«Техника-молодежи» 2005 г №1, с. 11-15

Без малого полвека назад, когда в 40 км севернее поселка Тюратам военные строители бешеными темпами монтировали первые объекты 5-го научно-испытательного полигона Министерства обороны, в цехах подмосковных Подлипок собирались первые узлы «семерок», а на чертежных столах ОКБ-1 еще не появились первые варианты будущих «Востоков», герой фантастической повести братьев Стругацких «Страна багровых туч» Краюхин внушал подчиненным межпланетникам (слова «космонавт» еще не было):

— ...Государство, наш народ ждет от нас не только... вернее, не столько рекордов, сколько урана, тория, трансуранидов. Мы все мечтатели. Но я мечтаю не носиться по пространству подобно мыльному пузырю, а черпать из него все, что может быть полезно. Тащить все в дом, а не транжирить то, что есть дома! В этом наше назначение. И наша поэзия.

Прошли десятилетия, прошли предсказанные фантастами сроки освоения Луны и Марса, полетов к Юпитеру и Сатурну, высадки на Венеру. Как мы знаем, они не состоялись. Может быть, потому, что слова книжного «зампреда Госкомитета по межпланетным сообщениям при Совмине СССР» не стали руководством к действию для министров общего машиностроения СССР и директоров космического агентства России?

Не будем здесь и сейчас обсуждать вопрос, а надо ли вообще летать в космос человеку этому было и еще будет уделено достаточно места. Но прежде чем закончить обзор техники для пилотируемых космических полетов, нужно уточнить — а ЧЕМ человек там занимается? Ведь дело это небезопасное, дорогое и оправданное только в том случае, если заменить человека автоматом невозможно. Но есть ли такие области?

Есть, и даже не одна. Человек особенно хорош там, где нужно реагировать на неожиданное. Сегодня и в обозримом будущем он вне конкуренции в сборочно-монтажных и ремонтных работах в космосе, как внутри гермокабин, так и в открытом пространстве. Очень трудно, практически невозможно заменить человека-экспериментатора. И наконец, далеко не всегда автоматика способна заменить человека-пилота.

«Исследовательский пилотируемый корабль» фирмы «Боинг»; цифрами обозначены: 1 — система аварийного спасения, 2 — спускаемый аппарат («модуль экипажа и управления»), 3 — обитаемый модуль, 4 — грузовой модуль, 5 — ресурсный модуль, 6 — универсальный ракетный блок, 7 — корабль для работы на окололунной орбите, 8 — корабль для полета к Марсу.

Макет CEV фирмы “Локхид”.

Но для того, чтобы максимально использовать преимущества человека, не усугубляя его недостатков, и техника должна быть соответствующей. То есть — почти совсем не такой, какая существует до сих пор!

Раз космонавт — ремонтник, то все системы, которым может потребоваться ремонт, должны быть доступны, если не легко, то уж, во всяком случае, не требуя для своего достижения высших проявлений героизма и чудес изобретательности. Если человек — экспериментатор, то он должен иметь возможность не только контролировать опыт, но и на любом этапе вмешаться в его ход, на лету изменить методику. Пилот должен, как минимум, иметь нормальный обзор и достаточную информацию о положении корабля в пространстве, ближнем и дальнем окружении, ориентиры, да и характеристики системы управления, сочетающиеся именно с возможностями человека.

Очевидно? Да, сегодня, опираясь на 40-летний опыт. Но используемые ныне космические корабли и станции создавались уже не одно десятилетие назад, и в них вышеперечисленные принципы учтены в очень малой степени. А что дальше, что предлагается сейчас?

КАБИНА. Начнем с того, что человеку из космоса нужно... вернуться. Для этого нужно сажать на Землю либо корабль целиком, либо какую-то его часть — спускаемый аппарат (СА). Эта «сажаемая» часть должна выдерживать весь спектр тепловых, аэродинамических и динамических нагрузок, возникающих в ходе торможения в атмосфере со скорости более 8000 км/с до 5 — 10 м/с, а потом не развалиться при гашении этой скорости до нуля. При этом хорошо бы, чтобы перегрузка, действующая на космонавтов, была бы поменьше, а посадка выполнялась бы не где придется, а в заданном месте...

Сложность в том, что соответствующие системы (и просто более тяжелый корпус) нужно сначала в космос вывести, а потом весь полет с собой таскать! Следовательно, СА должен быть, ко всему прочему, достаточно легким... Словом, именно спускаемый, возвращаемый аппарат — главная часть любой пилотируемой космической системы, наиболее ответственная и сложная в отработке, наиболее дорогая...

Так совпало, что около года назад два государства, лидеры пилотируемой космонавтики — США и Россия — объявили о проектах новых пилотируемых космических кораблей, соответственно, CEV и «Клипер».

Президент США Дж. Буш-младший объявил в декабре 2003 г. о новых амбициозных космических планах своей страны: база на Луне к 2020 г., затем — полет к Марсу... Основой новой программы должен стать CEV (Crew Exploration Vehicle) — пилотируемый исследовательский корабль. Судя по тому немногому, что уже опубликовано, за основу взят не крылатый аппарат и не давно отрабатывающийся несущий корпус, а старый добрый «аполлоновский» обратный конус. Как и у «Аполлона», посадка будет на парашютах, на воду. Но сходство на этом кончается.

На околоземную орбиту CEV — спускаемый аппарат — будет выводиться одноразовой ракетой-носителем, а уже там — оснащаться необходимыми двигательными установками, энергоблоками, обитаемыми отсеками и т. д., которые будут выводиться другими ракетами, может быть, более грузоподъемными, но менее надежными.

Пока рассматриваются два варианта, предложенных обеими ведущими авиакосмическими корпорациями США — «Боинг» и «Локхид». «Боинговский» проект глубже проработан и больше разрекламирован, о нем и поговорим.

Итак, форма СА повторяет «Аполлон», только диаметр на полметра больше, соответственно выросли и другие размеры. Коническую обечайку венчает переходник со стыковочным узлом. В спускаемом аппарате разместится и автономная система управления всем комплексом.

Кроме того, в «комплект» CEV входят еще два обитаемых и два необитаемых блока.

Жилой модуль служит для того же, что и орбитально-бытовой отсек (ОБО) «Союза», но у «боинговского» проекта он... надувной! В результате его рабочий диаметр превысит 9 м, а объем будет вполне достаточным для длительного пребывания. Грузовой модуль напоминает ФГБ ТКС («ТМ», №9, 2004 г.): узкий тоннель, окруженный герметичными и негерметичными модулями различного назначения.

Так называемый «ресурсный» модуль, «в переводе на русский язык» — агрегатный отсек, в нем сосредоточены энергосистема (с солнечными батареями), система терморегулирования, двигатели для маневрирования и ориентации. И наконец, универсальный ракетный блок, судя по размерам баков — на кислород-водородном топливе. В «базовой комплектации» он двухступенчатый.

Из этих модулей, как из конструктора, предполагается собирать космические корабли для операций на околоземных орбитах, а также у Луны. Например, для облета Луны предлагается связка из спускаемого аппарата, ресурсного модуля и двухступенчатого ракетного блока. Для работы на окололунной орбите предлагается «станция» из СА, обитаемого, грузового и двух ресурсных модулей. Наконец, из этого же набора предполагается собрать и корабль для облета Марса: СА, ресурсный модуль, жилой модуль, грузовой модуль — и «межорбитальный буксир» помощнее, на атомных ракетных двигателях!..

При этом «в железе» существует только жилой модуль — по крайней мере, в виде стендового образца. Все остальное еще предстоит создать. Не надо обольщаться похожестью СА на «аполлоновский» — больший на полметра диаметр означает то, что это будет НОВЫЙ АППАРАТ, в котором от старого можно использовать только аэродинамику, да и то частично. С другой стороны, конечно, нет сомнений, что американской космической промышленности эта задача по плечу.

Лет 30 назад астронавты были бы очень рады, если бы по такому принципу был сделан «Аполлон». Но ставка на «Шаттл» была сделана не случайно: ожидался рост грузопотока на орбиту, да и обратно. Так вот, CEV, при всех его технических достоинствах, исключает саму такую постановку вопроса, консервируя разовость, уникальность космических рейсов.

Кстати, сколько астронавтов будет поднимать новый корабль, сказать пока нельзя. Нет, в СА такого размера вполне можно поместить 6-8 человек — даже в меньшего размера «аполлоновский» конус умещали 5-6, правда только в спасательном варианте.

В российской космонавтике — несмотря ни на что — ситуация другая. Похоже, техника (в который раз!) оказалась умнее своих создателей: даже ветераны, жизнь отдавшие отрасли, все еще «принципы Краюхина» воспринимают только как фантастику, зато аппараты, которые они создали и проектируют, пригодны для большего.

В отличие от американцев, у нас есть не только технологии и опыт — есть отработанные блоки-«шасси», на которых уже создан широкий спектр автономных аппаратов и модулей самого различного назначения.

Но для работы с такой орбитальной инфраструктурой нужен транспортный пилотируемый корабль. «Союз» («ТМ» №№ 5, 6, 2004 г.) для этого давно уже мал. «Шаттл» (или, что в данном случае то же, «Буран») — велик.

ТКС... Большой запас топлива с возможностью дозаправки, просторные обитаемые отсеки, совершенная даже по нынешним временам автономная система управления — все это делает ТКС («ТМ» №9, 2004 г.) идеальным для длительных автономных полетов (т. е. для чего, собственно, проектируется CEV). Но для регулярного снабжения орбитальных объектов ТКС не оптимален: большой и сложный в производстве функционально-грузовой блок (интересно, что корпус ФГБ как раз очень технологичен, но вот системы...) остается на орбите вместе с большей частью бортовых систем, что нужно далеко не всегда. Да и, как показала практика, не всегда нужна большая грузоподъемность — ценнее регулярность, частота рейсов. Вот если бы наоборот: большой многоразовый СА и простенький (дешевый) отсек для оборудования, нужного только на орбите...

Надо сказать, замена «Союзу» на трассах «Земля — ОС» предлагалась давно. Еще 27 января 1985 г. было принято постановление ЦК КПСС и Совмина СССР о разработке многоразового транспортного космического корабля 14Ф70 «Заря».

Пилотируемые ракетно-космические комплексы 2010 г.: 1 — «тяжелая» «Дельта IV» + CEV; 2 — «Ангара-3» (правый УРМ условно развернут на 45°) + «Клипер»; 3 — «Онега» + «Клипер»; 4 — «Зенит» + «Клипер».

Идея «Зари» смела: используя отработанную форму «союзовской» «фары» (размеры увеличены в 1,86 раза, экипаж — до 6 — 8 человек) отказаться от парашютов! Дело в том, что в атмосфере любое тело тормозится до скорости около 100 м/с. А ее должны были гасить... 24 ракетных двигателя тягой по 1,5 т каждый. Двигатели орбитального маневрирования с запасом топлива и солнечные батареи располагались в легком агрегатном отсеке, сбрасываемом перед посадкой.

К сожалению, проект погубила именно его смелость: заказчики военные крайне настороженно отнеслись к ракетной посадке, предстояла долгая наземная и летная отработка нового корабля... А все силы отрасли были брошены на «Буран».

Используя «бурановский» задел, предложили многоразовый крылатый транспортный корабль ОК-М. По грузоподъемности он превосходил ТКС, а для запуска предполагалось использовать тяжелый носитель «Энергия-М» или вновь разрабатываемую многоразовую систему. Кроме того, НПО «Молния» предложило систему запуска ОК-М с самолета «Мрiя», известную как МАКС. Однако после фактического прекращения работ по «Бурану» судьба «буранчиков» повисла в воздухе (кроме того, для нынешней космической программы они тоже избыточны).

Настороженность к ракетной посадке и необходимости таскать с собой весь полет запасы топлива сохранилась, а вот веры в возможности отечественной промышленности довести до эксплуатации такой принципиально новый аппарат поубавилось. Но транспортный корабль больше «Союза» требовался, и «Энергия» предложила «Клипер» («ТМ» №5, 2004 г.).

Задачи «Клипера» гораздо уже, чем американского корабля: доставка людей на орбитальные станции на низкой околоземной орбите, и, конечно, их возвращение на Землю. Он тоже не полностью многоразовый: агрегатно-бытовой отсек (ОБО «Союза», вокруг которого размещены топливные баки и двигатели) сбрасывается перед входом в атмосферу. Но, в отличие от «Союза», блоки систем управления и — частично — жизнеобеспечения установлены в возвращаемом аппарате, доступны для осмотра и ремонта в длительном полете, возвращаются на Землю для повторного использования.

НОСИТЕЛЬ. Выбор спускаемого аппарата позволяет определиться и со способом выхода на околоземную орбиту.

Несмотря на многочисленные проекты частично или полностью многоразовых систем самого разного устройства, на ближайшие годы основой космонавтики остаются одноразовые баллистические ракеты-носители (РН). Причина этому даже не экономическая, а идеологическая: сегодняшние «краюхины» не видят перспектив значительного роста грузопотока, оправдывающего затраты на создание «челноков». Зато новые РН нужны, поскольку нынешние, созданные на базе боевых МБР, не отвечают современным требованиям по экологичности, надежности, трудоемкости эксплуатации...

Проект CEV «привязан» к новым носителям, созданным по программе EELV: «боинговской» «Дельте IV» и «локхидовскому» «Атласу V». Это машины номинально — среднего, но фактически — тяжелого класса.

«Дельту IV» можно назвать одним из шедевров ракетной техники. Это первая ракета-носитель, на ВСЕХ ступенях которой в качестве горючего применен жидкий водород. С одной стороны, это позволяет (в зависимости от комплектации: 1-3 блока первой ступени СВС, 2-4 твердотопливных ускорителя, 2 варианта верхней ступени) выводить на низкую околоземную орбиту 6,76, 7,8, 9,07, 10,3, наконец — 20,5 т. С другой стороны, при всех энергетических достоинствах жидкого водорода, горючее с температурой -253°С и плотностью 71 кг/м3 — отнюдь не подарок в эксплуатации, и далеко не дешево в производстве. Но у США производство жидкого водорода для ракет хотя бы есть!

Уникальной для американской ракетной техники является технология сборки РН на космодроме. В отличие ото всех американских космических ракет, «Дельта IV» собирается горизонтально (ВСЕ советские РН собираются ТОЛЬКО ТАК), что значительно упрощает и удешевляет процесс, хотя — теоретически -увеличивает нагрузки на конструкцию ракеты.

Напомню, что Россия унаследовала парк разнообразных космических носителей, производство которых было поставлено на поток и отработано до высокой степени надежности, однако неуклонно стареющих. Начавшаяся смена поколений РН была прервана. Из всего задуманного ряда — средний «Зенит» (12-14 т), тяжелые «Энергия-М» (30-40 т) и «Гроза» (60 т), сверхтяжелые «Энергия» (100 т) и «Вулкан» (200 т) -успели довести только «Зенит», который после распада СССР мгновенно оказался «импортным». В результате сегодня, как и тридцать лет назад, российская космонавтика базируется на средствах выведения, разработка которых началась в середине 1950-х — начале 1960-х гг. Нужны новые носители среднего и тяжелого класса, в т. ч. и пилотируемые.

Видимо, первые проработки «Клипера» выполнялись именно под «Зенит». Однако привязываться к носителю, спроектированному в «заграничном» Днепропетровске, посчитали неудобным, и корпорация «Энергия» предложила «Онегу».

Грузовые транспортные корабли: 1 — ГТК-1 с герметичным корпусом; 2 — ГТК-2 с открытой платформой; 3 — составной ГТК-3 для доставки крупногабаритных грузов.

Превращая носитель «Союз» в «Союз-2» (о том, что первоначально проект назывался «Русь», все уже забыли), разработчики дословно выполнили одно из требований задания: максимально использовать существующие отработанные технологии завода и космодромов. В результате, при значительной экономии массы (благодаря переходу — наконец — с аналоговой на цифровую систему управления) и форсированных двигателях, грузоподъемность увеличилась менее чем на полтонны. Но куйбышевские инженеры предложили вариант более смелой и глубокой модернизации: поставить на центральном блоке в 1,5 раза более мощный двигатель (от Н1), увеличить емкость баков этого блока, сделать новую третью ступень... Полезный груз можно было увеличить с 7 до 11 т.

Проект «Ямал» заказчиков не заинтересовал. Экспортный вариант «Аврора» собирались запускать с острова Рождества в Австралии, но и эти работы прекратились... Зато идея Поволжского филиала увлекла центральную «контору» «Энергии».

На центральном блоке «Онеги» хотят установить двигатель РД-191, тяга которого вдвое больше «семерочного», а третья ступень должна быть на водородном горючем. В результате ожидается грузоподъемность, превосходящая «Зенит» (15 т!) даже при запуске с энергетически менее выгодного Плесецка.

Между тем на Заводе им. Хруничева продолжается создание нового носителя (точнее — семейства носителей) «Ангара». С начала 1990-х облик машины и решаемые ею задачи дважды значительно изменились, но нам интересен нынешний этап.

Как и у «Дельты IV», основой служит УРМ — универсальный ракетный модуль, но на этом сходство кончается. «Ангару» хотели иметь и легкого, и тяжелого класса, а вот от водорода в конце концов почти отказались. В результате, «керосиновая» «Ангара», в зависимости от комплектации (1, 3, 5 УРМов, два варианта верхних ступеней), должна выводить на низкую околоземную орбиту, соответственно, 2,0, 3,7, 14,6 и 24,5 т! Первоначально ставка делалась на коммерческое использование легких вариантов, однако сегодня основное внимание сосредоточено на самом тяжелом, причем он создается и для Федеральной космической программы России с запуском с Плесецка, и в рамках совместного с Казахстаном проекта «Байтерек», с запуском с Байконура.

Пока интеграция «Клипера» и «Ангары» не рассматривалась. Между тем, исходя из экономики и элементарного здравого смысла, этот вариант наиболее перспективен: политические трудности с «Зенитом» не исключены, возможность получения заявленных характеристик «Онеги» неочевидны... Единственная проблема — сроки летных испытаний легкой «Ангары» сорваны, но у кого сегодня повернется язык обвинить в этом создателей нового носителя?

Если поставить рядом «Ангару-5» (полезный груз — 24,5 т) и «Дельту IV» (20,5 т), хорошо видны все «плюсы» и «минусы» жидкого водорода. Каждый из пяти УРМов «Ангары-5» имеет длину 23, диаметр — 2,9 м, «сухую» массу 8 т и оснащен двигателем РД-191 тягой 196 т. «Дельта IV» включает 3 блока СВС, длиной по 40,9 и диаметром 4,88 м, «сухой» массой 24,5 т; каждый из них оснащен двигателем RS-68 тягой 294 т...

«Водородная» ракета легче (заправленная), но гораздо более громоздка. Кроме того, жидкий водород намного дороже керосина. Поэтому при уникальных пусках сверхтяжелых носителей водородное горючее не имеет альтернативы, а вот если речь идет о десятках и сотнях полетов, его преимущество неочевидно...

«КИРПИЧИ» ДЛЯ ДОМОВ НА ОРБИТЕ. А какими будут те орбитальные станции, с которыми будут взаимодействовать описанные корабли?

Как уже сказано, в нашей стране есть отработанные блоки-«шасси». Есть модули 17К («ТМ» №7, 2004) и их развитие 27К — те самые «вечные Салюты», базовый блок «Мира», служебный модуль МКС — большой объем, надежная конструкция. Есть модули 77К («ТМ» №9, 2004 г.) — ФГБ, со свободными торцами для стыковочных узлов и целевых приборов, с огромным запасом топлива для маневров. Есть модули 37К — не способные к автономному полету, зато простые и легкие. Есть совсем маленькие модули, такие, как стыковочный отсек «Мира» или «Пирс» МКС, сделанные на базе «союзовских» ОБО.

Таким образом, «кирпичи» есть, но вот с твердым представлением о том, что из этих «кирпичиков» можно построить, сложнее. Дело здесь не только (боюсь, даже не столько) в деньгах. Судите сами...

Россия обязана достроить МКС. Сегодня российский сегмент (PC) состоит из трех модулей («Заря», «Звезда» и «Пирс», см. «ТМ» №10, 2004 г.) и двух типов транспортных кораблей (пилотируемый «Союз-ТМА» и беспилотный «Прогресс-M1»), которые периодически стыкуются к трем стыковочным узлам. На данный момент PC обеспечивает жизнеобеспечение космонавтов (американские системы не работоспособны), поддержание орбиты станции собственными корректирующими двигателями и двигателями кораблей, ну и -замену экипажей. Научной аппаратуры на российских модулях практически нет, энергетика станции обеспечивается американскими солнечными батареями, только на американском сегменте пока стоят и стабилизирующие гиродины.

Предполагаемый облик «ОКА-Т»: 1 — стыковочный узел; 2 — антенн системы стыковки; 3 — солнечная печь; 4 — агрегатный отсек; 5 — солнечная батарея; 6 — негерметичный приборный отсек; 7 — герметичный отсек.

Планируется, что к 2010 г. в состав PC войдет НЭП (научно-энергетическая платформа), многоцелевой лабораторный и исследовательский модули. По новым данным, два последних будут сделаны на базе ФГБ, и позволят наконец наладить на российском сегменте научную работу.

Возможно, в это же время России придется решать проблему доставки на МКС японского модуля JEM и европейского «Columbus». Оба они изначально предназначались для выведения «Шаттлом», что в значительной степени определило их конструкцию. Перспективы «Шаттлов» по-прежнему туманны, зато отечественные специалисты нашли возможность заменить их... «Протонами», предложив семейство беспилотных кораблей ГТК («грузовой транспортный корабль»). Основой ГТК послужили части ФГБ и агрегатный отсек «Союза». А самый большой из них -ГТК-3, как раз способный доставить европейский и японский модули, — с опорной орбиты к МКС должен буксировать отдельно запускаемый и стыкуемый с ним «Прогресс»!

В общем, на ближайшее время МКС останется единственным форпостом человека в ближнем космосе несмотря на все ее недостатки.

Орбита МКС недостаточно наклонена к экватору, что ограничивает ее возможности как по наблюдению за Землей, так и по изучению околоземного пространства. Компоновка МКС исключает размещение экспериментального оборудования в наилучшем для этого месте — в центре масс (там находятся забитый служебными системами и топливом модуль «Заря» и переходной люк, соединяющий американский и российский сегменты). Создателям МКС не удалось решить важнейшие организационные проблемы, что если не исключает, то резко осложняет эффективную эксплуатацию дорогой станции. Наконец, большая часть блоков МКС (включая российские) рассчитывалась на доставку «Шаттлами», и не может быть выведена другим способом без серьезной доработки или полной переделки...

Поэтому в отечественных НИИ и КБ медленно и трудно, но рождаются проекты будущих орбитальных объектов, призванных сменить МКС. Прежде всего, речь о высокоширотной посещаемой космической станции (ВПКС) и посещаемом технологическом орбитальном модуле.

Проект ВПКС рассматривался еще как потенциальная альтернатива «Миру» и с тех пор неоднократно изменялся. До 2013 г., на который намечено начало летных испытаний, он тоже, наверняка, изменится, но принципиальными останутся два момента. Во-первых, станция будет выводиться на орбиту с большим наклонением, вплоть до полярной (наклонение 90°), что позволит наблюдать всю поверхность Земли. Во-вторых, экипажи на станции будут работать не постоянно, а прилетать туда периодически, для обслуживания, ремонта, переналадки и т. д. Идея в том, чтобы, сократив эксплуатационные расходы, получить наконец практическую отдачу.

На такой же режим эксплуатации рассчитан и технологический модуль. Вообще, оказалось, что «печки» для получения в космосе всевозможных экзотических материалов на пилотируемых аппаратах лучше не ставить: ускорения, вызываемые движениями экипажа, весьма негативно влияют на качество продукции. 7,9-тонный модуль под названием «МАКОС» разрабатывало НПО им. С.А. Лавочкина (на базе «союзовского» ОБО и агрегатного отсека АМС «Фобос»). Сейчас в Федеральной космической программе модуль именуется «ОКА-Т».

ВРЕМЕННОЕ РЕШЕНИЕ. Все описанное, однако, представляет собою лишь, как говорят прогнозисты, «пессимистический» вариант развития космонавтики. Практически, консервируется нынешняя ситуация с единичными полетами.

Но есть ведь и вариант оптимистический: с массовыми космическими перевозками, колониями и заводами на Луне, солнечными космическими электростанциями, городами на Марсе и спутниках планет-гигантов, системой перехвата опасных астероидов. Вот только нынешней, даже еще только создающейся пилотируемой космической технике в этом оптимистическом варианте места... почти не будет. Возить не 2 — 6, а 20 — 600 человек, и не раз в 2 — 3 месяца, а раз в 2-3 дня, предстоит совсем другим машинам!