Хабрахабр

По пути Сергея Павловича Королева. Современный российский пилотируемый проект. Часть 1. «Федерация»

Тем более что наши лунные проекты потихоньку переходят в стадию реализации, так что вопрос действительно актуален. Я решил немного отойти от исторических экскурсов и высказаться по другому животрепещущему вопросу.

То есть про проект, в который многие не верят, который часто высмеивают; тем не менее, он все эти годы развивался и достаточно серьезно. Да, речь пойдет про наш проект пилотируемого полета к Луне. Я даже не стану утверждать, что проект точно будет реализован – это зависит от слишком многих факторов. Любые изменения видны только во времени. И я даже не могу винить скептиков, поскольку каких-либо толковых описаний пока не было. Тем не менее, развитие есть, и мы должны будем многое увидеть в железе в ближайшие годы. Вся информация хоть и открыта, но распылена среди весьма большого количества презентаций и интервью.

Хотел бы отметить, что все перипетии заслуживают отдельной книги, которую я, возможно, напишу.

Руководитель Центра пилотируемых программ ЦНИИ машиностроения, доктор технических наук Георгий Карабаджак, вспоминает про этот ключевой момент: Итак, история началась приблизительно десять лет назад.

В итоге коллегиально приняли решение остановиться на лунном направлении».
«У нас в ЦНИИмаш был большой НТС, мы совещались больше 8 часов с представителями 13 организаций на тему, куда нам лететь — на Луну или на Марс.

Первым видимым результатом этого решения было закрытие проекта «Клипер». Проект интересный, но он был оптимизирован для транспортных операций на орбите Земли. РКК «Энергия» пыталась на его базе сделать и межпланетный вариант, однако вскоре стало очевидно, что лучше начать разработку нового корабля с нуля. Тем более что капсульный вариант несколько ближе к опыту данной организации, чем крылатый с посадкой на аэродром.

И по последним сообщениям, его чертежи уже зафиксированы и началось изготовление первого летного экземпляра. Сейчас мы знаем этот корабль (видимо, ненадолго) под названием «Федерация». Разных НИРов было куда больше. Но за десять лет мы не только разработали этот корабль.

В нем новичок показывает опытному инженеру свой чертеж:
— Неплохо… Седьмой вариант?
— Как догадались?
— На двадцать седьмом поймёшь.

Вот и наша лунная программа – это, может, и не двадцать седьмой вариант, но где-то двадцатый. Был такой старый советский фильм «Иду искать». И если не смотреть в суть проекта и не наблюдать его в развитии, этого можно не понять. Многое уже отброшено, а ключевые элементы определены.

Давайте разберёмся. Как же выглядит сего дня наша лунная программа? Сначала попробуем понять, зачем нам нужна именно «Федерация», ведь у нас уже есть корабль «Союз».

Лунная орбита

Для начала нужно понимать, что все текущие проекты – как освоения, так и изучения – связаны с выходом станций на орбиту спутника Луны. Серьезные пролетные миссии остались в прошлом. Именно с лунной орбиты удобно изучать ее поверхность. Именно на лунной орбите удобно собирать орбитальную станцию. Именно на лунной орбите энергетически удобно ждать посадочный корабль после взлета с Луны. Именно через лунную орбиту летали к Луне «Аполлоны».

image

Виден старт к Земле, выход на лунную орбиту, расстыковка с посадочным модулем, стыковка с ним после взлета с Луны и старт к Земле. Пример схемы перелета.

Другими словами, чтобы успешно выполнять пилотируемые миссии, желательно уметь выходить на орбиту спутника Луны и стартовать с этой орбиты к Земле.

Задача не полностью симметричная, но для старта с орбиты при возвращению на Землю потребуется примерно такой же импульс. Баллистические особенности перелета с Земли на Луну таковы, что для торможения, необходимого для выхода на орбиту Луны с траектории перелета, требуется примерно 800 м/с.

Можно вспомнить еще и про коррекции как на трассе Земля-Луна, так и на орбите Луны. Иначе говоря, суммарный импульс корабля должен быть где-то 1600 м/с. Также сейчас рассматривается в первую очередь полярная орбита, на нее выйти ещё труднее.

Набрать данную скорость можно разными способами. К сожалению, цифры мало что говорят о схеме миссии. Назовем эти варианты перелета схемой типа «Аполлона» и «Н1-Л3». Пока для полета к Луне были разработаны две схемы, которые, хоть и решали одну задачу, идеологически очень сильно отличались друг от друга.

Схема «Аполлона»

В данной схеме за торможение при выходе на орбиту спутника Луны и при старте с ее данной орбите отвечал орбитальный корабль – так называемый командно-сервисный модуль (CSM). Более того, он должен был выводить на орбиту не только себя, но и тяжелый посадочный модуль массой порядка 14,5 тонн. Это хорошо видно на представленной схеме:

image

Сам корабль, по сути, состоял из топлива. Из-за этого его характеристическая скорость (максимальная скорость, что он мог набрать) была очень велика, куда больше нужной в 1600 м/с. При полной массе корабля в 28 тонн, 18 тонн ушло именно на топливо: запас настолько большой, что вряд ли в ближайшее время появится пилотируемый корабль, который сравнится с ним по энергетике.

Хорошо видны огромные цилиндрические баки с топливом. Вот его разрез.

image

Схема «Н1-Л3»

В отличие от «Аполлона», в нашей схеме за торможение и выход на орбиту Луны, отвечал уже отдельный блок «Д».

image

Более того: блок «Д» также отвечал за возможный доразгон по пути к Луне, выход на лунную орбиту и отработку большей части импульса для посадки ЛК. На этой схеме видна вся наша связка.

image

Впрочем, и минимальная характеристическая скорость в 800 м/с – это не шутки, и по запасам топлива ЛОК был рекордсменом среди наших кораблей. Орбитальный корабль (он шел под аббревиатурой ЛОК) должен был отработать только импульс для перехода на траекторию полета к Земле. Общая масса корабля 9,8 тонны, из них 3,1 тонн приходилось на топливо.

Современные корабли

Теперь сравним «Аполлон» и ЛОК с энергетикой современных кораблей, предназначенных для полетов к Луне. А именно — «Орион» и «Федерацию».

Такой выбор должен был быть сделан еще на самом начальном этапе проектирования миссии, и все системы должны были рассчитываться именно под такие схемы. Хотел бы заострить ваше внимание за том, что выбор одной из вышеописанных схем очень важен. Например, при разработке «Ориона» кардинально поменялся агрегатный отсек с топливом. Также нужно отметить: из-за того, что корабли пока не полетели, а во время их разработки многое менялось, найти точные данные достаточно сложно. Он даже сменил страну производителя: если изначально его должны были изготавливать в США, то сейчас его делает Европа.

Например, везде указывается масса «Ориона» в 25 тонн. В результате многие цифры «плавают», так как, видимо, относятся к разному времени. Или общая ХС корабля – 1800 м/с, тогда как у меня получилось 1500. Когда же я все просуммировал, я получил 24 тонны.

Например, вряд ли в баках «Ориона» ровно 9 тонн топлива, как указано в тех источниках, что я изучал. Вероятно, дело в том, что многие цифры указываются округленно.

К примеру, агрегатный отсек хоть и не поменял производителя, но его компоновка, судя по схемам разных лет, поменялась кардинально. Еще больше проблем с «Федерацией»: она еще дальше от запуска, и в ней тоже многое изменилось.

В первом приближении. Но в целом данных хватает и оценить энергетику можно.

У меня получилась такая схема

В реальности все немного сложнее. Опять же повторюсь: это только общая оценка, чтобы понять уровень цифр. Просто рабочая орбита станции – не низкая круговая, а высокоэллиптическая. Например, «Орион», как и «Аполлон», планируют использовать для доставки на орбиту Луны блоков станции с последующей сборкой. Энергетика для выхода на нее меньше.

Доставлять наш корабль на орбиту Луны должен специализированный блок. Но даже по этой схеме хорошо видно, что если США выбрали для реализации схему «Аполлона», то мы для «Федерации» — схему «Н1-Л3». Но так как данные о корабле разбросаны среди большого числа презентаций, то понять этот момент довольно сложно. Конечно, это не является особенным секретом. А в компоновке виден разгонный блок. Хотя и в них порой прямо указывается, что масса корабля в 20 тонн – это также его масса на орбите искусственного спутника Луны. И что перейти на другую схему сейчас уже невозможно… Тем не менее, действительно многие не понимают этот простой, но ключевой момент.

Впрочем, вариантов не так уж и много, и догадаться не сложно. Достаточно интересен вопрос, какой разгонный блок планируется для выхода «Федерации» на лунную орбиту. Да, тот самый, что был и у «Н1-Л3» для аналогичной цели. Это должен быть блок «Д». Все эти годы он летал не по целевому назначению. Причем, если это случится, он спустя более чем пятьдесят лет после разработки выполнит то, ради чего его создавали. Межпланетные аппараты к планетам выводил, спутники на ГСО…

Но блок «Д» очень хорошо подходит и компоновочно и по энергетике. Впрочем, иногда рисуют и другие блоки.

«Союз» на орбите Луны

Также из схемы видно, что современный «Союз» не способен выйти на орбиту Луны или уйти с орбиты, если на нее забросит блок «Д». У «Союза» слишком маленький запас скорости. И это понятно: для полетов к МКС большие запасы скорости не нужны.

Причем отдельный вопрос, сколько она будет весить. Значит, необходима специальная модификация «Союза». Но эта цифра была достигнута путем жертв, на которые сейчас уже вряд ли пойдут. С одной стороны, ЛОК 1968 года весил около 10 тонн – не такая и большая цифра, в два раза легче «Федерации». Или тот же вопрос системы жизнеобеспечения. Например, там не было полноценного стыковочного узла с переходным отсеком.

Практически минимум для полетов к Луне. ЛОК был рассчитан на двух человек, с максимальным временем полета в 13 суток. «Союзы» сейчас летают на трое суток и два человека – это сейчас мало. У «Федерации» — четыре человека и время автономного полета до месяца.

В качестве варианта можно посмотреть на эту компоновку, что нарисовал Анатолий Зак в 2006 году. С большой степенью вероятности, даже при использовании современных материалов масса корабля на орбите Луны будет более 10 тонн. Но для старта используется разгонный блок «Фрегат». Такой вариант «Союза» доставляется на орбиту Луны тоже при помощи блока «Д».

image

На 5-6 тонн меньше «Федерации». Зная массу «Союза» и «Фрегата», можно оценить общую массу системы в 14-15 тонн. Например, текущая автономность «Фрегата» оценивается в двое суток, а «Союз», при сохранении компоновки текущего «Союз-МС», не сможет успешно стыковаться. Но подобная схема будет обладать куда меньшими возможностями и тоже потребует значительных доработок. Часть двигателей причаливания и ориентации «Союза» находятся на хвостовой юбке, и в данной схеме закрыты «Фрегатом».

Которая обладает куда большими возможностями. Оценивая время, что потребуется на разработку нового агрегатного отсека и модификацию «Союза», лично я не уверен, что сейчас быстрее создать этот вариант, чем отработать «Федерацию».

«Союз-Л»

То есть лунный «Союз» не нужен? Сложный вопрос. Просто под данным названием подразумевается еще один вариант, не являющейся конкуренцией «Федерации». Ведь выше мы рассматривали именно вариант серьезного корабля, способного выйти на орбиту спутника Луны. Но в полете к Луне этот момент совершенно не обязателен. Можно совершить облет Луны и без выхода на орбиту. Более того, именно такую миссию мы реализовали в 60-е годы. До пилотируемых полетов дело не дошло, но советские черепашки стали первыми живыми существами, облетевшими Луну.

Летать без запасного парашюта, как это делали тогда, сейчас будет полной авантюрой. Впрочем, если тогда пошли на заметные жертвы, чтобы упаковать «Союз» с блоком «Д» в один «Протон», то сейчас на это вряд ли решатся. Благо, за последние 50 лет она у нас хорошо отработана. Текущий проект предусматривает сборку комплекса на орбите Земли при помощи стыковки. И может выглядеть примерно так:

И стыковка на орбите. Для этого требуется один запуск «Протон» и один — «Союза».

Мы опять вспомним, как возвращать объекты со второй космической скоростью, какие будут требоваться алгоритмы управления СА для возвращения на нашу территорию и многое другое. Подобный проект способен только облететь Луну, но при успешной реализации он позволит восстановить наш опыт по работе с кораблями возле Луны – как в плане связи, так и для определения траекторий и требуемых уровней коррекции.

Просто хоть начало летных испытаний «Федерации» стоит на 2022 год, именно ее полет к Луне назначен на конец 20х. Такая миссия выглядит куда дешевле одного пуска «Федерации» и позволит получить хороший опыт перед ее пусками, а возможно, и уменьшить время на ее отработку. Когда появятся подходящие носители.

Но «Роскосмос» серьезно нацелился на создание «Федерации», а значит, и на пуски к Луне. Впрочем, пока подобных «Союзов-Л» нет в планах.

Возникает вопрос: как его выводить к Луне?
Про это будет вторая часть. Вот только корабль – это еще не всё.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть