Човники майбутнього

Американські й російські вчені міркують над питанням: чим замінити шатли й «Союзи»?

21 липня 2011 року командир шатла «Атлантіс» Брюс Фергюссон посадив космічний човник на злітно-посадкову смугу Космічного центру імені Кеннеді. Це був 135-й і останній політ до Міжнародної космічної станції. Добігла кінця епоха, і постало питання: а що ж далі?

Дорого й неефективно

Питання, треба сказати, зовсім не пусте. Підкорювачі Всесвіту почали дуже скрупульозно лічити гроші. Припинення програми польотів «Спейс шатл» обумовлене економічними міркуваннями, хоча й надійність цієї космічної транспортної системи була вочевидь недостатньою. За оцінками американських експертів, шатл — найскладніший і найдорожчий літальний апарат за всю історію підкорення космосу. Власне, рішення згорнути програму ухвалили ще за часів президента Буша-молодшого. Занадто ненадійним і нерентабельним виявився проект. Навіть директор Міжнародного наукового центру космічних технологій Джон Лонгстон назвав човник «надто небезпечною машиною». Адже що більше в системі вузлів і механізмів, то більше ймовірність відмови якогось із них.

Попри всі зусилля інженерів, знизити ступінь ризику під час польотів так і не вдалося. Задуманий як вантажний корабель для виведення супутників і вантажів на орбіту, шатл виявився занадто дорогим у експлуатації.

У підсумку НАСА опинилося в досить незавидному становищі. Запуск кожного­ човника до МКС коштував платникам податків $450 млн. А це чимало навіть для наддержави. Тим більше, що по вісім астронавтів (саме на таку кількість розрахований шатл) на МКС щораз возити не треба. З іншого боку, політ одного астронавта на російських «Союзах» обійдеться скарбниці в $63 млн. До 2015 року, коли намічене завершення випробувань альтернативної транспортної системи, це «ускочить» американцям у $753 млн.

Використання «Союзів» теж не розв’язує всіх проблем. Корабель цієї серії (незалежно від модифікації) уже давно морально застарів і може претендувати на місце в музеї космонавтики. Адже ракетно-космічний комплекс «Союз» почали проектувати ще в 1962 році в ОКБ-1 як корабель для обльоту Місяця. Перший реальний політ «Союзу» здійснено в 1969-му. Тоді ж відбулося й перше стикування в космосі, а також груповий пілотований політ.

Відтоді космічний корабель кілька разів модернізували, були створені такі моделі, як «Союз-Т», «Союз-ТМ», «Союз-ТМА», але всі ці вдосконалення мали лише косметичний характер. Корабель одержав більш точне керування й електроніку, поважчав на 610 кг, але не було змінено ні компонувальну, ні принципову схему, так само як і польотні можливості. Єдина його, хоча й незаперечна перевага, — надійність. За останні 20 років із «Союзами» не траплялося ніяких аварій із людськими жертвами.

На зміну шатлам

Як би то не було, це вже історія. Наразі стоїть питання, на чому літати далі, хоча б на орбіту. Вирішити це завдання намагаються як державні конструкторські бюро, так і приватні компанії, які виконують замовлення НАСА.

Так, у США розробляється корабель-капсула Dragon, космічні кораблі CST-100 (компанії «Боїнг»), Blue Origin, багаторазовий Dream Chaser і багатоцільовий MPCV.

У Росії також є альтернативні проекти. Це пілотований транспортний корабель нового покоління (ПТК НП) під робочою назвою «Русь» і багатоцільовий пілотований багаторазовий космічний корабель «Кліпер», спроектований у РКК «Енергія».

США

Корабель-капсула Dragon. Найімовірніший спадко­ємець шатла. Розробка приватної компанії SpaceX. Екіпаж — 7 чоловік, за величиною корисного навантаження істотно перевершує російський вантажний корабель «Прогрес», вага з корисним навантаженням 6 т. Вантаж, що повертається на Землю, — 3 т, довжина 6,1 м, діаметр 3,7 м. Складається із двох модулів: командно-агрегатного відсіку конічної форми й транка-перехідника для стикування із другим ступенем РН, що є негерметичним контейнером для розміщення вантажів і одноразового обладнання — сонячних батарей, радіаторів системи охолодження тощо. У 2010 році цей апарат зробив пробний політ у безпілотному варіанті. Тривалість автономного польоту — не менше 1 тижня. Інвестиції в проект наразі становлять $75 млн. Корабель знову буде запущено в пробний політ 30 листопада, потім він зблизиться й зістикується із МКС 7 грудня 2011-го. Передбачувана дата пілотованого запуску — 2014 рік.

Blue Origin. Про цю розробку відомо лише, що її внутрішній обсяг стане вдвічі більшим, ніж у «Аполлона», а чисельність екіпажу становитиме  7 чоловік. Доставлятиме його на орбіту ракета-носій «Атлас-5». Витрати НАСА на проект — лише $26 млн.

Багаторазовий корабель Dream Chaser. Крилатий апарат, який чимось нагадує шатл, але набагато скромніше в розмірах. Створений за кресленнями незакінченого човника NASA HL-20. Екіпаж — 7 чоловік. На орбіту також доставляється ракетою «Атлас-5», а повертається за рахунок планерування в атмо­сфері. Імовірний рік запуску — 2015-й. Інвестиції в проект — $100 млн.

CST-100. Ще один кандидат на зміну старого покоління шатлів, сконструйований інженерами Boeing у рамках програми NASA CCDev. Основне його завдання — обслуговування МКС, екіпаж — 7 чоловік. На орбіту передбачається виводити ракетою «Атлас-5». Вартість проекту наразі — $110 млн. Експериментальний запуск запланований на 2015 рік.

MPСV. Перспективний багатоцільовий пілотований корабель з екіпажем із чотирьох чоловік. Передбачається не тільки для використання на орбіті, а й для польотів у більш глибокий космос. Наразі рекордсмен з інвестицій. НАСА витратило на проект уже понад $5 млрд, а строки випробувань поки не озвучені.

РФ

Пілотований транспортний корабель нового покоління. Тимчасова назва проекту пілотованого, частково багаторазового корабля, який має замінити апарати серії «Союз». Неофіційна назва, що згадується в пресі, — «Русь». Для навколоземних орбітальних польотів його маса — 12 т, для польотів за орбіту — 16 т, маса повертаної частини — 4,5 т. Корабель буде безкрилим, із багаторазовою повертаною частиною, усічено-конічної форми згори й одноразовим агрегатно-рушійним відсіком нижче.

Екіпаж нового корабля становитиме 6 чоловік (під час польотів на Місяць — до чотирьох), маса вантажу, який доставляється на орбіту — 500 кг, маса вантажу, що повертається на Землю — 500 кг (і більше — за меншого екіпажу). Довжина корабля — 6,1 м, максимальний діаметр корпуса — 4,4 м, тривалість автономного польоту — до місяця. Випробування в безпілотному варіанті планують почати в 2015 році, а в пілотованому — у 2018-му.

Багаторазовий човник «Кліпер». Має повертану капсулу багаторазового використання. «Кліпер» може виводити на орбіту 6 чоловік і до 700 кг корисного вантажу («Союз» — тільки 3 людини і 200 кг). Більший внутрішній обсяг підвищить комфортність і дозволить збільшити час автономного польоту.

«Кліпер» зможе перебувати в автономному польоті в космосі протягом п’яти днів. Якщо його пристикувати до космічної станції, то час перебування збільшиться й до року. «Кліпер» може повертати з орбіти до 500 кг корисного вантажу. На думку російських експертів, він у десять разів дешевший за американський шатл. У нього будуть короткі крила й двигун, що дозволить приземлятися в будь-якому великому аеропорті. На цей проект передбачається інвестувати 305 млрд руб. Перший експериментальний політ може відбутися ще в 2011 році за умови, що буде знайдено джерела фінансування.

Технології минулого століття

Проте всі представлені­ проекти важко назвати проривом в освоєнні навіть близього космосу через занизьку ефективність сучасних термохімічних двигунів. Адже названі розробки на етапі старту є головною частиною ракет-носіїв і з цього погляду принципово не відрізняються від перших кораблів типу «Схід». Нинішні термохімічні ракетні двигуни (незалежно від типу палива та окислювача) за своїм ККД порівнянні хіба що з паровозом. За величезної питомої тяги вони мають украй низький питомий імпульс. Тобто витрачають величезну кількість палива на кожну одиницю прискорення. У підсумку орбіти досягають лише 3—4% маси, що злітає із Землі.

Такий стан справ, звичайно, не задовольняє вчених. Останні розробки, про які йшлося, ефективніші за системи середини ХХ століття хіба що на кілька відсотків. За 50 років історії освоєння космосу кораблі стали трохи надійнішими, трохи рентабельнішими в перерахуванні на виведення на орбіту одного кілограма вантажу. Але прориву в технології не сталося. Як і раніше 96% ваги стартової системи згоряє в атмосфері, утворюючи сотні тисяч кубометрів токсичних газів і сотні тонн металобрухту, що падає на Землю.

Космічної транспортної системи, яка дозволяла б літальному апарату злетіти з поверхні Землі й повернутися назад у тому ж вигляді й розмірі, нема донині.

Теоретично таким агрегатом міг би стати аерокосмічний літак, здатний злетіти зі смуги будь-якого великого аеродрому, вивести на орбіту корисний вантаж або доставити на орбітальну станцію екіпаж. Наприклад, літак злітав би із землі, набирав висоту 18—20 км на надзвуковій швидкості, після чого вмикалися б розгінні ракетні двигуни, що надавали б апарату першу космічну швидкість. Ця концепція настільки очевидна, що дивно, як до такого ще ніхто не додумався. Однак достовірних даних про такі випробування немає. Або принаймні немає у вільному доступі. Інформація про випробування НАСА реактивно прямоструминних гіперзвукових двигунів часом просочується в Інтернет, але поки немає відомостей про стабільну роботу тієї або іншої конструкції або однозначно успішні випробування.­

Можна із упевненістю говорити, що технологія термохімічних двигунів майже вичерпала свій ресурс, але сучасна наука поки не знайшла їй гідної заміни.

Цей факт тим більше проблемний, оскільки для реалізації планів космічної експансії, зокрема польотів на Місяць і Марс (обіцянки про які ми чуємо від обох космічних держав), на орбіту Землі треба виводити блоки й вантажі, що дозволяють збирати космічні кораблі великої маси. За сучасних технологій для відправлення місії на Марс необхідно запустити корабель, на якому тільки маса палива становитиме 900 т. Тому виведення на орбіту важких вантажів — ще одна нагальна проблема.