"Земля и Вселенная", 1989, №2, с. 3-10.
Сканировал Игорь Степикин

Ю. П. СЕМЕНОВ, член-корреспондент АН СССР,
В. А. ТИМЧЕНКО, доктор технических наук,
С. К. ГРОМОВ
"Буран" и будущее советской космонавтики



Ю. П. СЕМЕНОВ



В. А. ТИМЧЕНКО



С. К. ГРОМОВ
  • Успешный запуск нового советского орбитального корабля "Буран" — результат длительной и многогранной работы сотен коллективов разработчиков, конструкторов, испытателей, строителей и специалистов многих других профессий. В одной статье трудно даже перечислить все множество проблем, с которыми пришлось столкнуться при проектировании, создании и экспериментальной отработке многоразового корабля. Рассказ о каждом из частных вопросов проектирования — предмет специальных публикаций, некоторые из которых уже увидели свет, другие — готовятся к выпуску.
  • Наряду с этим есть ряд общих вопросов, которые будут возникать у читателя и на которые, возможно, он пока не находит определенного ответа. Какие мотивы побудили разработчиков к созданию этого проекта? Почему облик "Бурана" стал таким, каков он есть? Всегда ли нужны многоразовые ракетно-космические системы? Чем различаются советский "Буран" и американский "Шаттл"? Каковы перспективы "Бурана"?
  • Планомерное расширение работ человека в космосе требует четкого обоснования принимаемых решений, развития методических аспектов проектирования и испытаний. Особенность космической техники состоит в том, что каждый новый шаг в ее развитии сопровождается необходимостью решения взаимосвязанных проблем переднего края самых разнообразных отраслей знания: динамики полета и управления, электроники, прочности, материаловедения, технологии испытаний, математики, медицины и многих других.
  • В процессе разработки на основе достижений науки и техники решается комплекс вопросов, определяющих особенности проекта и облик нового корабля. Некоторые из них, специфичные для разработки корабля "Буран", мы и хотим обсудить в этой статье.

    НЕ ТОЛЬКО ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА

  • Пожалуй, ракеты-носители и космические аппараты пока еще не назовешь транспортными средствами такими универсальными, как, например, автомобиль или трамвай с их большой грузоподъемностью и вместимостью. Космические корабли перевозят специализированное оборудование, профессионально подготовленных людей — космонавтов, а также самое необходимое для обеспечения их жизни и безопасности. Со времени первого полета человека в космос прошло более четверти века, а грузоподъемность пилотируемых кораблей изменилась незначительно. Отправляясь в долговременные орбитальные полеты, советские космонавты имеют весьма ограниченные возможности для попутной доставки грузов на орбитальные комплексы. Проблема еще более обостряется, когда речь заходит о возвращении грузов с орбиты. Не в полной мере помогают и грузовые корабли "Прогресс" — они доставляют необходимые грузы и топливо к станции в автоматическом режиме, без космонавтов, но не снабжены системами для возвращения грузов с орбиты на Землю. Другими словами, грузовые корабли целенаправленно решают задачи снабжения орбитальных научных комплексов расходуемыми элементами и отдельными блоками нового оборудования, а пилотируемые корабли способны выполнять какие-либо функции подобного рода практически только за счет сокращения численности экипажа.
  • В свое время корабли "Союз" использовались для автономных полетов, однако ограничения по функциональным возможностям и массе перевозимого груза достаточно быстро привели к исчерпанию спектра задач, решаемых этими кораблями без взаимодействия и стыковки с другими космическими объектами. Современные же задачи космонавтики, и тем более грядущие, предусматривают сборку и обслуживание на околоземных орбитах сложных крупногабаритных космических конструкций, многотонных межпланетных пилотируемых аппаратов, уникальных научных инструментов и экспериментальных установок. На повестке дня переход к индустриализации космического пространства, начало промышленного использования его уникальных условий, например, для получения разнообразных материалов и веществ с необычными свойствами. Все это предопределяет необходимость транспортировки на орбиту больших грузов, выполнения операций сближения с космическими объектами или стыковки с ними.


    "Энергия" и "Буран" на старте. Фотохроника ТАСС
  • Решение названных задач невозможно без присутствия на месте работ квалифицированных космонавтов, оснащенных мощным арсеналом вспомогательных средств: робототехническими комплексами, средствами дистанционного управления, универсальными ручными и стационарными инструментами. Многие виды работ требуют выхода в открытый космос и интенсивной деятельности там, а это означает, что необходимы скафандры, отсеки и системы шлюзования, средства фиксации в отсеках и перемещения космонавтов в открытом космическом пространстве. Для сближения и стыковки нужны также радиотехнические и оптические средства взаимных измерений и стыковочные агрегаты.
  • Весь комплекс перечисленных средств может быть в значительной мере универсальным и использоваться многократно. Его профилактическое обслуживание, регламентные и ремонтные работы могут быть выполнены между полетами. Поскольку общая масса всего этого комплекса вместе с экипажем и средствами его жизнеобеспечения составляет несколько тонн, а масса требуемых грузов для проведения работ в космосе и того больше, вопрос о создании пилотируемого корабля более тяжелого класса, чем, скажем, "Союз", представляется вполне очевидным. При этом хорошо оснащенный разнообразными средствами пилотируемый корабль открывает возможности по его использованию в качестве комплексного испытательного стенда на околоземной орбите, чрезвычайно необходимого для отработки и проверки сложных образцов космической техники или их элементов.
  • Уже сейчас существует потребность в применении нового корабля для отечественных орбитальных станций с их нарастающими проблемами дооснащения, ремонта и обслуживания. Однако, нужно отметить важную особенность: упреждающую разработку корабля как средства, по отношению к объектам обслуживания, сборки, производства или исследований в космосе. Представление о возможности параллельной с ним разработки аппаратов и комплексов, требующих обслуживания или сборки на орбите, нереально прежде всего из-за грандиозности затрат. Решение о создании "Бурана" вытекало из планов развития отечественной космонавтики, учитывающих технический прогноз. При этом допустима некоторая доля неопределенности, о чем говорит и наш опыт. Ведь создание средств автоматической стыковки и кораблей "Союз", создание первой орбитальной станции и средств выхода человека в космос послужило прочной основой практически двадцатилетней программы космических исследований, а поначалу носило характер упреждающих разработок казалось бы по частным программам.
  • Вместе с тем элементы неопределенности и в этот раз были учтены через некоторое увеличение проектных запасов в характеристиках корабля "Буран". С учетом таких запасов на основе проектного анализа и представлений о предполагаемых грузах было сформулировано задание на проектирование орбитального корабля способного перемещать до 30 т груза и имеющего универсальное оборудование для производства работ в космосе.

    КРЫЛО, ПАРАШЮТ ИЛИ ТОПЛИВО?

  • Выведение орбитального корабля "Буран" на орбиту — почти традиционно: универсальная ракета-носитель доставляет корабль на порог околоземного космоса, и только вследствие заботы о безопасном для землян падении второй ступени ракеты-носителя (она направляется в акваторию Тихого океана) последние шаги к космической орбите — два разгонных импульса — выполняются двигательной установкой самого корабля.
  • Другое дело — возвращение. Эксплуатационное требование многократного использования при проектировании корабля "Буран" было новым. В общем плане это требование означало разработку систем и конструкций с большими ресурсами и гарантийными сроками эксплуатации, с обеспечением многократных заправок расходуемыми материалами и топливом и минимальными профилактическими или регламентными работами между полетами. Но одним из ключевых вопросов оставался выбор способа спуска и посадки, который во многом определял компоновку и характеристики корабля.
  • При создании образцов новой техники практицизм часто склоняет конструкторов к наиболее устойчивым решениям, подверженным наименьшим влияниям и возможным изменениям. Классический пример такого подхода в космонавтике — выбор шарообразной формы спускаемого аппарата "Востока". В принципе уже тогда можно было думать о проектировании крылатых спускаемых аппаратов. Однако определяющими стали ранее не упомянутые нами факторы: необходимость решения многих проблем, отсутствие опыта, а главное сроки разработки. Решение было принято как нельзя более простое, но ценой неуправляемого спуска и посадки аппарата в степи на парашюте.



    Выведение "Бурана" на ракете-носителе

  • Для кораблей типа "Союз" был принят вариант управляемого спуска с малым аэродинамическим качеством (около 0,3) и вертикальной посадкой на парашютно-реактивной системе приземления. Можно представить себе и вариант посадки без парашюта на реактивных жидкостных двигателях с соответствующим запасом топлива.
  • Такие решения для тяжелого многоразового корабля малоприемлемы прежде всего в силу относительно больших перегрузок и высоких, приводящих к уносу материала, температур его поверхности при спуске в атмосфере и из-за многообразия условий приземления на местности в неподготовленном районе.
  • Не вдаваясь в рассмотрение различных способов спуска и посадки, отметим, что нужны крылья и шасси с посадкой на аэродром по-самолетному, и тогда перегрузки и температура будут умеренными, корабль получит способность широкого маневра при спуске и выхода в зону аэродрома, а условия приземления станут стабильными и могут быть строго регламентированы. Такое решение и было принято для корабля "Буран".
  • Проектирование и создание именно крылатого многоразового космического корабля создало предпосылки для решения важных народнохозяйственных проблем, таких, например, как автоматическая посадка самолетов или технология производства новых теплозащитных и конструкционных материалов. Более того, создание "Бурана" привело к взаимообогащающему сотрудничеству передовых отраслей машиностроения: ракетно-космической и авиационной промышленности.
  • Следующий шаг — изучение возможности создания аэрокосмической системы, использующей атмосферу Земли не только при возвращении, но и при выведении на орбиту. В разработке этой перспективной идеи безусловно будет полезен опыт проектирования "Бурана".

    ВСЕГДА ЛИ ХОРОША МНОГОРАЗОВОСТЬ?

  • В отношении космических транспортных систем часто проводится параллель между многоразовостью и экономичностью. Действительно, на первый взгляд неоднократное использование оборудования во столько же крат снижает и расходы. Здесь стоит добавить: если бы оборудование было одинаковым. Ведь многоразовость и ряд связанных с ней факторов могут видоизменить, усложнить и, следовательно, удорожить объект.
  • Проиллюстрируем это на элементарном примере. Спичка — как предмет для извлечения огня — принципиально одноразовая. Тем не менее изобретение зажигалок не сделало спичечные фабрики банкротами. Разнообразие и специфика условий применения, удобство использования их, цены и спрос на рынке, возможности и наличие разных производств, совершенствование технологии — все эти и другие аспекты приводят к взаимной конкурентоспособности и спичек, и зажигалок. При этом в условиях массового производства происходит парадоксальное превращение: газовые зажигалки, главным свойством которых была возможность заправляться и использоваться практически "вечно", лишаются заправочного клапана и становятся одноразовыми — так выгоднее.



    Баллистическая схема полета "Бурана"



    Спуск и посадка "Бурана"

  • В какой степени ракетно-космическая техника должна быть одноразовой или многоразовой? Однозначно ответить на этот вопрос трудно. С появлением первых многоразовых проектов, с их первыми опытными полетами два направления начали конкуренцию, и каждое из них, как представляется, тяготеет к определенной области применения. Многоразовость как средство повышения эффективности космической техники — это способ снижения затрат при достижении тех же конечных целей. По выведению грузов на орбиту в отечественной технике преимущества у одноразовых ракет, которые решают эту задачу с существенно меньшими затратами. Достаточно сказать, что одним пуском "Энергии" выводится груза примерно в три раза больше, чем в "Буране".
  • Другая группа задач связана с обслуживанием космических аппаратов и возвращением грузов на Землю. Для проведения операций по обслуживанию аппаратов на орбите нужен космический корабль, который в достаточно длительном полете с экипажем на борту мог бы выполнять сближение, зависание или стыковку, имел бы комплект оборудования для производства работ и был бы способен транспортировать вверх и вниз соответствующие грузы. Еще одна задача такого же типа — дооснащение и снабжение орбитальных комплексов. Характер этих операций так же, как и задачи спуска с орбиты грузов, предопределяет возвращение корабля на Землю. С другой стороны, корабль оснащается многими собственными системами, комплектом универсальных средств и специальным оборудованием для обслуживания, которые выгодно использовать повторно. Все это создает основу для многоразового применения корабля, а эффективность определяется соотношением стоимости пуска, и, например, стоимости восстановленного на орбите аппарата.
  • Таким образом, многоразовые системы еще не стали эффективным средством выведения грузов на орбиту, и основное направление их рационального применения состоит в проведении обслуживания, снабжения и дооснащения космических аппаратов и орбитальных комплексов.
  • Корабль "Буран" — это первый опыт создания многоразовых аппаратов в советской космонавтике. Он дает основание полагать, что им в значительной степени удастся воспользоваться при создании будущих аэрокосмических систем.

    ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ "БУРАНА"

  • Общая высота 16,45 м
  • Длина 36,4 м
  • Размах крыла 23,9 м
  • Диаметр фюзеляжа 5,6 м
  • Размеры отсека полезного груза 4,7X18,3 м
  • Максимальная стартовая масса 105 т
  • Масса сухого корабля без груза 65 т
  • Посадочная масса 82 т
  • Максимальная масса доставляемого груза 30 т
  • Максимальная масса груза, возвращаемого с орбиты 20 т
  • Продолжительность полета
  • номинальная 7 суток
  • максимальная 30 суток

    "БУРАН" И "ШАТТЛ"

  • Нельзя не остановиться на параллелях и контрастах двух проектов: "Бурана" и "Шаттла". Внешне они похожи. Но стоит ли этому удивляться? Например, самолеты АН-12 и АН-24, спроектированные по прогрессивной компоновочной схеме, весьма похожи на многие иностранные самолеты. Таких примеров в технике достаточно и объясняется это одним и тем же назначением, решаемыми задачами и примерно одним уровнем научно-технических знаний и технологии.
  • "Буран" и "Шаттл" разработаны как пилотируемые летательные аппараты и в космических операциях имеют почти одно и то же назначение и возможности. Отсюда вытекают такие их "схожие" черты, как наличие открывающегося в космосе грузового отсека, кабина экипажа с постами управления, мощное оснащение для работ в космосе по погрузке и выгрузке, средства шлюзования и выхода экипажа в открытый космос и другое. Оба корабля оснащены и всеми типовыми системами для выполнения космического полета, а внешний их облик определяется аэродинамической компоновкой, необходимой для реализации принятой схемы спуска и посадки.


    Устройство "Бурана" (схема)



    "Буран" после приземления. Фотохроника ТАСС
  • "Буран" и "Энергия" проектировались значительно позже "Шаттла" и решения американских специалистов взвешивались, но для "Бурана" принимались свои, соответствовавшие нашим представлениям об оптимальности комплекса и технических характеристиках корабля. Вероятно, американские специалисты также будут учитывать при разработке новых станций наш опыт создания "Салюта" и "Мира". Одним из принципиальных отличий кораблей является разная схема выведения. В "Шаттле" маршевые двигатели второй ступени размещены на орбитальной ступени, а топливо в подвесном баке. "Энергия" же имеет ракетный блок второй ступени и является универсальной ракетой-носителем, способной выводить на орбиту не только орбитальный корабль, но и любой другой груз массой около 100 т. "Шаттл" такой возможности не имеет, и масса его полезной нагрузки ограничена в 29 т, которые размещаются в отсеке орбитальной ступени. Существенно отличаются и первые ступени: два твердотопливных ускорителя у "Шаттла" и четыре ракетных блока с высокоэффективными жидкостными двигателями у "Энергии". Эта новая схема выведения позволила улучшить характеристики орбитального корабля, уменьшить вес и упростить компоновочную схему. Обводы, компоновка, конструкция, системы и оборудование корабля демонстрируют оригинальные решения, одним из которых стало применение объединенной двигательной установки, имеющей единые баки для всех управляющих и маршевых двигателей и работающей на экологически чистой паре (углеводородное топливо и кислород в качестве окислителя). Следует отметить, что при изготовлении "Бурана" использовались отечественные материалы и технология.
  • Принципиальная особенность "Бурана" — автоматическая посадка. Это позволяет проводить беспилотные пуски и соответствует традициям разработки отечественных пилотируемых кораблей как универсальных средств. Тем не менее в проекте комплекса "Буран" — "Энергия" использовались и традиционные для советской космонавтики решения: горизонтальная сборка в монтажном корпусе, транспортировка на старт по рельсовому пути, установка комплекса в вертикальное положение непосредственно на старте и многое другое.

    ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ "БУРАНА"

  • Разработка корабля учитывала не только нужды сегодняшнего дня. Многие грузы для "Бурана", как и для любой другой универсальной системы, ожидают его впереди, а с ними и новые космические операции. Это обслуживание, ремонт, дооснащение и снабжение космических аппаратов, сборка и наладка больших конструкций в космосе и так далее. Снабжение орбитальных комплексов будущего также не обойдется без "Бурана". Предположим, например, что со временем станция "Мир" превратится в сложный комплекс с пятью модулями. Неожиданно один из модулей выходит из строя. Например, испортился сложный уникальный оптико-электронный блок, разработанный по программе международного сотрудничества.
  • В этой ситуации поможет "Буран", способный доставить к станции и вернуть на Землю из космоса практически все, что необходимо. Даже модуль "Мира" или станция "Салют" могут быть размещены в грузовом отсеке "Бурана" (при свертывании или отсоединении антенн, солнечных батарей).
  • Не раз уже провозглашалась мирная доктрина советской космонавтики. Корабль "Буран" — не исключение. Действительно, как можно использовать в военно-стратегических планах систему, стартовые позиции которой известны и на подготовку которой к запуску необходимо сравнительно большое время.
  • Создание новой универсальной системы "Энергия" и орбитального корабля "Буран" несомненно привлекло к себе внимание мировой общественности, научных и деловых кругов. И мы надеемся, что сотрудничество разных стран на договорной и коммерческой основе послужит дальнейшему укреплению мира на нашей планете.