Восток 1 кто создал. Школьная энциклопедия. Начальный этап исследования космоса
Первый полет человека в космос стал настоящим прорывом, подтвердив высокий научный и технический уровень СССР и ускорив развитие космической программы в США. Между тем, этому успеху предшествовала трудная работа над созданием межконтинентальных баллистических ракет, прародительницей которых стала разработанная в нацистской Германии "Фау-2".
Сделано в Германии
"Фау-2", известная также как V-2, Vergeltungswaffe-2, A-4, Aggregat-4 и "Оружие возмездия", была создана в нацистской Германии в начале 1940-х годов под руководством конструктора Вернера фон Брауна. Это была первая в мире баллистическая ракета. "Фау-2" поступила на вооружение вермахта в конце Второй мировой войны и использовалась преимущественно для нанесения ударов по городам Великобритании.
Макет ракеты "Фау-2" и картинкой из фильма "Девушка на луне". Фото пользователя Raboe001 с сайта wikipedia.org
Немецкая ракета была одноступенчатой с жидкостным двигателем. Старт V-2 осуществлялся вертикально, а навигация на активном участке траектории осуществлялось автоматической гироскопической системой управления, в состав которой входили программные механизмы и приборы для измерения скорости. Немецкая баллистическая ракета была способна поражать объекты противника на расстоянии до 320 километров, а максимальная скорость полета V-2 достигала 1,7 тысячи метров в секунду. Боеголовка "Фау-2" оснащалась 800 килограммами аммотола.
Немецкие ракеты обладали малой точностью и были ненадежными, применялись в основном для запугивания мирного населения и заметного военного значения не имели. В общей сложности за время Второй мировой войны Германия произвела свыше 3,2 тысячи запусков "Фау-2". От этого оружия погибли около трех тысяч человек, преимущественно из числа мирного населения. Основным же достижением немецкой ракеты была высота ее траектории, достигавшая ста километров.
"Фау-2" является первой в мире ракетой, совершившей суборбитальный космический полет. По окончании Второй мировой войны образцы V-2 попали в руки победителей, которые на ее основе начали разрабатывать собственные баллистические ракеты. Программы, основанные на опыте "Фау-2", вели США и СССР, а позже и Китай. В частности, советские баллистические ракеты Р-1 и Р-2, созданные Сергеем Королевым, в конце 1940-х годов базировались именно на конструкции "Фау-2".
Опыт этих первых советских баллистических ракет в дальнейшем был учтен при создании более совершенных межконтинентальных Р-7, надежность и мощность которых были настолько велики, что их стали использовать не только в военной, но и космической программе. Справедливости ради стоит отметить, что фактически СССР своей космической программой обязан самой первой "Фау-2", выпущенной в Германии, с картинкой из фильма 1929 года "Женщина на Луне", нарисованной на фюзеляже.
Межконтинентальное семейство
В 1950 году Совет Министров СССР принял постановление, в рамках которого начались научно-исследовательские работы в области создания баллистических ракет с дальностью полета в пять-десять тысяч километров. Изначально в программе участвовали больше десяти различных конструкторских бюро. В 1954 году работы по созданию межконтинентальной баллистической ракеты были поручены Центральному конструкторскому бюро №1 под руководством Сергея Королева.
К началу 1957 года ракета, получившая обозначение Р-7, а также испытательный комплекс для нее в районе поселка Тюра-Там были готовы, и начались испытания. Первый запуск Р-7, состоявшийся 15 мая 1957 года, оказался неудачным - вскоре после получения команды на запуск в хвостовом отсеке ракеты возник пожар, и ракета взорвалась. Повторные испытания состоялись 12 июля 1957 года и также были неудачными - баллистическая ракета отклонилась от заданной траектории и была уничтожена. Первая серия испытания была признана полностью проваленной, а в ходе расследований были выявлены конструктивные недостатки Р-7.
Следует отметить, что неполадки были устранены довольно быстро. Уже 21 августа 1957 года был произведен успешный запуск Р-7, а 4 октября и 3 ноября этого же года ракета уже была использована для запуска первых искусственных спутников Земли.
Р-7 была жидкостной двухступенчатой ракетой. Первая ступень представляла собой четыре конических боковых блока длиной 19 метров и наибольшим диаметром три метра. Они располагались симметрично вокруг центрального блока, второй ступени. На каждом блоке первой ступени были установлены двигатели РД-107, созданные ОКБ-456 под руководством академика Валентина Глушко. Каждый двигатель имел шесть камер сгорания, две из которых использовались как рулевые. РД-107 работал на смеси жидкого кислорода и керосина.
В качестве двигателя второй ступени использовался РД-108, конструктивно основанный на РД-107. РД-108 отличался большим количеством рулевых камер и был способен работать дольше силовых установок блоков первой ступени. Запуск двигателей первой и второй ступени производился одновременно во время старта на земле при помощи пирозажигательных устройств в каждой из 32 камер сгорания.
В целом, конструкция Р-7 оказалась настолько удачной и надежной, что на основе межконтинентальной баллистической ракеты было создано целое семейство ракет-носителей. Речь идет о таких ракетах, как "Спутник", "Восток", "Восход" и "Союз". Этими ракетами осуществлялся вывод на орбиту искусственных спутников земли. На ракетах этого семейства свой первый полет в космос осуществили легендарные Белка и Стрелка и космонавт Юрий Гагарин.
"Восток"
Трехступенчатая ракета-носитель "Восток" из семейства Р-7 широко использовалась на первом этапе космической программы СССР. В частности, с ее помощью на орбиту были выведены все космические аппараты серии "Восток", космические аппараты "Луна" (с индексами от 1А, 1В и до 3), некоторые спутники серий "Космос", "Метеор" и "Электрон". Разработка ракеты-носителя "Восток" началась в конце 1950-х годов.
Ракета-носитель "Восток". Фото с сайта sao.mos.ru
Первый запуск ракеты, осуществленный 23 сентября 1958 года, оказался неудачным, как и большинство других пусков первого этапа испытаний. В общей сложности, на первом этапе были произведены 13 запусков, удачными из которых были признаны лишь четыре, включая полет собак Белки и Стрелки. Последующие запуски ракеты-носителя, также созданной под руководством Королева, были преимущественно успешными.
Как и у Р-7, первая и вторая ступени "Востока" состояли из пяти блоков (от "А" до "Д"): четырех боковых длиной 19,8 метра и наибольшим диаметром 2,68 метра и одного центрального длиной 28,75 метра и наибольшим диаметром 2,95 метра. Боковые блоки располагались симметрично вокруг центрального второй ступени. В них использовались уже проверенные жидкостные двигатели РД-107 и РД-108. В состав третьей ступени входил блок "Е" с жидкостным двигателем РД-0109.
Каждый двигатель блоков первой ступени имел тягу в пустоте в один меганьютон и состоял из четырех основных и двух рулевых камер сгорания. При этом каждый боковой блок оснащался дополнительными воздушными рулями для управления полетом на атмосферном участке траектории. Ракетный двигатель второй ступени обладал тягой в пустоте в 941 килоньютон и состоял из четырех основных и четырех рулевых камер сгорания. Силовая установка третьей ступени была способна обеспечивать тягу в 54,4 килоньютона и имела четыре рулевых сопла.
Установка запускаемого в космос аппарата производилась на третьей ступени под головным обтекателем, защищавшим его от неблагоприятного воздействия при прохождении через плотные слои атмосферы. Ракета "Восток" стартовой массой до 290 тонн была способна выводить в космос полезный груз массой до 4,73 тонны. В целом полет проходил по следующей схеме: зажигание двигателей первой и второй ступеней производилось одновременно на земле. После того как заканчивалось топливо в боковых блоках, они отделялись от центрального, продолжавшего свою работу.
После прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывался головной обтекатель, а затем происходило отделение второй ступени и запуск двигателя третьей ступени, который отключался с отделением блока от космического аппарата после достижения расчетной скорости, соответствующей выведению корабля на заданную орбиту.
"Восток-1"
Для первого запуска человека в космос использовался космический корабль "Восток-1", созданный для осуществления полетов по околоземной орбите. Разработка аппарата серии "Восток" началась в конце 1950-х годов под руководством Михаила Тихонравова и завершилась в 1961 году. К этому времени было произведено семь испытательных запусков, включая два с манекенами человека и подопытными животными. 12 апреля 1961 года космический корабль "Восток-1", запущенный в 9:07 утра с космодрома Байконур, вывел на орбиту летчика-космонавта Юрия Гагарина. Аппарат выполнил один виток вокруг Земли за 108 минут и совершил посадку в 10:55 в районе деревни Смеловка Саратовской области.
Масса корабля, на котором человек впервые отправился в космос, составляла 4,73 тонны. "Восток-1" имел длину 4,4 метра и максимальный диаметр 2,43 метра. В состав "Востока-1" входил сферический спускаемый аппарат массой 2,46 тонны и диаметром 2,3 метра и конический приборный отсек массой 2,27 тонны и максимальным диаметром 2,43 метра. Масса теплозащиты составляла около 1,4 тонны. Все отсеки были соединены между собой при помощи металлических лент и пиротехнических замков.
В состав аппаратуры космического корабля входили системы автоматического и ручного управления полетом, автоматической ориентации на Солнце, ручной ориентации на Землю, жизнеобеспечения, электропитания, терморегулирования, приземления, связи, а также радиотелеметрическая аппаратура для контроля за состоянием космонавта, телевизионная система, система контроля параметров орбиты и пеленгации аппарата, а также система тормозной двигательной установки.
Приборная панель космического корабля "Восток". Фото с сайта dic.academic.ru
Вместе с третьей ступенью ракеты-носителя "Восток-1" весил 6,17 тонны, а их совместная длина составляла 7,35 метра. Спускаемый аппарат был оснащен двумя иллюминаторами, один из которых размещался на входном люке, а второй - у ног космонавта. Сам космонавт размещался в катапультируемом кресле, в котором он должен был покидать аппарат на высоте семи километров. Была также предусмотрена возможность совместной посадки спускаемого аппарата и космонавта.
Любопытно, что на "Востоке-1" имелся и прибор для определения точного местоположения корабля над поверхностью Земли. Он представлял собой небольшой глобус с часовым механизмом, который и показывал местоположение корабля. При помощи такого прибора космонавт мог принять решение о начале маневра на возвращение.
Схема работы аппарата при выполнении приземления была такова: в конце полета тормозная двигательная установка замедляла движение "Востока-1", после чего происходило разделение отсеков и начиналось отделение спускаемого аппарата. На высоте семи километров космонавт катапультировался: его спуск и спуск капсулы осуществлялись на парашютах раздельно. Так должно было быть по инструкции, но при завершении первого полета человека в космос почти все прошло совершенно иначе.
Рождение «Союза»
Первые пилотируемые корабли-спутники серии «Восток» (индекс 3КА) создавались для решения узкого круга задач — во-первых, чтобы опередить американцев, и, во-вторых, чтобы определить возможности жизни и работы в космосе, изучить физиологические реакции человека на факторы орбитального полёта. Корабль блестяще справился с поставленными задачами. С его помощью был осуществлён первый прорыв человека в космос («Восток»), состоялась первая в мире суточная орбитальная миссия («Восток-2»), а также первые групповые полёты пилотируемых аппаратов («Восток-3» — «Восток-4» и «Восток-5» — «Восток-6»). Первая женщина попала в космос также на этом корабле («Восток-6»).
Развитием этого направления стали аппараты с индексами 3КВ и 3КД, с помощью которых были осуществлены первый орбитальный полёт экипажа из трёх космонавтов («Восход») и первый выход человека в открытое космическое пространство («Восход-2»).
Однако ещё до того, как были установлены все эти рекорды, руководителям, конструкторам и проектантам королёвского Опытного конструкторского бюро (ОКБ-1) было ясно, что для решения перспективных задач лучше подойдёт не «Восток», а другой корабль, более совершенный и безопасный, обладающий расширенными возможностями, увеличенным ресурсом систем, удобный для работы и комфортный для жизни экипажа, обеспечивающий более щадящие режимы спуска и большую точность посадки. Для повышения научной и прикладной «отдачи» требовалось увеличить численность экипажа, введя в него узких специалистов — врачей, инженеров, учёных. Кроме того, уже на рубеже 1950—1960-х годов создателям космической техники было очевидно, что для дальнейшего изучения космического пространства нужно освоить технологии встречи и стыковки на орбите для сборки станций и межпланетных комплексов.
Летом 1959 года в ОКБ-1 начался поиск облика перспективного пилотируемого корабля. После обсуждений целей и задач нового изделия было решено разработать достаточно универсальный аппарат, пригодный как для околоземных полётов, так и для облётных лунных миссий. В 1962 году в рамках этих изысканий был инициирован проект, получивший громоздкое название «Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли» и короткий шифр «Союз». Основной задачей проекта, в ходе решения которой предполагалось освоить орбитальную сборку, был облёт Луны. Пилотируемый элемент комплекса, имевшего индекс 7К-9К-11К, получил название «корабль» и имя собственное «Союз».
Принципиальным его отличием от предшественников были возможности стыковки с другими аппаратами комплекса 7К-9К-11К, полёта на большие (вплоть до орбиты Луны) расстояния, входа в земную атмосферу со второй космической скоростью и посадки в заданном районе территории Советского Союза. Отличительной чертой «Союза» стала компоновка. Он состоял из трёх отсеков: бытового (БО), приборно-агрегатного (ПАО) и спускаемого аппарата (СА). Такое решение позволило обеспечить приемлемый обитаемый объём для экипажа из двух-трёх человек без существенного роста массы конструкции корабля. Дело в том, что спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов», покрытые слоем теплозащиты, содержали системы, нужные не только для спуска, но и для всего орбитального полёта. Вынеся их в другие отсеки, не имеющие тяжёлой теплозащиты, проектанты могли заметно сократить общий объём и массу спускаемого аппарата, а значит, значительно облегчить весь корабль.
Надо сказать, что по принципам разбиения на отсеки «Союз» мало чем отличался от своих заокеанских конкурентов — кораблей Gemini и Apollo. Однако американцам, обладающим большим преимуществом в области микроэлектроники с высоким ресурсом, удавалось создавать сравнительно компактные аппараты, не разделяя жилой объём на независимые отсеки.
Из-за симметричного обтекания при возвращении из космоса сферические спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов» могли совершать лишь неуправляемый баллистический спуск с достаточно большими перегрузками и невысокой точностью. Опыт первых полётов показал, что эти корабли при посадке могли отклоняться от заданной точки на сотни километров, что значительно затрудняло работу специалистов по поиску и эвакуации космонавтов, резко увеличивая контингент сил и средств, привлекаемых для решения этой задачи, зачастую заставляя их рассредоточиваться по огромной территории. Например, «Восход-2» сел со значительным отклонением от расчётной точки в таком труднодоступном месте, что поисковики лишь на третьи (!) сутки смогли эвакуировать экипаж корабля.
Спускаемый аппарат «Союза» обрёл сегментально-коническую форму «фары» и при выборе определённой центровки летел в атмосфере с балансировочным углом атаки. Несимметричное обтекание порождало подъёмную силу и давало аппарату «аэродинамическое качество». Этим термином определяется отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению в поточной системе координат при данном угле атаки. У «Союза» оно не превышало 0,3, но этого хватало, чтобы на порядок (с 300—400 км до 5—10 км) повысить точность приземления и вдвое-второе (с 8—10 до 3—5 единиц) снизить перегрузки при спуске, делая посадку гораздо более комфортной.
«Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли» не был реализован в первоначальном виде, но стал родоначальником многочисленных проектов. Первым был 7К-Л1 (известен под открытым названием «Зонд»). В 1967-1970 годах по этой программе было предпринято 14 попыток запуска беспилотных аналогов этого пилотируемого корабля, 13 из которых имели целью облёт Луны. Увы, по разным причинам лишь три можно считать успешными. До пилотируемых миссий дело не дошло: после облёта Луны американцами и высадки на лунную поверхность интерес руководства страны к проекту угас, и 7К-Л1 закрыли.
Лунный орбитальный корабль 7К-ЛОК был частью пилотируемого лунного комплекса Н-1 — Л-3. В период с 1969 по 1972 год советская сверхтяжёлая ракета Н-1 стартовала четырежды, и каждый раз с аварийным исходом. Единственный «почти штатный» 7К-ЛОК погиб при аварии 23 ноября 1972 года в последнем пуске носителя. В 1974 году проект советской экспедиции на Луну был остановлен, а в 1976 году отменён окончательно.
В силу разных причин как «лунные», так и «орбитальные» ответвления проекта 7К-9К-11К не прижились, а вот семейство пилотируемых кораблей для проведения «тренировочных» операций по встрече и стыковке на околоземной орбите состоялось и получило развитие. Оно отпочковалось от темы «Союз» в 1964 году, когда было принято решение отработать сборку не в лунных, а в околоземных полётах. Так появился 7К-ОК, получивший в наследство имя «Союз». Основные и вспомогательные задачи первоначальной программы (управляемый спуск в атмосфере, стыковка на околоземной орбите в беспилотном и пилотируемом вариантах, переход космонавтов из корабля в корабль через открытый космос, первые рекордные автономные полёты на длительность) удалось решить за 16 запусков «Союзов» (восемь из них прошли в пилотируемом варианте, под «родовым» именем) до лета 1970 года.
⇡ Оптимизация задач
В самом начале 1970-х годов Центральное конструкторское бюро экспериментального машиностроения (ЦКБЭМ, так с 1966 года стало называться ОКБ-1) на базе систем корабля 7К-ОК и корпуса орбитальной пилотируемой станции ОПС «Алмаз», спроектированной в ОКБ-52 В. Н. Челомея, разработало долговременную орбитальную станцию ДОС-7К («Салют»). Начало эксплуатации этой системы лишало смысла автономные полёты кораблей. Космические станции обеспечивали получение гораздо большего объёма ценных результатов из-за более длительной работы космонавтов на орбите и наличия места для установки различной сложной исследовательской аппаратуры. Соответственно, корабль, доставляющий экипаж к станции и возвращающий его на Землю, из многоцелевого превращался в одноцелевой транспортный. Эта задача была возложена на пилотируемые аппараты серии 7К-Т, созданные на базе «Союзов».
Две катастрофы кораблей на базе 7К-ОК, произошедшие за сравнительно короткий период времени («Союз-1» 24 апреля 1967 года и «Союз-11» 30 июня 1971 года), заставили разработчиков пересмотреть концепцию безопасности аппаратов данной серии и провести модернизацию ряда основных систем, что негативно сказалось на возможностях кораблей (резко уменьшился срок автономного полёта, экипаж сократился с трёх до двух космонавтов, которые совершали теперь полёт на ответственных участках траектории одетыми в аварийно-спасательные скафандры).
Эксплуатация транспортных кораблей типа 7К-Т при доставке космонавтов на орбитальные станции первого и второго поколения продолжилась, но выявила ряд крупных недостатков, обусловленных несовершенством служебных систем «Союза». В частности, управление движением корабля по орбите было слишком «привязано» к наземной инфраструктуре сопровождения, управления и выдачи команд, а используемые алгоритмы не страховались от ошибок. Поскольку СССР не имел возможности разместить наземные пункты связи по всей поверхности земного шара вдоль трассы, полёт космических кораблей и орбитальных станций значительную часть времени проходил вне зоны радиовидимости. Зачастую экипаж не мог парировать нештатные ситуации, возникающие на «глухой» части витка, а интерфейсы «человек — машина» были настолько несовершенными, что не позволяли в полной мере использовать возможности космонавта. Запас топлива для маневрирования оказался недостаточен, часто не позволяя осуществить повторные попытки стыковки, например при возникновении сложностей во время сближения со станцией. Во многих случаях это приводило к срыву всей программы полёта.
Для пояснения того, как разработчикам удалось справиться с решением этой и ряда других проблем, следует отступить немного назад во времени. Вдохновлённый успехами головного ОКБ-1 в области пилотируемых полётов, Куйбышевский филиал предприятия — ныне Ракетно-космический центр (РКЦ) «Прогресс» — под руководством Д. И. Козлова в 1963 году начал проектные проработки по военно-исследовательскому кораблю 7К-ВИ, который, кроме прочего, предназначался для разведывательных миссий. Не будем обсуждать саму проблему присутствия человека на спутнике-фоторазведчике, которая сейчас кажется по меньшей мере странной, — скажем лишь, что в Куйбышеве на основе технических решений «Союза» был сформирован облик пилотируемого аппарата, в значительной мере отличающегося от прародителя, но ориентированного на запуск с помощью ракеты-носителя того же семейства, что выводило корабли типа 7К-ОК и 7К-Т.
Проект, в который закладывалось несколько изюминок, космоса так и не увидел, и был закрыт в 1968 году. Основной причиной обычно считают стремление руководства ЦКБЭМ монополизировать тематику пилотируемых полётов в головном конструкторском бюро. Оно предложило вместо одного корабля 7К-ВИ спроектировать орбитальную исследовательскую станцию (ОИС) «Союз-ВИ» из двух компонентов — орбитального блока (ОБ-ВИ), разработку которого поручили филиалу в Куйбышеве, и пилотируемого транспортного корабля (7К-С), который проектировался своими силами в Подлипках.
Были задействованы многие решения и наработки, сделанные как в филиале, так и в головном КБ, однако заказчик — Министерство обороны СССР — признал более перспективным средством разведки уже упоминавшийся комплекс на основе ОПС «Алмаз».
Несмотря на закрытие проекта «Союз-ВИ» и переброску значительных сил ЦКБЭМ на программу создания ДОС «Салют», работы по кораблю 7К-С продолжились: военные готовы были использовать его для проведения автономных экспериментальных полётов с экипажем из двух человек, а разработчики видели в проекте возможность создания на основе 7К-С модификаций корабля различного целевого назначения.
Интересно, что проектированием занималась команда специалистов, не связанная с созданием 7К-ОК и 7К-Т. Поначалу разработчики пытались, сохранив общую компоновку, улучшить такие характеристики корабля, как автономность и способность к маневрированию в широких пределах, путём изменения силовой конструкции и мест расположения отдельных модифицированных систем. Однако по мере продвижения проекта стало ясно, что кардинальное улучшение функциональности возможно лишь путём внесения принципиальных изменений.
В конечном итоге проект имел коренные отличия от базовой модели. 80% бортовых систем 7К-С были разработаны заново или значительно модернизированы, в аппаратуре применена современная элементная база. В частности, новая система управления движением «Чайка-3» строилась на базе бортового цифрового вычислительного комплекса на основе компьютера «Аргон-16» и бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Принципиальным отличием системы стал переход от прямого управления движением по данным измерений к управлению на основе корректируемой модели движения корабля, реализованной в бортовом компьютере. Датчики навигационной системы измеряли угловые скорости и линейные ускорения в связанной системе координат, которая, в свою очередь, моделировались в компьютере. «Чайка-3» рассчитывала параметры движения и автоматически управляла кораблём в оптимальных режимах с наименьшим расходом топлива, вела самоконтроль с переходом — в случае необходимости — на резервные программы и средства, выдавая экипажу информацию на дисплей.
Принципиально новым стал пульт космонавтов, установленный в спускаемом аппарате: основные средства отображения информации имели командно-сигнальные пульты матричного типа и комбинированный электронный индикатор на основе кинескопа. Принципиально новыми были приборы обмена информацией с бортовым компьютером. И пусть первый отечественный электронный дисплей обладал (как шутили некоторые специалисты) «интерфейсом куриного интеллекта», это уже был значительный шаг к тому, чтобы перерезать информационную «пуповину», связывающую корабль с Землёй.
Была разработана новая двигательная установка с единой топливной системой для основного двигателя и микродвигателей причаливания и ориентации. Она стала надёжнее и вмещала больший запас топлива, чем раньше. На корабль вернули солнечные батареи, снятые после «Союза-11» для облегчения, усовершенствовали систему аварийного спасения, парашюты и двигатели мягкой посадки. При этом корабль внешне оставался очень похож на прототип 7К-Т.
В 1974 году, когда Минобороны СССР решило отказаться от автономных военно-исследовательских миссий, проект переориентировали на транспортные полёты к орбитальным станциям, а численность экипажа довели до трёх человек, одетых в обновлённые аварийно-спасательные скафандры.
⇡ Другой корабль и его развитие
Корабль получил обозначение 7К-СТ. По совокупности многочисленных изменений ему даже планировали дать новое имя — «Витязь», однако в итоге обозначили как «Союз Т». Первый беспилотный полёт новый аппарат (ещё в варианте 7К-С) совершил 6 августа 1974 года, а первый пилотируемый «Союз Т-2» (7К-СТ) стартовал лишь 5 июня 1980 года. Столь длительный путь к регулярным миссиям обуславливался не только сложностью новых решений, но и определённым противодействием «старой» команды разработчиков, которые параллельно продолжали доработки и эксплуатацию 7К-Т — в период с апреля 1971 года по май 1981 года «старый» корабль 31 раз слетал под обозначением «Союз» и 9 раз как спутник «Космос». Для сравнения: с апреля 1978 года по март 1986 года 7К-С и 7К-СТ совершил 3 беспилотных и 15 пилотируемых полётов.
Тем не менее, завоевав место под солнцем, «Союз Т» со временем стал «рабочей лошадкой» отечественной пилотируемой космонавтики — именно на его базе началось проектирование следующей модели (7К-СТМ), предназначенной для транспортных полётов к высокоширотным орбитальным станциям. Предполагалось, что ДОС третьего поколения будут работать на орбите с наклонением 65° для того, чтобы трасса их полёта захватывала большую часть территории страны: при запуске на орбиту с наклонением 51° всё, что остаётся севернее трассы, недосягаемо для приборов, предназначенных для наблюдения с орбиты.
Поскольку ракета-носитель «Союз-У» при запуске аппаратов к высокоширотным станциям недобирала примерно 350 кг массы полезного груза, она не могла вывести на нужную орбиту корабль в штатной комплектации. Необходимо было компенсировать потери грузоподъёмности, а также создать модификацию корабля, обладающую повышенной автономностью и ещё большими возможностями для маневрирования.
Проблему с ракетой решили переводом двигателей второй ступени носителя (получил обозначение «Союз-У2») на новое высокоэнергетическое синтетическое углеводородное горючее «синтин» («циклин»).
«Циклиновый» вариант ракеты-носителя «Союзу-У2» летал с декабря 1982 года по июль 1993 года. Фото Роскосмоса
А корабль переделали, оснастив усовершенствованной двигательной установкой повышенной надёжности с увеличенным запасом топлива, а также новыми системами - в частности, старую систему сближения («Игла») заменили новой («Курс»), позволяющей проводить стыковку без переориентации станции. Теперь все режимы нацеливания, в том числе на Землю и Солнце, могли выполняться либо автоматически, либо при участии экипажа, а сближение осуществлялось на основе расчётов траектории относительного движения и оптимальных манёвров — они выполнялись с помощью бортового компьютера при использовании информации от системы «Курс». Для дублирования был введён телеоператорный режим управления (ТОРУ), позволявший в случае отказа «Курса» космонавту со станции взять управление на себя и вручную состыковать корабль.
Корабль мог управляться по командной радиолинии или экипажем с использованием новых бортовых устройств ввода и отображения информации. Обновлённая система связи позволяла при автономном полёте связаться с Землёй через станцию, к которой летел корабль, что существенно расширяло зону радиовидимости. Вновь переделали двигательную установку системы аварийного спасения и парашюты (для куполов использовали облегчённый капрон, а для строп — отечественный аналог кевлара).
Эскизный проект на корабль следующей модели — 7К-СТМ — был выпущен в апреле 1981 года, а лётные испытания начались с беспилотного запуска «Союза ТМ» 21 мая 1986 года. Увы, станция третьего поколения оказалась всего одна — «Мир», и летала она по «старой» орбите с наклонением 51°. Но пилотируемые полёты корабля, которые начались с февраля 1987 года, обеспечили не только успешную эксплуатацию этого комплекса, но и начальный этап работы МКС.
При проектировании вышеуказанного орбитального комплекса для существенного снижения продолжительности «глухих» витков была предпринята попытка создать спутниковую систему связи, контроля и управления на основе геостационарных спутников-ретрансляторов «Альтаир», наземных пунктов ретрансляции и соответствующей бортовой радиоаппаратуры. Такая система успешно использовалась при управлении полётом во время эксплуатации станции «Мир», однако оснастить подобной аппаратурой корабли типа «Союз» в то время всё же не могли.
С 1996 года из-за высокой стоимости и отсутствия месторождений сырья на российской территории пришлось отказаться от использования «синтина»: начиная с «Союза ТМ-24» все пилотируемые корабли вернулись на носитель «Союз-У». Вновь возникла проблема недостаточной энергетики, которую предполагалось решать облегчением корабля и модернизацией ракеты.
С мая 1986 года по апрель 2002 года были запущены 33 пилотируемых и 1 беспилотный аппарат серии 7К-СТМ — все они шли под обозначением «Союз ТМ».
Следующая модификация корабля была создана для эксплуатации в международных миссиях. Её проектирование совпало с разработкой МКС, точнее со взаимной интеграцией американского проекта Freedom и российского «Мир-2». Поскольку стройку предполагалось осуществлять американскими шаттлами, которые не могли подолгу оставаться на орбите, в составе станции должен был постоянно дежурить аппарат-спасатель, способный в случае возникновения чрезвычайной ситуации безопасно вернуть экипаж на Землю.
Соединённые Штаты работали над «космическим такси» CRV (Crew Return Vehicle) на базе аппарата с несущим корпусом X-38, а Ракетно-космическая корпорация (РКК) «Энергия» (так со временем стало называться предприятие — правопреемник «королёвского» ОКБ-1) предлагала корабль капсульного типа на базе масштабно увеличенного союзовского спускаемого аппарата. И тот и другой аппараты должны были доставляться на МКС в грузовом отсеке шаттла, который, кроме того, рассматривался как основное средство полёта экипажей с Земли на станцию и обратно.
20 ноября 1998 года в космос был запущен первый элемент МКС — функционально-грузовой блок «Заря», созданный в России на американские деньги. Строительство началось. На этом этапе стороны осуществляли доставку экипажей на паритетной основе — шаттлами и «Союзами-ТМ». Большие технические сложности, вставшие на пути проекта CRV, и значительное превышение бюджета заставили прекратить разработку американского корабля-спасателя. Специальный российский корабль-спасатель тоже не был создан, но работы в этом направлении получили неожиданное (или закономерное?) продолжение.
1 февраля 2003 года при возвращении с орбиты погиб шаттл Columbia. Реальной угрозы закрытия проекта МКС не было, но ситуация оказалась критической. Стороны справились с возникшим положением, уменьшив экипаж комплекса с трёх до двух человек и приняв российское предложение о постоянном дежурстве на станции российского «Союза ТМ». Затем подтянулся модифицированный транспортный пилотируемый корабль «Союз ТМА», созданный на базе 7К-СТМ в рамках ранее достигнутого межгосударственного соглашения России и США как составная часть комплекса орбитальной станции. Главным его назначением стало обеспечение спасения основного экипажа станции и доставка экспедиций посещения.
По результатам ранее проведённых полётов международных экипажей на «Союзах ТМ» в конструкции нового корабля были учтены специфические антропометрические требования (отсюда и литера «А» в обозначении модели): среди американских астронавтов есть персоны, довольно сильно отличающиеся от российских космонавтов по росту и весу, причём как в большую, так и в меньшую сторону (см. таблицу). Надо сказать, что эта разница влияла не только на комфорт размещения в спускаемом аппарате, но и на центровку, что было важно для безопасной посадки при возвращении с орбиты и потребовало модификации системы управления спуском.
Антропометрические параметры членов экипажа кораблей «Союз ТМ» и «Союз ТМА»
| Параметры | «Союз ТМ» | «Союз ТМА» |
|---|---|---|
| 1. Рост, см | ||
| . максимальный в положении стоя | 182 | 190 |
| . минимальный в положении стоя | 164 | 150 |
| . максимальный в положении сидя | 94 | 99 |
| 2. Обхват груди, см | ||
| . максимальный | 112 | не ограничивается |
| . минимальный | 96 | не ограничивается |
| 3. Масса тела, кг | ||
| . максимальная | 85 | 95 |
| . минимальная | 56 | 50 |
| 4. Длина ступни максимальная, см | - | 29,5 |
В спускаемом аппарате «Союза ТМА» установили три вновь разработанных удлинённых кресла с новыми четырёхрежимными амортизаторами, которые регулируются по массе космонавта. Оборудование в зонах, прилегающих к креслам, перекомпоновали. Внутри корпуса спускаемого аппарата в зоне подножек правого и левого кресел сделали выштамповки глубиной около 30 мм, которые позволили разместить рослых космонавтов в удлинённых креслах. Изменился силовой набор корпуса и прокладка трубопроводов и кабелей, расширилась зона прохода через входной люк-лаз. Установлены новый пульт управления, уменьшенный по высоте, новый холодильно-сушильный агрегат, блок запоминания информации и другие новые или дорабатываемые системы. Кабину экипажа по возможности расчистили от выступающих элементов, перенеся их в более удобные места.
Органы управления и системы индикации, установленные в спускаемом аппарате «Союза ТМА»: 1 - командир и бортинженер-1 имеют перед собой интегрированные пульты управления (ИнПУ); 2 — цифровая клавиатура для введения кодов (для навигации по дисплею ИнПУ); 3 — блок управления маркером (для навигации по дисплею ИнПУ); 4 — блок электролюминесцентной индикации текущего состояния систем; 5 — ручные поворотные вентили РПВ-1 и РПВ-2, отвечающие за наполнение магистралей дыхания кислородом; 6 — электропневмоклапан подачи кислорода при посадке; 7 — командир корабля наблюдает за стыковкой через перископический «Визир специальный космонавта (ВСК)»; 8 — с помощью ручки управления движением (РУД) кораблю придаётся линейное (положительное или отрицательное) ускорение; 9 — с помощью ручки управления ориентацией (РУО) кораблю задаётся вращение; 10 — вентилятор холодильно-сушильного агрегата (ХСА), выводящего из корабля тепло и излишнюю влагу; 11 — тумблеры включения вентиляции скафандров при посадке; 12 — вольтметр; 13 — блок предохранителей; 14 — кнопка запуска консервации корабля после стыковки с орбитальной станцией
В очередной раз доработали комплекс средств приземления — он стал более надёжным и позволял уменьшить перегрузки, возникающие после спуска на запасной парашютной системе.
Проблему спасения полностью укомплектованного экипажа МКС из шести человек в конечном итоге решили одновременным нахождением на станции двух «Союзов», которые с 2011 года, после ухода шаттлов в отставку, стали единственными пилотируемыми кораблями в мире.
Для подтверждения надёжности был проведён значительный (по нынешним временам) объём экспериментальной отработки и макетирование с контрольной примеркой экипажей, включая астронавтов NASA. В отличие от кораблей предыдущих серий, беспилотных запусков не проводилось: первый старт «Союза ТМА-1» состоялся 30 октября 2002 года сразу с экипажем. Всего до ноября 2011 года было запущено 22 корабля данной серии.
⇡ Цифровой «Союз»
С начала нового тысячелетия основные усилия специалистов РКК «Энергия» были направлены на совершенствовании бортовых систем кораблей путём замены аналогового оборудования цифровым, выполненным на современной компонентной базе. Предпосылками к этому стало моральное старение аппаратуры и технологии изготовления, а также прекращение выпуска ряда комплектующих.
С 2005 года предприятие вело работы по модернизации «Союза ТМА» для того, чтобы обеспечить выполнение современных требований к надёжности пилотируемых кораблей и безопасности экипажа. Основным изменениям подверглись системы управления движением, навигации и бортовых измерений — замена этого оборудования современными приборами на основе вычислительных средств с развитым программным обеспечением позволила улучшить эксплуатационные характеристики корабля, решить проблему обеспечения гарантированных поставок ключевых служебных систем, уменьшить массу и занимаемый объём.
Всего в системе управления движением и навигации корабля новой модификации вместо шести старых приборов общей массой 101 кг установили пять новых массой около 42 кг. Потребление электроэнергии снизилось с 402 до 105 Вт, а производительность и надёжность центральной вычислительной машины выросла. В системе бортовых измерений 30 старых приборов общей массой около 70 кг заменили 14 новыми общей массой примерно 28 кг при той же информативности.
Для того чтобы организовать управление, электропитание и термостатирование новой аппаратуры, соответственно доработали системы управления бортовым комплексом и обеспечения теплового режима, выполнив дополнительные усовершенствования конструкции корабля (улучшена технологичность его изготовления), а также доработав интерфейсы связи с МКС. В результате удалось облегчить корабль примерно на 70 кг, что позволило увеличить возможности по доставке полезного груза, а также и далее повышать надёжность «Союза».
Один из этапов модернизации был отработан на «грузовике» «Прогресс М-01М» в 2008 году. На беспилотном аппарате, являющемся во многом аналогом пилотируемого корабля, устаревший бортовой «Аргон-16» заменили современной цифровой вычислительной машиной ЦВМ101 с тройным резервированием, производительностью 8 млн операций в секунду и ресурсом работы 35 тыс. часов, которая была разработана НИИ «Субмикрон» (Зеленоград, Москва). В новом компьютере используется RISC-процессор 3081 (с 2011 года ЦВМ101 комплектуется отечественным процессором 1890BM1T). Также на борту была установлена новая цифровая телеметрия, новая система наведения и экспериментальным программным обеспечением.
Первый старт пилотируемого космического корабля «Союз ТМА-01М» состоялся 8 октября 2010 года. В его кабине стоял модернизированный пульт «Нептун», сделанный с использованием современных вычислительных средств и устройств отображения информации, отличающийся новыми интерфейсами и программным обеспечением. Все компьютеры корабля (ЦВМ101, КС020-M, компьютеры пульта) объединены в общую вычислительную сеть — бортовой цифровой вычислительный комплекс, интегрируемый в вычислительную систему российского сегмента МКС после стыковки корабля со станцией. В результате вся бортовая информация «Союза» может попасть в систему управления станции для контроля, и наоборот. Такая возможность позволяет оперативно изменять навигационные данные в системе управления корабля в случае необходимости выполнения штатного или срочного спуска с орбиты.
Европейские астронавты Андреас Могенсен и Тома Песке отрабатывают на тренажёре управление движением корабля «Союз ТМА-М». Скриншот с видео ЕКА
Первый цифровой «Союз» ещё не отправился в свой пилотируемый полет, а в 2009 году РКК «Энергия» обратилась в Роскосмос с предложением рассмотреть возможность дальнейшей модернизации кораблей типа «Прогресс М-М» и «Союз ТМА-М». Необходимость в этом вызвана тем, что в наземном автоматизированном комплексе управления выводились из эксплуатации морально устаревшие станции «Квант» и «Кама». Первые обеспечивают основной контур управления полётом кораблей с Земли через бортовой радиотехнический комплекс «Квант-В», производимый на Украине, вторые — измерение параметров орбиты корабля.
Современные «Союзы» управляются по трём контурам. Первый — автоматический: бортовая система решает задачу управления без вмешательства извне. Второй контур обеспечивается Землёй с привлечением радиотехнических средств. Наконец, третий — ручное управление экипажем. Предыдущие модернизации обеспечили обновление автоматического и ручного контура. Самый последний этап затронул радиотехнические средства.
Бортовая командная система «Квант-В» меняется на единую командно-телеметрическую систему, оснащённую дополнительным телеметрическим каналом. Последняя резко повысит независимость космических кораблей от наземных пунктов управления: командная радиолиния обеспечит работу через спутники-ретрансляторы «Луч-5», расширив зону радиовидимости до 70% длительности витка. На борту появится новая радиотехническая система сближения «Курс-НА», уже прошедшая лётные испытания на «Прогрессах М-М». По сравнению с прежним «Курсом-А» она легче, компактнее (в том числе за счёт исключения одной из трёх сложных радиоантенн) и энергоэкономичнее. «Курс-НА» производится в России и выполнен на новой элементной базе.
В состав системы введена аппаратура спутниковой навигации АСН-КС, способная работать как с отечественной ГЛОНАСС, так и с американской GPS, что обеспечит высокую точность определения скоростей и координат корабля на орбите без привлечения наземных измерительных систем.
Передатчик бортовой телевизионной системы «Клёст-М» ранее был аналоговым, теперь его заменили цифровым, с кодированием видео в формате MPEG-2. Как следствие, снизилось влияние индустриальных помех на качество изображения.
В системе бортовых измерений применён модернизированный блок записи информации, выполненный на современной отечественной элементной базе. Существенно изменена система электропитания: более чем на один квадратный метр выросла площадь фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, а их КПД увеличился с 12 до 14%, установлен дополнительный буферный аккумулятор. В результате мощность системы выросла и обеспечивает гарантированное электропитание аппаратуры при стыковке корабля с МКС даже на случай нераскрытия одной из панелей солнечных батарей.
Изменено размещение двигателей причаливания и ориентации комбинированной двигательной установки: теперь программа полета сможет выполняться при отказе одного любого двигателя, а безопасность экипажа будет обеспечена даже при двух отказах в подсистеме двигателей причаливания и ориентации.
В очередной раз повышена точность радиоизотопного высотомера, включающего двигатели мягкой посадки. Доработки системы обеспечения теплового режима позволили исключить нештатное функционирование расхода теплоносителя.
Модернизирована система связи и пеленгации, позволяющая с помощью приёмника ГЛОНАСС/GPS определять координаты места посадки спускаемого аппарата и передавать их поисково-спасательной команде, а также в подмосковный ЦУП по спутниковой системе КОСПАС-SARSAT.
В наименьшей степени изменения затронули конструктив корабля: на корпусе бытового отсека установлена дополнительная защита от микрометеоритов и космического мусора.
Отработка модернизированных систем уже традиционно выполнялась на грузовом корабле — на этот раз на Прогрессе МС, который стартовал к МКС 21 декабря 2015 года. В ходе миссии впервые за время эксплуатации «Союзов» и «Прогрессов» был осуществлён сеанс связи через спутник-ретранслятор «Луч-5Б». Штатный полёт «грузовика» открыл путь к миссии пилотируемого «Союза МС». Кстати, старт «Союза ТМ-20АМ» 16 марта 2016 года завершил данную серию: на корабле был установлен последний комплект системы «Курс-А».
Ролик телестудии «Роскосмос», описывающий модернизации систем корабля «Союз МС».
⇡ Подготовка к полёту и старт
Конструкторская документация на монтаж приборов и оборудования Союза МС выпускалась в РКК «Энергия» с 2013 года. Тогда же началось изготовление корпусных деталей. Цикл изготовления кораблей в корпорации составляет примерно два года, поэтому начало лётной эксплуатации нового «Союза» относилось на 2016 год.
После того как первый корабль поступил на заводскую контрольно-испытательную станцию, некоторое время его старт планировали на март 2016 года, но в декабре 2015 года перенесли на 21 июня. В конце апреля запуск сдвинули на три дня. СМИ сообщили, что одной из причин переноса стало желание сократить промежуток между приземлением «Союза ТМА-19М» и запуском «Союза МС-01» «в целях более эффективной работы экипажа МКС». Соответственно, дату посадки «Союза ТМА-19М» сдвинули с 5 на 18 июня.
13 января на Байконуре началась подготовка ракеты «Союз-ФГ»: блоки носителя прошли необходимую проверку, и специалисты приступили к сборке «пакета» (связка из четырёх боковых блоков первой и центрального блока второй ступеней), к которому была присоединена третья ступень.
14 мая на космодром прибыл корабль, и началась его подготовка к пуску. Уже 17 мая прошло сообщение о проверке автоматической системы управления двигателями ориентации и причаливания. В конце мая «Союз МС-01» испытали на герметичность. В это же время на Байконур доставили двигательную установку системы аварийного спасения.
С 20 по 25 мая корабля тестировался на герметичность в вакуумной камере, после чего был перевезён в монтажно-испытательный корпус (МИК) площадки 254 для дальнейших проверок и испытаний. В процессе подготовки в системе управления обнаружились неполадки, которые могли привести к закрутке корабля при стыковке с МКС. Первоначально выдвинутая версия о сбое программного обеспечения не подтвердилась при испытаниях на стенде аппаратуры системы управления. «Специалисты обновили программное обеспечение, проверили его на наземном тренажёре, однако и после этого ситуация не изменилась», — сообщил анонимный источник в отрасли.
1 июня специалисты рекомендовали перенести запуск «Союза МС». 6 июня состоялось заседание Государственной комиссии Роскосмоса под председательством первого заместителя главы Госкорпорации Александра Иванова, которое приняло решение перенести старт на 7 июля. Соответственно сдвинулся (с 7 на 19 июля) и запуск грузового «Прогресса МС-03».
Блок управления резервным контуром сняли с «Союза МС-01» и отправили в Москву для перепрошивки программного обеспечения.
Параллельно с техникой готовились и экипажи — основной и дублирующий. В середине мая российский космонавт Анатолий Иванишин и японский астронавт Такуя Ониси, так же как и их дублёры — космонавт Роскосмоса Олег Новицкий и астронавт ЕКА Тома Песке, успешно прошли испытания на специализированном тренажёре на базе центрифуги ЦФ-7: проверялась возможность ручного управления спуском корабля при имитации перегрузок, возникающих при входе в атмосферу. Космонавты и астронавты успешно справились с поставленной задачей, «приземлившись» максимально близко к расчётной точке посадки с минимальными перегрузками. Затем продолжились плановые тренировки на тренажёрах «Союза МС» и российского сегмента МКС, а также занятия по проведению научных и медицинских экспериментов, физическая и медицинская подготовка к воздействию факторов космического полёта и экзамены.
31 мая в Звёздном городке было принято окончательное решение об основном и дублирующем экипажах: Анатолий Иванишин — командир, Кэтлин Рубенс — бортинженер №1 и Такуя Ониси — бортинженер №2. В состав дублирующего экипажа вошли Олег Новицкий — командир, Пегги Уитсон — бортинженер №1 и Тома Песке — бортинженер №2.
24 июня основной и дублирующий экипажи прибыли на космодром, уже на следующий день осмотрели «Союз МС» в МИКе площадки 254, а затем приступили к тренировкам в Испытательном учебно-тренировочном комплексе.
Интересна эмблема миссии, созданная испанским дизайнером Хорхе Картесом (Jorge Cartes): на ней изображён «Союз МС-01», сближающийся с МКС, а также указаны название корабля и фамилии членов экипажа на языках их родных стран. Номер корабля — «01» — выделен крупным шрифтом, причём внутри нуля изображён крохотный Марс, как намёк на глобальную цель пилотируемой космонавтики на ближайшие десятилетия.
4 июля ракету с пристыкованным кораблем вывезли из МИКа и установили на первую площадку («Гагаринский старт») космодрома Байконур. При скорости движения 3-4 км/ч процедура вывоза занимает около полутора. Служба безопасности пресекала попытки гостей, присутствовавших на вывозе, расплющить «на счастье» монетки под колесами тепловоза, тянущего платформу с уложенной на установщик ракетой-носителем.
6 июля Госкомиссия окончательно утвердила уже намеченный ранее основной экипаж 48-49-й экспедиции на МКС.
7 июля в 01:30 мск началась подготовка ракеты-носителя «Союз-ФГ» к пуску. В 02:15 мск космонавты, одетые в скафандры, заняли свои кресла в кабине «Союза МС-01».
В 03:59 объявлена 30-минутная готовность к пуску, начался перевод колонн обслуживания в горизонтальное положение. В 04:03 мск взведена система аварийного спасения. В 04:08 прошел доклад о выполнении предстартовых операций в полном объёме и эвакуации стартового расчета в безопасную зону.
За 15 минут до старта для поднятия духа «Иркутам» начали транслировать лёгкую музыку и песни на японском и английском языках.
В 04:36:40 ракета стартовала! Через 120 секунд сбросилась двигательная установка системы аварийного спасения и отошли боковые блоки первой ступени. На 295 секунде полёта отошла вторая ступень. На 530 секунде закончила работу третья ступень и «Союз МС» был выведен на орбиту. Новая модификация корабля-ветерана устремилась в космос. Экспедиция 48-49 на МКС началась.
⇡ Перспективы «Союза»
В этом году должны быть запущены ещё два корабля (23 сентября летит «Союз МС-02» и 6 ноября — «Союз МС-03») и два «грузовика», которые по системе управления во многом являются беспилотными аналогами пилотируемых аппаратов (17 июля — «Прогресс МС-03» и 23 октября — «Прогресс МС-04»). В следующем году ожидаются запуски трёх «Союзов МС» и трёх «Прогрессов МС». Примерно так же выглядят планы на 2018 год.
30 марта 2016 года, во время пресс-конференции руководителя Госкорпорации «Роскосмос» И. В. Комарова, посвящённой Федеральной космической программе на 2016—2025 годы (ФКП-2025), был показан слайд, демонстрирующий предложения по запуску к МКС в указанный период в общей сложности 16 Союзов МС и 27 «Прогрессов МС». С учётом уже опубликованных российских планов с конкретным указанием даты запусков до 2019 года табличка в общем согласуется с реалиями: в 2018-2019 годах NASA надеется начать полёты коммерческих пилотируемых кораблей, которые будут доставлять американских астронавтов на МКС, из-за чего отпадёт необходимость в столь значительном числе запусков «Союзов», как сейчас.
Корпорация «Энергия» по контракту с Объединённой ракетно-космической корпорацией (ОРКК) дооснастит пилотируемые корабли «Союз МС» индивидуальным снаряжением для отправки на МКС и возвращения на землю шести астронавтов по договору с NASA, срок окончания действия которого — декабрь 2019 года.
Запуски кораблей будут осуществляться ракетами-носителями «Союз-ФГ» и «Союз-2.1А» (с 2021 года). 23 июня агентство «РИА Новости» сообщило, что Госкорпорация «Роскосмос» объявила два открытых конкурса на изготовление и поставку трёх ракет «Союз-2.1А» для выведения грузовых кораблей «Прогресс МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2017 года, начальная цена контракта — более 3,3 млрд рублей) и двух «Союз-ФГ» для пилотируемых кораблей «Союз МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2018 года, максимальная цена на изготовление и поставку — более 1,6 млрд рублей).
Таким образом, начиная с только что проведённого запуска, «Союз МС» становится единственным российским средством доставки на МКС и возвращения космонавтов на Землю.
Варианты корабля для околоземных орбитальных полётов
| Название | «Союз» 7К-ОК | «Союз» 7К-Т | «Союз» 7К-ТМ | «Союз Т» | «Союз ТМ» | «Союз ТМА» | «Союз ТМА-М» | «Союз МС» |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Годы эксплуатации | 1967-1971 | 1973-1981 | 1975 | 1976-1986 | 1986-2002 | 2003-2012 | 2010-2016 | 2016-… |
| Общие характеристики | ||||||||
| Стартовая масса, кг | 6560 | 6800 | 6680 | 6850 | 7250 | 7220 | 7150 | - |
| Длина, м | 7,48 | |||||||
| Максимальный диаметр, м | 2,72 | |||||||
| Размах солнечных батарей, м | 9,80 | 9,80 | 8,37 | 10,6 | 10,6 | 10,7 | 10,7 | - |
| Бытовой отсек | ||||||||
| Масса, кг | 1100 | 1350 | 1224 | 1100 | 1450 | 1370 | ? | ? |
| Длина, м | 3,45 | 2,98 | 310 | 2,98 | 2,98 | 2,98 | 2,98 | 2,98 |
| Диаметр, м | 2,26 | |||||||
| Свободный объём, м 3 | 5,00 | |||||||
| Спускаемый аппарат | ||||||||
| Масса, кг | 2810 | 2850 | 2802 | 3000 | 2850 | 2950 | ? | ? |
| Длина, м | 2,24 | |||||||
| Диаметр, м | 2,2 | |||||||
| Свободный объём, м 3 | 4,00 | 3,50 | 4,00 | 4,00 | 3,50 | 3,50 | ? | ? |
| Приборно-агрегатный отсек | ||||||||
| Масса, кг | 2650 | 2700 | 2654 | 2750 | 2950 | 2900 | ? | ? |
| Запас топлива, кг | 500 | 500 | 500 | 700 | 880 | 880 | ? | ? |
| Длина, м | 2,26 | |||||||
| Диаметр м | 2,72 | |||||||
Если проследить всю пятидесятилетнюю эволюцию «Союзов», можно заметить, что все изменения, не связанные со сменой «рода деятельности», в основном касались бортовых систем корабля и сравнительно мало отражались на его внешности и внутренней компоновке. А ведь попытки «революций» предпринимались, и не раз, но неизменно натыкались на тот факт, что такие модификации конструкции (связанные, например, с увеличением размеров бытового отсека или спускаемого аппарата) вели к резкому нарастанию сопутствующих проблем: изменение масс, моментов инерции и центровки, а также аэродинамических характеристик отсеков корабля влекло за собой необходимость проведения комплекса дорогостоящих испытаний и ломки всего технологического процесса, в который с конца 1960-х годов было вовлечено несколько десятков (если не сотен) предприятий-смежников первого уровня кооперации (поставщиков приборов, систем, ракет-носителей), вызывая лавинообразный рост затрат времени и денег, которые могли и вовсе не окупиться полученными выгодами. И даже изменения, не влияющие на компоновку и внешний вид «Союза», вносились в конструкцию лишь при возникновении реальной проблемы, которую не мог решить имеющийся вариант корабля.
Союз МС станет вершиной эволюции и последней крупной модернизацией корабля-ветерана. В дальнейшем он будет подвергаться лишь незначительным доработкам, связанным со снятием с производства отдельных приборов, обновлением элементной базы и ракет-носителей. Например, планируется замена ряда электронных блоков в системе аварийного спасения, а также адаптация «Союза МС» под ракету-носитель «Союз-2.1А».
По мнению ряда экспертов, корабли типа «Союз» пригодны для выполнения ряда задач и за пределами околоземной орбиты. К примеру, несколько лет назад компания Space Adventures (выполняла маркетинг посещения МКС космическими туристами) совместно с РКК «Энергия» предлагала туристические полёты по траектории облёта Луны. Схема предусматривала два пуска ракет-носителей. Первым стартовал «Протон-М» с разгонным блоком, оснащённым дополнительным жилым модулем и стыковочным узлом. Вторым — «Союз-ФГ» с «лунной» модификацией корабля «Союз ТМА-М» с экипажем на борту. Обе сборки стыковались на околоземной орбите, а затем разгонный блок отправлял комплекс к цели. Запас топлива корабля был достаточен для выполнения коррекций траектории. По планам путешествие занимало в общей сложности около недели, давая туристам уже через двое-трое суток после старта возможность насладиться видами Луны с расстояния в пару сотен километров.
Доработка собственно корабля заключалась в первую очередь в усилении теплозащиты спускаемого корабля для обеспечения безопасного входа в атмосферу со второй космической скоростью, а также доработки систем жизнеобеспечения под недельный полет. Экипаж должен был состоять из трёх человек — профессионального космонавта и двух туристов. Стоимость «билета» оценивалась в $ 150 млн. Желающих пока не нашлось…
Между тем, как мы помним, «лунные корни» «Союза» говорят об отсутствии технических препятствий к осуществлению подобной экспедиции на доработанном корабле. Вопрос упирается лишь в деньги. Возможно, миссию можно упростить, отправляя «Союз» к Луне с помощью ракеты-носителя «Ангара-А5», стартующей, например, с космодрома Восточный.
Однако в настоящее время представляется маловероятным, что «лунные» «Союзы» когда-нибудь появятся: слишком мал платёжеспособный спрос на такие путешествия и слишком велики затраты на доработку корабля под крайне редкие миссии. Тем более что на смену «Союзам» должна прийти «Федерация» — пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП), который разрабатывается в РКК «Энергия». Новый корабль вмещает больший экипаж — четыре человека (а при аварийном спасении с орбитальной станции — и до шести) против трёх у «Союза». Ресурс систем и энергетические возможности позволяют ему (не в принципе, а в реалиях жизни) решать гораздо более сложные задачи, в том числе совершать полёты в окололунное пространство. Конструкция ПТК НП «заточена» под гибкое использование: корабль для полётов за пределы низкой околоземной орбиты, транспорт для снабжения космической станции, спасатель, туристический аппарат либо система для возврата грузов.
Отметим, что последняя модернизация «Союзов МС» и «Прогрессов МС» позволяет уже сейчас использовать корабли в качестве «летающих испытательных стендов» для отработки решений и систем при создании «Федерации». Так оно и есть: проведённые доработки стоят в ряду мероприятий, направленных на создание ПТК НП. Лётная сертификация новых приборов и оборудования, установленных на «Союз ТМА-М», позволит принять соответствующие решения применительно к «Федерации».
«Первый космический корабль стартует с Земли со скоростью 0,68 с...» Так начинается текст задачи в учебнике по физике для учеников 11 класса, призванной способствовать закреплению в их сознании основных положений релятивистской механики. Итак: «Первый космический корабль стартует с поверхности земли со скоростью 0,68 c. Второй аппарат начинает движение с первого в том же направлении со скоростью V2 = 0,86 с. Необходимо вычислить скорость второго судна относительно планеты Земля».
Желающие проверить свои знания могут потренироваться в решении этой задачи. Можно также вместе со школьниками принять участие в решении теста: «Первый космический корабль стартует с поверхности земли со скоростью 0,7 с. (с — обозначение скорости света). Второй аппарат начинает движение с первого в том же направлении. Его скорость - 0,8 с. Следует вычислить скорость второго судна относительно планеты Земля».
У тех, кто считает себя сведущим в этом вопросе, имеется возможность сделать выбор - предлагаются четыре варианта ответов: 1) 0; 2) 0,2 с; 3) 0,96 с; 4) 1,54 с.
Важной дидактической целью авторы данного урока выдвигают ознакомление учащихся с физическим и философским смыслом постулатов Эйнштейна, сущностью и свойствами релятивистского понятия времени и пространства и т.д. Воспитательной целью урока является выработка у юношей и девушек диалектико-материалистического мировоззрения.
Но читатели статьи, знакомые с историей отечественных космических полетов, согласятся с тем, что задачи, в условиях которых упоминается выражение «первый космический корабль», способны сыграть более значительную воспитательную роль. При желании учителем с использованием этих задач могли бы быть раскрыты как познавательный, так и патриотический аспекты вопроса.
Первый космический корабль в космосе, успехи отечественной космической науки вообще - что об этом известно?
О значении космических исследований
Космическими исследованиями были внесены в науку ценнейшие данные, которые позволили постичь суть новых явлений природы и поставить их на службу людям. Используя искусственные спутники, ученые смогли определить точную форму планеты Земля, при помощи изучения орбиты стало возможным проследить за районами магнитных аномалий в Сибири. С применением ракет и спутников смогли открыть и исследовать радиационные пояса вокруг Земли. С их помощью стало возможным решение многих других сложных проблем.
Первый космический корабль, посетивший Луну
Луна - небесное тело, с которым связаны наиболее эффектные и впечатляющие успехи космической науки.
Полет к Луне впервые в истории был осуществлен 2 января 1959 автоматической станцией «Луна-1». Первый запуск искусственного был значительным прорывом в сфере освоения космического пространства. Но главная цель проекта не была достигнута. Она заключалась в осуществлении перелета с Земли на Луну. Запуск спутника позволил получить ценную научную и практическую информацию, касающуюся полетов к другим космическим телам. В ходе осуществления полета «Луны-1» была развита (впервые!) вторая Кроме того, стало возможным получение данных о радиационном поясе земного шара, добыты другие ценные сведения. Мировая печать присвоила космическому аппарату «Луна-1» имя «Мечта».
АМС «Луна-2» повторяла предшественницу практически полностью. Используемые приборы и оборудование позволяли вести наблюдение за межпланетным пространством, а также корректировать сведения, полученные "Луной-1". Запуск (12 сентября 1959) также осуществлялся с использованием РН 8К72.
14 сентября «Луна-2» достигла поверхности природного спутника Земли. Был совершен первый в истории полет с нашей планеты на Луну. На борту АМС содержались три символических вымпела, на которых стояла надпись: «СССР, сентябрь 1959». В середину был помещен металлический шар, который при ударе о поверхность небесного тела разлетался на десятки мелких вымпелов.
Задачи, поставленные перед автоматической станцией:
- достижение поверхности Луны;
- развитие второй космической скорости;
- преодоление тяготения планеты Земля;
- доставка на лунную поверхность вымпелов «СССР».
Все они были выполнены.
«Восток»
Это был самый первый космический корабль в мире из всех, выведенных на орбиту Земли. Академиком М. К. Тихонравовым под руководством знаменитого конструктора С. П. Королева разработки проводились в течение долгих лет, начиная с весны 1957 г. В апреле 1958-го стали известны приблизительные параметры будущего корабля, а также и его общие показатели. Предполагалось, что первый космический корабль будет иметь вес около 5 тонн и что при входе в атмосферу ему потребуется дополнительная теплозащита весом около 1,5. Кроме того, было предусмотрено катапультирование пилота.
Создание экспериментального аппарата закончилось в апреле 1960-го. Летом были начаты его испытания.
Первый космический корабль «Восток» (фото его ниже) состоял из двух элементов: приборного отсека и спускаемого аппарата, соединенных между собой.
Судно было оснащено ручным и автоматическим управлением, ориентацией на Солнце и Землю. Кроме того, имелись приземление, терморегулировка и электропитание. Борт был рассчитан на полет одного пилота в скафандре. В судне имелось два иллюминатора.
Первый космический корабль отправился в космос в 1961-м, 12 апреля. Сейчас эта дата празднуется как День космонавтики. В этот день Ю.А. Гагарин вывел на орбиту первое в мире космическое судно. Им был произведен оборот вокруг Земли.
Главной задачей, которую выполнял первый космический корабль с человеком на борту, было исследование самочувствия и работоспособности космонавта за пределами нашей планеты. Успешным полетом Гагарина: нашего соотечественника, первого человека, увидевшего Землю из космоса - развитие науки было выведено на новую ступень.
Настоящий полёт в бессмертие
«Первый космический корабль с человеком на борту был выведен на орбиту Земли 12 апреля 1961 года. Первым пилотом-космонавтом корабля-спутника "Восток" стал гражданин СССР, летчик, майор Гагарин Ю. А.»
Слова из памятного сообщения ТАСС навсегда остались в истории, на одной из наиболее знаменательных и ярких ее страниц. По истечении десятилетий полеты в космос превратятся в обычное, будничное явление, но полет, совершенный человеком из небольшого городка в России - Гжатска - навсегда остался в сознании многих поколений как великий человеческий подвиг.
Космическая гонка
Между Советским Союзом и США в те годы шло негласное соревнование за право играть ведущую роль в деле завоевания космоса. Лидером соревнования был Советский Союз. У США недоставало мощных ракет-носителей.
Советской же астронавтикой уже была проверена их работа в январе 1960 г. в ходе испытаний в районе Тихого океана. Всеми крупными газетами мира публиковалась информация, что в СССР скоро будет запущен человек в космос, что, безусловно, оставит США позади. Все люди мира ждали первого полета человека с огромным нетерпением.
В апреле 1961-го человек впервые взглянул на Землю из космоса. «Восток» устремился навстречу Солнцу, вся планета следила за этим полетом у радиоприемников. Мир был потрясен и взволнован, все неотрывно наблюдали за ходом величайшего в истории человечества эксперимента.
Минуты, которые потрясли мир
«Человек в космосе!» Этим известием была прервана на полуслове работа радио и телеграфных агентств. «Советами запущен человек! Юрий Гагарин в космосе!»
«Востоку» на то, чтобы облететь планету, понадобились всего 108 минут. И эти минуты не только свидетельствовали о скорости полета космического борта. Это были первые минуты новой космической эры, именно поэтому ими так был потрясен мир.
Гонка между двумя сверхдержавами за звание победителя в борьбе за освоение космоса завершилась победой СССР. В мае США по баллистической траектории также запустили человека в космос. И все же начало выхода человека за пределы атмосферы Земли было положено советскими людьми. Первый космический корабль «Восток» с космонавтом на борту был послан именно Страной Советов. Этот факт явился предметом необычайной гордости советских людей. Причем полет длился дольше, проходил гораздо выше, шел по значительно более сложной траектории. Кроме того, первый космический корабль Гагарина (фото представляет его внешний вид) нельзя сравнить с капсулой, в которой совершил полет американский пилот.
Утро эры космоса
Эти 108 минут изменили жизнь Юрия Гагарина, нашей страны и всего мира навсегда. После того как вышел корабль с человеком на борту, это событие люди Земли стали считать утром космической эры. На планете не было человека, который пользовался бы такой огромной любовью не только своих сограждан, но и людей всего мира, вне зависимости от национальной принадлежности, политических и религиозных убеждений. Его подвиг явился олицетворением всего лучшего, созданного человеческим разумом.
«Посол мира»
Облетев Землю на корабле «Восток», Юрий Гагарин отправился в путешествие по странам мира. Всем хотелось увидеть и услышать первого в мире космонавта. Его одинаково радушно принимали премьер-министры и президенты, великие князья и короли. А также Гагарина радостно встречали шахтеры и докеры, военные и ученые, студенты великих университетов мира и старейшины заброшенных селений в Африке. Первый космонавт был одинаково прост, дружелюбен и приветлив со всеми. Это был настоящий «посол мира», признанный народами.
«Один большой и прекрасный человеческий дом»
Дипломатическая миссия Гагарина была для страны очень важной. Никто бы не смог настолько успешно, как это сделал первый побывавший в космосе человек, завязать узелки дружбы между людьми и народами, соединить мысли и сердца. Он обладал незабываемой, обворожительной улыбкой, удивительной доброжелательностью, которые объединяли людей разных стран, различных убеждений. Необыкновенно убедительными были его страстные, идущие от всего сердца выступления, призывающие к миру во всем мире.
«Я видел, как красива Земля, - говорил Гагарин. - Из космоса неразличимы границы государств. Наша планета выглядит из космоса как один большой и прекрасный человеческий дом. Все честные люди Земли ответственны за порядок и мир в своем доме». Ему безгранично верили.
Невиданный взлет страны
На рассвете того незабываемого дня он был знаком ограниченному кругу людей. В полдень его имя узнала вся планета. К нему потянулись миллионы, его полюбили за доброту, молодость, красоту. Для человечества он стал предвестником будущего, разведчиком, вернувшимся из опасного поиска, открывшим новые пути к познанию.
В глазах многих он олицетворял свою страну, был представителем народа, в свое время внесшего огромный вклад в победу над фашистами, а теперь первым поднявшегося в космос. Имя Гагарина, которому было присвоено звание Героя Советского Союза, стало символом невиданного взлета страны к новым высотам социального и экономического прогресса.
Начальный этап исследования космоса
Еще до совершения знаменитого полета, когда первый космический корабль с человеком на борту был запущен в космос, Гагарин задумывался о том, какое значение для людей имеет освоение космоса, для чего нужны могучие корабли и ракеты. Зачем монтируются телескопы и рассчитываются орбиты? Для чего взлетают спутники и поднимаются антенны радиостанций? Он очень хорошо понимал насущную необходимость и важность этих дел и стремился внести свою лепту в начальный этап исследования человеком космоса.
Первый космический корабль «Восток»: задачи
Основными научными задачами, которые стояли перед кораблем «Восток», были следующие. Во-первых, изучение воздействия условий полёта на орбите на состояние организма человека и его работоспособность. Во-вторых, проверка принципов построения космических кораблей.
История создания
В 1957 г. С.П. Королёвым в рамках научного ОКБ был организован специальный отдел № 9. В нем предусматривалось проведение работ по созданию искусственных спутников нашей планеты. Отдел возглавлялся соратником Королёва М.К. Тихонравым. Также здесь исследовались вопросы создания спутника, пилотируемого человеком на борту. В качестве ракеты-носителя рассматривалась королёвская Р-7. По расчётам, ракета с третьей степенью защиты была в состоянии вывести пятитонный груз на низкую околоземную орбиту.
В расчетах на ранней стадии разработки принимали участие математики Академии наук. Было сделано предупреждение, что десятикратная перегрузка может привести к баллистическому спуску с орбиты.
В отделе исследовались условия осуществления этой задачи. Пришлось отказаться от рассмотрения крылатых вариантов. Как наиболее приемлемый способ возвращения человека изучались возможности его катапультирования и дальнейшего спуска на парашюте. Отдельного спасения спускаемого аппарата при этом не предусматривалось.
В ходе проводимых медицинских исследований было доказано, что наиболее приемлемой для человеческого организма является сферическая форма спускаемого аппарата, позволяющая выдерживать значительные нагрузки без серьёзных последствий для здоровья космонавта. Именно сферическая форма была выбрана для производства спускаемого аппарата пилотируемого судна.
Первым был отправлен корабль «Восток-1К». Это был автоматический полёт, который состоялся в мае 1960 г. Позднее создали и отработали модификацию «Восток-3КА», которая была полностью готова к проведению пилотируемых полётов.
Кроме одного неудавшегося полета, закончившегося аварией ракеты-носителя на самом старте, программой был предусмотрен запуск шести беспилотных аппаратов и шести пилотируемых космических кораблей.
Программой осуществлены:
- проведение полета человека в космос - первый космический корабль «Восток 1» (фото представляет изображение судна);
- полёт длительностью в сутки: «Восток-2»;
- проведение групповых полётов: «Восток-3» и «Восток-4»;
- участие в космическом полёте первой женщины-космонавта: «Восток-6».
«Восток»: характеристики и устройство корабля
Характеристики:
- вес - 4,73 т;
- длина - 4,4 м;
- диаметр - 2,43 м.
Устройство:
- сферический спускаемый аппарат 2,3 м);
- орбитальный и конический приборные отсеки (2,27 т, 2,43 м) - предусмотрено их механическое соединение между собой при помощи пиротехнических замков и металлических лент.
Оснащение
Автоматическое и ручное управление, автоматическая ориентация на Солнце и ручная ориентация на Землю.
Жизнеобеспечение (предусмотрено на протяжении 10 суток поддержание внутренней атмосферы, соответствующей параметрам атмосферы Земли).
Командно-логическое управление, электропитание, терморегулирование, приземление.
Для работы человека
С целью обеспечения работы человека в космосе борт был оснащен следующей аппаратурой:
- автономные и радиотелеметрические устройства, необходимые для осуществления контроля состояния космонавта;
- устройства для радиотелефонной связи с наземными станциями;
- командная радиолиния;
- программно-временные устройства;
- телевизионная система для наблюдения за пилотом с Земли;
- радиосистема для осуществления контроля орбиты и пеленгации судна;
- тормозная двигательная установка и другие.
Устройство спускаемого аппарата
В спускаемом аппарате было два иллюминатора. Один из них располагался на входном люке, немного выше головы пилота, другой, со специальной системой ориентации, размещался в полу у его ног. Одетый в располагался в катапультируемом кресле. Предусматривалось, что после проведения торможения спускаемого аппарата на высоте 7 км космонавт должен катапультироваться и на парашюте совершить приземление. Кроме того, имелась возможность приземления пилота внутри самого аппарата. В спускаемом аппарате имелся парашют, но не было предусмотрено оснащение средствами для мягкой посадки. Это грозило находящемуся в нём человеку серьёзными ушибами при приземлении.
Если бы отказали автоматические системы, космонавт мог бы использовать ручное управление.
В кораблях «Восток» не было приспособлений для полётов человека на Луну. В них был недопустимым полёт людей без специальной подготовки.
Кто пилотировал корабли «Восток»?
Ю. А. Гагарин: первый космический корабль «Восток - 1». Фото внизу представляет изображение макета судна. Г. С. Титов: «Восток-2», А. Г. Николаев: «Восток-3», П.Р. Попович: «Восток-4», В. Ф. Быковский: «Восток-5», В. В. Терешкова: «Восток-6».
Заключение
108 минутами, в течение которых «Восток» совершил оборот вокруг Земли, была навсегда изменена жизнь планеты. Памятью об этих минутах дорожат не только историки. Живущими поколениями и нашими далекими потомками будут с уважением перечитываться документы, повествующие о рождении новой эры. Эры, которая открыла людям путь в бескрайние просторы Вселенной.
Насколько бы далеко ни продвинулось человечество в своем развитии, оно всегда будет помнить об этом удивительном дне, когда человек впервые оказался один на один с космосом. Люди всегда будут помнить бессмертное имя славного пионера космоса, которым стал обыкновенный русский человек - Юрий Гагарин. Все сегодняшние и завтрашние достижения космической науки можно считать шагами по его следу, результатом одержанной им победы - первой и самой главной.
Подробности Категория: Встреча с космосом Опубликовано 05.12.2012 11:32 Просмотров: 17631Пилотируемый космический корабль предназначен для полетов в космическое пространство одного или нескольких человек и безопасного возвращения на Землю после исполнения задания.
При конструировании данного класса космических аппаратов одной из главных задач является создание безопасной, надёжной и точной системы возвращения экипажа на земную поверхность в виде бескрылого спускаемого аппарата (СА) или космоплана. Космоплан - орбитальный самолёт (ОС), воздушно-космический самолёт (ВКС) - это крылатый летательный аппарат самолетной схемы, выходящий или выводимый на орбиту искусственного спутника Земли посредством вертикального или горизонтального старта и возвращающийся с неё после выполнения целевых задач, совершая горизонтальную посадку на аэродром, активно используя при снижении подъемную силу планера. Сочетает в себе свойства как самолета, так и космического корабля.
Важной особенностью пилотируемого космического корабля является наличие системы аварийного спасения (САС) на начальном этапе выведения ракетой-носителем (РН).
Проекты советских и китайских космических кораблей первого поколения не имели полноценной ракетной САС - вместо неё, как правило, использовалось катапультирование кресел экипажа (космический корабль «Восход» не имел и этого). Крылатые космопланы также не оснащены специальной САС, а также могут иметь катапультируемые кресла экипажа. Также космический корабль обязательно должен быть оснащён системой жизнеобеспечения (СЖО) экипажа.
Создание пилотируемого космического корабля – задача высокой сложности и стоимости, поэтому их имеют только три страны: Россия, США и Китай. А многоразовые системы пилотируемых космических кораблей имеют только Россия и США.
Некоторые страны работают над созданием своих пилотируемых космических кораблей: Индия, Япония, Иран, КНДР, а также ESA (Европейское космическое агентство, созданное в 1975 г. в целях исследования космоса). ESA состоит из 15 постоянных членов, иногда, в некоторых проектах, к ним присоединяются Канада и Венгрия.
Космические корабли первого поколения
«Восток»
Это серии советских космических кораблей, предназначенных для пилотируемых полётов по околоземной орбите. Создавались под руководством генерального конструктора ОКБ-1 Сергея Павловича Королёва с 1958 по 1963 год.
Основные научные задачи, стоявшие для корабля «Восток»: изучение воздействий условий орбитального полёта на состояние и работоспособность космонавта, отработка конструкции и систем, проверка основных принципов построения космических кораблей.
История создания
Весной 1957 г. С. П. Королёв в рамках своего ОКБ организовал специальный отдел № 9, предназначенный для проведения работ по созданию первых искусственных спутников Земли. Отдел возглавил соратник Королёва Михаил Клавдиевич Тихонравов . Вскоре, параллельно с разработкой искусственных спутников, в отделе начали выполняться исследования по вопросу создания пилотируемого корабля-спутника. Ракетой-носителем должна была стать королёвская «Р-7». Расчёты показывали, что она, оснащённая третьей ступенью, могла вывести на низкую околоземную орбиту груз массой около 5 тонн.
На ранней стадии разработки расчеты делали математики Академии наук. В частности, было отмечено, что результатом баллистического спуска с орбиты может стать десятикратная перегрузка .
С сентября 1957 по январь 1958 г. в отделе Тихонравова исследовались все условия осуществления задачи. Было обнаружено, что равновесная температура крылатого космического корабля, обладающего наивысшим аэродинамическим качеством, превышает возможности тепловой устойчивости доступных к тому времени сплавов, а использование крылатых вариантов конструкции приводило к снижению величины полезной нагрузки. Поэтому от рассмотрения крылатых вариантов отказались. Наиболее приемлемым способом возвращения человека было его катапультирование на высоте нескольких километров и дальнейший спуск на парашюте. Отдельное спасение спускаемого аппарата при этом можно было не проводить.
В ходе медицинских исследований, проведённых в апреле 1958 г., испытания лётчиков на центрифуге показали, что при определённом положении тела человек способен переносить перегрузки до 10 G без серьёзных последствий для своего здоровья. Поэтому выбрали сферическую форму спускаемого аппарата для первого пилотируемого корабля.
Сферическая форма спускаемого аппарата являлась простейшей и наиболее изученной симметричной формой, сфера обладает стабильными аэродинамическими свойствами при любых возможных скоростях и углах атаки. Смещение центра масс в кормовую часть сферического аппарата позволяло обеспечить его правильную ориентацию во время баллистического спуска.
Первый корабль «Восток-1К» отправился в автоматический полёт в мае 1960 г. Позже была создана и отработана модификация «Востк-3КА», полностью готовая к пилотируемым полётам.
Помимо одной аварии ракеты-носителя на старте, по программе было запущено шесть беспилотных аппаратов, а в дальнейшем ещё шесть пилотируемых космических кораблей.
На кораблях программы осуществлены первые в мире пилотируемый космический полёт («Восток-1»), суточный полёт («Восток-2»), групповые полёты двух кораблей («Восток-3» и «Восток-4») и полёт женщины-космонавта («Восток-6»).
Устройство космического корабля «Восток»
Общая масса космического корабля - 4,73 тонны, длина - 4,4 м, максимальный диаметр - 2,43 м.
Корабль состоял из сферического спускаемого аппарата (массой 2,46 тонны и диаметром 2,3 м), также выполняющего функции орбитального отсека, и конического приборного отсека (массой 2,27 тонны и максимальным диаметром 2,43 м). Отсеки механически соединялись между собой при помощи металлических лент и пиротехнических замков. Корабль оснащался системами: автоматического и ручного управления, автоматической ориентации на Солнце, ручной ориентации на Землю, жизнеобеспечения (рассчитаной на поддержание внутренней атмосферы, близкой по своим параметрам к атмосфере Земли в течение 10 суток), командно-логического управления, электропитания, терморегулирования и приземления. Для обеспечения задач по работе человека в космическом пространстве корабль снабжался автономной и радиотелеметрической аппаратурой для контроля и регистрации параметров, характеризующих состояние космонавта, конструкции и систем, ультракоротковолновой и коротковолновой аппаратурой для двусторонней радиотелефонной связи космонавта с наземными станциями, командной радиолинией, программно-временным устройством, телевизионной системой с двумя передающими камерами для наблюдения за космонавтом с Земли, радиосистемой контроля параметров орбиты и пеленгации корабля, тормозной двигательной установкой ТДУ-1 и другими системами. Вес космического корабля вместе с последней ступенью ракеты-носителя составлял 6,17 тонны, а их длина в связке - 7,35 м.
Спускаемый аппарат имел два иллюминатора, один из которых размещался на входном люке, чуть выше головы космонавта, а другой, оснащённый специальной системой ориентации, в полу у его ног. Космонавт, одетый в скафандр, размещался в специальном катапультируемом кресле. На последнем этапе посадки, после торможения спускаемого аппарата в атмосфере, на высоте 7 км, космонавт катапультировался из кабины и совершал приземление на парашюте. Кроме того, была предусмотрена возможность приземления космонавта внутри спускаемого аппарата. Спускаемый аппарат имел собственный парашют, однако не был оснащён средствами выполнения мягкой посадки, что грозило оставшемуся в нём человеку серьёзным ушибом при совместном приземлении.
В случае отказа автоматических систем космонавт мог перейти на ручное управление. Корабли «Восток» не были приспособлены для полётов человека на Луну, а также не допускали возможности полёта людей, не прошедших специальной подготовки.
Пилоты космических кораблей «Восток»:
«Восход»
На освободившееся от катапультного кресла место устанавливались два или три обычных кресла. Поскольку теперь экипаж приземлялся в спускаемом аппарате, то для обеспечения мягкой посадки корабля помимо парашютной системы был установлен твердотопливный тормозной двигатель, срабатывавший непосредственно перед касанием земли от сигнала механического высотомера. На корабле «Восход-2», предназначенном для выхода в открытый космос, оба космонавта были одеты в скафандры «Беркут». Дополнительно была установлена надуваемая шлюзовая камера, которая сбрасывалась после использования.
Космические корабли «Восход» выводились на орбиту ракетой-носителем «Восход», также разработанной на базе РН «Восток». Но система носителя и корабля «Восход» в первые минуты после запуска не имела средств спасения при аварии.
По программе «Восход» были совершены следующие полёты:
«Космос-47» - 6 октября 1964 г. Беспилотный испытательный полёт для отработки и тестирования корабля.
«Восход-1» - 12 октября 1964 г. Первый космический полёт более чем с одним человеком на борту. Состав экипажа - космонавт-пилот Комаров, конструктор Феоктистов и врач Егоров .
«Космос-57» - 22 февраля 1965 г. Беспилотный испытательный полёт для отработки корабля для выхода в космос, завершился неудачей (подорван системой самоуничтожения из-за ошибки командной системы).
«Космос-59» - 7 марта 1965 г. Беспилотный испытательный полёт аппарата другой серии («Зенит-4») с установленным шлюзом корабля «Восход» для выхода в космос.
«Восход-2» - 18 марта 1965 г. Первый выход в открытый космо с. Состав экипажа - космонавт-пилот Беляев и космонавт-испытатель Леонов .
«Космос-110» - 22 февраля 1966 г. Испытательный полёт для проверки работы бортовых систем при длительном орбитальном полёте, на борту были две собаки - Ветерок и Уголёк , полёт продолжался 22 дня.
Космические корабли второго поколения
«Союз»
Серия многоместных космических кораблей для полетов по околоземной орбите. Разработчик и изготовитель корабля - РКК «Энергия» (Ракетно-космическая корпорация «Эне́ргия» имени С. П. Королёва . Головная организация корпорации находится в городе Королёве, филиал - на космодроме Байконур). Как единая организационная структура возникла в 1974 г. под руководством Валентина Глушко.
История создания
Ракетно-космический комплекс «Союз» начал проектироваться в 1962 г. в ОКБ-1 как корабль советской программы для облёта Луны. Сначала предполагалось, что к Луне по программе «А» должна была отправиться связка из космического корабля и разгонных блоков 7К, 9К, 11К . В дальнейшем проект «А» был закрыт в пользу отдельных проектов облёта Луны с использованием корабля «Зонд»/7К-Л1 и высадки на Луне с использованием комплекса Л3 в составе орбитального корабля-модуля 7К-ЛОК и посадочного корабля-модуля ЛК. Параллельно лунным программам на базе того же 7К и закрытого проекта околоземного корабля «Север» начали делать 7К-ОК - многоцелевой трехместный орбитальный корабль (ОК), предназначенный для отработки операций маневрирования и стыковки на околоземной орбите, для проведения различных экспериментов, в том числе по переходу космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.
Испытания 7К-ОК начались в 1966 г. После отказа от программы полётов на кораблях «Восход» (с уничтожением задела трёх из четырёх готовых кораблей «Восход») конструкторы корабля «Союз» потеряли возможность отработать на нём решения для своей программы. Наступил двухгодичный перерыв в пилотируемых запусках в СССР, во время которого американцы активно осваивали космическое пространство. Первые три беспилотных пуска кораблей «Союз» оказались полностью либо частично неудачными, были обнаружены серьёзные ошибки в конструкции корабля. Однако четвёртый пуск был предпринят пилотируемым («Союз-1» с В. Комаровым ), который оказался трагическим - космонавт погиб при спуске на Землю. После аварии «Союза-1» конструкция корабля была полностью переработана для возобновления пилотируемых полётов (было выполнено 6 беспилотных пусков), и в 1967 г. состоялась первая, в целом удачная, автоматическая стыковка двух «Союзов» («Космос-186» и«Космос-188»), в 1968 г. были возобновлены пилотируемые полёты, в 1969 г. состоялись первая стыковка двух пилотируемых кораблей и групповой полёт трёх кораблей сразу, а в 1970 г. - автономный полет рекордной длительности (17,8 суток). Первые шесть кораблей «Союз» и («Союз-9») были кораблями серии 7К-ОК. Также готовился к полётам вариант корабля «Союз-Контакт» для отработки систем стыковки кораблей-модулей 7К-ЛОК и ЛК лунного экспедиционного комплекса Л3. В связи с недоведением лунно-посадочной программы Л3 до стадии пилотируемых полётов, необходимость полётов Союза-Контакта отпала.
В 1969 г. началась работа над созданием долговременной орбитальной станции (ДОС) «Салют». Для доставки экипажа был спроектирован корабль 7КТ-ОК (Т - транспортный). Новый корабль отличался от предыдущих наличием стыковочного узла новой конструкции с внутренним люком-лазом и дополнительными системами связи на борту. Третий корабль этого типа («Союз-10») не выполнил поставленную перед ним задачу. Стыковка со станцией была осуществлена, но в результате повреждения стыковочного узла люк корабля был заблокирован, что сделало невозможным переход экипажа на станцию. Во время четвёртого полёта корабля этого типа («Союз-11») из-за разгерметизации на участке спуска погибли Г. Добровольский, В. Волков и В. Пацаев , так как они были без скафандров. После аварии «Союза-11» от развития 7К-ОК/7КТ-ОК отказались, корабль был переделан (внесены изменения в компоновку СА для размещения космонавтов в скафандрах). Из-за возросшей массы систем жизнеобеспечения новый вариант корабля 7К-Т стал двухместным, лишился солнечных батарей. Этот корабль стал «рабочей лошадкой» советской космонавтики 1970-х: 29 экспедиций на станции «Салют» и«Алмаз». Версия корабля 7К-ТМ (М - модифицированный) использовалась в совместном полёте с американским «Аполлоном» по программе ЭПАС. Четыре корабля «Союз», официально стартовавшие после аварии «Союза-11», имели в своей конструкции солнечные батареи различных типов, однако это были другие версии корабля «Союз» - 7К-ТМ («Союз-16», «Союз-19»), 7К-МФ6 («Союз-22») и модификация 7К-Т - 7К-Т-АФ без стыковочного узла («Союз-13»).
С 1968 г. были модифицированы и произведены космические корабли серии «Союз» 7К-С . 7К-С дорабатывался в течение 10 лет и к 1979 году стал кораблём 7К-СТ «Союз Т» , причём в небольшой переходный период космонавты летали одновременно на новом 7К-СТ и устаревшем 7К-Т.
Дальнейшая эволюция систем корабля 7К-СТ привела к модификации 7К-СТМ «Союз ТМ» : новая двигательная установка, улучшенная парашютная система, система сближения и т. д. Первый полёт «Союз ТМ» был совершён 21 мая 1986 г. к станции «Мир», последний «Союз ТМ-34» - в 2002 г. к МКС.
В настоящее время эксплуатируется модификация корабля 7К-СТМА «Союз ТМА» (А - антропометрический). Корабль по требованиям NASA был доработан применительно к полётам на «МКС». На нём могут работать космонавты, которые не смогли бы поместиться в «Союз ТМ» по росту. Пульт космонавтов был заменён на новый, с современной элементной базой, улучшена парашютная система, уменьшена теплозащита. Последний запуск корабля данной модификации «Союз ТМА-22» состоялся 14 ноября 2011 г.
Кроме «Союз ТМА», сегодня для полётов в космос используются корабли новой серии 7К-СТМА-М «Союз ТМА-М» («Союз ТМАЦ») (Ц - цифровой).
Устройство
Корабли этой серии состоят из трёх модулей: приборно-агрегатного отсека (ПАО), спускаемого аппарата (СА), бытового отсека (БО).
В ПАО находится комбинированная двигательная установка, топливо для неё, служебные системы. Длина отсека 2,26 м, основной диаметр 2,15 м. Двигательная установка состоит из 28 ДПО (двигатели причаливания и ориентации) по 14 на каждом коллекторе, а также сближающе-корректирующего двигателя (СКД). СКД предназначен для орбитального маневрирования и схода с орбиты.
Система энергоснабжения состоит из солнечных батарей и аккумуляторов.
В спускаемом аппарате находятся места для космонавтов, системы жизнеобеспечения, управления, парашютная система. Длина отсека 2,24 м, диаметр 2,2 м. Бытовой отсек имеет длину 3,4 м, диаметр 2,25 м. Он оснащен стыковочным узлом и системой сближения. В герметичном объёме БО располагаются грузы для станции, иная полезная нагрузка, ряд систем жизнеобеспечения, в частности туалет. Через посадочный люк на боковой поверхности БО космонавты входят в корабль на стартовой позиции космодрома. БО может быть использован при шлюзовании в открытый космос в скафандрах типа «Орлан» через посадочный люк.
Новая модернизированная версия «Союз ТМА-МС»
Обновление затронет практически каждую систему пилотируемого корабля. Основные пункты программы модернизации космического корабля:
- энергоотдача солнечных батарей, будет повышена за счёт применения более эффективных фотоэлектрических преобразователей;
- надёжность сближения и стыковки корабля с космической станцией за счёт изменения установки двигателей причаливания и ориентации. Новая схема этих двигателей позволит выполнить сближение и стыковку даже в случае отказа одного из двигателей и обеспечить спуск пилотируемого корабля при любых двух отказах двигателей;
- новая система связи и пеленгации, которая позволит помимо улучшения качества радиосвязи, облегчить поиск спускаемого аппарата, приземлившегося в любой точке Земного шара.
На модернизированном «Союз ТМА-МС» будут установлены датчики системы ГЛОНАСС. На этапе парашютирования и после посадки спускаемого аппарата его координаты, полученные по данным ГЛОНАСС/GPS, будут передаваться по спутниковой системе Коспас-Сарсат в ЦУП.
«Союз ТМА-МС» станет последней модификацией «Союза ». Корабль будет использоваться для пилотируемых полётов до тех пор, пока на смену ему не придёт корабль нового поколения. Но это уже совсем другая история…
100 лет назад отцы — основатели космонавтики вряд ли могли себе представить, что космические корабли будут выбрасывать на свалку после одного-единственного полета. Неудивительно, что первые проекты кораблей виделись многоразовыми и зачастую крылатыми. Долгое время - до самого начала пилотируемых полетов - они конкурировали на чертежных досках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Увы, большинство многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственная система многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle), оказалась страшно дорогой и далеко не самой надежной. Почему так получилось?
Ракетостроение имеет в своей основе два источника - авиацию и артиллерию. Авиационное начало требовало многоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское было склонно к одноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых выросла практическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми.
Когда дело дошло до практики, конструкторы столкнулись с целым комплексом проблем высокоскоростного полета, в числе которых - чрезвычайно высокие механические и тепловые нагрузки. Путем теоретических исследований, а также проб и ошибок инженеры смогли подобрать оптимальную форму боевой части и эффективные теплозащитные материалы. И когда на повестку дня встал вопрос о разработке реальных космических кораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить космический «самолет» или аппарат капсульного типа, похожий на головную часть межконтинентальной баллистической ракеты? Поскольку космическая гонка шла в бешеном темпе, было выбрано наиболее простое решение - ведь в вопросах аэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.
Быстро выяснилось, что на техническом уровне тех лет сделать капсульный корабль многоразовым практически нереально. Баллистическая капсула входит в атмосферу с огромной скоростью, а ее поверхность может нагреваться до 2 500-3 000 градусов. Космический самолет, обладающий достаточно высоким аэродинамическим качеством, при спуске с орбиты испытывает почти вдвое меньшие температуры (1 300-1 600 градусов), но материалы, пригодные для его теплозащиты, в 1950-1960-е годы еще не были созданы. Единственной действенной теплозащитой была тогда заведомо одноразовая абляционная обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхности капсулы потоком набегающего газа, поглощая и унося при этом тепло, которое в противном случае вызвало бы недопустимый нагрев спускаемого аппарата.
Попытки разместить в единой капсуле все системы - двигательную установку с топливными баками, системы управления, жизнеобеспечения и энергопитания - вели к быстрому росту массы аппарата: чем больше размеры капсулы, тем больше масса теплозащитного покрытия (в качестве которой использовались, например, стеклотекстолиты, пропитанные фенольными смолами с довольно большой плотностью). Однако грузоподъемность тогдашних ракет-носителей была ограниченна. Решение было найдено в делении корабля на функциональные отсеки. «Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности космонавта размещалось в относительно небольшой кабине-капсуле с тепловой защитой, а блоки остальных систем были вынесены в одноразовые отделяемые отсеки, естественно, не имевшие никакого теплозащитного покрытия. К такому решению конструкторов, как представляется, подталкивал и небольшой ресурс основных систем космической техники. Например, жидкостный ракетный двигатель «живет» несколько сотен секунд, а чтобы довести его ресурс до нескольких часов, нужно приложить очень большие усилия.
Предыстория многоразовых кораблей
Одним из первых технически проработанных проектов космического челнока был ракетоплан конструкции Ойгена Зенгера. В 1929 году он выбрал этот проект для докторской диссертации. По замыслу австрийского инженера, которому было всего 24 года, ракетоплан должен был выходить на околоземную орбиту, например, для обслуживания орбитальной станции, а затем возвращаться на Землю с помощью крыльев. В конце 1930-х - начале 1940-х годов в специально созданном закрытом научно-исследовательском институте он выполнил глубокую проработку ракетного самолета, известного как «антиподный бомбардировщик». К счастью, в Третьем рейхе проект реализован не был, но стал отправной точкой для многих послевоенных работ как на Западе, так и в СССР.
Так, в США, по инициативе В. Дорнбергера (руководителя программы V-2 в фашистской Германии), в начале 1950-х годов проектировался ракетный бомбардировщик Bomi, двухступенчатый вариант которого мог бы выходить на околоземную орбиту. В 1957 году американские военные начали работу над ракетопланом DynaSoar. Аппарат должен был выполнять особые миссии (инспекция спутников, разведывательно-ударные операции и др.) и в планирующем полете возвращаться на базу.
В СССР, еще до полета Юрия Гагарина, рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых аппаратов многоразового использования, таких как ВКА-23 (главный конструктор В.М. Мясищев), «136» (А.Н. Туполев), а также проект П.В. Цыбина, известный как «лапоток», разработанный по заказу С.П. Королева.
Во второй половине 1960-х годов в СССР в ОКБ А.И. Микояна, под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского, велась работа над многоразовой авиационно-космической системой «Спираль», которая состояла из сверхзвукового самолета-разгонщика и орбитального самолета, выводимого на орбиту с помощью двухступенчатого ракетного ускорителя. Орбитальный самолет по размерности и назначению в общих чертах повторял DynaSoar, однако отличался формой и техническими деталями. Рассматривался и вариант запуска «Спирали» в космос с помощью ракеты-носителя «Союз».
Из-за недостаточного технического уровня тех лет ни один из многочисленных проектов многоразовых крылатых аппаратов 1950-1960 годов не вышел из стадии проектирования.
Первое воплощение
И все же идея многоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей. К концу 1960-х годов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен изрядный задел в области гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитных материалов. А теоретические исследования подкрепились экспериментами, в том числе полетами опытных летательных аппаратов, самым известным из которых был американский Х-15.
В 1969 году NASA заключило первые контракты с аэрокосмическими компаниями США на исследование облика перспективной многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle (англ. - «космический челнок»). По прогнозам того времени, к началу 1980-х годов грузопоток «Земля-орбита-Земля» должен был составить до 800 тонн в год, и шаттлам предстояло ежегодно совершать 50- 60 полетов, доставляя на околоземную орбиту космические аппараты различного назначения, а также экипажи и грузы для орбитальных станций. Ожидалось, что стоимость выведения грузов на орбиту не превысит 1 000 долларов за килограмм. При этом от космического челнока требовалось умение возвращать с орбиты достаточно большие нагрузки, например дорогие многотонные спутники для ремонта на Земле. Надо отметить, что задача возврата грузов с орбиты в некоторых отношениях сложнее вывода их в космос. Например, на кораблях «Союз» космонавты, возвращаясь с Международной космической станции, могут взять менее сотни килограммов багажа.
В мае 1970 года, после анализа полученных предложений, NASA выбрало систему с двумя крылатыми ступенями и выдало контракты на дальнейшую проработку проекта фирмам North American Rockwell и McDonnel Douglas. При стартовой массе около 1 500 тонн она должна была выводить на низкую орбиту от 9 до 20 тонн полезного груза. Обе ступени предполагалось оснащать связками кислородно-водородных двигателей тягой по 180 тонн каждый. Однако в январе 1971 года требования были пересмотрены - выводимая масса выросла до 29,5 тонны, а стартовая- до 2 265 тонн. По расчетам, пуск системы стоил не более 5 миллионов долларов, но вот разработка оценивалась в 10 миллиардов долларов - больше, чем был готов выделить конгресс США (не будем забывать, что США вели в то время войну в Индокитае).
Перед NASA и фирмами-разработчиками встала задача - снизить стоимость проекта по крайней мере вдвое. В рамках полностью многоразовой концепции этого добиться не удалось: слишком сложно было разработать теплозащиту ступеней с объемистыми криогенными баками. Возникла идея сделать баки внешними, одноразовыми. Затем отказались и от крылатой первой ступени в пользу повторно используемых стартовых твердотопливных ускорителей. Конфигурация системы приобрела знакомый всем вид, а ее стоимость, около 5 миллиардов долларов, укладывалась в заданные пределы. Правда, затраты на запуск при этом выросли до 12 миллионов долларов, но это считалось вполне приемлемым. Как горько пошутил один из разработчиков, «челнок спроектировали бухгалтеры, а не инженеры».
Полномасштабная разработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позднее Rockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы в эксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года - ровно через 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр. Вот только затраты на его разработку превысили 12 миллиардов долларов. На сегодня стоимость одного пуска достигает и вовсе фантастических 500 миллионов долларов! Как же так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевле одноразового (по крайней мере, в пересчете на один полет)?
Во-первых, не оправдались прогнозы по объемам грузопотока - он оказался на порядок меньше ожидавшегося. Во-вторых, компромисс между инженерами и финансистами не пошел на пользу эффективности челнока: стоимость ремонтно-восстановительных работ для ряда агрегатов и систем достигла половины стоимости их производства! Особенно дорого обходилось обслуживание уникальной керамической теплозащиты. Наконец, отказ от крылатой первой ступени привел к тому, что для повторного использования твердотопливных ускорителей пришлось организовывать дорогостоящие поисково-спасательные операции.
Кроме того, шаттл мог работать только в пилотируемом режиме, что существенно удорожало каждую миссию. Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего на некоторых участках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью экипажа и потерей челнока. Это случилось уже дважды - с «Челленджером» (28 января 1986 года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменила отношение к программе Space Shuttle: после 2010 года «челноки» будут выведены из эксплуатации. На смену им придут «Орионы», внешне весьма напоминающие своего дедушку - корабль «Аполлон» - и обладающие многоразовой спасаемой капсулой экипажа.
«Гермес», Франция/ЕКА, 1979-1994. Орбитальный самолет, запускаемый вертикально ракетой «Ариан-5», садящийся горизонтально с боковым маневром до 1 500 км. Стартовая масса - 700 т, орбитальная ступень - 10-20 т. Экипаж - 3-4 человека, выводимый груз - 3 т, возвращаемый - 1,5 т
Челноки нового поколения
С момента начала реализации программы Space Shuttle в мире неоднократно предпринимались попытки создания новых многоразовых кораблей. Проект «Гермес» начали разрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом продолжили в рамках Европейского космического агентства. Этот небольшой космический самолет, сильно напоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в России «Клипер»), должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тонн грузов. Несмотря на достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, был закрыт.
Куда более фантастично выглядел проект беспилотного воздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году фирмой British Aerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый аппарат предполагалось оснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород из воздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород. Финансирование работ со стороны государства (три миллиона фунтов стерлингов) через три года прекратилось из-за необходимости огромных затрат на демонстрацию концепции необычного двигателя. Промежуточное положение между «революционным» HOTOL и консервативным «Гермесом» занимает проект воздушно-космической системы «Зенгер» (Sanger), разработанный в середине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. После достижения 4-5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемый воздушно-космический самолет «Хорус», либо одноразовая грузовая ступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из «бумажной» стадии, в основном по финансовым причинам.
Американский проект NASP был представлен президентом Рейганом в 1986 году как национальная программа воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли «Восточным экспрессом», имел фантастические летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемами, и в начале 1990-х годов его закрыли.Советский «Буран» подавался в отечественной (да и в зарубежной) печати как безусловный успех. Однако, совершив единственный беспилотный полет 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался не менее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента. В отличие от американцев советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой системы - расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее. Но при создании «Бурана» основным был иной аспект - советский челнок разрабатывался как военно-космическая система. С окончанием «холодной войны» этот аспект отошел на второй план, чего не скажешь про экономическую целесообразность. А с ней у «Бурана» было плохо: его пуск обходился, как одновременный старт пары сотен носителей «Союз». Судьба «Бурана» была решена.
За и против
Несмотря на то что новые программы разработки многоразовых кораблей появляются как грибы после дождя, до сих пор ни одна из них не принесла успеха. Ничем окончились упомянутые выше проекты Hermes (Франция, ЕКА), HOTOL (Великобритания) и Sanger (ФРГ). «Завис» между эпохами МАКС - советско-российская многоразовая авиационно-космическая система. Потерпели неудачу и программы NASP (Национальный аэрокосмический самолет) и RLV (Многоразовая ракета-носитель) - очередные попытки США создать МТКС второго поколения на замену Space Shuttle. В чем же причина такого незавидного постоянства?
МАКС, СССР/Россия, с 1985 года. Многоразовая система с воздушным стартом, посадка горизонтальная. Взлетная масса - 620 т, вторая ступень (с топливным баком) - 275 т, орбитальный самолет - 27 т. Экипаж - 2 человека, полезная нагрузка - до 8 т. По утверждению разработчиков (НПО «Молния»), МАКС - наиболее близкий к реализации проект многоразового корабля
По сравнению с одноразовой ракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системы обходится крайне дорого. Сами по себе технические проблемы многоразовых систем решаемы, но стоимость их решения очень велика. Повышение кратности использования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет к повышению стоимости. Для компенсации роста массы берутся (а зачастую изобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и более дорогие) конструкционные и теплозащитные материалы, а также двигатели с уникальными параметрами. А применение многоразовых систем в области малоизученных гиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамические исследования.
И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение меняется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системы составляет 10 миллиардов долларов. Тогда, при 10 полетах (без затрат на межполетное обслуживание), на один запуск будет отнесена стоимость разработки в 1 миллиард долларов, а при тысяче полетов - только 10 миллионов! Однако из-за общего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусков остается только мечтать… Значит, на многоразовых системах можно поставить крест? Тут не все так однозначно.
Во-первых, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок космического туризма. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических» одноразовых), такие как европейский Hermes или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовыми ракетами-носителями. Да, такая схема не сокращает затраты на доставку грузов в космос, но позволяет сократить расходы на миссию в целом (в том числе снять с промышленности бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством.
Во-вторых, что особенно важно для России, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снять ограничения на азимут пуска и сократить затраты на зоны отчуждения, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей.
«Клипер», Россия, с 2000 года. Разрабатываемый новый космический корабль с многоразовой кабиной для доставки экипажа и грузов на околоземную орбиту и орбитальную станцию. Вертикальный запуск ракетой «Союз-2», посадка горизонтальная либо парашютная. Экипаж - 5-6 человек, стартовая масса корабля - до 13 т, посадочная масса - до 8,8 т. Ожидаемый срок первого пилотируемого орбитального полета - 2015 год
Гиперзвуковые двигатели
Наиболее перспективным типом двигательных установок для многоразовых воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом некоторые специалисты считают гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), или, как их чаще называют, прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением. Схема двигателя крайне проста - у него нет ни компрессора, ни турбины. Поток воздуха сжимается поверхностью аппарата, а также в специальном воздухозаборнике. Как правило, единственной подвижной частью двигателя является насос подачи горючего.
Основная особенность ГПВРД в том, что при скоростях полета, в шесть и более раз превышающих скорость звука, поток воздуха не успевает затормозиться во впускном тракте до дозвуковой скорости, и горение должно происходить в сверхзвуковом потоке. А это представляет известные сложности - обычно топливо не успевает сгорать в таких условиях. Долгое время считалось, что единственное горючее, пригодное для ГПВРД - водород. Правда, в последнее время получены обнадеживающие результаты и с горючими типа керосинов.
Несмотря на то что гиперзвуковые двигатели исследуются с середины 1950-х годов, до сих пор не изготовлено ни одного полноразмерного летного образца: сложность расчетов газодинамических процессов при гиперзвуковых скоростях требует проведения дорогостоящих натурных летных экспериментов. Кроме того, нужны жаропрочные материалы, стойкие к окислению при больших скоростях, а также оптимизированная система топливоподачи и охлаждения ГПВРД в полете.
Существенный недостаток гиперзвуковых двигателей - они не могут работать со старта, аппарат до сверхзвуковых скоростей надо разгонять другими, например, обычными турбореактивными двигателями. И, конечно, ГПВРД работает только в атмосфере, так что для выхода на орбиту понадобится ракетный двигатель. Необходимость ставить несколько двигателей на один аппарат значительно усложняет конструкцию воздушно-космического самолета.
Многогранная многократность
Варианты конструктивной реализации многоразовых систем весьма разнообразны. При их обсуждении не стоит ограничиваться только кораблями, надо сказать и о многоразовых носителях - грузовых многоразовых транспортных космических системах (МТКС). Очевидно, что для снижения стоимости разработки МТКС надо создавать беспилотными и не перегружать их избыточными, как у шаттла, функциями. Это позволит существенно упростить и облегчить конструкцию.
С точки зрения простоты эксплуатации наиболее привлекательны одноступенчатые системы: теоретически они значительно надежнее многоступенчатых, не требуют никаких зон отчуждения (например, проект VentureStar, создававшийся в США по программе RLV в середине 1990-х годов). Но их реализация находится «на грани возможного»: для создания таковых требуется снизить относительную массу конструкции не менее чем на треть по сравнению с современными системами. Впрочем, и двухступенчатые многоразовые системы могут обладать вполне приемлемыми эксплуатационными характеристиками, если использовать крылатые первые ступени, возвращаемые к месту старта по-самолетному.
Вообще МТКС в первом приближении можно классифицировать по способам старта и посадки: горизонтальному и вертикальному. Часто думают, что системы с горизонтальным стартом имеют преимущество, поскольку не требуют сложных пусковых сооружений. Однако современные аэродромы не способны принимать аппараты массой более 600-700 тонн, и это существенно ограничивает возможности систем с горизонтальным стартом. Кроме того, трудно представить себе космическую систему, заправленную сотнями тонн криогенных компонентов топлива, среди гражданских авиалайнеров, взлетающих и садящихся на аэродром по расписанию. А если учесть требования к уровню шума, то становится очевидным, что для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строить отдельные высококлассные аэродромы. Так что у горизонтального взлета здесь существенных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясь вертикально, можно отказаться от крыльев, что существенно облегчает и удешевляет конструкцию, но вместе с тем затрудняет точный заход на посадку и ведет к росту перегрузок при спуске.
В качестве двигательных установок МТКС рассматриваются как традиционные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), так и различные варианты и комбинации воздушно-реактивных (ВРД). Среди последних есть турбопрямоточные, которые могут разгонять аппарат «с места» до скорости, соответствующей числу Маха 3,5-4,0, прямоточные с дозвуковым горением (работают от М=1 до М=6), прямоточные со сверхзвуковым горением (от М=6 до М=15, а по оптимистичным оценкам американских ученых, даже до М=24) и ракетно-прямоточные, способные функционировать во всем диапазоне скоростей полета - от нулевых до орбитальных.
Воздушно-реактивные двигатели на порядок экономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но при этом имеют и на порядок большую удельную массу, а также весьма серьезные ограничения на скорость и высоту полета. Для рационального использования ВРД требуется совершать полет при больших скоростных напорах, защищая при этом конструкцию от аэродинамических нагрузок и перегрева. То есть, экономя топливо - самую дешевую компоненту системы, - ВРД увеличивают массу конструкции, которая обходится гораздо дороже. Тем не менее ВРД, вероятно, найдут применение в относительно небольших многоразовых аппаратах горизонтального старта.
Наиболее реалистичными, то есть простыми и относительно дешевыми в разработке, пожалуй, являются два вида систем. Первый - типа уже упомянутого «Клипера», в которых принципиально новым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый аппарат (или большая его часть). Небольшие размеры хоть и создают определенные трудности в части теплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические проблемы для таких аппаратов практически решены. Так что «Клипер» - это шаг в правильном направлении.
Второй - системы вертикального пуска с двумя крылатыми ракетными ступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особых технических проблем при их создании не ожидается, да и подходящий стартовый комплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных.
Подводя итог, можно полагать, что будущее многоразовых космических систем безоблачным не будет. Им придется отстаивать право на существование в суровой борьбе с примитивными, но надежными и дешевыми одноразовыми ракетами.
Дмитрий Воронцов, Игорь Афанасьев