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




Космонавтика
Советская ракетно-космическая техника: сегодня и завтра
Ю. П. СЕМЕНОВ, член-корреспондент АН СССР Генеральный конструктор НПО «Энергия»

Ракетно-космическая техника. Чем мы располагаем сегодня? Какие проекты могут быть реализованы завтра?


Тридцать четыре года отделяют нас от того момента, когда небольшой серебристый шар, установленный в головной части модифицированной баллистической ракеты, выходом на околоземную орбиту открыл новую эру в истории Земли — эру космоса.

За это время появились новые, более мощные и совершенные типы ракет, выводящих грузы за пределы Земли, пилотируемые космические корабли и постоянно действующие орбитальные станции.

Совершенствование космической техники продолжается. Каковы успехи и перспективы?

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ

В осуществлении широкомасштабных программ изучения и освоения ближнего и дальнего космоса важная роль принадлежит средствам выведения космических аппаратов на околоземные орбиты и межпланетные трассы. С разработкой и вводом в эксплуатацию нового носителя открывалась и новая глава в освоении космического пространства.

Космическую эру открыла первая советская двухступенчатая ракета-носитель (РН) «Спутник», знаменитая королевская «семерка». Она вывела на орбиту первый в мире искусственный спутник нашей планеты и стала основой для создания семейства ракет-носителей «Восток» — «Союз», с помощью которых были совершены первые и продолжаются сейчас пилотируемые космические полеты.

С 1965 года введена в эксплуатацию тяжелая многоступенчатая ракета-носитель «Протон», способная выводить на околоземную орбиту полезный груз массой до 21 тонны. Дополнили ее космическим буксиром — кислородно-углеводородным блоком «ДМ» с многоразовым запуском двигательной установки, получив мощное средство для полетов за пределами низких околоземных орбит. Появилась возможность выводить на геостационарную орбиту груз массой до 2,5 т, и приблизительно такую же — на траектории межпланетных перелетов. Ракетой-носителем «Протон» доставлены в космос все советские орбитальные станции семейства «Салют» и модули комплекса «Мир».

С 1976 года в Советском Союзе началась разработка нового семейства ракет-носителей, обладающих более совершенными эксплуатационными характеристиками, большей грузоподъемностью, работающих на экологически чистых компонентах топлива.

В основу разработки были положены принципы унификации, предусматривающие применение на ракетах различной грузоподъемности двигателей одного типа и одинаковой конструкции первых ступеней ракет. Обеспечивалось не только снижение затрат на разработку ракет и двигателей, но и повышение надежности за счет применения в составе ракет большой грузоподъемности первых ступеней, уже прошедших испытания и отработку в составе ракет меньшей размерности. К настоящему времени успешно проведены летные испытания ракет «Зенит» и «Энергия». Летные испытания ракеты «Энергия-М» предполагается начать в 1994 году.


Ракета-носитель «Зенит».
Стартовая масса — 459 т, масса
выводимого на низкую
(Н=200 км) груза — 13,8 т.
Применяемые компоненты
топлива — кислород + углеводород. Высота
ракеты — 58 м, диаметр — 3,9 м

РН «Зенит» — двухступенчатый носитель на кислородно-углеводородном топливе, обеспечивающий выведение на низкую околоземную орбиту полезного груза массой до 13 т. При использовании в своем составе разгонного блока ДМ при пуске с космодрома Байконур обеспечивается выведение на геостационарную орбиту полезной нагрузки массой до 1,1 т. Первая ступень РН «Зенит» успешно прошла отработку в процессе ее летных испытаний и послужила основой для создания боковых блоков «Энергии».

Универсальная ракетно-космическая транспортная система «Энергия — Буран» использует блоки первой ступени, аналогичные «Зениту», и центральный блок с двигателем на криогенных водороде и кислороде.

С использованием кислородно-водородного разгонного блока будет обеспечено выведение на геостационарную орбиту полезной нагрузки массой до 22 т, а на траекторию полета к Марсу — космического аппарата массой до 28 т.

Ракета-носитель «Энергия-М» будет эксплуатироваться одновременно с РН «Энергия» с использованием одних и тех же стартовых сооружений и наземного технического комплекса. Третьей ступенью в составе РН «Энергия-М» могут быть, в зависимости от задач, разгонный блок ДМ, либо его модификация с увеличенным запасом топлива, размещаемым в навесных сбрасываемых топливных баках. Предполагается также использование кислородно-водородного буксира. РН «Энергия-М» сможет выводить на низкую околоземную орбиту полезные нагрузки массой до 35 т, а на геостационарную орбиту — до 5,5 т с применением модифицированного кислородно-углеводородного разгонного блока и до 6,5 т с применением кислородно-водородного.


Система «Буран-Т» — ракета-носитель «Энергия» с космическим аппаратом связи и разгонным блоком. Стартовая масса системы — 2400 т. Масса полезного груза: на низкой орбите 98 т, на геостационарной орбите 18-22 т, на траектории полета: к Луне — 32 т, к Марсу— 28 т, Юпитер — Солнце — 7т. Габариты ракеты: высота — 59 м, диаметр — 16 м. Габариты зоны размещения КА: длина — 22 м, диаметр — 5,5 м

Одновременная эксплуатация ракет «Зенит», «Энергия», «Энергия-М», состоящих из унифицированных элементов, обеспечит высокую надежность ракетно-космических комплексов.

В качестве одного из возможных направлений дальнейшего сокращения площади отчуждаемых в районах падения блоков первой ступени земель и снижения стоимости носителей сейчас прорабатывается вариант РН со спасаемыми многоразовыми блоками первой ступени, представляющие собой беспилотные стратосферные планеры, автоматически возвращающиеся к месту старта.


б
Ракета-носитель «Энергия-М». Стартовая масса — 1050 т, применяемые компоненты топлива: кислород + углеводород, кислород + водород. Масса выводимых полезных нагрузок: на низкую орбиту — 30 т, на геостационарную — 3-6,5 т (в зависимости от типа разгонного блока); на траектории полета: к Луне — 10-11 т, к Венере и Марсу — 8-9 т. Габариты ракеты: высота — 51 м, диаметр — 16 м. Габариты зоны размещения КА: высота — 15м, диаметр — 5,1 мПерспективы развития РН «Энергия-М». Использование возвращаемых блоков первой ступени в основном (а) варианте и в варианте с малым орбитальным многоразовым кораблем (б)

ОРБИТАЛЬНЫЕ ПИЛОТИРУЕМЫЕ КОМПЛЕКСЫ

В отечественной космонавтике ключевой задачей было создание и совершенствование орбитальных комплексов. Такие комплексы уже многие годы работают на орбите и прошли путь от посещаемой станции до постоянно действующей многомодульной конструкции. На них освоены разнообразные виды деятельности в космосе: от проведения самых разных научных и технических исследований до сложнейших монтажно-строителыных работ, в том числе с разворачиваемыми конструкциями.

Основная особенность наших орбитальных станций — универсальность, возможность проведения на них разнообразных исследовательских работ. По отдельным направлениям достигнуты результаты на уровне научных открытий, например, наблюдения за Сверхновой в Большом Магеллановом Облаке. К настоящему времени освоена техника длительных полетов, работы человека в условиях невесомости, решены проблемы послеполетной профилактики.

Схема использования возвращаемых блоков первой ступени РН «Энергия-М». Посадочная масса — 68 т. Максимальное удаление от точки старта — 320 км


Особое внимание уделяется разработкам, дающим экономический эффект в народном хозяйстве. Это — получение высокоэффективных лекарственных препаратов и полупроводниковых материалов, контроль и исследование земной поверхности с целью изучения природных ресурсов, картографирования Земли и решения экологических проблем (Земля и Вселенная, 1988, № 2, с. 33; № 5, с. 34; 1989, № 4, с. 3.— Ред.).

Перспективными являются работы в области биотехнологии. На станции «Мир» освоена технология производства высокоактивного интерферона, инсулина, свободного от примесей, и других препаратов для лечения и профилактики таких тяжелых и опасных заболеваний, как гепатит, лучевые болезни, диабет и другие.

Изготовленные на орбите несколько партий полупроводников применялись на Земле и для проведения исследований в области космического материаловедения, и при создании аппаратуры.

Фотоснимки поверхности Земли могут оперативно доставляться из космоса баллистическими капсулами. Только в нашей стране эту информацию используют более чем 1100 предприятий. Советские космические снимки вышли и на мировой рынок, причем по ряду показателей они существенно превосходят зарубежные. Потребителями нашей космической фотоинформации являются около 80 зарубежных партнеров, в числе которых — организации США, Японии, стран Европы, Китая.

«ЭНЕРГИЯ» — «БУРАН»

Полет комплекса «Энергия — Буран» положил начало новому этапу советской космонавтики. Создана универсальная ракетно-космическая система, способная решать широкий круг научных и народнохозяйственных задач.






Постоянная орбитальная станция «Мир». Масса станции без орбитального корабля — 127 т, масса исследовательской аппаратуры на модулях — 15 т, экипаж — 2-6 человек

«Энергия — Буран» (Земля и Вселенная, 1989, № 2, с. 3.— Ред.) в отличие от американской «Спейс Шаттл» по своей структуре является именно универсальной ракетно-космической системой, способной выводить не только орбитальный корабль «Буран», но и в модификации «Буран-Т» любой полезный груз массой до 102 т. Область ее применения весьма обширна: от выведения на низкие орбиты орбитального корабля «Буран» и модулей орбитальных станций до технического обеспечения полетов на Луну и Марс.

Уникальным звеном системы является орбитальный корабль «Буран», позволяющий решать такие новые задачи, как проведение транспортно-технического обслуживания орбитальных комплексов и космических аппаратов, сборка крупногабаритных конструкций, возвращение на Землю многоразовых модулей орбитальных станций, продуктов промышленного производства, выведение на орбиту дорогостоящих космических аппаратов, требующих контроля состояния перед переводом в автономный режим функционирования или доставкой их на орбитальную станцию.

Для всего этого корабль «Буран» оснащен бортовым комплексом обслуживания полезных грузов, дистанционным манипулятором, переходным, стыковочным и шлюзовым отсеками и многим другим.

Задачей ближайших полетов «Бурана» является взаимодействие с комплексом «Мир»: при проведении второго, непилотируемого, полета намечена стыковка с комплексом «Мир», испытание бортового манипулятора с переносом на станцию специального блока, доставка на Землю солнечной батареи. Задача пилотируемого пуска — продление времени активного существования комплекса «Мир» за счет доставки нового базового блока и перестроения комплекса с использованием ранее выведенных модулей. Сделать это возможно только с использованием корабля «Буран».

Возвращаемая баллистическая капсула. Разработана для оперативной доставки с орбиты необходимых грузов. Масса капсулы — 350 кг. Масса возвращаемого груза — до 150 кг. Длина капсулы — 147 см, диаметр — 78 см

БУДУЩЕЕ СВЯЗИ — КОСМИЧЕСКИЕ ПЛАТФОРМЫ

Потребности в информатизации общества в мире непрерывно растут и этот рост происходит экспоненциально. Уже сегодня нужны массовые каналы уровня телевидения высокой четкости.

Самым коротким путем решения этой задачи является увеличение мощности передачи, чувствительности приема, информативности каналов связных космических систем.

На космических платформах мы имеем возможность разместить мощную систему энергопитания, любое нужное число ретрансляторов и антенны с большой апертурой, а, следовательно, с узкой направленностью. Можем покрыть нужную площадь земной поверхности сеткой узких лучей. Тогда для приема и передачи в каждой точке этой сетки потребуется не очень сложная абонентская аппаратура. Чтобы многолучевая система работала как единый широкий луч, на платформе связь между точками в любой комбинации обеспечивается коммутационной матрицей бортовых ретрансляторов.

Тем самым связь на большой территории обеспечивается на качественно новом уровне, с предельной миниатюризацией наземных средств индивидуальной связи. При использовании большого количества узких лучей возможно многократное использование одних и тех же радиочастот за счет пространственного разнесения лучей, поэтому большая платформа позволит резко увеличить общее число каналов связи.

Оснащение орбитального корабля «Буран»

Обеспечивая большую пропускную способность, один крупногабаритный космический аппарат при решении тех же задач может заменить несколько спутников связи, а это — экономия дефицитных районов на уже сейчас очень перегруженной геостационарной орбите, которая у нашей планеты только одна и, относясь к ограниченным ресурсам Земли, требует к себе бережного отношения. Чтобы в процессе работы соседние спутники не создавали помех друг другу, а наземные станции, связываясь со «своим» не задевали радиолучом «чужой» спутник, расстояние между ними на небесной сфере должно составлять не менее 1°. Это значит, что на геостационарной орбите может разместиться одновременно не более 360 действующих аппаратов. Пока что их число близко к половине предельного, но ситуация усложняется большим числом нерабочих аппаратов и частей ракет-носителей.

Крупногабаритная космическая платформа связи. Масса — 20 т, масса модуля полезной нагрузки — 9т, мощность бортовой электростанции: общая — 24 кВт, отводимая модулю полезной нагрузки — 20 кВт; точность ориентации бортовых антенн — 0,1°, точность поддержания положения на орбите — 0,1°, ресурс — 10 лет. В скобках указаны диаметры антенн

Поэтому, наверное, недалек тот день, когда нам придется решать задачу по очистке геостационарной орбиты, а новые аппараты делать такими, чтобы по мере выполнения своих задач можно было бы удалить их с этой орбиты за счет собственных двигателей, или за счет установки специальных стыковочных агрегатов, к которым будут причаливать автоматические буксиры — «мусорщики». Оборудовать такими устройствами можно только достаточно крупные космические аппараты.

Это не означает, конечно, что сегодня вся мировая связь должна срочно «пересаживаться» на большие платформы связи. Еще существуют области, в которых целесообразно использовать малые связные спутники, но будущее, безусловно, принадлежит спутниковым системам на базе крупногабаритных платформ. Человечество нетерпеливо, ему уже сегодня нужны те возможности, которые обещают большие платформы. С их помощью можно создать новую общемировую информационную и культурную среду, что, в свою очередь, создаст качественно новую ситуацию в мировой культуре.

Надо специально отметить, что Советский Союз обладает рядом особенностей, дающих ему преимущества в использовании таких мощных средств связи. В первую очередь — это возможность выведения 20-тонных платформ связи на стационарную орбиту ракетой-носителем «Энергия».

ГЛОБАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Последствия таких катастроф как, в первую очередь, загрязнение Мирового океана и атмосферы и, как следствие, непредсказуемые изменения климата, имеют планетарный масштаб и ставят перед человечеством общую проблему выживания.

Обострение экологических проблем и увеличивающиеся масштабы загрязнения среды, вызванные бесконтрольным антропогенным воздействием на окружающую среду и стихийными бедствиями, истощение возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов привели к осознанию необходимости создания информационной системы контроля за экологической обстановкой, природопользованием, оповещения о стихийных бедствиях и чрезвычайных ситуациях. Такая система помогла бы осуществлять регулируемую обратную связь между природной средой и обществом и создавала бы основы для формирования стратегии отдельных регионов.

Поэтому, без сомнения, в ближайшем будущем будет создана единая международная система контроля за экологической обстановкой и природопользованием, контроля и оповещения о чрезвычайных ситуациях, составной частью которой будет подсистема космического мониторинга.

Наша страна могла бы внести большой вклад в создание единой системы, особенно в ее космическую часть.

Для такой системы в НПО «Энергия» проектируются космические аппараты для работы на низкой околоземной и на геостационарной орбитах.

Такие космические аппараты создаются соответственно на базе «тяжелых» и «средних» унифицированных космических платформ, одним из прообразов которых является находящийся на орбите астрофизический исследовательский модуль «Гамма».

Только космические средства дают оперативное получение информации о природной среде с больших территорий Земли, что позволит исследовать пространственное распределение параметров экосистем.

Только космические средства обеспечивают одновременную регистрацию широкого спектра параметров окружающей среды, позволяющую изучать происходящие процессы во взаимосвязи.

Только космические средства могут обеспечить многократную оперативную регистрацию одних и тех же параметров окружающей среды через определенные промежутки времени.

ПОЛЕТ К МАРСУ

Вопрос о посылке пилотируемой экспедиции к Марсу сейчас активно дискутируется на всех уровнях. Но кроме доводов об экономической и научной целесообразности проекта в обсуждениях немалое место занимают и технические аспекты полета, которые будут играть не последнюю роль при принятии окончательного решения. Вот почему сейчас разрабатываются и детализируются проекты марсианских кораблей и других конструкций, которые будут использованы в экспедиции.

При выработке концепции марсианской экспедиции нужно учитывать два принципа:

— проведение экспедиции не должно быть «разовой работой», в процессе подготовки корабля должны быть созданы экономичные транспортные космические средства, которые могли бы использоваться и в других программах;

— марсианская программа должна быть максимально дешевой и иметь высокий уровень надежности и безопасности экипажа.

Исходя из них, нами сейчас отдается предпочтение варианту, основанному на использовании для межпланетного перелета самого экономичного типа двигателя, существующего в природе — электрореактивного. Электричество для них дадут пленочные солнечные батареи.

Марсианский корабль состоит из трех основных частей: жилого блока, аппарата для посадки на поверхность и солнечного буксира.

Предполагается, что первоначальная масса комплекса составит 350 т, в том числе: жилого блока — 80 т, посадочного аппарата 60 т, аппарата возвращения на Землю — 10 т. Солнечный буксир, на котором будут крепиться две панели солнечных батарей будет иметь массу 40 т, а топливо — 160 т. Каждая из панелей будет иметь размер 200 X 200 м. Экипаж из четырех человек будет находиться на поверхности Марса 7 сут., а общая продолжительность экспедиции составит 720 сут.

Так, возможно, будет выглядеть марсианский корабль. Начальная масса комплекса — 350 т, в том числе: жилой блок — 80 т, посадочный аппарат — 60 т, аппарат возвращения на землю — 10 т. Солнечный буксир 40 т, масса топлива — 160 т. Размер одной солнечной батареи — 200 X 200 м. Количество членов экипажа — 4 человека. Общая продолжительность экспедиции 720 сут. Время нахождения экипажа на поверхности Марса — 7 сут.

Уже сделано много пригодного для подготовки к первому межпланетному полету: создана ракета «Энергия», способная вывести на околоземную орбиту часть марсианского корабля, отработана автоматическая система стыковки для его сборки, получен серьезный опыт по длительному полету в условиях космического пространства. Нет особых проблем с созданием жилого блока корабля: опыт по созданию орбитальных станций и их систем в этом смысле очень важен. Достигнуты заметные успехи в создании электрореактивных двигателей: уже сегодня их характеристики приемлемы для марсианского корабля.

На орбитальных станциях проводится большая работа по отработке разворачиваемых ферменных конструкций, которые будут использованы для пленочных солнечных батарей корабля. В настоящее время и американцы, и мы технически уже готовы к тому, чтобы самостоятельно начать работы по организации первого межпланетного полета. Но первый полет к Марсу по своей сути — дело общечеловеческое и к тому же — очень дорогостоящее мероприятие. Поэтому безусловно, в организации этой экспедиции должно участвовать все мировое сообщество.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

На повестке дня — постоянное наблюдение объектов Вселенной во всех диапазонах спектра, глобальный экологический мониторинг, общедоступная телефонная связь. Нет нужды откладывать полеты людей к планетам Солнечной системы. Необходимо серьезно исследовать возможности использования отраженного солнечного света для освещения полярных городов, вынесения за пределы биосферы экологически опасных производств, создания орбитальных солнечных электростанций для получения энергии без сжигания топлива и других неблагоприятных воздействий на окружающую среду.

Актуальность глобальных, общечеловеческих проблем в настоящих условиях, безусловно, должна найти место в межреспубликанских соглашениях по продолжению работ в области освоения космического пространства, а также расширения международного сотрудничества.