Челноки будущего
Американские и российские ученые ломают голову над вопросом: чем заменить шаттлы и «Союзы»?
21 июля 2011 года командир шаттла «Атлантис» Брюс Фергюссон произвел посадку космического челнока на взлетно-посадочную полосу Космического центра имени Кеннеди. Это был 135-й и последний полет к Международной космической станции. Закончилась эпоха, и встал вопрос: а что же дальше?
Дорого и неэффективно
Вопрос, надо сказать, далеко не праздный. Покорители Вселенной начали очень дотошно считать деньги. Прекращение программы полетов «Спейс шаттл» обусловлено экономическими соображениями, хотя и надежность этой космической транспортной системы оказалась явно недостаточной. По оценкам американских экспертов, шаттл оказался самым сложным и дорогим летательным аппаратом за всю историю человечества. Собственно, решение свернуть программу приняли еще при президенте Буше-младшем. Слишком ненадежным и нерентабельным оказался проект. Даже директор Международного научного центра космических технологий Джон Лонгстон назвал челнок «чересчур опасной машиной». Ведь чем больше в системе узлов и механизмов, тем выше вероятность отказа какого-то из них.
Несмотря на все усилия инженеров, снизить степень риска при полетах так и не удалось. Изначально задуманный как грузовой корабль для вывода спутников и грузов на орбиту, шаттл оказался слишком дорогим в эксплуатации.
В итоге НАСА очутилось в достаточно незавидном положении. Запуск каждого челнока к МКС обходился налогоплательщикам в $450 млн. А это немало даже для сверхдержавы. Тем более, что по восемь астронавтов (именно на такое количество рассчитан шаттл) на МКС каждый раз возить не нужно. С другой стороны, полет одного астронавта на российских «Союзах» обойдется казне в $63 млн. До 2015 года, когда намечено завершение испытаний альтернативной транспортной системы, это «влетит» американцам в $753 млн.
Использование «Союзов» тоже не решает всех проблем. Корабль этой серии (независимо от модификации) уже давно морально устарел и может претендовать на место в музее космонавтики. Ведь ракетно-космический комплекс «Союз» начали проектировать еще в 1962 году в ОКБ-1 как корабль для облета Луны. Первый реальный полет «Союза» осуществлен в 1969-м. Тогда же произошла и первая стыковка в космосе, а также групповой пилотируемый полет.
С тех пор космический корабль несколько раз модернизировали, появились такие модели, как «Союз-Т», «Союз-ТМ», «Союз-ТМА», но все эти усовершенствования носили лишь косметический характер. Корабль получил более точное управление и электронику, «поправился» на 610 кг, но не была изменена ни компоновочная, ни принципиальная схема, равно как и полетные возможности. Единственное его, хотя и неоспоримое, достоинство — надежность. За последние 20 лет с «Союзами» не случалось никаких аварий с человеческими жертвами.
На смену шаттлам
Как бы то ни было, это уже история. В настоящий момент стоит вопрос, на чем летать дальше, хотя бы на орбиту. Решить эту задачу пытаются как государственные конструкторские бюро, так и частные компании, выполняющие заказы НАСА.
Так, в США разрабатывается корабль-капсула Dragon, космические корабли CST-100 (компании «Боинг»), Blue Origin, многоразовый Dream Chaser и многоцелевой MPCV.
В России также есть альтернативные проекты. Это пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП) под рабочим названием «Русь» и многоцелевой пилотируемый многоразовый космический корабль «Клипер», спроектированный в РКК «Энергия».
США
Корабль-капсула Dragon. Наиболее вероятный преемник шаттла. Разработка частной компании SpaceX. Экипаж — 7 человек, по величине полезной нагрузки существенно превосходит российский грузовой корабль «Прогресс», вес с полезной нагрузкой 6 т. Груз, возвращаемый на Землю, — 3 т, длина 6,1 м, диаметр 3,7 м. Состоит из двух модулей: командно-агрегатного отсека конической формы и транка-переходника для стыковки со второй ступенью РН, который служит как негерметичный контейнер для размещения грузов и одноразового оборудования — солнечных батарей, радиаторов системы охлаждения и прочего. В 2010 году этот аппарат совершил пробный полет в беспилотном варианте. Длительность автономного полета — не менее 1 недели. Инвестиции в проект на сегодняшний день составили $75 млн. Корабль снова будет запущен в пробный полет 30 ноября, затем сблизится и состыкуется с МКС 7 декабря 2011-го. Предполагаемая дата пилотируемого запуска — 2014 год.
Blue Origin. Об этой разработке известно лишь, что ее внутренний объем станет вдвое больше, чем у «Аполлона», а численность экипажа составит 7 человек. Доставлять его на орбиту будет ракета-носитель «Атлас-5». Расходы НАСА на проект — всего $26 млн.
Многоразовый корабль Dream Chaser. Крылатый аппарат, чем-то напоминающий шаттл, но намного скромнее в размерах. Создан по чертежам незаконченного челнока NASA HL-20. Экипаж — 7 человек. На орбиту также доставляется ракетой «Атлас-5», а возвращается за счет планирования в атмосфере. Вероятный год запуска — 2015-й. Инвестиции в проект — $100 млн.
CST-100. Еще один кандидат на смену старого поколения шаттлов, сконструированный инженерами Boeing в рамках программы NASA CCDev. Основная его задача — обслуживание МКС, экипаж — 7 человек. На орбиту предполагается выводить ракетой «Атлас-5». Стоимость проекта на данный момент — $110 млн. Экспериментальный запуск запланирован на 2015 год.
MPСV. Перспективный многоцелевой пилотируемый корабль с экипажем из четырех человек. Предполагается не только для использования на орбите, но и для полетов в более глубокий космос. На сегодняшний день рекордсмен по инвестициям. НАСА потратило на проект уже более $5 млрд, а сроки испытаний пока не озвучены.
РФ
Пилотируемый транспортный корабль нового поколения. Временное название проекта пилотируемого, частично многоразового корабля, который должен прийти на смену аппаратам серии «Союз». Неофициальное название, упоминаемое в прессе, — «Русь». При околоземных орбитальных полетах его масса — 12 т, при полетах за орбиту — 16 т, масса возвращаемой части — 4,5 т. Корабль будет бескрылым, с многоразовой возвращаемой частью, усеченно-конической формы сверху и одноразовым агрегатно-двигательным отсеком ниже.
Экипаж нового корабля составит 6 человек (при полетах к Луне — до четырех), масса доставляемого на орбиту груза — 500 кг, масса возвращаемого на Землю груза — 500 кг (и более — при меньшем экипаже). Длина корабля — 6,1 м, максимальный диаметр корпуса — 4,4 м, продолжительность автономного полета корабля — до месяца. Испытания в беспилотном варианте планируют начать в 2015 году, а в пилотируемом — в 2018-м.
Многоразовый челнок «Клипер». Имеет возвращаемую капсулу многократного использования. «Клипер» может выводить на орбиту 6 человек и до 700 кг полезного груза («Союз» — только 3 человека и 200 кг). Больший внутренний объем повысит комфортность и позволит увеличить время автономного полета.
«Клипер» сможет находиться в автономном полете в космосе в течение пяти дней. Если его пристыковать к космической станции, то время пребывания увеличится и до года. «Клипер» в состоянии возвращать с орбиты до 500 кг полезного груза. По мнению российских экспертов, он в десять раз дешевле американского шаттла. У него будут короткие крылья и двигатель, что позволит приземляться в любом крупном аэропорту. На этот проект предполагается инвестировать 305 млрд руб. Первый экспериментальный полет может состояться еще в 2011 году при условии, что будут найдены источники финансирования.
Технологии прошлого века
Тем не менее все представленные проекты трудно назвать прорывом в освоении даже ближнего космоса ввиду крайне низкой эффективности современных термохимических двигателей. Ведь перечисленные разработки на этапе старта являются головной частью ракет-носителей и в этом смысле принципиально не отличаются от первых кораблей типа «Восток». Нынешние термохимические ракетные двигатели (независимо от типа топлива и окислителя) по своему КПД сравнимы разве что с паровозом. При огромной удельной тяге они обладают крайне низким удельным импульсом. То есть расходуют огромную массу топлива на каждую единицу ускорения. В итоге орбиты достигают лишь 3—4% массы, взлетающей с Земли.
Такое положение дел, конечно, не может устраивать ученых. Последние разработки, о которых шла речь, эффективнее систем середины ХХ века разве что на несколько процентов. За 50 лет истории освоения космоса корабли стали несколько надежнее, немного более рентабельны в пересчете на вывод на орбиту одного килограмма груза. Но прорыва в технологии не произошло. По-прежнему 96% веса стартовой системы сгорает в атмосфере, образуя сотни тысяч кубометров токсичных газов и сотни тонн металлолома, падающего на Землю.
Космической транспортной системы, которая позволяла бы летательному аппарату взлететь с поверхности Земли и вернуться назад в том же виде и размере, не существует и по сей день.
Теоретически таким агрегатом мог бы стать аэрокосмический самолет, способный взлететь с полосы любого крупного аэродрома, вывести на орбиту полезный груз или доставить на орбитальную станцию экипаж. Например, самолет взлетал бы с земли, набирал высоту 18—20 км на сверхзвуковой скорости, после чего включались бы разгонные ракетные двигатели, сообщавшие аппарату первую космическую скорость. Эта концепция настолько очевидна, что трудно предположить, как до такого еще никто не додумался. Однако достоверных данных о подобных испытаниях нет. Или, по крайней мере, нет в свободном доступе. Информация об испытаниях НАСА реактивно прямоточных гиперзвуковых двигателей временами просачивается в Интернет, но пока нет сведений о стабильной работе той или иной конструкции или однозначно успешных испытаниях.
Можно с уверенностью утверждать, что технология термохимических двигателей практически исчерпала свой ресурс, но современная наука пока не нашла ей достойной замены.
Этот факт тем более проблемный, поскольку для реализации планов космической экспансии, в частности полетов к Луне и Марсу (обещания о которых мы слышим от обеих космических держав), на орбиту Земли нужно выводить блоки и грузы, позволяющие собирать космические корабли большой массы. При современных технологиях для отправки миссии на Марс необходимо запустить корабль, на котором только масса топлива составит 900 т. Поэтому вывод на орбиту тяжелых грузов — еще одна острая проблема.
