С. Д. Гришин, С. В. Чекалин. Проблемы освоения космоса

Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

Проблемы освоения космоса. – М.: Знание, 1988. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 1).

В брошюре рассмотрены общие требования к перспективным транспортным космическим системам и пути их совершенствования, возможные направления развития космической энергетики, вопросы создания и развертывания крупногабаритных конструкций в космосе, различные концепции и средства орбитального обслуживания космических аппаратов, а также отдельные проблемы, связанные с экологией околоземной среды при использовании космической техники.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами космонавтики.

Современная космонавтика становится все более важным элементом производительных сил общества, мощным средством проникновения в тайны природы, одним из наиболее перспективных направлений ускорения научно-технического прогресса. Характерными особенностями космонавтики являются:

высокая целевая эффективность и экономическая рентабельность при решении народнохозяйственных задач в области связи, телевещания, метеорологии, навигации, исследования природных ресурсов и в других областях;

влияние на развитие ряда отраслей промышленности, особенно на машиностроение, приборостроение, электронику, криогенную и вакуумную технику, химическую промышленность, материаловедение;

усиление притока научной информации, повышение темпа развития науки, качественное изменение, углубление и расширение научных знаний;

комплексный подход к решению стоящих проблем с использованием новейших достижений науки и техники;

быстрая практическая реализация результатов научных исследований и проектно-конструкторских проработок.

Космонавтика открывает большие возможности для международного сотрудничества. Важность исследования космоса для всего человечества, сложность возникающих проблем, общность решаемых задач стимулируют международное сотрудничество в области исследования и освоения космоса в мирных целях.

На современном этапе космонавтика имеет в основном «земную» ориентацию, т. е. ее развитие направлено на удовлетворение насущных потребностей человечества. Космонавтика призвана оказывать содействие в решении таких глобальных проблем, связанных с хозяйственной деятельностью человека, как энергопроизводство, расходование сырьевых ресурсов, экология природной среды. Развитие земной цивилизации сопровождается быстрым ростом производства (и потребления) энергии, которое удваивается каждые 20 лет, но возрастание производства энергии в наземных условиях ограничено опасностью необратимых воздействий на климат планеты вследствие теплового загрязнения атмосферы. Растущая высокими темпами мировая потребность в сырьевых ресурсах ставит в трудное положение большинство добывающих отраслей промышленности, в первую очередь добычу цветных металлов, нефти, газа.

Дальнейшее развитие промышленности, сельского хозяйства, транспорта может привести к серьезным экологическим последствиям – загрязнению Мирового океана и земной атмосферы, к ухудшению состояния биосферы. Причем меры, предпринимаемые отдельными государствами по охране окружающей среды, оказываются недостаточными, и требуются мероприятия глобальных масштабов с привлечением усилий всех стран. Уже на данном этапе с помощью природоресурсных спутников оказалось возможным продвинуть решение этих проблем в плане оценки запасов, более рационального использования земных ресурсов и глобального контроля за загрязнением природной среды. Опыт и достижения космонавтики в области создания новых материалов с уникальными свойствами, систем жизнеобеспечения для длительных космических полетов, высокоэнергетических топливных элементов, солнечных батарей, освоения в качестве горючего жидкого водорода будут способствовать сокращению земных потребностей в дефицитном природном сырье и снижению уровня загрязненности биосферы.

Кардинальное решение земных проблем в более отдаленной перспективе предполагается за счет организации космического производства, утилизации в космосе даровой энергии солнечного излучения и освоения сырьевой базы Луны. Однако использование космического пространства для практической деятельности человека сталкивается прежде всего с необходимостью решения собственных задач энергообеспечения, транспорта, космического строительства, экологии средств космической техники. Эти задачи тесно взаимосвязаны между собой, и от уровня их решения зависят этапность и перспективы освоения космоса. Так, получение энергии в космосе (создание спутниковых солнечных электростанций) может стать реальностью, когда будут эффективно решены проблемы транспортировки большого количества грузов с Земли на орбиту ИСЗ, освоены способы сборки и развертывания в космосе крупногабаритных конструкций из легких материалов, до конца выяснена и исследована с точки зрения экологии возможность передачи энергии в виде микроволнового или лазерного излучения.

Комплексное рассмотрение проблемных вопросов освоения космоса позволяет более объективно прогнозировать развитие космической техники.

Предлагаемая брошюра на основе материалов, опубликованных в открытой отечественной и зарубежной печати, знакомит читателей с основными направлениями и проблемами дальнейшего освоения околоземного космоса в мирных целях. В ней рассмотрены общие требования к перспективным транспортным космическим системам и пути их совершенствования, возможные направления развития космической энергетики, вопросы создания и развертывания крупногабаритных конструкций в космосе, различные концепции и средства орбитального обслуживания космических аппаратов, а также отдельные проблемы, связанные с экологией околоземной среды при использовании космической техники.

Достижения современной космонавтики. Прежде чем перейти к рассмотрению проблемных вопросов освоения космоса, кратко расскажем об основных достижениях современной космонавтики в народном хозяйстве и о новых задачах, которые предстоит решать в будущем. Исключительно важную роль в развитии народного хозяйства за последние 20 лет сыграли космические системы на базе связных, навигационных, метеорологических, природоресурсных и других спутников, а также пилотируемые орбитальные станции «Салют», позволившие решать задачи, выполнение которых традиционными средствами было или нецелесообразно (из-за огромных материальных затрат), или просто технически невозможно.

Так, например, для спутниковой системы связи, передающей качественно и быстро значительные объемы информации на дальние расстояния, не требуется использования большого количества ретрансляционных или усилительных пунктов, как это имеет место в радиорелейных и кабельных линиях связи, и в отличие от наземных коммуникаций здесь не имеют значения такие природные препятствия, как водное пространство, горы, болота и тайга. Это особенно важно для Советского Союза с его огромной территорией и необходимостью обеспечивать для развития хозяйства падежную информативную связь с такими отдаленными регионами, как Крайний Север, Сибирь, Дальний Восток, Средняя Азия.

В настоящее время в СССР успешно эксплуатируются космические системы связи и телевещания на базе спутников «Молния-1» и «Молния-3», обращающихся по сильно вытянутой эллиптической орбите с высотой апогея над Северным полушарием около 40 тыс. км, на базе геостационарных ИСЗ «Радуга», «Горизонт», «Экран», которые с использованием наземных приемных станций «Орбита» и упрощенных приемных установок типа «Экран» и «Москва» практически охватывают всю территорию нашей страны, обеспечивая передачу программ Центрального телевидения для 93% населения. Связные спутники осуществляют также многоканальную дальнюю телефонную и телеграфную связь, передачу фотокопий газетных полос и других печатных изданий, технической и деловой информации, данных для ЭВМ. Подсчитано, что к 2000 г. в нашей стране из каждых 10 сообщений, передаваемых по всем имеющимся каналам связи, 7 будут проходить через космос.

На базе спутников «Горизонт» функционирует международная система связи «Интерспутник», обслуживающая одиннадцать социалистических и ряд других стран. Советский Союз входит в число государств – учредителей международной организации «Инмарсат», объединяющей 48 стран, спутниковая система которой обеспечивает глобальную всепогодную связь судов Мирового флота с портами и друг с другом.

Потребности судоходства привели к созданию космических средств навигации. Отечественная спутниковая навигационная система «Цикада», включающая в себя несколько спутников типа «Космос-1000» на околополярных орбитах с периодом обращения около 105 мин, позволяет обслуживать неограниченное количество судов, определяя их местоположение в любой точке Мирового океана с точностью до 80 – 100 м. Глобальные системы связи и навигации существенно повысили эффективность советского торгового флота, суда которого оснащаются специальными станциями спутниковой связи и приемоиндикаторной навигационной аппаратурой. Экономический эффект от использования этих средств на крупнотоннажном судне составляет 80 – 100 тыс. руб. в год.

Важное значение для народного хозяйства имеет долгосрочное и надежное прогнозирование погоды. По расчетам специалистов, прогноз на сутки требует сбора метеоинформации с площади радиусом 3 тыс. км, на несколько суток – минимум с территории одного полушария Земли, а для прогноза на неделю и более необходимо регулярно собирать и обрабатывать метеоданные с территории всего земного шара.

Большая часть атмосферы выпадает из поля зрения наземных пунктов, так как она располагается в пространстве над океанами и полярными шапками, которые играют важную роль в формировании погодных явлений. На помощь земной метеорологии пришла космическая. Использование спутников для оперативного сбора метеоданных практически со всей поверхности земного шара и обработка их с помощью быстродействующих ЭВМ при наличии телевизионной космической связи для передачи метеорологической информации послужили толчком к созданию Всемирной службы погоды, объединяющей в настоящее время 157 стран.

В нашей стране спутниковая метеорологическая система действует с 1967 г. Сейчас на земных орбитах несут постоянное дежурство два-три советских метеоспутника второго поколения «Метеор-2», которые позволяют дважды в сутки получать глобальную информацию о состоянии атмосферы, облачности, ледовой обстановки. Запущен спутник третьего поколения «Метеор-3». Прием и обработка метеоданных у нас в стране ведутся тремя региональными центрами, расположенными в Москве, Новосибирске и Хабаровске. Для организации обмена и распространения метеорологической информации в глобальном масштабе организованы три международных центра: в Москве, Вашингтоне и Мельбурне.

Ожидаемый эффект от использования космических систем в службе погоды огромен. Однако точность прогноза погоды в значительной мере зависит от полноты и оперативности обработки информации, получаемой от метеоспутников, и требует для этих целей более широкого и ускоренного внедрения современных быстродействующих ЭВМ. В настоящее время ежегодная экономия средств от использования космической метеоинформации в народном хозяйстве СССР составляет до 500 млн. руб.

В июне 1982 г. с запуском советского спутника «Космос-1383» начала работать первая в мире космическая система поиска и спасения. Эта система с помощью спутников, дежурящих на полярных орбитах, позволяет оперативно принимать сигнал бедствия, посылаемый аварийным радиобуем из любой точки Земли, установить координаты места аварии и передать необходимую для оказания помощи информацию на приемный наземный пункт. О создании такой системы СССР, США, Франция и Канада договорились в середине 70-х годов, когда были достигнуты межправительственные соглашения по исследованию и использованию космического пространства в мирных целях. Советская система получила название КОСПАС (Космическая Система Поиска Аварийных Судов и Самолетов), американо-франко-канадская – САРСАТ (аббревиатура с английского «поиск и спасение путем слежения со спутников»). Обе системы могут действовать самостоятельно, в то же время благодаря четкому согласованию технических параметров они образуют единую систему КОСПАС – САРСАТ.

Станции приема информации системы КОСПАС – САРСАТ размещены на территориях стран-участниц, а также в Англии и Норвегии. Сейчас в рамках этой программы функционируют три советских и три американских спутника. За время, прошедшее с начала опытной эксплуатации системы, спасено свыше 650 человек, пострадавших в результате аварий. Аварийными радиобуями оснащено уже более 200 тыс. судов и самолетов, а к началу штатной эксплуатации системы предполагается оснастить еще 300 тыс. транспортных объектов, в том числе поезда и автомашины на удаленных маршрутах и различного рода экспедиции.

К работам по спутниковой системе поиска и спасения присоединяются и другие страны. КОСПАС – САРСАТ – еще один пример международного сотрудничества в мирном использовании космоса.

Глобальность и оперативность наблюдения за земной поверхностью из космоса позволяют с помощью спутников получать обширную информацию о состоянии природной среды и ресурсов Земли, эффективно использовать ее для нужд сельского, лесного, водного хозяйств, гидроэнергетики, геологии, транспорта и строительства. Программа «космического землеведения» в СССР осуществляется на пилотируемых орбитальных станциях и специализированных спутниках серий «Космос» и «Метеор – Природа».

Космическая информация помогает оценивать состояние сельскохозяйственных угодий, прогнозировать урожай, проводить инвентаризацию лесных фондов и контроль за их вырубкой, оптимально управлять водными ресурсами бассейнов рек, изучать данные о геологическом строении Земли с целью определения мест, перспективных для поиска нефти, газа и других полезных ископаемых, планировать застройку крупных городов и прокладку транспортных магистралей, газопроводов, осуществлять контроль за уровнем загрязнения в промышленных регионах и т. п. Данными дистанционного зондирования Земли из космоса уже сейчас пользуются более чем 800 организаций нашей страны. Получаемый при этом ежегодный экономический эффект в народном хозяйстве оценивается в сотни миллионов рублей.

Огромным достижением современной космонавтики стали пилотируемые полеты на долговременных орбитальных станциях. 15 лет функционировали на орбитах советские станции «Салют» – многоцелевые лаборатории, на которых выполнялся основной объем космических экспериментов в интересах науки и народного хозяйства. За это время сменилось несколько поколений станции. На станциях второго поколения, «Салют-6» и «Салют-7», было установлено два стыковочных узла, что позволило сочетать работу основных экипажей с экспедициями посещения на кораблях «Союз-Т» и использовать автоматические грузовые корабли «Прогресс» для бесперебойного снабжения станций. Это существенно повысило эффективность их работы.

В начале 1986 г. в Советском Союзе запущена новая орбитальная станция «Мир», оснащенная системой стыковки с шестью стыковочными узлами и представляющая собой базовый блок для построения многоцелевого постоянно действующего пилотируемого комплекса со специальными модулями научного и народнохозяйственного назначения (рис. 1).

Наряду с исследованием природных ресурсов на орбитальных станциях проводится большой комплекс экспериментов по изучению возможностей производства новых материалов в космосе. Предпосылками для этого являются уникальные условия орбитального полета – невесомость, глубокий вакуум, высокие и низкие температуры, космическая радиация, которые можно использовать в технологических целях. Наличие невесомости и отсутствие тепловой конвекции создают ряд преимуществ в процессах плавления, направленного затвердевания, кристаллизации в целях получения крупных однородных монокристаллов, сверхпроводящих сплавов, высококачественного стекла, новых композиционных и пористых материалов. Кроме того, в условиях космического полета становится возможным разделение клеточных смесей в электрическом поле (электрофорез) для получения сверхчистых медико-биологических препаратов, что весьма затруднено в земных условиях.

Следует сказать, что пока технологические эксперименты еще далеки от завершения, но они подготавливают базовые технологические процессы, которые откроют дорогу будущему космическому производству.

Большой объем научной информации получен космонавтикой при исследовании околоземного спутника Луны, изучении Венеры, Марса и других планет Солнечной системы. Таким образом, современная космонавтика, успешно решая задачи сегодняшнего дня, одновременно создает научно-технический задел для дальнейшего освоения космоса. Рассмотрим теперь, в каких направлениях будет развиваться космонавтика и какие новые технические проблемы ей предстоит решить.

Новые задачи – новые проблемы. Перспектива индустриального освоения космического пространства в мирных целях предусматривает проведение комплексных фундаментальных научных исследований в космосе, дальнейшее совершенствование и широкое применение в народном хозяйстве спутниковых информационных систем, развитие космической технологии, материаловедения и машиностроения, создание крупных орбитальных пилотируемых и промышленных комплексов. В более отдаленной перспективе предполагается развернуть на околоземных орбитах гигантские спутниковые солнечные электростанции или мощные энергоцентрали с использованием ядерной энергии, вынести в космос часть экологически вредных, загрязняющих природную среду земных производств, приступить к промышленному освоению сырьевых ресурсов Луны.

Уже сейчас совершенствование спутников прикладного назначения за счет более широкого использования многодатчиковых систем измерения, приборов, функционирующих в видимом, ультрафиолетовом, инфракрасном диапазонах и СВЧ-области спектра, а также применения многолучевых направленных антенн, внедрения цифровых методов обработки информации существенно повышает технико-экономическую эффективность их применения для решения задач исследования природной среды, связи и т. п. В дальнейшем с развитием информационных систем на базе спутников-платформ, оснащенных крупногабаритными антеннами, мощными передатчиками, микроэлектронными процессорами и различными комплектами аппаратуры, круг решаемых задач расширится. Из космоса будет осуществляться эксплуатационный контроль за сетью линий электропередач, нефте- и газопроводами, грузовыми перевозками, войдут в быт космическая ретрансляция почтовых отправлений («электронная почта»), космические системы индивидуальной радиосвязи и навигации.

Проблемы дальнейшего усовершенствования спутников прикладного назначения, наряду с увеличением мощности бортовых источников питания, размеров радиоантенн и совершенствованием аппаратуры, связаны с решением технических вопросов транспортировки, обслуживания и ремонта таких спутников и их аппаратуры в космосе. Большая часть спутников прикладного назначения будет функционировать на геостационарной орбите, что обеспечит широкую зону обзора земной поверхности, возможность непрерывного наблюдения и передачи или приема информации с Земли и тем самым сократит требующееся число спутников в системах.

Крупногабаритные размеры антенн и базовых спутников-платформ, на которых будут размещаться комплекты различной аппаратуры, затруднят непосредственное выведение части спутников с Земли на рабочую орбиту и приведут к необходимости их сборки на низкой околоземной орбите с последующей транспортировкой на рабочие орбиты. Для обеспечения длительной, безотказной работы спутников потребуется проведение в космосе профилактического обслуживания ИСЗ, настройки и юстировки их аппаратуры, а в случае необходимости и ремонта. Возрастет объем межорбитальных перевозок, повысятся требования к космическим транспортным средствам в части высокой производительности и экономичности применения. Орбитальные станции будут выполнять не только функции космической лаборатории, но и операционного центра для обслуживания спутников, межорбитальных буксиров, сборки крупногабаритных конструкций.

Важным направлением развития орбитальных станций станет организация космического производства. В первую очередь в космосе будет освоено изготовление потребляемых в небольших количествах уникальных материалов и медикаментов, производство которых на Земле обходится дорого из-за большого процента брака. К числу перспективных космических технологий, по мнению зарубежных специалистов, относятся производство полупроводниковых элементов из арсенида галлия, оптического стекловолокна, выращивание ниобиевых кристаллов для использования в лазерах и устройствах памяти ЭВМ, производство высококачественной кремниевой ленты для изготовления интегральных схем, в области медико-биологических препаратов – производство инсулина (для больных сахарным диабетом); фермента урокиназы (для борьбы с тромбоэмболией) и эритропоэтина (от почечной недостаточности и анемии). По оценкам специалистов, производство этих материалов и препаратов в космосе в 5 – 10 раз рентабельнее, чем на Земле.

Исходя из этих задач вырисовывается облик перспективного многоцелевого орбитального комплекса, в состав которого, наряду с технологическими модулями, должны входить, как считают советские ученые Б. Е. Патон и Ю. П. Семенов, «специализированные научно-исследовательские лаборатории, комфортабельные жилые блоки, мощные энергоустановки, заправочная станция, ремонтные мастерские и даже строительные площадки для изготовления и монтажа типовых конструкционных элементов»¹. Начало такому комплексу, как уже говорилось, положено запуском в 1986 г. базового блока станции «Мир», к которому в 1987 г. был пристыкован астрофизический модуль «Квант». Аналогичный подход к формированию облика долговременной орбитальной космической станции с расширяющейся структурой наметился и в США, которые планируют создание первой очереди такой станции к середине 90-х годов.

¹ Патон Б., Семенов Ю. К орбитам будущего // Правда.– 1983. – 28 ноября.

Создание и длительная эксплуатация долговременного орбитального комплекса с расширяющейся структурой, изменяемыми размерами и массой являются трудной инженерно-технической задачей. Наряду с проблемами космического машиностроения возникают сложные задачи по управлению таким комплексом, созданию регенеративных систем для обеспечения жизнедеятельности экипажа с высокой степенью замкнутости по массообмену, а также по оптимальному распределению функций между экипажем и автоматами.

В конце 70-х годов в печати и на международных симпозиумах широко обсуждались проекты крупномасштабных спутниковых солнечных электростанций (ССЭ), предназначенных в перспективе для электроснабжения Земли. Создание подобных электростанций предусматривает развертывание на геостационарной орбите панелей солнечных батарей площадью в десятки и сотни квадратных километров и связано с проблемами уникальных по объему транспортных перевозок и строительно-монтажных работ в космосе. Однако подробный анализ показал, что для создания достаточно рентабельной ССЭ требуется более высокий технический уровень развития ракетно-космической техники. Кроме того, необходимо тщательно изучить экологические аспекты эксплуатации спутниковой электростанции. Поэтому в ходе обсуждения проектов ССЭ вопрос о реализации ССЭ был отложен на XXI в., причем по финансовым и материальным расходам и потенциальным возможностям программа развертывания ССЭ нуждается при своем решении в объединении усилий многих стран.

Масштабной задачей индустриализации космоса является разработка в перспективе природных ресурсов Луны. США рассматривают возможность создания лунной базы-станции в начале XXI в. Учитывая, что лунные ресурсы – достояние всего человечества, а их эффективное освоение требует больших затрат, очень важно, чтобы с самого начала такие проекты носили широкий международный характер.

Исследование лунного грунта с помощью автоматических и пилотируемых аппаратов показало, что недра Луны богаты кремнием, железом, алюминием, марганцем, титаном и другими редкими металлами. На Луне достаточно кислорода, содержащегося в связанном виде в окислах металлов и кремния. Специфические условия на лунной поверхности (вакуум, небольшая сила тяжести) позволяют организовать подобное производство на базе радикально новой технологии. Из лунных пород можно получить металлы, металлокерамику, волокнистые и кристаллические композиционные материалы, ситаллы и специальные стекла, порошковые строительные материалы, которые будут использоваться как для местных нужд (при сооружении лунных баз), так и при создании на околоземных орбитах производственных комплексов. Например, в качестве побочного продукта может производиться кислород, который найдет применение в системах жизнеобеспечения космонавтов и как топливный компонент (окислитель) – в транспортных космических средствах.

Промышленное освоение Луны потребует решения задач по обеспечению непрерывного энергоснабжения технологического оборудования в условиях продолжительной лунной ночи, по дальнейшему развитию робототехники, космического строительства и транспортных средств. Серьезного внимания заслуживают и вопросы экологии, связанные с возможным загрязнением окололунного пространства и влиянием на околоземную среду. Использование лунной станции для проведения астрономических наблюдений и дальней связи (при отсутствии атмосферы и радиопомех Земли), а также операционного центра на околоземной орбите для дооснащения и обслуживания межпланетных станций и кораблей (пристыковка больших антенн, юстировка, контрольные проверки) будет способствовать развитию межпланетных полетов и исследованию дальнего космоса.

Таким образом, перспективные космические задачи во многом взаимосвязаны между собой и имеют общие проблемы. В последующих разделах мы более подробно ознакомимся с наиболее важными из этих проблем, влияющими па общий уровень развития космической техники.

Проблемы космического транспорта и требования к перспективным ТКС. Промышленное освоение космоса прежде всего зависит от решения проблемы космического транспорта. Обслуживание с помощью орбитальных станций, дальнейшее освоение геостационарной орбиты, развертывание на околоземных орбитах крупногабаритных космических сооружений типа производственных комплексов существенно расширят и увеличат объем транспортных операций. Но прежде чем перейти к прогнозу развития ТКС в будущем, рассмотрим существующие средства выведения космических аппаратов на орбиту и требования к перспективным транспортным средствам.

Среди ракет-носителей, отличающихся высокими массово-энергетическими характеристиками, следует отметить советские «Протон» и «Союз», американские «Атлас – Центавр» и «Титан-34Д», западноевропейскую «Ариан» (в ее поздних вариантах). Если проследить историю развития ракетных средств выведения, то можно отметить значительное повышение их характеристик за прошедший период как по энергетике (что определяется удельным импульсом ракетных двигателей), так и по конструктивному совершенству (здесь важную роль играет отношение массы конструкции ракетных ступеней к их массе в заправленном состоянии). Стоимость выведения 1 кг полезного груза с помощью ракет-носителей на низкую околоземную орбиту снизилась в США с 80 тыс. долл. (в 1958 г.) до 5 тыс. долл. (за последний период).

Однако характеристики и условия эксплуатации ракет-носителей еще далеки от совершенства. Продолжает все же оставаться достаточно высокой стоимость выведения полезной нагрузки в космос. Интенсивное использование ракет-носителей связано с необходимостью привлечения больших производственных мощностей для их изготовления. При эксплуатации современных ракет-носителей требуются зоны отчуждения для падения отработавших ступеней по трассам пусков, т. е. свободные от судоходства акватории Мирового океана или неиспользуемые территории суши. Наконец, верхние ступени ракет-носителей и разгонные космические блоки (или ускорители) «засоряют» околоземное пространство.

В плане совершенствования ТКС возможен переход от одноразовых систем выведения к многоразовым. Примером может служить разработка и эксплуатация в США многоразового (частично) транспортного космического корабля (МТКК) типа «Спейс Шаттл», обеспечивающего выведение и возвращение из космоса полезных нагрузок массой соответственно до 29,5 и 14,5 т. Комплексное решение проблемы многоразовости (снижение затрат на выведение и обеспечение возможности возвращения полезной нагрузки с целью повторного ее использования) привело к созданию МТКК с возвращаемым крылатым пилотируемым кораблем (орбитальной ступенью). В то же время технические трудности не позволили американским специалистам разработать МТКК в полностью многоразовом варианте. В рамках программы. «Спейс Шаттл» орбитальная ступень выводится на орбиту с помощью двух твердотопливных ускорителей, спасаемых на парашютах, и водородно-кислородной двигательной установки орбитальной ступени с топливным отсеком, сбрасываемым в океан по окончанию работы маршевых двигателей (они возвращаются на Землю в составе орбитальной ступени-корабля).

Выведение, помимо полезной нагрузки, большой пассивной массы корабля существенно повысило стартовую массу МТКК по сравнению с ракетой-носителем той же грузоподъемности. В результате американский МТКК по затратам на выведение полезной нагрузки остался на уровне существующих ракет-носителей и уступает по этим затратам новым (т. е. выполненным на одинаковом с ним технологическом уровне) одноразовым ракетам-носителям в случае их разработки. Заявленный темп пусков МТКК (30 – 60 пусков в год) на практике оказался по крайней мере на порядок меньшим (около 25 пусков за 7 лет). Авария, случившаяся при 25-м старте МТКК (это был 10-й запуск орбитальной ступени «Челленджер», помимо которой были изготовлены и эксплуатировались ступени «Колумбия», «Дискавери» и «Атлантис») и приведшая к гибели ступени-корабля вместе с экипажем, потребовала доработки американского МТКК с целью повышения надежности и безопасности его полетов. Следует отметить, что ряд конструктивных несовершенств и допущенные неполадки во время эксплуатации этой системы во многом объясняются поспешностью, с которой она была введена в строй под давлением Пентагона, отводившего ей главную роль в проведении специальных пусков в интересах министерства обороны США (особенно в планах последних лет в связи с программой СОИ).

Другим примером развития ТКС могут служить успешно начатые в Советском Союзе летно-конструкторские испытания новой мощной универсальной ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для выведения на околоземные орбиты как многоразовых орбитальных кораблей, так и крупногабаритных КА научного и народнохозяйственного назначения.

Однако исследование путей совершенствования ТКС продолжается как в части развития элементной базы (двигателей, конструкции, систем управления, методов проектирования), так и поиска принципиально новых вариантов перспективных транспортных средств. Какие же общие требования предъявляются к ТКС будущего?

Надо сказать, что модули для полезного груза по объему и массе не явятся лимитирующими для перспективных ТКС¹, и поэтому основными требованиями к космическому транспорту будущего будут высокая производительность (по величине реализуемого грузопотока за год) и относительно низкие затраты на транспортировку. По всей видимости, целесообразным станет разделение Перспективных ТКС на чисто грузовые и чисто пассажирские (на долю первых будет приходиться основной грузопоток в космос), что позволит снять ограничения, накладываемые присутствием человека на борту, и тем самым расширить поиск новых, более эффективных принципов выведения полезных нагрузок в космос. Неизменными, конечно, останутся требования по высокой надежности (особенно пилотируемых) ТКС и безопасности их эксплуатации с точки зрения экологии. Перспективные ТКС не должны загрязнять атмосферу Земли вредными продуктами сгорания топлива, превышать допустимые нормы по акустическим нагрузкам, сбрасывать в полете или оставлять на орбите отдельные элементы конструкции.

¹ В перспективе сборку крупногабаритных конструкций в космосе можно будет проводить из большого количества однотипных элементов и деталей, изготавливаемых на борту орбитального комплекса из полуфабрикатов, доставляемых с Земли в контейнерах с достаточно плотной упаковкой.

Совершенствование транспортных систем «Земля – орбита». Предпосылками для совершенствования ТКС являются успехи, достигнутые в области ракетного двигателестроения. На примере двигателя орбитальной ступени американского МТКК можно отметить, что сейчас создаются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) с высоким удельным импульсом (отношение тяги двигателя к секундному расходу топлива) порядка 455 с, имеющие широкий диапазон регулирования тяги и рассчитанные на суммарный ресурс работы, исчисляемый десятками полетных ресурсов. С целью повышения надежности и безопасности эксплуатации внедрены системы контроля и диагностики работы двигателей, а для их управления стали использовать бортовые ЭВМ. Большой интерес представляют исследования по двигательным установкам (ДУ), работающим на трех компонентах топлива. В такой ДУ предполагается последовательно использовать с одним окислителем (кислородом) два горючих – углеводород и водород, чтобы совместно реализовать преимущества топлива с углеводородным горючим (высокая плотность массы топлива и низкая относительная масса ДУ) и преимущества топлива с водородом (высокий удельный импульс).

Другим резервом повышения характеристик ТКС является их конструктивно-массовое совершенство за счет внедрения композиционных материалов (по оценкам специалистов, композиционные детали на 25 – 30% легче алюминиевых) и новых типов перспективных конструкций, объединяющих в себе функции силовой конструкции, теплозащиты и теплоизоляции (рис. 2). Следует отметить, что многоресурсная керамическая теплозащита, применяемая на американском МТКК, выдерживает достаточно высокую температуру нагрева, но ей присущ и ряд недостатков: хрупкость, способность поглощать влагу, трудоемкость при изготовлении и обслуживании. В этом отношении более привлекательными могут оказаться металлические теплозащитные системы с ограниченным использованием активного охлаждения. В таких системах теплота благодаря циркуляции теплоносителя отбирается от участков повышенного нагрева (например, передних кромок крыла космического корабля) и переносится к участкам поверхности с относительно низкой температурой, выполняющим роль радиаторов.

С широким использованием бортовых ЭВМ стала возможной разработка активных систем управления. Применение таких систем позволяет уменьшить в полете ветровые и аэродинамические нагрузки, снизить массу конструкции, повысить летные качества и улучшить управляемость, расширить область полетных режимов проектируемых изделий (за счет выработки на борту так называемых адаптивных программ полета). Ожидается в перспективе снижение массы бортовых кабельных сетей за счет внедрения оптически гибких волокон. И конечно, совершенствуются сами методы оптимального проектирования на основе математического программирования и применения быстродействующей вычислительной техники, которые в будущем будут учитывать требования надежности, стохастическую природу внешних воздействий и нестационарность ограничений. Это позволит уменьшить запасы по прочности, устойчивости, управляемости и т. п. при проектировании перспективных ТКС и соответственно облегчить их конструкцию.

С учетом этих достижений рассмотрим в первую очередь возможность развития ТКС на базе ЖРД. Стремление в перспективе перейти к полностью многоразовому одноступенчатому варианту с целью удешевить и упростить эксплуатацию ТКС вступает в противоречие с энергетическими возможностями систем, использующих ЖРД. При этом эффект от ожидаемого конструктивного совершенствования ТКС, как правило, погашается дополнительным расходованием массы для обеспечения их возвращения и повторного использования. Многочисленные проекты нового поколения ТКС на ЖРД, опубликованные в зарубежной печати, представляют собой попытку найти компромиссное решение этой проблемы. В основном это одно- или двухступенчатые аппараты крылатой схемы (рис. 3). За счет многоразовости стоимость выведения полезной нагрузки на этих системах снижается, но относительная масса полезной нагрузки не выше, чем у одноразовых ракет-носителей.

Повысить массовую отдачу перспективных ТКС можно за счет перехода на высокоэнергетичные ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Например, удельный импульс самого простого по реализации твердофазного ЯРД составляет 900 с, что вдвое больше, чем у лучших современных ЖРД, а у газофазного ЯРД удельный импульс достигает 2000 – 2500 с. Однако, как считают, например, американские специалисты, при использовании ЯРД на ТКС, стартующих с Земли, по-видимому, еще в течение длительного времени не удастся разрешить проблемы защиты пассажиров, летного и наземного обслуживающего персонала от радиационной опасности, а также очистки атмосферы от продуктов радиоактивного распада.

Более простой для реализации является идея использования для разгона ТКС ресурсов земной атмосферы – подъемной аэродинамической силы и воздуха как окислителя и рабочего вещества в двигателе. Рассматриваются проекты одноступенчатых крылатых ТКС с использованием комбинированных ДУ, объединяющих в едином агрегате ракетные и воздушно-ракетные двигатели (ВРД). Эффективность комбинированных ДУ, несмотря на их большую массу, связана с тем, что воздушно-реактивные двигатели имеют на порядок более высокий удельный импульс, чем у ЖРД, и позволяют сократить запасы окислителя на борту, что особенно выгодно для одноступенчатых транспортных систем. Как показывают оценки, относительная массовая отдача по полезной нагрузке у таких ТКС (отношение массы полезного груза к стартовой массе) может быть повышена до 7 – 8%. При этом тип старта может быть как вертикальный, так и горизонтальный.

О составе и характере работы комбинированной ДУ в широком диапазоне чисел Маха (число Маха – отношение скорости движения летательного аппарата к скорости звука в окружающей среде) можно получить представление на примере одного из американских проектов многоразового одноступенчатого космического самолета. Комбинированная ДУ этого аппарата состоит из турборакетного ВРД, гиперзвукового прямоточного ВРД и кислородно-водородного ЖРД. На дозвуковых и трансзвуковых скоростях полета (до числа Маха М = 2,6 и высоты полета 12 км) работает турбовентиляторный (двухконтурный) ВРД, входящий в состав турборакетного ВРД. В последнем в качестве газогенератора применяется кислородно-водородный ЖРД, продукты сгорания топлива которого, обогащенные горючим, используются для привода турбины, связанной с вентилятором внешнего контура. Эти продукты, смешавшись затем с воздухом, догорают в форсажной камере (камера дожигания), что увеличивает тягу двигателя.

При сверхзвуковых скоростях полета (до числа Маха М = 6 и высоты полета 29 км) форсажная камера турборакетного ВРД начинает работать как камера сгорания прямоточного ВРД с дозвуковым горением (горение при дозвуковой скорости движения частиц топлива в камере сгорания). При гиперзвуковых скоростях полета (до числа Маха М = 18 и высоты полета 38 км) включается и работает отдельный ВРД со сверхзвуковым горением, т. е. со сверхзвуковой скоростью движения газа в камере сгорания. Хвостовая часть фюзеляжа космического самолета используется как сопло внешнего расширения для ВРД. Дальнейший разгон до выхода аппарата на низкую околоземную орбиту осуществляется с помощью ЖРД. На рис. 4 показана зависимость удельного импульса комбинированной ДУ такого аппарата от числа Маха.

Разработка высокоэффективных ВРД для комбинированной ДУ требует решения ряда сложных научно-технических проблем, среди которых основное место занимают организация устойчивого сверхзвукового горения и обеспечение надежного функционирования прямоточного ВРД в широком диапазоне чисел Маха. Сложной Задачей является достижение высокой степени интеграции двигателей и конструкции летательного аппарата.

Следующим шагом в развитии ТКС для реализации в будущем больших грузопотоков в космос может стать ТКС с подводом энергии от внешних источников (например, подвод энергии к ТКС по лазерному лучу от спутниковой электростанции). Но это относится к более далекой перспективе и связано с решением большого комплекса проблем. Проекты ТКС для массового запуска полезных грузов, основанные на этом принципе, еще ждут конкретных технических разработок.

Перспективные межорбитальные транспортные аппараты (МТА). Основные требования к перспективным МТА направлены на повышение эффективности их использования при решении широкого круга задач и связаны с переходом к многоразовым одноступенчатым вариантам МТА на базе высокоэнергетичных двигателей. В качестве таких двигателей рассматриваются ЖРД, ЯРД и электрические ракетные двигатели (ЭРД).

Одноступенчатые МТА на базе ЖРД при достигнутом в мировой практике уровне конструктивного совершенства могут обеспечить проведение двухсторонних транспортных операций (с возвращением МТА на низкую орбиту) до орбит высотой порядка 10 – 20 тыс. км.

Двухсторонние полеты МТА на химическом топливе на более высокие орбиты ИСЗ, включая геостационарную, возможны лишь с использованием многоступенчатых конструкций (например, вариант МТА с модульным построением топливного отсека, допускающий сброс части баков с отработанным в полете топливом (рис. 5). Рассматриваются проекты МТА с ЖРД, предусматривающие увеличение массы полезной нагрузки (без дополнительных затрат топлива) за счет применения аэродинамического торможения при возвращении аппарата на низкую околоземную орбиту. Многоразовые буксиры на химическом топливе будут использоваться для межорбитальной транспортировки КА и космонавтов, в операциях сборки, обслуживания.

Переход на использование ЯРД расширит энергетические возможности МТА. При эксплуатации транспортных систем на базе ЯРД в космосе также необходимо защищать от радиационного облучения бортовую аппаратуру и экипаж (в случае пилотируемого варианта). Но в отличие от тяжелой круговой защиты экипажа, которая требуется на ТКС с ЯРД в условиях полета в, атмосфере (в связи с рассеянным излучением от воздуха), на космических буксирах можно применять ограниченную, так называемую «теневую» защиту. МТА на базе ЯРД могут найти применение для доставки тяжелых грузов на геостационарную орбиту и в грузовых операциях по трассе «околоземная орбита – Луна».

Особый интерес представляет использование МТА на базе ЭРД, в которых рабочее вещество (плазма) получает ускорение в электромагнитном поле. Впервые идея об использовании электричества для создания реактивной тяги была высказана К. Э. Циолковским в 1911 г., а первые практические исследования по созданию ЭРД были проведены в 1929 – 1931 гг. в Газодинамической лаборатории основоположником отечественного ракетного двигателестроения В. П. Глушко.

В состав подобной ДУ, помимо ЭРД, входят источник энергии (ядерный реактор или солнечная батарея), система преобразования энергии, система хранения и подачи рабочего вещества, холодильник-излучатель. Благодаря разделению в ДУ источника энергии и рабочего вещества, а также возможности подвода большого количества энергии к малой массе вещества для ее ускорения в электромагнитном поле можно получить большую чем на порядок величину удельного импульса по сравнению с удельными импульсами ЖРД и ЯРД. Электроракетная ДУ характеризуется высокой экономичностью расходования массы рабочего вещества, запасенной на борту МТА, причем для каждого космического полета существует оптимальное значение эффективной скорости истечения.

Вследствие низкого значения тяги и достаточно большой массы конструкции ЭРД начальное ускорение такого МТА ограничено величинами 10^–2 – 10^–4 м/с², а время полета – десятками и сотнями суток. Поэтому МТА на базе ЭРД целесообразно использовать при полетах, требующих относительно больших энергетических затрат и не лимитированных по времени. Например, для транспортировки с низкой околоземной орбиты на геостационарную тяжелых крупногабаритных конструкций с ограниченным уровнем допускаемых перегрузок, от которых существенно зависит их расчетная масса.

Определяющим в компоновке МТА на базе электроракетной ДУ, использующей ядерный реактор, является принцип лучевого построения, позволяющий получить минимальную массу радиационной защиты от излучений реактора. Такой МТА компонуется в виде последовательно соединенных отсеков внутри конического объема, в вершине которого помещен реактор-генератор. Вслед за реактором и «теневой» защитой располагаются преобразователи электрической энергии и отсек электроракетных двигателей. Для рассеяния неиспользованной тепловой энергии в окружающее пространство имеется холодильник-излучатель, внутри которого размещается отсек рабочего вещества. Далее на наибольшем расстоянии от реактора-генератора размещаются приборный отсек и отсек полезной нагрузки. При использовании в ЭРД солнечной энергоустановки МТА компонуется обычно в виде двух симметричных крупногабаритных солнечных батарей, между которыми расположены отсеки ЭРД, рабочего вещества, полезной нагрузки.

На рис. 6 приведен один из вариантов компоновки МТА с ЭРД на базе ядерного реактора.

К настоящему времени уже накоплен большой опыт создания и отработки ЭРД. В СССР ЭРД успешно применялись как исполнительные органы системы ориентации на автоматической межпланетной станции «Зонд-2», в качестве корректирующей ДУ на спутниках «Метеор» и «Метеор – Природа». Испытания ЭРД также проводились в США (с солнечными и даже ядерным источниками энергии). Проведенные эксперименты и летная эксплуатация подтвердили работоспособность основных элементов ДУ с ЭРД в космических условиях, но показали также необходимость дальнейших работ в части совершенствования их конструкций. Особенно важной и сложной конструкторско-технологической проблемой здесь является обеспечение требуемого ресурса маршевых ДУ с ЭРД.

В отдаленной перспективе при создании космических энергоцентралей могут получить развитие МТА на базе тепловых лазерных двигателей с дистанционным питанием (рис. 7), которое более приемлемо в космосе, чем на участке выведения с Земли (из-за отсутствия влияния атмосферы). В этом направлении необходимы исследования по созданию оптических коллекторов и передатчиков, высокоточных систем наведения и слежения, разработка высокотемпературных конструкционных материалов и долговечных материалов с высокой отражающей способностью и т. п.

С усложнением решаемых задач и увеличением срока активного существования космических аппаратов резко возрастают потребности их бортовой аппаратуры в энергии. Если у первых спутников потребляемая бортовыми системами мощность составляла несколько ватт, то у современных спутников она измеряется уже несколькими киловаттами, а у перспективных космических аппаратов – десятками и сотнями киловатт. Так, согласно зарубежным проектам мощность перспективного спутника связи на стационарной орбите со сроком активного существования 10 лет составляет 10 кВт, многофункциональной космической платформы – 20 кВт, а обитаемой долговременной космической станции – 60 – 160 кВт. Еще большая мощность потребуется для будущих промышленных установок на околоземной орбите.

Как обеспечить такую энерговооруженность в космосе? Ответ следует искать в совершенствовании систем энергопитания современных космических аппаратов и в новых направлениях развития космической энергетики.

Совершенствование бортовых электрохимических источников питания. К электрохимическим источникам питания относятся аккумуляторные батареи и топливные элементы. Аккумуляторные батареи в качестве основных (первичных) источников питания использовались на первых советских и американских спутниках и нашли применение в ряде беспилотных и пилотируемых космических аппаратов. В настоящее время аккумуляторные батареи широко применяются в сочетании с другими основными источниками питания, например, с солнечными батареями в качестве электрического буфера для удовлетворения пиковых нагрузок (сеансы связи, коррекция орбиты, проведение экспериментов на борту), а также при перерывах в работе основного источника (в случае солнечных батарей, при нахождении космического аппарата в тени Земли, на участках его выведения и спуска).

Известно несколько типов аккумуляторных батарей, применяемых в космической технике. Они характеризуются удельными (в расчете на 1 кг массы батареи) энергоемкостью или мощностью, допустимым числом циклов «заряд – разряд», сроком службы, и в зависимости от эксплуатационных требований каждый тип находит свою оптимальную область применения. Из табл. 1 видно, что при кратковременных полетах космических аппаратов (от нескольких суток до 1 – 2 мес) целесообразно использовать серебряно-цинковые батареи, а при длительных полетах вне конкуренции оказываются никелево-кадмиевые батареи.

Характеристики аккумуляторных батарей

Тип батареи	Удельная энергоемкость (практическая), Вт ∙ ч/кг	Удельная мощность, Вт/кг	Число циклов «заряд – разряд»	Срок службы, годы
Серебряно-цинковая	90	200	100 – 150	0,1 – 0,2
Серебряно-кадмиевая	60	120	1000	1
Никелево-кадмиевая	25 – 35	80	5000 – 8000	3 – 5
Никелево-водородная	60	90	2000	1 – 2

Удельные энергетические и эксплуатационные характеристики указанных батарей близки в настоящее время к максимально достижимым. Поэтому основные направления работ по перспективным батареям связаны с разработкой новых типов. В частности, ведутся теоретические и экспериментальные исследования по созданию натрий-серных и литий-серных батарей с удельными энергоемкостями, в 3 – 4 раза превышающими достигнутые. В этих батареях натрий и литий находятся в расплавленном состоянии (рабочие температуры 300 – 400°С), что требует решения сложных конструктивных, материаловедческих и технологических задач.

Электрохимические генераторы (ЭХГ) с топливными элементами характеризуются, по сравнению с аккумуляторными батареями, более высокой удельной энергоемкостью при небольшом (порядка нескольких месяцев) сроке службы. Они нашли применение в пилотируемых кораблях типа «Аполлон» и «Спейс Шаттл», где требуется достаточно высокая мощность бортовых источников питания, а. использование аккумуляторных батарей в качестве основных источников невыгодно из-за их большой массы.

Выбор кислорода и водорода для топливных элементов обусловлен их высокими энергоемкостью и электрохимической активностью. Кроме того, вода, получающаяся в результате реакции водорода и кислорода, может быть использована для питья и бытовых нужд космонавтов, а в криогенных баках энергоустановки также эффективно хранится кислород для системы жизнеобеспечения. ЭХГ состоит из ряда последовательно соединенных топливных элементов и обслуживающих их пневмогидроагрегатов, которые обеспечивают подвод рабочих тел, регулирование их параметров и продувку, а также отвод тепла и воды.

О возможности совершенствования ЭХГ с топливными элементами говорит сравнение параметров топливных элементов для МТКК «Спейс Шаттл» и корабля «Аполлон». При одной и той же массе топливные элементы МТКК «Спейс Шаттл» вырабатывают в 5 раз большую мощность, чем на корабле «Аполлон», и имеют на порядок больший ресурс при возможности многоразового использования и проведения межполетного обслуживания. Это достигнуто за счет более лучшего охлаждения, распределения реагентов в топливных элементах и повышения характеристик электродов, а также замены свободного электролита матричной мембраной, пропитанной электролитом.

Перспективы использования солнечной энергии. В настоящее время солнечные батареи (СБ) в сочетании с аккумуляторными являются наиболее широко применяемой космической энергоустановкой. Принцип работы СБ, заключающийся в непосредственном преобразовании солнечного излучения в электрический ток, привлекает своей простотой и надежностью. Однако современные СБ обладают рядом недостатков. При использовании кремниевых фотоэлементов в СБ достигнутый КПД в настоящее время составляет 12 – 15% при теоретическом максимуме 22%. С учетом того, что панели СБ не полностью заполняются фотоэлементами, а часть мощности теряется на сопротивлении в токопроводах, максимальный КПД кремниевых СБ достигает 9%, что соответствует их удельной мощности 120 Вт/м².

СБ подвержены деградации (снижению вырабатываемой мощности) при воздействии космической радиации. Для увеличения радиационной стойкости кремниевых фотоэлементов используют высокочистый кремний с минимальными примесями инородных веществ, а также применяют, прозрачные защитные покрытия из кварцевого стекла, одновременно выполняющие и роль терморегулирующих покрытий. Технология изготовления СБ еще достаточно сложна и дорогостояща.

Совершенствование СБ идет по нескольким направлениям. Большие перспективы открывает применение гибких рулонных батарей (рис. 8), более легких и компактных по сравнению с жесткими СБ панельного типа. С целью снижения массы фотоэлементов наряду с созданием пленочных фотоэлектрических преобразователей ведутся работы по уменьшению толщины монокристаллических фотоэлементов (с 0,2 – 0,4 до 0,05 мм) и толщины противорадиационных защитных покрытий (с 0,15 – 0,2 до 0,05 мм). Увеличение удельной мощности СБ возможно за счет применения солнечных концентраторов, которые обеспечивают повышение плотности потока солнечного излучения.

Важнейшим направлением совершенствования СБ является, повышение КПД фотоэлементов и поиск новых, более эффективных полупроводниковых структур. Исследования в этом направлении показали, что возможности даже такого широко освоенного в космической энергетике элемента, как кремний, далеко не исчерпаны. В последнее время созданы кремниевые фотоэлементы, прозрачные для инфракрасного солнечного излучения. За счет прохождения инфракрасных лучей без тепловыделения снижается равновесная температура в таких фотоэлементах и соответственно повышается их КПД. Разработаны специальные покрытия, повышающие чувствительность кремниевых элементов к ультрафиолетовым лучам, обладающим наибольшей энергией, что также способствует росту их КПД.

Наряду с кремниевыми фотоэлементами перспективны элементы из арсенида галлия, имеющие больший КПД и лучшую сопротивляемость космической радиации, но более дорогостоящие в изготовлении. Однако особенно эффективно применение каскадных фотоэлектрических преобразователей, когда совместно используются, например, кремниевые фотоэлементы и элементы из арсенида галлия. В результате более полного использования спектра солнечного излучения удается получить и более высокий суммарный КПД, чем для каждого элемента в отдельности. Эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую возможно также за счет освоения сложных полупроводниковых структур, или гетероструктур, например на основе соединения галлий – алюминий – мышьяк.

Величины КПД перспективных фотоэлектрических преобразователей в сравнении с кремнием приведены в табл. 2.

КПД для разных типов перспективных фотоэлектрических преобразователей

КПД	Кремний	Арсенид галлия	Двухкаскадный ФЭП арсенид галлия – кремний	Гетероструктура галлий – алюминий – мышьяк
Достигнутый	15	18	28,5	16
Теоретический	22	26	50 – 60	30

В настоящее время на основе СБ разрабатываются проекты космических энергоустановок мощностью 25 – 100 кВт, при этом удельную массу СБ предполагается снизить в ближайшей перспективе в несколько раз за счет применения новых материалов, улучшения технологии и конструкции. С точки зрения перспектив развития космической гелиоэнергетики особое внимание привлекают проекты ССЭ. Реализация этих проектов, как уже говорилось ранее, отложена на XXI в., но затронутые в них проблемы актуальны уже сегодня и нуждаются в более подробном рассмотрении.

Следует отметить, что при очевидных достоинствах, наземных солнечных энергоустановок, исходя из проблем безопасности и экологической совместимости, их широкое использование неэффективно из-за низкой плотности потока солнечного излучения у поверхности Земли и нестабильного характера работы таких установок, обусловленного влиянием метеоусловий, времен года и суточного, цикла. ССЭ свободны от этих недостатков. При размещении на геостационарной или солнечно-синхронной орбитах они будут практически непрерывно освещаться Солнцем и с учетом повышенной плотности потока солнечного излучения в космосе собирать существенно большее (в 6 – 15 раз в зависимости от широты местности) среднегодовое количество энергии по сравнению с наземными установками.

Масштабы ССЭ по сегодняшним понятиям грандиозны. При вырабатываемой мощности 5 ГВт ССЭ имеет площадь конструкции порядка 5 ∙ 10⁵ км. При этом масса станции при использовании фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия с плоскими солнечными концентраторами из фольги оценивается в 34 100 т. В составе ССЭ предусматриваются мощные усилители – преобразователи постоянного тока в высокочастотное радиоизлучение, которое передается фазированной антенной решеткой диаметром 1 км на Землю, где происходит обратное преобразование СВЧ-излучения в электрический ток требуемых параметров.

Вызывают интерес проекты ССЭ с передачей энергии посредством лазерного излучения. Согласно расчетам, если электрическую энергию преобразовать в лазерную, то лазерный передатчик энергии (на длине волны 10,6 мкм) будем иметь апертуру диаметром 31 м, а размеры приемной антенны на Земле не превысят 31 × 40 м. Лазерная система может передавать энергию не только на Землю, но и на другие космические аппараты. Относительно высокий уровень поглощения лазерного излучения атмосферой и облаками можно снизить за счет подбора оптимальной длины волны излучения и размещения приемной антенны в районах земной поверхности с наибольшим числом безоблачных дней в году.

Из проектных данных по массе и габаритам конструкции ССЭ мощностью 5 ГВт становится совершенно очевидным, как велики трудности, связанные со сборкой, стабилизацией орбиты и регулированием положения такой системы. Сложной проблемой является обеспечение длительного ресурса работы СБ. Согласно проектам при сроке службы ССЭ 30 лет допускается деградация характеристик фотоэлементов не более чем на 7% (по современным оценкам она составляет около 40%). По всей видимости, в XXI в. на основе новых достижений научно-технического прогресса проекты ССЭ претерпят существенные изменения и станут рентабельными и технически реализуемыми.

Радиоизотопные и ядерные энергоустановки. Существует ряд задач по исследованию и освоению космоса, решение которых невозможно или малоэффективно в случае использования электрохимических и солнечных энергоустановок. Речь идет о полетах в дальний космос, где уровень солнечного излучения существенно снижен и солнечные батареи неэффективны. Например, для производства одного и того же количества электроэнергии в районе Юпитера требуется поверхность СБ примерно в 25 раз большая, чем на земной орбите. А применение аккумуляторных батарей невозможно из-за большой длительности полета таких космических аппаратов и ограниченных лимитов масс.

Очевидна потребность в новом источнике энергии и для энергоемких задач космического производства на околоземной орбите (крайне большие площади СБ затруднят эксплуатацию орбитальных комплексов) и на поверхности Луны (необходимость энергообеспечения в условиях длительных лунных ночей).

При исследовании дальнего космоса с помощью автоматических космических аппаратов, когда необходимая мощность бортовых источников питания не превышает нескольких сот ватт, нашли применение радиоизотопные источники энергии, или радиоизотопные генераторы (РИГ). Принцип их действия основан на преобразовании тепла, выделяемого в результате радиоактивного распада изотопа, в электроэнергию с помощью термоэлектрических преобразователей. Важнейшими параметрами изотопных источников тока, определяющими области их применения, являются период полураспада и удельное тепловыделение (табл. 3).

Характеристики изотопов

Изотоп	Период полураспада, годы	Удельное тепловыделение, Вт/ч
Плутоний-238	87,5	0,46
Кюрий-244	18,4	2,8
Кюрий-242	0,45	120
Полоний-210	0,38	144

РИГ на основе полония-210 применялся на советских «Луноходах» для поддержания теплового их режима в условиях лунной ночи, а РИГ на основе плутония-238, рассчитанный на 12 лет работы, применен на запущенных в 1977 г. американских автоматических межпланетных станциях «Вояджер-1» и «Вояджер-2» (пролет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна).

Повышение КПД и удельных характеристик РИГ идет по пути совершенствования термоэлектрических преобразователей и ряда конструктивных улучшений.

Там, где потребуются мощные и компактные бортовые источники питания с длительным сроком службы, найдут применение ядерные реакторные энергетические установки. В космической практике уже имеются примеры разработки и выведения на околоземную орбиту спутников с небольшими энергоустановками на основе ядерного реактора (например, «СНАП-10А» в США, и «Космос-1402» в СССР), В настоящее время в США ведутся работы по созданию ядерной реакторной установки мощностью 100 кВт со сроком орбитального функционирования 7 лет. Установка включает в себя ядерный реактор на быстрых нейтронах, радиационную защиту, преобразователь тепловой энергии в электрическую и радиатор для сброса избыточного тепла. В качестве ядерного горючего используется двуокись урана. Тепло передается от стержней в термоэлектрический преобразователь по тепловым трубам с помощью жидкого натрия.

Недостатком ядерных реакторов является необходимость радиационной защиты экипажа и аппаратуры космического аппарата от проникающей радиации, что усложняет и утяжеляет его конструкцию и энергоустановку. Известно, что уровень радиации линейно зависит от мощности источника и обратно пропорционален квадрату расстояния от него. Для ядерного реактора мощностью 200 кВт при трех вариантах его размещения относительно космического аппарата – на штанге длиной 10 м (угловой размер экрана 90°), на штанге длиной 100 м (45°), на гибком кабеле длиной 1000 м (круговая защита) – потребуется радиационная защита массой соответственно 15, 3,6 и 2 т.

Сложную проблему для мощных реакторов с длительным ресурсом работы представляет сброс использованного тепла в космическое пространство. С целью сокращения размеров и массы космических радиаторов идет поиск принципиально новых схем и конструкций теплообменников. В некоторых схемах отказываются от системы трубок, по которым течет рабочая жидкость. Вместо этого нагретая жидкость через специальный генератор капель, представляющий собой камеру высокого давления с большим числом отверстий микрометрового размера, выводится в виде струек, разбиваемых под действием вибрации на капли, непосредственно в космическое пространство (рис. 9). Направленный поток капель падает на коллектор. Тепло посредством излучения отводится на участке между генератором и коллектором. В коллекторе капли объединяются в единый поток жидкости, который с помощью насоса возвращается в замкнутую систему. Переход от трубчатых радиаторов к капельным может привести к уменьшению массы единицы поверхности радиатора на порядок. Капельный радиатор компактен и нечувствителен к попаданию микрометеороидов.

Предложен радиатор в виде подвижной ленты. С поверхности ленты происходит излучение тепла, которое подводится к ней либо нагретыми валиками, либо путем протяжки ленты через камеру с жидкостью. Удельная масса его может быть снижена до 1 – 2,5 кг/м².

Эксплуатация мощных реакторов в космосе имеет преимущества перед эксплуатацией в земных условиях, так как приводит к резкому уменьшению теплового загрязнения атмосферы и в случае аварии не угрожает Земле серьезными последствиями. Для этого выбирается достаточно высокая орбита, чтобы время существования космического аппарата с реактором было больше времени полураспада радиоактивных элементов в активной зоне реактора, и предусматривается система увода космического аппарата. Рассматриваются проекты перспективных космических АЭС на геостационарной орбите с передачей энергии на Землю. Предполагается, что переработка топлива может производиться на самой орбитальной АЭС, а радиоактивные отходы в контейнерах будут отправляться на Солнце или близкие околосолнечные орбиты. Космическая АЭС мощностью 10 ГВт на базе ядерного реактора с газофазной активной зоной в комбинации с МГД-генератором будет иметь суммарную массу на геостационарной орбите порядка 9000 т и может рассматриваться как вариант, конкурирующий с ССЭ.

Крупногабаритные конструкции (КГК) и условия их эксплуатации. Создание космических сооружений типа больших антенных систем, орбитальных платформ, промышленных комплексов и операционных центров, ССЭ. немыслимо без внедрения КГК. Отдельные типы таких КГК испытываются или нашли применение в космической технике. Примером могут служить десятиметровый космический радиотелескоп КРТ-10, эксперимент по раскрытию и юстировке которого проводился в 1979 г. на станции «Салют-6», и СБ для энергопитания космических аппаратов, уже сейчас имеющие на станции «Мир» полезную площадь около 100 м² при размахе развернутых панелей до 30 м. Но прежде чем перейти к изложению проблем развертывания и сборки КГК на орбитах, остановимся подробнее на рассмотрении характеристик типовых КГК, условий их эксплуатации и требований, предъявляемых к ним.

Перспективные крупногабаритные бортовые антенные системы будут иметь размеры от нескольких десятков и сотен метров до нескольких километров. К таким антеннам предъявляются наиболее жесткие требования на точность отклонения реальной поверхности от теоретической. Так, например, для параболических антенн бортового радиометра диаметром 300, 30 и 4 м при высоте орбиты 800 км допустимые линейные деформации конструкции не должны превышать соответственно 4,8, 0,35 и 0,11 мм. Наиболее распространенной конструкцией космических антенн на данном этапе является механическая, которая обеспечивает сохранение заданной формы зеркала за счет собственной жесткости элементов каркаса. Однако из условия соблюдения допустимых деформаций максимальный размер автоматически раскрывающихся космических антенн сантиметрового диапазона не может превышать 200 м, а для антенн миллиметрового диапазона – и того меньше.

Большой интерес представляют проекты вращающихся космических антенн, в которых раскрытие и сохранение формы зеркала обеспечивается за счет центробежных сил при вращении антенны вокруг фокальной оси с постоянной угловой скоростью.

В этом случае каркас выполняется в виде сетки из гибких нитей с радиально-кольцевой разбивкой и прикрепляется к центральной выдвижной штанге. Вращающиеся конструкции имеют компактную укладку. Максимальные размеры для таких антенн, работающих в метровом диапазоне радиоволн, могут достигать 1,5 – 2,0 км. Правда, по жесткости и достижимой точности отражающей поверхности вращающиеся конструкции существенно уступают механическим.

Существуют также проекты космических антенн на основе надувной конструкции, в которой каркас выполняется в виде надувного тора о двумя прикрепленными к нему поверхностями (отражающей и вспомогательной), изготовленными из синтетических пленок. Натяжение поверхностей обеспечивается созданием избыточного давления в замкнутой полости, образуемой этими поверхностями, а сохранение геометрических размеров антенн – сеткой из гибких кварцевых нитей, прикрепленной к отражающей поверхности. По достижимой точности отражающей поверхности надувные конструкции не отличаются от вращающихся, но имеют несколько меньшую относительную массу.

К перспективным типам космических антенн относятся конструкции, в которых поддержание формы происходит за счет электростатических (или магнитных) сил. Отражающая поверхность такой антенны из металлической сетки параболической или сферической формы крепится к жесткому кольцу, а за ней размещается вспомогательная коническая поверхность из металлизированной пленки, наносимой отдельными участками, разделенными радиальными и кольцевыми просветами. Под действием противоположных по знаку зарядов поверхности притягиваются друг к другу и приобретают необходимую форму. Электростатические антенны имеют одинаковые геометрические размеры с раскрывающимися механическими антеннами при меньшей относительной массе и могут применяться также в качестве концентраторов солнечной энергии.

Проекты космических платформ рассматриваются для перспективных многоцелевых спутников прикладного назначения. Размещение на них различной целевой аппаратуры и приборных блоков на базе общих служебных систем энергопитания, ориентации, стабилизации и терморегулирования позволит в целом сократить затраты на разработку и эксплуатацию таких космических аппаратов. Во всех проектах космических платформ, исходя из условий обеспечения достаточно высокой прочности и жесткости каркаса при сравнительно небольшой массе, рассматривается механическая конструкция типа пространственных стержневых ферм, составленная из унифицированных элементов. Основные размеры многоцелевых платформ (длина и ширина) могут составлять от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Для СБ в принципе могут применяться те же конструкции, что и для космических антенн. Однако использование электростатического способа поддержания формы конструкции в СБ сопряжено с большим риском возникновения электростатического пробоя. Наибольшее распространение для СБ на данном этапе получили механические конструкции. Обычно применяются автоматически раскрывающиеся СБ панельного типа. С появлением пленочных, гибких СБ стало возможным их выведение в космическое пространство в компактном виде (например, в рулонах) с последующим развертыванием с помощью выдвижных штанг, центробежных сил или надувных конструкций. В настоящее время СБ по своим размерам в развернутом положении – самые крупные космические сооружения. Развертывание в космосе таких перспективных сооружений, как ССЭ, возможно только на базе ферменных платформ, автоматически собираемых на орбите.

Космические сооружения для обитаемых лунных баз имеют много общего с орбитальными пилотируемыми комплексами. Жилые сооружения должны быть разбиты на герметичные отсеки и снабжены шлюзовыми камерами для выхода космонавтов. Поскольку отсеки будут находиться под внутренним давлением, то из условия максимальной прочности и минимальной массы они должны иметь выпуклую форму. Наиболее приемлемой формой жилых сооружений на поверхности Луны является купольная. В качестве специфических условий строительства на Луне могут быть использование лунного грунта для защиты сооружений от радиации и метеоритов и активное использование цвета сооружений для регулирования теплообмена с внешней средой посредством изменения степени излучения.

Особенностью разработки КГК является необходимость учета всех действующих на них (при развертывании и эксплуатации) внешних и внутренних сил, которыми часто пренебрегают ввиду их малости для космических конструкций небольших размеров. Внешние нагрузки, возникающие при сборочно-монтажных операциях и транспортировке КГК в космосе, вызываются корректирующими усилиями при управлении ориентацией КГК, корпускулярным давлением солнечного излучения, а для объектов, функционирующих на низкой околоземной орбите (высотой 200 – 500 км), также аэродинамическими силами. Внешние нагрузки могут привести к возникновению изгибающих моментов и колебаниям конструкции.

Существенными для КГК становятся также приливные силы, растягивающие конструкцию по оси, проходящей через центр ее масс и центр Земли. Объясняется это: тем, что с расстоянием от Земли сила земного притяжения уменьшается, а центробежная сила растет, поэтому при равенстве этих сил в центре масс КГК они не будут уравновешены на периферийных участках конструкции (удаленных от Земли и ближних к ней). Если бы ориентация КГК при эксплуатации не имела значения, то действием приливных сил можно было бы пренебречь, но большинство КГК (космические антенны, орбитальные платформы, космические переотражатели, ССЭ) нуждаются в строгой ориентации, и в этом случае приливные силы создают нежелательный вращающий момент. В результате при выдерживании ориентации КГК с заданной точностью возникают также колебания конструкции.

С целью предотвращения резонансных явлений собственная частота колебаний проектируемых КГК должна быть существенно выше частоты колебаний, вызываемых внешними силами. Поэтому необходима регламентация внешних нагрузок, а также повышение жесткости конструкции за счет подбора материалов с нужными характеристиками.

К наиболее распространенным внутренним нагрузкам, действующим на КГК, относятся температурные напряжения, которые возникают вследствие воздействия солнечного излучения на освещенном участке орбиты и его отсутствия в тени, а также теплоизлучения отдельных подсистем объекта. Неравномерный нагрев и вызванные этим температурные деформации КГК – серьезная проблема. Решить ее можно путем снижения среднеравновесной температуры конструкции за счет сброса излишков тепла в космос (подбор покрытий) и использования материалов с малым коэффициентом линейного расширения. Менее подвержены температурным напряжениям вращающиеся КГК за счет выравнивания тепловых нагрузок.

Повышенные требования к КГК предъявляют космический вакуум и радиация. Недостатком надувных КГК является возможность их разгерметизации при пробое метеороидом, в результате чего они теряют работоспособность. В будущем, если удастся разработать вспенивающиеся и самозатвердевающие материалы с необходимыми характеристиками, они найдут широкое применение в космосе. Для вращающихся КГК особую проблему представляет создание двигателей, редукторов и подшипников для длительной работы в условиях открытого космоса.

На современном этапе основным требованиям, предъявляемым к КГК (легкость, прочность, жесткость пространственной структуры, низкий коэффициент линейного расширения, высокий декремент собственных колебаний, хорошие усталостные характеристики), наиболее полно отвечают композиционные материалы на основе углепластиков и конструкции типа пространственных стержневых ферм.

Технология сборки КГК в космосе. Сборка и развертывание КГК на орбите – качественно новый и технически сложный этап в развитии космической техники. Наряду с инженерными решениями по выбору типа а расчету конструкции, подбору необходимых материалов, определению рациональной технологии соединения элементов КГК и сборки ее необходимо разработать специальное оборудование для сборочно-монтажных операций в космосе и создать специальные диагностические методики и бортовую аппаратуру для проведения на орбите неразрушающего контроля состояния КГК. Необходимо научиться надежному долгосрочному прогнозированию поведения элементов КГК при длительной работе в открытом космосе с учетом воздействия всех факторов окружающего космического пространства.

Принципиально монтаж КГК в космосе может выполняться в вариантах развертывания на орбите уже готовой, собранной на Земле конструкции или ее сборки из отдельных элементов, изготовленных на Земле. В перспективе возможна сборка КГК из элементов, изготовляемых непосредственно на сборочной площадке в космосе из полуфабрикатов, доставляемых с Земли. В настоящее время уже накоплен некоторый опыт проведения сборочно-монтажных работ в космосе по первым двум вариантам развертывания КГК.

Это уже упомянутый ранее эксперимент на станции «Салют-6» в 1979 г. по монтажу радиотелескопа KPT-10, который при доставке на орбиту был разбит на три отдельных блока: главное зеркало с каркасом из алюминиевых стержней и металлической сеткой в качестве отражающей поверхности, фокальный контейнер с облучателем и тремя раздвижными опорами и механизм крепления антенны к станции. Большой практический интерес представляют эксперименты по монтажу и развертыванию дополнительных крупногабаритных панелей фотоэлементов солнечных батарей на станции «Салют-7» общей площадью 18.4 м² и на станции «Мир» – 26 м².

В эксперименте «Маяк», выполненном в открытом космосе на станции «Салют-7» в. 1986 г, космонавтами Л. Кизимом и В. Соловьевым, был охвачен широкий спектр опытов по сборке и развертыванию на орбите несущих ферменных конструкций. Впервые испытывался в космосе разработанный и изготовленный институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР специальный фермосборочный агрегат УРС, внутри которого была компактно уложена шарнирно-рычажная ферма, способная развернуться на длину до 15 м и в таком состоянии нести специальную платформу с. полезной нагрузкой.

Одновременно испытывался тоже созданный институтом им. Е. О. Патона модифицированный универсальный ручной инструмент УРИ для резки, сварки, пайки и напыления металлов в открытом космосе (первые испытания УРИ проводились на станции «Салют-7» в 1984 г.). С помощью УРИ можно осуществить сварку или пайку шарнирных соединений фермы, что дополнительно повысит ее жесткость и несущую способность. Кроме этих экспериментов, проводились испытания аппаратуры «Микродеформатор» для изучения физико-механических свойств конструкционных материалов КГК, подвергающихся длительным и сложным нагрузкам в условиях открытого космоса.

Исследования и эксперименты по крупногабаритным космическим конструкциям проводятся и в США. Например, заслуживает внимания эксперимент, осуществленный в 1985 г. на борту космического корабля «Спейс Шаттл» (23-й полет), в котором американские космонавты вручную собирали и разбирали на вращающемся стапеле из трубчатых элементов «башню» в виде прямой треугольной призмы высотой 13,7 м. Для крепления элементов использовались пружинные замки.

С ростом объема монтажно-сборочных работ в космосе будет повышаться уровень их автоматизации и будет развиваться вариант сборки КГК с изготовлением конструкционных элементов на орбите из полуфабрикатов, доставляемых с Земли. Для этого необходимо будет создание специальных автоматизированных машин по изготовлению отдельных элементов конструкции, например, цилиндрических решетчатых элементов (геодезических балок) или трехгранных стержневых ферм протяженностью до нескольких сот метров, которые будут использоваться в качестве основных строительных деталей КГК. А для повышения производительности сборочных работ на орбите в помощь космонавтам-монтажникам потребуются дистанционные роботы-манипуляторы.

В настоящее время разработано несколько проектов таких фермопостроительных агрегатов. Так, например, имеется американский проект автомата по непрерывному изготовлению трехгранных ферм из рулонированного материала типа углепластика. В процессе работы агрегата ленты, из которых изготовляются лонжероны, сматываются с трех бобин и, проходя через нагревательное устройство, поступают на валки, где из них формируются профили треугольного сечения. После охлаждения и затвердевания в холодильной камере эти профили подаются на место сборки с элементами раскосной решетки.

Эта решетка изготавливается на Земле из специально раскроенного плоского листа и также наматывается на три бобины. Материал решетки при работе фермопостроителя с бобин через нагреватель поступает в устройство типа пресса, где формируются элементы поперечного сечения, которые затем, так же как лонжероны, охлаждаются и присоединяются к последним с помощью ультразвуковой сварки. Для управления и контроля за работой агрегата предусмотрена автоматическая система с обратной связью, включающая в свой состав соответствующие датчики, сервомеханизмы, электронные приспособления и бортовую ЭВМ.

Важную роль при высоком уровне автоматизации сборочных работ в космосе играют надежные автоматически защелкивающиеся разъемные соединения, которые упрощают операции по сборке и ремонту КГК на орбите и при этом не требуют дополнительных энергетических затрат. Для удобства проведения сборочных работ в космосе монтаж КГК предполагается проводить на специальных строительных платформах, оснащенных различным вспомогательным оборудованием. Сборка относительно небольших КГК будет проводиться с «одного места» при перемещении или развороте собираемой конструкции.

В случае монтажа очень больших КГК типа ССЭ строительная платформа сама будет перемещаться вдоль собираемой конструкции. По одному из проектов такая платформа размером 100 × 50 м при высоте 5 м будет включать несколько дистанционных манипуляторов, осуществляющих сборку по автономной программе с помощью ЭВМ, различные монтажные приспособления, станцию обслуживания, а также автоматы типа фермопостроителей. Инженерная мысль, опережая возможности современной техники, уже сейчас решает проблемы будущего космического строительства.

Концепции обслуживания и ремонта КА. По мере расширения программы космических исследований и усложнения решаемых задач растут затраты на космическую технику. Большая часть этих затрат падает на космические аппараты. И частая смена их на орбите по экономическим соображениям невыгодна. Опыт показывает, что конструкция КА и служебное оборудование живут дольше, чем научная полезная нагрузка; более того, на новых вариантах спутников обычно устанавливается такое же или аналогичное служебное оборудование, надежность которого уже была продемонстрирована на орбите.

Старение касается научных экспериментальных блоков. По оценкам американских специалистов, стоимость служебных технических подсистем (терморегулирования, связи, управления ориентацией и т. п.) составляет около 75% полной стоимости спутника. Чтобы повысить экономичность и эффективность работы спутников, целесообразно, по-видимому, перейти к сменной полезной нагрузке на космических аппаратах при их эксплуатации, Но не менее важно для длительной работы спутников предусмотреть также возможность восполнения расходуемых компонентов на борту (например, топлива для коррекции орбиты) и. устранения на орбите случайного отказа в оборудовании, или аппаратуре. Другими словами, речь идет об орбитальном обслуживании перспективных космических аппаратов.

Возможность осуществления ремонта и обслуживания на орбите приведет к изменению методов проектирования космических аппаратов. Для облегчения ремонта и замены отдельных частей необходимо будет обеспечить при компоновке ИСЗ доступ к этим элементам. Космические аппараты будут собираться из унифицированных сменных модулей с использованием стандартных крепежных элементов для монтажа этих модулей и стандартных быстродействующих электроразъемов. Широкое применение найдет принцип комплексирования решаемых задач на борту одного космического аппарата, т. е. установка нескольких модулей различного научного оборудования на одном базовом блоке (или платформе-спутнике), оснащенном единым комплектом бортовых служебных систем.

Впервые принципы модульного построения с обслуживанием на орбите были применены при создании и эксплуатации многоцелевых космических станций-лабораторий «Салют». Большое количество разнообразной аппаратуры и оборудования, размещенных на борту станций, позволило космонавтам решать многие прикладные задачи в интересах народного хозяйства, проводить научные и технологические эксперименты. С помощью космических кораблей «Союз» и «Прогресс» обеспечивались регулярная смена экипажа и доставка на станции новых приборов и оборудования, топлива для двигательной установки, контейнеров с пищей, емкостей с водой и воздухом, сменных запасных блоков и агрегатов служебных систем и других полезных грузов. Все это позволяло в ходе полета расширять круг исследований и с наибольшим целевым эффектом обеспечивать длительное функционирование пилотируемых орбитальных комплексов.

В 1985 г. советскими космонавтами и наземным Центром управления полетом были осуществлены сложные работы при восстановлении станции «Салют-7», внезапно замолчавшей после пятимесячного полета в автоматическом режиме. Был разработан метод и осуществлена встреча и стыковка корабля «Союз-Т» с молчащей неориентированной в пространстве станцией. Космонавтами В. Джанибековым и В. Савиных был выполнен большой комплекс работ по восстановлению системы электропитания станции, после чего стало возможным подключить системы телеметрических измерений, ориентации и терморегулирования. Была выяснена и устранена причина неисправности в командной радиолинии. Экипаж провел тест системы ориентации, аппаратуры сближения и двигательной установки. Полученный опыт восстановительных работ на орбитальной станции «Салют-7» существенно расширил наше представление о возможности обслуживания и ремонта космических аппаратов на орбите.

Большой опыт по обслуживанию ИСЗ на орбите получен американскими специалистами в 1984 – 1985 гг. при полетах МТКК «Спейс Шаттл». Так, при 11-м полете МТКК был проведен ремонт спутника «СММ», предусматривающий замену отказавшего блока оборудования системы ориентации (съемного) и электронного блока, доступ к которому был затруднен. В ходе 20-го полета на борту МТКК была восстановлена работоспособность связного спутника «Лисат-3» в части обеспечения функционирования его бортовой командной системы и подвода питания к бортовому перигейному твердотопливному двигателю.

Таким образом, принципиально возможны различные концепции обслуживания космических аппаратов на околоземной орбите: с использованием средств, базируемых на Земле и выводимых ракетами-носителями, средств, базируемых на орбитальной станции и на борту МТКК типа «Спейс Шаттл». Обслуживание космических аппаратов может проводиться непосредственно космонавтами или в автоматическом режиме. Применительно к космическим аппаратам на низкой орбите практически апробированы все из перечисленных концепций обслуживания, в том числе и обслуживание в автоматическом режиме (например, автоматическая заправка топливом орбитальной станции с помощью грузового аппарата «Прогресс»).

Для ремонта или профилактического обслуживания спутников на высоких орбитах, а в перспективе, по мнению специалистов, до 50% всех полезных нагрузок будет размещено на геостационарной орбите, необходима разработка многоразовых межорбитальных буксиров и дистанционно управляемых манипуляторов. Ниже более подробно рассказывается об облике и характеристиках перспективных средств орбитального обслуживания.

Технические средства орбитального обслуживании. Согласно широко обсуждаемым в печати проектам перспективных орбитальных станций им отводится одна из главных ролей в операциях по обслуживанию в космосе. Предполагается, что на орбитальных станциях будут проводиться обслуживание и ремонт космических аппаратов, временно состыкованных со станцией или доставляемых к ней с помощью МТА; сборка КГК и космических платформ; обслуживание МТА, их заправка, подготовка к полету. Для этого в составе космическом станции предусматриваются: строительно-монтажная площадка для сборки КГК и обслуживания космических аппаратов; ангар для хранения МТА и спутников, подготавливаемых к пуску, запасных частей для их ремонта; заправочная станция для хранения компонентов топлива на орбите и автоматической заправки топливом МТА. Как уже отмечалось, создание многофункциональных орбитальных станций с расширяющейся структурой будет вестись поэтапно. Сборочно-монтажные работы и операции обслуживания прежде всего будут касаться самих станций.

На базовом блоке орбитальной станции «Мир» стыковка с транспортными кораблями и научными модулями предусматривается с торцов (2 стыковочных узла), а затем с помощью манипуляторов научные модули будут переводиться к боковым стыковочным узлам (4 узла) на длительную стоянку. Научные модули могут быть самого различного назначения (для астрофизических наблюдений, технологических и медико-биологических исследований, дистанционного исследования земных ресурсов и т. п.). По мере выполнения своей задачи они будут заменяться другими. При развертывании американской орбитальной станции, включающей в свой состав ферменную конструкцию, монтаж фермы из трубчатых элементов предполагается вести вручную, силами космонавтов, используя опыт, аналогичный полученному в ходе эксперимента при 23-м полете МТКК. На станции предусмотрена также возможность стыковки и смены различных целевых модулей. Сборка и обслуживание непосредственно КА и МТА предполагаются на более поздних этапах развертывания станций по мере наращивания их функциональных возможностей. Для обслуживания полезных нагрузок могут применяться и транспортные космические корабли типа МТКК «Спейс Шаттл».

Для работы с полезной нагрузкой на борту орбитальной станции и транспортного корабля типа «Спейс Шаттл» или вблизи них предусматриваются бортовые манипуляторы с дистанционным управлением, скафандры для выхода космонавтов в открытый космос, средства индивидуального перемещения космонавтов в космосе, различные инструменты и приспособления для ручного обслуживания и ремонта спутников и других космических аппаратов.

Бортовой манипулятор выполняет операции по захвату космических аппаратов и перемещению их на борту корабля или станции. Манипулятор представляет собой электромеханическую систему, состоящую из трубчатых звеньев, соединенных между собой посредством шарнира, и концевого узла захвата. Система управления движением отдельных звеньев связана с бортовым вычислительным устройством.

Типовым скафандром для выхода космонавтов в космос является скафандр, разработанный для орбитальной станции «Салют». Это скафандр полужесткого типа. Его основная особенность – наличие жесткого металлического корпуса – кирасы, составляющей единое целое со шлемом и ранцевой автономной системой жизнеобеспечения. Рукава и оболочки штанин скафандра мягкие. Скафандр можно надеть без посторонней помощи за 2 – 3 мин, время работы в таком скафандре с учетом времени подготовительной работы на борту станции составляет 7,5 ч.

Установка для индивидуального перемещения космонавтов в космосе должна обеспечивать возможность облета космического аппарата космонавтом с целью его внешнего осмотра; транспортировку космонавта к любой точке внешней поверхности космического аппарата для выполнения ремонтных работ или замены оборудования; транспортировку полезных грузов ограниченной массы на небольшом расстоянии от транспортного корабля или орбитальной станции; выполнение строительно-монтажных работ.

Ранцевая установка ММУ, разработанная, например, для перемещения американских космонавтов (рис. 10), состоит из рамы, двигательной установки на азоте, блока электропитания, блока электроники и двух ручек управления. Ее можно использовать при наличии скафандра с системой жизнеобеспечения для работы в открытом космосе. Запас рабочего вещества рассчитан на перемещения в пределах 100 м от космического корабля. На установке ММУ имеются два штекерных разъема для питания внешних потребителей энергии и ряд узлов крепления для фиксации грузов и инструментов, в том числе выдвижные телескопические штанги с захватами.

Для работы космонавтов в открытом космосе созданы и уже прошли практическую проверку различные инструменты, включая упомянутый ранее универсальный ручной инструмент УРИ, а также специальное вспомогательное оборудование (рабочие площадки, средства для фиксации космонавта и т. д.). В перспективе предполагается также разработка средств для дистанционного обслуживания космических аппаратов, находящихся на значительном удалении от орбитальной станции или космического корабля, в том числе расположенных на геостационарной орбите. Для этих целей ведется проработка различных вариантов дистанционных телеоператорных систем, на которые возлагаются операции по стыковке с объектом, замене неисправных блоков или смене модуля полезной нагрузки, восстановлению бортовых запасов расходуемых компонентов и пр.

Для упрощения конструкции манипулятора и повышения его надежности желательны стандартизация и унификация используемого оборудования и сведение к минимуму количества операций, связанных с проведением регламентных и ремонтных работ. Выполнение этих требований невозможно без тесной взаимной увязки процессов проектирования обслуживаемых космических аппаратов и манипулятора (оптимальная разбивка па элементы и блоки, выбор методов соединения и конструкций крепежных узлов, подбор датчиковой аппаратуры и пр.), а также транспортных средств, обеспечивающих их доставку на орбиту.

Роль человека и автомата в космических операциях. Расширение операций, проводимых в космосе, ставит на повестку дня задачу оптимального распределения функций между космонавтом и автоматическими системами. Космонавты должны выполнять только те операции, которые невозможно или нецелесообразно реализовать при помощи бортовой автоматики или с применением дистанционно управляемых систем. С другой стороны, расширение возможностей экипажа в проведении различного рода операций существенно зависит от автоматизации бортовых систем и оборудования. Особенно актуальна эта задача для перспективных многофункциональных орбитальных станций, так как их эксплуатация и различного рода работы, проводимые на борту по обслуживанию космических аппаратов, заправке МТА, сборке КГК, потребуют высокого уровня автоматизации и значительного расширения возможностей космонавтов и вспомогательных механизмов.

Возможны различные комбинации в организации системы человек – машина при проведении работ в открытом космосе;

ручное выполнение работ космонавтом с применением простых инструментов;

выполнение тех же работ космонавтом, но с использованием электромеханических устройств;

выполнение работ с помощью манипулятора, которым космонавт управляет с борта станции при непосредственном наблюдении через иллюминатор или используя систему теленаблюдения с малым временем запаздывания;

применение манипулятора и системы управления с большим временем запаздывания при теленаблюдении и размещении оператора на Земле.

Поскольку космонавт может выполнять работы повышенной сложности, недоступные для автоматизированных систем, то в общем случае при проведении операций в открытом космосе возможно сочетание работ космонавта и оператора с манипулятором.

Ранее существовавший подход к проектированию систем человек – машина возлагал на человека все функции управления, а машина рассматривалась как исполнитель. В настоящее время в связи с введением а схему управления промежуточного звена в виде электронных устройств роль человека меняется. Человек стал управлять компьютером, а компьютер – вспомогательными механизмами. Поэтому необходимо рассматривать и оптимизировать не только принципы взаимодействия человека и ЭВМ, но и принципы взаимодействия ЭВМ и механизмов.

Прежде всего необходимо знать требования по выполнению операций программы. Исследование взаимодействия человека и машины должно проводиться с учетом анализа психологических и медицинских ограничений деятельности человека. Продуктивность работы повышается при снижении нагрузки на человека, измеряемой расходом физической и нервной энергии. С этой точки зрения целесообразно применение дисплейных станций с отображением информации в удобном виде, снижающих возможность ошибки. Для эффективного выполнения работ в открытом космосе необходимо составить квалификационные требования к экипажу и иметь данные об утомляемости космонавтов и возможном пороге их чувствительности.

Большое значение в изучении роли космонавтов и машин имеют исследования по выполнению операций с применением имитирующих устройств. Сравнение производительности ручной работы космонавта с работой телеуправляемого манипулятора показывает, что космонавт выполняет работу с наибольшей эффективностью, если не учитывать время его выхода на рабочее место в открытом космосе. Поэтому для повышения производительности ручного труда космонавта необходимо сократить время подготовки членов экипажа станции к выходу в открытый космос, включая так называемый период десатурации, во время которого космонавты дышат чистым кислородом для выведения из крови азота. Так, для американских космонавтов при полетах на МТКК этот период составляет 3 ч, сокращение его предполагается за счет понижения давления в отсеке экипажа или за счет повышения рабочего давления в скафандре.

Важной задачей в развитии систем с телеуправлением является обеспечение оператору «эффекта присутствия», что будет достигнуто разработкой принципиально новых видео-, звуко-тактильных, силовых и других датчиков, вариацией условий освещения, использованием стереотелеизображений, голограмм и т. п. Манипуляторы найдут широкое применение при выполнении типовых операций в открытом космосе.

В настоящее время принципы оптимального распределения функций между человеком и машиной не изучены до конца. Но быстрые успехи технологии в создании гибких устройств с программируемыми функциями позволяют надеяться, что компьютеры и манипуляторы окажут человеку огромную помощь в дальнейшем освоении космоса, в частности, при расширении операций на околоземной орбите, связанных с монтажными работами, обслуживанием космических аппаратов и МТА.

Проблема засоренности космоса. Обсуждая проблемы строительства в космосе, космического транспорта, энергетики и обслуживания космических аппаратов на различных этапах освоения околоземного пространства, нельзя забывать об охране окружающей среды. Интенсивное освоение космоса может привести к весьма ощутимым воздействиям на околоземную среду, последствия которых трудно предсказать. В настоящее время одной из актуальных проблем является засорение околоземного космического пространства отработавшими верхними ступенями ракет-носителей и отслужившими свои срок космическими аппаратами, в том числе отделившимися или отстреленными от них в космосе элементами конструкции типа переходников, крышек, пружинных толкателей, пироболтов и т. п.

Так, например, за все время космической деятельности с орбит сошло, по данным радиолокационных наблюдений, около 10 000 объектов и фрагментов ракетных конструкций. В настоящее время в космосе находится более 5000 таких объектов, а если учесть мелкие обломки от космических объектов, взорвавшихся в космосе, то их число колеблется от 10⁴ до 10⁶. Растущее засорение космоса начинает вызывать беспокойство.

От падающих остатков космических аппаратов нас защищает плотный слой атмосферы, в котором они сгорают. Но они становятся опасными для сверхзвуковых транспортных реактивных самолетов, летающих на больших высотах (до 18 км). Возможны и случаи, когда при падении объектов часть их обломков, не успев сгореть в атмосфере, достигает поверхности Земли. В 1979 г. серьезные опасения с этой точки зрения вызвало непредвиденно быстрое снижение американской станции «Скайлэб». К счастью, несгоревшие обломки станции упали в малонаселенных районах Австралии, не причинив вреда.

Существует и опасность столкновения в космосе. Уже отмечались случаи соударения работающих космических объектов с различного рода «космическим мусором». Так, в июле 1975 г. из-за пробоя оболочки прекратил существование американский спутник «Пагеос». По аналогичной причине произошел пробой солнечной батареи на другом американском спутнике «Геос-2». С внедрением КГК в космосе (космических платформ, больших антенн и т. п.) опасность столкновения возрастет. Наиболее плотно космическое пространство «заселено» на высотах 900 – 1500 км, где вероятность столкновения космического аппарата с мелким осколком уже приближается к вероятности столкновения с метеороидом тех же размеров. Однако в последнее время в связи с увеличением срока активного существования космических аппаратов и переводом их на более высокие орбиты ситуация на низких околоземных орбитах стала изменяться в благоприятную сторону.

Более критичной с точки зрения возможности космического столкновения становится зона геостационарной орбиты, где спутники, количество которых приблизилось к 200, размещаются в ограниченных областях по высотам и долготе. Их положение на геостационарной орбите с применением активной коррекции поддерживается в среднем с точностью ±0,1° по долготе и широте, что соответствует отклонениям в 150 км, а по высоте – в пределах 30 км. Перемещения уже отработавших объектов еще более значительны. Из-за дрейфа геостационарных спутников по орбите возможны их опасные сближения на расстояние менее 10 км. Вот почему на проходившей в 1982 г. в Вене II конференции ООН по исследованию и использованию космического пространства в мирных целях возможность столкновения спутников наряду со взаимными радиопомехами рассматривалась как один из основных факторов, ограничивающих ресурсы использования геостационарной орбиты.

Часть спутников, в том числе и геостационарных, после окончания срока службы можно будет переводить с помощью бортовых ДУ на другие менее загруженные орбиты. Предполагается, что комплексирование решаемых задач на борту перспективных космических аппаратов, увеличение срока службы спутников, конструктивные доработки космических аппаратов и разгонных космических блоков (исключающие отделение от них каких-либо элементов конструкции) снизят засоренность околоземного космоса. Этому будет способствовать внедрение многоразовости в ракетно-космическую технику с возможностью возвращения КА и орбитальных ступеней перспективных ТКС на Землю. И, конечно, в будущем при расширении международного сотрудничества в космосе более четкое и согласованное распределение орбит между различными космическими средствами также будет способствовать уменьшению числа возможных столкновений КА.

Влияние космических полетов на окружающую среду. При запусках в 60-е годы мощных ракет-носителей было обращено внимание на необычное явление в атмосфере, сопровождающее эти пуски. В ионосфере вблизи следа ракеты образовывалась как бы дыра, которая затягивалась только через несколько часов. Было предположено, что разреженная ионосферная плазма выталкивается газами, выбрасываемыми при полете ракеты.

В мае 1973 г. была выведена на околоземную орбиту американская станция «Скайлэб». Запуск осуществлялся тяжелой ракетой-носителем «Сатурн-5», двигатели которой работали до высот 300 – 400 км, где располагается максимум ионизации ионосферы. Было замечено, что при запуске станции концентрация электронов в ионосфере уменьшилась на 50%, причем площадь возмущения достигла 1 млн. км². Обнаружение так называемого «Скайлэб-эффекта» в ионосфере (рис. 11), который наблюдался в течение 3 ч после пуска, подтвердило необходимость тщательного и всестороннего исследования воздействия полетов ТКС на окружающую среду.

Рассмотрим эту проблему на примере эксплуатации американского МТКК, продукты сгорания при работе двигателей которого включают многие компоненты, в том числе и токсичные (см. табл. 4).

Состав и количество продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу при полете МТКК «Спейс Шаттл»

Диапазон высот, км	Количество продуктов сгорания, т
Диапазон высот, км	НСl	Сl	Окислы азота	Окись углерода	СО₂	Н₂О	Окислы алюминия
0 – 0,5	24,7	2,7	1,7	0,13	55	46,7	39,3
0,5 – 13	78,5	9,7	4,6	0,84	172,6	152,7	26,4
13 – 50	59,7	11,7	0,3	2,2	147,7	146,4	110,3
50 – 67	–	–	–	–	–	15,5	–
Выше 67	–	–	–	–	–	149	–

Если в средних и верхних слоях атмосферы продукты сгорания располагаются тонким слоем, так как скорость полета МТКК уже достаточно велика, то у поверхности Земли при старте скапливается большое количество выбросов продуктов сгорания, которое может привести к токсичному загрязнению облачного покрова, выпадению кислотных дождей и изменению погодных условий в районе старта. Однако благодаря сильным турбулентным процессам в приземной атмосфере эти эффекты кратковременны, и концентрация химических компонентов быстро снижается до допустимого по безопасности уровня.

На высотах 13 – 50 км в связи с более стабильным состоянием атмосферы загрязнения от продуктов сгорания, выбрасываемых при полетах ТКС, носят более долговременный характер. На этих высотах важную экологическую роль играет озонный слой, который, как известно, предохраняет все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей, посылаемых Солнцем. Хлористые соединения, входящие в состав продуктов сгорания, являются катализаторами реакций с участием молекул озона и могут привести к уменьшению его содержания в стратосфере. Но концентрация их от полетов ракет незначительна.

На высотах 70 – 90 км основным продуктом сгорания, выбрасываемым двигателями МТКК и тяжелых ракет-носителей, работающими на кислородно-водородном топливе, является вода, молекулы которой, конденсируясь и смерзаясь в кристаллики льда, могут образовать искусственные облака. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, это побочное явление можно также расценивать как фактор загрязнения природной среды, таящий в себе потенциальную возможность нарушения естественного равновесия.

Действительно, как уже говорилось, на еще больших высотах, в ионосфере, наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой, в результате чего образуется область с пониженной плотностью электронов, которая сопровождается различного рода аномалиями в области свечения ионосферы, распространения радиоволн и пр.

Возмущение в ионосфере и магнитосфере Земли могут вызвать полеты перспективных МТА на базе ЖРД и ЭРД, которые сопровождаются выбросом в окружающую среду молекул воды и водорода (при работе ЖРД) и ионов аргона и электронов (при работе ЭРД), что также может привести к образованию ионосферных дыр, а в магнитосфере к возникновению так называемых триггерных явлений – нарушению динамического равновесия волн и частиц этой неустойчивой среды.

Однако следует подчеркнуть, что в глобальном масштабе выбросы в атмосферу продуктов сгорания при полетах ТКС ничтожно малы по сравнению с промышленными выбросами. Поэтому загрязнение атмосферы со стороны ТКС может носить только локальный характер и сейчас не представляет опасности. Правда, необходимо принимать во внимание тот факт, что ТКС в отличие от промышленных предприятий выбрасывают продукты сгорания в широком диапазоне высот. И эта особенность воздействия ТКС на атмосферу требует своего глубокого изучения с целью своевременного предотвращения нежелательных последствий.

Помимо ТКС, на околоземную среду могут оказывать влияние и другие проводимые в космосе процессы. Так, эксплуатация в будущем ССЭ с передачей энергии на Землю в виде микроволнового излучения может привести к значительному биологическому воздействию такого излучения. Другими последствиями микроволнового излучения могут явиться: ионосферные изменения, нагрев верхней атмосферы, частотные помехи в глобальных системах связи.

Освоение Луны, связанное со строительством лунных баз, разработкой сырья и транспортировкой его в центры космической промышленности, может вызвать загрязнение окололунной среды с образованием в районе лунной орбиты газопылевых скоплений. Эти скопления, изменяя характер обтекания Земли солнечным ветром, могут повлиять на земные погоду и климат.

Для изучения и прогноза антропогенных явлений в околоземном пространстве широкое применение получили активные эксперименты в космосе, которые стали возможными благодаря использованию средств космической техники. В отличие от традиционных наблюдательных пассивных методов с помощью этих экспериментов изучается реакция околоземной среды на контролируемые возмущения, производимые посредством инжекции плазмы, нейтрального газа, пучков частиц и т. п.

Так, в 1984 – 1985 гг. были проведены международные эксперименты по программе АМПТЕ (аббревиатура с английского «активные эксперименты по трассированию магнитосферных процессов») с инжекцией паров лития и бария на значительном удалении от поверхности Земли (до 18 радиусов планеты): в солнечном ветре перед магнитосферой Земли, в утреннем секторе и в хвосте магнитосферы. Эти эксперименты помогли изучить особенности взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и указали на ряд неизвестных ранее явлений.

Для изучения газодинамических, плазменных и аэродинамических процессов образования ионосферных дыр были выполнены активные модельные эксперименты с выпуском в ионосферу компонентов (Н₂, Н₂О, СО₂ и др.), снижающих концентрацию электронов в ионосфере.

С целью контроля и прогноза солнечной активности и состояния верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы у нас в стране создана специальная гелиофизическая служба, которая опирается на развитую наблюдательную сеть, включающую спутники «Прогноз», «Метеор» и различные наземные станции, в том числе станции ракетного зондирования атмосферы. Таким образом, ракетно-космическая техника не только акцентировала внимание на экологические проблемы, которые уже стали выходить за пределы планеты, но и создала технические средства для проведения исследований и осуществления контроля в этой области.

Анализ ключевых проблем освоения космоса, связанных с космическим машиностроением, энергетикой, транспортировкой и орбитальным обслуживанием космических аппаратов, вопросами экологии околоземной среды, наглядно показывает тесную взаимосвязь основных направлений развития космонавтики и необходимость комплексного подхода к решению перспективных задач. С этими проблемами практически сталкиваются все новые проекты в области исследования и использования космоса в мирных целях: создание глобальных систем на базе многоцелевых спутников-платформ прикладного назначения, запуск тяжелых межпланетных станций в дальний космос и к Солнцу, сборка из модулей и КГК постоянно действующих орбитальных комплексов, развертывание в космосе мощных энергоцентралей на базе солнечных батарей или ядерных реакторов для нужд космического производства и т. д.

Реализация этих крупномасштабных проектов должна проводиться при тесном международном сотрудничестве, что позволит в интересах всех стран решать первоочередные задачи по энергетике, исследованию и рациональному использованию сырьевых ресурсов, контролю и охране окружающей среды и будет способствовать общему росту научно-технического прогресса на Земле.

СССР в своей практической деятельности в космосе неизменно и последовательно выступает за широкое международное сотрудничество на равноправных и взаимоприемлемых условиях. Ярким примером тому являются успешно развивающиеся с 1967 г. совместные работы СССР со странами социалистического содружества по программе «Интеркосмос», совместные пилотируемые полеты в рамках двухстороннего сотрудничества СССР и США по программе ЭПАС (1975 г.), с Францией (1982 г.), Индией (1984 г.), Сирией (1987 г.), участие Советского Союза на правах одного из основных учредителей в международных космических системах связи, навигации, поиска аварийных судов и самолетов: «Интерспутник» «Инмарсат» и КОСПАС–САРСАТ, проведение исследований планет и кометы Галлея в рамках международных проектов «Вега» (1986 г.) и «Фобос» (1988 г.).

В 1985 г. на 40-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН Советский Союз выступил с предложением по развернутой программе международного сотрудничества в мирном освоении космоса для блага всего человечества, считая это направление единственно здравой альтернативой безумным планам «звездных войн». Нет сомнения, что эта мирная инициатива будет поддержана мировым сообществом, и народы всех стран, совместно решая проблемы освоения космоса в интересах развития науки и повышения эффективности хозяйственной деятельности человека, внесут огромный вклад в дальнейшее процветание земной цивилизации.

Авдуевский В. С., Евич А. Ф. Энергетика космических аппаратов // Энергия. – 1985. – № 2.

Гвамичева А. С., Кошелев В. А. Строительство в космосе. – М., Знание, 1984.

Гришин С. Д., Чекалин С. В. Космический транспорт будущего. – М., Знание, 1984.

Гэтланд К. Космическая техника. Перевод с англ. – М, Мир, 1986.

Новиков А. С. Петров В. А., Романовский П. П. Экологические аспекты космонавтики. – М., Знание, 1986.

Патон Б., Семенов Ю. Звездные стройки // Правда, 16 августа, 1986.

Чекалин С. В. Космос: завтрашние заботы // Энергия – 1986. – № 2.

Эрике Краффт А. Будущее космической индустрии. – М., Машиностроение, 1979.

Руководителей американской космической программы давно беспокоило отставание США от СССР в области создания обитаемых орбитальных станций. Ведь американская станция «Скайлэб» (эксплуатировавшаяся в 1973–1974 гг.) в счет не шла, поскольку она была побочным продуктом программы «Сатурн – Аполлон» и в связи с этим имела очень ограниченные возможности. Кроме того, программа «Скайлэб» была всего лишь эпизодом, который не имел и не мог иметь продолжения, а закономерность освоения космоса такова, что делает необходимым создание долговременной, постоянно действующей орбитальной станции. И как только начались полеты многоразового транспортного космического корабля (МТКК) в 1981 г. и программа «Спейс Шаттл» перестала поглощать львиную долю бюджета Национального управления по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА), эта организация объявила, что следующим логическим шагом в освоении космоса должно стать создание орбитальной станции.

Правда, трудно сказать, осознало ли НАСА действительную необходимость этого или ей просто нужна была новая грандиозная программа, чтобы можно было бы получить под нее ассигнования и предотвратить сокращение бюджета и масштабов деятельности этой организации. Во всяком случае, многое говорит в пользу второго предположения. Прошло уже несколько лет с того момента; как программа создания станции была утверждена президентом США (январь 1984 г.), а задачи станции еще толком не сформулированы, неоднократно менялся и проект станции.

Вначале была разработана концепция станции, условно названной «башенная опора»: все блоки и элементы станции должны были крепиться к опорной ферме длиной 120 м и шириной 2,4 м. В 1985 г. от этого проекта отказались и разработали новый проект станции, названной двухкилевой. Основой конструкции такой станции служили две параллельные фермы («кили»). Посередине их пересекала главная поперечная ферма, к которой крепились обитаемые блоки (модули), панели солнечных батарей, панели радиаторов системы терморегулирования, энергетические блоки (концентраторы солнечной энергии) и т. д. На концах «килей» устанавливались две малые поперечные фермы, образующие вместе с «килями» четырехугольную раму, к которой крепятся различные полезные нагрузки.

Предусматривались две зоны «двухкилевой» станции для обслуживания спутников, девять участков для монтажа полезных нагрузок, в состав станции должны входить четыре американских обитаемых блока, а также западноевропейский и японский блоки. Но уже в мае 1986 г. этот проект был пересмотрен в сторону упрощения (это было вызвано бюджетными ограничениями): число американских блоков было сокращено до двух, из двух зон обслуживания спутников оставлена одна, из девяти участков монтажа полезной нагрузки – пять и т. д. Однако резкая критика и этого упрощенного варианта привела к новому пересмотру проекта орбитальной станции.

В основном критика сводилась к тому, что для создания орбитальной станции требуется очень большое число полетов МТКК, а после потери «Челленджера» это было в ущерб всем остальным космическим программам США (среди которых первое место занимают военные программы). Другой объект критики – необходимость слишком длительного пребывания монтажников станции в открытом космосе, что было небезопасно. И наконец, протесты вызывало отсутствие средств для экстренной эвакуации космонавтов на Землю в случае аварии, болезни или травм. Ведь при дефиците МТКК нельзя постоянно держать один из них пристыкованным к станции (напомним, что к советским орбитальным станциям всегда пристыкован космический корабль «Союз»).

В конце 1986 г. был предложен новый проект орбитальной станции. Было решено обойтись без «килей» и малых поперечных ферм, осталась лишь главная (и единственная) поперечная в прошлом ферма с пристыкованными к ней обитаемыми блоками. От энергетических блоков отказались тоже, так же как и от оборудования зон для обслуживания спутников и участков для монтажа полезных нагрузок. Все это в какой-то степени решало проблемы дефицита МТКК и длительности монтажных работ в открытом космосе, но для аварийной эвакуации космонавтов снова ничего не предусматривалось. Такой проект стал известен под названием «станции первого этапа», причем подразумевалось, что на втором этапе она будет развита в «двухкилевую» станцию. Однако в последнее время руководство НАСА уже допускает, что от развития первичной станции в «двухкилевую» можно впоследствии отказаться, если перед НАСА будут поставлены новые задачи (например, создание базы-станции на Луне).

Чтобы еще более сократить потребности в МТКК, было решено проводить смену экипажа станции не через 90 сут, как планировалось ранее, а через 120 сут (напомним, что рекордная длительность пребывания американских космонавтов на орбите всего 84 сут во время третьей экспедиции на станцию «Скайлэб»). В дальнейшем по мере накопления приобретаемого опыта длительность пребывания экипажа на станции предполагается увеличить сначала до 150 сут, а затем и до 180 сут. Предварительная программа создания орбитальной станции предусматривает на первый квартал 1994 г. начало полетов МТКК для доставки на орбиту элементов станции. На этапе создания станции, который продлится около 2 лет, потребуется 6 – 8 полетов МТКК ежегодно, на этапе же эксплуатации в режиме постоянно действующей – до 5 полетов МТКК ежегодно. На станции должны одновременно находиться 4 – 6 космонавтов.

Однако все эти сроки создания станции вряд ли будут соблюдены точно, Пересмотры проекта станции, переоценка необходимых затрат и разногласия между США, с одной стороны, и западноевропейскими странами, Японией и Канадой, с другой, привели к тому, что в 1987 г. работы по программе создания станции были приостановлены. Контракты на разработку основных элементов станции НАСА предполагало заключить еще в октябре 1986 г., но после они были отложены по крайней мере на конец 1987 г. Таким образом, уже на этом этапе был потерян год.

Первоначально стоимость программы создания орбитальной станции оценивалась НАСА в 8 млрд. долл., но в начале 1987 г. более точные оценки привели к сумме 12 млрд. долл. (и это еще без учета затрат на доставку элементов станции на орбиту, на экспериментальную базу и т. д.). Несмотря на то что станция «подорожала» в 1,5 раза, Рейган санкционировал продолжение работ, и конгресс США с этим согласился, одобрив необходимые ассигнования на начальный этап разработки. Однако, по оценкам специально созданной комиссии Национальной академии наук США, стоимость создания «станции первого этапа» на самом деле достигает 25 млрд. долл., а ее развертывание в «двухкилевую» – 32,8 млрд. долл. (в ценах 1988 г.). Как известно, одной из причин задержки с вводом в строй МТКК стало искусственное занижение НАСА истинных затрат на создание МТКК, и в случае орбитальной станции США история может повториться вновь.

Во всех этих оценках создания орбитальной станции учтены лишь затраты американской стороны, и если бы США не привлекли к программе зарубежных партнеров, то НАСА пришлось бы нести еще большие расходы. Как уже упоминалось, Европейское космическое агентство (ЕСА) и Япония разрабатывают обитаемые блоки, а Канада – комплекс с манипуляторами, обеспечивающий проведение монтажных работ и пристыковку МТКК и прочих полезных нагрузок к орбитальной станции. Однако США пытаются диктовать своим партнерам, чем они должны заниматься в своих блоках, якобы во избежание параллелизма работ. Причем США берут на себя работы, сулящие в будущем наибольшую коммерческую выгоду, а это не устраивает их партнеров по созданию орбитальной станции, получившей статус международной.

Но это лишь одна из причин конфликтов. Известно, например, желание министерства обороны США обеспечить себе право проводить на станции работы военного характера, а это вызывает протест у большинства стран, участие которых предполагается при создании орбитальной станции. Достаточно сказать, что устав ЕСА просто запрещает этой организации проводить какую-либо деятельность военного характера. В настоящее время все еще ищутся компромиссные формулировки соглашений НАСА с зарубежными партнерами.

В заключение отметим, что не так давно, 4 февраля 1987 г., бюджетное управление конгресса США опубликовало перечень правительственных программ, от реализации которых можно было бы отказаться с целью экономии средств. В этот перечень вошла и программа создания орбитальной станции, однако нынешняя администрация США, естественно, не воспользовалась подобной рекомендацией. Как известно, уже через год придет к власти новая администрация США, а каким будет ее отношение к программе создания орбитальной станции – неизвестно. Во всяком случае, есть примеры, когда НАСА свертывало работы по космическим программам уже на этапе разработки, оставляя и фирмы-подрядчики и зарубежных партнеров в весьма незавидном положении.

Сдано в набор 14.10.87. Подписано к печати 29.12.87. Т-21997. Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,49. Тираж 30 213 экз. Заказ 2144. Цена 11 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 884201.

Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

Введение	3
Основные направления освоения космоса	5
Транспортные космические системы (ТКС)	15
Энергообеспечение в космосе	27
Строительство в невесомости	36
Орбитальное обслуживание	44
Экологические аспекты освоения космоса	52
Заключение	58
Рекомендуемая литература	60
НОВОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ КОСМОНАВТИКИ	60