Сьогодні: 14 грудня 2018, 21:18




Ця тема закрита, ви не можете редагувати повідомлення і писати відповіді  [ 1 повідомлення ] 
 Проект «Созвездие» 
Автор Повідомлення
Модератор
Аватар користувача

З нами з: 28 квітня 2010, 02:06
Повідомлень: 658
Звідки: Рівне
Повідомлення Проект «Созвездие»
В.-В. Пустынский,
Таллинский Технический университет, Тартуская Обсерватория
Для «Tallinna Tähetorni kalender 2008» (на эстонском); см. опубликованный вариант (перевод под ред. Тоомаса Ааса, файл pdf): http://parsek.yf.ttu.ee/~mars/publikatsioonid/constellation.pdf

Предыстория

Последний раз нога человека ступала на Луну в 1972-м году, когда завершалась 6-я высадка в рамках программы «Аполлон». Как известно, с 1968-го по 1972-й год 9 пилотируемых кораблей «Аполлон» слетали к Луне, состоялось 7 экспедиций с целью высадки, 6 из которых завершились успешно (и одна привела к аварийному возвращеню без посадки на Луну). Первоначально планировались 10 высадок, но три из них были отменены уже в ходе выполнения программы. Активно разрабатывалась также программа «после «Аполлона»» (post-Apollo), предполагавшая создание лунной базы и более активное изучение нашего спутника. Однако из-за утраты общественного интереса она не получила финансирования, и американская пилотируемая космонавтика пошла по другому пути – по пути создания многоразового корабля, известного ныне как «Шаттл».

Однако «Шаттл» не оправдал возложенных на него ожиданий, он так и не смог стать универсальной транспортной системой. Расчёты на его экономическую эффективность не оправдались, система оказалась чрезмерно дорога и недостаточно надёжна. Вопрос о правильности выбора пути возник ещё в ходе создания «Шаттла» (что привело к отказу от полной многоразовости и снижению первоначально задуманной частоты пусков), а две катастрофы особенно остро поставили вопрос о поиске замены «челноку». Очевидно, именно последняя катастрофа «челнока» - гибель корабля «Колумбия» с экипажем в 2003-м году – побудила президента США выступить уже через год с новой инициативой: прекратить программу «Спейс Шаттл» и в качестве альтернативы создать новую пилотируемую космическую систему, которая позволила бы не только выполнять оставшиеся актуальными задачи «Шаттла» (например, достройку Международной космической станции), но и пойти гораздо дальше – вернуть человека на Луну, а в перспективе – отправить его дальше, на Марс. Причём если полёт на Марс рассматривается в достаточно отдалённой перспективе – не раньше 2030-х годаов, - то возвращение на Луну предполагается в ближайшие полтора десятилетия. Причём возвращение уже в новом качестве: не однократные разведывательные вылазки, как это было во времена «Аполлона», а постройка базы и долговременные экспедиции, с комплексными научными и технологическими исследованиями и самого нашего спутника, и космического пространства.

Так зародилась программа «Созвездие» (англ. Constellation). В рамках этой программы предполагается создание не одного пилотируемого корабля, а целого «созвездия» кораблей и носителей для них. В числе создаваемых кораблей и ракет – орбитальный пилотируемый корабль, лунный корабль, носитель для вывода орбитального корабля, тяжёлая грузовая ракета, и др. При создании этой техники предполагается максимально использовать как уже имеющуюся базу «Шаттлов», так и опыт «Аполлонов».

Предшественник

Очевидным историческим предшественником проекта «Созвездие» является, безусловно, программа «Аполлон», запущенная по инициативе президента Кеннеди в ответ на успехи Советского Союза в космосе времён первых лет космонавтики. Напомним вкратце, что представляла из себя эта программа.

Зображення

Рис. 1. Схема комплекса «Сатурн-Аполлон»
1. Система аварийного спасения.
2. Командный модуль КК «Аполлон».
3. Служебный модуль КК «Аполлон».
4. Взлётная ступень лунного модуля.
5. Посадочная ступень.
6. Приборный отсек ракеты.
7. Третья ступень S-IVB.
8. Двигатель третьей ступени J-2.
9. Вторая ступень S-II.
10. 5 двигателей J-2.
11. Первая ступень S-1C.
12. 5 двигателей F-1.


Для полёта к Луне была разработана и создана сверхмощная трёхступенчатая ракета, получившая название «Сатурн-V», способная доставить на околоземную орбиту груз порядка 130 тонн. Стартовая масса ракеты достигала почти 3000 тонн (для сравнения, стартовая масса «Шаттла» чуть больше 2200 тонн), высота ракеты – около 110 метров (у «Шаттла» около 60 метров). Первая ступень, оснащённая пятью двигателями F-1 (каждый тягой примерно в 700 тонн), в качестве топлива использовала керосин и жидкий кислород. Вторая ступень была оснащена пятью двигателями J-2, тягой примерно по 100 тонн каждый и работавшими на жидком водороде и жидком кислороде. Третья ступень использовала то же топливо и имела один двигатель J-2. Помимо «Сатурна-V», были созданы ещё две ракеты, использовавшиеся в том числе и как лётные испытательные стенды: «Сатурн-I» и «Сатурн-IB». С помощью двухступенчатого «Сатурна-I» отрабатывались отдельные элементы корабля «Аполлон». Двухступенчатый «Сатурн-IB» (с грузоподъёмностью около 18 тонн на низкой околоземной орбите) сочетал в себе 1-ю ступень «Сатурна-I» и 3-ю ступень «Сатурна-V». Таким образом, «Сатурн-IB» выполнял сразу две функции: на нём тестировалась последняя ступень лунной ракеты, и, помимо того, он служил для вывода на околоземную орбиту кораблей «Аполлон» в ходе их лётных испытаний. После завершения лунной программы «Сатурн-IB» доставлял корабли «Аполлон» к орбитальной станции «Скайлэб» и вывел корабль для совместного американо-советского полёта «Союз-Аполлон».

Пилотируемый комплекс для высадки на Луну состоял из двух кораблей: орбитального корабля «Аполлон» и лунного модуля. Орбитальный корабль (массой в заправленном состоянии около 30 тонн) имел в своём составе цилиндрический служебный отсек (содержавший двигательную установку, баки с топливом, 4 блока с двигателями системы управления и ряд служебных систем) и командный отсек. Конусообразный командный отсек, полной массой около 5,5 тонн, являлся местом пребывания экипажа в течение всего полёта к Луне и обратно. Он был единственным элементом системы, который возвращался на Землю. В командном отсеке находились кресла для трёх членов экипажа, системы жизнеобеспечения, системы управления, приборы. Он был оснащён также стыковочным узлом, двигательными установками для маневрирования в атмосфере при спуске, теплозащитным экраном и парашютной системой. Лунный модуль (масса в заправленном состоянии от 15 тонн в ранних миссиях до 16 с небольшим тонн более поздних) имел две самостоятельные ступени: посадочную и взлётную. Посадочная ступень была оснащена двигателем с регулируемой тягой для посадки на Луну, топливными баками и несла также ряд систем, обеспечивавших функционирование лунного модуля на Луне. В ней также находился отсек с научными приборами, а в последних трёх миссиях к ней был прикреплён вездеход (в сложенном состоянии). Ступень имела посадочное шасси, представлявшее собой четыре «ноги» с демпферами для гашения остаточной скорости при посадке. Взлётная ступень служила убежищем для астронавтов: в ней находились системы управления и жизнеобеспечения, она была оснащена стыковочным узлом и имела дверь для выхода на лунную поверхность. Кроме того, она имела двигатель и баки с топливом для взлёта с Луны и возвращения к орбитальному кораблю, а также двигатели системы управления (в 4-х блоках по 4 штуки). Во время старта лунный модуль крепился к третей ступени «Сатурна-V» и был защищён снаружи адаптером; к верхней части адаптера крепился орбитальный корабль «Аполлон», поверх его командного отсека находилась система для аварийного спасения командного модуля с людьми в случае аварии ракеты при старте.

Типичная миссия проходила следующим образом. «Сатурн-V» стартовал с космодрома на мысе Канаверал (называвшийся в те годы мысом Кеннеди), экипаж из трёх астронавтов находился в командном отсеке орбитального корабля. Поочерёдно отрабатывала и отстреливалась сначала первая ступень ракеты, затем вторая. Во время работы второй ступени сбрасывалась система аварийного спасения. Затем включалась третья ступень, но она вырабатывала лишь часть топлива. Её двигатель выключался, когда вся связка оказывалась на низкой околоземной орбите с наклонением около 28 градусов. На этой орбите связка находилась около двух витков, астронавты тем временем готовились к старту к Луне. Затем в расчётной точке орбиты двигатель третьей ступени запускался повторно, сообщая связке необходимую для достижения Луны скорость. Вскоре после выключения двигателя 3-й ступени происходила перестройка связки: орбитальный корабль отстыковывался от адаптера, который разделялся на 4 лепестка и отбрасывался. Орбитальный корабль совершал разворот и стыковался с лунным модулем, всё ещё закреплённым на 3-й ступени. Затм лунный модуль отстыковывался от ступени, которая отбрасывалась. Орбитальный корабль с пристыкованным лунным модулем продолжали самостоятельный полёт к Луне. Попав в поле тяготения Луны, связка начинала её баллистический облёт. Когда она находилась с обратной стороны Луны, включался двигатель орбитального корабля и тормозил связку, в результате чего она, после ряда манёвров, выходила на низкую лунную орбиту (высотой около 100 километров). Связка совершала несколько оборотов вокруг Луны, астронавты тем временем готовились к посадке в заранее предусмотренном месте (выбор мест высадки производился по результатам фотографирования беспилотными спутниками «Лунар Орбитер» и предыдущими миссиями). Двое астронавтов переходили в лунный модуль, отстыковывались от орбитального корабля и включали двигатель посадочной ступени, который производил гашение орбитальной скорости. Модуль снижался, незадолго до посадки тяга двигателя посадочной ступени уменьшалась, чтобы приспособиться к уменьшившейся (за счёт выгоревшего топлива) массе модуля и обеспечить маневрирование перед посадкой. Предпосадочное маневрирование могло производиться как в автоматическом, так и в ручном режиме. Фактически, во всех полётах предпосадочное маневрирование астронавты проводили вручную. Погасив горизонтальную и почти погасив вертикальную составляющие скорости, модуль садился на поверхность. В дальнейшем астронавты производили от одного (в самой первой миссии) до трёх выходов на поверхность Луны. Перед каждым выходом они одевались в скафандры и полностью разгерметизировали модуль, поскольку воздушного шлюза он не имел. Выходы длились до 7,5 часов (в последних миссиях), астронавты проводили исследования на поверхности Луны: устанавливали приборы, собирали образцы, удалялись на ровере на расстояние до 10 км от модуля. Оставшийся в командном модуле астронавт ждал возвращения своих товарищей. Пребывание на Луне длилось до трёх суток. После окончания работы на поверхности Луны, астронавты готовили взлётную ступень к старту. При старте с Луны взлётная ступень отстреливалась от посадочной, последняя исполняла при этом роль стартовой платформы. Взлётная ступень выходила на орбиту, сближалась с орбитальным кораблём и стыковалась с ним. Её экипаж возвращался в командный модуль, переносил туда образцы и фотоплёнки. Люк закрывался, и пустая взлётная ступень отстреливалась. Затем орбитальный корабль вновь включал двигатель и разгонялся к Земле. При полёте к Земле производились промежуточные коррекции траектории с тем, чтобы корабль вошёл в атмосферу в нужной точке и с нужным углом. Незадолго до входа в атмосферу от орбитального корабля отстреливался уже ненужный служебный отсек. Командный отсек с экипажем ориентировался теплоупорным щитом вперёд и входил в атмосферу со скоростью, близкой ко 2-й космической (более 10 км/с). Торможение было управляемым, что позволяло совершать манёвры по дальности и боковые манёвры, а также удерживать перегрузки в не слишком высоких пределах (ниже 7 «же»). Когда орбитальная скорость была погашена, вводилась в действие парашютная система, производившая окончательное торможение и затем плавный спуск командного модуля. Посадка производилась на воду в заранее определённой зоне Тихого океана, модуль садился на расстоянии в несколько десятков километров от ожидавших его кораблей. Астронавты доставлялись на борт корабля вертолётами, затем туда же доставлялся командный отсек.

Новое время – новые задачи

Конфигурация комплекса «Сатурн-Аполлон» целиком определялась задачами, поставленными перед его разработчиками. А задачи были сугубо «внешнеполитическими»: в кратчайшее время доставить человека на Луну, обогнав в этом СССР и показав всему миру, что американская космонавтика (а с ней и техническая мощь вообще) не только не уступает, но и превосходит советскую, несмотря на то, что первые успехи в космосе принадлежат именно СССР. Исходя из этих задач строилась вся программа. При создании техники разработчики исходили не столько из соображений экономичности и технической перспективы, сколько из требований простоты и надёжности, пусть даже ценой повышенных затрат. Отсюда проистекает выбор однопусковой схемы (чтобы не увеличивать количество пусков), простые и надёжные решения при конструировании двигательных установок. Всё это, с одной стороны, упрощало создание и испытание техники, а с другой – затрудняло её использование после завершения программы «Аполлон». Именно это и стало одной из причин, почему использовавшаяся в программе техника осталась фактически невостребованной после окончания полётов к Луне: ракета «Сатурн-V» была слишком большой для любых мыслимых полезных грузов того времени, а корабль «Аполлон» - слишком велик для орбитальных полётов. Орбитальная станция «Скайлэб», построенная фактически из техники, оставшейся после программы «Аполлон» (создана на базе 3-й ступени «Сатурна-V» и взлётной ступени лунного модуля, обслуживалась оставшимися после программы экземплярами КК «Аполлон») подвела черту под тем, на создание чего ушло когда-то около 25 млрд. долларов в тогдашних ценах.

Нынешнее возрвращение на Луну тоже имеет под собой политическую подоплёку, но уже скорее внутреполитическую. А сегодняшний налогоплательщик желает знать, что он получит в долгосрочной перспективе. Во всяком случае, ему нужно предложить нечто, имеющее долгосрочную перспективу, поскольку простое повторение достижений 40-летней давности мало кого заинтересует.

Исходя из этого и строится нынешний проект возвращения на Луну. Во-первых, орбитальный корабль должен быть пригоден не только для полётов к Луне, но и ещё для чего-нибудь (например, полётов на околоземную орбиту для обслуживания орбитальной станции), и не быть при этом слишком дорогим. При этом он должен вмещать в себя достаточно большой экипаж. Желательна хотя бы частичная многоразовость корабля. Возврат на Луну должен подразумевать не краткосрочные визиты, а долговременные исследования, постройку лунной базы. Таким образом, требуется возможность отправки к Луне чисто грузовых миссий снабжения будущей базы. Кроме того, в более или менее отдалённой перспективе предполагаются пилотируемые экспедиции к Марсу, и создаваемая техника должна хотя бы частично быть востребованной в будущих марсианских проектах. Ну а весь сегодняшний проект должен, с целью его удешевления, максимально использовать уже существующую технику и технологию.

Рассмотрим, какая же техника проектируется в рамках программы «Созвездие» и как она удовлетворяет рассмотренным требованиям.

Новые задачи – новая техника

Полёт к Луне требует затраты большого количества топлива, а потому для него нужна сверхмощная ракета. Обойтись несколькими ракетами средней мощности можно, но это приводит к необходимости большого числа стыковок для сборки лунного комплекса, что уменьшает полезный груз и снижает надёжность всей миссии. Самой мощной из используемых сегодня в США ракетной системой является «Спейс Шаттл», доставляющий на околоземную орбиту полную массу более 110 тонн (включая сам «челнок»). Таким образом, требование в наибольшей степени использовать уже существующие заделы естественным образом приводит к тому, что будущая сверхмощная ракета будет построена на основе системы «Спейс Шаттл».

Своё название эта ракета уже имеет: «Арес-V». Сегодня её конструкция представляется следующей. Это будет двухступенчатая ракета с двумя стартовыми ускорителями. В качестве стартовых ускорителей используются модифицированные твердотопливные двигатели SRB «Спейс Шаттла»: вместо нынешних четырёх секций, ускорители «Ареса-V» будут пятисекционными. Эта модернизация ускорителей не потребует больших затрат, поскольку секции для ускорителей стандартные. Уже сейчас каждый ускоритель «Шаттла» после каждого полёта проходит разборку на секции, каждая секция проходит проверку для её многократного использования. Увеличенный размер ускорителя потребует модернизацию его системы спасения, в частности, парашютной системы. Решение о том, будут ли эти ускорители многоразовыми, как и у «Шаттла», ещё не принято. Не исключена возможность, что от их спасения откажутся, хотя представляется вероятным, что многоразовость этого важного элемента будет сохранена.

Первая ступень «Ареса-V» будет основана на технологии, по которой сегодня конструируются подвесные баки «Шаттла». Первоначально предполагалось, что она будет оснащена шаттловскими же водородными двигателями SSME в их модернизированной, одноразовой версии (сегодняшние SSME, установленные на «челноках» - многоразовые). Однако даже цена одноразовых SSME оказалась слишком высока, поэтому был сделан следующий логичный ход: вместо дорогих SSME было решено поставить двигатели RS-68, летающие на первых ступенях ракет «Дельта-4». RS-68, самый мощный из используемых водородных двигателей, изначально создавался на принципах максимальной простоты и дешевизны, купленных ценой некоторого снижения удельных характеристик. Таким образом, хотя RS-68 по характеристикам несколько хуже SSME, но он мощнее и, главное, дешевле него. На первой ступени «Ареса-V» будет установлено 5 таких двигателей. Переход на RS-68 вынудил также несколько увеличить диаметр первой ступени (с 8,7 до 10 метров по сравнению с шаттловским подвесным баком).

Зображення
Рис. 2. Старые и новые ракеты в одном масштабе. Слева – высота в футах (0,3 метра). По материалам http://en.wikipedia.org.

Вторую ступень «Ареса-V» предстоит разработать «с нуля». В качестве топлива будет использоваться водород и кислород, а двигатель для неё будет заимствован... у ракеты «Сатурн-V». Точнее, это будет модернизированная версия двигателя J-2, стоявшего на 2-й и 3-й ступенях «Сатурна». Первоначально предполагалось, что ступень будет иметь два таких двигателя (имеющих обозначение J-2X), однако переход на более мощные двигатели на 1-й ступени ракеты позволит обойтись лишь одним двигателем J-2X.

В отличие от «Сатурна-V», выводившего на орбиту и орбитальный, и лунный корабль и летавший с людьми, «Аресу-V» предстоит выводить только лунный корабль и летать лишь в беспилотном варианте. Тем не менее, «Арес-V» будет, по-видимому, более мощной ракетой, нежели был «Сатурн-V». Предполагается, что его полезный груз на низкой орбите будет составлять около 130 тонн, а на отлётной орбите к Луне – около 65 тонн (против приблизительно 55 тонн у «Сатурна-V»). Высота ракеты вместе с грузом будет составлять, как и у «Сатурна-V», около 110 метров, а стартовая масса превысит 4000 тонн (у «Сатурна-V» было немногим менее 3000 тонн).

Для запуска орбитального корабля предполагается использовать значительно менее мощную ракету, «Арес-I». Также, как и его «старший брат», «Арес-I» будет создан с использованием техники, остающейся в наследство от «Шаттлов». Первая ступень этой двухступенчатой ракеты будет представлять собой всё тот же модернизированный шаттловский твердотопливный ускоритель, но тоже 5-секционный, как и у «Ареса-V». Вторая ступень будет совершенно новой, топливом будет водород и кислород, на ступени будет установлен один двигатель J-2X. Первоначально планировалось создание этой ступени с использованием технологии шаттловского подвесного бака и одноразовой версии SSME, но позже от этой идеи отказались в пользу создания более лёгкой ступени с более дешёвым двигателем. «Арес-I» будет способен доставить на низкую околоземную орбиту около 25 тонн полезного груза. В передней части ракеты будет укреплён орбитальный корабль «Орион» вместе с системой аварийного спасения.

Помимо «Ареса-I» и «Ареса-V», предложено создание ракеты промежуточной грузоподъёмности, обозначаемой «Арес-IV». Эта ракета будет объединять первую ступень с ускорителями от «Ареса-V» и верхнюю ступень от «Ареса-I», что обеспечит отправление около 40 тонн к Луне. Ракета может использоваться для прямой отправки корабля «Орион» к Луне и для испытания его на вход в атмосферу со 2-й космической скоростью.

Хорошо забытое старое

Для полётов к Луне нужны пилотируемые корабли, способные доставить астронавтов на поверхность нашего спутника и вернуть их на Землю. Как же будут выглядеть наследники «Аполлона»?

Зображення
Рис. 3. «Аполлон» (сверху) и «Орион» (снизу). По материалам http://www.apolloprojekt.de

Говорят, что новое – это хорошо забытое старое. Проектируемые новые корабли для доставки людей к Луне уже называют в шутку ««Аполлоном» на стероидах», и недаром. Внешнее сходство новых кораблей с «Аполлонами» 40-летней давности бросается в глаза, причём это сходство не только внешнее, но и конструктивное.

Новый орбитальный корабль, получивший название «Орион», также будет состоять из командного и служебного модулей. Но если в экипаже «Аполлонов» было 3 человека, то «Орион» должен вмещать до 6 человек при полёте к орбитальным станциям (и 4 человека при полёте к Луне). Соответственно размер командного модуля существенно увеличен, чтобы вместить в себя удвоенный, по сравнению с «Аполлоном», экипаж и систему жизнеобеспечения. При этом внешняя конфигурация модуля осталась прежней: тот же конус со стыковочным узлом впереди (позади него в особом отсеке находится парашютная система, как и у «Аполлона») и теплоупорным щитом сзади. В боковой поверхности конуса располагаются небольшие двигатели для управления спуском в атмосфере. Масса модуля увеличится, по сравнению с аналогичным модулем «Аполлона», примерно вполовину и превысит 8 тонн, диаметр тоже будет больше, около 5 метров. Изменится также атмосфера: вместо чисто кислородной, она станет кислородно-азотной, как на «Шаттлах». Важным отличием командного модуля «Ориона» от его предшественника является то, что модулю предстоит стать многоразовым: он сможет использоваться повторно после полёта. В первоначальных планах числилась штатная парашютная посадка на твёрдую поверхность, как у советских/российских КК «Союз»; все прежние одноразовые американские капсулы приводнялись («Аполлоны» могли садиться на твёрдую поверхность, но лишь в экстренном случае). Однако затем было решено, с целью упрощения разработки, отказаться от штатной посадки на твёрдую поверхность и вернуться к посадке в океан. Тем самым «Орион» стал ещё более похож на своих предшественников. Служебный модуль корабля «Орион» будет меньше аналогичного модуля «Аполлона». Его длина будет почти вполовину меньше (при несколько большем диаметре). В его составе будут топливные баки с топливом (как и у «Аполлона», на основе гидразина и тетраоксида азота; но запас топлива будет вдвое меньше), двигательная установка (основана на двигателе AJ-10 второй ступени ракеты «Дельта-2»), 4 блока двигателей системы управления, и другие служебные системы. Кроме того, служебный модуль будет нести 2 солнечные батареи: таким образом, «Орион» станет первым американским пилотируемым кораблём, использующим солнечные батареи для выработки электричества (все прочие американские корабли получали электричество с помощью аккумуляторов и водородных топливных элементов).

Таким образом, «Орион» будет по размерам несколько больше, а по массе меньше орбитального корабля «Аполлон» (примерно 20 тонн против 30), причём уменьшение массы достигнуто путём уменьшения размеров топливных баков и запаса топлива, а увеличение размера – благодаря увеличению отсека экипажа. Это согласуется с задачами использования нового корабля: он будет пригоден для достаточно экономичной доставки большого экипажа на низкую околоземную орбиту, при этом, если миссия будет ограничена обслуживанием орбитальной станции, отпадёт нужда попутно везти избыточную массу пустых баков. Однако уменьшение запаса топлива сделает невозможным торможение у Луны связки «орбитальный корабль – лунный корабль» с помощью двигательной установки орбитального корабля, как это было в полётах «Аполлона». Отныне эта задача возлагается на двигательную установку лунного модуля.

Согласно концепции, предложенной НАСА, лунный модуль в новой программе будет, как и в старой, состоять из посадочной и взлётной ступени, причём жилой также будет только взлётная ступень. Подобно взлётной ступени «Аполлона»,.новая взлётная ступень будет основана на цилиндрическом отсеке с верхним люком в стыковочном узле и боковым люком для выхода на поверхность. Но новая ступень будет существенно больше старой, поскольку рассчитана на экипаж из четырёх человек: вдвое больше, чем у «Аполлонов». Помимо экипажа с системой жизнеобеспечения, здесь будут располагаться системы управления, связи и другое оборудование. На выносных консолях разместятся двигатели системы управления. Предполагается, что ступень будет иметь воздушный шлюз; у «Аполлонов» при каждом открытии наружного люка всем астронавтам приходилось надевать скафандры и разгерметизировать весь отсек. Посадочная ступень будет беспилотной, как и у «Аполлонов», она также будет содержать двигательную установку, баки, посадочное шасси и ряд других систем.

Самым значительным отличием нового лунного модуля от старого состоит в топливе. Лунный модуль «Аполлонов» использовал так называемое высококипящее самовоспламеняющееся топливо, где в качестве горючего применялись производные гидразина, а в качестве окислителя – тетраоксид азота. Новый лунный модуль будет заправляться водород-кислородным топливом, которое позволяет получать гораздо более высокие удельные характеристики (так называемый удельный импульс) по сравнению с высококипящим топливом. Это очевидное преимущество влечёт за собой и проблемы: если производные гидразина и тетраоксид азота могут храниться как при достаточно высоких, так и при достаточно низких температурах и не требуют сложных систем поддержания температуры, то водород-кислородное топливо может существовать в жидком состоянии лишь при чрезвычайно низких температурах (около –250 градусов Цельсия для водорода), а потому нуждается в постоянном термостатировании. Помимо этого, плотность такого топлива очень низка (примерно втрое меньше, чем у воды и у высококипящего топлива), что порождает необходимость в баках гораздо большего размера. Кроме того, в новом лунном модуле на посадочную ступень возложена задача торможения связки «орбитальный корабль – лунный корабль» у Луны и перевода её на окололунную орбиту (в миссиях «Аполлона» эту задачу исполнял орбитальный корабль). Это означает, что новый лунный корабль будет содержать значительно больше топлива, нежели старый, а из-за низкой плотности этого топлива будет иметь баки намного большего размера. Двигательная установка как взлётной, так и посадочной ступени будет основана на двигателе RL-10, различные версии которого с 60-х годов применяются на верхних ступенях американских ракет (например, в разгонном блоке «Центавр»). Посадочная ступень будет иметь четыре таких двигателя, взлётная – один. Рассматриваются и варианты взлётной ступени на высококипящем топливе, что облегчит его сохранение во время пребывания корабля на поверхности Луны. Это будет особенно важно, когда от отдельных миссий проект перейдёт к стадии построения лунной базы: тогда обитатели базы должны будут постоянно иметь в своём распоряжении пригодный к возвращению корабль.

Кстати, в первоначальных планах возвращения на Луну водород в качестве горючего для лунного модуля не значился: предполагалось создание совершенно новых двигателей, работающих на жидком метане и жидком кислороде. Преимущество метановых двигателей перед двигателями на высококипящих компонентах (и даже на керосин-кислородном топливе) - в более высоких удельных характеристиках (однако существенно более низких, чем у водорода), недостаток – неотработанность технологии (до сих пор в космосе не использовался ни один двигатель, работающий на метане), потребность в термостатировании, хотя и не столь глубоком, как для жидкого водорода, и низкая плотность (хоть и более высокая, чем у водород-кислородного топлива, но всё равно вдвое более низкая, нежели у высококипящих компонентов). Главным аргументом в пользу метанового топлива была перспектива его выработки в будущих марсианских миссиях из углекислого газа тамошней атмосферы. Однако для лунных миссий этот аргумент оказался недостаточно сильным, и от метана отказались в пользу водорода, который при сравнимых недостатках значительно превосходит метан по удельным характеристикам.

В отличие от старого, новый лунный модуль сможет выполнять полёт в беспилотном режиме, что позволит создать на его основе беспилотный грузовой вариант, предназначенный для снабжения лунной базы. После завершения основной программы «Аполлон» предлагались проекты создания грузовой версии его лунного модуля с тем, чтобы продолжить программу «Аполлон» организацией лунной базы в 70-е годы. Однако вследствие особенностей системы «Сатурн-Аполлон» в каждом полёте грузовой версии лунного модуля приходилось бы «в нагрузку» отправлять к Луне и пилотируемый корабль «Аполлон», что, конечно, существенно повысило бы расходы по снабжению. Тогдашним планам не суждено было сбыться. Новый лунный модуль будет отправляться к Луне ракетой «Арес-V», не несущей никакой другой нагрузки; таким образом, становится возможной отправка чисто грузовой миссии.

Зображення
Рис. 4. Лунный модуль для программы «Созвездие». Слева для сравнения – в том же масштабе лунный модуль программы «Аполлон». По материалам http://www.spaceref.com и http://www.tallgeorge.com.

Следует отметить, что описанная концепция лунного модуля не является единственно возможной: НАСА пока не утвердила её и не назначила фирму-разработчика (в отличие от корабля «Орион», создание которого уже поручено фирме Lockheed Martin).

Возвращение на Луну

Как же будет выглядеть возвращение на Луну на новой технике?

В программе «Аполлон», как уже было сказано, использовался метод, называемый «встречей на лунной орбите»: связка орбитального и лунного модулей стартовала с Земли на одной ракете, вместе разгонялись к Луне и выходили на окололунную орбиту, где лунный модуль отстыковывался, совершал посадку на Луну, потом взлетал, снова стыковался с орбитальным кораблём, и последний затем возвращался к Земле, оставив на лунной орбите пустую взлётную ступень. При разработке «Аполлона» рассматривались и другие методы, например, сборка связки на околоземной орбите после раздельного запуска лунного и орбитального модулей на разных ракетах; но эти методы были отвергнуты как более сложные.

Схема будущих полётов к Луне объединяет метод «встречи на лунной орбите» со «встречей на околоземной орбите». Её основное отличие от схемы «Аполлонов» состоит в том, что отныне связка «орбитальный корабль – лунный корабль» будет собираться на низкой околоземной орбите, причём каждый из кораблей будет запускаться отдельно. Типичная лунная миссия начнётся со старта ракеты «Арес-V», единственной нагрузкой которой будет лунный модуль. Примерно через 2 минуты полёта отстреливаются отработавшие ускорители, ещё через несколько минут прекращает работу первая ступень и отстреливается вместе с головным обтекателем. Включается двигатель второй ступени, которая выводит лунный модуль на околоземную орбиту, выработав частично содержащееся в баках топливо. Ступень сможет оставаться на орбите до двух недель (первоначально предполагался даже 90-дневный срок). Однако старт ракеты «Арес-I» с кораблём «Орион» с четырьмя членами экипажа предполагается уже на следующий день. Стартовые окна повторяются каждые четыре дня, так что у руководителей миссии будет до трёх возможностей пуска «Ареса-I», пока в орбитальной связке «вторая ступень – лунный модуль» не выкипит чрезмерное количество топлива.

Выведенный на околоземную орбиту «Орион» стыкуется с лунным модулем, после чего вторая ступень разгоняет связку к Луне (однако орбитальный корабль при этом пристыкован напрямую к лунному модулю, а не к адаптеру, как это было у «Аполлонов», а потому разгоняется «задом наперёд»). Сообщив связке требуемую скорость, вторая ступень «Ареса-V» отстреливается, и связка продолжает полёт к Луне. Попав в поле тяготения Луны и облетая её с обратной стороны, связка должна затормозиться и выйти на окололунную орбиту. Но, поскольку топлива орбитального корабля не хватит для этой операции, то, в отличие от «Аполлонов», торможение у Луны берёт на себя лунный модуль. Уменьшив скорость связки примерно на 1 км/с, двигатели посадочной ступени лунного модуля выводят её на окололунную орбиту. Теперь, после соответствующих приготовлений, все четыре члена экипажа переходят из орбитального корабля в лунный и отстыковываются, оставив орбитальный корабль в беспилотном режиме на окололунной орбите (в миссиях «Аполлона» в лунный модуль переходили только два человека из трёх, оставляя одного члена экипажа в орбитальном модуле). Двигатели посадочной ступени сводят лунный корабль с орбиты, и он совершает посадку. Здесь астронавты в течение нескольких дней совершают выходы на поверхность, занимаются исследовательской работой.

(Кстати, место высадок тоже предполагается принципиально отличным от тех, что выбирались 35 лет назад. Мощности системы «Сатурн-Аполлон» хватало лишь на вывод лунной связки лишь на лунные орбиты, близкие к экваториальным, поэтому высадки производились в районах, не слишком удалённых от лунного экватора. Это не имело большого значения при краткосрочных посещениях нашего спутника. Но одна из задач новых экспедиций – создание лунной базы, а в этом случае выбор подходящего места высадок становится принципиальным. В приэкваториальных районах двухнедельный лунный день с температурами повехрности более 120 градусов Цельсия сменяется столь же долгой лунной ночью с температурами ниже -120 градусов. В околополюсных районах угол падения солнечных лучей гораздо более пологий, и дневные температуры могут быть гораздо более умеренными, вплоть до привычных нам. Вблизи полюсов могут существовать возвышенности, где солнце вообще не заходит, и температуры никогда не падают слишком низко. Там же существуют кратеры, дно которых постоянно закрыто от солнца их валом, и где температура всегда низка. Предполагается, что на дне некоторых подобных кратеров может иметься водяной лёд, который можно использовать как для нужд базы, так и, в перспективе, для выработки из него водород-кислородного топлива. В оптимальном случае, можно представить себе базу на постоянно освещённом солнцем валу такого кратера, которая использует запас льда на его дне. Таким образом, для лунной базы наиболее подходят именно приполюсные районы. Мощности новой лунной системы будет достаточно, чтобы выводить связку на околополярные лунные орбиты и обеспечивать посадки лунных модулей вблизи полюсов.)

Возвращение на Землю происходит аналогично тому, как это было в миссиях «Аполлонов»: взлётная ступень стартует, используя посадочную ступень в качестве стартовой площадки (оставшаяся на Луну посадочная ступень может послужить частью конструкции будущей базы). На лунной орбите взлётная ступень сближается и стыкуется с орбитальным кораблём, астронавты переходят в него, отстреливают отработавшую взлётную ступень и вскоре стартуют к Земле, используя для разгона топливо орбитального корабля. На подлёте к Земле орбитальный корабль разделяется: уже ненужный служебный отсек отстреливается и сгорает в атмосфере, а командный модуль входит в атмосферу со скоростью, близкой к второй космической, где тормозится и совершает управляемый спуск. На финальном участке срабатывает парашютная система, опускающая корабль на водную (или, при необходимости, на твёрдую) поверхность. Что дальше?

Конечно, описанный сценарий – лишь часть амбициозной программы, предполагающей не ограниченные однократные визиты на поверхность нашего спутника, но целенаправленное его исследование: постройку базы в приполярных районах Луны, где предполагается наличие водяного льда в постоянно затенённых кратерах, размещение обслуживаемых научных приборов и так далее. В более короткой перспективе предусматривается обслуживание Международной космической станции с помощью корабля «Орион», а в более далёкой – пилотируемые полёты к Марсу с помощью техники, основанной на ракетах и кораблях программы «Созвездие». Однако это – дело будущего, сегодня эти проекты существуют лишь на бумаге. Нельзя полностью исключить вероятность даже того, что собственно возвращение на Луну не состоится, если проект не получит достаточного финансирования. Тем не менее, шансы на реализацию этого проекта достаточно высоки, так что нам остаётся лишь ждать: до предполагаемого возвращения на Луну осталось немногим больше 10 лет.

http://www.aai.ee


14 листопада 2010, 13:52
Профіль WWW
Показувати повідомлення за:  Сортувати за  
Ця тема закрита, ви не можете редагувати повідомлення і писати відповіді   [ 1 повідомлення ] 

Хто зараз онлайн

Зараз переглядають цей форум: Немає зареєстрованих користувачів і 1 гість


Ви не можете створювати нові теми у цьому форумі
Ви не можете відповідати на теми у цьому форумі
Ви не можете редагувати ваші повідомлення у цьому форумі
Ви не можете видаляти ваші повідомлення у цьому форумі
Ви не можете додавати файли у цьому форумі

Вперед:  
 cron

При будь-якому використанні матеріалів сайту гіперпосилання на http://www.anomaly.pp.ua обов'язкове.

Зв'язок з адміністрацією сайту: admin[пошта]anomaly.pp.ua


Powered by phpBB © 2007 phpBB Group.

МЕТА - Украина. Рейтинг сайтов ufology-news.com