Предварительные разработки системы «Шаттл»

В апреле 1969 г. НАСА сформировало рабочую группу по системе «Спейс Шаттл». На этапе А предварительной разработки было решено, что система будет состоять из двух самолетов с ракетными двигателями разгонного («Бустер») и орбитального («Орбитер»). Предполагалось, что «Орбитер» будет функционировать на орбите высотой 480 км и возвращаться с горизонтальной посадкой на аэродромную полосу, подобно обычному самолету.

Обе ступени, соединенные вместе, стартуют вертикально; тяга создается дросселируемыми кислородно-водородными двигателями с высокими энергетическими характеристиками. На некоторой высоте ступени разделяются. «Бустер» возвращается на базу, «Орбитер» продолжает активный полет на орбиту, где он будет функционировать как космический корабль.

Полезный груз «Орбитера» максимальной массой 11 300 кг размещается в грузовом отсеке в задней части ступени. В передней ее части расположена герметичная кабина, вмещающая двенадцать пассажиров и двух членов экипажа.

Работы на этапе А велись многими аэрокосмическими фирмами. Вслед за предварительным рассмотрением проектов в августе 1969 г. НАСА организовало симпозиум по проектированию челночной системы, состоявшийся 16-17 октября 1969 г. в Вашингтоне в Смитсонианском музее естественной истории. Было представлено 30 работ по конфигурации аппарата, конструкции двигателей и сопутствующим техническим проблемам. Кроме основных американских аэрокосмических фирм и правительственных лабораторий была представлена также аэрокосмическая промышленность Англии, Франции и ФРГ.

Хотя рассматривались аэродинамические схемы с прямым крылом и несущим корпусом, для «Орбитера» (так же как и для «Бустера») была принята схема с дельтавидным крылом, обеспечивающая большую устойчивость и большую боковую дальность при спуске с орбиты. На обоих аппаратах предусматривалась установка турбореактивных двигателей для маневрирования в атмосфере.

В начале 1970 г. НАС А опубликовало рисунок нового крылатого космического корабля по результатам предварительных исследований на этапе В. Обе ступени были внушительных размеров: «Бустер» был подобен по размерам авиалайнеру «Боинг-747», «Орбитер» - транспортному самолету «Боинг-707». Такие размеры определялись объемами внутренних топливных баков для ракетных и турбореактивных двигателей.

Во всех отношениях челночный аппарат на этапе В предварительной разработки был полностью многоразовым, но при минимальной стоимости одного полета он требовал на разработку наибольших затрат из всех рассмотренных проектов.

Поскольку в национальном бюджете стоимость разработки корабля «Шаттл» была ограничена суммой 5,15 млрд. долл., для осуществления проекта потребовалось введение одноразовых элементов матчасти. НАСА рассмотрело несколько компромиссных технических решений. Одним из них было применение одноразового внешнего топливного бака. Благодаря этому стало возможным уменьшить размеры «Орбитера». Дальнейшего снижения стоимости разработки можно было достичь путем отказа от возвращающегося «Бустера» и замены его ракетными ускорителями, причем твердотопливные были дешевле, чем жидкостные.

Когда эти компромиссные решения были приняты в конце 1971 г. с целью подогнать программу под «прокрустово ложе» правительственного бюджетного бюро, транспортная система «Шаттл» в итоге работ на этапе В стала представлять собой планер с ракетными ускорителями. Некоторое время в составе «Орбитера» сохранялись турбореактивные двигатели (что существенно уменьшало полезный груз) для обеспечения безопасности посадки благодаря возможности повторного захода на полосу. В конце концов от этих двигателей отказались, как и от системы аварийного спасения экипажа при старте.

Наряду с недостатками указанные проектные изменения имели и положительные стороны. Более чем вдвое была увеличена грузоподъемность системы при выведении на орбиту, которая составила 29 500 кг. Максимальная масса возвращаемого груза была увеличена до 14 500 кг.

При возросших массах выводимого и возвращаемого полезных грузов стало возможным совершать полеты с размещением в грузовом отсеке «Орбитера» длиной 18,3 м полностью оснащенной космической лаборатории. Таким образом, европейской лаборатории «Спейслэб» предоставлялась возможность стать самым большим и самым важным полезным грузом космического корабля «Шаттл».

Система «Шаттл»

Проект корабля «Шаттл», состоящего из трех элементов - «Орбитера», ракетных ускорителей и сбрасываемого топливного бака - был одобрен 5 января 1972 г. Вопрос о целесообразности использования жидкостных или твердотопливных ускорителей был разрешен 15 марта 1972 г. в пользу двух твердотопливных ракетных двигателей, которые после их отделения и приводнения в океане должны возвращаться и использоваться повторно. НАСА планировало программу из 570 полетов «Шаттла» в период 1980-1990 гг. Головным разработчиком «Орбитера» было назначено космическое отделение «Спейс дивижн» корпорации «Норт америкен Рокуэлл» (ныне «Рокуэлл Интернэшнл») при сумме ассигнований 2,6 млрд. долл. за шесть лет. Независимый контракт на разработку основного двигателя был заключен ранее с фирмой «Рокетдайн», являющейся филиалом корпорации «Рокуэлл». Разработчиками других элементов системы стали «Тиокол кемикл корпорейшн» - твердотопливные ракетные ускорители, «Макдоннел - Дуглас астронотикс» - агрегаты конструкции, «Юнайтед спейс бустерс» - оборудование проверки, сборки, запуска и восстановления, «Мартин-Мариетта» - внешний топливный бак.

Окончательно принятая к разработке транспортная система «Спейс Шаттл» представляла собой аппарат самолетного типа длиной 37,24 м с дельтавидным крылом, имеющим размах 23,79 м, отсеком полезного груза длиной 18,3 м и шириной 4,57 м и вертикальным килем с рулем направления, имеющим поворотные щитки, работающие как воздушный тормоз.

Размеры «Орбитера» казались скромными в сравнении с размерами твердотопливных ускорителей длиной 45,5 м и диаметром 3,7 м и внешнего бака длиной 47 м и диаметром 8,38 м. В вертикальном стартовом положении бак закрепляется между ускорителями и к нему сбоку пристыковывается «Орбитер». Для выведения особо тяжелых полезных грузов могут быть установлены дополнительные твердотопливные ускорители.

В условиях неопределенной отсрочки создания космической станции, космического буксира и других средств, предусмотренных планом космической рабочей группы 1969 г., «Шаттл» разрабатывался как универсальная транспортная система без определенной целевой функции. Система была задумана в первую очередь как средство смены экипажей и материально-технического снабжения космической станции, однако такая станция не существовала и решение о ее финансировании не было принято. В связи с этим задачи «Шаттла» предстояло пересмотреть.

Точка зрения представителей НАСА состояла в том, что частично многоразовая система заменит большинство полностью одноразовых ракет-носителей, находящихся в распоряжении этой организации. Однако, поскольку рабочие орбиты «Шаттла» ограничены высотами 200-1000 км, он не сможет выполнить все задачи, решаемые одноразовыми носителями «Атлас-Центавр», «Дельта» или «Титан-3», так как не в состоянии достичь геостационарной орбиты высотой 35 800 км. Для выведения связных, метеорологических или научных спутников на такую орбиту необходима верхняя ступень.

В программе космической рабочей группы эта задача возлагалась на космический буксир с двигателем на химическом топливе. Однако его разработка не была санкционирована. Поэтому были рассмотрены другие варианты. Министерство обороны предполагало использовать верхнюю ступень с инерциальной системой наведения - «ИУС» (англ. IUS - Inertial Upper Stage) для военных операций на геостационарной или других высоких орбитах.

НАСА начало разработку (затем остановленную) радиоуправляемой ступени «ТРС», первоначально проектируемой для стыковки со станцией «Скайлэб» в качестве ускорителя при втором орбитальном испытательном полете. Однако создание этой ступени было отложено, когда задержки разработки «Шаттла» исключили всякую возможность достижения станции «Скайлэб» в приемлемые сроки, чтобы разогнать ее для перевода на безопасную орбиту или обеспечить управляемый вход в атмосферу.

Несколько аэрокосмических фирм заключили на коммерческой основе соглашения с НАСА об изготовлении твердотопливных верхних ступеней, стабилизируемых вращением, для выполнения различных операций с полезным грузом. Все эти ступени будут выводиться на низкую околоземную орбиту вместе со спутниками в грузовом отсеке корабля «Шаттл», из которого они будут извлекаться манипулятором, дистанционно управляемым из кабины. Ступени отличаются от космического буксира многоразового использования тем, что они являются одноразовыми и, таким образом, их длительная эксплуатация обойдется дороже.

«Спейслэб»

Представители НАСА и промышленности, занимающиеся планированием операций «Шаттла», предполагали использовать его не только для выполнения функций «космического грузовика», заменяющего одноразовые ракеты-носители, но и для налаживания космического производства. Эксперименты, проведенные во время полетов корабля «Аполлон» на Луну, по программе «Аполлон» - «Союз» в 1975 г. и на станции «Скайлэб», показали, что невесомость, возникающая при полете космических аппаратов, создает благоприятные условия для ряда технологических процессов. Среди таких производственных процессов выращивание кристаллов высокой чистоты для электронных приборов, получение сверхпрочных сплавов металлов и фармацевтических препаратов высокой чистоты, например вакцин.

Потенциальные производственные возможности, продемонстрированные в экспериментах по программам «Аполлон» и «Скайлэб», вряд ли могли быть реализованы без космической лаборатории. Бюджетные ограничения не позволили НАСА разработать такой лаборатории. НАСА обратилось к Западной Европе, где предложение было поддержано, и консорциум из десяти стран дал согласие разработать лабораторный комплекс «Спейслэб».

«Спейслэб» проектировался с учетом размеров грузового отсека «Орбитера» и весовых ограничений. На начальном этапе он будет использоваться как присоединенный полезный груз, а в дальнейшем может стать свободно летающей лабораторией и оставаться на орбите в промежутках между полетами «Шаттла».

14 августа 1973 г. НАСА и Европейское космическое агентство, представляющее консорциум, подписали меморандум взаимопонимания, предусматривающий разработку лаборатории «Спейслэб» с начальной стоимостью около 500 млн. долл.

«Спейслэб» состоит из двух частей: одна из них представляет собой герметизированный цилиндрический технологический модуль, другая - открытую платформу, на которой могут быть установлены блоки научных приборов.

Герметизированный модуль состоит из двух отсеков, каждый длиной 2,7 м и диаметром 4,06 м. Один из этих отсеков, базовый, включает оборудование системы жизнеобеспечения, аппаратуру для обработки информации и рабочее помещение. Другой отсек - полностью лабораторный. При совместной сборке оба отсека образуют лабораторный отсек длиной 6,9 м вместе с торцевыми выпуклыми днищами. Базовый отсек может функционировать отдельно.

Открытая платформа также состоит из секций длиной по 2,9 м. В грузовом отсеке может быть установлено до пяти таких секций, причем возможны различные комбинации отсеков герметизированного модуля и секций открытой платформы. При первом полете «Шаттл» - «Спейслэб» («Спейслэб-1») планировалось вывести лабораторный отсек и одну секцию открытой платформы. Этот полет первоначально предполагалось осуществить во второй половине 1982 г., однако в связи с задержками работ по программе «Шаттл» он был перенесен на более поздний срок. В полетах лаборатории «Спейслэб» будет участвовать экипаж из шести человек: командира, пилота, двух специалистов по операциям, подготовленных по программе для астронавтов, и двух специалистов по полезному грузу с ограниченной подготовкой по программе для астронавтов.

От Европейского космического агентства в программе «Спейслэб» участвуют Австрия, Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Италия, Нидерланды, Испания, Швейцария и Великобритания. Головным разработчиком выбрана западногерманская фирма VFW-«Фоккер»/ERNO (г. Бремен), причем ФРГ вкладывает наибольшую долю средств. Руководство программой осуществляет Европейский центр космических исследований и технологии (ESTEC) в Ноордвейке (Нидерланды).

Во время первых двух полетов лаборатории «Спейслэб» планируется провести более 50 научных экспериментов, в том числе 37 экспериментов в лаборатории «Спейслэб-1» (24 европейских и 13 американских). Лаборатория «Спейслэб-2» будет содержать только секции открытой платформы с установленными на них астрономическими, астрофизическими и метеорологическими приборами. Полет лаборатории «Спейслэб-3», запланированный в интересах многих заказчиков, назначен на апрель 1984 г. Комплекс будет состоять из герметизированного модуля, составленного из двух отсеков (большой модуль), и открытой платформы с оборудованием для производства материалов и научных экспериментов.

Значение программы «Спейслэб» не только в том, что лаборатория является важным полезным грузом, но и в том, что она дает возможность странам Западной Европы участвовать в пилотируемых космических полетах. Из двух специалистов по полезному грузу, которые будут находиться на борту «Спейслэб-1», один будет европеец, другой американец.

В начале эксплуатации корабля «Шаттл» и лаборатории «Спейслэб» специалистами по операциям будут ученые-астронавты, которые в течение ряда лет состоят в отряде астронавтов. Новая группа астронавтов корабля «Шаттл» начала тренировки в 1978 г. Из 8000 лиц, подавших заявления, было отобрано 35 человек, включая 6 женщин. В конце концов новые астронавты заменят астронавтов старшего поколения в качестве пилотов и специалистов по операциям.

«Энтерпрайз» и «Колумбия»

Испытания первого «Орбитера», названного «Энтерпрайз», были начаты Центром летных исследований Драйдена на базе ВВС Эдвардс в феврале 1977 г.

Испытания проводились с целью проверки систем «Орбитера» и оценки его летных характеристик в нижних слоях атмосферы. Программа началась рулежными испытаниями, при которых «Орбитер» был установлен на фюзеляже реактивного транспортного самолета «Боинг-747». Затем последовала серия беспилотных и пилотируемых летных испытаний в связке с самолетом-носителем от взлета до посадки. Во время этих испытаний тщательно проверялась работа аэродинамических органов управления «Орбитера» - элевонов на крыльях, подфюзеляжного щитка и воздушных тормозов на верхней секции руля направления.

Пилотируемые испытания в свободном полете начались 12 августа 1977 г. Астронавты Ф. Хейз и К. Фуллертон пилотировали 75-тонный планер по U-образной трассе после его отделения на высоте около 7000 м от самолета «Боинг-747» и успешно совершили посадку. Обоих астронавтов удивила быстрота реакции «Орбитера». В управлении он напоминал истребитель.

Еще четыре испытания в свободном полете подтвердили результаты первого - характеристики «Орбитера» в нижних слоях атмосферы соответствовали данным испытаний в аэродинамических трубах. О характеристиках в верхних слоях атмосферы при гиперзвуковых скоростях предстояло судить только по результатам орбитальных летных испытаний. Испытания захода на посадку и посадки на авиабазе Эдвардс были завершены 26 октября 1977 г.

После этого «Энтерпрайз» был отправлен на самолете-носителе «Боинг-747» в Центр космических полетов им. Маршалла (г. Хантсвилл, шт. Алабама) для вибрационных испытаний конструкции в течение восьми месяцев. После подтверждения летной годности конструкции аппарат был доставлен 10 апреля 1979 г. на самолете «Боинг-747» в Центр космических полетов им. Кеннеди.

1 мая 1979 г. «Энтерпрайз» в сборе с внешним баком и твердотопливными ускорителями выкатили из здания сборки на подвижной стартовой платформе.

«Шаттл» вместе с платформой общим весом более 5000 т был перевезен на расстояние 5,6 км к стартовой позиции № 39А 2700-тонным дизель-электрическим транспортером. Эта тяжеловесная машина, созданная для транспортировки полной сборки комплекса «Сатурн»- «Аполлон» на стартовую площадку, а также две стартовые площадки были приспособлены для корабля «Шаттл».

«Энтерпрайз» был установлен на площадке в стартовом положении. Таким он предстал перед тысячами восхищенных зрителей - ширококрылая птица, приютившаяся между гигантским топливным баком и ракетными ускорителями. Пробная транспортировка была проведена с целью проверки клиренсов, особенно в модифицированном здании вертикальной сборки, для последующей перевозки «Колумбии» (так был назван «Орбитер-102», который предназначался для запуска при первом орбитальном полете «Шаттла»).

«Колумбия» была доставлена из Калифорнии 24 марта 1979 г. на самолете «Боинг-747». Она была отбуксирована в недавно построенный комплекс обслуживания «Орбитера» для подготовки к старту. Основными подготовительными операциями были монтаж трех ракетных двигателей в хвостовой части и завершение установки системы теплозащиты, которая частично была произведена на заводе.

Система теплозащиты (тепловое экранирование) в основном состоит из 30 922 плиток, изготовленных из кварцевого волокна. Все плитки имеют разную форму, близкую к прямоугольнику со средними размерами сторон 15,2 и 20,3 см. Плитки приклеиваются к верхней и нижней поверхностям аппарата. Носок фюзеляжа и передние кромки крыла, подвергаемые наибольшему нагреву, защищены углерод-углеродным материалом. Для защиты створок грузового отсека, нижней задней поверхности фюзеляжа и верхней задней поверхности крыла применяется войлочная теплоизоляция «Номекс» (Nomex). Каждая плитка спрофилирована в точном соответствии с формой поверхности «Орбитера». После приклеивания плиток к обшивке аппарата из легкого сплава были проведены испытания на отрыв с целью проверки прочности соединения. Плитки, не выдержавшие испытания, заменялись новыми, подвергнутыми процессу уплотнения, повышавшему прочность соединения в 2-4 раза. Поверхность плиток была обработана кварцево-аммиачной суспензией и дважды термически обработана в течение 24 ч. Такому процессу уплотнения были подвергнуты около 4 500 плиток.

Затем с помощью вулканизатора, работающего при комнатной температуре, уплотненные плитки прикрепляются к обшивке «намертво», как считают эксперты фирмы «Рокуэлл». Однако процесс испытаний плиток удлинил еще на несколько месяцев и без того нарушенный график подготовки «Колумбии».

Три водородно-кислородных ракетных двигателя с номинальной тягой в вакууме по 213 000 кгс первоначально определяли темп работ над «Шаттлом». Трудности их разработки вызвали почти двухлетнее отставание от графика подготовки пуска. Двигатели имеют наивысшие из всех известных НАСА давление в камере сгорания и удельный импульс и могут дросселироваться в диапазоне 50-109% номинальной тяги.

Создавая двигатель, более мощный, чем предыдущие, фирма «Рокетдайн» столкнулась с многими проблемами разработки фактически нового двигателя, несмотря на 15-летний опыт отработки технологии. Проблемы и задержки создания двигателя привели к росту стоимости и отклонению от графика подготовки программы «Шаттл» - «Спейслэб».

В год одобрения проекта, т.е. в 1972 г., первый пилотируемый орбитальный испытательный полет планировался на март 1978 г. Пришлось решить целый ряд проблем по двигателю и тепловой защите, прежде чем в начале 1981 г. НАСА утвердило дату запуска 10 апреля. Однако в этот день за 20 мин до старта произошло рассогласование по времени на 40 мс между четырьмя основными бортовыми вычислительными машинами, что привело к дополнительной отсрочке запуска. Неполадка была быстро обнаружена и устранена, и 12 апреля в 7 ч утра по восточному поясному времени корабль «Колумбия» поднялся со стартовой позиции № 39А Центра космических полетов им. Кеннеди под действием суммарной тяги почти в 3000 тс, создаваемой тремя основными ЖРД и двумя твердотопливными ускорителями. Отделение ускорителей и внешнего бака прошло нормально (ускорители приводнились в океане в хорошем состоянии на расстоянии около 240 км от места старта), двигатели орбитального маневрирования вывели «Орбитер» на круговую орбиту высотой 240 км.

Командир корабля «Колумбия» Дж. Янг и пилот капитан Р. Криппен с похвалой отзывались о характеристиках корабля на орбите. Единственная существенная неполадка в этом полете была обнаружена после раскрытия створок грузового отсека и радиаторов - на гондолах двигателей орбитального маневрирования в нескольких местах не оказалось теплозащитных плиток. Проведя тщательный анализ, специалисты НАСА пришли к убеждению, что места отсутствия плиток не являются критическими с точки зрения тепловых нагрузок при входе в атмосферу. Во всяком случае, правильность этого вывода была подтверждена тем, что корабль «Колумбия» 14 апреля совершил благополучный вход в атмосферу, начав полет с орбитальной скоростью, соответствующей числу Маха, равному 25, и покрыв расстояние около 8150 км до касания посадочной полосы № 23 на высохшем озере Роджерс авиабазы Эдвардс (шт. Калифорния). С момента старта полет продолжался 54 ч 22 мин.

По программе летных испытаний состоялось еще три экспериментальных полета корабля «Колумбия»: второй полет (12-14 ноября 1981 г.) с экипажем в составе Дж. Энгла и Р. Трули; третий полет (22-30 марта 1982 г.) с экипажем в составе Дж. Лусма и К. Фуллертона; четвертый полет (27 июня - 4 июля 1982 г.) с экипажем в составе Т. Маттингли и Г. Хартсфилда. С пятого полета (11 -16 ноября 1982 г.), в котором экипаж состоял из четырех человек (В. Брандт, Р. Овермайер, Дж. Аллен, У. Ленуар), начались эксплуатационные полеты корабля «Спейс Шаттл».

Кроме основного космодрома в Центре космических полетов им. Кеннеди, на модификацию которого применительно к «Шаттлу» после программы «Аполлон» было израсходовано более 240 млн. долл., сооружен отдельный комплекс на базе ВВС Ванденберг (шт. Калифорния) для запусков корабля на полярные орбиты с целью выполнения военных операций. Из планируемых 60 пусков в год 40 пусков будет проводить НАСА и 20 - ВВС.

Операции НАСА, включая полеты с блоком «Спейслэб», будут осуществляться на основе прямой оплаты.

Кроме того, НАСА предоставляет возможность запусков малых автономных полезных грузов массой до 100 кг и максимальным объемом 0,15 м³ для индивидуальных потребителей, лабораторий и университетов. Размер платы составляет около 7000 долл. за 0,1 м³ полезного груза. С середины 1979 г. были оплачены 281 таких спутника.

Санкционировано изготовление четырех летных образцов корабля «Шаттл». Кроме «Колумбии» это «Челленджер» (образец 099), «Дискавери» (103) и «Атлантис» (104), повторяющие названия знаменитых исследовательских судов. Космический корабль «Энтерпрайз» будет служить испытательным стендом и для полетов не предназначен.

15. Полет человека на Марс К. Гэтланд (Великобритания)

Отвергнутый вариант

Идея посылки экспедиции на Марс не нова. Она была частью долговременной космической программы пилотируемых полетов, разработанной группой космических исследований в опьяняющие дни энтузиазма после первой триумфальной посадки человека на Луну. Археологи будущего, возможно, будут ломать голову, изучая заброшенную территорию в шт. Невада, названную «полем болванов», и окружающие ее бесплодные горы, ставшие такими после организации здесь НАСА и Комиссией по атомной энергии США Испытательного центра ядерных ракет и проведения серии испытаний (см. табл.), предваряющих создание первых экспериментальных летных образцов ядерных двигателей.

Принцип их устройства достаточно прост. Вместо камеры сгорания для сжигания жидкого водорода и жидкого кислорода в обычной ракете в ядерном двигателе имеется реактор с топливной композицией графит - обогащенный уран, который работает как источник тепла. Через каналы реактора прокачивается жидкий водород при высоком давлении, образующий при нагревании мощную истекающую струю. Кислород при этом не требуется. Привлекательность этого двигателя (хотя он более тяжелый и более дорогой) состоит в том, что реактор, действуя как теплообменник, повышает температуру водорода до такого уровня, при котором его удельная энергия возрастает на 70% (на с. 217 этот процесс представлен на рисунке).

В мае 1961 г. во время утверждения программы посадки корабля «Аполлон» на Луну было рекомендовано продолжать работы над ядерными ракетными двигателями. Был разработан проект «Нерва» (англ. NERVA — Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application — ядерный двигатель для применения на ракетных аппаратах). НАСА совместно с Комиссией по атомной энергии заключили контракт с промышленным объединением «Аэроджет дженерал корпорейшн» и «Вестингауз электрик корпорейшн» на создание двигателя «Нерва» тягой около 26 тс. Представитель НАСА разъяснил: „«Нерва» — ракетная ступень с ядерным двигателем — может обеспечить транспортировку автоматического космического корабля для исследования поверхностей Марса, Венеры, Меркурия, некоторых спутников Юпитера и астероидов. Доставка образцов грунта к Земле будет возможна лишь в некоторых случаях".

В полностью разработанном проекте экспедиции на Марс рассматривался двигатель «Нерва» больших размеров с тягой около 90 тс. Эта тяга значительно меньше, чем у больших химических ракет для запуска корабля «Аполлон», так как ядерная ракетная ступень включается на околоземной орбите. Для обеспечения характеристик, требуемых для межпланетного перелета, конструкторы предложили метод «строительного блока», в соответствии с которым отдельные модули «Нервы» можно соединять друг с другом, чтобы удовлетворить различным требованиям.

По соображениям безопасности было решено создать марсианский экспедиционный комплекс в составе двух одинаковых кораблей. В каждом корабле в специальных помещениях, похожих на те, которые предусмотрены для долговременных орбитальных станций, совершает полет экипаж в составе шести космонавтов. Покинув околоземную орбиту 12 ноября 1981 г. (согласно одному из планов полета), корабли должны бы быть состыкованы своими передними частями, как только будут сброшены навесные ускорители «Нервы». Эти ускорители предназначены для выведения корабля на траекторию полета к Марсу, в то время как маршевые двигатели и топливо резервируются для дальнейших операций. К концу перелета у Марса корабли должны бы быть расстыкованы и подготовлены для тормозных маневров, в результате которых они выводятся на орбиты спутников планеты.

Первый этап исследований Марса должен бы состоять в наблюдениях с орбиты и доставки на поверхность планеты автоматических зондов для проведения дополнительных исследований предполагаемых мест посадки. Когда результаты исследований будут проанализированы, посадочные группы доставляются на поверхность в спускаемых аппаратах, подобных посадочной ступени лунной кабины космического корабля «Аполлон», в то время как участники экспедиции, оставшиеся в основные блоках, продолжают проводить с орбиты научные исследования поверхности планеты и ее атмосферы. Для непосредственного исследования планеты посадочные группы располагают электрическими самоходными установками с приборами для проведения экспресс-анализа образцов горных пород и почв. Время пребывания посадочных групп на поверхности Марса ограничено 30 сут.

Однако обратный полет к Земле не может начаться немедленно после возвращения посадочных групп на основные блоки, находящиеся на орбитах. Необходимо выждать еще целых 80 сут после прибытия на орбиту, пока три планеты - Марс, Венера и Земля - не займут определенные положения на своих орбитах. Если один из кораблей выходит из строя, все 12 членов экспедиции могут возвратиться на Землю на другом корабле. Двигатели должны быть запущены в строго определенное время, чтобы вывести состыкованные корабли на орбиту возвращения. Эта орбита выбирается так, чтобы космический комплекс приблизился к Венере и ее гравитационное поле оказало тормозящее действие, отклонив комплекс на траекторию, которая касается Земли на ее орбите. После полета продолжительностью 640 сут корабли (расстыкованные еще раз) должны бы быть выведены на околоземную орбиту 14 августа 1983 г. Исследовательские группы переходят в космические корабли «Спейс Шаттл» и возвращаются на Землю.

В. фон Браун, который играл лидирующую роль при проектировании марсианской экспедиции, предлагал базировать большие межпланетные корабли на околоземной орбите и после необходимых ремонтно-восстановительных работ заправлять их водородом и использовать для новых полетов. Он полагал также, что даже сбрасываемые навесные ускорители можно возвращать на околоземную орбиту для повторного использования.

Конец мечте

По ряду причин проект экспедиции на Марс был снят с рассмотрения. Во-первых, высокая стоимость этого рискованного предприятия, которое в 1969 г. выходило за пределы возможностей техники, во-вторых, влияние войны во Вьетнаме на экономику США и, в-третьих, развитие исследований планет с помощью автоматических зондов, что позволило получить важнейшие данные о Марсе при значительно меньших расходах.

В результате работы по реализации проекта «Нерва», на который были израсходованы сотни миллионов долларов, были прекращены. Это было, по-видимому, мудрое решение. Основное правило, установленное еще Циолковским, в соответствии с которым исследование Солнечной системы должно проводиться с орбитальных платформ, расположенных на околоземных орбитах, представляется определяющим для такого рода программ.

Лучшие результаты ожидаются при применении ядерно-электрических ракетных двигательных установок. В этом случае ядерный реактор работает в замкнутом цикле и выделяемая им тепловая энергия используется не на нагрев истекающих через сопло больших количеств водорода, а для получения большого количества электрической энергии. Как отмечает В. П. Глушко, конструктор первого в мире электроракетного двигателя, для таких двигателей требуются небольшие количества рабочего вещества. Например, в ионном ракетном двигателе рабочее вещество ионизуется и образовавшиеся ионы разгоняются в электростатическом ускорителе до очень высоких скоростей. В результате для достижения заданной тяги потребный расход рабочего вещества резко снижается. В то время как ядерная теплообменная ракета для полета к Марсу может развить тягу в 90-113 тс в течение максимум 40 мин от момента старта, большая ядерная электрическая система может создать малую тягу всего лишь около 9 кгс, но она может действовать в течение очень длительного времени. Если будут созданы реакторы-генераторы электрической энергии с приемлемыми значениями удельной мощности (отношение мощности к массе), то окажется возможным достигнуть значительно более высоких конечных скоростей, чем с помощью химических или ядерных двигателей. Сможет или не сможет грядущее поколение взяться за решение этой проблемы, покажет время.

16. Завод в космосе Д. Дулинг (США)

Разрабатываемые в настоящее время космические системы (орбитальный комплекс «Салют» - «Союз» - «Прогресс», транспортный космический корабль многоразового использования (МТКК) «Спейс Шаттл» и орбитальная станция «Спейслэб») позволят в ближайшие 20 лет приступить к созданию первых заводов в космосе. Сейчас человечество находится где-то на полпути от первого спутника до первого космического завода.

К перспективам производства материалов в космосе, или к космическому производству, известному как МПС (англ. MPS - Material Processing in Space), некоторые специалисты относятся слишком оптимистически, надеясь на быстрый успех и забывая о том, что надо научиться использовать состояние невесомости и безвоздушное космическое пространство. Во всем мире проявляется большой интерес к так называемой третьей промышленной революции - потенциально возможной (благодаря использованию космических условий) революции в производстве таких материалов, как фармацевтические препараты, оптические стекла, материалы для электроники, керамика, магнитные материалы, а также в разработке соответствующего оборудования.

Прежде чем приступить к дальнейшему рассмотрению данной проблемы, необходимо напомнить, что абсолютного вакуума и полной невесомости не существует. На макроскопическом уровне воздействие существующих в условиях полета космического корабля и деятельности человека на его борту невесомости и глубокого вакуума на протекание процессов вполне реально, но на молекулярном и клеточном уровнях влияние воздействия невесомости отсутствует.

Гравитационное поле пронизывает всю Вселенную, и избежать его воздействия невозможно. Во время орбитального полета космического аппарата в его центре масс уравновешиваются гравитационная и центробежная силы. По существу каждый незакрепленный внутри космического корабля предмет движется по орбите, несколько отличающейся от орбиты центра масс корабля. И каждая часть космического аппарата стремится двигаться по собственной орбите, но этому препятствует жесткость его конструкции. Все это приводит к возникновению на борту космического аппарата малых ускорений порядка 10^{-4 g (g - ускорение силы тяжести у поверхности Земли), которые не воспринимаются человеком, но которыми, однако, нельзя пренебрегать при проведении большинства технологических процессов производства различных материалов. Следовательно, термин «микрогравитация» является наиболее подходящим для характеристики условий производства материалов в космосе1}.

Космический вакуум также не является абсолютным. Даже межгалактическое космическое пространство содержит газ. На высотах около 500 км над поверхностью Земли давление газа составляет 10^{-8 мм рт. ст. (обычное атмосферное давление 760 мм рт. ст.) Кроме того, утечки газов из внутренних объемов космического корабля, выделение газов из материалов его наружной обшивки и выбросы продуктов сгорания при работе двигателей создают серьезные трудности для осуществления технологических процессов, требующих глубокого вакуума (около 1011 мм рт. ст.).}

Благодаря длительной невесомости и глубокому вакууму в космосе открывается возможность производства материалов предельной химической чистоты со структурой, близкой к теоретически достижимой и определяемой лишь собственной природой этих материалов. Невесомость позволяет фактически исключить такие явления, как конвекция, разделение несмешиваемых материалов и образование дефектов в кристаллах. С помощью акустических или электромагнитных сил материалы могут быть изолированы от стенок контейнера, что позволит предотвратить преждевременную или чрезмерно быструю кристаллизацию, избежать внутренних напряжений в кристалле, а также изолировать растущий кристалл от воздействия внешних вибраций. Космический вакуум может обеспечить большую степень чистоты и лучшее регулирование качества вследствие уменьшения содержания посторонних газов, присутствующих в лучших промышленных вакуумных установках, и позволит осуществлять более тонкое регулирование микродобавок, применяемых в современной электронике.

По имеющимся оценкам, сбыт материалов с улучшенными и не достижимыми при производстве на Земле свойствами позволит космическому производству приносить прибыль в размере 1-20 млрд. долл. в год. Однако высказываются возражения против таких оптимистических оценок перспектив космического производства и утверждается, что оно практически не принесет коммерческой выгоды (эти разногласия рассматриваются ниже).

В рамках космических исследований работы, связанные с космическим производством, ведутся давно, хотя они и не были выделены в отдельное направление. Инженеры занимались изучением поведения топлива в баках ступеней ракет, в том числе и при движении по инерции на орбите. Исследовалось поведение расплавленных металлов в расчете на то, что в будущем при сборке на орбите крупных конструкций могут потребоваться сварочные работы. Особенности протекания различных процессов в условиях невесомости изучались с помощью «башен сбрасывания» (длительность состояния невесомости 2-3 с) и на самолетах - летающих лабораториях при полете по параболическим траекториям (длительность состояния невесомости около 30 с).

Первые исследования с биологическими тканями и микроорганизмами на орбите были проведены на борту советского космического корабля «Восток». На втором американском биоспутнике эти исследования были продолжены и было показано, что в условиях невесомости могут быть получены медицинские препараты и гормоны более высокого качества, чем на Земле. При полетах космических кораблей по программе «Аполлон» - «Сатурн» на борту имелись устройства для контроля за поведением жидкого водорода в топливных баках.

На космических аппаратах «Аполлон-14, -16, -17» было выполнено несколько экспериментов в невесомости, включая плавку композиционных материалов, электрофорез (использование электрических полей для разделения жидких смесей) и изучение особенностей массопереноса в жидкости. Эти предварительные исследования предшествовали работам на борту станции «Скайлэб», где эксперименты в невесомости составляли одну из основных частей программы (на их проведение было затрачено около 160 ч рабочего времени экипажа). Получены впечатляющие результаты: почти все эксперименты продемонстрировали, что в отсутствие действия силы тяжести качество материалов улучшается.

Экипаж снял два интересных импровизированных фильма. В одном из них астронавт выдувает шар воды, который затем свободно плавает в кабине. Внутрь этого шара ему даже удалось ввести пузырек воздуха! В другом фильме снято столкновение двух капель воды, подкрашенных разными соками - виноградным и апельсиновым. Удивительно, что подкрашенные жидкости не перемешиваются, а остаются разделенными.

Американская часть экспериментов, выполненных в рамках программы ЭПАС при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон», добавила eще 125 ч к американским исследования в невесомости. Эти эксперименты подтвердили результаты, полученные на станции «Скайлэб», и расширили их.

Для заполнения пробела между технологическими экспериментами, проведенными на орбитальной станции «Скайлэб», а также во время совместного полета кораблей «Союз» и «Аполлон», и будущими экспериментами на борту станции «Спейслэб», которую выводит на орбиту транспортный космический корабль «Спейс Шаттл», в Центре космических полетов им. Maршалла (г. Хантсвилл, шт. Алабама) была разработана программа использования исследовательских ракет для проведения работ по космическому производству - СПАР (англ. SPAR - Space Processing Applications Rocket Programme). Для этой цели оказались подходящими ракеты «Блэк Брант-5C. Размеры экспериментального оборудования ограничивались диаметром ракеты (0,42 м), его масса не превышала 50-190 кг. При каждом запуске в верхней части траектории полета ракеты в течение 5-7 мин достигалось состояние невесомости. Финансирование работ по программе СПАР прекращено в 1980 г.

Проводимые эксперименты и применяемая аппаратура являются универсальными, и поэтому часто приходится ограничиваться исследованием поведения металлов в невесомости с помощью модельных процессов (например, изучать кристаллизацию водного раствора хлорида аммония) или испытанием новых технических средств, например, акустического левитатора, в котором стоячие звуковые волны используются для фиксации положения образцов.

Однако даже исследования в условиях кратковременной невесомости по программе СПАР позволили разработать программу по космической технологии для регулярных полетов «Спейслэб», а также предложить новые технологические эксперименты. [Европейское космическое агентство проводит аналогичную программу работ с использованием английских исследовательских ракет «Скайларк». Эта программа называется ТЕКСУС (по первым буквам немецкого названия программы технологических экспериментов в невесомости).]

Проводимые на ракетах исследования позволяют разрабатывать новое оборудование для МТКК «Спейс Шаттл» на основе технологических процессов, отработанных в рамках программы СПАР, и изготовленного для этой цели оборудования. В Центре космических полетов им. Маршалла был разработан специальный комплект установок для проведения экспериментов по производству материалов в космосе - МЕА (англ. МЕА - Materials Experiment Assembly). Блок, имеющий габариты 1,09 Х 1,06 Х 1,69 м и массу 800 кг, включает четыре экспериментальных прибора типа используемых в работах по программе СПАР. Блок МЕА имеет собственную энергетическую установку, вычислительную машину, управляющую технологическими процессами, системы отвода тепла и регистрации параметров. Он может быть размещен на открытой платформе негерметизированного отсека станции «Спейслэб». Для использования всего полезного объема негерметизированного отсека и включения в график коммерческих полетов МТКК «Спейс Шаттл» в Центре им. Маршалла разрабатывается второй блок МЕА больших размеров (0,75 X 4,2 м), содержащий оборудование для шести экспериментов типа проводимых по программе СПАР.

Официальный представитель Центра Маршалла заявил: «Наша основная цель - проведение перспективных исследований для выяснения возможности реализации хотя бы одной из высказанных идей».

Параллельно с реализацией программы СПАР и разработкой комплекта установок МЕА ведется подготовка экспериментов на станции «Спейслэб». Это будут более длительные и более сложные эксперименты, требующие значительно большего участия членов экипажа в их проведении. Первые такие установки будут использованы на борту станции «Спейслэб-1» и «Спейслэб-2». На станции «Спейслэб-3» впервые предполагается провести работы по использованию состояния невесомости (помимо исследований по программе МПС). Для исследований на станции «Спейслэб» НАСА разрабатывает целую серию установок многоразового использования, на которых будут проводиться эксперименты во время нескольких экспедиций.

Восемь таких установок находятся на различных стадиях проектирования и определения технико-экономических условий эксплуатации; их изготовление предполагается закончить в 80-е годы. В состав этих восьми установок входят:

1 Модуль для изучения физики жидкости, фактически являющийся оптическим прибором, позволяющим получать теневые фотографии и голограммы, которые могут быть использованы для изучения поведения жидкости в невесомости (прибор будет установлен в двойную приборную стойку шириной 1 м, расположенную внутри герметизированного отсека станции).

2 Акустический левитатор для бесконтейнерного удержания образцов, обеспечивающий трехосное удержание для управления положением и вращением образцов размером до 25 мм. Принцип действия левитатора аналогичен вибрации стола для удержания в его центре кучки песка. (Размещается в негерметизированном отсеке станции.)

3 Установка для кристаллизации (электронагревательная печь), позволяющая выращивать одновременно до 24 образцов в ампулах диаметром 32 и длиной 254 мм. Образцы можно выращивать либо при постоянной по длине образца температуре при его нагревании и охлаждении, либо при наличии градиента температуры методом направленной кристаллизации. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

4 Установка с плавающей зоной для определения эффективности метода зонной очистки в космосе и степени повышения чистоты и увеличения размеров выращиваемых там кристаллов по сравнению с земными аналогами. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

5 Модуль для изучения биологи ческих процессов с целью более глубокого понимания процесса электрофореза и его модификаций. (Размещается в герметизированном отсеке.)

6 Электростатический левитатор для бесконтейнерного удержания и формообразования больших по размеру композиционных материалов. (Размещается в герметизированном отсеке.)

7 Установка для получения сверхглубокого вакуума (10^{-15 мм рт. ст.) с помощью «молекулярного экрана», позволяющего удалять частицы разреженных газов, имеющихся на больших высотах. (Размещается в негерметизированном отсеке.) Отсутствие интереса к этому устройству со стороны промышленности привело к исключению этой работы из пятилетнего плана НАСА на 1980-1984 гг.}

8 Модуль для проведения процессов регулируемого нагревания и охлаждения образцов при электромагнитном их удержании независимо от способов управления их положением. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

Кроме того, для проведения специальных экспериментов предполагается использовать аппаратуру, поставленную разработчиком научной задачи. Некоторые установки будут функционировать автономно, другие будут включены в установки, описанные выше. В январе 1979 г. НАСА в рамках программы производства материалов в космосе сформулировала 87 задач. Эти задачи включали изучение роста кристаллов (18 задач) и поликристаллических металлов (18), разработку акустических методов получения стекол (10), электромагнитных и других бесконтейнерных процессов получения металлов (6), исследование разделения клеток и протеинов (8), культур клеток (6), изучение химических процессов (2), процессов в жидкости (8), а также процессов с использованием вакуума (11).

Комплекс МТКК «Спейс Шаттл» - станция «Спейслэб» имеет ряд ограничений: по времени пребывания на орбите, по энерговооруженности и по уровню невесомости. Продолжительность пребывания первых экспедиций на станции не будет превышать двух недель, а уровень электрической мощности - нескольких киловатт. Следующим шагом будет создание долговременного энергоблока и энергетической установки мощностью 25 кВт. Долговременный энергоблок состоит из двух панелей с солнечными элементами, доставляемых на орбиту «Шаттлом» для экспедиций с продолжительностью пребывания в космосе до 20 сут, а энергоустановка представляет собой свободноплавающий модуль, обеспечивающий достаточную энерговооруженность и пространственную ориентацию в течение 60-90 сут.

Перспективные планы

Следующим шагом будет создание транспортного корабля для проведения экспериментов с материалами в космосе - МЕК (англ. МЕС - Materials Experiment Carrier). Возможно, он будет иметь размеры одного или двух негерметизированных отсеков станции «Скайлэб» (различные конструкции еще прорабатываются), пристыкованных к модулю с энергетической установкой мощностью 25 кВт, и будет оборудован собственными системами отвода тепла, управления и регистрации параметров. Предполагается, что в этих отсеках будет размещено перечисленное выше оборудование, разработанное по программе МПС.

МЕК обеспечит переход от этапа предварительных исследований к следующему этапу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, основанному на полученных ранее результатах. МЕК будет иметь длину 6,1 м и массу 14 100 кг. Он будет нести восемь модулей для проведения экспериментов с материалами в космосе, каждый массой около 1500 кг и объемом 5 м³. МЕК будет введен в эксплуатацию в 1986 г.

Наконец будет создан модуль для проведения экспериментов с материалами - MEM (англ. MEM - Materials Experimentation Module), обслуживаемый человеком. На этой стадии программа МПС приближается к этапу пилотируемых космических заводов. При осуществлении программы MEM, которая менее проработана, чем программа МЕК, в качестве технологических модулей, возможно, будут использованы модули станции «Спейслэб». Эти полеты предполагается начать в 90-х гг.

Параллельно с проведением экспериментов в космосе будет интенсивно развиваться программа исследований на Земле с целью проверки достоверности и обоснованности получаемых в невесомости результатов. Важность этого направления работ недооценивалась в программе МПС. В 1978 г. Комитет по научным и техническим основам производства материалов в космосе Академии наук США подверг программу НАСА резкой критике. В отчете комитета было отмечено, что по программе НАСА проводятся недостаточно продуманные и неудовлетворительно поставленные эксперименты, притом зачастую на несовершенном оборудовании. На основании этих экспериментов сделаны неубедительные выводы и в ряде случаев результаты космических экспериментов слишком шумно рекламируются. Комитет пришел к выводу, что физика невесомости представляет новую область физических исследований и проведенные эксперименты не должны рассматриваться только с точки зрения совершенствования оборудования для космического производства. Комитет также выразил сомнения в отношении сделанных специалистами НАСА предположений о том, что высокая степень совершенствования получаемых на космических аппаратах материалов автоматически окупит увеличение стоимости их производства, а также в том, что в настоящее время земная технология исчерпала свои возможности и для улучшения качества получаемых материалов необходимо использовать состояние невесомости.

С учетом замечаний и рекомендаций комитета специалисты НАСА пересмотрели программу МПС. В частности, пришлось отказаться от подхода, который один официальный представитель назвал «подходом Томаса Эдисона», состоящим в проверке всякой новой идеи.

Было предложено образовать на втором этапе проведения работ по программе МПС национальную лабораторию, план создания которой подготовлен НАСА в настоящее время. На первом этапе НАСА должно привлекать другие организации и фирмы для участия в планировании и разработке экспериментов, а также проводить интенсивные исследования на борту ракет, самолетов - летающих лабораторий, башнях сбрасывания и центрифугах. МТКК «Спейс Шаттл» предполагается использовать для выполнения только наиболее важных экспериментов.

Однако если результаты выполненных на первом этапе экспериментов выявят большую перспективность этих работ, то тогда «Спейс Шаттл» и «Спейслэб» будут использованы как «национальный резерв» правительства, академии и промышленности.

На втором этапе большая часть экспериментов по производству материалов в космосе должна проводиться не НАСА, а другими организациями. В отсутствие финансовой поддержки со стороны этих организаций второй этап программы не будет реализован. Ниже перечислены некоторые наиболее перспективные направления космического производства, прогнозируемые НАСА и рядом фирм США.