Если кто-то думает, что только у нас то и дело корректируются космические программы, меняются концепции пилотируемых кораблей, множатся и конкурируют проекты ракет-носителей, - этот человек сильно ошибается. Такие процессы наблюдаются во всех странах «космического клуба». Можно сказать больше: чем объёмнее и сложнее программа, тем труднее в первые дни её существования сказать, как всё будет выглядеть в результате. И будет ли вообще...
В декабре 2003 г. Президент США Дж. Буш-мл. объявил о том, что полёты человека в космос будут выполняться в соответствии с новой концепцией, названной «Vision for Space Exploration» («Взгляд на исследования космоса»). 14 января следующего, 2004-го, эта концепция была обнародована. Основной упор делался на полёты человека за пределы низкой околоземной орбиты, что, собственно, включает всё космическое пространство выше, чем летает Международная космическая станция. Конкретной же целью было названо возвращение на Луну к 2020 г. и полёт на Марс в неуказанной, но недалёкой перспективе.
Главным средством реализации новой концепции был назван CEV, Crew Exploration Vehicle - «Пилотируемый исследовательский корабль». Кстати, почему-то у нас никто не додумался ввести в публикации об этой программе соответствующую «переводную» аббревиатуру ПИК - и неплохо звучащую, и вполне «говорящую». Может, потому, что, хотя в России и начались «симметричные» разработки, никто в нашей стране не воспринимал идею такого корабля как что-то реальное? Дело прошлое, но задуматься, наверное, стоит...
Тогда же было объявлено, что к 2010 г. закончится эксплуатация системы Space Shuttle. Под впечатлением от гибели «Колумбии» это восприняли с пониманием, но сам по себе факт впечатляет: впервые за три с половиной десятилетия в планах NASA не нашлось места многоразовым воздушно-космическим системам! Последней, как раз примерно в это время, была закрыта «Стратегическая пусковая инициатива» (SLI), предполагавшая создание носителя со всеми ступенями многократного использования.
Первая итерация
Буквально накануне объявления президентской инициативы в США успешно завершилась грандиозная программа EELV. Страна получила два принципиально новых носителя: «Дельта-4» (фирмы «Боинг») и «Атлас-5» («Локхид-Мартин»; интересно, что эта ракета летает на российских двигателях РД-180). Хотя программа была конкурсной, решено было выпускать оба носителя, для обеспечения надёжного доступа в космос: если авария с одной, пока ищут и устраняют причину, грузы переносятся на другую. Оба носителя, в зависимости от комплектации, относятся, по нашей классификации, к среднему и тяжёлому классам, т.е. вполне могут выводить на околоземную орбиту пилотируемые корабли. Напрашивалось решение: делать корабль под какую-то из этих ракет-носителей, а полёты к Луне, точкам либрации, в межпланетное пространство обеспечивать разгонными блоками, собираемыми уже в космосе. Выводить их можно теми же носителями по частям или, в сборе, сверхтяжёлыми ракетами, которые ещё предстоит создать. Но это можно сделать на той же технологической основе.
Наиболее ярко был представлен проект «Боинга», под «Дельту-4». «Боинговский» CEV-ПИК задумывался модульным и должен был включать возвращаемый аппарат (ВА, аналог «аполлоновского», только несколько больше), «ресурсный» модуль с энергосистемой и двигателями орбитального маневрирования (в нашей стране это называется «приборно-агрегатный отсек»), жилой модуль (надувной!), грузовой модуль и, наконец, универсальный ракетный блок, судя по размерам баков - на кислородно-водородном топливе. В «базовой комплектации» он двухступенчатый.
Из этих модулей, как из конструктора, предполагалось собирать космические корабли для операций на околоземных орбитах, а также у Луны. Например, для облёта Луны предлагалась связка из возвращаемого аппарата, ресурсного модуля и двухступенчатого ракетного блока; для работы на окололунной орбите - «станция» из ВА, обитаемого, грузового и двух ресурсных модулей. Наконец, из этого же набора планировалось собрать и корабль для облёта Марса: ВА, ресурсный модуль, жилой модуль, грузовой модуль плюс «межорбитальный буксир», помощнее ракетного блока, на атомных ракетных двигателях.
Модель-копия первого варианта CEV от «Локхида».
На врезке - второй вариант CEV от «Локхида»: слева ракетный блок, справа возвращаемый аппарат, между ними цилиндрический «модуль миссии»
О «локхидовских» проектах - а их было два - известно гораздо меньше. Первый представлял собою ВА в форме усечённого конуса с очень малым углом раствора и агрегатный отсек. В таком виде он должен был летать к МКС, а вот как он выглядел бы, скажем, для полёта к Луне, осталось неизвестным. Во втором проекте планировалось использовать ВА схемы «несущий корпус» (весьма напоминающий появившийся тогда же отечественный проект «Клипер»); кроме того, в составе корабля предполагались обитаемый «модуль миссии» и кислородно-водородный ракетный блок, сбрасываемые перед входом в плотные слои атмосферы.
Свои проекты предложили также «Рэйтеон», «Нортроп-Грумман» и ещё ряд мелких, практически дотоле неизвестных компаний.
«Созвездие»
Обоснованно считается, что дальнейшие события в американской пилотируемой космической программе стали следствием доклада NASA, обнародованного в ноябре 2005 г. В нём изложены результаты проработок американского космического агентства по выбору технических средств для реализации инициативы Президента Буша. Доклад «NASA's Exploration Systems Architecture Study», в формате .pdf, доступен в Интернете. Ознакомиться с ним несложно, но вот оценить... Не случайно практически сразу появились и другие объяснения принятых решений.
Итак, в конце 2005 г. была выбрана архитектура будущей космической системы:
- пилотируемый корабль CEV, в 2006 г. названный «Орионом». Конструкция была принята «боинговская» (конический ВА на 4--6 астронавтов и цилиндрический агрегатный отсек), но вот разработку и изготовление поручили... «Локхид-Мартину»;
- ракета-носитель тяжёлого класса CLV (Crew Launch Vehicle, «Пилотируемый носитель») для выведения «Ориона» на околоземную орбиту. От использования технологий EELV отказались полностью, а за основу взяли... твердотопливный ускоритель «Шаттла», на который установили водородно-кислородную 2-ю ступень с «шаттловским» же двигателем SSME (её поручили «Боингу»). Позднее носитель получил название «Арес-1»;
- ракета-носитель сверхтяжёлого класса CaLV (Cargo Launch Vehicle, «Грузовой носитель»). Он делался, опять-таки, на основе «Шаттла»: 1-я ступень - два стартовых твердотопливных ускорителя, 2-я - водородно-кислородная, на основе топливного бака «Шаттла» и его ЖРД SSME. Назвали её «Арес-5»;
- лунный модуль LSAM (Lunar Surface Access Module), позднее названный «Альтаиром». Он, естественно, состоит из посадочной и взлётной ступеней;
- и наконец, водородно-кислородный разгонный блок EDS (Earth Departure Stage, буквально «Ступень для покидания Земли»), которому предстояло отправить связку «Орион»-«Альтаир» с околоземной орбиты к Луне.
Полёт к Луне представлялся следующим образом: носитель «Арес-5» доставляет на околоземную орбиту связку EDS-«Альтаир»; затем «Аресом-1» запускается «Орион»; после стыковкикомплекс отправляется к Луне; EDS, отработав, сбрасывается; торможение для перехода на окололунную орбиту выполняется двигателем посадочной ступени «Альтаира»; затем расстыковка, посадка, работа на Луне, взлёт (на взлётной ступени); стыковка с ожидавшим на орбите «Орионом» и переход в него; отстрел взлётной ступени; старт к Земле; разделение модулей «Ориона» и вход ВА в атмосферу со второй космической скоростью; посадка.
Тогда же вся программа создания технических средств для полётов человека за пределы низкой околоземной орбиты получила название «Constellation» - «Созвездие». Нетрудно заметить, что очень похоже летали «Аполлоны». Практически разница только в том, что «Аполлоны» запускались на одной ракете с лунным кораблём, и перестроение происходило после отлёта от Земли, на траектории полёта к Луне; а «Орион» должен был стартовать на отдельной РН, а стыковка происходила бы на околоземной орбите. Такая схема с использованием носителей разного класса получила название «полуторапусковой». Баллистика не имеет национальной специфики, но поговаривают, что такую схему американцам подсказали отечественные специалисты в ходе российско-американских контактов 1990-х...
Идея максимального использования узлов «Шаттла» и - особенно - их производств выглядит здравой. Однако применение гигантских твердотопливных двигателей (РДТТ) представлялось крайне сомнительным ещё при выборе облика самого «Шаттла» 30 лет назад. Да, потом они продемонстрировали высокую надёжность, но вместе с тем - полную невозможность нейтрализовать возникшую аварийную ситуацию! Кроме того, у РДТТ есть и неустранимые (и неприемлемые для пилотируемых полётов) недостатки, о которых чуть ниже. А уж когда стало известно, КАК в новой системе предполагается использовать «шаттловский» задел, возникло глубокое недоумение, которое не рассеялось и поныне... Не случайно выбор именно таких схемных решений сразу связали с тем фактом, что назначенного тогда на пост директора NASA М. Гриффина считали и считают лоббистом компании «Alliant Techsystems Inc.», которая как раз и производит твердотопливные двигатели для «шаттлов».
Между идеей и воплощением
Практически не бывает такого чуда, чтобы машина, особенно такая сложная, как ракетно-космический комплекс, вышла на испытания и в эксплуатацию такой, какой была задумана в начале проектирования. И степень этих изменений наглядно показывает правильность тех или иных проектно-конструкторских, а иногда - предпроектных, прогнозно-планировочных решений. По мере своего продвижения от эскизов к лётным изделиям элементы программы «Созвездие» вызывали всё больше вопросов именно к этому, предпроектному, этапу работ.
Итак, «Орион». Стартовая масса - 21,9 т при полёте к Луне (базовый вариант) или 15 т при полёте к МКС, разница определяется заправкой баков двигателей орбитального маневрирования. Возвращаемый аппарат - «обратный конус» со сферическим днищем, диаметр - 5,03 м, высота без стыковочного агрегата - 3,3 м, герметичный объём - 19,59 м3, обитаемый - 10,22 м3. Стартовая масса ВА - 8,49 т, посадочная - 7,34 т. При полёте к Луне в ВА должно было размещаться четыре человека и 100 кг груза. На МКС (и обратно) предполагалось доставлять шесть человек, или трёх человек и 400 кг груза, или 3,5 т груза. Для снабжения МКС был предложен и ещё один вариант, с негерметичным грузовым отсеком, длядоставки оборудования общей массой 6 т. Наконец, шесть человек должны были доставляться к марсианскому кораблю. Первый полёт планировался на 2014 г., полёт к Луне - не позднее 2020 г., производиться корабль должен был до 2019 г., а эксплуатироваться - до 2030-го (ВА рассчитывались не менее чем на 10 полётов каждый).
Посадка предполагалась на парашютах, «мягкость» её должны были обеспечить не РДТТ, как у нас, а надувные амортизаторы. Они, по замыслу конструкторов, позволяли - впервые в американской практике - садиться не в океан, а на твёрдый грунт. Трёхкупольная парашютная система успешно, хотя и не без отказов, проходила испытания, начиная с августа 2006 г.
А вот при создании «служебного модуля» (по-нашему - агрегатного отсека) начались первые изменения. Сначала предполагалось, что для орбитального маневрирования будут применены ракетные двигатели на компонентах жидкий метан - жидкий кислород. Помимо очевидных преимуществ (выше удельный импульс, метан не токсичен), был ещё и дальний прицел. На этих же компонентах предполагалось сделать и взлётную ступень «Альтаира»; а затем, на её основе - и взлётную ступень для Марса, с тем, чтобы топливо на обратную дорогу - и метан, и кислород - получать уже там, на Красной планете.
Увы! Уже в феврале 2006 г. NASA известило, что и в служебном модуле «Ориона», и на взлётной ступени «Альтаира» будет использоваться традиционная для космонавтики пара монометилгидразин - азотный тетраоксид. Причиной этого было объявлено «отсутствие необходимого задела у разработчиков». Это, надо сказать, более чем странно: у военно-промышленного монстра «Нортроп-Грумман» такой задел есть (стендовые испытания двигателя в 2007 г.), у крохотной, ранее неизвестной фирмы «XCOR Aerospace» (работающей, кстати, по контракту с NASA!) такой задел есть (стендовые испытания двигателя в 2006 г.), а у NASA в целом, значит, нет? Ладно, NASA виднее... Но это «аукнулось», и скоро.
Лунный модуль (дословно «модуль доступа на лунную поверхность») «Альтаир» должен был работать на поверхности Луны долго - 7 суток, и жить в нём должны были четыре человека. Для этого ему предстояло опустить на Луну, кроме людей, 2,3 т груза, а поднять - 100 кг. При дальнейшем развёртывании лунной базы предполагалось, что посадочная ступень «Альтаира» будет опускать на поверхность порядка 12 т груза. Кроме того, именно двигатели посадочной ступени «Альтаира» (а не двигатели «Ориона», как это было на «Аполлоне») должны были тормозить всю связку для выхода на окололунную орбиту. Для всего этого на посадочной ступени должны были использоваться жидкий водород и жидкий кислород - наиболее энергетически эффективные топливные компоненты из всех освоенных. Принципиально новым здесь стал ракетный двигатель, устойчиво работающий на этих компонентах даже при тяге в 8% номинала (вышел на стендовые испытания).
Но взлётная ступень претерпела серьёзные трансформации, и они явно ещё не были закончены. Изначально предполагалось, что её основой станет «лежачий» цилиндр обитаемого отсека (с кабиной экипажа и шлюзовой камерой), к которому с боков будут крепиться баки, а снизу - двигатель. Затем стало понятно, что большой герметичный цилиндр тяжеловат, и его разделили на две части: одна взлетала бы к ожидающему на орбите «Ориону», другая - оставалась бы на посадочной ступени. Сначала хотели оставлять только шлюзовую камеру, потом - и просторный жилой отсек, а на взлётной ступени обойтись только тесной кабиной. Последний вариант привлекал тем, что остающийся на Луне жилой отсек можно было бы в дальнейшем использовать для ускорения развёртывания лунной базы...
ВА «Ориона» «в сборе». Хороший вид на отсек экипажа
Однако когда место метана и кислорода на взлётной ступени заняли монометилгидразин и азотный тетраоксид, с этими мечтами пришлось расстаться. Меньшая энергетическая эффективность топлива заставила всемерно сократить «полезную» массу взлётной ступени, просторная обитаемая «лежащая бочка» превратилась в две гораздо более тесные «стоячие» - кабину и шлюзовую камеру, последняя при взлёте оставалась на Луне. Мало того! Поскольку, в конце концов, сокращение доставляемого на Луну и поднимаемого оттуда груза имело некие пределы, обусловленные хотя бы размерами человеческого тела, пришлось наращивать массу всего «Альтаира», а значит, и носителя для его запуска...
Тяжёлый во всех смыслах
Разработка и «Ориона», и «Альтаира» имела смысл только в том случае, если бы удалось создать средства их доставки на околоземную орбиту, а в дальнейшем и на Луну. Для этого, напомним, создавались ракеты-носители «Арес-1» и «Арес-5». Как уже было сказано, носитель «Ориона» - «Арес-1» - состоял из «шаттловского» твердотопливного ускорителя (1-я ступень) и вновь создаваемого водородно-кислородного ракетного блока (2-я ступень). Для неё сначала выбрали «шаттловский» же ЖРД SSME, однако...
Однако на «Шаттле» двигатели орбитальной ступени запускаются у земли, на стартовом столе; здесь же двигатель должен начинать работу в верхних слоях атмосферы. Так вот, оказалось, что, при всех его достоинствах, SSME не может быть модернизирован для запуска в таких условиях! Проектантам пришлось вернуться к отвергнутому было варианту с созданным ещё для «Сатурна», но радикально модернизированным двигателем J-2X. Однако его тяга была меньше, чем у «шаттловского», пришлось увеличивать и запас топлива во 2-й ступени, а значит, и тягу (и массу) первой. В результате вместо штатного 4-секционного РДТТ пришлось ставить 5-секционный, прошедший только стендовые испытания. Напомню, что именно прогар стыка секций твердотопливного двигателя стал причиной гибели «Челленджера» в 1986 г. Кстати - привет идее максимального использования «шаттловского» задела: ЖРД новый, твердотопливник тоже, по сути, новый...
В результате получилась 900-тонная ракета длиной (с учётом системы аварийного спасения «Ориона») 99,1 м. При этом диаметр твердотопливной 1-й ступени составлял 3,7 м (правда, есть ещё 6-метровая коническая юбка у сопла), а диаметр водородной 2-й - 5,5 м. Интересно, что на «шаттловском» ускорителе нет органов управления по крену, их - а это специальные двигатели - пришлось создавать заново и ставить на... 2-ю ступень. Полезный груз предполагался 27,7 т на низкую околоземную орбиту, что позволяет отнести «Арес-1» к ракетам-носителям тяжёлого класса. При первом же взгляде на «Арес-1» возникает недоумённый вопрос: как он будет стоять на стартовом столе, как сохранит устойчивость при полёте в плотных слоях атмосферы? Нет, понятно, что система управления может многое, но зачем задавать ей неразрешимые задачи? Уже в 2009-м, когда экспериментальный «Арес-1 Х» (о нём дальше) стоял на старте, NASA сквозь зубы признало, что атлантические ветры мыса Канаверал таковы, что в течение периода от трети до половины дней в году они просто разобьют носитель о фермы стартового комплекса, и никакая система управления не спасёт...
А годом раньше вылезла другая проблема, ранее в космонавтике не встречавшаяся. Выяснилось «вдруг» (это при американском-то опыте работы с гигантскими твердотопливными ракетными двигателями!), что при работе удлинённого с 4 до 5 секций «шаттловского» ускорителя возникает вибрация. Причём такая, что может привести к потере сознания экипажем, а то и к гибели астронавтов!
Нельзя сказать, чтобы с вибрациями не сталкивались на жидкостных ракетах, - ещё как сталкивались, там и источников тряски гораздо больше, одни только жидкости в баках чего стоят. Однако дело в том, что вибрации несовместимы с устойчивой работой ЖРД, поэтому с ними борются на всех этапах создания жидкостных ракет, накоплен уже огромный опыт, научный задел, математический аппарат... А твердотопливные двигатели, в принципе, при вибрациях - до известных, конечно, величин - работают. И в данном случае тряска, допустимая для двигателя, оказалась смертельной для экипажа.
Способы борьбы с вибрацией предлагались разные, больше всего обсуждалась амортизирующая подвеска кресел астронавтов. В конце концов, приняли другое решение: на 1-й ступени, на индивидуальной упругой подвеске, подвесили шестнадцать 50-кг грузов, управляемые колебания которых должны гасить вибрацию твердотопливного двигателя! Ко всему, пришлось ещё усиливать конструкцию 1-й ступени... В общем, масса полезного груза «Ареса-1» стала снижаться, последняя известная его величина - 25 т. В результате в середине 2009 г. отказались от создания 6-местной версии «Ориона».
