3.18   Концепции космических аппаратов

3.18   Концепции космических аппаратов

Уже рассказывалось о книге, которую я написал по инициативе В. Глушко, генерального конструктора НПО «Энергия». Работа над этой небольшой брошюрой «Пилотируемые космические корабли» сначала подтолкнула меня к размышлению о различных концепциях космических аппаратов, а затем инициировала новые идеи, родила варианты кораблей, на которых можно запускать на орбиту мужчин и женщин и возвращать их обратно на Землю. Как конструктор я не мог удержаться, чтобы не анализировать и не критиковать уже реализованные концепции, не искать пути их модификации и совершенствования. Это было время, когда уже вовсю летал американский Спейс Шаттл, а у нас в НПО «Энергия» тогда секретно, но полным ходом, разрабатывался советский «Буран». Европейские страны в рамках Европейского космического агентства (ЕКА) во главе с Французским космическим агентством (КНЕС) и с фирмой «Аэроспесиаль» в качестве головного подрядчика приступили к разработке и интеграции «Гермеса», миниатюрного Спейс Шаттла. Другие страны предлагали свои концепции, разновидности космических самолетов (КС). Среди специалистов продолжались дебаты о преимуществах и недостатках двух основных подходов к созданию пилотируемых космических кораблей: крылатых КС многоразового использования и одноразовых кораблей типа «Союз» с возвращаемой на Землю капсулой, которые продолжали летать и совершенствоваться. Этот вопрос был и до сих пор остается важным и актуальным.

Благодаря работе над брошюрой я тоже оказался вовлеченным в этот процесс, который привел меня к начальным, концептуальным разработкам. Как человек практический, я с самого начала относился к этому виду своей деятельности полусерьезно. На это было несколько весомых причин. Во–первых, до этого времени мне не приходилось профессионально разрабатывать корабли в целом. Во–вторых, представлялось очевидным, что осуществить эти проекты было бы очень трудно. В–третьих, основное дело занимало большую часть моих сил и времени. Тем не менее время от времени глобальные идеи и проектные мысли приходили мне в голову, и я превращал их в эскизы, сделанные, как правило, от руки, дополненные короткими описаниями и обоснованиями. Самые первые идеи появились на берегу Черного моря, после купания в очень холодной январской воде 1984 года.

Мысль, как известно, рождается на бумаге.

Природа полета в космос противоречива. Полет можно разбить на три основных фазы: запуск на орбиту на ракете, полет в космосе за пределами атмосферы, и, наконец, возвращение с орбиты. На всех трех этапах к космическому кораблю, его конфигурации и основным характеристикам предъявляются различные требования. Крылья, если уже их решили ввести, нужны этому космическому самолету (КС) только на третьей фазе полета, при возвращении на Землю, а точнее, лишь на самом последнем его участке — при приземлении и посадке. Они не нужны, и даже мешают, тянут его вниз при взлете, в полете на орбите. Возможно, они были бы полезны, если их использовать как панели солнечных батарей. На большей части третьей фазы — при входе и торможении в атмосфере — крылья нагреваются в верхних слоях атмосферы, поэтому их приходится покрывать теплоизоляцией для защиты от нагрева, это утяжеляет и без того весьма неэффективную в весовом отношении конструкцию. За все эти издержки крылья дают возможность садиться на взлетно–посадочную полосу привычным, проверенным способом и улучшают маневренность для захода на посадку.

Мне казалось логичным рассмотреть варианты переконфигурации космического самолета в полете на различных его фазах: при запуске, орбитальном полете и возвращении с орбиты. Анализ созданных проектов и точная формулировка задачи подсказывали возможные решения. Одно из них — убирать, складывать крылья. Так появилась новая концепция, а точнее — основная идея. Можно сказать больше: идея складывать крылья не нова, она неоднократно выдвигалась и реализовалась там, где крылья очень мешали. В моем проекте корабль, как и раньше, разбивался на отсеки, однако в отличие от «Союза» или «Аполлона» эти отсеки, за исключением отдельных отбрасываемых частей, которыми целесообразно было пожертвовать ради оптимизации системы, возвращались на Землю. Достоинства и недостатки, как всегда, проявлялись в деталях, так сказать, в оттенках.

Мне самому нравилась новая разработка: во–первых, она представлялась логичной, хорошо соответствовала поставленной задаче; во–вторых, достигался новый существенный эффект, сам корабль становился многоразовым, с характеристиками, близкими к капсульной конфигурации; в–третьих, она базировалась на существовавших компонентах системы, технике и технологии. Однако дело было не только в конструктивной идее. Создание любой системы, относящейся к РКТ, требовало не только продуманной конструктивной концепции. Самолет и космический корабль проходят длинный путь отработки, который насыщен испытаниями, иногда более суровыми, чем при реальном полете. Понимание этого привело меня к выработке последовательного плана создания сначала многоразового космического корабля капсульного типа. Так появился план превращения одноразового грузового корабля типа «Прогресс» в многоразовый, — сначала работая по частям, по отдельным модулям, а затем — проводя интеграцию этих модулей в многоразовый пилотируемый корабль.

Такой подход мог сократить затраты и сроки создания обновленной РК–системы и поставить проект на реальные рельсы, кратчайшим путем ведущие к цели. Начав с беспилотного варианта корабля, можно также сократить риск, связанный с полетом человека, и приступить к летным испытаниям гораздо раньше.

В то время, как и сейчас, в ходе описания этой страницы своей творческой биографии, идея увлекла меня. Однако многие специалисты, с которыми мне пришлось обсуждать этот проект, реагировали прохладно–вежливо. Это была, пожалуй, естественная реакция на такого рода инициативу, которая исходила от проектанта–любителя. Другого трудно было ожидать. Недаром учил нас «старый волк», по–своему мудрый Э. Корженевский, долгие годы руководивший конструкторами нашего КБ, «не высовываться»; а он еще в молодости дал себе зарок не проявлять самостийной инициативы. У меня была другая натура, а жизнь не переучила, не сумела поломать эту природу. Оставалась небольшая надежда, что генеральный или главный конструктор проявят какой?то интерес. Думаю, что Королёв, по крайней мере, не отмахнулся бы от предложенной концепции, которая отвечала двум основным требованиям: первое — сулила существенное улучшение характеристик космического корабля, и второе — оставалась реальной.

Новое время — новые песни и новые солисты. Глушко спросил меня, как будет садиться корабль, поняв, что — не на ракетных двигателях, он сразу потерял интерес к предложению.

У меня и сейчас осталась слабая надежда, что последняя песня здесь все же не спета. Может быть, удастся объединить усилия с другими конструкторами на Западе, с французами или американцами, или на Востоке, с японцами или китайцами.

К концу 80–х годов по инициативе В. Глушко и К. Феоктистова, под руководством последнего в НПО «Энергия», приступили к проектированию многоразового корабля, в котором использовались ракетные двигатели для посадки, включая конечный этап приземления. В. Глушко был выдающимся двигателистом, поэтому идея использовать родные ему реактивные двигатели для решения новой задачи увлекла его: на его моторах все космонавты запускались на орбиту, он должен был сделать последнюю попытку возвратить их назад тем же способом, сделать полет полностью реактивным.

К. Феоктистов, тоже человек увлекающийся, упорно и настойчиво следовал выбранному решению. С упорством и находчивостью, достойными подражания, он стал проектировать новый космический корабль, получивший название «Заря». К этому времени у него обострились отношения с Ю. Семёновым, и он при поддержке В. Глушко целиком занялся новым проектом, разрабатывал варианты корабля и ракетно–космической системы в целом. Против оппонентов, которые критиковали концепцию в целом, отдельные характеристики корабля и его основных систем, он находил новые аргументы и усовершенствованные технические решения.

Мне тоже не нравилась выбранная концепция корабля «Заря». Откровенно говоря, никто и не спрашивал ни моего мнения, ни совета. Однако дело было не в субъективном отношении. Для любого летательного аппарата посадка — самая критическая фаза полета. Два важнейших соображения должны определять выбор средства посадки: эффективность и безопасность, последнее, конечно, важнее. В этом смысле тормозные реактивные двигатели — «ретроракета» — не смотрелись по сравнению с двумя другими известными способами посадки — парашютами и крыльями, которые также использовались для приземления всех созданных кораблей. Вместо естественного планирования в атмосфере, которым пользуется практически все летающее на Земле, предлагалось установить на борту ретроракету с баками топливных компонентов, со всеми ее системами и подсистемами. Эту ретроракету с полным запасом топлива и даже кислорода приходилось бы брать с собой в космос, разгонять скорость до орбитальной, а затем гасить ее до нуля. В свободном, как камень, падении к земле, на высоте нескольких сот метров, когда оставалось лишь несколько секунд полета, требовалось запустить эти двигатели, обеспечить устойчивость и плавное приземление. Все это — действительно суперзадача даже для самых изощренных ракетчиков. Стоила ли игра свеч?

Конфигурация при спуске на парашюте в принципе устойчива, аэродинамические формы делают устойчивым полет самолета. Чтобы обеспечить устойчивость корабля с ретроракетой, нужно принимать дополнительные, можно сказать, жесткие меры, а сделать это совсем не просто. Такой корабль, осуществляющий посадку, неустойчив, если не управлять им непрерывно и, можно сказать, изощренно.

Осуществить подобный проект в целом для современного уровня техники -задача очень сложная. Многие частные проблемы видны на поверхности, другие — менее очевидные — подводные камни наверняка встретились бы при отработке. Однако самый существенный фактор — безопасность соприкосновения с Землей.

Короткая, но насыщенная история РКТ оставила нам примеры ракетно–посадочных систем. В программе «Аполлон» астронавты прилунялись, используя реактивные двигатели посадочной ступени лунной кабины. Там деваться было некуда: Луна лишена атмосферы. Посадка на Луну являлась одной из самых сложных и опасных фаз полета, одной из самых критических. Чтобы уменьшить степень риска при прилунении, упростили до предела двигатель ретроракеты. Предусмотрели также дублирование основных систем, резервную возможность выполнить критические операции. Если что?то случалось с посадочной ступенью, астронавты могли отделиться от нее и, запустив двигатель взлетной ступени, вернуться на окололунную орбиту, где их поджидал командный модуль для полета назад к Земле.

Другим прототипом могут также служить самолеты с вертикальным взлетом и посадкой (ВВП). На них используются воздушно–реактивные двигатели, поэтому там не нужны баки с кислородом. Тем не менее самолеты с ВВП, пожалуй, самые сложные в современной авиации и наименее эффективные. Их применение ограничено очень узкой областью. Единственная возможность повысить безопасность — это предусмотреть дополнительное средство спасения для космонавтов, например катапультируемые кресла с парашютами, подобные тем, которые используются на военных самолетах. Однако на космических кораблях осуществить катапультирование значительно сложнее. Видны и другие проблемы, которые могут стать критическими.

В начале 1989 года умер В. Глушко. Вскоре отношения К. Феоктистова с Ю. Семёновым приблизились к критической черте. После их разрыва работы над «Зарей» прекратились.

В начале 90–годов мне попала на глаза информация о том, что американцы начали заниматься проектированием одноступенчатого корабля, точнее, ракетно–космической системы. Меня это очень удивило — ведь речь шла не о теоретических оценках возможного полета на орбиту и возвращения на Землю, а о практической разработке моноблочного ракетно–космического аппарата, который, по замыслу, должен запускаться, летать и приземлиться в одной и той же конфигурации. Проект получил название Single Stage to Orbit -SSTO (одной ступенью на орбиту — ОСНА). На первый взгляд, схема очень заманчива, но только на самый первый.

О принципиальных трудностях обеспечения посадки при помощи реактивных двигателей уже говорилось. Однако ОСНА не просто корабль типа «Заря». Это корабль вместе с ракетой–носителем, объединенные в одно целое. Посадить на землю такого монстра задача неизмеримо более сложная. Но дело даже не в этом. Известно, что максимальная скорость ракеты зависит от скорости истечения продуктов сгорания из сопла двигателя, в свою очередь определяемого топливом, и отношением веса заправленной и пустой ракеты. Используя основополагающую формулу Циолковского и проведя не очень сложные вычисления, можно показать, что при самом эффективном химическом топливе сегодняшнего дня (кислороде и водороде) необходимо выдержать соотношение между стартовым весом и весом ракетно–космического аппарата на орбите, которое до сих пор не было достигнуто для самых совершенных ракет. Однако и это еще не все.

В проекте ОСНА к весу «сухой» ракеты с космическим кораблем надо прибавить вес дополнительной теплоизоляции, которая должна защищать корабль и ракету от перегрева при торможении в атмосфере при возвращении на Землю, а также прибавить вес дополнительного топлива, необходимого для посадки, и вес самого посадочного устройства. Даже если бы удалось преодолеть все эти проблемы, сверхлегкая конструкция, как яичная скорлупа, неизбежно развалилась бы при возвращении с орбиты при входе в атмосферу.

Все сказанное — это лишь самые крупные, видимые на глаз проблемы, а приведенный анализ — не научное исследование. Однако и он показывает, что современная РКТ далека от того, чтобы серьезно говорить об одноступенчатых космических системах. Они требуют нового поколения технологий, в первую очередь нехимического или какого?то сверххимического ракетного топлива.

Находясь в Вашингтоне в 1992 году, я познакомился с отставными американскими военными, объединившимися в ассоциацию ракетно–космических систем. Это были ярые приверженцы ОСНА. Их логика базировалась на элементарных соображениях, я бы сказал, рекламного характера: Спейс Шаттл плох с оперативной, эксплуатационной точки зрения, потому что он требует для каждого следующего полета обновленных ускорителей, нового топливного бака и очень много–много времени и средств на подготовку к следующему запуску. По сравнению с ним самолет — идеальный ЛА: после очередного полета его заправляют, выполняют сравнительно простое техобслуживание и он готов стартовать снова. Идеал, к которому можно если не стремиться, то уж хотя бы о нем мечтать. Однако для отставных генералов все это показалось сомнительным.

Дальше события с разработкой ОСНА стали развиваться еще более неожиданно. Известная фирма «МакДональд Дуглас» приступила к разработке первого летающего прототипа SSTO. Затратив «всего» несколько сот миллионов долларов, они создали ракетный ЛА под условным названием DX-10. Надо отдать должное специалистам фирмы, им удалось быстро создать летающую модель ракеты, которая умела взлетать и успешно садиться на Землю, они получили уникальный опыт по созданию таких ЛА. Беда только одна, но большая: он поднимался только на высоту нескольких километров, а разгонялся до скорости несколько метров в минуту. Злые языки язвили: эта самая низкая орбита из всех космических ЛА, его можно заносить в Книгу рекордов Гиннеса.

Дело, конечно, не в высоте, а в величине скорости, до которой можно разогнать аппараты типа DX-10. Эта скорость составила лишь долю процента от орбитальной.

Как нас учила диалектика, берущая начало с немецкого полуидеалиста, полуматериалиста Гегеля, количество переходит в качество. Разогнаться до скорости в 26 махов, чтобы вывести космический корабль на орбиту, а затем погасить ее для возвращения корабля на Землю, старым способом пока невозможно, задача не решается. Ступенчатость ракет есть в данном случае то самое новое качество, именно его предложил и теоретически обосновал К. Э. Циолковский. Космос оказался слишком высоким, чтобы достичь его одним прыжком, для этого потребовалась ступенчатая лестница. Расчеты и анализ конструкций, разработанных на основе существующих технологий и ракетных двигателей на химическом топливе, показывают, что создать подобную самолету одноступенчатую ракетно–космическую систему невозможно, оставаясь на том же уровне техники. Чтобы летать в космос, требуется либо ступенчатый разгон, либо качественный скачок в технике и технологии ракетных двигателей и сверхлегких конструкций.

Другого пути не видно. Земля (колыбель человечества, как назвал ее Циолковский) так просто не отпускает нас из своих объятий, и рвать пуповину оказалось совсем не просто.

Можно сказать больше о ступенчатом принципе полета и ступенчатости конструкции РК–системы. Не только ракета, разгоняющая космический корабль до орбитальной скорости, оказывается ступенчатой. По существу, все корабли, за исключением «Спейс Шаттла» и КС «Буран», были сконструированы и летали с использованием ступенчатого принципа. «Восток», «Союз», «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» имели отсеки, которые отделялись от капсулы после входа корабля в атмосферу при возвращении на Землю. В корабле «Союз», который состоит из трех отсеков, этот принцип можно назвать классическим. Деление корабля на отсеки при возвращении на Землю, хотя и не является необходимым, делает систему более рациональной, повышает надежность и безопасность приземления. Этот принцип, заложенный еще Королёвым, далеко не исчерпал себя, и, думаю, что он должен жить еще долгое время.

Все корабли, которые при возвращении делятся на отсеки, были созданы пока одноразовыми. С другой стороны, анализ показал, что ступенчатый принцип не исключает возможности создать корабль многоразового использования, состоящий из нескольких отсеков. К этим идеям и проработкам я неоднократно возвращался все последующие годы, надеюсь, что они тоже еще не исчерпаны.

Механика космического полета оказалась такой же квантовой, как и физическая.

Еще одна страница моей проектно–корабельной биографии связана с разработкой так называемого корабля–спасателя. Эта тема, связанная с созданием средства возвращения экипажа с космической станции, возникла в НПО «Энергия» в самом начале 90–х годов. Трехместный «Союз» рассматривался как корабль для экстренного возвращения экипажа со станции «Фридом». Он смотрелся — за исключением двух параметров: числа членов экипажа (хотелось бы разместить в нем до б—8 человек) и времени пребывания на орбите (до нескольких лет вместо полугода). Сначала эта тема коснулась меня только благодаря тому, что, как всегда, требовалось устанавливать стыковочный агрегат на новый корабль, эта задача не вызывала особых проблем и последствий. Тем не менее где?то в конце 1991 года мне пришла в голову идея, которая занимала меня всю ту зиму, к ней я снова и снова возвращался в последующие годы. Однажды фирма «Роквелл» чуть не взялась рассмотреть технические предложения по этому варианту.

Основная идея оказалась, как часто бывает, проста: предлагалось создать корабль на 9 человек, который включал в себя сразу три союзовских спускаемых аппарата (СА). Удачным оказалось то, что такой трехглавый корабль вполне размещался в отсеке полезного груза «Спейс Шаттла», в котором его было бы удобно доставлять на орбиту, там ему предстояло нести дежурство. Вся конфигурация — довольно очевидна, почти проста, ничто так не очевидно, как ясная простая концепция. Однако за техническими предложениями (ТП) стояла не только конфигурация.

В процессе дальнейшей работы над ТП появилось много частных проблем. С другой стороны, хорошие рациональные идеи позволяли увеличить продолжительность жизни корабля на орбите. Не только это: чтобы понять настоящие достоинства концепции, нужно вспомнить, какую роль выполняет СА, или капсула, в космическом полете. Она служит экипажу от начала и до конца: в полете на ракете и в космосе, при возвращении на Землю, до момента, когда ставится последняя точка каждой миссии. Капсула для космонавтов — это последний отсек, который защищает их от скоростного напора и вакуума, от перегрева, переохлаждения и от многого другого. Чтобы капсула делала все как надо, ее отрабатывали и доводили годами. Сначала, еще до полета в космос, её испытывали на Земле, потом сбрасывали с самолета, затем — во время многократных беспилотных пусков, и, наконец, в пилотируемом варианте корабль залетал. Этот процесс, как известно, шёл сначала трудно, даже с трагическими исходами. Только несколько лет спустя полеты корабля «Союз», возвращения капсулы на Землю стали регулярными и надежными. Есть большой смысл сохранить эту надежную голову корабля на будущее.

Я снова вспомнил об этом, о чем уже пришлось писать в предыдущих главах, в рассказах о «Союзе-1», летавшем в апреле 1967 года, и о «Союзе-11» — в июне 1971–го. Корабль–спасатель с тремя СА чем?то напомнил мне Змея Горыныча из русских сказок с тремя отдельными головами, раскаленными, огнедышащими. В отличие от него, нападавшего на добрых молодцев, эти головы готовы сослужить им добрую службу, возвратить из космоса в трудную минуту и мягко приземлить.

Концепция, конфигурация корабля–спасателя с тремя СА еще долго пробивала себе дорогу. Мне еще предстоит вернуться к этой очередной одиссее в следующей главе, и не только в книге.

Можно было бы заглянуть еще дальше, подумать, как объединить многие из упомянутых здесь идей: ступенчатость и модульность, многоразовость и безопасность. Однако надо остановиться, поставить точку. Требуется еще какое?то время, чтобы осознать внешние и внутренние факторы, связать необходимость и возможность.