8.3.1. Программа NextSTEP
В обеспечение второго этапа программы «Flexible Path» NASA в конце 2014 года объявила конкурс, получивший название NextSTEP (Next Space Technologies for Exploration Partnerships - следующие космические технологии для совместных исследований). В конкурсе были заявлены три задачи:
- разработка жилого модуля «Habitat» для совместного использования с КК «Orion» при полетах в глубокий космос. Модуль должен быть рассчитан на полет четырех человек в течение 60 суток;
- разработка двигательной установки, работающей на солнечной энергии, для использования в дальних полетах;
- разработка мини-сателлитов типа CubesSat с целью повышения надежности и эффективности и улучшения конструкции.
В апреле 2015 года NASA провела первичный отбор компаний, представивших свои предложения. Были отобраны для дальнейших проработок:
по теме жилого модуля:
Bigelow Aerospace, Boeing, Dynetics, Hamilton Sundstrand, Lockheed Martin, Orbital ATK и Orbital Technologies.
по теме солнечной электрореактивной ДУ:
Ad Astra Rocket Company, Aerojet Rocketdyne, Helion Energy (MSNW LLC).
по теме кубсатов:
Lockheed Martin, Morehead State University.
В сентябре 2016 года был дан старт второго этапа программы NextSTEP - NextSTEP-2. Шесть компаний получили контракты на изготовление прототипов жилого модуля «Habitat», обеспечивающего безопасное нахождение экипажа КК в глубоком космосе. Подчеркивалось, что разработчики должны в первую очередь, обеспечить применение жилого модуля в полетах КК «Orion» к Луне, но в целом ориентироваться на использование модулей в полете на Марс.
Это компании:
- Bigelow Aerospace
- Boeing
- Lockheed Martin
- Orbital ATK
- Sierra Nevada Corporation
- NanoRacks.
Заявленное в условиях конкурса NextSTEP использование модуля «Habitat» в связке с КК «Orion» дополнилось условием включения модуля в состав станции DSG, как одного из необходимых компонентов.
В апреле 2019 года NASA объявила о приеме в рамках программы NextSTEP предложений на разработку лунного взлетно-посадочного КК.
8.3.2. «Deep Space Gateway»
Создание космической станции «Deep Space Gateway» декларировалось как необходимый этап для подготовки пилотируемой экспедиции на Марс. Предполагалось, что, аналогично МКС, к созданию и эксплуатации DSG могут быть привлечены и другие страны, однако, основной вклад будет принадлежать США.
По предварительному проекту, станция DSG должна состоять из четырех основных модулей, доставляемых к месту сборки несколькими полетами КК «Orion», причем строительство DSG должно было начаться практически с первых полетов КК.
Первым в запуске EM-2 (Exploration Mission 2) вместе с пилотируемым КК «Orion» на облетную траекторию вокруг Луны должен быть отправлен двигательно-энергетический модуль GPPM (Gateway Power/Propulsion Module), который в апогее траектории с помощью собственной электрореактивной ДУ выйдет на гало-орбиту вокруг точки либрации L2 системы Земля-Луна. Модуль GPPM оснащается солнечными батареями, генерирующими мощность до 40 кВт.
Следующими тремя запусками на аналогичную орбиту должны быть доставлены модули CHM (Cislunar Habitation Module - жилой модуль), GLM (Gateway Logistics Module - блок логистики с канадским манипулятором) и GAM (Gateway Airlock Module - шлюз для выходов в космос и для обеспечения стыковки транспортных кораблей и других модулей). Масса каждого модуля 9-10 т.
На первом этапе эксплуатации станции планировалось осуществлять на КК «Orion» экспедиции посещения в составе четырех человек длительностью до 42 суток.
8.3.2.1. Транспортный КК DSTСоставной частью проекта станции DSG был предложен КК DST («Deep Spaсe Transport» - транспорт для глубокого космоса) - многоразовый пилотируемый корабль для длительных межпланетных экспедиций. КК DST должен стартовать от станции «Deep Space Gateway», выполнять автономный полет и возвращаться к станции, где будет происходить обслуживание и заправка КК. Проектная масса конструкции КК DST - 41 т, масса полностью снаряженного КК - 166 т.
Предполагалось, что КК DST позволит отработать технологии выполнения длительных автономных полетов. В подтверждение возможности безопасных длительных экспедиций в глубоком космосе будет выполнен годовой полет КК DST по окололунной орбите. После 2030 года планировалось отправить КК DST с экипажем к Марсу.
8.3.3. Станция «Gateway»
По первоначальным планам, собранная станция DSG должна была находиться на гало-орбите около точки либрации L2, но затем было решено, что станция будет собираться и функционировать на окололунной орбите. В 2018 году проект станции DSG («Deep Space Gateway») был переименован в LOP-G («Lunar Orbital Platform-Gateway» - Лунная орбитальная пересадочная платформа). Наряду с названием LOP-G в обиход было введено краткое наименовании станции - просто «Gateway» («Ворота»).
В сентябре 2018 года в г.Орландо, США, состоялась международная встреча по обсуждению требований к окололунной станции.
Был выработан следующий план строительства станции «Gateway» на окололунной орбите:
1922 год -двигательно-энергетический модуль Power Propulsion Module;
1923 год - топливный модуль ESPRIT, который должен быть изготовлен международными партнерами;
1923 год - американский складской модуль Utilization Module;
1923 год - логистический модуль и манипулятор;
1924-1925 годы - международный (I-Hub) и американский (HALO) жилые модули.
Состав международных партнеров и распределение работ между ними не уточнялось.
Станция «Gateway» должна была использоваться в качестве пересадочного пункта не только в межпланетных и дальних полетах, но и при высадке на Луну. Планировалось, в частности, что лунные посадочные КК смогут после возвращения с Луны пристыковываться к станции, где будет выполняться их обслуживание и перезаправка, после чего они будут использоваться в следующей десантной миссии. Экипажи лунных экспедиций также смогут доставляться с Земли на станцию в КК «Orion» и затем переходить в дожидающийся лунный посадочный КК, а после возвращения с Луны - пересаживать в КК «Orion» для возвращения на Землю.
Таким образом, программа пилотируемых полетов, разрабатывавшаяся на основании концепции «Flexible Path», фактически превратилась в третью попытку возвращения на Луну, однако, сроков лунной экспедиции в программе не называлось. Можно было видеть, что высадка на Луну могла бы состояться только после развертывания полномасштабной станции «Gateway», то есть, примерно в 2028 году.В конце 2020 года NASA и ESA достигли договоренности, что ESA изготовит два модуля станции: жилой модуль I-Hab и модуль ESPRIT. В свою очередь, NASA берет на себя обязательство отправить к Луне трех европейских космонавтов.
8.3.4. Грузовой транспортный корабль
Логистическое обеспечение станции «Gateway», в случае продолжения работ по ее созданию, планировалось осуществлять с привлечением частных компаний, для чего в июне 2019 года была объявлена программа GLS (Gateway Logistics Serveces - логистические услуги для станции Gateway). Эта программа, аналогично успешно реализуемой в течение ряда лет программе CRS (Commercial Resupply Services - услуги по коммерческому обеспечению МКС), предусматривает привлечение частных компаний, каждая из которых выполнит не менее двух полетов для доставки грузов на станцию «Gateway», находящуюся на окололунной орбите. Предварительно каждым участником должен быть выполнен испытательный полет грузового корабля к станции. ГТК должен находиться в составе станции в течение года, иметь возможность автоматической отстыковки. Возможны дополнительные требования к предлагаемым ГТК, которые определены позднее.
В августе 2019 года NASA уточнила некоторые требования к грузовому кораблю. ГТК должен доставлять не менее 3,4 т груза в герметичном отсеке и еще не менее 1 т в негерметичной секции. Также ГТК должен иметь возможность забирать со станции не меньшее количество груза для утилизации.
Компания Space X в конце 2019 года предложила проект ГТК «Dragon XL», предназначенного для доставки грузов на окололунную станцию «Gateway». ГТК будет запускаться тяжелой РН Heavy Falcon и сможет доставлять до 5 т груза. В связи с отсутствием требований по возвращению грузов на Землю, вместо возвращаемого аппарата ГТК будет иметь грузовой отсек цилиндрической формы. «Dragon XL» оснащается системой автоматической стыковки. 8.4. Программа «Artemis» - четвертая попытка (2019 г.)
26.03.2019 года вице-Президент США Майк Пенс выступил с призывом к NASA осуществить лунную экспедицию не позднее 2024 года. В связи с этим планы NASA по осуществлению полетов КК «Orion» и строительству окололунной станции были подвергнуты существенному пересмотру. Новая программа получила наименование «Artemis» («Артемида1»).
Если по предыдущим планам NASA сначала должна была быть собрана окололунная станция «Gateway», а потом должны были начаться высадки на Луну, то в новой программе очередность этих этапов поменялась местами, так как иначе высадку пилотируемой экспедиции на Луну осуществить в 2024 году не представлялось возможным.
Полет EM-1, по новой программе, как и в старых планах, должен быть выполнен в беспилотном варианте в облет Луны. Предполагается осуществить с этой целью запуск сверхтяжелой РН SLS в 2020 или 2021 году.
В полете EM-2, который намечен на 2022 год, должен быть выполнен пилотируемый облет Луны. Высадка на Луну этим планом намечена на 2024 год, в запуске EM-3.
Обозначения полетов были изменены - вместо EM-1 (Exploration Mission-1), EM-2 и т.д. были утверждены названия «Artemis-1», «Artemis-2» и так далее.
8.4.1. Предварительный вариант программы
В мае 2019 года NASA представила предварительный вариант программы «Artemis», главной целью которой является осуществление в 2024 году пилотируемой экспедиции на Луну.
США в этот момент имели почти готовые РН SLS, грузоподъемностью 70 т в первом варианте, и КК «Orion». Для осуществления лунной экспедиции был необходим еще лунный взлетно-посадочный КК. Так как мощности РН SLS было недостаточно для осуществления прямой высадки на Луну, в отличие от программы «Apollo», в которой РН Saturn V доставляла на орбиту ИСЗ 140 т, то программа «Artemis» вынужденно предусматривала раздельную доставку лунного КК и КК «Orion» с экипажем. Для перехода из КК «Orion» в лунный КК, а после возвращения с Луны - обратно, программа предусматривала использование упрощенного варианта окололунной обитаемой станции «Gateway».
В июле 2019 года NASA на основе результатов второго этапа программы NextSTEP выбрала основного разработчика жилого модуля «HALO»2 - компанию Northrop Grumman, частью которой в 2018 году стала компания Orbital ATK.
Оговаривалось, что в случае отказа от создания станции «Gateway» либо в задержке ее создания десантный КК будет стыковаться с КК «Orion» непосредственно на окололунной орбите. Дальнейший полет, посадка на Луну и возвращение на Землю будет происходить аналогично тому, как это выполнялось в программе «Apollo» более полувека назад.
8.4.2. «Gateway» в программе «Artemis»
По первоначальной программе «Artemis» 2019 года полет на Луну в 2024 году должен был выполняться с использованием окололунной станции «Gateway», создаваемой в упрощенном составе. В частности, до 2024 года на окололунную орбиту должны быть доставлены всего два модуля - двигательно-энергетический и малый стыковочный модуль с жилым отсеком, который называют также малым жилым. Такого состава станции было бы достаточно для выполнения функции пересадочного пункта при полете на Луну и с Луны.
8.4.2.1. Двигательно-энергетический модуль
Разработка двигательно-энергетического модуля (Power and Propulsion Element, PPE) была поручена компании Maxar Technologies. Модуль создается на базе геостационарной спутниковой платформы, разработанной ранее фирмой SSL. Масса модуля 5 т. Запуск модуля должен быть выполнен в 2022 году коммерческой РН Falcon Heavy.
1 Богиня Артемида, по греческой мифологии, сестра Аполлона. Таким образом, это название символизирует связь с программой «Apollo».
2 Ранее модуль назывался «Habitat».
8.4.2.2. Малый жилой модуль
Малый жилой модуль «HALO», разрабатываемый компанией Northrop Grumman, создается на базе ТКГ «Cygnus». Модуль будет иметь аналогичные размеры - длина 6,1 м, диаметр 3,07 м. Будет установлено три стыковочных узла - два на торцах модуля и один на боковой поверхности. Один торцевой узел будет использован для стыковки с модулем PPE, два других предназначены для стыковок с ТКГ «Dragon XL» и КК «Orion».
8.4.3. «Артемида» против «Гибкого пути»
После закрытия программы «Constellation» в 2010 году по решению Администрации Президента США Барака Обамы и NASA, космическая программа США была сориентирована на подготовку к пилотируемому полету на Марс в соответствии с концепцией «Flexible Path» («Гибкий путь»), разработанной комиссией Огастена. Однако, в первой половине 2019 года Администрация Президента Дональда Трампа призвала NASA пересмотреть стратегию полетов в космос, и окололунную станцию, создаваемую, как форпост для полетов к Марсу, использовать для активного освоения Луны. В результате цель - пилотируемая экспедиция на Марс, - была отодвинута вплоть до возможной отмены и заменена другой, более близкой целью - высадка пилотируемого КК на Луну в 2024 году.
Таким образом, сформировались два альтернативных варианта развития программы пилотируемых полетов США.
Вариант 1. Это программа «Artemis», в которой первоочередной задачей являлся пилотируемый полет на Луну в 2024 году. Что касается окололунной станции, то если первоначально в программе «Artemis» постройка станции «Gateway» не отрицалась, а наоборот, делалась попытка встроить ее в планы лунных экспедиций, то дальнейшие расчеты показали, что такой путь не только удорожает лунную экспедицию, но и отодвигает ее осуществление не менее, чем до 2028 года. Поэтому уже в 2020 году было принято решение исключить станцию «Gateway» из первого этапа программы «Artemis», объявив, что она будет строиться на втором этапе. Этот вариант поддерживался Администрацией Президента США Трампа, так как подготовка лунной экспедиции 2024 года была призвана обеспечить Трампу поддержку избирателей при очередных президентских выборах.
Вариант 2. Продолжение программы ««Flexible Path», которая ставит цель на первом этапе - создание окололунной станции «Gateway», а на втором - осуществление экспедиции на Марс. Высадка на Луну при этом рассматривается лишь как попутная второстепенная цель.
В январе 2020 года на рассмотрение Конгресса США был представлен законопроект, который должен был полностью изменить курс американской космонавтики и снова нацелить ее на Марс. Законопроект предусматривал использование окололунной станции не для высадок на Луну, а, в основном, для подготовки пилотируемого полета на Марс в 2033 году, в соответствии с чем даже требовал изменить название станции с «Gateway» на «Gateway to Mars» («Ворота к Марсу»). Высадки на Луну также предусматривались, но не ранее 2028 года, и лишь в качестве вторичной задачи.
Интрига заключалась в том, что для осуществления первого варианта грузоподъемности РН SLS Block I, которая была практически готова, было недостаточно - всего 70 т на орбите ИСЗ. Для отправки к Луне собранного взлетно-посадочного КК (как это было необходимо в первом варианте программы) требовалось выводить на орбиту не менее 105 т, для чего требовалась РН SLS Block 1B, отличающаяся использованием разгонного блока EUS, на отработку которого требовалось дополнительное время. Тем самым, отсутствие блока EUS приводило к необходимости сборки лунного взлетно-посадочно комплекса на окололунной орбите, для обеспечения чего логично было бы использовать окололунную станцию, пусть даже в минимальной комплектации.
Предложенный законопроект запрещал использовать окололунную станцию для сборки лунного взлетно-посадочного комплекса, который должен был теперь запускаться к Луне в собранном виде с помощью РН SLS Block 1B, что автоматически делало лунную экспедицию в 2024 году нереальной. Таким образом, требование создания и отработки РН SLS Block 1B шло в разрез с провозглашенной целью программы «Artemis» - высадка человека на Луну в 2024 году, - но было вполне логичным для подготовки марсианской экспедиции.
Также представленный законопроект запрещал NASA использовать для экспедиций на Луну схему, реализованную в программе COTS - частные компании разрабатывают КК, а NASA покупает у них услуги по доставке космонавтов на МКС. Объявленный NASA конкурс на разработку взлетно-посадочного лунного КК должен был, по задумке NASA, привести к аналогичному решению - к покупке у частных компаний услуг по доставке экипажей с окололунной станции на поверхность Луны и возвращению их обратно на станцию.
В результате дискуссий в марте 2020 года было принято решение не использовать станцию «Gateway» для пилотируемой экспедиции на Луну в 2024 году, одновременно отодвигая сроки создания окололунной станции на более позднее время, что означало победу программы «Artemis».
8.4.4. Компромиссное решение
К осени 2020 года был выработан компромиссный план организации высадки на Луну и создания окололунной станции. План состоял из двух этапов.
Первый этап начнется в 2021 году запуском беспилотного КК «Orion» вокруг Луны с помощью РН SLS - полет «Artemis 1».
В 2023 году состоится пилотируемый облет Луны - запуск «Artemis 2».
Также в 2023 году к Луне с помощью РН Falcon Heavy будут отправлены два модуля станции «Gateway» - двигательно-энергетический модуль PPE и жилой модуль HALO.
В конце 2024 года состоится пилотируемый полет на Луну - «Artemis 3». Два астронавта США (мужчина и женщина) проведут на Луне около недели. Местом этой экспедиции первоначально намечался район южного полюса, но, вероятнее всего, будет выбран район экватора.
Второй этап программы «Artemis» заключался в создании на Луне базы с регулярным посещением пилотируемыми экспедициями с одновременной достройкой окололунной станции.
8.4.5. Лунная посадочная система
08.04.2019 года NASA объявило о приеме заявок в рамках программы NextSTEP на разработку взлетной ступени лунного КК в рамках программы «Artemis». 26.04.2019 года (до отказа от использования окололунной станции) было объявлено, что заявки принимаются на разработку всего десантного КК, то есть, посадочной и взлетной ступеней, а также межорбитального буксира. Предполагалось, что буксир будет доставлять лунный КК от станции «Gateway» до низкой селеноцентрической орбиты. Буксир и взлетная ступень должны быть многоразовыми, после выполнения своей работы они проходят обслуживание и перезаправку на станции «Gateway».
      |
На втором этапе (к 2026 году) должен быть создан улучшенный лунный КК, рассчитанный на доставку на поверхность Луны и возвращение на окололунную орбиту экипажа из четырех человек. КК должен обеспечивать длительность пребывания экипажа на Луне до двух месяцев. Взлетная ступень улучшенного лунного КК должна быть многоразовой.
В мае 2019 года NASA назвала 11 компаний, которые получили контракты на первый этап работ по программе создания лунного КК. Так, по разработке и постройке прототипов лунного КК, межорбитального буксира и системы дозаправки должны работать компании Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Sierra Nevada и Blue Origin. Компании Aerojet Rocketdyne, Dynetics, Masten Space Systems, OrbitBeyond, SpaceX и Maxar Technologies получили контракты на разработку отдельных элементов транспортной инфраструктуры.
В марте 2020 года NASA приняла решение, что окололунная станция «Gateway» не будет использоваться при осуществлении высадки на Луну в 2024 году, в связи с чем предлагавшиеся проекты подверглись некоторой доработке.
В конце апреля 2020 года NASA назвала участников второго этапа разработки лунной посадочной системы HLS (Human Landing System - система пилотируемой посадки). Были определены три конкурсанта:
- «National Team» (Национальная команда), в которую входят Blue Origin, Lockheed Martin, Northrop Grumman и Draper;
- SpaceX;
- Dynetics.
Далее приводится краткое описание предложенных проектов лунной посадочной системы.
8.4.5.1. Проект Lockheed Martin
8.4.5.1.1. КК «MBC Precursor» (2016 г.)
В 2016 году компания Lockheed Martin предложила NASA развернутый проект создания обитаемой базы на Марсе, названной «Mars Base Camp» (см. п.9.15). В качестве средства для отработки технологий, необходимых для полетов на Марс, был предложен проект лунного посадочного КК, условно названного «Mars Base Camp Precursor»1.
Одноступенчатый КК «MBC Precursor» рассчитывался на многократное использование в комплексе с окололунной станцией «Gateway», куда после взлета с Луны он должен был пристыковываться для перехода экипажа в КК «Orion» и перезаправки. Топливо для перезаправок КК «MBC Precursor» должно было доставляться с Земли к станции «Gateway» специальными КА-топливозаправщиками.
Такая технология должна была в дальнейшем использоваться для полетов марсианских КК, которые после возвращения от Марса должны были бы проходить обслуживание и перезаправку на станции «Gateway».
Экипаж КК «MBC Precursor» - четыре человека. ДУ использует жидкий кислород и жидкий водород. Сухая масса КК - 22 т, полностью заправленного - 62 т. Высота КК - 14 м. КК может доставить на поверхность Луны до 1 т груза.
1 Precursor - предшественник (англ.).
8.4.5.1.2. Проект Lockheed Martin (2019 год)
После объявления NASA задачи осуществления лунной экспедиции в 2024 году компания Lockheed Martin разработала проект двухступенчатого лунного КК (посадочная ступень и взлетная ступень).
В дальнейшем компания Lockheed Martin объединилась с Blue Origin для участия в совместном проекте.
8.4.5.2. Проект компании Boeing
Проект взлетно-посадочного КК компания Boeing представила в конце 2019 года. КК, который носил рабочее название «HLS» (Human Lander System - система высадки людей на Луну), состоял из двух модулей - посадочного и взлетного.
В отличие от проекта «National Team» в проекте компании Boeing не требуется межорбитальный буксир, т.к. посадочный модуль обладает достаточной энергетикой для перевода лунного КК на низкую орбиту и затем для посадки на Луну. По этой причине масса десантного КК больше, чем в проекте Blue Origin, и для отправки лунного КК в сборе к Луне требуется РН SLS Block 1B, более мощная, чем SLS Block 1. В остальном схема полета на Луну аналогична - экипаж летит к окололунной станции в КК «Orion», где пересаживается в лунный десантный КК. После возвращения на станцию с Луны космонавты переходят в ожидавший там КК «Orion» и возвращаются в нем на Землю.
Проект фирмы Boeing не вошел в число финалистов конкурса.
8.4.5.3. Проект «National Team»
Группа компаний, объединившихся под названием «National Team», выдвинула совместную заявку на участие в программе создания лунной посадочной системы HLS. Предложенными совместный проект включал следующие компоненты:
- лунная посадочная ступень («Blue Moon») - Blue Origin (головная компания);
- взлетная ступень - Lockheed Martin;
- межорбитальный буксир - Northrop Grumman;
- авионика и системы навигации - Draper.
Межорбитальный буксир должен использоваться для перемещения лунного КК между станцией «Gateway» и низкой опорной орбитой спутника Луны.
Экспедиция на Луну потребует четыре запуска РН. РН New Glenn компании Blue Origin отправляет к Луне посадочную ступень, затем двумя запусками РН Vulcan компании ULA на траекторию полета к Луне выводятся буксир и взлетная ступень. Эти три модуля должны состыковаться в автоматическом режиме на окололунной орбите.
В первоначальном варианте проекта предполагалось, что для сборки модулей будет использоваться окололунная станция «Gateway», но после принятия решения, что станция будет создаваться на втором этапе полетов к Луне, проект в этой части был изменен.
Когда сборка лунного корабля «HLS» на окололунной орбите завершается, ракета-носитель SLS Block 1 запускает к Луне КК «Orion» с экипажем. КК «Orion» стыкуется с лунным кораблем, часть экипажа переходит в него, после чего буксир переводит влетно-посадочный комплекс на низкую орбиту, где происходит отделение буксира. Посадочный блок выполняет посадку, экипаж после выполнения программы работ на поверхности Луны стартует во взлетной ступени и стыкуется с буксиром, который доставляет экипаж к кораблю «Orion». Экипаж возвращается на Землюв КК «Orion», буксир и взлетная ступень остаются на окололунной орбите.
Буксир является одноразовым, а взлетная ступень может в дальнейшем перезаправляться и использоваться повторно. Blue Origin планирует провести испытания посадочного модуля в 2023 году, а испытательный беспилотный полет на Луну должен состояться в 2024 году.
8.4.5.4. Проект компании Dynatics
В проекте компании Dynatics предложена схема одноступенчатого посадочного КК с расположением топливных баков по бокам от кабины экипажа. КК с полностью заправленными баками выводится на траекторию полета к Луне ракетой-носителем SLS или Vulcan. На окололунной орбите к нему пристыковывается КК «Orion» с экипажем. После перехода части экипажа в лунный КК корабли разделяются. Лунный КК выполняет посадку, при этом расходуется топливо из внешних баков, которые затем сбрасываются. Экипаж лунной экспедиции развертывает солнечные батареи для обеспечения электроэнергией (рис. 1.354). После завершения работы экспедиции батареи отбрасываются, и КК выполняет старт и выход на окололунную орбиту для встречи с ожидающим КК «Orion». Экипаж возвращается на Землю в КК «Orion», а лунный КК остается на орбите около Луны и может быть повторно использован после установки новых сбрасываемых баков и перезаправки несбрасываемых. Как отмечалось при рассмотрении проекта, достоинством данного варианта является также низкое расположение отсека экипажа.
8.4.5.5. Проект компании SpaceX
Компания Илона Маска SpaceX предложила лунный вариант корабля «Starship». Экспедиция на Луну по проекту SpaceX выполняется в два пуска РН SuperHeavy и один пуск РН SLS. Первая РН SuperHeavy выводит на орбиту ИСЗ беспилотный КК «Starship» в варианте топливозаправщика. Вторым пуском РН SuperHeavy на орбиту ИСЗ доставляется также беспилотный лунный КК «Starship», который стыкуется с топливозаправщиком. После перекачки топлива лунный КК направляется к Луне и выходит на орбиту ИСЛ, где ожидает КК «Orion» с экипажем. Экипаж после перехода в лунный КК совершает посадку на Луну в заданном районе (рис. 1.355). После завершения работы экипаж стартует на окололунную орбиту, где переходит в КК «Orion» и возвращается на Землю. КК «Starship» остается на орбите спутника Луны и при условии перезаправок может использоваться многократно в качестве «лунного такси».
Как сообщалось в апреле 2020 года, SpaceX планирует выполнить подготовку к лунной экспедиции в следующем порядке:
- демонстрационный запуск корабля Starship на орбиту Земли;
- повторный полет того же корабля;
- продолжительный космический полет;
- запуск КК Starship за пределы земной орбиты;
- в 2022 году выполнить испытательную беспилотную посадку на Луну.
8.5. КК «Orion»
КК «Orion» впервые появился в программе «Constellation», под названием CEV1. В 2006 году КК получил имя «Orion». Программа «Constellation» в начале 2010 года была закрыта решением Президента США Барака Обамы, но Обама согласился на продолжение работ по КК «Orion», поставив условие, что это должен быть КК-спасатель для МКС.
24 мая 2011 года NASA анонсировала развертывание работ по КК MPCV2 «Orion», как он стал теперь называться. По факту эти работы стали продолжением работ по КК CEV «Orion».
Фирма Lockheed Martin Corp., разработчик КК «Orion», продолжила разработку КК в трех вариантах:
- КК «Orion» Block 0 - КК-спасатель. Испытания КК считались возможными в 2013-2014 г.г.;
- КК «Orion» Block I - транспортный КК для МКС. Предполагаемое начало полетов - 2015-2016 г.г.;
- КК «Orion» Block II - КК для полетов к Луне и в дальний космос. Первый полет планировался на 2017-2018 г.г.
1 Crew Exploration Vehicle - пилотируемый исследовательский корабль (англ.).
2 Multy-Purposes Crew Vehicle - многоцелевой пилотируемый корабль (англ.).
Таким образом, в планах NASA возникла странная ситуация: программа «Constellation» закрыта, разработка РН Ares I и Ares V прекращена, но пилотируемый КК продолжает разрабатываться, при этом в планах его использования по-прежнему остаются полеты к Луне и в дальний космос.
8.5.1. КК «Orion» в программе «Deep Space Gateway»
КК MPCV «Orion» состоит из двух модулей: модуля экипажа (Crew Module, CM) и служебного модуля (Service Module, SM).
Модуль экипажа CM рассчитан на четырех человек. Длительность автономного полета - 21 сутки, длительность пребывания в пристыкованном к ОКС состоянии - до 180 суток.
CM имеет форму усеченного конуса с углом наклона образующей 57,5 и максимальным диаметром 5,02 м. Высота модуля - 3,3 м. Герметичный объем модуля экипажа - 19,6 м3, в том числе 8,97 м3 - объем, свободный от оборудования. В модуле экипажа поддерживается кислородно-азотная атмосфера при давлении 1 атм., хотя предусмотрена возможность поддержания пониженного давления - 0,55 или 0,7 атм.
Модуль оснащен системой реактивного управления положением модуля при входе в атмосферу и в процессе торможения. Система включает 12 однокомпонентных ЖРД MR104G тягой по 72,6 кгс, работающих на гидразине.
Маршевая ДУ КК «Orion» обеспечивает приращение характеристической скорости до 1 340 м/с.
КК оснащен стыковочным узлом, аналогичным использовавшемуся на МКК «Space Shuttle», и имеет возможность стыковки в автоматическом режиме.
В стартовом положении коническая часть модуля экипажа накрыта стеклопластиковым обтекателем, поверх которого установлен РДТТ САС (LAS, Launch Abort System).
Максимальная стартовая масса КК - 26,5 т (35,4 т с САС), масса модуля экипажа при посадке - 9,3 т. Масса возвращаемого полезного груза - 100 кг. Масса топлива в баках служебного модуля - 9,275 т.
Посадка модуля экипажа КК «Orion» выполняется на парашютах на воду. Парашютная система включает:
- два тормозных парашюта диаметром 7 м;
- три вытяжных парашюта;
- три основных парашюта круглой формы, диаметром по 35,4 м. Скорость снижения на трех парашютах составляет 9,5 м/с, на двух парашютах - 11,0 м/с.
8.5.1.1. Американо-европейский КК MPCV-SM
В ноябре 2012 г. ESA обратилась к NASA с предложением о своем участии в создании американского КК «Orion». Это участие предлагалось выразить разработкой и изготовлением служебного модуля КК на базе ТКГ ATV.
Проект американо-европейского КК получил условное наименование MPCV-SM (Multi-purpose Crew Vehicle (NASA) - Service Module (ESA)).
В январе 2013 г. было объявлено, что NASA дала согласие на использование в составе КК «Orion» в полете EM-1 служебного модуля европейской разработки. Полет EM-1 должен был состояться (по графику 2015 года) в 2018 году.
В дальнейшем было достигнуто соглашение, что ESA будет изготавливать служебные модули для всех КК «Orion».
8.5.1.2. График запусков КК «Orion» 2012 г.
Утвержденный в 2012 году порядок испытаний КК «Orion» и план последующих полетов показан ниже в таблице.
8.5.1.3. График запусков КК «Orion» 2015 г.
По состоянию на начало 2015 года в планах NASA было выполнить беспилотный облет Луны (миссия EM-1) в 2018 году, при этом должна использоваться тяжелая ракета-носитель SLS.
Рассматривалась возможность в полете EM-1 вместо облета Луны выполнить полет по так называемой удаленной ретроградной орбите (DRO - Distant Retrograde Orbit). Беспилотный КК должен пролететь на расстоянии 7 000 км от Луны и выйти на ретроградную орбиту, полет по которой продлится шесть суток. Общая длительность полета 25 суток.
Следующий полет, EM-2, должен быть выполнен в 2021 году в пилотируемом варианте КК. По состоянию на 2016 год рассматривалось три возможные схемы полета.
Основной вариант предусматривает выход КК со ступенью EUS на низкую околоземную орбиту. После одного витка ступень повторным включением отправляет КК на траекторию полета к Луне. КК «Orion» с помощью своей ДУ выходит на окололунную орбиту высотой 100 х 10 000 км. Через трое суток ДУ включается повторно, и КК переходит на траекторию возвращения. Длительность полета составит 9-13 суток. Особенностью схемы является возможность экстренного возвращения на Землю с любого этапа полета.
Вторым вариантом миссии EM-2 является полет по «сложной» траектории: по удаленной ретроградной орбите с облетом Луны, полет к точке либрации L2, либо другая энергозатратная траектория. Длительность полета во всех этих случаях составит 25-26 суток, что превышает ресурс СЖО КК «Orion», равный 20 суткам. Выбор второго варианта потребует доработки СЖО либо дооборудования КК дополнительным отсеком.
В качестве третьего варианта рассматривается выведение КК с помощью ступени EUS на орбиту высотой 391 х 71 333 км, на которой «Orion» остается в течение витка длительностью 24 часа. Затем КК несколькими включениями ДУ в перигее орбиты повышает апогей для достижения окрестностей точки либрации L2, при этом минимальное расстояние до поверхности Луны при пролете составит 61 548 км. Длительность экспедиции составит 15-16 суток.
Ранее предлагалось в полете EM-2 выполнить сближение пилотируемого КК «Orion» с астероидом и выход экипажа на его поверхность. В дальнейшем было уточнено, что имелось в виду с помощью беспилотной АМС «Asteroid Hunter» доставить на окололунную орбиту мини-астероид либо его обломок, искусственно отделенный от астероида, а полет пилотируемого КК выполнить на орбиту Луны с последующим сближением с доставленным астероидом. В дальнейшем эта задача была перенесена на полет EM-6, а в начале 2017 года в связи с законом, подписанным Президентом США Трампом, доставка к Луне астероида или его части была отменена.
8.5.1.4. Программа полетов КК «Orion» 2018 г.
8.5.1.4.1. EFT-1. Испытательный полет
Первый беспилотный полет КК «Orion» - EFT-1, - состоялся 05.12.14 г. В соответствии c программой полета КК с помощью РН Delta IV Heavy был выведен на около земную орбиту высотой 185 х 888 км и наклонением 28,8°.
КК не отстыковывался от второй ступени РН (ICPS) и, после одного витка совместного полета, с помощью ДУ ступени ICPS был переведен на незамкнутую эллиптическую орбиту высотой 5 808 км и с перигеем минус 57 км. Отделение КК от второй ступени РН было произведено на нисходящей ветви траектории. Модуль экипажа выполнил вход в атмосферу со скоростью 8,89 км/с, спуск и посадку на воду. Полет длился 4 часа 24 минуты. В состав КК входил модуль экипажа и имитатор служебного модуля. Стартовая масса собственно КК составила около 12,6 т (20,9 т с обтекателем и РДТТ САС).
8.5.1.4.2. EM-1. Беспилотный полет к Луне
Беспилотный полет к Луне должен был быть выполнен кораблем «Orion» в комплектации MPCV-SM (см.п. 8.5.1.1). Запуск планируется выполнить РН SLS Block 1. Как и в полете EFT-1, будет использоваться «временная» вторая ступень ICPS (вместо штатной ступени EUS).
Схема полета выглядит следующим образом. Связка «Orion»+ICPS выводится на околоземную орбиту высотой 185 х 1 800 км. После проверок всех систем ступень ICPS переводит КК «Orion» на траекторию полета к Луне, после чего отделяется. После разделения от ступени будут отделены 13 малых КА. КК «Orion» при сближении с Луной выполняет включение ДУ и, пролетев на минимальном расстоянии 100 км от поверхности Луны, выходит на ретроградную окололунную орбиту высотой 70 000 км, на которой будет оставаться от 6 до 8 суток. Вторым включением ДУ КК «Orion» будет переведен на траекторию возвращения к Земле. Перед началом спуска будет выполнено разделение отсеков, и командный модуль войдет в атмосферу Земли со скоростью около 11 км/с. Посадка запланирована в Тихом океане недалеко от побережья в районе города Сан-Диего, США. Расчетная длительность полета - 26-28 суток.
По состоянию на конец 2016 года старт EM-1 планировался на ноябрь 2018 года.
Рассматривалась также возможность осуществления в запуске EM-1 уже пилотируемого полета. Возможными считались два сценария полета.
Первый - полет к МКС, но этот вариант полагался маловероятным, так как факт выполнения полета на КК, обошедшемся налогоплательщикам в многие миллиарды, на фоне относительно дешевых частных КК «Crew Dragon» и «StarLiner» не нашел бы понимания в обществе.
Второй вариант заключался в дальнем облете Луны. Ступень ICPS переводит КК «Orion» с низкой круговой орбиты на высокоэллиптическую высотой 391 х 71 333 км, где КК отделяется от разгонной ступени и после суточного полета с помощью маршевой ДУ переходит на траекторию облета Луны. По этой траектории КК проходит через точку L2 системы «Земля-Луна» и оказывается на орбите, близкой к траектории свободного возвращения на Землю. Минимальное расстояние до Луны при таком пролете составит 61 548 км. Недостатком такого варианта являлся четырехкратный пролет через радиационные пояса, но специалисты NASA считали, что суммарная доза облучения экипажа не превысит дозу, получаемую космонавтами за шестимесячное пребывание на МКС.
В связи с задержками в отработке РН SLS в 2019 году NASA рассматривала возможность использования в запуске EM-1 двух ракет-носителей Heavy Falcon. Первая РН должна вывести на орбиту ИСЗ КК «Orion», а вторая - разгонный блок. Эта схема потребовала бы оснащения КК и РБ системой стыковки, при этом затраты времени на отработку оказались бы сравнимыми с задержкой отработки РН SLS, поэтому такое решение выглядело маловероятным.
8.5.1.4.3. EM-2. Возвращение к Луне спустя 50 лет
Первый пилотируемый полет к Луне по программе «Orion» - EM-2, - по плану 2016 года был намечен на 2022 год, то есть, через 50 лет после последнего полета на Луну по программе «Apollo» (1972 год, «Apollo-17»).
В феврале 2016 года был обнародован план полета EM-2 - полета к Луне КК «Orion» с экипажем. КК должен быть выведен на низкую окололунную орбиту, где будет находиться от трех до шести дней, после чего будет переведен на высокую орбиту спутника Луны и выполнит полет по ней еще в течение трех суток. Возвращение к Земле также может занять от трех до шести суток.
В ноябре 2016 года заместитель Директора NASA по пилотируемым программам Уильям Герстенмайер (William H. Gerstenmaier) сообщил, что рассматривается предложение облета Луны пилотируемым КК «Orion» без выхода на окололунную орбиту. Схема этого полета выглядит следующим образом.
1. Ракета-носитель SLS Block 1A выводит КК «Orion» с верхней ступенью EUS на круговую околоземную орбиту высотой менее 200 км.
2. На первом витке включением ДУ EUS апогей орбиты поднимается до 35 000 км.
3. После суток полета по этой орбите выполняется отделение КК от ступени EUS.
4. Включается ДУ ступени EUS, и ступень (без КК) выполняет пролет около Луны и выходит на геоцентрическую орбиту.
5. После выключения ДУ от ступени отделяется попутный полезный груз массой от 6 до 10 т, продолжающий полет по самостоятельной программе.
6. Экипаж КК «Orion» в течение суток проводит полный анализ систем КК и, в случае исправности систем, включением маршевой ДУ переводит КК на траекторию облета Луны с возвращением к Земле.
Данная схема получила сложное наименование «Минимальная миссия с многократными импульсами отлета и свободным возвращением» (Multi Translunar Injection Free Minimum Mission). Длительность полета КК по данной схеме рассчитана на 8 суток, хотя рассматривается возможность продления полета до 21 дня.
Основной причиной разработки такого плана полета к Луне без выхода на окололунную орбиту явилась недостаточная отработанность систем КК, в частности, системы жизнеобеспечения, а также необходимость сведения риска для экипажа к минимуму. При использовании рассматриваемой схемы возвращение экипажа на Землю гарантировано с любого этапа полета.
Если будет принято решение выполнять полет EM-1 в пилотируемом варианте, то схема полета EM-2 будет пересмотрена.
8.5.1.4.4. Полеты EM-3-EM-10
В ноябре 2016 года Герстенмайер представил план полетов КК «Orion» EM-3-EM-10. По этому плану полет EM-3, который планировался на 2023 год, должен быть выполнен беспилотным КК с выходом на окололунную орбиту. Начиная с 2024 года ежегодно должен выполняться полет КК «Orion» к Луне с экипажем 2-4 человека. В этот период на орбиту спутника Луны планировалось доставлять модули лунной орбитальной станции «Gateway», использование которых позволит увеличивать длительность полетов до 30 суток. Высадка на Луну не предусматривалась.
8.5.2. КК «Orion» В ПРОГРАММЕ «ARTEMIS»
В связи с новыми установками, поступившими в 2019 году из Администрации Президента, программа полетов КК «Orion» была полностью пересмотрена.
Компания Lockheed Martin, разработчик КК «Orion», предложила план подготовки и осуществления лунной экспедиции в 2024 году, приводимый в табл. 1.60. Этот план был составлен в 2019 году, то есть, еще до принятия решения об отказе от использования окололунной станции для высадки на Луну в 2024 году.
5.6.4. Туристический облёт Луны
В июне 2019 года NASA опубликовала проект программы GLS (Gateway Logistics Services - логистические услуги для станции «Gateway»), которая нацелена на привлечение частного бизнеса для доставки грузов на окололунную станцию «Gateway»