горючего (основой горючего являлся асфальт с добавлением смазочного масла), - использовалась в ракетных ускорителях уже в ходе второй мировой войны. Серийное производство его осуществляла фирма «Аэроджет». Работы над дальнейшим улучшением топлива, похоже, были продолжены.
Надо сказать, что асфальт течет при высоких температурах, а при низких становится хрупким, как стекло. Поэтому, вероятно, его решили заменить резиноподобными материалами, которые в процессе отвердения переходят в результате необратимых химических реакций в неплавкие и нерастворимые высокомолекулярные полимеры. В конце войны фирма «Тиокол кемикал корпорейшн» заменила асфальт полисульфидным каучуком. Горение такого заряда происходит как с торцевой поверхности, так и по внутреннему звездообразному каналу, что резко увеличивает газообразование. С 1948 г. началось внедрение этого топлива на американских ракетах дальнего действия. Возможно, что в ускорители «Спейс-Шаттла» заливается какая-то из модификаций этого топлива.
Последняя ступень МТКК «Спейс-Шаттл» имеет три маршевых водородно-кислородных ЖРД, два ЖРД маневрирования и 44 ЖРД ориентации. Эти двигатели питаются смесью четырехокиси азота и монометилгидразина. Топливный бак маршевых ЖРД заполняется на 70% его объема жидким водородом (102 т), а в верхнюю вливается 605 т жидкого кислорода. Огромный бак для этого топлива является единственной составной частью МТКК, не возвращаемой на Землю. Оба ускорителя отделяются на высоте около 48 км после выработки топлива и приводняются на парашютах в расчетную точку. Последняя ступень приземляется, как самолет, на подготовленную взлетнопосадочную полосу.
Ускорители выпускаются фирмой «Тиокол» (США). Их длина - 35,3 м, поперечник - 3,7 м. Сопла регулируемые. Стартовая тяга достигает 1360 Т. Длительность непрерывной работы до 122 с, что достаточно для преодоления зоны сильного гравитационного поля Земли. Топливный бак сбрасывается спустя 10-30 с на высоте около 113 км после того, как прекращают работу маршевые ЖРД последней ступени перед выходом в космос. Войдя в плотные слои атмосферы на высоте около 53 км бак сгорает. Что же касается ускорителей и последней самолетовидной системы, то они, после небольшого ремонта, могут быть использованы многократно.
Маршевые двигатели последней ступени изготавливает фирма «Мартин-Мариетта» (США). Каждый из них способен развивать в течение 8 мин тягу 713 Т. Их ресурс рассчитан на несколько полетов. При возвращении на Землю они продолжают работать до тех пор, пока не станут эффективными аэродинамические свойства самолетовидной ступени. Ее выпускает фирма «Рокуэлл» (США). Ступень имеет длину 37,2 м, высоту 17,3 м. Каркас и обшивка изготавливаются из алюминиевых сплавов, а облицовочные теплозащитные плитки - из композиционных материалов типа «углерод-углерод» и кварцевого волокна. Расчетная длительность непрерывного полета - неделя. Экипаж - до 8 человек, пребывающих внутри корпуса без скафандров. Полезная нагрузка размещается в просторном головном отсеке с размерами 18,3 х 6,0 м2. Она выгружается на орбиту и снимается с нее с помощью специального робота.
Особо следует сказать об экипаже. Желающих попасть в его состав в США оказалось более чем достаточно. На участие в первом полете претендовало 8079 человек, из них 1544 - женщины.После жестких конкурсных испытаний НАСА отобрало 208 человек, включая 21 женщину, которые и были направлены для подготовки к полету в учебный центр. Командиром первого корабля был назначен астронавт Джон Янг, совершивший в 1972 г. высадку на Луну.
Первым из МТКК «Спейс-Шаттл» была «Колумбия», стартовавшая 12 апреля 1981 г. с мыса Канаверал и пробывшая на космической орбите с высотой 276,6 км 7 суток 20 часов 42 минуты 52 секунды. После этого она благополучно приземлилась на дне высохшего озера близ базы ВВС США «Эдвардс» в штате Калифорния.
Двадцать пятый из запланированных НАСА полетов «Спейс-Шаттл» закончился трагически. «Челленджер» успешно стартовал с семью членами экипажа 28 января 1986 г. в 11 часов 30 минут 17 секунд. Но через 74 секунды, достигнув высоты 15 км, он развалился на глазах тысяч зрителей в ослепительной бело-желтой вспышке громоподобного взрыва. Впоследствии было установлено, что причиной катастрофы явилась протечка пламени через разрушившийся от мороза стык нижних колец корпуса правого ускорителя. Пламя коснулось топливного бака. Экипаж погиб. В его составе была молодая учительница истории из города Конрад Криста Маколифф, намеревавшаяся из космоса преподать урок о необходимости беречь Землю. В стране был объявлен национальный траур и заторможена программа «Спейс-Шаттл», хотя в распоряжении НАСА еще оставались три МТКК: «Колумбия», «Атлантис» и «Дискавери».
Погибший корабль обошелся налогоплательщикам в 1,2 млрд долларов. Для сравнения скажем, что программа «Манхеттен» по созданию первой атомной бомбы была «всего» на 0,8 млрд долларов дороже. На создание семейства кораблей «Спейс-Шаттл» НАСА израсходовало начиная с 1972 г. более 12 млрд долларов, а знаменитый полет на Луну «Аполло» стоил почти 24 млрд долларов - столько же, сколько ежегодно США тратили на войну во Вьетнаме. Американцы считают, что сегодня вывод в космос полезной нагрузки массой 1 кг стоит более 10 тыс. долларов. Что касается сроков реализации ракетно-космической программы, то, по тем же данным, от эскизного проекта до реализации в «металле» проходит 15 лет, после этого требуется еще длительное время на «доводку» до серийного выпуска.
Когда шок от гибели «Челленджера» прошел, полеты МТКК «Спейс-Шаттл» возобновились, 29 сентября 1988 г. на орбиту вышел «Атлантис».
Программа «Спейс-Шаттл» преследует в основном военные цели. Однако существует и гуманный аспект использования МТКК. Конечно, еще не пришло время внеземных поселений людей, о который мечтал Циолковский, но уже вполне реально создание экологически чистых источников электрической энергии для использования ее на Земле. Как сообщило агентство ЮПИ (Вашингтон), еще 9 февраля 1970 г. фирма «Боинг» предложила правительству США разработать и реализовать проект орбитальной электростанции, эквивалентной по мощности десяти крупным АЭС. Предполагалось, что это будет искусственный спутник длиной до 30 км, массой 100 тыс. тонн с панелями солнечных фотоэлементов общей площадью 95,2 км. Вырабатываемая ими энергия должна передаваться на Землю по фиксированному микроволновому каналу через специальные антенны. Конструктивные элементы станции будут доставляться МТКК на низкую монтажную орбиту. Для их сборки потребуется 400 опытных космических монтажников. Пока что этот проект - мечта.
Плодотворная идея пакетной компоновки ракетно-космических систем нашла применение и у нас. Одним из ее авторов был, как указывалось, М. К. Тихонравов, энергично поддержанный С. П. Королевым. Например, комплекс «Энергия»-«Буран» состоит из ракеты-носителя («Энергия») и отделяющейся от нее в космосе самолетновидной ступени («Буран»). Этот комплекс, однако, нельзя причислить к МТКК, поскольку на Землю возвращается из полета только «Буран», а ракета и топливный бак утрачиваются.
Наряду с «Титаном-7» «Энергия» является одной из наиболее мощных сегодняшних ракет. Суммарная мощность ее двигателей достигает 170 млн л. с., что более чем в восемь раз превышает те «лошадиные силы», которым Ю. Гагарин скомандовал: «Поехали!» По опубликованным данным ракета «Энергия» может доставить в космос полезную нагружу более 100 т. Высота этой ракеты со стартовой массой свыше 2000 т достигает 60 м (она ниже «Титана-7»), а поперечник - 18 м.
Первый полет комплекса «Энергия»-«Буран» состоялся 15 мая 1987 г. Макетная последняя ступень приводнилась по ошибке в акватории Тихою океана. Однако после второго полета, осуществленного 15 ноября 1988 г., «Буран» автоматически, в беспилотном режиме, точно приземлился на взлетно-посадочной полосе космодрома, успешно использовав свои аэродинамические свойства. Для полета он оборудован объединенной двигательной установкой, работающей на экологически чистом углеводородном горючем.
Появление «Энергии» вызвало определенную «смуту». Дело в том, что она может временно оказаться «безработной», частично из-за отсутствия подходящих для нее полезных нагрузок, частично - из-за возможности более экономной доставки их на орбиту. По некоторым, хотя и не вполне достоверным данным, в настоящее время около 70% советских космических транспортных средств и 90% американских ориентированы на массы полезных нагрузок, не превышающие 7 т. Нельзя упускать из вида и достижения конструкторской мысли в микроминиатюризации, позволяющей непрерывно расширять функциональные возможности полезных нагрузок с одновременным уменьшением их массо-габаритных характеристик. До настоящего времени одной из наиболее крупных полезных нагрузок, выводимых на рабочую орбиту системой «Спейс-Шаттл», можно считать орбитальную лабораторию «Спейслэб», созданную в 1983 г. Европейским космическим агентством. Американскую орбитальную лабораторию «Скайлэб», построенную десятилетием ранее и доставленную на орбиту могучей ракетой «Титан-7», до 1974 г. посетили три экипажа, но она стала вдруг терять высоту, угрожая наземным объектам. Поправить дело не удалось, и в июле 1979 г. «Скайлэб» вошел в плотные слои атмосферы. Несгоревшие обломки упали в Индийский океан и на западе Австралии. К счастью, обошлось без жертв.
Известно, что советские орбитальные станции «Салют» оказались «долгожителями», а «Мир» до сих пор не исчерпал своих ресурсов. Сегодня многие зарубежные страны претендуют на посылку туда своих исследователей и на получение в невесомости в блоках, пристыкованных к «Миру», сверхчистых полупроводниковых и органических материалов.
Интерес к космическим исследованиям проявляют теперь не только сверхдержавы. В частности, на космические орбиты выходит Китай. Достижения этой бедной азиатской страны поразительны. Она сумела создать даже собственное термоядерное оружие, а ведь им сегодня располагают только самые передовые страны Европы и Америки. Ключ к разгадке - в давней программе «четырех модернизаций», одним из лозунгов которой было: «Пусть пчелы возвращаются с медом к своему улью». «Пчелы» - многие тысячи китайских ученых и инженеров, работавшие вне пределов Китая (так называемые «хуацяо»), вернувшись на Родину в 50 - 70-е годы, создали «мозговой центр» в области ядерной и ракетно-космической техники. В нем работают немало выдающихся ученых, в том числе лауреатов Нобелевской премии, из которых назовем лишь Цянь Цуэсяна, прозванного «китайским фон Брауном». По данным американского министерства торговли, в 1972 г. в США действовало свыше 13 тысяч электронных фирм, принадлежащих «хуацяо».
Первый китайский спутник «Дунфакун» массой 173 кг был выведен на орбиту 25 апреля 1970 г. китайской ракетой-носителем «Великий поход-1». За шесть лет до этого китайские ракеты уже проникли в космос. Сегодня все китайские ИСЗ выводятся на орбиту китайской ракетой «Великий поход-3». Вполне современная по техническим характеристикам она отличается относительной дешевизной (стоимость ракеты и космического фрахта на 10-15% ниже мировых расценок), что обеспечило коммерческий успех и обилие заказчиков. С китайской ракетной компанией «Великая стена» недавно вели переговоры 13 организаций из 10 стран мира. Этому способствовало рассекречивание работ.
Сегодня изготовление спутников в КНР поставлено на поток. Масса спутника «Чайна-УШ» со сложным радиотехническим разведывательным оборудованием доведена до 1,3-4,5 т.
Нельзя не упомянуть, что Китай является четвертой страной мира, разрабатывающей и использующей электрические ракетные двигатели.
Давно уже располагает собственными ракетами-носителями и спутниками Израиль. Первый израильский спутник «Офек-1» был выведен на орбиту ракетой «Шавит». Новый спутник - «Офек-2» - имеет массу 16 т.
В печати появляются сведения о намерениях проникнуть в космос и государств Латинской Америки, Среднего Востока, Индии и особенно Японии. Последняя держава проявляет повышенный интерес к освоению Луны как промышленной базы. В эту работу уже включились такие фирмы-гиганты, как «Мицубиси», «Тойота», «Нихон-Денко» и др. В ближайшее время японцы намереваются создать на Луне долговременный обитаемый комплекс и автоматизированный завод по производству сверхчистых полупроводниковых материалов для своей электроники.