Текст книги "100 великих тайн космонавтики"

С момента начала реализации программы Space Shuttle в мире неоднократно предпринимались попытки создания новых многоразовых кораблей. Проект «Гермес» начали разрабатывать во Франции в конце 70-х годов, а потом продолжили в рамках Европейского космического агентства. Этот небольшой космический самолет, сильно напоминавший проект «Дайна-Сор» (и разрабатываемый в России «Клипер»), должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до 3 т грузов. Несмотря на достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, был закрыт.

Еще более фантастично выглядел проект беспилотного воздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году фирмой British Aerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый аппарат предполагалось оснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород из воздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород. Однако и тут финансирование работ со стороны государства через три года прекратилось; они оказались чрезмерно большими.

^{Американский «космический челнок»}

Промежуточное положение между «революционным» HOTOL и консервативным «Гермесом» занимает проект воздушно-космической системы «Зенгер» (Sanger), разработанный в середине 80-х годов ХХ века в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. После достижения 4–5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемый воздушно-космический самолет «Хорус», либо одноразовая грузовая ступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из «бумажной» стадии, в основном по финансовым причинам.

Американский проект NASP был представлен президентом Р. Рейганом в 1986 году как национальная программа воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли «Восточным экспрессом», имел фантастические летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с непреодолимыми на тот момент техническими проблемами, и в начале 90-х годов его закрыли.

Таким образом, ведущие силы конструкторов США, а затем и СССР были брошены на создание шаттлов. Таким образом, выходит, не только русские сильны задним умом…

В США полномасштабная разработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позднее Rockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы в эксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года – ровно через 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр. Вот только затраты на его разработку превысили 12 миллиардов долларов. А стоимость одного пуска достигает 500 миллионов долларов!

Как же так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевле одноразового (по крайней мере, в пересчете на один полет)? А все дело в том, что, во-первых, не оправдались прогнозы по объемам грузопотока – он оказался на порядок меньше ожидавшегося. Во-вторых, компромисс между инженерами и финансистами не пошел на пользу эффективности «челнока»: стоимость ремонтно-восстановительных работ для ряда агрегатов и систем достигла половины стоимости их производства! Особенно дорого обходилась уникальная керамическая теплозащита, которую приходилось обновлять после каждого рейса. Наконец, отказ от крылатой первой ступени привел к тому, что для повторного использования твердотопливных ускорителей пришлось организовывать дорогостоящие поисково-спасательные операции.

Кроме того, шаттл мог работать только в пилотируемом режиме, что существенно удорожало каждую миссию. Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего на некоторых участках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью экипажа и потерей «челнока». Это случилось уже дважды – с «Челленджером» (28 января 1986 года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменила и отношение к программе Space Shuttle: ныне «челноки» ставят на прикол.

Советский «Буран» подавался в отечественной (да и в зарубежной) печати как безусловный успех. Однако, совершив единственный беспилотный полет 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался не менее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента. Причем в отличие от американцев советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой системы – расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее.

Но при создании «Бурана» основным был иной аспект – советский «челнок» разрабатывался как военно-космическая система. С окончанием холодной войны этот аспект отошел на второй план, чего не скажешь про экономическую целесообразность. А с ней у «Бурана» было плохо: его пуск обходился как одновременный старт пары сотен носителей «Союз».

И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение меняется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системы составляет 10 миллиардов долларов. Тогда при 10 полетах (без затрат на межполетное обслуживание) на один запуск будет отнесена стоимость разработки в 1 миллиард долларов, а при тысяче полетов – только 70 миллионов! Однако из-за общего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусков остается только мечтать… Значит, на многоразовых системах можно поставить крест?

Тут не все так однозначно. Во-первых, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок космического туризма. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических одноразовых», такие как европейский Hermes). Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовыми ракетами-носителями. К тому же крылатые аппараты позволяют уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством.

Варианты конструктивной реализации многоразовых систем весьма разнообразны. При их обсуждении не стоит ограничиваться только кораблями, надо сказать и о многоразовых носителях – грузовых многоразовых транспортных космических системах (МТКС). Очевидно, что для снижения стоимости разработки МТКС надо создавать беспилотными и не перегружать их избыточными, как у шаттла, функциями. Это позволит существенно упростить и облегчить конструкцию.

^{Модель российского многоразового космического корабля «Клипер»}

Вообще МТКС в первом приближении можно классифицировать по способам старта и посадки – горизонтальному и вертикальному. Часто думают, что системы с горизонтальных стартом имеют преимущество, поскольку не требуют сложных пусковых сооружений. Однако современные аэродромы не способны принимать аппараты массой более 600–700 т. Да и трудно представить себе космолет, заправленный сотнями тонн криогенных компонентов топлива, среди гражданских авиалайнеров, взлетающих и садящихся на аэродром по расписанию. А если учесть требования к уровню шума, то становится очевидно: для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строить отдельные высококлассные аэродромы. Так что у горизонтального взлета здесь существенных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясь вертикально, можно отказаться от крыльев, что существенно облегчает и удешевляет конструкцию.

В качестве двигательных установок МТКС рассматриваются как традиционные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), так и различные варианты и комбинации воздушно-реактивных (ВРД). Последние на порядок экономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но при этом имеют и на порядок большую удельную массу, а также весьма серьезные ограничения на скорость и высоту полета. Для рационального использования ВРД требуется совершать полет при больших скоростях, защищая при этом конструкцию от аэродинамических нагрузок и перегрева. То есть, экономя топливо – самую дешевую компоненту системы, – ВРД увеличивают массу конструкции, которая обходится гораздо дороже. Тем не менее ВРД, вероятно, найдут применение в относительно небольших многоразовых аппаратах горизонтального старта.

Наиболее реалистичными, то есть простыми и относительно дешевыми в разработке, пожалуй, являются два вида систем. Первый – типа «Клипера», пилотируемого крылатого многоразового летательного аппарата.

Небольшие размеры хоть и создают определенные трудности в части теплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические проблемы для таких аппаратов практически решены. Так что «Клипер» – это шаг в правильном направлении.

Тем не менее шаг этот, похоже, оказался преждевременным. И, поразмыслив хорошенько, показав макет крылатого «Клипера» на нескольких выставках, конструкторы все же повернули свои взоры в сторону систем вертикального пуска с двумя крылатыми ракетными ступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особых технических проблемы при их создании не ожидается, да и подходящий стартовый комплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных.

Ныне наши специалисты перешли к разработке космического аппарата с предварительным названием «Русь». Президент ракетно-космической корпорации «Энергия» Виталий Лопота рассказал: «Наименование “Русь” присвоено одному из проектов ракеты-носителя, а по кораблю мы с такой инициативой не выходили, потому что сейчас идет эскизный проект и поиск облика. Мы надеемся, что к 2015 году начнем летные испытания».

Бывший руководитель Федерального космического агентства Анатолий Перминов отмечал в одном из своих выступлений, что в 2015 году первый полет должен быть осуществлен в грузовом варианте, а в 2018 году – с экипажем.

Пока что рабочее название корабля – «Перспективная пилотируемая транспортная система», сокращенно ППТС. Виталий Лопота рассказал, что по внешнему виду новый корабль будет напоминать усеченный конус. «Он будет более технологичным в изготовлении, будет использовать принципиально новые материалы и будет достаточно легким», – отметил президент РКК «Энергия».

Форма конуса выбрана потому, что она оптимальна для прохождения плотных слоев атмосферы. Спускаемый аппарат врезается в них на первой космической скорости – более 7 км/с и его поверхность нагревается до 2000–2500 °С. Поэтому пришлось отказаться от крыльев – уж слишком сложно защищать их плоскости от перегрева. Посадка тоже будет осуществлять по-старому – на парашютах, с включением в самый последний момент ракетных двигателей.

Примерно по такому же принципу пошло американское НАСА, создавая свой будущий корабль «Орион». Его первый полет запланирован на 2014 год.

Про корабли новой системы известно, что они будут весом от 18 до 20 т в зависимости от назначения, смогут вывозить на околоземную орбиту до 6 членов экипажа и не менее 500 кг грузов. На окололунную орбиту они будут способны доставить четырех космонавтов и 100 кг грузов. Предполагается, что беспилотный вариант ППТС сможет вывести на околоземную орбиту не менее 2 т грузов и около полутоны вернуть на Землю.

Виталий Лопота рассказал, что корабль можно будет использовать как для полетов на орбиту, так и к другим планетам либо для выполнения задач на орбите. В последнем варианте к нему будет добавляться еще и бытовой отсек.

Еще один вариант для стартов, например, к Луне – сборка на базе МКС небольшого космического аппарата. Отсюда он и будет совершать рейсы хоть на лунную орбиту, хоть в погоню за очередным астероидом. Слетал и вернулся обратно к станции.

Вероятно, новый аппарат станет частью «марсианской программы». Будущий межпланетный комплекс соберут на так называемой низкой орбите Земли. Его вес может быть до 500 т. В собранном виде конструкцию постепенно поднимут на высоту 200 тысяч км, и на это понадобится несколько месяцев. Экипаж марсианской экспедиции доставят в последний момент перед стартом, чтобы космонавты не получили дополнительную дозу солнечной радиации, и уже с высокой орбиты комплекс стартует в сторону красной планеты.

Еще об одной необычной задумке разработчиков корабля рассказал гендиректор и главный конструктор Научно-производственного предприятия (НПП) «Звезда» Сергей Поздняков. «Есть идея посадить космонавтов, которые не принимают участие в управлении кораблем, в герметичные капсулы вместо скафандров. Космонавт входит в такую капсулу, закрывает гермомолнию и на опасных этапах полета сидит в ней, как в яйце», – описал конструкцию гермокапсул Поздняков. Он подчеркнул, что пока новая концепция существует только на уровне идеи. Детальные разработки могут начаться после того, как в «Звезду» поступят требования к системам жизнеобеспечения экипажа, в частности информация о параметрах перегрузок и времени полета в случае разгерметизации кабины.

Американцы после двух катастроф, стоившей жизни 15 астронавтам, после многочисленных переделок, тоже спохватились. Принято решение поставить крест на все еще остающихся в эксплуатации трех шаттлах, а вместо них разработать что-либо получше.

Так, в самом начале нынешнего столетия НАСА объявило о конкурсе на новый обитаемый исследовательский космический аппарат (CEV). Поначалу было предложено полтора десятка вариантов, из которых было выбрано два наиболее перспективных. Один проект предоставлен группой специалистов во главе с компанией Lockheed Martin, а другой – специалисты из Northrop Grumman и Boeing.

Наипервейшее требование агентства, наученного горьким опытом, формулировалось так: «Обеспечить безопасность команды на всех этапах экспедиции».

Команда Lockheed выдвинула концепцию трехступенчатого аппарата. Титановый модуль для экипажа должен вмещать от 4 до 6 астронавтов. Он запускается отдельно от экспедиционного модуля и двигательной ступени. Встречаться они должны уже на орбите, и после стыковки из них получится 20-метровый корабль весом почти 40 т. Новый CEV не предназначен для того, чтобы при входе в атмосферу и при посадке планировать, как это делает нынешний «челнок». Он оборудован парашютами и воздушными подушками, что дает возможность посадки как на землю, так и на воду.

^{Модель космоплана Х-38}

И наконец, долгожданное новшество: модернизация затронет энергоустановку, которая сможет обеспечивать электричеством корабль во время очень долгих космических экспедиций, и систему самодиагностики, которая будет выявлять и устранять возникающие неисправности.

Проект, предложенный компанией Boeing, представляет собой модель двойного назначения. Шаттл сможет выводить на орбиту и искусственные спутники и доставлять астронавтов на Международную космическую станцию. Причем разработка предусматривает отказ от ручного пилотирования, что позволяет исключить ошибки астронавтов и сэкономить топливо. Кроме того, новые ракетоносители будут работать на керосине и жидком водороде и после старта с них шаттла будут возвращаться на базу и приземляться, словно обычные самолеты. Просматривается также идея, предложенная Лозино-Лозинским, – воздушный старт «челнока» со спины самолета-носителя.

В первый полет новый аппарат должен отправиться в 2014 году.

Не позабыты, впрочем, окончательно и проекты прошлых лет, из которых будет взято все лучшее. Например, еще один проект предусматривает создание «спасательной шлюпки для МКС» в виде космоплана Х-38. Он может быть использован и в качестве транспортного корабля, выводимого в космос ракетой-носителем «Ариан-5» (Ariane-5).

Главной изюминкой проекта является использование гибкого крыла – параплана – в качестве тормозящего и посадочного средства. Первые испытания такого крыла состоялись в 1996 году, а первые полеты Х-38 на подвеске самолета В-52 начались в феврале 1997 года.

Спасательный космоплан Х-38 не имеет собственных двигателей и представляет собой летательный аппарат с несущим корпусом. Возвращение на Землю будет проходить по той же схеме, как и возвращение Space Shuttle. И только на завершающем этапе будет выпускаться параплан. На Х-38 не будет ручного управления – процедура входа в атмосферу и спуск предполагается полностью автоматизировать.

Габариты Х-38: длина – 8,7 м, диаметр – 4,4 м, масса – 8163 кг. Количество спасаемых астронавтов – до 6 человек. Система жизнеобеспечения рассчитана на четыре дня. Продолжительность эксплуатации в качестве модуля МКС – 4000 суток.

Испытания демонстрационной модели космоплана Х-38 проводились в Летно-исследовательском центре НАСА имени Драйдена, расположенном на территории базы ВВС Эдвардс (штат Калифорния).

В марте 1998 года первую модель постигла неудача: во время самостоятельного полета парашют-крыло был поврежден и Х-38 разбился. После этого было принято решение об укреплении его конструкции. Уже в феврале 1999 года вторая модель, получившая условное обозначение V-132, была готова к испытаниям.

Первый самостоятельный полет второй модели состоялся 6 февраля 1999 года. Х-38 отделился от самолета-носителя В-52 на высоте 6700 м. Несколько минут он находился в свободном полете, после чего над ним раскрылся параплан, и через 12 мин. Х-38 приземлился.

Ныне же, пока испытания Х-38 продолжаются, роль «спасательной шлюпки» на Международной космической станции исполняет российский космический корабль «Союз».

В марте 1999 года американская компания «Ротари Рокет», которую возглавляет известный специалист по аэрокосмической технике Гарри Хадсон, продемонстрировала еще один уникальный опытный образец.

В отличие от традиционных шаттлов новый корабль, получивший название «Ротон», не имеет узлов, отстреливаемых во время полета. Весьма оригинальна и двигательная установка аппарата. Ее основой служит 7-метровый вращающийся диск, по окружности которого размещено 96 ракетных двигателей с камерами сгорания размерами с… консервную банку каждый!

Компоненты топлива – керосин и жидкий кислород – поступают в них под действием центробежной силы. Поэтому перед взлетом диск с двигателями раскручивается от внешнего привода на стартовой площадке. Вращение диска в полете поддерживается благодаря тому, что каждое из сопел чуть наклонено в одну сторону. Создаваемый таким образом гироскопический момент помогает кораблю устойчиво держаться на курсе.

Корпус нового аппарата почти целиком изготовлен из композитного материала на основе углеродных волокон и эпоксидных смол. Благодаря этому он получился очень легким и в то же время прочным.

После того как экипаж выполнит полетное задание, он начинает готовиться к спуску. Для этого «Ротон» разворачивают задом наперед. Тяговые двигатели становятся теперь тормозными, и корабль постепенно начинает спускаться с орбиты по пологой спирали. Перед входом в плотные слои атмосферы экипаж раскрывает четыре складывающие 7-метровые вертолетные лопасти, расположенные на носу (который стал при спуске кормой). По мере того как нарастает плотность окружающего воздуха, лопасти раскручиваются, тормозя падение аппарата. И он совершает плавный спуск в режиме авторотации (то есть лопасти вращаются свободно, без помощи двигателя).

Впрочем, в будущем Хадсон намерен увеличить длину каждой допасти до 9,5 м и установить на их концах небольшие реактивные двигатели. Таким образом экипаж аппарата получит возможность не только маневрировать при спуске, но и взлетать по-вертолетному. И лишь поднявшись на высоту около 5 км, астронавты запустят основные ракетные двигатели и поднимутся на орбиту.

В середине 2000 года компания «Ротари Рокет» планировала построить еще три «Ротона». Один из них должен был служить тренажером для подготовки экипажей, а два других начали готовить уже к полномасштабным полетам в космос. Хадсон надеялся, что каждый из таких аппаратов сможет совершить до 100 запусков на орбиту без капитального ремонта.

Однако испытания опытного образца «Ротона» показали недостаточную надежность системы. И ее внедрение в практику пока приостановлено.

3 декабря 2010 года завершил свой первый полет мини-шаттл Boeing X-37B OTV1. Он сел на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии. «Мы очень довольны тем, что аппарат на орбите выполнил все поставленные задачи», – сказал по этому поводу подполковник Трой Гиез, один из руководителей миссии.

Пентагон держит в строжайшем секрете возможности и назначение этого аппарата, хотя многие аналитики и наблюдатели сходятся на том, что, скорее всего, он выполняет функции орбитального разведчика.

Внешне этот беспилотник очень напоминает привычные шаттлы хотя и намного уступает им в размерах. Спроектированный и построенный в Boeing Phantom Works, он предназначен для длительных орбитальных миссий, о чем говорит хотя бы большой массив солнечных батарей. Говорят, теоретически он может продолжать самостоятельный полет до 270 суток. По официальным данным, испытательный полет должен был проверить системы управления, навигации, отработать элементы автономного приземления. Но содержимое грузового отсека аппарата так и осталось тайной.

Второй экспериментальный орбитальный испытательный аппарат OTV2 X-37В стартовал на орбиту 5 марта 2011 года с помощью ракеты-носителя «Атлас-5».

Космоплан оторвался от земли в 17 ч. 46 мин. по времени Восточного побережья – почти на полчаса позже запланированного. Задержка, как было сказано, вызвана «необходимостью замены неисправного пускового оборудования».

Аппарат, как уже говорилось, внешне напоминает уменьшенную копию прежнего шаттла. Его длина – 8,38 м, масса – около 5 т. Он очень похож на своего предшественника. А вот сколько он проведет на орбите, пока так и остается тайной.

К сказанному можно добавить, что полет первого космоплана Х-37В, стартовавшего с космодрома на мысе Канаверал 23 апреля 2010 года, признан в целом удачным. Единственный сбой произошел при посадке, когда после касания ВПП разлетелась покрышка одного из колес шасси. Поэтому на втором космоплане решено на 15 % снизить давление воздуха в колесах шасси, чтобы избежать подобного инцидента, вызванного, как считается, дефектом взлетно-посадочной полосы.

По словам представителей ВВС, полеты этих аппаратов предназначены для проверки в условиях космоса новых технологий материалов и различных устройств, которые могут найти применение на будущих спутниках.

Третий полет по программе X-37 совершит OTV1, вернувшийся в декабре на Землю. Правда, дата этого полета пока не определена; она во многом зависит от того, какой переоснастки космоплан потребует.

Кстати, на первой ступени всех «Атласов» используется знаменитый российский двигатель РД-180 НПО «Энергомаш». Тот самый, что некогда предназначался для лунной ракеты Н-1.