"Знание — сила" 1964 г, №4, с.38-41

Рис. Н. ГРИШИНА

ЗАЧЕМ НУЖНЫ КОСМИЧЕСКИЕ ВСТРЕЧИ?

Встретившись на океанских просторах, корабли приветствуют друг друга гудками, пассажиры высыпают на палубы — приятно сознавать, что твое судно не единственная песчинка в океане. Намного большей, вероятно, будет радость космонавтов от встречи в безбрежном океане космоса с другими посланцами родной планеты.

Но есть, конечно, и более насущные нужды, заставляющие ученых и конструкторов усиленно работать над проблемой встречи космических кораблей в полете, над сложными задачами контакта между ними.

Еще К. Э. Циолковский отлично видел энергетические трудности на пути к межпланетным полетам. Он гениально наметил способы их преодоления. Многоступенчатые ракеты, предложенные Циолковским, дали возможность преодолеть первый рубеж, разорвать оковы земного притяжения. Но для полетов к другим планетам вес ракетного поезда должен быть намного большим, чем для выхода на орбиту вокруг Земли: нужно придать космическому кораблю вторую космическую скорость, а для этого требуется намного больше топлива. Прибавьте к этому запас горючего для торможения корабля перед посадкой на другую планету, для взлета и разгона ракеты при возвращении на родную Землю... Подсчеты показывают: прямой полет по маршруту Земля — Марс — Земля с полезной нагрузкой всего в 1 тонну требует астрономического веса ракетной системы на старте — 10 миллионов тонн!

К. Э. Циолковский и тут предложил выход — устройство промежуточных межпланетных станций. Если к планете-цели стартовать не с поверхности Земли, а с тяжелого спутника, летящего по околоземной орбите, то космический корабль в момент старта будет иметь скорость спутника — около восьми километров в секунду — и ему нужно добавить только 3-4 километра. Выигрыш огромный.

Старт с промежуточной орбитальной станции таит в себе еще одно преимущество: космический аппарат может двигаться почти в горизонтальной плоскости по отношению к поверхности нашей планеты. А чем меньше угол наклона траектории полета к поверхности Земли, тем легче преодолеть ее притяжение, тем меньше нужно топлива. Идея эта была блестяще осуществлена в нашей стране при запуске межпланетных автоматических станций к Венере и Марсу. Как известно, станции эти стартовали с находившихся на околоземной орбите тяжелых спутников.

Правда, и корабль и спутник-космодром с запасом топлива надо сперва вывести на околоземную орбиту и, значит, разогнать до первой космической скорости, но это можно сделать в два приема: отдельно вывести на орбиту тяжелый спутник с топливом и отдельно корабль, предназначенный для межпланетного полета. Таким способом удастся намного снизить потребную тягу ракетной системы и, значит, уменьшить ее стартовый вес. Как видите, получается не только ступенчатая ракета, но и ступенчатый космический полет — он включает два или несколько этапов.

Но здесь-то мы и наталкиваемся на необходимость небесной встречи, космического контакта.

Сближение и встреча космических кораблей на орбите позволят монтировать в космосе большие обитаемые станции весом в сотни тонн. Находясь на орбите, за пределами земной атмосферы, они могут вести исследования солнечной активности, метеорологические наблюдения, изучение космических лучей, оптические наблюдения планет и звезд. И, что не менее важно, большие орбитальные станции станут космическими испытательными полигонами. С их помощью можно будет вести в космическом пространстве долгосрочные испытания агрегатов, оборудования, материалов для дальних межпланетных перелетов; станция на орбите будет незаменимым тренажером экипажей, готовящихся в межпланетный рейс. Но для монтажа такой станции придется много раз проводить встречи мощных ракет-носителей, доставляющих на орбиту отдельные блоки, и специальных кораблей-буксиров, с помощью которых предполагается собирать станцию. Наконец, в будущем к станции придется причаливать космическим кораблям для смены персонала, пополнения запасов. Не исключена также необходимость встречи с космическим кораблем, потерпевшим аварию.

Как видим, есть немало серьезных предпосылок к тому, чтобы разработать систему встречи космических кораблей на орбите.

Задача эта трудна, но вполне осуществима уже сегодня.

А КАК С ПОЛЕТОМ НА ЛУНУ?

В газетных статьях и ученых трудах, в радиопередачах и домашних беседах все чаще мелькает имя нашего естественного спутника. Наиболее горячие головы ожидают сообщения о высадке человека на Луне буквально со дня на день. Однако несмотря на выдающиеся достижения космонавтики, для полета человека на Луну предстоит решить еще много сложных задач. Можно лишь сказать: пройдет не так много лет, и станет возможным прямой полет человека на Луну. При этом метод ступенчатого полета, использование встречи на орбите дает возможность приблизить лунный старт.

По подсчетам зарубежных специалистов, для того чтобы доставить на Луну и затем вернуть на Землю полезную нагрузку в 4 тонны, надо вывести на околоземную орбиту корабль весом в 176 тонн (в том числе 156 тонн топлива); для этого случая тяга первой ступени ракетной системы составит 5500 тонн. Но если разделить корабль на два блока и собрать его в одно целое на околоземной орбите, задача заметно облегчается. Каждую половину можно вывести на орбиту ракетой с тягой двигателей первой ступени в 3400 тонн.

Возможна и другая, более экономичная программа полета на Луну. Она тоже предусматривает встречу в космосе — но только на орбите вокруг Луны. Именно такой путь на Луну планируют американцы по своей широко разрекламированной программе «Аполлон». Надо иметь в виду, что проблема наименьших энергетических затрат стоит перед американской наукой и техникой особенно остро ввиду значительного отставания американцев по мощности ракет.

Встреча на орбите вокруг Луны позволяет ограничиться запуском одной ракеты с тягой первой ступени 3400 тонн. Над созданием такой ракеты, названной «Сатурн V», работают сейчас в США. Ее стартовый вес будет более 2700 тонн, высота вместе с аппаратом «Аполлон» — около 108 метров. Тяга двигателей второй ступени составит около 450 тонн, а третьей — примерно 90 тонн. Космический аппарат «Аполлон» весом около 36 тонн должен состоять из трех отсеков: командного (4,5 тонны), вспомогательного (примерно 19 тонн) и отсека для посадки на Луну (более 11 тонн).

Ракета должна вывести весь аппарат «Аполлон» на круговую орбиту вокруг Луны высотой примерно 150-160 километров. Во время полета к Луне намечено корректировать орбиту двигателями и топливом вспомогательного отсека. Силовая установка этого отсека используется также для выхода на круговую орбиту вокруг Луны и впоследствии, на заключительном этапе полета для старта корабля с лунной орбиты обратно к Земле.

В командном отсеке должны разместиться трое космонавтов, а также системы наведения, связи и поддержания жизни экипажа. Отсек для посадки на Луну будет состоять из посадочной и стартовой ступеней. В нем небольшое количество аппаратуры для исследования Луны (планируется примерно 90 килограммов приборов), силовая установка для старта с Луны (к ней, конечно, запас топлива) и, так же как в командном отсеке, системы связи и наведения.

После выхода «Аполлона» на круговую орбиту вокруг Луны два космонавта должны перейти в отсек, предназначенный для прилунения. Этот отсек отделяется от корабля и, получив импульс от своих бортовых ракет, переходит на эллиптическую орбиту, перигей которой должен проходить всего в 15 километрах от лунной поверхности. Тем временем основной аппарат продолжает облетать Луну по круговой орбите с одним космонавтом на борту. Космонавты, находящиеся в отсеке прилунения, должны выбрать подходящий район и, вновь включив бортовые двигатели, пойти на посадку. Если почему-либо от посадки решено отказаться, то, завершив виток по эллиптической орбите, отсек посадки встретится с «Аполлоном».

После кратковременного пребывания на Луне космонавты взлетают в стартовой ступени отсека прилунения (оставив на поверхности нашего естественного спутника посадочную ступень) к ожидающему на орбите «Аполлону».

После соединения с основным аппаратом космонавты переходят обратно в командный отсек, захватив с собой записи результатов исследований. Отсек прилунения отделяется и остается на лунной орбите, а облегченный «Аполлон», используя силовую установку вспомогательного отсека, направляется к Земле. При подходе к нашей планете вспомогательный отсек отделяется, и лишь командный отсек, снабженный теплозащитой, идет на посадку. Приземляется он на парашюте.

Весь этот сложный маневр, по мысли конструкторов, должен обеспечить полет людей на наш спутник с использованием ракет сравнительно небольшой мощности.

В порядке подготовки к этому полету в США запланировано много испытательных запусков отдельных отсеков аппарата «Аполлон», в том числе и для встречи в космосе. Необходимо, однако, отметить, что испытательный полет по околоземной орбите лишь одного командного (самого легкого по весу) отсека «Аполлона» планируется только на 1965 год. Сейчас проходит испытания ракета «Сатурн I», самая мощная в США, которая должна будет выполнить эту задачу. А мощность «Сатурна I» в пять раз меньше потребной мощности ракеты, с помощью которой можно будет послать «Аполлон» на Луну и обратно.

Первую попытку встречи в космосе (конечно, на околоземной орбите) американцы намерены осуществить с помощью аппарата «Джеминай».

Как пишут американские журналы, «на «Джеминае», включая бортовые ракетные двигатели, можно будет увеличивать и уменьшать скорость корабля, поворачивать его вправо и влево, повышать или понижать апогей и перигей».

Надо ли напоминать нашим читателям, что всеми этими свойствами обладает уже летавший вокруг Земли советский маневрирующий спутник «Полет-1»?

ТЕХНИКА ВСТРЕЧИ

Многие читатели, наверное, слышали о заправке скоростных самолетов в воздухе. Сейчас этот маневр довольно хорошо отработан в военной авиации разных стран. Однако встреча самолетов в воздухе и космических объектов на орбите — далеко не одно и то же. И самое главное отличие — проблема сближения двух объектов. Используя тягу непрерывно работающих двигателей и аэродинамические рули, самолеты по воле летчиков свободно маневрируют в воздушном океане во всех направлениях. Самолет без особого труда может, например, развернуться и полететь обратно. Так что при нынешних системах наведения двум самолетам совсем не трудно приблизиться друг к другу. Серьезные трудности начинаются на втором этапе — при установлении контакта в воздухе и перекачке топлива.

Двигатели космической ракетной системы, обладающие огромной, небывалой мощностью, работают лишь очень короткое время. Они выводят космический корабль на орбиту, и дальше он с чудовищной скоростью движется уже как небесное тело, по законам небесной механики.

Правда, и советские и американские космонавты могли в какой-то степени влиять на полет своих кораблей, несколько корректируя их положение в пространстве с помощью небольших реактивных двигателей; они имели возможность, включая тормозной двигатель, снизить скорость полета, перевести корабль на снижение. Но от этих возможностей еще далеко до свободного маневрирования в просторах космоса. Аэродинамические рули тут помочь не могут. Даже на относительно низких орбитах, порядка 150-200 километров, воздух настолько разрежен, что они становятся совершенно бесполезными. А чтобы заметно изменить огромную скорость орбитального полета, плоскость орбиты, высоту апогея или перигея, нужно иметь на борту космического корабля более или менее мощные ракетные двигатели и соответствующие запасы топлива. Значит, опять утяжеление корабля, опять более мощные ракеты-носители.

А ведь сам маневр встречи задуман именно для того, чтобы решить очередные задачи освоения космоса без непомерно огромных ракетных систем.

Как видите, получается противоречие. Но выход все-таки виден. Он заключается вот в чем: при выводе на орбиту добиваться максимального сближения космических объектов, чтобы там, наверху, бортовым ракетам кораблей пришлось работать как можно меньше.

Тут прежде всего важно совместить плоскости орбит космических кораблей. Для встречи орбиты обязательно должны лежать в одной плоскости, как говорят специалисты, быть компланарными. Однако для поворота плоскости орбиты спутника, даже на небольшой угол, нужен мощный импульс, большой расход горючего. Поэтому очень важно, чтобы ракета-носитель сразу вывела космический корабль на орбиту, компланарную орбите спутника, с которым предстоит сблизиться. Это требует высочайшей точности работы системы управления ракетой-носителем и очень жесткого выдерживания времени запуска. Как показали совместные полеты советских космических кораблей «Восток», эта задача блестяще решена в Советском Союзе. Плоскости орбит кораблей-спутников «Восток-3» и «Восток-4», пилотируемых Андрияном Николаевым и Павлом Поповичем, почти совпадали, их разделял угол всего в 2 угловые минуты.

Итак, плоскости орбит кораблей совмещены. Допустим также, что спутник, с которым нужно встретиться, находится на круговой орбите. В этом случае один из возможных вариантов встречи с ним — сближение с круговой орбиты ожидания. Космический корабль выведут на круговую орбиту ожидания, расположенную выше или ниже орбиты спутника, уже летающего в космосе. Конечно, чем меньше будет разница в высоте этих орбит, тем лучше. Затем корабль получит разгонный (если его орбита ниже орбиты спутника) или тормозной (если его орбита выше орбиты спутника) импульс от бортовых ракет. Когда расстояние между кораблями сократится до нескольких десятков километров, видимо, лучше будет передать управление от наземных станций бортовым системам.

Радиолокаторы корабля и другие приборы будут непрерывно давать портативной бортовой электронно-вычислительной машине сведения о направлении на спутник-цель и расстоянии до него, а вычислительная машина, в свою очередь, — сообщать космонавту или прямо передавать управляющим приборам данные о необходимом времени работы двигателей корабля и нужном направлении их тяги. Когда расстояние между спутниками снизится до нескольких сот метров, а скорость их друг относительно друга — до нескольких метров в секунду (читатель помнит, что в то же время оба корабля несутся по орбите со скоростью примерно 8 километров в секунду!), необходимо будет, вероятно, перейти на ручное управление или использовать отдельную автоматическую систему, чтобы получить высокую точность сближения и мягкий, без удара, контакт кораблей. Некоторые зарубежные ученые полагают, что нужная точность может быть достигнута оптическими или инфракрасными регуляторами, а на последних сантиметрах сближения можно добиться контакта, например, с помощью магнитных пластин, которые мягко притянут спутники друг к другу.

Схема встречи двух космических кораблей на околоземной орбите.

Американские специалисты моделировали на земле условия космической встречи. Один из предварительных выводов очень любопытен: ручное управление кораблем на последнем этапе перед встречей надежнее управления по приборам. Оно позволяет быстрее и правильнее корректировать полет, повышает вероятность успешного выполнения задачи. Ракету «Аджена», с которой должен будет встретиться корабль-спутник «Джеминай», предполагается, кроме радиопередатчика, снабдить мигающим сигнальным устройством, свет которого будет виден в космосе на расстоянии 150 километров (известны случаи, когда летчики наблюдали проблесковые огни самолета на расстоянии до 480 километров).

ЕСТЬ КОНТАКТ!

Но вот совмещены орбиты, космические корабли сблизились, они относительно почти неподвижны. Мягкий, очень мягкий толчок — и космическое свидание состоялось.

Что же дальше? Какие задачи теперь перед космонавтами? Прежде всего надо заправить прибывший корабль порцией топлива. Ну что ж, дело, казалось бы, не очень сложное. Как указывалось в иностранной прессе, в авиации существуют системы, способные за считанные минуты перелить в полете с самолета-заправщика в баки другого самолета десятки тонн горючего. А заправка топливом в космосе кое в чем даже проще, чем в воздухе. В самом деле, на орбите отсутствуют аэродинамические силы, которые создают помехи — при соединении шлангов или телескопических штанг-труб, не позволяют члену экипажа выйти на крыло самолета, чтобы соединить шланги вручную, колеблют сблизившиеся самолеты.

Зато появляются новые, очень серьезные трудности. Во-первых, при космической заправке нужно перекачивать два компонента топлива: отдельно горючее, отдельно окислитель. Ведь жидкостный ракетный двигатель космического корабля не может использовать кислород воздуха, как это делают, скажем, турбореактивные двигатели самолетов. Работать-то ему за пределами атмосферы!

Впрочем, эта трудность преодолима. Серьезнее второй враг космической «бензоколонки» — невесомость. Гидростатическое давление в космосе отсутствует, и обычные авиационные насосы непригодны. Топливо придется вытеснять из мягких баков или выталкивать поршнем из баков-цилиндров. Конечно, все эти устройства, специальные замки и разъемы сконструировать можно. Однако весьма вероятно, что окажется проще не перекачивать топливо с корабля-танкера, а присоединить к межпланетному кораблю целиком, комплектно, силовую установку с баками, трубопроводами и всей арматурой, доставленную на орбиту заправщиком.

Космический буксир с манипуляторами — аппарат для строительных работ в космосе.

Схема трех возможных вариантов полета на Луну.

Потребуются также особые шлюзовые камеры и другие соединительные устройства для передачи с корабля на корабль людей, запасов пищи, кислорода и прочего.

Однако простого контакта космических кораблей, даже с возможностью перекачать топливо или передать грузы, будет недостаточно. Для сборки космических орбитальных станций или монтажа больших межпланетных кораблей космонавтам, видимо, придется работать вне космического корабля. Значит, нужны специальные космические строительные механизмы.

Что касается человека, то уже сегодня скафандр представляет собой по существу минатюрную герметическую кабину, вокруг тела космонавта, и позволяет ему находиться некоторое время вне корабля. А реактивные сопла, работающие на сжатом газе, дадут ему возможность перемещаться в пространстве.

А как же механизация строительных работ? Тут, конечно, весьма приятно, что даже самые крупные детали космической станции на орбите ничего не весят и мощные краны, ставшие символом любой стройки, в космосе не нужны. Но вот космические буксиры с манипуляторами пригодятся. В самом деле, космонавт не может долго находиться вне корабля, нельзя ему и удаляться от ракеты на сколько-нибудь значительное расстояние.

Вы видите на рисунке проект летательного аппарата для сборки космических станций на орбите, предложенный одной из американских фирм. Он должен весить более трех с половиной тонн, иметь манипуляторы с дистанционным управлением, автопилот, счетно-решающее устройство, систему поддержания жизни космонавта и, конечно, ракетный двигатель. Этот одноместный аппарат рассчитан на автономный полет в течение 48 часов.

Другая фирма предложила проект тяжелого космического буксира с экипажем в четыре человека. Он должен быть снабжен четырьмя небольшими ракетными двигателями, прожекторами, инфракрасными рефлекторами, телеобъективами, манипуляторами и множеством других устройств. Это даст ему возможность отыскивать на орбите элементы будущей станции и соединять их в одно целое.

Сборка космической станции или межпланетного корабля на орбите будет, очевидно, вестись из подготовленных блоков. Возможно, найдут применение опорожненные топливные баки и элементы корпуса ракеты-носителя, вышедшие на орбиту. Вероятно, при монтаже станции космонавты-строители смогут использовать в качестве «горелок» для сварки обыкновенные линзы. Солнечные лучи, не ослабленные атмосферой, — отличный источник тепла. Глубокий вакуум космического пространства поможет получить сварочные швы высокого качества. (Напомним, что и на земле для получения особо надежных швов сварку ведут в вакууме).

Чтобы проверить возможности управления кораблем при встрече в космосе, в США поместили упрощенную кабину космонавта с органами управления внутрь большого надувного купола. На внутреннюю поверхность купола, как в планетарии, проектируется вид звездного неба, на фоне которого движется мерцающий огонек, обозначающий спутник-цель. Органы управления позволили летчику включать пару поперечных «ракет» и пару продольных, направленных вперед и назад. Особая рукоятка служила для управления угловым положением корабля с помощью наклона вектора тяги. Конечно, никаких ракет на тренажере не было, но соответствующие импульсы направлялись в аналоговую вычислительную машину, включенную в систему моделирования. Машина решала уравнения относительного движения корабля и спутника-цели и, в свою очередь, посылала электрические импульсы, которые показывали на приборной доске космонавта дальность до цели и скорость сближения.

НАДОЛГО ЛИ РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ? Этот вопрос задал сотрудник Центра космической метеорологии США доктор Сайнджер. Он считает, что электроны и протоны до сих пор держались в радиационных поясах лишь потому, что почти ничто не нарушало царящий там покой. Но десятки и сотни искусственных спутников, бороздящих сегодня эти пояса, решительно изменяют положение. Как покрытые тиной старицы или заброшенные пруды очищаются, когда на них начинается движение лодок и катеров, так и «небесная тина» исчезнет с развитием космотранспорта. Ученый предлагает даже поступить с ближним космосом так же, как с запущенными прудами — прочистить его специальными «спутниками-вениками» и открыть зеленую улицу будущим пассажирским космическим поездам.

Создаются и более сложные тренажеры, которые позволят имитировать даже стыковку и сборку различных объектов в космосе.

Проблема встречи и соединения кораблей на орбите поставлена в повестку дня космонавтики. Ее решение будет новым большим шагом в освоении космоса, послужит отправным пунктом к межпланетным полетам, позволит создать крупные научные орбитальные станции.

После полета Николаева и Поповича профессор Эуген Зенгер, специалист по ракетной технике из ФРГ, заявил: «Проведенные работы способствуют решению проблемы «рандеву», то есть сближения, совместного маневрирования и соединения кораблей в межпланетном пространстве», а профессор Альбер Дюкер, директор Французского общества кибернетики, сказал: «По-видимому, теперь для СССР ничто больше не препятствует осуществлению встречи на орбите».

Новое выдающееся достижение советской науки — запуск советского маневрирующего космического аппарата «Полет-1». Этот аппарат, как известно, совершал значительные боковые маневры, меняя плоскость орбиты, а также маневры по высоте. Многократно включались его двигатели для стабилизации и пространственного маневрирования.

Именно маневрирующие аппараты нужны для сборки на орбите тяжелых межпланетных кораблей, для создания крупных орбитальных станций. Это отметил в своем интервью о значении запуска спутника «Полет-1» президент Академии наук СССР М. В. Келдыш.