Корабли для космических дорог
Сто лет назад К. Э. Циолковский и другие отцы — основатели космонавтики полагали, что космические корабли будущего станут чем-то похожи на суда океанские. Во всяком случае, никто и представить себе не мог, что космолеты будут годны лишь для одного-единственного полета.
Но это оказалось именно так. Почему так получилось? Какими будут космолеты ближайшего и отдаленного будущего? Давайте попробуем разобраться.
«Такси» на одну поездку?
Неудивительно, что первые проекты космолетов виделись их конструкторам многоразовыми и зачастую крылатыми. Никто и представить себе не мог, что столь сложная техника может оказаться одноразовой. Ведь летают же самолеты десятилетиями…
И поначалу космолеты, во многом похожие на диковинные аэропланы, до самого начала пилотируемых полетов конкурировали в мыслях и на чертежных досках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Но все-таки первый космонавт нашей планеты Ю. А. Гагарин полвека назад совершил первый полет вокруг Земли на корабле, который прожил даже меньше тех 108 мин., что длился сам полет. Почему так получилось?
Полет первого космонавта Земли готовился в обстановке страшной спешки и глубокой тайны. В спешке потому, что наши политики хотели во что бы то ни стало опередить американцев. А втайне отчасти потому, что полет тот совершался на знаменитой «семерке» — слегка модернизированной разновидности военной баллистической межконтинентальной ракеты.
Модель американского ракетоплана «Дайна Сор»
Ракетчики же, да будет вам известно, ведут свою родословную, с одной стороны, от артиллеристов, а с другой стороны, от авиаторов. Авиационные специалисты все норовили приделать к ракете крылья, чтобы она походила на самолет. Артиллеристы полагали, что можно обойтись и без этого, поскольку, к примеру, снаряды отлично летают и так. Первые боевые ракеты, созданные ими, тоже полетели без крыльев. И подобно снарядам, оказались техникой одноразовой.
Только куда еще более сложной. А значит, и капризной. Когда Юрий Алексеевич 13 апреля 1961 года, на следующий день после полета, под магнитофонную запись рассказал о всех перипетиях своего полетах, специалисты за голову схватились: получалось, что полет закончилось благополучно почти что чудом. И доклад предпочли засекретить почти на 30 лет.
Между тем ничего необычного в многочисленных малых и больших отказах не было. При организации полета конструкторы во главе с С. П. Королевым столкнулись с целым комплексом проблем, в числе которых — чрезвычайно высокие механические перегрузки и огромные тепловые нагрузки на ракету-носитель и сам космический корабль.
С помощью расчетов, а также экспериментальных исследований инженеры разработали оптимальную форму спускаемого аппарата и эффективные теплозащитные материалы. В итоге когда перед советом главных конструкторов встала проблема выбора, строить космический «самолет» или аппарат капсульного типа, похожий на головную часть межконтинентальной баллистической ракеты, они предпочли более простое решение — ведь космическая гонка шла в бешеном темпе и времени было в обрез.
И инженеры для спуска с орбиты предложили баллистическую капсулу, которую входит в атмосферу с огромной скоростью, а ее поверхность может нагреваться до 2500–3000°. От сгорания ее спасает так называемая абляционная обмазка. Ее вещество в атмосфере оплавлялось и испарялось с поверхности капсулы потоком набегающего воздуха, унося при этом излишнее тепло.
Следующая хитрость, которую придумали конструкторы: они разделили космический корабль на несколько отсеков-модулей. В одном пометили ТДУ — тормозную двигательную установку с топливными баками, в другом — системы управления и энергопитания, в третьем — самого космонавта и системы жизнеобеспечения…
Со временем все системы первых «Востоков» на последующих кораблях — «Восходах» и «Союзах» — были доведены почти до идеала. Не случайно многократно модернизированная «семерка» и по сей день возит космонавтов с астронавтами на орбиту, справедливо считаясь одной из самых надежных ракетных систем в мире.
Но это вовсе не значит, что мечта о создании многоразовых космических систем окончательно оставлена.
Хотя большинство многоразовых кораблей так и осталось проектами, а единственная система многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle), оказалась страшно дорогой и далеко не самой надежной, начиналось все не так уж плохо. В начале прошлого века наряду с одноразовыми космическими системами многие ученые и конструкторы, как уже говорилось, работали и над многоразовыми системами.
Исторически одним из первых технически проработанных проектов был ракетный самолет конструкции австрийского конструктора Ойгена Зенгера. В 1929 году 24-летний инженер начал работу над докторской диссертацией. По замыслу инженера ракетоплан должен был выходить на околоземную орбиту, а затем возвращаться на Землю с помощью крыльев. В конце 30-х — начале 40-х годов ХХ века в обстановке полной секретности он также выполнил глубокую проработку «антиподного бомбардировщика», способного атаковать цель на другой стороне Земли.
К счастью, война кончилась раньше, чем в Третьем рейхе успели реализовать проект, иначе американцам, к примеру, было бы несдобровать. А сам проект был тщательно изучен по обе стороны Атлантики и стал отправной точкой для многих послевоенных исследований как на Западе, так и в Советском Союзе.
Идея о полетах в космос с обычного аэродрома не оставляла специалистов по обе стороны Атлантики. Так, в США в начале 50-х годов разрабатывался ракетный бомбардировщик Bomi, двухступенчатый вариант которого мог бы выходить на околоземную орбиту. В 1957 году американские военные начали работу над ракетопланом «Дайна-Сор», который по идее мог бы добираться до спутников на орбите, осуществлять разведку с высоты и даже в случае нужды атаковать бомбами и ракетами те или иные цели, а затем, планируя, возвращаться на базу.
Далее, была осуществлена программа постройки и испытаний экспериментальных ракетопланов, которые сбрасывались с самолета-носителя Б-29 или Б-52 и, включив затем собственные двигатели, развивали гиперзвуковые скорости, ставили рекорды высоты. Так, в сентябре 1961 года ракетоплан Х-15 развил скорость 5832 км/ч, а 22 августа 1963 года достиг высоты 107 906 м! В дальнейшем предполагалось, что подобные самолеты смогут выходить и на орбиту.
Суперсекретная «Спираль»
В СССР, еще до полета Гагарина, также рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых аппаратов многоразового использования. Так, главный конструктор В. М. Мясищев предлагал ВКА-23, А. Н. Туполев «проект 136», П. В. Цыбин по заказу С. П. Королева известный как «лапоток».
Во второй половине 60-х годов в СССР, в ОКБ А. И. Микояна, под руководством Г. Е. Лозино-Лозинского, велась работа над многоразовой авиационно-космической системой «Спираль», которая состояла из сверхзвукового самолета-разгонщика и орбитального самолета, выводимого на орбиту с помощью двухступенчатого ракетного ускорителя. Рассматривался и вариант запуска «Спирали» в космос с помощью ракеты-носителя «Союз».
Расскажем об этой сверхсекретной системе несколько подробнее.
Узнав о достижениях американцев, наши конструкторы тоже принялись за освоение подобных рубежей. В середине 60-х годов ОКБ-155 Артема Микояна получает задание правительства возглавить работы по орбитальным и гиперзвуковым самолетам, а точнее — по созданию двухступенчатой авиационно-космической системы «Спираль». Главным конструктором этой системы стал Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский.
Г. С. Титов, космонавт номер 2 стал первым в списке будущих пилотов «космического истребителя»
Перебрав несколько вариантов, конструктор и его коллеги в конце концов пришли к такому решению. Система «Спираль» должна состоять из 52-тонного гиперзвукового самолета-разгонщика, получившего индекс 50–50, и расположенного на нем 8,8-тонного пилотируемого орбитального самолета (индекс 50) с 54-тонным двухступенчатым ракетным ускорителем.
Самолет должен разогнать «Спираль» до гиперзвуковой скорости 1800 м/с (М6). Затем на высоте 28–30 км происходило разделение ступеней. Разгонщик возвращался на аэродром, а орбитальный самолет с помощью ракетного ускорителя, работающего на фтороводородном (F2+H2) топливе, должен был выйти на орбиту.
Экипаж самолета-разгонщика размещался в двухместной герметичной кабине с катапультными креслами. Собственно орбитальный самолет вместе с ракетным ускорителем крепился сверху в специальном ложе, причем носовая и хвостовая части закрывались обтекателями.
В качестве топлива разгонщик использовал сжиженный водород, который подавался в четыре турбореактивных двигателей АЛ-51 разработки Архипа Люльки, имеющие общий воздухозаборник и работающие на единое сверхзвуковое сопло внешнего расширения. Особенностью двигателей являлось использование паров водорода для привода турбины. Вторым принципиальным новшеством был регулируемый гиперзвуковой воздухозаборник, использующий для сжатия поступающего в турбины воздуха практически всю переднюю часть нижней поверхности крыла. Расчетная дальность полета самолета-разгонщика с нагрузкой составляла 750 км, а при полете в качестве разведчика — более 7000 км.
Боевой многоразовый пилотируемый одноместный орбитальный самолет длиной 8 м, с размахом крыла 7,4 м (в разложенном положении) выполнялся по схеме «несущий корпус». Благодаря выбранной аэродинамической компоновке на стреловидные консоли крыла приходилось лишь 3,4 м, а остальная часть несущей поверхности соотносилась с шириной фюзеляжа. Консоли крыла при прохождении участка плазмообразования (выведение на орбиту и начальная фаза спуска) отклонялись вверх для исключения прямого обтекания их тепловым потоком. На атмосферном участке спуска орбитальный самолет раскладывал крылья и переходил в горизонтальный полет.
Двигатели орбитального маневрирования и два аварийных ЖРД работали на высококипящем топливе АТ-НДМГ (азотный тетраксид и несимметричный диметилгидразин), аналогичном применяемому на боевых баллистических ракетах. В дальнейшем, впрочем, его планировалось заменить на более экологичное топливо на основе фтора. Запасов топлива хватало на орбитальный полет продолжительностью до двух суток, но основная задача орбитального самолета должна была выполняться в течение первых 2–3 витков.
Боевая нагрузка составляла 500 кг для варианта разведчика и перехватчика и 2 т — для космического бомбардировщика. Фотоаппаратура или ракеты располагались в отсеке за отделяемой кабиной-капсулой пилота, обеспечивающей спасение пилота на любых стадиях полета. Посадка совершалась с использованием турбореактивного двигателя на грунтовой аэродром со скоростью 250 км/ч на выпускаемое четырехстоечное лыжное шасси.
Для защиты аппарата от нагрева при торможении в атмосфере предусматривался теплозащитный металлический экран, выполненный из множества пластин жаропрочной стали ВНС и ниобиевых сплавов, расположенных по принципу «рыбной чешуи». Экран подвешивался на керамических подшипниках, выполнявших роль тепловых барьеров, и при колебаниях температуры нагрева автоматически изменял свою форму, сохраняя стабильность положения относительно корпуса. Таким образом, на всех режимах конструкторы надеялись обеспечить постоянство аэродинамической конфигурации.
К орбитальному самолету пристыковывался одноразовый двухступенчатый блок выведения, на первой ступени которого стояли четыре ЖРД тягой 25 т, а на второй — один. В качестве топлива на первое время планировалось использовать жидкие кислород и водород, а впоследствии перейти на фтор и водород. Ступени ускорителя по мере вывода самолета на орбиту последовательно отделялись и падали в океан.
«Спиралью», кстати, многие годы, кроме прочих специалистов, занимался и второй космонавт СССР Г. С. Титов. Отъездив после полета, как и Гагарин, положенные почетные маршруты по нашей стране и ее окрестностям, Титов поступил в Академию имени Н. Е. Жуковского. И здесь узнал, что в самолетном КБ А. Микояна идут работы над «космическим истребителем» многоразового использования по проекту «Спираль».
За время учебы Титов понял (хотя официального запрета вроде и не было), что шансов слетать еще раз в космос в рамках программы пилотируемых полетов у него крайне мало — там и так большая очередь из тех, кто еще не летал.
А роль «свадебного генерала» его не устраивала. И тогда он попросился в КБ Микояна на роль первого пилота космического истребителя. Микоян, впрочем, встретил его без особой радости, понимая, какой груз ответственности за судьбу Титова он на себя возлагает. Тем не менее космонавт номер 2 стал первым в списке будущих пилотов «космического истребителя» наряду с А. Филипченко и А. Куклиным.
Будущие космонавты-испытатели прошли теоретическую подготовку в Липецке, а затем, в 1967 году, во Владимировке начали осваивать испытательную работу. Затем, по мере развертывания работ по проекту «Спираль», в Звездном городке был создан так называемый «четвертый отдел», куда вошли молодые летчики Кизим, Романенко, Джанибеков, Малышев и др.
Предшественниками самого будущего истребителя стали так называемые БОРы, на которых в беспилотном режиме отрабатывались разные узлы и методики использования будущего космолета. Так один из БОРов, напоминавший обыкновенный МиГ-17, только с укороченными крылышками и лыжеобразной формой фюзеляжа, подвешивался к самолету-носителю, затем сбрасывался с большой высоты и без двигателя шел на посадку. Другая модификация, полностью бескрылая и больше всего похожая на лапоть с треугольными стабилизаторами в корме, поднималась ракетой-носителем в космос и оттуда по спирали планировала на Землю, приводняясь в Тихом океане.
Поначалу Министерство обороны проявило большой интерес к проекту «Спираль», поскольку космолет можно было запустить почти с любой точки СССР. Поскольку, как предполагали наши эксперты, все наши три космодрома — Байконур, Плесецк и Капустин Яр — наверняка были на прицеле боевых ракет вероятного противника, то «космический истребитель» вместе с разгонным блоком в одном из вариантов мог бы стартовать в космос со «спины» гигантского самолета-носителя (типа будущей «Мрии»). А сам самолет-носитель мог бы подняться с любого большого аэродрома и туда же затем приземлиться. А космолет после выполнения задания мог сесть даже на грунтовый аэродром.
И все шло как будто неплохо. Но в 1967 году новый министр обороны А. Гречко зарубил проект: слишком маленьким (длина всего 6 м) и несерьезным показался ему этот космический самолетик. К тому времени до руководства страны дошли сведения о разработке в США куда более массивного Space Shuttle — «космического челнока», — и нашим конструкторам по заведенному еще при Сталине обычаю было приказано скопировать эту конструкцию.
Дело в том, что на одном из заседаний Политбюро кто-то из спецов обронил фразу. Дескать, если шаттл на очередном витке нырнет вниз и с пике сбросит атомную бомбу на Кремль, защититься нам будет нечем. И Лозино-Лозинскому было приказано сделать такой же космолет.
Логика действий советского руководства была совершенно непонятной. Если шаттл собирались сбивать, то и «Спираль» могла сделать это за милую душу. Если же на «Буране» собирались возить аналогичные заряды для сброса на Белый дом, так уже тогдашние заряды были достаточно компактны, чтобы их мог принять на борт и сбросить в нужной точке и небольшой космолет.
Однако логика наших верхов была железной: «В Белом доме, чай, не дураки сидят. И если они приняли решение строить „Спейс Шаттл“, значит, и нам нужно делать то же»…
Финансирование программы «Спираль» прикрыли. Все силы и средства были брошены на никому не нужный, как теперь всем очевидно, «Буран».
«Шаттл» против «Бурана»
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».
«Клипер», «Русь» и иные варианты
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 °C. 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.
Новые корабли США
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.
Восток соревнуется с Западом
Не оставляют своих надежд выйти в космос со своими многоразовыми кораблями и страны Юго-Восточной Азии.
Первыми о своем выходе на космический рынок заговорили японцы. Авиационно-космические фирмы Страны восходящего солнца приступили к реализации программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области гиперзвуковой техники еще в 1986 году.
Причем японцы размахнулись весьма широко и вели исследования сразу по трем направлениям. В первую очередь они хотели создать беспилотный аэрокосмический самолет «Хоуп» (Hope), который должна выводить на орбиту ракета-носитель Н-2. Далее, к 2006 году планировалось создание универсального одноступенчатого пилотируемого аэрокосмического самолета с горизонтальными взлетом и посадкой. И наконец, японцы планировали создание ряда аппаратов для обследования Луны и других планет Солнечной системы.
Начали свою деятельность специалисты Страны восходящего солнца с того, что в 1994 году отправили в космос самую настоящую «летающую тарелку». Правда, официально аппарат назывался OPEX (сокращение от английского названия Orbital Re-Entry Experiment). Но по внешнему виду то была действительно «тарелка» — диск диаметром 3,4 м.
Ракета H-II вывела OPEX на орбиту высотой 450 км. И оттуда «тарелка» стала планировать вниз. Через 2 часа она приводнилась в Тихом океане. В момент прохождения плотных слоев атмосферы диск раскалился до 1570 °C, но тем не менее телеметрическая аппаратура на борту сохранила свою работоспособность.
В 1996 году ракета-носитель J-I вывела в космос следующий аппарат — HYFLEX (Hypersonic Flight Experiment). Этот аппарат был уже похож на цилиндр с заостренным носом. На высоте 110 км он отделился от носителя и спикировал вниз, развив скорость до 15 М. Затем была раскрыта парашютная система, и аппарат приводнился. Однако в самом конце эксперимента произошла неприятность: несмотря специальный мешок для обеспечения плавучести, аппарат утонул.
После этого японцы перенесли эксперименты на сушу. И с июля по август того же 1996 года было проведено три эксперимента в рамках проекта ALFLEX. Новый аппарат уже походил на небольшой самолет с крыльями. Его прицепляли к вертолету, поднимали на высоту в несколько километров и сбрасывали. Автоматическая система управления приводила аппарат на посадочную полосу, где он и приземлялся.
И наконец, осенью 2002 года была проведена серия экспериментов по программе HSFD Phase-I. Модель представляла собой уменьшенную копию космического самолета с собственным реактивным двигателем. Он может сам взлетать, следовать по маршруту и садиться в заданном месте.
Вслед за ним взлетел и HSFD Phase-II. Первая попытка прошла неудачно. Зато вторая оказалась вполне благополучной. В дальнейшем, как полагают, этот самолет будет с помощью стратостата поднят на высоту порядка 30 км и сброшен оттуда для дальнейшей отработки системы автоматической посадки.
Затем, согласно программе, в полет отправится TSTO — аппарат, во многом похожий на наш «Буран», но принципиально беспилотный. То есть в нем вообще не предусмотрена кабина для экипажа.
Все эти эксперименты являются последовательными шагами по осуществлению программы создания настоящего космического «челнока» HOPE-X. Еще этот аппарат японцы называют «Надежда», подчеркивая тем самым, что именно с ним связывают свои надежды на освоение космического пространства.
Однако на сегодняшний день ни по одному из вышеназванных направлений особыми успехами японские исследователи похвалиться не могут. Их преследует длинная цепь технических неудач, заставляющая конструкторов, по существу, топтаться на месте. Дело дошло уж до того, что японцы, как сообщало ИТАР-ТАСС, решили позаимствовать для своей ракеты «Джей-2» двигатели советского производства НК-33.
Модель HOPE-X
Запуск же собственного пилотируемого многоразового космического корабля отложен аж на 2020 год.
Тем временем китайцы, извечные конкуренты японцев, воспользовавшись предоставленной им советской технологией, смогли значительно продвинуться вперед.
Правда, особых подробностей об их достижениях не расскажешь, поскольку китайская космическая программа, которая называется «проект 921», окутана покровом строжайшей тайны. Декларируется лишь цель: Китай должен стать третьим государством после России и США, способным запускать человека на орбиту. В планах — создание собственной постоянно работающей орбитальной станции (в проекте МКС Китай не участвует). На высшем уровне обсуждаются полеты пилотируемых и автоматических кораблей на Луну и Марс и даже высадка тайконавтов на Луну. Каждый космический старт — а их было уже почти 50 — сопровождается громогласными пропагандистскими декларациями, хорошо знакомыми нам по прежним временам…
О сотрудничестве Китая с США в космонавтике ничего не известно. Но у России Китай позаимствовал немало. Главными инструкторами в китайском ЦПК работают обучавшиеся в середине 90-х в Звездном городке У Цзе и Ли Цинлун. После подписания 25 апреля 1996 года закрытого соглашения с Россией у нас были приобретены аппаратура систем сближения и стыковки, средств жизнеобеспечения, управления полетом и даже макет корабля «Союз ТМ». Что касается ракеты «Чан Чжэн» («Великий поход»), которая выводит в космос «Шэнь Чжоу» («Волшебный корабль»), то она во многом подобна советской ракете УР-200, оснащенной четырьмя навесными жидкостными ускорителями.
Первый старт «Шэнь Чжоу» состоялся в ноябре 1999 года. И уже пятый старт намечено провести в пилотируемом режиме. В СССР перед полетом Гагарина было выполнено семь беспилотных пусков, США испытывали системы перед полетом Гленна 21 раз. С другой стороны, «Шэнь Чжоу» находится на орбите значительно дольше, чем первые советские и американские корабли. До своего приземления у Великой Китайской стены «Шэнь Чжоу-3» колесил в космосе почти неделю.
Примерно столько же — 162 часа — оставался в космосе и следующий китайский корабль «Шеньджоу-4», запущенный в ночь на 30 декабря 2002 года с Цзюцюанского космодрома с помощью ракеты-носителя «Великий поход-2Ф». На борту корабля имелись биологические объекты — в частности, семена и образцы более 100 видов сельскохозяйственных культур и растений — риса, пшеницы, хлопка, кукурузы, соевых бобов, овощей, фруктов и цветов.
Поговаривали, что то был последний испытательный полет, перед тем как в космос на «Волшебном корабле» полетят уже не манекены, а настоящие космонавты. Точнее — тайконавты. Именно так китайцы намерены называть своих соотечественников, которые должны летать на орбиту.
«Тайкон» — по-китайски «космос». Так что китайцы в какой-то степени копируют российское название. На Западе, как известно, прижилось другое название — астронавты. Впрочем, как подмечают эксперты, сходство российских и китайских проектов не только в этом. По телевидению был показан короткий ролик, в котором продемонстрировано, как два китайца кувыркаются в невесомости на борту специального самолета-лаборатории точно так, как это делали наши космонавты.
Впрочем, сам полет первого китайского тайконавта Яна Ливэя, предпринятый в конце 2003 года, отличался от полета Юрия Гагарина. Китаец находился в космосе гораздо дольше, совершив свыше десятка оборотов вокруг Земли.
В своем втором полете китайцы постарались обозначить выход в открытый космос. И вообще они, похоже, не собираются ограничиваться полетами лишь вокруг Земли. По имеющимся данным, в будущем китайцы намерены создать свою собственную орбитальную станцию, а потом и отправить людей на Луну. Вполне возможно, что при этом они вступят в кооперацию со своими соседями-японцами. Ведь в одиночку осилить такие проекты накладно даже для страны с миллиардным населением.
Кроме того, китайские конструкторы намерены создать и свою двухступенчатую космическую систему с горизонтальными стартом и посадкой — проект «921–3».
Китайский аэрокосмический аппарат внешне напоминает немецкий двухступенчатый воздушно-космический самолет «Зенгер», однако отличается от него оригинальной конструкцией смешанной двигательной установки, состоящей из жидкостных ракетных и прямоточных двигателей.
Первая гиперзвуковая разгонная ступень (самолет-разгонщик) будет иметь фюзеляж типа «несущий корпус» (длиной около 85 м и шириной 12 м) и треугольное крыло двойной стреловидности. Двигательная установка разгонщика имеет шесть двигателей с суммарной тягой около 40 т. Стартовая масса — 330 т, посадочная — 79 т.
Вторая ступень представляет собой орбитальный самолет со стартовой массой 132 т, который оснащен четырьмя кислородно-водородными двигателями. Внешне он похож на американский Space Shuttle.
После разделения самолет-носитель возвращается к месту старта, используя только прямоточные двигатели. Орбитальный самолет, используя четыре кислородно-водородных двигателя с тягой по 2,1 т, выходит на эллиптическую орбиту высотой от 100 до 300 км.
Предполагается, что китайский «челнок» сможет выводить на орбиту груз до 6 т весом. Специальный космодром для китайского корабля многоразового использования построен в Южно-Китайском море на острове Хайнань.
Назад: ГОРИЗОНТЫ КОСМОНАВТИКИ
Дальше: Дома во Вселенной
