«Земля и Вселенная» 2005 №5, с. 3-14
Космическая наука: исследования ЦНИИмаш Н. А. АНФИМОВ, академик Центральный научно-исследовательский институт машиностроения |
Автор рассказывает об основных этапах и ключевых проектах в области ракетно-космической техники научного назначения, выполненных в 1957-2004 гг. в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (ЦНИИмаш) — головном институте ракетно-космической |  | промышленности (Земля и Вселенная, 1996, № 6). Статья написана по материалам доклада автора на Дне космической науки в Институте космических исследований РАН 4 октября 2004 г. Ее публикация приурочена к 48-й годовщине запуска первого ИСЗ. |
Становление ракетно-космической техники и космонавтики связано с созданием баллистических ракет дальнего действия. Работы в области ракетостроения развернулись после выхода Постановления Совета Министров СССР от 13 мая 1946 г., предусматривавшего организацию Научно-исследовательского института №88 (НИИ-88, с 1967 г. — ЦНИИмаш), главная задача которого — разработка ракет такого класса. Их созданием занимался Главный конструктор С.П. Королёв. Предварительный этап в развитии космонавтики завершился 21 августа 1957 г. успешным полетом на расчетную дальность первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Научно-прикладные исследования в космосе начались с запуска 4 октября 1957 г. первого в мире искусственного спутника Земли (ПС-1).
В 1956 г., накануне летных испытаний ракеты Р-7, ОКБ-1 с заводом отделилось от НИИ-88 и стало самостоятельной организацией, после чего НИИ-88 сосредоточился на научно-технических исследованиях при создании боевых ракет, а затем и ракетно-космической техники (РКТ). Сюда входят теоретические и экспериментальные исследования в области прикладных дисциплин — прочности, аэрогазодинамики, теплообмена, динамики, материаловедения и других, а также наземная экспериментальная отработка создаваемых изделий РКТ. Сегодня осталось уже не так много участников и свидетелей той полной драматизма и неимоверного напряжения сил работы по созданию ракет, ставших впоследствии носителями космических аппаратов. Решались проблемы обеспечения устойчивости движения ракет, заполненных жидкими компонентами топлива, определялись параметры систем управления с учетом амплитудно-частотных характеристик ступеней. ЦНИИмаш разработал и внедрил методы моделирования динамики конструкций с помощью конструктивно подобных моделей. На специально созданных экспериментальных установках изучались вопросы аэрогазодинамики, теплообмена и теплозащиты ракет при скоростях полета до 8 км/с. Особенно интенсивно велись научно-технические исследования при разработке межконтинентальной баллистической ракеты Р-7.
Выделим четыре этапа в развитии космонавтики.
Первый этап (1957-1958) — запуск первых трех ИСЗ (Земля и Вселенная, 1997, №№ 4, 5). Главная задача этого периода — доказать реальность создания космических аппаратов, позволяющих проводить физические и медико-биологические исследования в космическом пространстве. Поражают темпы подготовки и осуществления запусков первых спутников. Через полтора месяца после ракеты Р-7 стартовал спутник ПС-1, еще через месяц (3 ноября) на орбиту выводится второй спутник — с собакой Лайкой, а 15 мая 1958 г. — третий спутник, массой 1327 кг, оснащенный многочисленной аппаратурой. На данном этапе ЦНИИмаш проводил научно-техническую поддержку, теоретические и экспериментальные исследования в области аэромеханики, прочности и смежных наук, экспериментальную отработку создаваемых ракет-носителей.
Второй этап (1959-1965) — разведывательные исследования космоса. 12 декабря 1959 г. вышло Постановление "О развитии исследований космического пространства". В частности, были поставлены задачи полетов автоматических межпланетных станций к Венере и Марсу, образован Межведомственный научно-технический совет под председательством президента АН СССР М.В. Келдыша. На этом этапе осуществлены первые полеты на Луну, Венеру и Марс, запущены научные спутники "Электрон" и "Протон", 12 апреля 1961 г. состоялся первый полет человека в космос. Наш соотечественник Ю.А. Гагарин положил начало важнейшему направлению исследований космоса — пилотируемой космонавтике. Отметим, что уже в это время велись споры о том, чему следует отдать предпочтение при исследованиях в космосе: пилотируемым кораблям и станциям или автоматам. Прошло более 40 лет, но подобные дискуссии не прекращаются.
В 1959 г. директором НИИ-88 был назначен Г.А. Тюлин, в 1961 г. — Ю.А. Мозжорин (Земля и Вселенная, 1996, № 5; 1998, № 5), впоследствии Институт возглавил В.Ф.Уткин (1990-2000; Земля и Вселенная, 1994, № 3; 2000, № 3). В начале 1960-х гг. в НИИ-88 создан Координационно-вычислительный центр (КВЦ), преобразованный в Центр управления полетами (ЦУП). Как головная организация по проблемам космонавтики, НИИ-88 занимался исследованиями и обоснованием перспектив развития космической техники, а также комплексными темами научно-исследовательских работ. Для их выполнения с самого начала привлекались организации-соисполнители: КБ, НИИ, вузы. В результате на данном этапе последовали предложения по использованию созданных в КБ "Южное" баллистических ракет с дополнительными разгонными ступенями в качестве дешевых ракет-носителей "Космос" и "Циклон" (1962), а также подготовлен проект первой долгосрочной, 10-летней, программы работ по РКТ (1965-1974), одобренной коллегией Государственного комитета СССР по оборонной технике и послужившей основой для планирования космической деятельности страны на последующий период КВЦ, наряду с баллистическим центром НИИ-4 (БЦ-1) и, позднее, ИПМ АН СССР (БЦ-3), принимал активное участие в баллистическом обеспечении полетов автоматических аппаратов, а затем и пилотируемых кораблей. КВЦ и ЦУП обрабатывали телеметрическую и научную информацию, поступавшую с борта космических аппаратов. С этой целью созданы каналы связи с наземными измерительными пунктами (НИП) и специальными судами слежения (плавучие измерительные пункты) командно-измерительного комплекса, а также аппаратура обработки и отображения информации с применением ЭВМ.
Третий этап (1966-1990) — систематическое изучение космоса на основе космических программ. К этому времени ЦНИИмаш подготовил 10-летнюю программу космических исследований. Развертыванию работ в области РКТ способствовал ряд организационных мероприятий. Во-первых, в 1965 г. объединили предприятия ракетно-космической промышленности под эгидой вновь созданного Министерства общего машиностроения СССР. В 1966 г. по инициативе президента Академии наук СССР М.В. Келдыша в системе Академии был образован новый институт — Институт космических исследований (ИКИ РАН; Земля и Вселенная, 2000, №3; 2005, №4). Его организатором и первым директором стал академик Г.И. Петров. Координацию работ в области международного сотрудничества по проведению исследований космоса в то время, когда Министерство общего машиностроения и все входящие в его состав организации были закрытыми для внешнего мира, берет на себя образованный в 1966 г. совет "Интеркосмос". Первый председатель совета — академик Б.Н. Петров (Земля и Вселенная, 1976, №3; 1984, № 6). В "золотой" период развития советской космонавтики получены фундаментальные научные результаты во всех областях — исследовании планет и малых тел Солнечной системы, Солнца и солнечно-земных связей, астрофизике, биологии и медицине. Первые мягкие посадки АМС на Луну, Венеру и Марс, искусственный спутник Луны и луноходы, забор и доставка на Землю лунного грунта, пролет около кометы Галлея — вот краткий перечень достижений, принесших заслуженную славу и авторитет отечественной космической науке и технике. В этот же период расширяется программа пилотируемых полетов, создаются и непрерывно совершенствуются орбитальные станции, на которых проводятся многочисленные научно-прикладные исследования и эксперименты. ЦНИИмаш обеспечивает управление полетами пилотируемых кораблей и станций, космических средств научного назначения, а также продолжает изучение проблем создания научных КА. С приходом в Институт академика B.C. Авдуевского (Земля и Вселенная, 2003, № 4) ЦНИИмаш участвует в подготовке научных экспериментов в области планетологии, физики невесомости, космического материаловедения и биотехнологии.
Одновременно продолжаются проектно-поисковые исследования по определению возможных направлений изучения и практического использования космоса. На основе анализа возможностей техники и задач Академии наук в ЦНИИмаш в конце 1960-х — начале 1970-х гг. были сформулированы требования к средствам ракетно-космической техники, их приборному оснащению и подготовлены программы развития космонавтики по комплексным научно-исследовательским темам "Галактика" (перспективные КА научного назначения в области астрофизики, планетологии и др.), "Прогноз" (космические аппараты прикладного назначения, этапы их создания) и их развитие в темах "Даль".
Четвертый этап — современные космические исследования, выполняемые после окончания холодной войны, совпал с развалом экономики и распадом СССР. Важнейшую роль в формировании новой политики в космонавтике сыграло образованное в феврале 1992 г. Российское космическое агентство (ныне Роскосмос). Стали разрабатываться и утверждаться на правительственном уровне Федеральные космические программы России. К этому этапу относятся и реализованные крупные проекты — АМС "Фобос" и "Марс-94/96" (к сожалению, из-за аварии разгонного блока уникальный многофункциональный космический комплекс для исследования Марса не был выведен на переходную орбиту), орбитальный пилотируемый комплекс "Мир" и российский сегмент Международной космической станции (Земля и Вселенная, 1987, № 4; 1996, №4; 1999, №2; 2001, № 5). Перспективные разработки для космических исследований относятся к концу 1990-х гг. и началу XXI в. (Земля и Вселенная, 1997, №5; 1999, №5; 2005, №2).
НАУЧНО-ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Можно выделить несколько направлений научно-прикладных исследований ЦНИИмаш:
— системные и проектно-поисковые исследования с целью обоснования перспектив развития космической техники, в том числе в интересах изучения космического пространства;
— создание проектных материалов для фундаментальных космических исследований, где ожидаются наиболее существенные результаты;
— разработка и испытание научной аппаратуры;
— научно-техническое сопровождение разработки и создания ракетно-космических комплексов в специализированных организациях (РКК "Энергия", НПО им. С.А. Лавочкина, ЦСКБ и др.).
Главная задача проектно-поисковых исследований, проводимых в ЦНИИмаш, — обоснование перспектив развития РКТ. Они обеспечили выбор направлений, которые, с одной стороны, актуальны с точки зрения фундаментальной науки, а с другой стороны, опираются на реальные возможности космонавтики в близкой и среднесрочной перспективе.
Как уже отмечалось, вскоре после запуска первых спутников ЦНИИмаш занялся исследованиями в области РКТ и обоснованием перспектив ее развития. В связи с возникавшими научно-техническими проблемами и необходимостью проектно-поисковых исследований в выполнении технических заданий, с НИИ-88 стали сотрудничать десятки и даже сотни КБ, НИИ и вузов (1966-1973). В эти годы открыты многопрофильные темы "Галактика", "Поиск", "Прогноз", "Даль". Перечислим основные результаты научно-исследовательских работ, которые были выполнены ЦНИИмаш.
Выдвинуты технические предложения (1967) по альтернативным вариантам лунного экспедиционного пилотируемого комплекса на базе разработок ракетно-космической системы Н1-Л3, а также по временной и долговременной лунным базам (тема "Колумб"). В результате исследовании сотрудниками ЦНИИмаш разработано техническое задание на эскизный проект долговременной лунной базы. В КБ общего машиностроения под руководством академика В.П. Бармина (Земля и Вселенная, 2000, № 1) создан проект, оказавшийся невостребованным, но сейчас вызвавший повышенный интерес в связи с нынешними планами США и ESA по дальнейшему освоению Луны.
В 1968 г. ЦНИИмаш показал, что можно доставить лунный грунт на Землю с помощью АМС универсального типа. Предложение было принято к разработке, лунные станции созданы в НПО им. С.А. Лавочкина и запущены в 1970 г., 1972 г. и 1976 г. ("Луна-16, -20 и -24").
Подготовлены технические предложения по созданию межпланетных пилотируемых комплексов для одновременного облета Марса и Венеры (проект "Мавр", 1966) и высадки людей на Марсе с возвращением на Землю ("Аэлита", 1968). В обоих вариантах предусматривалось использование носителя Н1-М, ядерного ракетного двигателя (разработка НИИ-1 ГКАТ, ныне Исследовательский центр им. М.В. Келдыша) и активной (магнитной или плазменной) противорадиационной защиты экипажа от галактического космического излучения.
Предложена идея создания многомодульной орбитальной станции "Мир" с несколькими стыковочными узлами для раздельного приема пилотируемых и грузовых транспортных кораблей, предназначенной для длительных исследований на орбите с участием международных экипажей (1970— 1971), что было полностью реализовано спустя 15 лет (даже название станции сохранилось!). В то время (июнь 1971 г.) на орбите функционировала первая в мире орбитальная станция "Салют" с одним стыковочным узлом для транспортного корабля, доставляющего экипаж.
Выполнены исследования с целью создания космических аппаратов, предназначенных для:
— экспериментальной проверки магнитной радиационной защиты на околоземной орбите (проект "Рамзес", 1968);
— полета к Меркурию и Солнцу на расстояние 0.4 а.е. с использованием различных астрофизических приборов ("Гермес", 1969);
— экспедиции к Юпитеру с проведением пертурбационного маневра в гравитационном поле планеты и выходом АМС из плоскости эклиптики ("Зевс", 1970).
В 1970 г. ЦНИИмаш разработал и апробировал методологию комплексного анализа развития ракетно-космической техники и программного планирования на базе "дерева целей" и экспертно-аналитических оценок. Эту методологию одобрила специально созданная комиссия АН СССР под председательством академика Б.В. Раушенбаха, в состав которой входили академики Б.Н. Петров, Г.И. Петров, Г.С. Поспелов, Д.Е. Охоцимский.
 Ракетно-космический комплекс с ядерным двигателем, который предполагалось использовать для пилотируемой экспедиции на Марс. Проект "Аэлита" (1968) не получил развития в связи с прекращением работ по тяжелым ракетам-носителям и ядерным ракетным двигателям. |
Отметим более поздние исследования и разработки ЦНИИмаш.
Проект АМС "Плутон Экспресс" (Россия -США). Спускаемый зонд разрабатывался в рамках миссии исследования Плутона с борта американского КА с пролетной траектории и российских малых спускаемых аппаратов. ЦНИИмаш подготовил предложения по выбору оптимальной аэродинамической формы спускаемого аппарата для проведения акселерометрических измерений в атмосфере Плутона, конструкции теплозащиты зонда и обеспечения надежной передачи телеметрической информации. Работа прекращена в 1999 г. в связи с отказом американской стороны от проекта и отсутствием финансирования.
Проект АМС "Фобос-грунт" (запуск в 2009 г.) предполагает изучение Марса и доставку на Землю грунта с Фобоса. Научная актуальность проекта обоснована РАН и неоднократно подтверждалась на заседаниях Секции планет и малых тел Солнечной системы Совета РАН по космосу. Данный проект остается в Федеральной космической программе России. Сегодня это единственный реализуемый отечественный проект изучения планет и небесных тел (Земля и Вселенная, 2002, № 6). Техническая "изюминка" проекта — разработка унифицированного многоцелевого служебного модуля. Специалисты ЦНИИмаш участвуют в уточнении проектных характеристик и математическом моделировании отдельных систем, проводят системный анализ вариантов АМС. Этот и следующий проект, "Марс-грунт", удачно вписываются в международные планы исследования Марса и его спутников.
Проект "Марс-грунт" предназначен для доставки образцов марсианского грунта на Землю. Как продолжение проекта "Фобос-грунт", он целесообразен с научной, технической и экономической точек зрения. В его основу положен новый КА "Беркут" с управляемым аэродинамическим торможением. Так же как и унифицированный многоцелевой служебный модуль проекта "Фобос-грунт", "Беркут" должен стать базовым для полетов к другим небесным телам с атмосферой (Венера, Юпитер и его спутники). Первые работы по созданию таких станций проведены в 1975-1990 гг., а сейчас вновь появилась возможность их завершения с учетом изменившихся технологий проектирования — это АМС с массой около 2 т. ЦНИИмаш совместно с НПО им. С.А. Лавочкина участвует в теоретических и экспериментальных исследованиях определения рациональных технических характеристик КА такого класса.
ЦНИИмаш провел работы по созданию перспективной космической техники для исследования Марса — автоматической базы-станции на поверхности планеты. В следующих десятилетиях ожидается переход к качественно новому этапу изучения небесных тел — использованию долговременных баз. Их создание на Марсе предполагается производить поэтапно в течение неограниченного времени. Вначале база будет представлять собой крупный укрытый посадочный блок с робототехническими устройствами. Дальнейшая модернизация состоит в поэтапном заглублении этих сооружений в грунт. Расширение инфраструктуры должно производиться с учетом окружающего ландшафта. Следующий качественно новый этап — производство строительных материалов и необходимого сырья, а затем и ракетного топлива. В настоящее время ЦНИИмаш проводит проектно-поисковые исследования с целью определения возможной конструкции таких баз, этапов их создания и функционирования в рамках научно-исследовательской работы "Аэлита-2" (с 2004 г. — "Эллада").
Проект "Стереоскоп" — совместно с Институтом солнечно-земной физики СО РАН прорабатывались математические модели, программы и базы исходных данных при оценке параметров унифицированных КА для исследований Солнца, определении оптимальных характеристик их научных приборов (1998-2003 гг., пока этот проект остается в заделе на период после 2015 г.).
ЦНИИмаш предложил и запатентовал в 2000 г. многофункциональный космический аппарат для проведения микрогравитационных физических и прикладных технологических экспериментов, обслуживаемый с борта орбитальной станции ("ОКА-Т"). Его отличительная особенность — поддержание на борту предельно малых микроускорений. Для обслуживания и последующей доставки на Землю результатов экспериментов аппарат периодически пристыковывается к орбитальной пилотируемой станции.
Основная научная задача миссии "Солнечный зонд" — исследование процессов в короне Солнца и параметров солнечного ветра, оказывающего влияние на всю Солнечную систему. Принципиальное значение имеют измерения параметров при пролете на близких расстояниях от Солнца (до четырех солнечных радиусов). В конце 1980-х гг. были предложены многослойные конические теплозащитные экраны — основа конструкции КА для изучения Солнца. Название проекта "Солнечный зонд" изменилось на "Интергелиозонд" в середине 1990-х гг. после передачи работ в ИЗМИРАН (Земля и Вселенная, 2000, № 2). ЦНИИмаш рассмотрел проблемы выбора орбиты и конструкции, предложил программу попутных гравитационных экспериментов.
Помимо проведения проектных исследований ЦНИИмаш изучает процессы тепломассопереноса в условиях микрогравитации в космической среде, а также разрабатывает различные датчики и аппаратуру для научно-прикладных исследований в космосе.
АМС "Марс-грунт" (проект 2003 г.): а) станция с разгонным блоком установлена под обтекателем ракеты-носителя, б) общий вид унифицированного спускаемого аппарата "Беркут", предназначенного для посадки на планеты с атмосферой. С помощью входящей в его состав взлетной ракеты предполагается доставить образцы марсианского грунта на Землю.
Пионерскими считаются работы ЦНИИмаш в области космической технологии в условиях микрогравитации, вакуума и радиации (1971-1972), по космической солнечной электростанции для снабжения земных потребителей (1972-1973). С помощью разработанных в 1970-1990-х гг. технологических установок "Пион" ("Пион-М" и "Пион-МА") на орбитальных станциях "Салют" и "Мир" проведено более 50 экспериментов по исследованию термокапиллярной конвекции, поведения несмешивающихся систем и влияния динамических условий на различные физические процессы.
 Долговременная автоматическая база-станция на поверхности Марса, разработанная в ЦНИИмаш в рамках проекта "Аэлита-2" (с 2004 г. — "Эллада"): вверху — принципиальная схема базы, внизу — вариант расположения жилой зоны базы в кратере. |
В 1990-х гг. в ЦНИИмаш разработан комплекс аппаратуры "Виброкристаллизация", а также высокочувствительные виброметры для управляемого тепломассопереноса в расплаве с использованием контролируемых вибраций. Они в различных модификациях использовались на борту комплекса "Мир" и КА "Фотон". Это первые приборы, с помощью которых удалось начать систематические измерения виброускорений на борту КА при микрогравитационных экспериментах. Виброзащитные системы типа "Вибрация" и ВЗП-1К пока остаются единственными системами, использующими пассивные принципы виброзащиты. Несмотря на простоту конструкции и сравнительно низкую цену, подобные виброзащитные системы в условиях полета почти не уступают по эффективности зарубежным активным системам. Научная аппаратура "Виброкон" — первый отечественный прибор, с помощью которого в автоматическом режиме в условиях микрогравитации моделируются технологические и физические процессы. К проведению экспериментов привлечены Институт прикладной механики РАН (гравитационно-тепловая конвекция) и Российский химико-технологический университет (вибрационные методы управления тепломассопереносом). Первый полет с этой аппаратурой на борту КА "Фотон-М" №2 состоялся 31 мая-16 июня 2005 г.
 Проект обслуживаемого исследовательского КА "ОКА-Т" для проведения прикладных микрогравитационных технологических экспериментов на околоземной орбите. Предполагается периодически пристыковывать аппарат к Международной космической станции. |
В настоящее время на борту российского сегмента МКС в рамках космического эксперимента "Идентификация" осуществляется мониторинг вибрационной обстановки в отсеках станции и разработка алгоритмов, обеспечивающих оперативное выявление несанкционированных источников возмущений. Мониторинг проводится на основе анализа показаний измерителей микроускорений "ИМУ-128", созданных ЦНИИмаш с участием Института физики Земли РАН.
Активная поворотная платформа "Флюгер" разрабатывается в ЦНИИмаш в рамках выполнения эксперимента по гидродинамике жидкости в условиях невесомости на борту МКС. Платформа способна "отследить" направление вектора остаточных ускорений и обеспечить "успокоение" до уровня 10-6 g.
С 1994 г. совместно с ЦНИИмаш РКК "Энергия", ИКИ РАН, ИРЭ РАН, МАИ и НПО машиностроения проводит системные исследования по возможности создания и эффективности использования электродинамических и транспортных орбитальных тросовых систем по проекту "Вулкан-МКА" (Земля и Вселенная, 1998, № 4). ЦНИИмаш и РКК "Энергия" подготовили программу поэтапной экспериментальной отработки, включенной в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований на российском сегменте МКС". Планируется провести эксперимент с помощью электродинамической тросовой системы длиной около 5 км и комплекса диагностической аппаратуры, устанавливаемой на борту электромагнитно чистого малого КА или грузового корабля "Прогресс-М".
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Отметим предпринятые на современном этапе развития отечественной космонавтики попытки разумно распределить скромные бюджетные средства в рамках Федеральной космической программы 2001-2005 гг. и перспективной программы на 2006-2015 гг. (Земля и Вселенная, 2001, № 1; 2005, №2). Усилия и финансовые вложения концентрируются на выбранных приоритетных направлениях космической деятельности России, входящих в один из разделов ФКП "Проведение фундаментальных научных исследований в области астрофизики, физики Солнца и солнечно-земных связей, изучения планет и малых тел Солнечной системы".
|
В заключение отметим, что в настоящее время у ЦНИИмаш вместе со смежными научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями имеется серьезный задел предложений по прикладным исследованиям в космосе на российском сегменте Международной космической станции и на космических аппаратах научного назначения. Значительная их часть включена в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов на российском сегменте Международной космической станции", а также в проект Федеральной космической программы России на 2006-2015 гг., основные положения которой 14 июля 2005 г. одобрены Правительством РФ.