«Земля и Вселенная» 1991 г №5 (сентябрь - октябрь)




Космонавтика
Транспортная система для лунной базы
Б. И. СОТНИКОВ,
кандидат технических наук
Г. М. БАЙДАЛ, Г. А. СИЗЕНЦЕВ,
инженеры НПО «Энергия»

В Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга МГУ с 5 по 8 февраля 1991 г. прошла научная конференция по проблемам создания на Луне постоянно действующей базы, как начального этапа освоения земного спутника. Предварительные прогнозы специалистов оценивают реальные возможности осуществления подобного проекта не ранее, чем в первой половине следующего столетия. Вместе с тем, комплексный характер проблемы и далеко идущие последствия ее выполнения требуют сложной и внимательной научно-технической экспертизы. Поскольку государственные космические программы пока не предусматривают решения конкретных вопросов, связанных с освоением Луны, многочисленная группа специалистов разных направлений по собственной инициативе взяла на себя проведение предварительных исследований. Организатором конференции выступили Секция «Солнечная Система» и Рабочая группа «Луна и Меркурий» Астрономического совета Академии наук СССР. Проведение конференции было поручено Государственному астрономическому институту им. П. К. Штернберга МГУ, в котором успешно выполняются работы по лунной тематике, включающие также изучение проблемы внеземных природных ресурсов.

Конференция включала четыре тематических заседания.

Тема первого заседания «Общие вопросы перспектив создания обитаемой базы на Луне» объединяла доклады концептуального характера.

Второе заседание было посвящено теме «Технические возможности освоения Луны».

Доклады третьего заседания были объединены темой «Научные проблемы выбора места лунной базы и прогнозирования природных ресурсов».

Четвертое заседание посвящалось теме «Научные программы исследований на лунной базе».

Всего в работе конференции приняли участие более 70 специалистов из 20 научных и научно-производственных организаций СССР. Было заслушано 35 докладов и кратких сообщений, проведена общая дискуссия по рассмотренным проблемам.

Публикацией статьи Б. И. Сотникова, Г. М. Байдала и Г. А. Сизенцева и статьи «Планетоходы» (см. стр. 75) журнал начинает серию материалов, посвященных проблемам, обсуждавшимся на конференции.

Один из путей решения таких глобальных проблем человечества, как исчерпание ресурсов и грядущая экологическая катастрофа, — использование внеземных ресурсов и вынесение части индустрии в космос. С этой точки зрения Луна представляется привлекательным объектом как ближайший природный форпост человечества в космосе. Естественно, переход к освоению ресурсов Луны невозможен без серьезного ее изучения и отработки ряда принципиальных вопросов. Они связаны с продолжительной жизнедеятельностью человека в конкретных экстремальных условиях, разведкой лунных недр, технологией переработки сырья, созданием производственной базы, отработкой механизмов транспортировки на Землю и околоземные объекты готовой продукции (энергии, сырья, полуфабрикатов промышленных изделий).

В настоящее время во многих странах мира на многочисленных симпозиумах, конференциях и в научно-технической литературе активно обсуждаются и прорабатываются вопросы создания базы на Луне. Очевидно, что без освоения Луны немыслимо и дальнейшее активное продвижение человечества в космос, и получение новых знаний, и открытие источников ресурсов. Следует отметить, что особый интерес к Луне проявляют США. Выступая на встрече с выпускниками одного из американских университетов, президент США Дж. Буш заявил: «Международная космическая станция, лунная база и пилотируемая экспедиция к Марсу составляют краеугольные камни долговременного плана моей администрации по инвестициям в будущее Америки».


Лунная база на начальной стадии ее функционирования

Под лунной базой понимают комплекс средств, обеспечивающих временное или постоянное пребывание и работу персонала на Луне, с развернутой инфраструктурой, пополнением расходуемых материалов и наращиванием функциональных возможностей.

КАК ДОБРАТЬСЯ ДО ЛУНЫ?

Создание лунной базы беспредметно рассматривать вне связи с системой средств доставки. В этом — одна из главных инженерных проблем, так как основные элементы для развертывания ее инфраструктуры (жилые, научно-исследовательские и производственные сооружения) и все необходимое для жизнедеятельности человека на Луне первоначально придется доставлять с Земли. Попытаемся рассмотреть возможность создания подобной транспортной системы на основе имеющегося в нашей стране потенциала технических средств.

Основным элементом транспортной системы является ракета-носитель. В настоящее время СССР располагает рядом ракет-носителей, наиболее мощная из которых, «Энергия», выводит на низкую околоземную орбиту полезный груз массой 100 т. На базе тяжелой ракеты-носителя «Энергия» могут быть созданы носители как более тяжелого (сверхтяжелые), так и более легкого (промежуточного) класса. Сверхтяжелые носители предполагается использовать для доставки особо тяжелых или крупногабаритных неразборных грузов. Носители промежуточного класса могут потребоваться для снабжения персонала базы или развития ее инфраструктуры.

В зарубежной и отечественной технической литературе опубликовано немало проектов и схем построения лунных баз и развертывания обслуживающих их технических средств. В частности, известный проект начала 70-х годов американской фирмы Норт Америкэн Роквел предусматривал использование одноразовых технических средств, применявшихся в проекте «Аполлон». Центр им. Джонсона представил в 1984 г. схему, в которой предлагается применять многоразовые средства на основе системы «Спейс Шаттл». В материалах Национальной Академии наук США 1985 г. «Лунные базы и космическая деятельность в XXI веке» давалась развернутая схема построения и наращивания деятельности лунной базы, основанная на перспективных средствах. Исследовательские материалы 1987 г., разработанные в Отделении аэронавтики и космической технологии НАСА, также предусматривают использование многоразовых средств.

Определенные проработки проводились и в нашей стране. Рассмотрим две схемы создания лунного комплекса: традиционную, основанную на технических средствах однократного применения, и перспективную, в которой предлагается использовать многоразовые средства.

Схема создания лунной базы с помощью одноразовых средств. 1 — разгонно-тормозной блок; 2 — разгонный блок; 3 — лунный взлетно-посадочный корабль; 4 — лунный комплекс в момент старта к Луне; 5 — сход лунного посадочного корабля с окололунной орбиты перед посадкой на Луну; 6 — лунный орбитальный блок; 7 — отлет возвращаемого аппарата к Земле; 8 — вход спускаемого аппарата в земную атмосферу; 9 — спускаемый аппарат в момент посадки.

Первая схема — прообраз базы — аванпост в выбранном районе Луны — предполагается создавать с помощью одноразовых технических средств.

База в простейшем своем виде должна включать лунный жилой модуль, обеспечивающий длительное активное функционирование персонала на Луне, и лунный взлетно-посадочный корабль, являющийся транспортным средством на участке «орбита искусственного спутника Луны — Луна». Необходимое промежуточное звено цепи — буксир класса «орбита искусственного спутника Земли — орбита искусственного спутника Луны». Оба технических средства доставки предусматривается использовать в пилотируемом и грузовом вариантах, причем в первом случае лунный комплекс оснащается возвращаемым на Землю аппаратом (кабиной экипажа на всех участках перелета). Часть буксира, обеспечивающая разгон возвращаемого аппарата к Земле, остается на окололунной орбите в ожидании взлетного аппарата.

Исходя из этой схемы, можно представить себе следующий процесс развертывания лунной базы. Первыми двумя пусками ракет-носителей «Энергия» на орбиту искусственного спутника Земли по частям выводятся элементы лунного комплекса — буксир (разгонно-тормозной блок), лунный жилой модуль и лунный посадочный корабль. Осуществляются стыковка элементов комплекса и разгон сборки к Луне. У Луны комплекс тормозится, отделяется лунный посадочный корабль с лунным жилым модулем и совершает посадку на Луну.

Лунная орбитальная станция. 1 — базовый модуль лунной орбитальной станции; 2 — топливный модуль; 3 — шасси лунного посадочного корабля многоразового; 4 — кабина экипажа; 5 — грузовой контейнер; 6 — многоразовый буксир; 7 — научный модуль орбитальный; 8 — экспедиционный лунный корабль; 9 — модули базы

Последующими двумя пусками ракет-носителей «Энергия», по нашему мнению, на орбиту искусственного спутника Земли должен выводиться по частям пилотируемый лунный комплекс-буксир, состоящий из разгонно-тормозного блока для полета к Луне и разгонного блока для возвращения на Землю, лунный посадочный корабль без возвращаемого аппарата. Производится стыковка элементов комплекса. Пятым пуском (ракета-носитель «Зенит») выводится на орбиту искусственного спутника Земли возвращаемый аппарат с экипажем в составе трех человек. Производятся стыковка со сборкой, разгон к Луне, доставка на окололунную орбиту. После отделения от орбитальной части комплекса осуществляется посадка экипажа на Луну в район расположения лунного жилого модуля. Экипаж приступает к выполнению научно-исследовательской программы. В его распоряжении будет луноход открытого типа.

Продолжительность работы персонала на базе без дополнительного снабжения с Земли — 3 месяца, частота смены персонала — 1 раз в год. Доставку расходуемых материалов осуществляют ракеты-носители промежуточного класса, а дооснащение — ракеты-носители «Энергия». В дальнейшем предусматривается наращивание базы и ее совершенствование. В процессе функционирования лунной базы будут отрабатываться ее системы, элементы конструкции, принципы развития инфраструктуры.

А, МОЖЕТ БЫТЬ, ПОСТУПИМ КАК РАЧИТЕЛЬНЫЕ ХОЗЯЕВА?

Можно представить себе и альтернативный вариант решения задачи, в котором для создания лунной базы используются многоразовые средства в сочетании с одноразовыми или частично многоразовыми ракетами-носителями.

В отличие от первого варианта, где элементы системы доставки грузов и экипажа на Луну и обратно расходуются безвозвратно, в данной схеме одноразовыми ракетами-носителями выводятся только тяжелые конструктивные единицы (буксиры, корабли лунного комплекса, грузовые корабли, модули базы, топливо) или грузы, не требующие дополнительного обслуживания. Все это (кроме топлива) отправляется, как правило, разгонным блоком этого же пуска к Луне. Многоразовые средства используются на отдельных этапах траектории полета Земля-Луна. На этапе «Земля-орбита искусственного спутника Земли» — ракета-носитель «Энергия» и многоразовая космическая система «Буран». На этапе «орбита искусственного спутника Земли-орбита искусственного спутника Луны» — многоразовый буксир, заправляемый топливом на околоземной орбите ракетой-носителем — танкером. На этапе «окололунная орбита-Луна» — многоразовый взлетно-посадочный корабль.

Схема создания и обслуживания лунной базы с помощью многоразовых средств. 1 — буксир класса «орбита искусственного спутника Земли — орбита искусственного спутника Луны» многоразовый; 2 — лунный взлетно-посадочный корабль многоразовый; 3 — лунная орбитальная станция; 4 — кабина экипажа; 5 — лунный комплекс в момент старта к Луне; 6 — долговременная орбитальная станция у Земли; 7 — грузовой контейнер; 8 — танкер-заправщик

Буксир мы предлагаем выполнить по схеме с аэродинамическим торможением в атмосфере (аппарат должен иметь аэродинамический тормозной экран). В случае использования буксира в пилотируемом варианте кабина экипажа путем стыковки передается от буксира к лунному посадочному кораблю и обратно. К моменту возвращения многоразового буксира на околоземную орбиту предусматривается выводить танкер в ближнюю с ним зону. Танкер стыкуется с буксиром, перекачивает топливо. Затем стартует корабль «Буран», выводящий на околоземную орбиту элементы базы, грузы, экипаж. Осуществляется стыковка с заправленным буксиром, сборка комплекса с помощью системы бортовых манипуляторов орбитального корабля, пересадка экипажа. Далее комплекс стартует к Луне. При подлете к Луне осуществляются торможение и выход комплекса на окололунную орбиту. К этому времени стартует с Луны многоразовый лунный корабль; он выходит на окололунную орбиту и стыкуется с комплексом. После стыковки лунный корабль заправляется от буксира топливом, забирает грузы, экипаж и доставляет их на Луну.

ВСТРЕЧА У КОСМИЧЕСКОГО ПРИЧАЛА

В такой схеме даты стартов и стыковок достаточно жестко привязаны друг к другу. Схему можно сделать

более гибкой, если воспользоваться орбитальным комплексом на околоземной орбите и создать орбитальную станцию в окололунном пространстве. Тогда даты прилетов, стыковок и отлетов «развязываются» по времени, каждое звено получает большую независимость, и одновременно повышаются надежность и безопасность выполнения задачи.

Накопленный опыт функционирования и обслуживания станций серии «Салют», комплекса «Мир» дает практически готовый образец окололунной станции. Необходим лишь пуск ракеты-носителя «Энергия» с разгонным блоком и станцией.

Орбитальные комплексы позволяют: накапливать на них топливо и грузы, наладить гибкий и более эффективный грузопоток, расширить географию точек размещения элементов базирования, изучать Луну и лунные ресурсы, производить досрочную смену или аварийную эвакуацию экипажа, организовать оптимальное орбитальное производство и вовлекать в обратный грузопоток (в сторону Земли) только полуфабрикаты и готовую продукцию. В частности, речь может идти о топливном компоненте — жидком кислороде.

В случае, если грузопоток к Луне и обратно будет осуществляться через околоземный орбитальный комплекс, то доставка на него экипажа, ценных грузов или сложных элементов технических средств, требующих перед стартом к Луне проверки, сборки и отладки, может осуществляться с помощью корабля «Буран».

Какова же последовательность развертывания системы? Многоразовые средства вводятся в строй поэтапно. Первоначально целесообразно ввести в строй многоразовый буксир и доставить на Луну жилой модуль с помощью лунного посадочного корабля (в первом цикле одноразового).

Первыми двумя пусками ракет-носителей «Энергия» предусматривается вывести на околоземную орбиту составляющие лунного комплекса — буксир, лунный жилой модуль и топливо на собственный цикл буксира. Осуществляется стыковка, перекачка недостающего топлива из танкера в буксир. Третьим пуском многоразовый корабль «Буран» выводит незаправленный лунный посадочный корабль (одноразовый). Осуществляются стыковка корабля с комплексом, заправка его топливом от буксира. Производится старт к Луне. У Луны происходит торможение комплекса буксиром, и потом лунный жилой модуль доставляется на Луну одноразовым лунным кораблем. Многоразовый буксир возвращается к Земле. Масса жилого модуля на Луне составит примерно 15 тыс. кг, в том числе научно-исследовательское оборудование — около 5500 кг.

Затем вводится в строй лунный посадочный корабль (многоразовый), он же доставит на Луну экипаж. Для этого последующими двумя пусками ракет «Энергия» на околоземную орбиту выводятся топливо для заправки многоразового буксира на весь цикл и кабина экипажа. Осуществляются последовательные стыковки буксира с танкерами, перекачка топлива в буксир, пристыковка к нему кабины. Шестым пуском «Буран» выведет многоразовый лунный корабль без кабины экипажа и доставит на комплекс экипаж. Производятся стыковка с комплексом, заправка лунного корабля топливом от буксира и осуществляется переход экипажа на комплекс. Далее комплекс стартует к Луне. Буксир после торможения комплекса у Луны возвращается к Земле. Потом многоразовый лунный корабль доставляет экипаж на Луну в район посадки жилого модуля. База начинает свое функционирование.

На следующем этапе работ вводится в строй лунная орбитальная станция. Основная задача в этот период — доставка станции с экипажем на окололунную орбиту. Седьмым пуском ракета-носитель «Энергия» выведет на околоземную орбиту топливо для многоразового буксира. Осуществляются стыковка буксира с танкером и его заправка топливом. В следующем пуске с использованием ракеты-носителя промежуточного класса на околоземную орбиту выводятся лунная орбитальная станция и часть топлива, недостающая на цикл буксира. Производятся стыковка и перекачка топлива. Далее девятым пуском «Буран» доставит на комплекс экипаж. После перехода экипажа в комплекс производится старт к Луне. Буксир выводит лунную орбитальную станцию на окололунную орбиту, а сам возвращается к Земле, стыкуясь с околоземным комплексом. Лунная орбитальная станция начинает свое функционирование. Начальная масса окололунной станции около 20 т.

Таким образом, после завершения этой серии пусков вся система технических средств оказывается введенной в строй. Наступает этап штатного снабжения лунной базы и лунной орбитальной станции (осуществляется через околоземный комплекс). На Луну и окололунную орбиту доставляются грузы и топливо, происходит смена персонала.

Для функционирования системы предусмотрена доставка на околоземный комплекс необходимых запасов топлива активными танкерами. Каждый цикл снабжения лунной базы требует топлива в объеме двух танкеров, т. е. необходимы два пуска ракеты-носителя «Энергия». Доставку на околоземный комплекс экипажа, грузов и недостающего топлива наиболее целесообразно осуществлять многоразовой системой «Буран». После стыковки производится дозаправка комплекса, переход экипажа и передача грузов. Затем последует старт комплекса к Луне (в уже известной нам очередности). Грузы или экипаж доставляются по месту назначения (окололунная орбита или Луна). И снова цикл повторяется. Многоразовая система может начать оптимально функционировать на участке «орбита искусственного спутника Луны-Луна» только после создания на Луне и окололунной орбите топливных запасов (придется производить топливные компоненты на Луне). Переход на заправку окислителем на Луне (в случае получения жидкого кислорода на лунной базе) позволит увеличить массу доставляемого на Луну полезного груза, примерно до 12300 кг. Если же удастся организовать на Луне, производство второго топливного компонента (горючего), то итоговая цифра полезного груза составит 15 500 кг.

Безусловно, могут быть предложены и другие схемы развертывания лунной базы. Но сравним уже рассмотренные схемы. Первая схема хороша тем, что большинство из используемых средств уже достаточно детально проработано. В этой схеме используются опробованные на сегодняшний день системы, а количество пусков до начала функционирования базы минимально (что обеспечивает на начальной стадии определенный выигрыш времени). Прообраз базы начинает функционировать после четырех пусков ракеты-носителя «Энергия» и одного пуска ракеты-носителя «Зенит». Однако такая схема имеет и существенный недостаток: все средства на любом из этапов перелета расходуются безвозвратно. Такой подход вряд ли можно считать удовлетворительным.

Вторая схема предполагает более сложный, но выигрышный путь. Она основана на использовании многоразовых средств, постоянно курсирующих по этапам цикла, позволяющих с минимальными затратами решить поставленную задачу. Мы добиваемся того же качества, что и в первой схеме несколько позже (простейшая лунная база начинает свое функционирование после четырех пусков ракет-носителей «Энергия» и двух пусков многоразового корабля «Буран»), но в итоге получаем в отличие от нее долгоживущую систему. Потери ее элементов будут сведены до минимума (в частности, танкеры-заправщики могут возвращаться на Землю орбитальным кораблем «Буран»), Дальнейшие пуски, обеспечивающие создание лунной орбитальной станции, делают схему более гибкой и более сильной. Однако при всех своих плюсах схема требует более сложных технических решений.

К недостаткам первой схемы следует отнести и определенное осложнение операций в космосе и на Земле, а также вынужденные потери массы полезного груза. В этой схеме необходимы парные (очень близкие по астрономическим срокам) пуски тяжелых носителей, т. к. криогенные компоненты топлива не могут долго храниться в открытом космосе. Неизбежны многочисленные стыковки и соответствующие потери массы полезного груза (в случае пилотируемых комплексов не менее двух стыковок). Снижается и надежность решения задачи из-за вынужденного членения технических средств, введения дополнительных систем и манипуляций в космосе. Выявленные недостатки частично присущи и второй схеме. Правда, можно создать сверхтяжелый носитель и разместить на нем целиком лунный комплекс, т. е. перейти к однопусковому варианту. В случае реализации первой схемы уже после первых двух пусков лунная база начинает функционировать.

ЧЕГО ЭТО СТОИТ?

Стоимость эксплуатации технических средств с помощью парных пусков выше, чем в однопусковом варианте. Так, стоимость одного пуска сверхтяжелого носителя, созданного на основе ракеты «Энергия», обходится в 100 млн рублей. Поэтому к началу функционирования лунной базы придется израсходовать на пуски около 200 млн рублей. Суммарная стоимость пусков для развертывания базы по первой схеме обойдется в 330 млн рублей.

Но, с другой стороны, создание сверхтяжелого носителя требует капитальных вложений в размере 4 млрд руб. Правда, и многопусковая схема требует доработки технических средств, обеспечивающей стыковки, перегрузку модулей между кораблями, сборку, перекачку топлива, переход экипажа, что в итоге также приведет к большим затратам.

Попытаемся распространить анализ на этап функционирования и дальнейшего наращивания базы. Оказывается, что с учетом регулярной смены персонала базы и довольно больших потребностей в ее материально-техническом снабжении затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию сверхтяжелой ракеты-носителя окупается приблизительно за 5-7 лет эксплуатации базы.

Нам не хотелось бы, чтобы у читателей возникло чрезмерно упрощенное представление о такой сложнейшей комплексной проблеме, как создание лунной базы. Необходимы серьезные дополнительные технические проработки, рассмотрению которых можно было бы посвятить отдельную статью. Но мы считаем, что уже существующие технические средства выведения и накопленный опыт обеспечения жизнедеятельности человека в космосе позволяют уже сейчас перейти к рассмотрению вопроса о создании лунной базы.