От поколения к поколению. Эволюция космических кораблей

 (с) Техника Молодежи №4 2012

Вопросы классификации

В самом деле, никому же не приходит в голову оценивать по одним крите­риям, скажем, «болид» формулы «1» и карьерный самосвал. Однако же при разговорах о космических кораблях такое происходит сплошь и рядом. Но как можно сравнивать «Союз» с «Шаттлом»? Или с «Аполлоном»? А как оценить разницу между «Сою­зом» и «Востоком»? Во многих областях техники развитие наглядно иллюстрируется сменой по­колений. У всех, например, па слуху 5-е поколение многоцелевых самолётов- истребителей. А можно ли выделить поколения космических кораблей? Кстати — а почему, собственно, «ко­раблей»? Если, порывшись в библио­теках, поднять газеты 60-70-х гг. и посмотреть сообщения ТАСС о пило­тируемых полётах, бросается в глаза, что речь идёт не просто о «космиче­ских кораблях» (сам термин появил­ся много раньше), но о «космических кораблях-спутниках». Поскольку сообщения эти писались отнюдь не журналистами (которые, впрочем, в те времена были куда грамотнее), а людь­ми с большим количеством больших звёзд на погонах, лишних слов в них не было. Так почему именно «корабль- спутник»?

А что мы понимаем под словом «ко­рабль» — будь то «воздушный корабль» или «корабль пустыни»? Что-то само­стоятельно — и активно — движущееся. Предполагается, что и космический корабль движется — в отличие, напри­мер, от орбитальной станции. По дело в том, что ЛЮБОЙ космиче­ский аппарат ДВИЖЕТСЯ! Орбиталь­ная станция мчится по околоземной орбите с круговой — 1-й космической — скоростью. И даже геостационарный спутник, «стоящий» над оговорённой точкой экватора, всё равно движется по орбите, а «стоит» только потому, что угловая его скорость на этой самой ор­бите равна угловой скорости вращения Земли. И скорость, которую нынешние космические корабли могут самостоя­тельно развить, а это никак не более нескольких сотен метров в секунду, не сравнима со скоростью полёта по око­лоземной орбите (порядка 8 км/с)… Так что, конечно, спутник! А какие ещё типы (виды, классы…)

космических кораблей можно назвать? Не тех, что в фильмах Дж. Лукаса или романах Д. Вебера, а тех, которые уже летали, летают или, по крайней мере, прочно обосновались не на страницах фантастических произведений, а па графических дисплеях конструкто­ров?

Помимо кораблей-спутников, уже сей­час можно выделить корабли лунные, летавшим представителем которых пока остаётся только «Аполлон». Они способны дойти с околоземной орбиты на окололунную и вернуться к Земле, и могут, как и «Аполлон», включать лунный посадочно-взлётный корабль (в этом случае он и садится па поверх­ность Луны), а могут и не включать, и тогда садяться на Луну целиком (этот вариант дальше технологических маке­тов не пошёл, но имеет определённые эксплуатационные преимущества). Далее, конечно, корабли воздушно-космические — естественно, «Спейс шаттл»… А вот «Буран» к таковым мо­жет быть отнесён условно, но об этом чуть ниже.

Ну и — корабли (комплексы!) межпла­нетные (пока — марсианские), которые должны, как минимум, разогнаться с околоземной орбиты до второй кос­мической скорости (а лучше больше), долететь до Марса, перейти па околомарсианскую орбиту и через какое-то время вернуться обратно. Они, конеч­но, тоже могут включать марсианские посадочно-взлётпые корабли и дру­гие составные части, но главное — это энергодвигательный комплекс, кото­рый обеспечит собственно полёт. А сейчас поговорим о КС, космических кораблях-спутниках.

Первое поколение

Кораблями-спутниками первого по­коления, естественно, следует считать советский «Восток» и американский «Меркурий». Оии, по существу, долж­ны были решить только одну задачу: доказать, что человека можно вывести на околоземную орбиту, он там сможет жить, и его можно вернуть па Землю живым и здоровым — всё, больше от них ничего ие требовалось. Первую за­дачу (выход на околоземную орбиту) решали не сами корабли — за них это делали ракеты-носители, и эта черта, собственно, отделяет корабль-спутник (КС) от других типов космических кораблей.

Для посадки нужно было погасить ту самую скорость, до которой корабль разгоняли при старте. К счастью, у Земли есть достаточно плотная атмос­фера, которая и стала «тормозом». По тормозящий отсек КС нагревается до 6000° (эту величину можно сократить почти в три раза, но это научились де­лать позже), чего ие выдержит никакой конструкционный материал — значит, нужна теплозащита. А перегрузка при этом достигает 9 — значит, конструк­ция спускающейся части должна быть прочной и, соответственно, и тяжёлой. Наконец, для того чтобы торможение атмосферы было эффективным, масса и габариты спускающейся части долж­ны быть связаны между собой вполне определённым образом. Словом, сажать решили небольшую часть корабля, в которой оставить только человека и то, без чего не обой­тись при посадке, и эту часть и закрыть мощной теплозащитой и рассчитать на максимальные перегрузки. Эта часть КС получила название СА — спускае­мый аппарат (сейчас чаще употребля­ют термин «возвращаемый»). Итак, «Восток» и «Меркурий» состоя­ли из двух частей — спускаемого аппа­рата и того, что использовалось только в орбитальном полёте. Поскольку ни опыта создания такой техники, ни даже научной основы для этого ещё не было, СА входили в атмосферу простейшим способом — по баллистической траек­тории. Но на этом сходство кончалось. «Меркурий»-то, действительно, боль­ше ничего не мог и не должен был. Его правильно называли даже не «кора­блём», а «капсулой»: кроме СА, у него были только тормозные двигатели. «Восток» же, как теперь известно, де­лался в определённой унификации со спутником-фоторазведчиком «Зенит», от которого требовались не только старт и посадка, но и точная ориента­ция, полёт заданной продолжитель­ности и посадка не где придётся, а где надо… Спускаемый же аппарат для че­ловека и для пяти фотоаппаратов раз­личался лишь в деталях. В результате «Восток» оказался с немалым модернизационным потенциалом: напри­мер, в том же СА удалось разместить не одного человека в скафандре, а двух (или трёх без скафандров)! Этот ко­рабль получил название «Восход», и на околоземную орбиту он запускался уже другой, более мощной, ракетой. Последнее позволило увеличить стар­товую массу и, в частности, добавить аварийную тормозную двигательную установку.

«Рабочие лошади»

Но СА «Восхода» по-прежнему был баллистическим, маневрировать на ор­бите корабль ие мог, поэтому его тоже можно отнести к 1-му поколению. А вот как быть с «Джемини»? Второй американский пилотируемый КС предназначался прежде всего для отработки ряда технических систем, нужных для дальнейшего развития космической техники, в том числе и для лунной программы, главным образом — стыковки. Поэтому его снабдили двига­телями и запасами топлива, а главное — достаточно совершенной и сложной си­стемой управления, включающей бор­товую ЭВМ и радиолокатор. Интересно отметить, что у создателей «Джемини» тоже были грандиозные планы по его дальнейшему использо­ванию.

Во-первых, предполагалось сажать его не в океан, как это было реализовано, а… на посадочную полосу! Для это­го спускаемый аппарат должен был оснащаться «крылом Рогалло» на на­дувном каркасе и трёхопорным колёс­ным шасси. Из космоса в таком виде корабль не возвращался никогда, а вот «крыло Рогалло», правда уже на кар­касе из алюминиевых труб, получило широчайшее распространение под на­званием «дельтаплан». Во-вторых, «Джемиии» должен был стать составной частью орбитальной станции военного назначения МОЛ. В этом варианте корабль выполнил один беспилотный полёт, даже не космиче­ский, а суборбитальный,- проверялась работа теплозащиты с прорезанным в ней переходным люком. Рабочий отсек станции позднее вошёл составной ча­стью в конструкцию первой американ­ской орбитальной станции «Скайлэб». В-третьих, прорабатывались варианты присоединения к «Джемиии» различ­ных разгонных блоков, включая пер­вый в мире водородный «Центавр», дабы получить высокоманёвренный пилотируемый корабль — военного, в первую очередь, назначения. Наконец, для подстраховки программы «Апол­лон» прорабатывался и вариант полёта «Джемиии» на Луну! Но СА остался баллистическим (соб­ственно, он повторял форму «Мерку­рия», только был в полтора раза боль­ше). Получается, «Джемини» по своим возможностям — скорее, второе поколе­ние; а вот по конструкции спускаемого аппарата — первое. «Поколение 1,5»? А вот «Союз» — это, без натяжек, второе поколение КС. Он тоже предполагался как платформа для отработки стыков­ки, но оказался «рабочей лошадью», которая тащит и советскую (россий­скую), и мировую космонавтику уже более 40 лет. У него и точная ориен­тация, и сближающе-корректирующие двигатели многократного включе­ния (что в момент их создания было большим новшеством), и СА, «скольз­ящий» в атмосфере, что сокращает нагрев вдвое, а перегрузки — втрое (в английском языке «скользящий» и «планёр» — одно и то же слово, но, пра­во, не называть же «планёром» тело с аэродинамическим качеством 0,5!), и орбитальню-бытовой отсек, радикаль­но увеличивающий обитаемый объём… В результате «Союзы» обеспечивают работу орбитальных станций, могут выполнять автономные полёты (хотя за ненадобностью уже лет 25 этого не делали), стали основой для беспилот­ных грузовых «Прогрессов» и моду­лей дооснащения тех же орбитальных станций.

Челомеевский ТКС (транспортный ко­рабль снабжения), хоть он ни разу и не летал в пилотируемом варианте, следу­ет отнести к поколению «2,5» благода­ря его возвращаемому аппарату (ВА): он не только «скользящий», он ещё и многоразовый, и это, к вящему неудо­вольствию противников его экзотичес­кой особенности — переходного люка в лобовой теплозащите, подтверждено лётными испытаниями. Но в целом корабль, выполненный в размерах модуля орбитальной стан­ции, оказался как бы «в стороне» от магистрального направления развития космического транспорта, сложивше­гося исходя из опыта эксплуатации тех же «Союзов», «Прогрессов», да и само­го ТКСа как «грузовика». Практика показала, что нужны аппараты двух типоразмеров: редко запускаемый тя­жёлый и крупногабаритный, и мень­ший, но летающий чаще. А пилотируе­мый аппарат лучше иметь не первого типоразмера, а второго… ТКС же, по сути, состоял из двух автономных КА: в роли собственно пилотируемого ко­рабля выступал ВА, оснащённый для автономного полёта после отделения от корабля, а ФГБ — функционально- грузовой блок — предназначен, в пер­вую очередь, для работы в составе ор­битальной станции в качестве буксира, склада и вспомогательного энергоцен­тра… Что и обусловило «долгую счаст­ливую» жизнь модулей на базе ФГБ в составе «Салюта-7», «Мира» и МКС. Да, а как же «Аполлон»? Об «Аполло­не» разговор отдельный: несмотря па то, что три корабля ходили к орбиталь­ной станции «Скайлэб», несмотря на совместный полёт с «Союзом», «Апол­лон» — прежде всего ЛУННЫЙ ко­рабль, и его технические особенности нужно рассматривать именно с этой точки зрения. И спускаемый аппарат, «теряющийся» на фоне огромного двигательного отсека (в таком виде «Аполлон» летал в четырёх перечис­ленных экспедициях) — это ведь не весь корабль, а половина: в «полный» вхо­дит ещё лунный посадочный корабль. К кораблям-спутникам 2-го поколения относится и пока проектирующийся космический корабль Индии, и успеш­но летающий китайский «Шеньчжоу». Собственно, это почти тот же «Союз», с «элементами идеологии» ТКСа: орбитально-бытовой отсек имеет соб­ственные служебные системы, вклю­чая двигатели ориентации, и может летать после отделения от корабля са­мостоятельно.

Долгий путь к поколению «три»

Третье поколение КС должно главным образом обеспечивать эксплуатацию орбитальных станций. Поэтому закла­дывалась максимальная пассажиро- вместимость (6-8 человек), возмож­ность повторного или многократного использования спускаемого аппарата и минимизация отделяемых одноразо­вых частей. И история третьего поко­ления кораблей-спутников началась отнюдь не с обнародования проектов «Орион» и «Клипер»… Первым из них стал… «Буран»! Назы­вать его воздушно-космическим само­лётом некорректно: па околоземную орбиту он выводился сверхтяжёлой ракетой-носителем (лишь перед пер­вым испытательным пуском получив­шей «автономное» название «Энер­гия») и в процессе выведения никак не участвовал: ракета оснащена своей системой управления, а система уп­равления корабля, как и у других КС, начинает работать после отделения от носителя. У «шаттла» же как система управления ВСЕМ комплексом, так и маршевые двигатели расположены на самом корабле, который, по сути, яв­ляется ракетопланом с переразмерен­ными подвесным баком и стартовыми ускорителями.

Так что «Буран» — огромный крыла­тый спускаемый аппарат, вместивший в себя все системы, необходимые для орбитального полёта. Поэтому, кстати, транспортная эффективность «Энер­гии» с «Бураном» НИЖЕ, чем «Шатт­ла»; но, с другой стороны, параллель­ное создание сверхтяжёлого носителя открывало совершенно новые возмож­ности… по известным причинам остав­шиеся на бумаге.

Второй могла бы стать «Заря», прави­тельственное постановление о разра­ботке которой в НПО «Энергия» было принято ещё в 1985 г. Первоначально все системы и агрегаты должны были размещаться в обводах спускаемого аппарата фарообразной «союзовской» формы. Доставляться к орбитальной станции и обратно должны были до восьми человек, посадка должна была осуществляться не на парашютах, а на жидкостных ракетных двигателях. Перебрали несколько вариантов ком­поновки, остановились на следующем: множество развёрнутых от продольной оси небольших ЖРД, работающих на керосине и перекиси водорода, разме­щались по кольцу, в том месте, где ко­ническая обечайка обшивки переходит в сферическое верхнее днище. Топлив­ные баки «размазали» под конической частью обшивки, по оси между ними осталось место для пассажиров или груза. По мере разработки выяснилось, что «утрамбовать» все агрегаты в спус­каемый аппарат не получится, и доба­вился сбрасываемый перед посадкой агрегатный отсек с двигателями орби­тального маневрирования. Однако работа над «Зарёй» была пре­кращена, и главной причиной счита­ется боязнь ракетной посадки. Второе очевидное обоснование — развал СССР, убивший не только новый корабль. Но есть и третья причина: газодинамичес­кие расчёты и испытания показали, что при принятой компоновке дви­гательной установки под садящимся кораблём будет образовываться кратер с центральной горкой, на которой тот и опрокинется. Мысль об изменении компоновки ДУ разработчикам, види­мо, прийти не успела… Ещё раз «большая фара» всплыла поч­ти через 10 лет в проекте спасательно­го корабля для орбитальных станций «Мир» и МКС. Схема напоминала окончательный вариант «Зари» — боль­шой фарообразный СА и маленький агрегатно-двигательпый отсек — но посадка предполагалась уже парашют­ная. Проект предлагался как альтер­натива американским аппаратам того же назначения (которые позже дошли до модельных продувок) и не получил финансирования…

История «Клипера» и «Ориона» про­шла у нас на глазах. Но «Орион»-то ещё имеет немалые шансы полететь, хотя бы как средство снабжения МКС и тех орбитальных сооружений, кото­рые, может быть, последуют за ней. А вот с «Клипером» получилось совсем печально.

«Внешней» и официальной причиной прекращения разработки стал отказ Европейского космического агент­ства участвовать в проекте крылатого СА, в который трансформировался первоначальный несущий корпус. Но ведь крылатый вариант появился не от хорошей жизни. С одной стороны, принятые проектно-конструкторские решения исключили использование преимуществ первоначальной аэро­динамической компоновки (логичные в одноразовом «Союзе», они выглядят странно для многоразового корабля), а с другой — конструкторы не смогли ре­шить задачу размещения парашютного контейнера!

Между тем, форма несущего корпуса, изначально предложенная для «Клипе­ра», обладает, по крайней мере, двумя фундаментальными преимуществами перед традиционными спускаемыми аппаратами.

Во-первых, СА традиционной формы имеют однозначную связь между про­дольными и в поперечными размера­ми, т.е. при том же поперечном габа­рите (который задаётся применяемым носителем) тем же остаётся и объём. В результате грузоподъёмность ракеты позволяет, например, увеличить вме­стимость корабля, но дополнительных людей посадить уже некуда. Во-вторых, к новым КС предъявляет­ся ещё одно требование: они должны использоваться и в составе комплек­сов для полёта к Луне и Марсу. Но при этом скорость входа в атмосферу возрастает па десятки процентов, а тепловой поток, нагревающий СА, — пропорционально квадрату скорости. И оказывается, что если для лунных экспедиций традиционная форма СА ещё проходит (правда, на пределе), то для марсианских она уже не годится — меняется сам механизм теплообмена, нужно не затупление, а, наоборот, зао­стрение носовой части — и тут-то, как раз, форма «Клипера» оказывается вне конкуренции!

Как бы то ни было, «Клипер» не состо­ялся, и сегодня корабли следующего поколения разрабатываются по другой концепции.