Современная космонавтика — одно из главных направлений ускорения научно-технического прогресса. Она решает важнейшие задачи в области глобальной связи, навигации, метеорологии, исследования природных ресурсов, экологического контроля и одновременно оказывает влияние на развитие таких передовых отраслей техники, как машиностроение, электроника, автоматика, вычислительная техника, материаловедение и др. Участие в космических исследованиях способствует приобщению к передовой технологии и международному сотрудничеству.

Масштабы работ в космосе растут. Уже длительное время функционируют на околоземной орбите советские пилотируемые станции. На повестке дня стоит вопрос о развертывании в космосе опытного производства уникальных материалов: сверхчистых сплавов, кристаллов, полупроводников, биологических препаратов и вакцин. В более отдаленной перспективе речь идет об индустриализации космоса, освоении внеземных ресурсов и энергетики, пилотируемых полетах к дальним планетам. Важнейшую роль в реализации этих крупномасштабных программ играет космический транспорт.

Каковы же основные концепции его развития?

Прежде всего они определяются целевым назначением транспортных космических систем (ТКС) и проблемами их эксплуатации. Если на начальном этапе освоения космоса ТКС (одноразовые ракеты-носители — РН и транспортные корабли) осуществляли в основном выведение полезных нагрузок в космос, то теперь их функции существенно расширились. Появилась потребность в обслуживании на орбите или возвращении на Землю сложных дорогостоящих космических объектов, доставке и развертывании в космосе крупногабаритных конструкций. Возрос и объем межорбитальных транспортных перевозок.

При возрастающей интенсивности использования ТКС особое внимание должно быть уделено проблеме экологии. Это связано в настоящее время с необходимостью отчуждения земель под районы падения отделяющихся частей ракет-носителей, возможностью разрушения озонного слоя на активном участке полета носителя, засорением околоземного космического пространства последними ступенями РН и космическими разгонными блоками (РБ). Решить эти проблемы предполагается, перейдя к многоразовым ТКС на экологически чистых компонентах топлива.

Другой фактор, влияющий на формирование концепции развития ТКС,— технический уровень. Было бы заманчиво, например, сразу перейти от одноразовых РН к полностью многоразовой ТКС типа одноступенчатого воздушно-космического самолета. Но такой переход требует высокого совершенства конструкции с использованием новых материалов и технологий, качественно нового типа комбинированной двигательной установки, сложной системы управления и возможен только при достижении определенного научно-технического задела по этим направлениям.

С расширением номенклатуры ТКС необходим обоснованный подход к выбору парка транспортных средств,, рациональное сочетание систем различного назначения, в том числе нового и старого поколений. В этом убедились на практике американские специалисты, когда из-за временного прекращения полетов МТКК «Спейс Шаттл» после катастрофы «Челленджера» произошли сбои во многих космических программах, рассчитанных на его использование. Первоначально принятая концепция применения МТКК как универсального средства выведения взамен существующих РН оказалась несостоятельной. США вынуждены были возобновить производство одноразовых РН на коммерческой основе, с тем чтобы использовать смешанный парк носителей многоразового и одноразового применения.

Аналогичный подход наблюдается и в концепции развития межорбитальных транспортных средств. Наряду с применением одноразовых космических РБ ведутся проектные проработки по многоразовым межорбитальным буксирам с возможностью их космического базирования в составе перспективных орбитальных станций — операционных центров.

Предлагаемая брошюра знакомит читателей с задачами и основными направлениями развития космического транспорта. В ней рассказывается о коммерческих ракетах-носителях, многоразовых транспортных системах первого поколения типа «Буран» и «Шаттл» и межорбитальных буксирах, проблемах разработки воздушно-космического самолета и организации марсианской экспедиции. В плане оценки возможностей дальних полетов в космос анализируются принципиально новые проекты.

ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ КОСМОСА И ЗАДАЧИ ТРАНСПОРТА

Развернутая программа мирного сотрудничества, промышленного освоения космического пространства в интересах всего человечества — альтернатива милитаризации космоса. Космонавтика призвана содействовать решению современных проблем земной цивилизации, связанных с переходом к экономике информационного типа, обеспечением растущих энергетических потребностей, освоением новых безотходных технологий, глобальным экологическим контролем и охраной окружающей среды.

Рассмотрим основные аспекты космической программы будущего, которые определяют задачи и общие требования к перспективным ТКС.

Дальнейшее развитие и совершенствование получат спутниковые информационные системы. Процессы сбора, передачи, хранения и обработки информации для современного ведения хозяйства приобретают решающее значение. В США затраты на производство и эксплуатацию средств связи и вычислительной техники соизмеримы с затратами на выработку, передачу и потребление энергии (соответственно 12 и 13% валового национального продукта). Спутниковые информационные системы вносят большой вклад в народное хозяйство. В перспективе их роль еще более возрастет. Из космоса будут осуществляться управление наземными и воздушными перевозками, эксплуатационный контроль за сетью линий электропередач, нефте- и газопроводов. Будет решен целый ряд задач сервисного обслуживания: космическая ретрансляция почтовых отправлений, космические системы индивидуальной связи и навигации, внедрение в практику управления видеотелеконференций и различных опросов, создание межотраслевых банков информации с оперативной передачей данных через космические системы связи и пр.

Соответственно изменится и облик информационных космических систем. Они будут развертываться на базе многоцелевых спутников-платформ, оснащенных крупногабаритными антеннами, мощными передатчиками, микроэлектронными процессорами большой производительности и различными комплектами аппаратуры. Возрастут массы и габариты объектов. Часть спутников-платформ, непосредственное выведение которых окажется затруднительным из-за больших размеров, будет собираться на низкой околоземной орбите и затем с помощью буксиров переводиться на рабочие орбиты, в том числе и на геостационарную. Для обеспечения надежной и экономичной эксплуатации спутниковых систем потребуется проводить в космосе профилактическое обслуживание ИСЗ, а в случае необходимости и ремонт. Парк ТКС будет включать для выведения спутников ракеты-носители и разгонные блоки, для обслуживания — многоразовые транспортные корабли и межорбитальные буксиры.

Продолжится программа комплексных научных и прикладных исследований и экспериментов на пилотируемых орбитальных станциях. Наряду с исследованиями в области внеатмосферной астрономии, медицины, биологии, космической технологии, контроля природных ресурсов Земли существенно расширится объем операций, проводимых на станциях, включая сборочные и монтажные работы по развертыванию крупногабаритных космических конструкций, ремонту спутников, обслуживанию межорбитальных буксиров.

Эти задачи и определяют облик постоянно действующего орбитального комплекса. В его состав будут входить научно-исследовательские лаборатории, специализированные модули (в том числе технологические), комфортабельные жилые блоки, мощная энергоустановка, заправочная станция, ремонтные мастерские, строительные площадки для сборки крупногабаритных конструкций (антенн, панелей солнечных батарей, базовых платформ и пр.). Начало такому комплексу положено запуском в 1986 г. базового блока станции «Мир» с шестью стыковочными узлами. В 1987 г. к нему был пристыкован астрофизический модуль «Квант», а в 1989 г. — блок дооснащения «Квант-2».

Суммарная масса орбитального комплекса «Мир» может достигать 140 т при мощности бортовой энергоустановки 9—18 кВт и численности экипажа 3—6 человек. На последующем этапе (~2000 г.) предполагается развернуть многоцелевой орбитальный комплекс массой 200—300 т с мощностью энергоустановки 150— 200 кВт и численностью экипажа 9—12 человек.

Аналогичный подход к формированию долговременной орбитальной станции с расширяющейся структурой наметился в США, которые планируют создание первой очереди такой станции к середине 90-х годов.

Для развертывания орбитальных комплексов потребуется тяжелый носитель, а для транспортировки на орбиту и спуска на Землю космонавтов и грузов — экономичные многоразовые транспортные корабли, обеспечивающие высокий уровень безопасности и комфортабельные условия полета и посадки.

На орбитальных комплексах будет организовано космическое производство уникальных материалов и медикаментов, изготовление которых в земных условиях обходится дорого (из-за несовершенства технологии и большого процента брака) или практически невозможно. Предпосылками для этого являются успешно проводимые в настоящее время на борту станции «Мир» и автоматического аппарата «Фотон» экспериментальные исследования по получению в космосе различных неорганических и органических материалов и веществ с улучшенными характеристиками за счет использования особенностей протекания физических процессов в условиях невесомости.

К числу перспективных космических технологий относятся производство полупроводниковых элементов из арсенида галлия, оптического стекла, выращивание ниобиевых кристаллов для использования в лазерах и устройствах памяти ЭВМ, производство высококачественной кремниевой ленты для изготовления интегральных схем; в области медицины и биологии — производство препаратов для лечения анемии, гипертонии, сахарного диабета и т. д., синтез ферментов с заданными свойствами, создание синтетических вакцин. По оценкам специалистов, производство этих материалов и препаратов в космосе в 5—10 раз рентабельнее, чем на Земле. Согласно прогнозу одной из американских фирм минимальные доходы от космического производства полупроводников и медикаментов в 2000 г. составят 2,8 млрд. долл.

В плане решения проблем земной энергетики и экологии космическое пространство может использоваться для «захоронения» радиоактивных отходов атомных электростанций. Для производства одного гигаватта электрической энергии в год требуется деление приблизительно одной тонны урана или плутония. В настоящее время в 34 странах действуют, строятся или запланированы АЭС с общим уровнем годового производства электроэнергии 500 ГВт. Таким образом, к 2000 г. можно ожидать ежегодное количество радиоактивных отходов в объеме 500 т.

При выводе в космос многовековое «захоронение» радиоактивных отходов определяется выбором орбит, сохраняющих стабильность на все время естественного распада радиоактивных элементов. Достаточно надежным местом «захоронения», по мнению специалистов, могут быть гелиоцентрические орбиты между Землей и Венерой. Представляют интерес и орбиты, реализуемые вне плоскости эклиптики, где вероятность столкновения контейнера с объектом искусственного или естественного происхождения существенно уменьшается. Выход на такие орбиты требует дополнительных энергозатрат.

Космическое «захоронение» радиоактивных отходов предъявляет жесткие требования к транспортным космическим системам с точки зрения обеспечения надежности и безопасности выведения контейнеров с отходами на окончательную орбиту. При этом затраты на космическое «захоронение» 1 кг отходов, естественно, не должны превышать стоимость электроэнергии, им произведенной, и затраты, связанные с его утилизацией в земных условиях. В настоящее время аварии типа «Челленджер» и Чернобыль заставляют довольно осторожно относиться к возможности реализации предлагаемой идеи.

По всей видимости, проекты таких систем должны рассматриваться и всесторонне обсуждаться в рамках международного сотрудничества под эгидой ООН и МАГАТЭ.

Одной из глобальных задач для космического транспорта будущего может оказаться программа развертывания на околоземной орбите спутниковых солнечных электростанций (ССЭ). Потребность в этом направлении исследований диктуется прежде всего стремлением решить энергетическую проблему Земли. Потребление энергии постоянно растет, в развитых странах оно удваивается каждые 20 лет. Если допустить, что все человечество потребляло бы на душу населения столько энергии, сколько расходуется в развитых странах, то мировое потребление ее утроилось бы. При производстве в наземных условиях такого количества энергии за счет сжигания топлива возникает опасность необратимых воздействий на климат планеты («тепловое загрязнение»).

Проектный облик ССЭ представляет собой развернутую крупногабаритную конструкцию, основным элементом которой служат солнечные батареи. Масштабы ССЭ по сегодняшним понятиям грандиозны. При вырабатываемой мощности 5 ГВт размеры солнечных коллекторов ССЭ составляют 5 X 10 км, т. е. их площадь равна 50 км², а масса станции при использовании фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия оценивается в 34 тыс. т. Очевидны трудности, связанные с транспортировкой такого количества грузов в космос и сборкой на орбите этой уникальной по размерам конструкции. К тому же с точки зрения экологии не выяснена до конца возможность безопасной передачи на Землю энергии в виде микроволнового или лазерного излучения. Вероятно, в XXI веке на основе новых достижений научно-технического прогресса проекты ССЭ претерпят существенные изменения и станут технически реализуемыми и рентабельными. Но основными требованиями к перспективным ТКС для обеспечения решения этой задачи по-прежнему останутся высокая производительность по величине реализуемого грузопотока в космос за год и относительно низкие удельные затраты на транспортировку, которые, по оценкам специалистов, должны быть более чем на порядок ниже существующих.

Масштабной задачей индустриализации космоса является разработка в перспективе природных ресурсов Луны. Исследования лунного грунта с помощью автоматических и пилотируемых аппаратов показали, что недра Луны богаты железом, алюминием, марганцем, хромом, титаном и другими редкими металлами. На Луне достаточно кислорода, содержащегося в связанном виде в окислах металлов и кремния. Специфические условия на лунной поверхности (вакуум, небольшая сила тяжести) позволяют организовать на базе радикально новой технологии производство различных металлов, металлокерамики, композиционных материалов, ситаллов и специальных стекол, порошковых строительных материалов.

Продукция лунного комплекса на 90% обеспечит потребности в материалах, необходимых для строительства околоземных ССЭ. При этом энергоемкость доставки грузов с поверхности Луны в космос значительно меньше, чем с Земли,— ведь скорости освобождения для Луны и Земли различаются в 5 раз (соответственно 2,36 и 11,2 км/с), к тому же на Луне отсутствует атмосфера.

Промышленное освоение Луны — задача дальней перспективы. А пока обсуждается вопрос о возможности создания на Луне в начале XXI века постоянной исследовательской базы, подобной станции в Антарктиде. Для транспортного обеспечения лунного форпоста потребуется применение тяжелого носителя. Специалисты считают целесообразным вести работы по этой программе при широком международном сотрудничестве.

Опыт создания лунного форпоста может стать неоценимым вкладом в программу исследования и освоения Марса, что, кстати, считается серьезным аргументом при выборе очередности выполнения этих двух конкурирующих программ.

И все же более заманчивой и престижной задачей остается «марсианский вариант», так как Луна после высадки человека в какой-то мере уже считается «пройденным этапом». Организация марсианской экспедиции не только принесет ценную научную информацию и даст толчок для нового уровня развития космической техники, энергетики, экологических систем и др., но и будет способствовать развитию международного сотрудничества и улучшению политического климата в мире.

Существует несколько вариантов полета на Марс, обусловленных, в частности, конкретными задачами экспедиции, выбранной схемой полета, применяемым типом двигательно-энергетической установки. Но в любом из вариантов обязательным условием, по-видимому, станет орбитальная сборка из доставляемых с Земли элементов, так как суммарная масса экспедиционного комплекса на околоземной орбите составляет, по оценкам, 500— 2500 т, что значительно превышает грузоподъемность существующих и перспективных систем выведения.

Анализ основных направлений промышленного освоения космоса позволяет сформулировать общие требования к перспективным ТКС.

Космический транспорт будущего, обеспечивая большой объем различных операций в космосе, должен располагать широкой номенклатурой транспортных средств. Основные требования к перспективным ТКС — низкие удельные затраты на транспортировку и экологическое совершенство. Целесообразно разделение перспективных ТКС на чисто грузовые и пилотируемые. На долю первых приходится основной грузопоток в космос, поэтому весьма важным показателем будет их производительность. Дополнительные требования к пилотируемым ТКС — комфортабельные условия полета и высокий уровень обеспечения безопасности.

Совершенствование ТКС в первую очередь должно проводиться в рамках тех направлений освоения космоса, которые уже сейчас приносят или будут приносить в ближайшем будущем немалую прибыль народному хозяйству. Это развитие космических информационных систем, организация опытно-промышленного производства в космосе, а также предоставление коммерческих услуг на международном космическом рынке. Рассмотрим существующие и перспективные ТКС применительно к этим задачам, включая операции выведения, межорбитальной транспортировки, снабжения орбитальных пилотируемых станций и обслуживания спутников-платформ.

КОММЕРЧЕСКИЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ

Традиционные одноразовые ракеты-носители — основное транспортное средство, обеспечивающее выведение полезной нагрузки в космос. Для запуска ИСЗ на высокие околоземные орбиты или выведения космических аппаратов на отлетные траектории к планетам ракеты-носители дооснащаются космическими разгонными блоками— как правило, универсального типа, т. е. пригодными для использования в сочетании с различными базовыми РН.

Сложившаяся инфраструктура транспортных космических средств была дополнена в 80-х годах многоразовым транспортным космическим кораблем «Спейс Шаттл». С вводом в эксплуатацию МТКК американские специалисты предполагали отказаться от производства и применения одноразовых РН. Однако существенно меньший, чем планировался, темп пусков МТКК «Спейс Шаттл» (25 за 6 лет вместо планируемых 40—60 в год) и большие затраты на один пуск (стоимость фрахта порядка 100—110 млн. долл.) при гораздо больших потребностях США в запусках КА привели к пересмотру первоначально намеченных планов. И хотя производство одноразовых ракет-носителей в США к тому времени стало сворачиваться, они за счет использования имеющегося задела продолжали эксплуатироваться параллельно с МТКК «Спейс Шаттл». За период 1981 — 1986 гг. на долю РН в программе космических запусков США пришлось более 75% пусков (90 из 115).

Катастрофа космического корабля «Челленджер» в январе 1986 г. столкнула США с острейшим дефицитом средств для доставки полезных нагрузок на орбиту. В этот период для запуска американских ИСЗ рассматривалась возможность использования западноевропейской РН «Ариан» и даже китайских ракет-носителей. НАСА вынуждено было с помощью контрактов на поставку РН заинтересовать ряд частных фирм продолжить производство одноразовых носителей на коммерческой основе. И теперь на МТКК предполагается выводить только такие типы полезных нагрузок, которые превышают грузоподъемность существующих американских РН или же требуют обслуживания на орбите или возвращения на Землю (например, спутники «Лакросс»; ИСЗ-платформы LDEF, комплекты оборудования «Спейслэб» для проведения экспериментов и пр.).

Следует отметить, что отечественная многоразовая система «Энергия — Буран», о которой пойдет речь в следующей главе, создавалась как паритет американской системе именно по этому новому важному качеству — возможности обслуживания и возвращения на Землю тяжелых крупногабаритных объектов, для чего в состав системы включен пилотируемый крылатый орбитальный корабль. Для выведения в космос полезных нагрузок у нас имеются дешевые одноразовые РН. Более того, с самого начала разработки было предусмотрено, что ракета-носитель «Энергия» в этой системе будет базовым изделием, построенным по модульному принципу. Это позволит ценой незначительных доработок создавать новые средства выведения различной грузоподъемности. Так, модульная часть блока первой ступени базовой РН уже прошла летные испытания и эксплуатируется в составе новой ракеты-носителя среднего класса.

Одноразовые РН благодаря хорошо освоенному производству, широкому спектру грузоподъемности и относительно низкой удельной стоимости выведения полезной нагрузки, по всей видимости, еще продолжительное «время будут оставаться основным средством запуска КА в космос. В связи с этим представляет интерес более подробно познакомиться с парком эксплуатируемых и разрабатываемых РН в различных странах и возможностями их использования для запуска КА на коммерческой основе.

Зарубежные коммерческие ракеты-носители. В США в качестве коммерческих РН в 90-е годы будут использоваться носители типа «Скаут», «Дельта», «Атлас», «Титан». РН «Скаут» относится к классу легких носителей. Она обеспечивает выведение полезной нагрузки массой 260 кг на круговую орбиту высотой 500 км. Стоимость пуска 8—9 млн. долл. Ее использование предусматривается до 1995 г. В плане дальнейшего совершенствования предполагается поднять грузоподъемность РН вдвое при «ожидаемой стоимости пуска 11 —12 млн. долл.

РН «Дельта» принадлежит к классу носителей средней грузоподъемности. Производство ее было возобновлено фирмой «Макдоннелл Дуглас» из-за срыва программы пусков МТКК. Для коммерческого рынка предполагаются две модификации РН «Дельта» в сочетании с разгонным блоком РАМ-Д, которые выводят на переходную к геостационарной орбиту* полезные нагрузки массой 1270 и 1820 кг соответственно. Фирма может поставлять до 14 носителей в год. Стоимость пуска РН «Дельта» составляет 40 млн. долл.

* Орбита с высотой перигея 200—400 км и высотой апогея 36 000 км, с которой ИСЗ с помощью бортового двигателя переводится на геостационарную орбиту.

Рис. 1. Зарубежные коммерческие ракеты-носители

РН «Атлас» средней грузоподъемности хорошо известна как носитель, с помощью которого был совершен первый в США пилотируемый полет в космос. Наиболее широко используемый вариант РН с криогенной второй ступенью «Центавр» обеспечивает выведение на переходную к геостационарной орбиту полезной нагрузки, массой 2350 кг. Именно этот вариант фирма-изготовитель «Дженерал Дайнемик» представляет на коммерческий рынок с возможностью осуществления 5—15 пусков в год при стоимости пуска порядка 55—60 млн. долл.

В классе РН «Титан» фирма-изготовитель «Мартин — Мариетта» предлагает для коммерческих целей две модификации: «Титан-III» и «Титан-IV», которые выводят на низкую околоземную орбиту полезные нагрузки массой 15,4 и 17,7т соответственно. Для запуска полезных нагрузок на высокоэллиптические орбиты носители могут применяться с различными разгонными блоками. РН «Титан-IV» (известная под названием «Титан-34Д7») в сочетании с разгонной ступенью «Центавр» может выводить на геостационарную орбиту спутники массой, до 4,5 т. Предполагается, что в середине 90-х годов темп запусков этой РН может быть доведен до 8 в год. Стоимость пуска коммерческих РН «Титан» составляет 80—-120 млн. долл.

Основа транспортных космических средств Западной Европы — семейство РН «Ариан», создаваемое и эксплуатируемое коммерческой компанией «Арианспейс», входящей в состав Европейского коммерческого агентства (ЕКА).

К настоящему времени создано четыре модели РН «Ариан», которые обеспечивают возможность выведения на геостационарную орбиту спутников массой от 0,9 до 2,5 т. Запуски осуществляются с космодрома Куру (Французская Гвиана), расположенного на побережье Атлантического океана на 5° севернее экватора, что дает значительный энергетический выигрыш при выводе геостационарных спутников и открывает широкие возможности для запуска спутников в северном направлении (на солнечно-синхронные орбиты). В начале 90-х годов в основном будет эксплуатироваться последняя модель РН «Ариан-4». С вводом второго стартового комплекса на полигоне Куру можно будет осуществлять в год до 10 запусков. Ориентировочная стоимость пуска от 60 до 70 млн. долл.

С 1996 г. должна начаться эксплуатация РН «Ариан-5». В трехступенчатом варианте она будет обеспечивать запуск на геостационарную орбиту спутников массой до 5,9т, в двухступенчатом варианте — выведение на низкую орбиту пилотируемого космического корабля «Гермес» массой до 20 т. Разработка этого носителя отражает стремление сохранить в перспективе конкурентоспособность в борьбе за коммерческие пуски в связи с наметившейся тенденцией к увеличению массы геостационарных ИСЗ. Кроме того, РН «Ариан-5» позволит проводить пилотируемые запуски, что обеспечит определенную независимость Западной Европы в космических программах.

Основным носителем Японии для запуска ИСЗ в 90-е годы станет РН Н-2 (первый полет планируется в 1992 г., должно быть выведено на геостационарную орбиту 2 т полезной нагрузки). Конкуренции со стороны японских РН можно ожидать не раньше 1995 г.

Активизирует свою коммерческую деятельность в области запуска спутников Китай, который располагает семейством РН, известных под названием «Великий поход». Для коммерческих целей разработаны проекты нескольких модификаций РН, позволяющих выводить на переходную к геостационарной орбиту полезные нагрузки массой от 2,5 до 4 т. Зарубежных потребителей привлекают сравнительная дешевизна китайских РН и страховые тарифы, установленные ниже международных.

Рис. 2. Советские ракеты-носители «Союз» и «Протон»

Советские коммерческие ракеты-носители. Большими возможностями по запуску ИСЗ на коммерческой основе располагает Советский Союз. Многообразие типов созданных РН в широком диапазоне грузоподъемности, а также длительный опыт их эксплуатации гарантируют надежное выведение в космос практически любого из числа изготовленных или разрабатываемых в настоящее время аппаратов научного и прикладного значения.

В состав эксплуатируемого парка коммерческих ракет-носителей входят:

трехступенчатая РН «Циклон» (выводит 4 т на круговую орбиту высотой 200 км);

трехступенчатая РН «Восток» (выводит 1,84 т на солнечно-синхронную орбиту высокой 920 км);

трехступенчатая РН «Союз» (обеспечивает выведение 7т на круговую орбиту высотой 200 км);

четырехступенчатая РН «Молния» (выводит 1,5 т на высокоэллиптическую орбиту с апогеем 36 000 км);

двухступенчатая РН «Зенит» (выводит 12 т на круговую полярную орбиту высотой 200 км);

трехступенчатая РН «Протон» (выводит на низкую околоземную орбиту 21 т, с разгонным блоком Д на геостационарную орбиту — 2,2 т и на отлетные траектории к Луне — 5,7 т, к Венере — 5,3 т, к Марсу — 4,6 т).

С помощью носителей «Восток», «Союз», «Молния» осуществлены запуски нескольких поколений космических аппаратов — от первых спутников и межпланетных станций до современных пилотируемых и грузовых транспортных кораблей.

На РН «Протон» возложена реализация программ исследования космического пространства и планет с помощью тяжелых автоматических аппаратов, запуск геостационарных спутников связи, выведение на околоземную орбиту базовых и специализированных модулей космических станций.

РН «Зенит» — носитель нового поколения на нетоксичных компонентах топлива. Технологический процесс подготовки РН и ее пуска полностью автоматизирован. Предназначена эта ракета для запуска автоматических КД на низкие и средние высоты, а при использовании РБ типа блока Д для РН «Протон» может обеспечить запуск спутников на геостационарную орбиту и выведение КА на отлетные траектории.

Все ракеты-носители обладают большой надежностью и высокими техническими характеристиками. По темпу пусков в год они превосходят зарубежные РН и имеют более низкую стоимость пуска.

Парк эксплуатируемых советских РН дополняется транспортными кораблями для снабжения орбитальных станций:

пилотируемым кораблем «Союз», обеспечивающим смену экипажа станции или доставку экспедиции посещения в составе 2—3 человек;

грузовым кораблем «Прогресс», обеспечивающим доставку на станцию полезного груза массой 2,3 т, в том числе компонентов дозаправки до 1 т.

Таким образом, уже сейчас существующий в мире парк коммерческих РН обеспечивает решение широкого круга задач по запуску перспективных КА. Какие же сложились отношения на международном рынке ракет-носителей?

Основной объем запусков ИСЗ на коммерческой основе в настоящее время осуществляется западноевропейской компанией «Арианспейс». Суммарная стоимость контрактов, заключенных компанией с владельцами ИСЗ, превысила 2 млрд. долл. Конкуренцию со стороны американских коммерческих РН на международном рынке можно ожидать не ранее середины 90-х годов, так как они требуются прежде всего в самих США для погашения задолженности по выведению полезных нагрузок на орбиту. Эта задолженность образовалась в результате более чем двухлетнего перерыва в полетах МТКК после катастрофы «Челленджера». Несмотря на развернутую КНР рекламу, спрос на китайские коммерческие РН пока невелик из-за неуверенности потенциальных потребителей в их надежности и недостаточности энергетических характеристик китайских РН для некоторых полезных нагрузок.

Препятствием к широкой международной кооперации по коммерческому использованию советских РН выступают недобрых времен ограничения Координационного комитета по контролю над экспортом в социалистические страны (КОКОМ). В частности, экспортные ограничения, запрещающие провозить на территорию СССР зарубежные спутники даже в запломбированном виде, задерживают реализацию контракта на запуск американского спутника связи советским носителем «Протон». Эти ограничения кажутся особенно наивными в отношении страны, лидирующей в области космических исследований. Новое политическое мышление требует и нового подхода к решению задач освоения космоса — на базе широкого международного сотрудничества на равноправных и взаимоприемлемых условиях.

В этой связи большой практический интерес представляет проект создания в Австралии (на мысе Йорк) международного космического порта для запуска спутников на коммерческой основе. Организованное для этих целей по инициативе частных фирм «Космическое агентство Кейп Йорк», которое пользуется поддержкой австралийского правительства, проводит предварительные исследования и изыскания, чтобы определить облик и обосновать целесообразность такого космопорта. Оно заинтересовано в привлечении к этим работам и других стран.

Мыс Йорк — идеальное место для строительства космодрома во многих отношениях. Расположение его вблизи от экватора (11° ю. ш.) существенно повышает грузоподъемность РН при выведении спутников на геостационарную орбиту, поскольку затраты на выход в плоскость этой орбиты, проходящей над экватором, при таком старте незначительны. Привлекательной стороной являются хорошие климатические условия, наличие дорог, удаленность от населенных пунктов и, что особенно важно для делового сотрудничества, политическая стабильность страны.

Проект делается в три этапа. На первом предусмотрены экономические исследования с анализом возможностей потенциальных потребителей. Этот этап практически завершен. Далее — технические проработки, и на конечном этапе — рабочее проектирование. Космопорт может включать несколько стартовых позиций для коммерческих РН различных стран. В перспективе предусмотрена эксплуатация и аэрокосмических систем с горизонтальным взлетом и посадкой для межконтинентальных полетов между Австралией и Европой или Америкой с целью скорейшей доставки пассажиров и грузов.

Проблемы эксплуатации РН. Если проследить развитие ракет-носителей, то можно отметить значительное повышение их характеристик за прошедший период — как по энергетике, так и по конструктивному совершенству. Заметно улучшились показатели надежности и стоимости. Но проблемы, связанные с использованием РН для запуска КА, продолжают оставаться. Некоторые из них приобретают актуальное значение только сейчас в связи с новыми требованиями по экологии или изменившимися условиями эксплуатации носителей.

Одна из таких проблем — предотвращение засорения околоземного космоса. С этой целью целесообразно предусмотреть доработку конструкции верхних ступеней РН и разгонных блоков, чтобы исключить отделение от них в космосе элементов типа переходников, пироболтов, пружинных толкателей и не допустить самопроизвольных взрывов ступеней на орбите, приводящих к образованию большого числа мелких фрагментов космического «мусора».

Другая проблема — сокращение зон отчуждения для падения отделяющихся частей РН по трассам пусков. В первую очередь эта проблема касается нашей страны, так как большинство трасс пусков отечественных РН проходит по сухопутной территории и требует отчуждения земель. Как правило, под районы падения отводятся бросовые земли (пустыни, солончаки, болота), но попадает туда и часть сельскохозяйственных угодий (пастбища, сенокосы и пр.). Особо остро проблема встает в связи с переходом сельхозпредприятий на хозрасчет и введением налога на землю. В качестве возможных мероприятий по сокращению районов падения можно рассматривать управляемый спуск отработавшей первой ступени с целью уменьшения разброса при ее падении и пространственный маневр второй ступени на участке выведения. Это позволяет обеспечить несколько азимутов пусков РН при сохранении одного района падения для первой ступени.

И конечно, продолжает оставаться главная проблема для коммерческих РН — дальнейшее снижение стоимости. Этот показатель при сохранении высокой эксплуатационной надежности РН является определяющим для частных фирм при заключении контрактов по запуску ИСЗ на коммерческой основе. Поэтому разработчики перспективных РН уже в проекте закладывают решения, направленные на снижение затрат, связанных с производством и эксплуатацией носителей. Так, американская компания «Дженерал Дайнемик» при проектировании тяжелой РН ALS для запуска на геостационарную или низкую околоземную орбиты полезных нагрузок в диапазоне масс 11,3÷72,6 т заложила ряд мероприятий (серийная стандартизация элементов носителя, упрощение конструкции двигателей, применение особо легких материалов, прогрессивных технологий, автоматизация производства и пр.), с помощью которых предполагает снизить на 30÷40 % стоимость изготовления РН и на 30—50 % стоимость ее пуска. Более рациональное направление— переход к ракетным ступеням многократного применения. В этом отношении новая отечественная РН «Энергия» может рассматриваться как базовая и в плане поэтапной отработки парашютно-реактивной схемы спасения блоков первой ступени. Нашли в ней конструктивное решение и многие вопросы, связанные с обеспечением надежности и безопасности полета РН.

«ЭНЕРГИЯ —БУРАН»

Система познается в сравнении. Запуск мощной ракеты-носителя «Энергия» (15.05.87 г.) и первый испытательный полет орбитального корабля многоразового использования «Буран» (15.11.88 г.)—важные этапы в развитии отечественной космонавтики. Они положили начало летной отработке новой универсальной ТКС, способной выводить на околоземную орбиту и возвращать на Землю полезные грузы больших масс и габаритов.

Внешне система напоминает «Спейс Шаттл». Это — двухступенчатая «пакетная» схема носителя с параллельной компоновкой ракетных ступеней и боковым размещением орбитального корабля. Возвращаемый корабль выполнен по самолетной схеме «бесхвостка» с низкорасположенным треугольным крылом переменной стреловидности. Такая компоновка системы и выбор схемы корабля продиктованы требованиями аэродинамики, прочности, защиты от нагрева, устойчивости и управляемости в полете. Но на этом, пожалуй, и заканчивается внешняя схожесть этих уникальных комплексов.

В отличие от МТКК «Спейс Шаттл» в транспортной системе «Энергия — Буран» маршевые двигатели второй ступени размещены не на корабле, а на ракетном блоке, т. е. носитель и корабль функционально разделены.

Вместо твердотопливных ускорителей первой ступени применяются унифицированные ракетные блоки, работающие на жидком кислороде и углеводородном горючем. На орбитальном корабле предусмотрена автоматическая система привода и посадки.

Рис 3. Универсальная ТКС «Энергия—Буран»

Принятые решения обеспечили отечественной системе ряд преимуществ по сравнению с МТКК «Спейс Шаттл». Вот некоторые из них:

универсальность системы по отношению к некоторым типам полезных нагрузок;

возможность выводить вместо орбитального корабля большие полезные грузы;

опережающая отработка ракеты-носителя;

повышение безопасности на участке полета первой ступени за счет возможности выключения аварийного двигателя;

возможность не рисковать пилотами на начальном этапе летных испытаний системы;

экологическая чистота компонентов топлива.

Универсальная ракетно-космическая система «Энергия — Буран» обладает рядом уникальных возможностей. В грузовом варианте (без орбитального корабля) она обеспечивает выведение на низкую околоземную орбиту полезного груза массой свыше 100 т, в пять раз превышая грузоподъемность эксплуатируемого в настоящее время тяжелого носителя «Протон». При создании специального разгонного блока масса полезной нагрузки, выводимой системой на геостационарную орбиту, составит 18 т, при отлете к Луне — 32 т, Марсу и Венере—28 т.

В орбитальном корабле «Буран», грузовой отсек которого под стать железнодорожному вагону, система может вывести на околоземную орбиту полезный груз массой до 30 т и вернуть на Землю объект, эквивалентный по массе и габаритам базовому блоку станции «Мир».

При планируемой численности экипажа 2—4 человека в корабле можно разместить еще несколько специалистов для проведения различных работ на орбите. Длительность автономного полета корабля на первом этапе составит не более 7 сут, а в дальнейшем будет доведена до 30 сут.

Схема выведения орбитального корабля предусматривает отделение второй ступени ракеты-носителя после набора суборбитальной скорости. Эта ступень приводняется в акватории Тихого океана, тем самым исключается засорение космоса крупногабаритными фрагментами отработавших ступеней. Дополнительный разгон корабля до орбитальной скорости осуществляется его собственной двигательной установкой. «Буран» может совершать орбитальные переходы за счет бортового запаса топлива, а при спуске с орбиты — аэродинамический боковой маневр дальностью до 2000 км. Посадка — «по-самолетному». На космодроме Байконур для этой цели создан специальный аэродром с уникальной посадочной полосой твердого покрытия около 5 км длиной и 80 м шириной.

С целью снижения эксплуатационных затрат предусмотрена возможность оснащения блоков первой ступени системами спасения для повторного использования блоков после возвращения и восстановления.

Проблемы разработки. На пути создания системы «Энергия — Буран» стояли сложные научно-технические проблемы.

Для мощной РН «Энергия» потребовалось высокоэнергетическое ракетное топливо, в частности, в качестве горючего на второй ступени — жидкий водород. Были использованы новые конструкции и теплоизоляционные материалы, работающие при температуре до —255° С, освоена технология изготовления крупногабаритных топливных баков с применением электронно-лучевой и импульсно-дуговой сварки, решена проблема их транспортировки на тяжелом самолете с завода-изготовителя на полигон.

Реализована программа создания и отработки для носителя высоконадежных, многоресурсных маршевых двигателей: самого мощного в мире двигателя на кислороде и углеводородном горючем для первой ступени (тяга в пустоте 800 тс) и высокоэффективного кислородно-водородного двигателя для второй ступени (тяга в пустоте 200 тс).

Самым сложным было создание многоразовой теплозащиты и обеспечение автоматической посадки корабля. При спуске с орбиты из-за аэродинамического торможения в плотных слоях атмосферы отдельные участки внешней поверхности корабля нагреваются до 1600° С, в то время как температура металлической конструкции планера не должна превышать 150°С. Эта проблема решена за счет облицовки корабля теплозащитными плитками на основе супертонкого чистого кварцевого волокна. А наиболее теплонапряженные элементы конструкции изготовлены из нового композиционного углеродного материала. При этом технология нанесения теплозащитного покрытия строго сохраняет аэродинамические формы корабля, для чего 38 тыс. плиток покрытия изготавливались на станках по специально разработанным программам с учетом конкретного места каждой плитки на корпусе корабля.

Управление движением «Бурана» при возвращении с орбиты предусматривает спуск с осуществлением бокового маневра для выхода в зону аэродинамической посадки, предпосадочное маневрирование, привод корабля к посадочной полосе, полет по глиссаде и посадку. В процессе спуска и маневрирования строго контролируется текущая скорость корабля, которая должна быть достаточной для его прихода на аэродром. Бортовой вычислитель по радиосигналам наземных средств контроля рассчитывает отклонения реальной траектории от заданной и сам управляет движением корабля. Для реализации автоматической посадки потребовалось разработать сложное бортовое программное обеспечение и создать принципиально новые наземные радиотехнические системы посадки.

Большое внимание при разработке универсальной транспортной системы уделено надежности и безопасности. Предусмотрено резервирование основных жизненно важных систем и агрегатов, на носителе есть специальные средства аварийной защиты маршевых двигателей, обеспечивающие диагностику их состояния и своевременное отключение в случае аварии. При возникновении нештатной ситуации система может продолжать полет с одним выключенным двигателем первой или второй ступени. Выдержан основной принцип — устойчивость системы при двух отказах: один отказ — выполнение программы, два отказа — обеспечение безопасности экипажа.

Успешное начало летных испытаний системы «Энергия — Буран» стало возможным благодаря проведению большого объема наземной отработки, включая испытания на моделях и полноразмерных изделиях по аэрогазодинамике, теплообмену, прочности, огневые стендовые испытания двигателей и ракетных блоков, отработку на моделирующих стендах аппаратуры и программного обеспечения, что потребовало создания уникальной экспериментальной базы. Параллельно с отработкой на стендах для проверки работоспособности теплозащиты были проведены запуски на суборбитальные траектории малоразмерной модели орбитального корабля. А окончательная отработка режимов автоматической посадки проводилась на полноразмерном аналоге «Бурана», оснащенном четырьмя турбореактивными двигателями для самостоятельного взлета и посадки «по-самолетному». Результаты, полученные после первого испытательного полета «Бурана» в космосе и атмосфере продолжительностью более трех часов, превзошли все ожидания: отклонение программы по времени в момент останова корабля на полосе составило одну секунду, а отклонение корабля от оси полосы — всего 1,5 м.

Перспективы применения. Новые качества транспортной системы «Энергия — Буран», которые в полном объеме будут реализованы в ближайшем будущем, существенно расширят объем операций, проводимых в космосе.

В каких же направлениях целесообразно применять систему?

Использование штатного корабля «Буран» с обслуживающими системами и специалистами на борту позволит:

проводить летную отработку новых образцов космической техники и эксперименты в интересах науки и народного хозяйства, возвращая уникальную материальную часть и оборудование на Землю;

обслуживать на низких околоземных орбитах дорогостоящие спутники оптико-электронного и радиолокационного наблюдения, чтобы продлить срок их активного существования, а следовательно, сократить затраты на их изготовление;

осуществлять запуск уникальных объектов (например, крупного оптического телескопа, автоматического межпланетного комплекса) в режиме сопровождения, чтобы устранить возникшие неполадки и провести необходимую юстировку аппаратуры или возвратить эти аппараты для ремонта на Землю;

участвовать в развертывании и снабжении перспективных тяжелых орбитальных станций и комплексов космического производства.

Как штатное средство выведения полезных нагрузок универсальная система применяется без орбитального корабля в составе ракеты-носителя «Энергия» и доразгонных блоков. В числе задач могут рассматриваться запуск на геостационарную орбиту тяжелых спутников-ретрансляторов, оснащенных крупногабаритными приемными и передающими антеннами, выведение базовых блоков орбитальной станции нового поколения, отправка к Марсу автоматических научно-исследовательских: комплексов. В более отдаленной перспективе РН «Энергия» может использоваться в операциях сборки на орбите пилотируемого марсианского комплекса или для запуска грузовых модулей к Луне с целью организации лунной базы. Обсуждение этих проектов, в основе которых должно лежать международное сотрудничество, уже ведется на страницах отечественных и зарубежных газет и журналов.

Круг решаемых задач и масштабы применения системы будут расти по мере ее совершенствования и снижения эксплуатационных затрат за счет увеличения многоразовости использования элементов конструкции. Будет расти и прямая отдача при реализации перспективных космических проектов, предусматривающих использование системы «Энергия — Буран». Например, запуск, с помощью РН «Энергия» четырех связных ИСЗ-платформ на геостационарную орбиту (каждая массой до 18 т) позволит одновременно обслужить 480 тыс. абонентов, т. е. по существу решит проблему дополнительных магистральных линий. Но уже сейчас большая часть затрат на разработку системы «Энергия — Буран» может окупиться при внедрении в народное хозяйство достижений в области новых технологий, материалов, приборостроения, программного обеспечения, испытательного оборудования, которые были получены при создании этого комплекса.

Вклад в народное хозяйство. В разработке системы принимала участие обширная кооперация отраслевых и академических институтов, конструкторских бюро, заводов, строительных организаций. Полученный опыт и большой научно-технический задел — мощный потенциал для развития не только космической и авиационной техники, но и других отраслей промышленности. Многие разработки уже опробованы и освоены или осваиваются в народном хозяйстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно беглого обзора основных достижений и областей их применения.

Разработано и освоено в производстве несколько десятков новых материалов, в числе которых: криогенные пенопласты — для теплоизоляции в строительстве емкостей и трубопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера; композиционные углеродные материалы— в медицине (травматология и ортопедия), для изготовления спортинвентаря; нетоксичные герметики — в радиоэлектронной промышленности и приборостроении; высокопрочные свариваемые стали — в тяжелом машиностроении для снижения массы грузоподъемного оборудования.

Созданные по «буранному» заказу негорючие стеклопластики начинают использоваться для отделки вагонов метрополитена, а высокопрочная керамика — в деталях «земной» водозапорной арматуры.

Широкое применение находят прогрессивные технологии: плазменное напыление защитных покрытий (в приборостроении), вакуумная и дуговая металлургия (для оборудования пищевой промышленности), электронно-лучевая сварка (в машиностроении), упрочнение быстрорежущей стали электроимпульсной обработкой (в инструментальной промышленности).

Целесообразно внедрять в другие отрасли народного хозяйства методы отработки и отладки программного обеспечения, эффективные средства автоматической диагностики и неразрушающего контроля, методы испытаний сложных технических систем, а также использовать созданный в процессе разработки системы «Энергия— Буран» богатейший фонд пакетов программ для автоматизированного проектирования.

Уникальными возможностями располагает созданная для отработки системы наземная экспериментальная база.

Несомненно, большую практическую пользу принесут работы по оснащению авиации средствами автоматической всепогодной посадки и применение на перспективных транспортных средствах высокоэффективного, экологически чистого водородного топлива. Но уже сегодня могут найти применение разработанные для «Бурана» электрохимические модульные генераторы на экологически чистых компонентах топлива (водород — кислород). А на основе методов нейтрализации выхлопных газов в аэродинамических установках проводятся успешные эксперименты по обеспечению экологической чистоты атмосферных выбросов на тепловых станциях и металлургических заводах.

Таким образом, достижения, полученные при разработке системы «Энергия — Буран», могут оказать существенное влияние на развитие многих отраслей народного хозяйства. Испытания многоразовой космической системы продолжаются, но она уже начинает давать отдачу.

ПРОЕКТЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МНОГОРАЗОВЫХ ТКС

В поисках облика ТКС будущего. Исследование концепции многоразовости в ракетно-космической технике показывает, что эффект от ее внедрения на ТКС можно ожидать только при распространении принципа многоразовости и на выводимую полезную нагрузку. Космические аппараты, как правило, по стоимости изготовления соизмеримы или в несколько раз превосходят одноразовые средства выведения. Продление срока службы КА за счет их обслуживания на орбите или возвращение КА на Землю с целью восстановления и повторного использования могут дать значительную экономию средств. Вот почему при создании многоразовых систем первого поколения типа «Энергия — Буран» и «Спейс Шаттл» многоразовость была внедрена в первую очередь на орбитальном корабле, способном обслужить и возвратить на Землю крупногабаритные тяжелые полезные нагрузки.

Было получено новое качество. Но совмещение задач выведения и возвращения полезной нагрузки, как это сделано на МТКК «Спейс Шаттл» (орбитальный корабль функционально завязан со второй ступенью РН и участвует в каждом пуске), не позволило снизить удельные затраты на выведение, поскольку необходимость запуска на орбиту (помимо полезной нагрузки) большой пассивной массы корабля ставит МТКК как средство выведения в неравные условия с одноразовой РН. В отечественной системе, как уже отмечалось, носитель и корабль функционально разделены и задачи выведения и возвращения могут решаться не в ущерб друг другу.

По всей видимости, переход на полностью многоразовые ТКС с совмещением транспортных задач станет возможным при значительно более высоком техническом уровне разработки, который позволит компенсировать дополнительные энергомассовые затраты, связанные с внедрением многоразовости.

Основные направления повышения технического уровня прежде всего включают работы в области совершенствования двигательных установок. Определенный задел по двигателям получен в процессе разработки многоразовых систем первого этапа. На примере двигателя орбитальной ступени американского МТКК можно отметить, что сейчас создаются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) с высоким удельным импульсом (отношение тяги двигателя к секундному расходу топлива) порядка 455 с, имеющие широкий диапазон регулирования тяги и рассчитанные на суммарный ресурс работы, исчисляемый десятками полетных ресурсов.

Совершенствование характеристик двигателей продолжается. С целью повышения надежности и безопасности эксплуатации внедрены системы контроля и диагностики работы двигателей, а для их управления стали использовать бортовые ЭВМ.

Проводятся исследования по новым типам высокоэффективных двигательных установок (ДУ), в частности, жидкостным ракетным ДУ, работающим на трех компонентах топлива, и комбинированным ДУ, объединяющим в едином агрегате ракетные и воздушно-реактивные двигатели (ВРД). В трехкомпонентной ДУ предполагается последовательно использовать с одним окислителем (кислородом) два горючих — углеводород и водород, чтобы совместно реализовать преимущества топлива с углеводородным горючим (высокая плотность массы топлива и низкая относительная масса ДУ) и преимущества топлива с водородом (высокий удельный импульс). Эффективность комбинированной ДУ, несмотря на ее большую массу, связана с тем, что ВРД имеют на порядок более высокий удельный импульс, чем ЖРД, и позволяют сократить запасы окислителя на борту ТКС за счет возможности использовать при полете в атмосфере воздух в качестве окислителя и рабочего вещества в двигателе.

Продолжаются работы по конструктивно-массовому совершенствованию ТКС за счет широкого внедрения композиционных материалов (по оценкам специалистов, композиционные детали на 25—30% легче алюминиевых) и новых типов перспективных конструкций, объединяющих функции силовой конструкции, теплозащиты и теплоизоляции. Следует отметить, что многоразовая плиточная теплозащита, применяемая на МТКК первого поколения, выдерживает достаточно высокую температуру нагрева, но ей присущ и ряд недостатков: хрупкость, способность поглощать влагу, трудоемкость при изготовлении и обслуживании. В этом отношении более привлекательными могут оказаться металлические теплозащитные системы с ограниченным использованием активного охлаждения. В таких системах тепло благодаря циркуляции теплоносителя отбирается от участков повышенного нагрева (например, передних кромок крыла космического корабля) и переносится к участкам поверхности с относительно низкой температурой, выполняющим роль радиаторов.

В области автоматических систем управления полетом в результате широкого внедрения быстродействующих бортовых ЭВМ с большой памятью стал возможным переход на активные системы управления. Применение таких систем за счет выработки на борту так называемых адаптивных программ позволяет уменьшить ветровые и аэродинамические нагрузки, действующие на ТКС в полете, снизить массу конструкции, повысить летные качества и улучшить управляемость, расширить область полетных режимов проектируемых изделий. В перспективе ожидается снижение массы бортовых кабельных сетей за счет внедрения оптических гибких волокон.

На основе математического программирования и применения быстродействующей вычислительной техники совершенствуются сами методы оптимального проектирования, которые в будущем смогут учитывать требования надежности, стохастическую природу внешних воздействий и нестационарность ограничений. Это позволит при проектировании перспективных ТКС уменьшить запасы по прочности, устойчивости, управляемости и тем самым облегчить их конструкцию.

Рассматривая зарубежные проекты перспективных многоразовых ТКС, можно выделить три основных направления их развития.

1. Создание частично или полностью многоразовых ТКС для доставки на околоземные орбиты тяжелых крупногабаритных полезных нагрузок (блоков орбитальной станции, спутников-платформ и пр.). В этом классе ТКС исследуются, как правило, двухступенчатые системы вертикального старта с баллистическими и крылатыми ступенями на базе ЖРД.

2. Разработка многоразовых малоразмерных ТКС оперативного применения для выведения небольших КА, смены экипажа и снабжения орбитальной станции, обслуживания автоматических ИСЗ на орбитах, проведения операций спасения и т. п. В ближайшей перспективе эти системы также рассматриваются в двухступенчатом варианте с вертикальным или горизонтальным стартом и самолетной посадкой. Преобладают ступени крылатой компоновки. В качестве маршевых двигателей наряду с ЖРД исследуются различные типы воздушно-ракетных двигателей.

3. Создание полностью многоразового одноступенчатого воздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой на базе многорежимной комбинированной двигательной установки. Эта универсальная транспортная система должна обеспечивать широкий круг операций в космосе. Космический самолет может осуществлять крейсерский полет в атмосфере с работающими двигателями, выход на орбиту, многократное погружение в атмосферу с изменением плоскости орбиты и т. д.

В рамках первого направления США продолжают работы по грузовой модификации современного варианта МТКК, получившего обозначение «Шаттл-С». Этот проект является альтернативой тяжелому носителю ALS.

«Шаттл-С» обеспечивает выведение на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки массой 68 т. Может быть разработан к середине 90-х годов. Напомним, что создание отечественной тяжелой РН «Энергия» грузоподъемностью свыше 100 т была предусмотрена заранее в рамках работ по комплексу «Энергия — Буран» благодаря принятой конструктивно-компоновочной схеме универсальной системы. В этом направлении СССР имеет опережающий задел.

Одновременно в США ведутся исследовательские и экспериментальные работы по определению облика ТКС, которая придет на смену МТКК «Спейс Шаттл». При выборе концепции создания такого транспортного аппарата США отдают предпочтение третьему направлению, которое ориентирует на резкое повышение технического уровня и переход на качественно новый тип универсальной многоразовой ТКС — одноступенчатый воздушно-космический самолет (ВКС).

Учитывая сложность проблем и неопределенность в достижении заявленных характеристик ВКС, американские специалисты прорабатывают также вариант усовершенствованного МТКК «Шаттл-2» на уровне технологии начала 90-х годов с возможностью введения в строй до конца эксплуатации «Спейс Шаттла» и интенсивного использования в период перехода к перспективному ВКС. «Шаттл-2» представляет собой полностью многоразовую экономичную двухступенчатую ТКС вертикального старта с пакетной компоновкой крылатых ступеней на базе ЖРД. По проектной оценке МТКК, «Шаттл-2» при стартовой массе 1000 т обеспечит вывод полезных грузов массой от 13,6 до 5,4 т на орбиты с диапазоном высот 277—500 км и наклонений 28,5—98°.

Параллельно с американским проектом ведутся проработки малоразмерных МТКК в других странах.

Франция в рамках Европейского космического агентства разрабатывает многоразовый крылатый космический корабль «Гермес», предназначенный для обслуживания орбитальных платформ и станций. При стартовой массе 20 т корабль будет обеспечивать доставку на орбиту 6 космонавтов и 3 т полезного груза. Запуск корабля должен осуществляться ракетой-носителем; «Ариан-5», посадка — «по-самолетному». Летные испытания предполагается начать в 1997—1998 гг.

ФРГ предложила проект двухступенчатого крылатого корабля «Зенгер» горизонтального взлета и посадки со стартовой массой 400 т. Корабль с экипажем из двух человек может доставить на орбиту до 4 т полезного-груза.

Англия разработала проект многоразового крылатого корабля «Хотол». Корабль стартует горизонтально с разгонной тележки. При стартовой массе 200 т полезная нагрузка составит 7—11 т.

Проекты «Зенгер» и «Хотол» не получили дальнейшего развития из-за отсутствия финансирования и скорее всего останутся на бумаге. Поэтому представляет интерес более подробно познакомиться с проблемами создания воздушно-космического самолета на примере работ США по программе НАСП.

Воздушно-космический самолет. В США разработке ВКС уделяется особое внимание. Работы ведутся в рамках Национальной программы, в которой участвуют такие крупные фирмы, как «Боинг», «Локхид», «Макдоннелл — Дуглас», «Мартин — Мариетта», «Рокуэлл» и др. Привлечение консорциума фирм к разработке планера и двигательной установки мотивируется стремлением использовать опыт, накопленный всеми фирмами, для достижения высокого технического уровня разработки. Программа НАСП (аббревиатура английского «национальный аэрокосмический самолет») включает три этапа. Первый предусматривает разработку концепции ВКС с оценкой возможности ее реализации. На втором этапе предполагается спроектировать, изготовить и испытать на земле двигатель, основные элементы конструкции планера, а также ответственные узлы других систем. Третий этап — детальное проектирование аппарата, изготовление экспериментального образца ВКС под кодовым названием Х-30 и начало летных испытаний.

Концепция ВКС рассматривает возможность создания такого аппарата, который сочетал бы в себе свойства авиационной и ракетно-космической техники, взяв от первой способность взлетать с аэродрома и приземляться на них, многоразовое использование конструкции, оперативность запуска и простоту обслуживания, а от второй — скорость вплоть до космической и существенное возрастание высот полета, что позволит выходить на низкие околоземные орбиты и перемещаться в безвоздушном пространстве.

На базе экспериментального ВКС Х-30 в дальнейшем предполагается разработать штатный одноступенчатый МТКК класса «Земля — орбита» и трансконтинентальный гиперзвуковой пассажирский авиалайнер. Американские специалисты полагают, что реализация работ по этим направлениям на основе единого научно-технического задела приведет к высокой степени унификации обоих аппаратов.

По своим габаритам пилотируемый (двухместный) ВКС Х-30 примерно соответствует гражданскому самолету «Боинг-727». Максимальная масса полезной нагрузки не раскрыта, но предполагается, что она составит 5—10% от стартовой массы ВКС. Комбинированная многорежимная ДУ включает турборакетный ВРД (работает до скоростей полета, соответствующих числу Маха М = 3), прямоточный ВРД (до М = 6) и гиперзвуковой прямоточный ВРД (до М = 25). ЖРД, возможно, будет применяться на конечном участке выведения, но не станет главным компонентом конструкции, поскольку будет необходим только для орбитального маневрирования и схода с орбиты.

Главное достоинство турборакетного ВРД — незначительный расход топлива и создание высокого удельного импульса (порядка 2000 с). Прямоточный ВРД не содержит вращающихся деталей, работает при более высоких рабочих температурах и имеет соответственно более высокий удельный импульс (3000÷4000 с), но в связи с дозвуковым режимом горения ограничен скоростями полета. Применение сверхзвуковых режимов горения на гиперзвуковом прямоточном ВРД за счет неполного торможения воздуха в воздухозаборнике (в данном случае будет меньше повышаться температура) приводит к снижению удельного импульса, но существенно расширяет возможные скорости полета.

Разработка высокоэффективных ВРД для комбинированной ДУ требует решения ряда сложных научно-технических проблем, среди которых основное место занимают организация устойчивого сверхзвукового горения (горение при сверхзвуковой скорости движения частиц топлива в камере сгорания) и обеспечение надежного функционирования прямоточного ВРД в широком диапазоне чисел Маха. При сверхзвуковом горении скорость струи в камере ДУ лишь немногим меньше скорости самого самолета. Гореть в таких условиях может только жидкий водород. Подобрать рациональную форму внутреннего тракта ДУ с обеспечением ускоренного смешения воздушно-водородной смеси, выявить распределение давлений, температурных полей, напряжений — сложнейшая задача. Аналитическому, расчетному решению она не поддается. Необходим большой объем экспериментов в условиях, близких к реальной работе ДУ.

Имеющееся наземное испытательное оборудование и стенды, которые будут усовершенствованы в ближайшие годы, позволят американским специалистам провести экспериментальную оценку концепций двигателя при имитации летных режимов до числа М = 8. Поведение двигателя в диапазоне чисел M=8÷25 будет изучаться с помощью численного моделирования на ЭВМ. При выполнении подобных расчетов НАСА использует специальный вычислительный комплекс для имитации аэродинамических процессов, в котором объединены несколько супер-ЭВМ. А экспериментальную проверку и окончательную доводку конструкции на скоростных режимах предполагается провести непосредственно во время полетов Х-30. Комбинация компьютерного моделирования и летных испытаний, по мнению разработчиков, обойдется намного дешевле, чем строительство новых уникальных стендов на Земле.

Сложная задача — достичь высокой степени интеграции двигателей и конструкции ВКС. Собственно говоря, задачи конструирования планера и двигателей ВКС частично совпадают, так как четкой границы между ними нет — нижняя часть планера уже является верхней частью комбинированной ДУ, при этом головная часть корпуса выполняет функции элемента воздухозаборника, а хвостовая часть используется как сопло внешнего расширения для ВРД. При разработке планера ВКС, как и двигателей, проводятся макетирование, продувки моделей в аэродинамических трубах, компьютерное моделирование на больших скоростях полета, экспериментальная проверка и доводка на этапе летных испытаний X-30

Особое внимание уделяется проблеме материалов для ВКС. Исследуются возможности применения жаропрочных металлических, композиционных и керамических материалов многократного нагружеиия с высокой удельной прочностью.

Проблему теплозащиты и терморегулирования ВКС предполагается решить не только за счет применения новых материалов, но и за счет охлаждения жидким водородом особо «горячих» зон планера (например, носовой части фюзеляжа), а также отдельных элементов конструкции ДУ.

С целью выбора наиболее оптимальной и легкой конструкции ВКС на начальном этапе создания рассматривают несколько технических вариантов и приступают к разработке и испытаниям наиболее сложных элементов конструкции еще до принятия решения по окончательному варианту аппарата.

Создание воздушно-космического самолета позволит перейти на качественно новый уровень ТКС, обслуживающих трассу «Земля — орбита ИСЗ — Земля». А каковы перспективы развития межорбитальных транспортных средств?

Межорбитальные транспортные аппараты (МTA). Основные требования к перспективным МТА направлены на повышение эффективности их использования в операциях транспортно-технического обслуживания и связаны с переходом к многоразовым одноступенчатым вариантам космических буксиров на базе высокоэнергетических двигателей. В качестве таких двигателей рассматриваются ЖРД, ядерные и электрические ракетные двигатели (ЯРД, ЭРД).

При достигнутом в мировой практике уровне конструктивного совершенства одноступенчатые МТА на базе ЖРД могут проводить двухсторонние транспортные операции (с возвращением МТА на низкую орбиту) до орбит высотой порядка 10—20 тыс. км. Двухсторонние полеты МТА на химическом топливе на более высокие орбиты ИСЗ, включая геостационарную, возможны лишь с использованием многоступенчатых конструкций (например, вариант модульного построения топливного отсека, допускающего сброс части баков с отработанным в полете топливом).

Пути дальнейшего совершенствования МТА с ЖРД специалисты видят в переходе на космическое базирование, когда орбитальная станция становится базой для операций сборки, заправки и межполетного обслуживания МТА. В этом варианте появляется возможность выводить баковые отсеки МТА на орбиту пустыми с последующей сборкой и заправкой их компонентами топлива на базе станции. Это снижает нагрузки, действующие на них при выведении, и соответственно массу конструкции МТА. Кроме того, за счет возможности сборки снимаются и габаритно-массовые ограничения, накладываемые на МТА со стороны средств выведения.

Рассматриваются также проекты МТА космического базирования, предусматривающие возможность аэродинамического торможения аппарата при возвращении с высоких орбит на низкие за счет одного или нескольких погружений в верхние слои атмосферы. Для этой цели аппарат оснащается специальным аэродинамическим экраном. Аэродинамическое торможение позволяет увеличить массу полезной нагрузки (без дополнительных затрат топлива) или же совершить маневр для изменения наклонения плоскости орбиты.

Многоразовые буксиры на химическом топливе будут использоваться для межорбитальной транспортировки КА и космонавтов, в операциях сборки и обслуживания орбитальных платформ и других объектов.

Переход на использование ЯРД расширит энергетические возможности МТА. Максимальный удельный импульс твердофазного ЯРД может составить 900 с, что вдвое больше, чем у лучших современных ЖРД. Однако выгоды, получаемые от увеличения удельного импульса, снижаются из-за возрастания массы конструкции МТА на базе ЯРД, что обусловлено наличием ядерного реактора, радиационной защиты экипажа (в случае пилотируемого варианта), полезной нагрузки и, наконец, массивного теплоизолированного бака, содержащего запас жидкого водорода. Из условий безопасности и конструктивного совершенства более предпочтителен грузовой вариант МТА с ЯРД, который может применяться для доставки тяжелых полезных грузов на геостационарную орбиту и в транспортных операциях по трассе «околоземная орбита — Луна».

Особый интерес представляет использование МТА на базе ЭРД, в котором рабочее вещество (плазма) получает ускорение в электромагнитном поле. В состав подобной ДУ, помимо ЭРД, входят источник энергии (ядерный реактор или солнечная батарея), система преобразования энергии, система хранения и подачи рабочего вещества, холодильник-излучатель. Благодаря разделению в ДУ источника энергии и рабочего вещества, а также возможности подводить большое количество энергии к малой массе вещества можно получить большую, чем на порядок, величину удельного импульса по сравнению с удельными импульсами ЖРД и ЯРД. Электроракетная ДУ характеризуется высокой экономичностью расходования массы рабочего вещества, запасенной на борту МТА, причем для каждого космического полета существует оптимальное значение эффективной скорости истечения.

Низкое значение тяги и достаточно большая масса-конструкции ЭРД ограничивают начальное ускорение такого МТА величинами 10^-2—10^-4 м/с², а время полета составляет десятки и сотни суток. Поэтому МТА на базе ЭРД целесообразно использовать при полетах, требующих относительно больших энергетических затрат и нелимитированных по времени — например, для транспортировки с низкой околоземной орбиты на геостационарную тяжелых крупногабаритных конструкций с ограниченным уровнем допускаемых перегрузок. По оценкам специалистов, применение ЭРД на МТА, обслуживающем геостационарную орбиту, позволяет повысить массовую отдачу аппарата по полезной нагрузке до 70% против 25% у МТА с ЖРД (при временах полета, соответственно 170 и 7 сут).

Рис. 4. Одна из возможных компоновок МТА с ЭЯРД: 1 — энергетический модуль с ядерным реактором; 2 — ионные двигатели; 3 — полезная нагрузка

К настоящему времени уже накоплен большой опыт создания и отработки ЭРД. В нашей стране ЭРД успешно применялись как исполнительные органы системы ориентации на автоматической межпланетной станции «Зонд-2», в качестве корректирующей ДУ на спутниках «Метеор» и «Метеор — Природа». Испытания ЭРД проводились также в США. Эксперименты и летная эксплуатация подтвердили работоспособность основных элементов ДУ с ЭРД в космических условиях, но показали необходимость дальнейших работ в части совершенствования их конструкций. Особенно важной и сложной конструкторско-технологической проблемой здесь является обеспечение требуемого ресурса двигателя.

ТКС на базе лазерных двигателей. Следующим шагом в развитии ТКС для больших грузопотоков с Земли на орбиту ИСЗ и межорбитальных перевозок может стать система с подводом энергии от внешних источников (например, подвод энергии к ТКС по лазерному лучу от наземного источника).

К открытию принципа действия лазерных реактивных двигателей почти одновременно пришли советские и американские специалисты. В 1965 г. советский ученый профессор Ю. П. Райзер теоретически объяснил одно любопытное явление, случайно обнаруженное в опытах. Если сконцентрировать мощный поток лазерного излучения в небольшом объеме, то находящийся в нем воздух или газ нагревается до высоких температур с образованием плазмы и происходит пробой, своего рода микровзрыв. Возникает ударная сверхзвуковая волна, распространяющаяся навстречу лазерному лучу, при этом появляется и реакция отдачи, т. е. реактивная сила. Одновременно выяснилось, что лазер может работать в импульсном режиме, что позволяет снизить его среднюю мощность. Так родилась идея лазерного ВРД, который горючее «черпает» из атмосферы, а энергию получает по лазерному лучу. Если же на борту ТКС разместить бак с жидким водородом, то систему можно разгонять и в космосе.

В 1972 г. американский ученый А. Кантровиц предложил осуществлять запуск КА с помощью энергии лазерного луча. Он рассмотрел работу лазерной установки для вывода на орбиту капсулы массой несколько десятков килограммов с перегрузками 5—6 единиц. Установка должна попеременно выдавать импульсы двух типов, первый из которых обеспечит испарение заданной порции рабочего вещества (льда, нанесенного на дно капсулы), а второй — более мощный — разогрев образующихся газов до заданной температуры.

Полет ТКС с лазерным двигателем должен происходить по заранее запрограммированной траектории, а необходимая ориентация передатчика и приемника энергии достигается системой слежения с обратной связью. Предварительные расчеты показывают, что для систем выведения с грузоподъемностью, соответствующей массе современных КА (до 10 т), потребуется создание сверхмощных лазеров «гигаваттного» класса (порядка 10 ГВт), что соизмеримо с общей мощностью источников энергии США. Переход на такой способ выведения КА относится к отдаленной перспективе и связан с решением большого комплекса новых проблем. Проекты ТКС на базе лазерных двигателей еще ждут конкретных технических проработок.

МАРСИАНСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ: МЕЧТА И РЕАЛЬНОСТЬ

Идея посылки экспедиции на Марс не нова. В конце 60-х годов американские специалисты под впечатлением успехов программы «Аполлон» разработали план нового-штурма космоса — пилотируемого полета на Марс. Проект предусматривал использование ядерного ракетного двигателя «Нерва», испытания которого проводились в пустыне штата Невада. Но по ряду причин (дороговизна, ограниченные возможности техники, кризис в стране из-за войны во Вьетнаме) проект был снят с рассмотрения, а работы по двигателю «Нерва» прекращены.

За прошедшее время многое изменилось. В связи с новыми достижениями космонавтики неоднократно подвергалась техническому пересмотру и концепция марсианской экспедиции. Осталась неизменной только сама мечта полета на Марс. Почему именно на Марс?

Загадочная планета. С давних времен с планетой Марс связывалась возможность существования жизни на ней, и потому отдельные данные астрономических наблюдений, не до конца выясненные по своей природе, истолковывались в пользу этой гипотезы. Так было со знаменитыми марсианскими «каналами». Утверждалось, что эти каналы созданы искусственно. А регулярное (с наступлением весны) потемнение областей от полюсов к экватору связывали с растительным покровом, якобы появляющимся в этот период под влиянием тепла и влаги. Обнаруженная в недавнем прошлом аномалия в движении марсианских спутников Фобоса и Деймоса также первоначально породила предположение об их возможном искусственном происхождении, высказанное советским астрофизиком И. С. Шкловским. В начале 60-х годов идея проверки этой гипотезы захватила известного ученого и конструктора ракетно-космической техники С. П. Королева, который полагал, что «...если на Марсе была цивилизация, то вовсе не обязательно, чтобы ее развитие шло так же, как и нашей земной. Разве не захватывающая перспектива — познать эти пути развития?»

Посылка советских и американских автоматических межпланетных станций «Марс» и «Маринер» во многом прояснила эти загадки. Теперь по фотоснимкам, полученным с автоматических станций, мы убедились, что спутники Фобос и Деймос природного происхождения. Поверхность Марса оказалась отчасти похожей на лунную: пустынные равнины, вулканические зоны, множество кольцеобразных гор-кратеров, а также горные хребты и ущелья. Нет только каналов. Обработка марсианских фотографий показала хорошую сходимость линий каналов со скоплением кратеров, расположенных на одной прямой, и зонами тектонических разрушений, чем и объясняется, по всей видимости, эффект их восприятия. Выяснилось, что полярные шапки в основном состоят из сухого льда — замерзшей углекислоты, хотя включают в свой состав и некоторое количество обычного льда. Весной при таянии полярных шапок в атмосферу выбрасываются огромные массы углекислого газа. Формируются сильные ветры, сопровождаемые пылевыми бурями.

Однако имеются все указания на то, что в прошлом атмосфера Марса была более плотной, климат теплее, а на поверхности существовала вода в жидком состоянии. Особое внимание исследователей в этом направлении привлекают формы марсианского рельефа, напоминающие земные речные долины. Поэтому нельзя исключить, что на планете, если не теперь, то в прошлом, существовали простейшие формы жизни. История климата и геологии Марса, вопросы наличия воды и биосферы (хотя бы ископаемой), исследования магнитного поля продолжают интересовать ученых, которые вправе рассчитывать, что многие открытия, ждущие нас на Марсе, будут иметь прямое отношение к открытиям на нашей планете.

Предпосылки и проблемы экспедиции. Нет сомнения, что исследование Марса внесло бы огромный вклад в развитие ряда фундаментальных наук, а организация марсианской экспедиции способствовала бы разработке новых технологий в области космической и вычислительной техники, энергетики, приборостроения, экологических систем и т. д.

Не менее важен и политический аспект этой программы. Идея совместного полета на Марс, высказанная советскими и американскими специалистами и общественными деятелями, рассматривается как альтернатива дальнейшей гонке вооружений в космосе. По затратам на свою реализацию она требует намного меньше средств (в 2—3 раза), чем требуется США на завершение первой стадии работ по стратегической оборонной инициативе (СОИ). Совместное осуществление этой программы специалистами СССР, США и, возможно, других стран принесло бы результаты, которые трудно переоценить с точки зрения улучшения политического климата планеты, взаимного доверия и развития международного сотрудничества.

Что касается технических предпосылок для осуществления марсианской экспедиции, то можно отметить, что в СССР и США накоплен значительный опыт длительных полетов человека в космосе, созданы мощные ракеты-носители и суперкомпьютеры, осуществлена высадка человека на Луну и посадка автоматических аппаратов на Марс и Венеру, освоена сборка на околоземной орбите сложных крупногабаритных комплексов. Совокупный научно-технический потенциал этих стран позволяет говорить о реальной возможности организации пилотируемой экспедиции на Марс в период 2005— 2015 гг. И все же еще остается много нерешенных проблем, в том числе и в области транспортно-технического обеспечения экспедиции.

Прежде всего для марсианского комплекса требуется создание высокоэнергетических маршевых ДУ с высоким уровнем надежности, большими запасами по ресурсу, многократности запуска, сроку службы, а также с обеспечением продолжительного (2—3 года) хранения топлива на борту комплекса в космических условиях. В качестве возможных типов маршевых двигателей рассматриваются ЖРД, ЯРД и ядерные ЭРД.

В связи с длительностью прохождения радиосигналов из-за больших расстояний от Земли до корабля (задержка времени при радиообмене с Землей может достигать десятков минут) необходимо обеспечить максимальную автономность корабля и самостоятельность действий экипажа при различных нештатных ситуациях. Особое внимание следует уделять развитию в рамках программы надежных и простых в эксплуатации средств компьютерной поддержки действий экипажа, включая информационные системы и средства автоматизированного контроля и управления.

Опыт пилотируемых полетов на орбитальных станциях показал возможность человека адаптироваться к длительному (в течение года) воздействию невесомости, а по окончанию полета — к земной гравитации. Необходимо продолжить исследования в этом направлении, а также вести работы по созданию автономных замкнутых экологических систем длительного функционирования с собственными механизмами саморегулирования и самоуправления.

Более сложной, чем при полетах по околоземной орбите, представляется проблема обеспечения радиационной безопасности экипажа в столь длительном полете вне магнитного поля Земли. Предполагается иметь на марсианском корабле специально радиационное убежище, но оно не защищает экипаж от галактического космического излучения, за счет которого космонавты могут получить в полете почти максимально допустимую дозу облучения. Поэтому практически должны быть исключены дополнительные облучения (от бортового ядерного реактора, рентгеновских вспышек на Солнце) и сокращено время пребывания космонавтов на поверхности Марса в легком скафандре вне конструкции корабля.

Рис. 5 Схема марсианского экспедиционного комплекса: 1 — двигательная установка; 2 — кабина, возвращаемая на Землю; 3 — жилой блок; 4 — посадочный корабль

Защита от метеоритных частиц должна предусматривать специальный экран вокруг гермооболочки жилого блока марсианского корабля по аналогии с конструкцией орбитальных станций «Салют» и «Мир». Вероятность встречи с метеоритом такой массы, энергии которой хватило бы для пробоя экрана и гермооболочки, крайне мала. Но должно быть предусмотрено деление жилого блока на несколько герметичных отсеков и наличие у экипажа необходимых средств для ремонта оболочки при возникновении негерметичности.

В целом требования к надежности систем, обеспечивающих безопасность марсианской экспедиции, должны быть чрезвычайно высоки, поскольку здесь отсутствует возможность экстренного возвращения корабля на Землю, использование временных убежищ до прибытия аварийно-спасательных групп и т. д.

Возможные варианты полета на Марс. Существует несколько вариантов экспедиций на Марс, обусловленных конкретными задачами, схемами полетов, типами применяемых маршевых ДУ.

Марсианский экспедиционный комплекс (МЭК) состоит из четырех основных частей: двигательной установки для полета по межпланетным траекториям; жилого блока, включающего как собственно жилые отсеки, так и отсеки, где размещены средства обеспечения жизнедеятельности экипажа, аппаратура управления полетом, специальное радиационное убежище; марсианского посадочного аппарата и кабины-капсулы для возвращения экипажа на Землю. Экипаж предполагается в составе 4—б человек.

Рис. 6. Схема пилотируемой экспедиции на Марс

Типовая схема полета на Марс предусматривает разгон и перевод МЭК с околоземной орбиты на околосолнечную, пересекающую орбиту Марса. При сближении с Марсом в момент пересечения его орбиты МЭК переходит на орбиту искусственного спутника планеты и десантирует на поверхность Марса посадочный аппарат с частью экипажа. После выполнения программы работ на поверхности Марса космонавты возвращаются на его орбиту и переходят в МЭК, который уже без марсианского посадочного аппарата стартует к Земле. Перед подлетом к Земле экипаж размещается в кабине-капсуле, которая отделяется от МЭК и входит в земную атмосферу со второй космической скоростью, осуществляя аэродинамическое торможение с последующим спуском на парашютах.

Полет МЭК реализуется по траектории, обеспечивающей относительно небольшую длительность экспедиции (порядка двух лет, включая 2—3 месяца пребывания на Марсе или вблизи его), и должен предусматривать специальные «окна» для старта, с тем чтобы к моменту достижения экспедицией Марса Земля находилась по отношению к нему в фазе, близкой к противостоянию. Дополнительные преимущества этой схемы полета могут быть обеспечены при разгоне МЭК за счет гравитационного поля Венеры.

Габаритно-массовые характеристики МЭК существенным образом зависят от выбора типа маршевой ДУ. При использовании ЖРД на кислородно-водородном топливе начальная масса марсианского комплекса на околоземной орбите, как показывают оценочные расчеты, составит более 2500 т. Переход к ядерным ракетным двигателям с прямым преобразованием тепла ядерного реактора в энергию реактивной струи позволяет сократить расход рабочего тела — водорода — и тем самым снизить стартовую массу комплекса до 800—1000 т. Еще более лучшие результаты ожидаются при использовании ядерной электроракетной ДУ. Для такой ДУ потребный запас рабочего тела становится еще меньше, и начальная масса МЭК может составить 450—500 т.

Как видно из оценок стартовых масс МЭК на околоземной орбите, орбитальная сборка станет необходимым условием в любом варианте организации марсианской экспедиции. Естественно, более приемлемым с этой точки зрения является вариант МЭК на базе ядерного ЭРД. Применение мощной РН «Энергия» для доставки блоков МЭК на околоземную орбиту и многоразового корабля «Буран» для операций сборки и обслуживания комплекса может свести к минимуму потребное число стыковок на орбите по сравнению со сборкой МЭК на базе только одного МТКК «Спейс Шаттл».

Наряду с типовой схемой полета на Марс возможны и другие варианты посылки марсианской экспедиции. Представляют интерес варианты с минимальным временем полета. Для их реализации требуются более высокие энергетические затраты. Если в «ускоренном» варианте высадку экспедиции на поверхность Марса не предусматривать, то общая продолжительность полета в этом случае может быть ограничена одним годом. Примерно такая же длительность экспедиции (14 мес) с пребыванием на поверхности Марса в течение 4—6 недель может быть достигнута путем разделения функций транспортных кораблей: грузовой (с топливом для обратного полета к Земле и оборудованием для исследования Марса) направляется заранее по энергетически выгодной траектории, а потом пилотируемый — по «спринтерской» траектории. На околомарсианской орбите корабли стыкуются. Однако такая схема менее надежна и с этой точки зрения неприемлема на начальном этапе пилотируемых полетов на Марс.

Для организации транспортной связи с Марсом в более отдаленной перспективе специалисты рассматривают систему, основу которой составляет межпланетный корабль, обращающийся по циклической орбите вокруг Солнца и входящий периодически в окрестности Земли и Марса. Межпланетный корабль выполняет функции эскалатора, а связь между ним и космопортами (на околоземной орбите и околомарсианской) обеспечивают специальные транспортные корабли-такси, которые выполняют маневр отлета и стыковки с межпланетным кораблем в момент его появления, доставляя туда пассажиров и грузы и забирая прибывших, а потом возвращаются к своим планетам, осуществляя торможение в их атмосфере и переход на орбиты ожидания.

Марсианская программа. Перед экспедицией на Марс должно быть проведено основательное изучение этой планеты с помощью автоматических КА. Советская программа исследования Марса предусматривает несколько этапов.

На первом этапе (1991 —1996 гг.) предполагается отработать технику посадки на поверхность планеты, методы и средства отбора образцов грунта, получить детальное изображение участков поверхности планеты, данные по химическому составу грунта, распределению температуры и влаги, уровню подвижности газовой среды, провести магнитную и гравитационную съемку, т.е. собрать всю необходимую информацию для выбора места посадки будущей экспедиции с учетом требований безопасности и возможности последующего старта.

Предполагается запуск двух межпланетных автоматических аппаратов, каждый из которых включает: орбитальную станцию (искусственный спутник Марса) для длительных исследований планеты; спускаемый аппарат, несущий малый марсоход и аэростатный зонд, кассету с 10 малыми метеомаяками и зонды-пенетраторы, сбрасываемые на поверхность для исследования физико-химических свойств грунта.

С помощью орбитальной станции будут проводиться дистанционные исследования планеты, включая телевизионную съемку, инфракрасное и радиолокационное картирование, гамма-спектроскопию и др.

Аэростатный зонд будет перемещаться в атмосфере Марса на высоте 2—6 км в течение 6—10 дней (ночью садиться на поверхность). Обзорная телевизионная камера, установленная в гондоле аэростата, обеспечит разрешение снимков до 10 см.

Марсоход оборудуется грунтозаборным устройством и комплексом приборов для анализа грунта. Одна из главных технических проблем марсохода — это автономное адаптивное управление движением, поскольку «Земля» из-за большого времени обмена радиосигналами (20—30 мин) не сможет управлять движением марсохода, а будет определять только стратегию его работы, а сам робот — тактику ее проведения.

Главная цель второго этапа советской программы исследования Марса (1996—2005 гг.) —доставка на Землю образцов марсианского грунта.

Осуществляется одновременный запуск двух автономных аппаратов, один из которых станет спутником Марса, а другой совершит посадку на его поверхность, имея на борту большой марсоход и взлетный модуль. Марсоход собирает образцы на некотором расстоянии от места посадки и отобранные образцы складирует в контейнер. Контейнер с пробами автоматически загружается во взлетный модуль и доставляется на орбиту, где после стыковки с орбитальным аппаратом перегружается на борт возвращаемого к Земле модуля.

В качестве базового комплекса для осуществления марсианской программы предполагается использовать автоматические аппараты нового поколения типа «Фобос». Запуски КА будут проводиться РН «Протон» или новой РН «Энергия». Фактически второй этап исследования Марса — это генеральная репетиция организации марсианской экспедиции, но без экипажа.

Принять участие в советской программе исследования Марса изъявили желание специалисты и научные организации многих стран, в том числе и США. Прорабатывается вопрос о совместной работе советских КА первого этапа и американского аппарата «Марс обсервер», а также организации совместной наземной сети для приема данных с искусственных спутников Марса.

В дальнейшем может быть проведен обмен информацией и создан единый банк данных о Марсе.

Международная экспедиция на Марс и успешная реализация этого крупномасштабного проекта откроет новую эру в истории освоения человеком космоса.

НА ПУТИ В ДАЛЬНИЙ КОСМОС

За более чем 30-летний период развития практической космонавтики человек осуществил полет на Луну, многомесячные полеты на борту орбитальных станций, автоматические космические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 30 лет индустриализация околоземного космоса повлечет за собой создание экспериментальных спутниковых солнечных электростанций, сборочно-операционных центров на орбите, организацию исследовательской базы-форпоста на Луне, посылку первой экспедиции на Марс. В околоземном и долунном пространстве развернется сеть автоматических релейных спутников, которая практически превратит весь район между Землей и Луной в гигантскую антенную систему, способную следить за движением космических кораблей в Солнечной системе и даже за ее пределами. Это, естественно, будет способствовать дальнейшему проникновению человека в космос.

Энергетика межпланетных полетов. Чем дальше от Земли расположена планета, к которой отправляется транспортная космическая система, тем больше энергии требуется для такого путешествия. Существенное влияние на энергетику космической экспедиции оказывают время полета по замкнутому маршруту и масса полезного груза (корабля с космонавтами), возвращаемого к Земле. Чтобы вывести искусственный спутник Земли на низкую геоцентрическую орбиту (с учетом всех потерь), нужна скорость 9,3 км/с, а суммарные скорости для полета (с возвращением на орбиту Земли) к Венере или Марсу 12,5—18 км/с, к Меркурию или Юпитеру 25—45 км/с.

Существует вполне определенная связь между суммарной скоростью полета по замкнутому маршруту и удельным импульсом двигательной установки межпланетного корабля. Для полетов к Венере, Марсу, Меркурию и Юпитеру с относительной массой полезного труза 0,5 требуемая величина удельного импульса должна составлять от 4000 до 10000 с. Подобным импульсом обладают электроракетные двигатели. Это наиболее реальные высокоэнергетические ДУ малой тяги, применение которых эффективно при полетах с большими энергозатратами и нелимитированных по времени. Но для дальних полетов в космос крайне важен и фактор времени. Поэтому представляет интерес поиск перспективных высокоэнергетичных двигателей, обеспечивающих достаточную тяговооруженность, чтобы сократить время полета до приемлемых величин. К их числу относятся импульсные и прямоточные ядерные и термоядерные ракетные двигатели (ЯРД, ТЯРД).

Рассмотрим принципы действия этих двигателей и возможные проекты межпланетных кораблей на их основе.

Межпланетные корабли на базе импульсных ЯРД. Эти необычные двигатели представляют собой устройства, в которых тяга будет создаваться за счет энергии, полученной в результате взрывов большого числа ядерных зарядов сравнительно малой мощности. Заряды специальным устройством последовательно выбрасываются из корабля и подрываются за ним на расстоянии порядка десятков — сотен метров. Продукты взрыва в виде плазмы высокой плотности воздействуют на кормовую буферную плиту корабля, которая через специальные амортизаторы передает тяговые импульсы всему кораблю. Таким способом можно создать относительно приемлемые условия для экипажа ТКС.

Тяга может создаваться и за счет передачи кинетической энергии взрывов рабочему веществу. Для этой цели может использоваться как легко испаряющееся твердое вещество, наносимое на буферную плиту, так и специальные оболочки зарядов, наполненные водой, или же подаваемый из бака ТКС жидкий водород. Тягу двигателя в полете можно регулировать изменением подачи рабочего вещества в зону взрыва. По расчетам удельный импульс таких двигателей с использованием обычных ядерных зарядов (с делящимся веществом) составляет от 2500 с до 5000 с. Суммарное приращение скорости ТКС зависит от запаса ядерных зарядов на борту.

Несмотря на необычный принцип работы, импульсный ЯРД рассматривается как вполне реальное тяговое устройство. Его возможности оценивали в США при разработке в 60-х годах проекта космической ракеты «Орион», которую предполагалось использовать для доставки тяжелых грузов на поверхность Луны.

В настоящее время перспективу импульсных ЯРД связывают с использованием термоядерных зарядов, более эффективных, чем обычные ядерные. У термоядерных зарядов минимальная масса, а следовательно, мощность не ограничены требованиями критичности. В качестве детонатора взрыва предполагается применить лазерный луч. Удельный импульс пульсирующих ЯРД с термоядерными зарядами, согласно оценкам, составляет от 5000 до 10000 с.

Применение импульсных ЯРД позволит создать межпланетные ТКС в одноступенчатом многоразовом варирианте с относительной массой полезного груза не менее 20% и существенно повысить оперативность полетов в пределах Солнечной системы. Недостаток ТКС на базе импульсных ЯРД — засорение пространства радиоактивными осколками, образующимися при ядерном взрыве. Вот почему они и предлагаются для полетов вдали от Земли и оживленных космических трасс.

К дальним планетам на прямоточном термоядерном двигателе. Идея прямоточного ТЯРД заключена в использовании для термоядерного синтеза водорода, который захватывается из межпланетной среды вместе с потоком частиц, разгоняемых в двигателе.

Остановимся подробнее на описании межпланетного транспортного корабля на базе такого двигателя (оценка его характеристик проведена советскими специалистами Ю. И. Даниловым и В. П. Бурдаковым).

В передней части корабля по периметру довольно внушительного по размерам массозаборника (диаметр около 20 м и длина около 25 м) размещается сверхпроводящая катушка с током. Катушка охлаждается жидким гелием и предназначается для формирования впереди аппарата магнитного поля, фокусирующего набегающий поток межпланетной плазмы. Навстречу этому потоку направляется пучок ускоренных электронов или какого-либо другого излучения. Набегающий поток ионизируется излучением. Ионизированные частицы, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля, захватываются массозаборником. Фокусировка с помощью магнитного поля существенно увеличивает полезную площадь захвата внешней среды. Эффективный диаметр электромагнитного массозаборника может, по оценкам, достигать в перспективе нескольких сотен километров.

При плотности межпланетной среды порядка 10^-17 кг/м³ и скорости полета 100 км/с в такой массозаборник за 1 с поступает около 1 кг водорода, и если 75% поступившего водорода прореагирует в термоядерном устройстве, то выделение энергии составит 5·10¹¹ кДж/с. Следует сказать, что чрезвычайно удобное для использования в будущих промышленных термоядерных реакторах дейтерий-тритиевое топливо может оказаться малопригодным в ТЯРД, так как при сгорании этого топлива 80% энергии приходится на быстрые нейтроны, которые беспрепятственно покидают плазму, тем самым ограничивая величину удельного импульса, и вызывают нагрев конструкции ТЯРД. Более удобна, например, смесь дейтерия с легким изотопом гелия (лишь 2% энергии приходится на нейтроны). Реальная тяга такого ТЯРД составит около 1000 кН и обеспечит возможность разгона межпланетного корабля за ограниченное время от орбитальных околоземных скоростей до скоростей, превышающих 1000 км/с. Подобные скорости сделают доступными для пилотируемых полетов даже самые дальние планеты Солнечной системы.

Новые типы двигательных установок с использованием термоядерной энергии позволят человеку освоить околосолнечное пространство. Но может ли пилотируемый корабль улететь с их помощью за пределы Солнечной системы?

Звездные маршруты. О грандиозности задач, стоящих перед человечеством при осуществлении полетов к звездам, можно судить, представив себе масштабы межзвездных расстояний. Луч света от ближайшей к нам маленькой красноватой звездочки Проксима Центавра идет до Земли 4,27 года, расстояние до нее в 270 тыс. раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца. Наша Галактика имеет сплюснутую дискообразную форму и простирается приблизительно на 10000 световых лет. Если для наглядности уменьшить Солнечную систему так, чтобы она целиком уместилась на странице журнала, т. е. до диаметра 15 см, то наша Галактика разместится примерно на территории Советского Союза, а Проксима Центавра будет находиться на расстоянии 650 м от этой страницы.

«Принимая Солнечную систему как среднее пространство, приходящееся в Млечном Пути на одну звезду, скажем, что Земля теряется в нем как капля воды в океанах»,— писал К. Э. Циолковский. Чтобы транспортный корабль смог покинуть Солнечную систему, ему нужно сообщить скорость около 16,7 км/с. Но даже при полете со скоростью 1000 км/с, для того чтобы достичь ближайшей звезды, потребуется более 13 веков. Бессмысленность такого путешествия очевидна.

Поскольку мы имеем дело с расстояниями, которые луч света проходит за годы, то и корабли в межзвездных полетах должны развивать скорости, близкие к световой. Тогда и сроки путешествий существенно сократятся. Так, при полете к Проксима Центавра с постоянным ускорением 1 м/с² по схеме, предусматривающей непрерывный разгон до половины пути с последующим торможением, достигается наибольшая скорость полета 2·10⁵ км/с, и время полета в оба конца составит всего 25 лет. Но на каких двигателях можно обеспечить такие «скорости?

Возможности фотонной ракеты. Прямоточный ТЯРД, о котором говорилось выше, в принципе не имеет ограничений по дальности полета. Поэтому он может оказаться пригодным для межзвездных полетов. Однако по имеющимся данным плотность водорода в межзвездном пространстве существенно меньше, чем в межпланетном (10^-21 вместо 10^-17кг/м³). Значит, тяга двигателя в межзвездной среде окажется сравнительно небольшой. Постепенное ускорение корабля также не может привести к более высокому уровню тяги, поскольку по мере увеличения скорости набегающего потока большая часть энергии, вырабатываемой на борту корабля, будет расходоваться на увеличение интенсивности магнитного поля массозаборника.

Повысить энергетику двигателя в этом случае можно за счет перехода к реакции аннигиляции водорода и антиводорода, при которой выделяется примерно в 1000 раз больше энергии, чем при синтезе водорода. Если направить образующееся при аннигиляции излучение в одну сторону пучком, подобно струе из сопла реактивного двигателя, то получим так называемый фотонный двигатель со скоростью истечения рабочего вещества, близкой к скорости света.

Доля антивещества в межзвездной среде крайне мала, поэтому запасать его надо на борту ТКС. Однако проблемы получения и хранения антивещества не только далеки от разрешения, но даже не могут быть поставлены на повестку дня. Чрезвычайно сложен вопрос эффективного преобразования энергии фотонов в кинетическую энергию реактивной струи. Фокусировать и отражать фотоны при помощи обычного рефлектора с жесткими стенками бессмысленно, поскольку фотоны аннигилирующего вещества обладают высокой проникающей способностью. Перспективным можно считать предложение об использовании для фокусирования квантов дискообразного электронного облака, удерживаемого тем же магнитным полем, которое обеспечивает работу электромагнитного массозаборника. Есть и другое предложение — использовать для создания тяги реактивную струю продуктов реакции, обладающих массой покоя и электрическим зарядом.

Возможность создания ТКС на базе фотонной ракеты — дело очень отдаленного будущего. Это направление развития зависит от успехов фундаментальных и прикладных исследований по термоядерному синтезу, высокотемпературной сверхпроводимости, теории элементарных частиц, методов получения и хранения антивещества и т. п.

Проекты галактических кораблей. Если оценить необходимые энергетические затраты для реализации пилотируемых полетов к ближайшей от нас звезде на базе известных и перспективных двигателей, то в пересчете на топливо, требующееся для полета корабля массой 1000 т, они составят 37·10¹¹ т для химического двигателя, 38·10⁴ т для ядерного двигателя, 48·10³ т для термоядерного двигателя, 2·10² т для фотонного двигателя. Чтобы представить, как велика энергия, необходимая для такого полета, достаточно отметить, что за последние 20 столетий человечество израсходовало столько энергии, сколько можно получить при аннигиляции 100 т антивещества, т. е. половину запасов топлива, которое потребовалось бы для пилотируемого полета к Проксима Центавра.

И все же поиск продолжается. Первая инженерная проработка галактического беспилотного корабля для исследования звезды Барнарда, отстоящей от Земли на расстоянии 6 световых лет, выполнена в рамках проекта «Дедал» рабочей группой Британского межпланетного общества.

Двухступенчатый галактический корабль на базе импульсного ТЯРД с бортовым запасом ядерного топлива (дейтерий и гелий-3) порядка 50 тыс. т и стартовой массой 54 тыс. т обеспечивает разгон 450 т полезного груза до скорости, равной 0,129 скорости света. Далее полет продолжается по инерции. Управление полетом осуществляется центральной бортовой быстродействующей ЭВМ с большой емкостью памяти, которая будет принимать решение без вмешательства человека, поскольку задержка в передаче информации на столь огромные расстояния будет составлять несколько лет. В состав полезного груза входят 18 космических зондов, которые будут запускаться в близлежащие к исследуемой звезде области, когда корабль «Дедал» будет пролетать мимо нее. Вся информация передается по радио на огромный приемный комплекс в Солнечной системе, а корабль и посланные им зонды, выполнив свою задачу и выработав ресурс, канут в глубинах Галактики.

Имеются предложения использовать в ТКС для межзвездных полетов лазерные прямоточные двигатели с подводом к ним энергии на начальном участке разгона по лазерному лучу от электростанций с околосолнечных промежуточных орбит. Эти двигатели обеспечат разгон ТКС до скорости, близкой к световой, с одновременным сбором дейтерия при разгоне для работы пульсирующего ТЯРД. Оценка массы подобной ТКС весьма приблизительна. В качестве первой прикидки называют величину стартовой массы порядка 8000 т, а величину накопленной в ходе полета массы вещества 12000т при мощности лазерного луча, равной 3,5·10⁸ МВт. В этом случае размеры орбитальных солнечных батарей для питания лазера (без учета потерь) превысят 500 Х 500 км, а диаметр входа прямоточной двигательной установки на ТКС составит около 650 км.

Таким образом, даже при самых смелых технических прогнозах проекты первых межзвездных кораблей еще очень и очень далеки от практической реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Завершая этот небольшой экскурс по направлениям развития транспортных космических систем, следует отметить, что совершенствование ТКС продолжается.

Ближайшая перспектива развития средств выведения на околоземную орбиту — это переход на экономичные многоразовые ТКС на базе ЖРД и ВРД с использованием экологически чистых компонентов топлива.

Широкое применение найдут перспективные межорбитальные транспортные аппараты на базе высокоэффективных ЖРД и солнечных или ядерных ЭРД. Основные направления их совершенствования — универсальность и многоразовость использования с возможным космическим базированием и обслуживанием на борту орбитальных станций.

Развертывание в будущем спутниковых солнечных электростанций позволит перейти к качественно новым типам ТКС с использованием внешних ресурсов энергии, в частности на базе ракетных двигателей с подводом энергии по лазерному лучу. А освоение термоядерной энергии приведет к созданию межпланетных ТКС на пульсирующих и прямоточных ТЯРД.

Возможно, в будущем с позиций новых достижений науки и техники станут вполне реальными для космического транспорта и первые полеты к звездам. Пока эта практически невыполнимая задача. Но разве проблемы, связанные с первым полетом человека в космос, высадкой на Луну или запуском автоматических аппаратов к дальним планетам не казались прежде такими же сложными и грандиозными?

ЛИТЕРАТУРА

Гришин С. Д., Чекалин С. В. Космический транспорт будущего.—М.: Знание, 1983.

Гришин С. Д., Чекалин С. В. Проблемы освоения космоса.— М.: Знание, 1988.

Губанов Б. «Энергия — Буран» — шаг в будущее // Наука и жизнь.—1989.—№ 4.

Гэтланд К. Космическая техника.— М.: Мир, 1986.

Полетаев Д. Ю., Сергеюк А. П. Космос и коммерция.— М.: АПН, 1989.

СССР в космосе. 2005 год.—М.: АПН, 1989.

Чекалин С. В. На пути в дальний космос // Энергия. — 1985. — № 6.