Обитаемые космические станции - Игорь Бубнов

На рис. 10 показан общий вид подобного аппарата, проект которого предложен американской фирмой «Локхид» вместе с проектом ОКС, собираемой из отдельных элементов на орбите.

Этот аппарат (фирма называет его астробуксиром) имеет герметическую кабину для двух человек, автономную двигательную установку для маневрирования на орбите, различную аппаратуру для управления и связи, в том числе счетно-решающие устройства. Для использования в монтажных работах астробуксир имеет механические руки-манипуляторы, которыми можно захватывать секции собираемого объекта, а также производить всевозможные рабочие операции. Руки-манипуляторы изготовлены из металлических труб, в сочленениях которых установлены небольшие электродвигатели, приводящие их в движение. На наружных стенках корпуса астробуксира в специальных зажимах будут подвешены крепежные детали и необходимые при монтаже инструменты, последовательно снимаемые в процессе работы механическими руками.

Силовая установка астробуксира состоит из четырех жидкостных ракетных двигателей, крепящихся на шарнирах. На борту астробуксира будет, кроме того, небольшая энергетическая установка на химическом горючем для питания аппаратуры управления и системы поддержания жизнедеятельности экипажа.

Предполагается, что астробуксир будет полностью собираться на Земле и не потребует никаких доработок в космосе. После завершения основных своих задач по монтажу станции он будет применяться для корректировки орбиты станции и ее наружного ремонта.

Сборка станции в космосе с помощью астробуксира все-таки довольно сложна. Авторы упомянутого проекта описывают ее следующим образом. На орбиту выводятся сначала секции сборной станции, затем два астробуксира и, наконец, в специальной капсуле космонавты. Таким образом, экипаж каждого астробуксира, состоящий из двух человек, занимает свои рабочие места только после запуска на орбиту. Затем установленный на астробуксире специальный радиолокатор отыскивает в пространстве необходимую монтажную секцию, излучающую определенный радиосигнал, и выдает на счетно-решающее устройство необходимые данные по дальности и углу азимута этой секции. Затем астробуксир начинает движение по выработанной счетно-решающим устройством траектории сближения. Когда до цели остается около 100 м, экипаж берет управление на себя и, снижая скорость сближения до 1 м!сек, контролирует движение по телевизору или визуально. Для облегчения визуального контроля астробуксир снабжен прожектором, а каждая секция станции — импульсным источником света, позволяющим следить за секцией на фоне звездного неба. Захват секции механическими руками астробуксира должен происходить при относительной скорости сближения порядка нескольких сантиметров в секунду.

Точно таким же образом действует экипаж другого астробуксира, осуществляя захват второй нужной секции. Затем две соединяемые секции доставляются астробуксирами в установленное место сборки. После совмещения стыковочных фланцев секций и соединения их болтами на место стыка накладывается временное герметизирующее кольцо. На этом предварительная сборка заканчивается. Через шлюзовые люки космонавты-монтажники проникают внутрь сочлененных секций и завершают сборку — ставят в месте соединения постоянный герметизирующий затвор, убирают временные переборки, монтируют гидравлические устройства и электропроводку, подключают систему регенерации воздуха и т. д.

К собранным двум секциям последовательно присоединяются все остальные. По окончании сборки на станцию прибывает основной экипаж.

Метод сборки станции на орбите из отдельных типовых секций найдет, по-видимому, самое широкое применение в строительстве крупных ОКС. Преимущества этого метода очевидны. При максимальном сокращении продолжительности монтажа станции в космосе возможно получить минимальный вес конструкции и в случае необходимости достраивать уже собранную станцию в соответствии с изменяющимися научно-техническими задачами.

НУЖНЫ МОЩНЫЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ

Теоретически можно рассчитать любую орбиту для космической станции. Можно спроектировать станцию почти любого веса, размеров и конфигурации. Но все расчеты и планы могут остаться неосуществленными, если они не будут основаны на реальных возможностях ракетной техники. Чтобы «забросить» ОКС на орбиту целиком или по частям, потребуется несколько очень больших ракет-носителей с мощными ракетными двигателями.

До сих пор все космические рейсы выполнялись с помощью жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). С тех пор как более 30 лет назад на испытательном стенде заработал первый советский жидкостный двигатель, ракетная техника ушла далеко вперед. Первые такие двигатели едва-едва могли поднять в воздух самих себя, а сейчас гигантские многоступенчатые ракеты с ЖРД развивают первую и вторую космические скорости, имея не одну тонну полезной нагрузки. Бурный успех космонавтики последних лет связан с прогрессом ЖРД, ростом их тяговых возможностей и повышением надежности. Вес доставляемых на орбиту тел за какие-нибудь четыре года вырос почти в 100 раз — с 80 кг 1957 г. до 6,5 т в 1961 г. Спрашивается, не исчерпаны ли уже все возможности ЖРД с точки зрения дальнейшего повышения технических данных орбитальных кораблей можно ли будет с помощью ЖРД создать огромные космические станции на орбите вокруг Земли или понадобятся принципиально новые схемы получения реактивной тяги?

Как показано Циолковским, конечная скорость pакеты зависит от скорости истечения продуктов реакции компонентов рабочего тела двигателя и относительного веса топлива, имеющегося на ракете:

где V — конечная скорость полета ракеты;

w — скорость истечения реактивной струи;

Gнач и Gкон — начальный и конечный вес ракеты.

Для одноступенчатой ракеты (для которой и написана эта формула) будет действительно следующее равенство:

Скорость истечения из сопла ЖРД зависит от физических и химических свойств топлива, а также от температуры и давления в камере сгорания. Отношение весов Gнач/Gкон зависит также от свойств топлива и, кроме того, от совершенства конструкции ракеты.

С целью увеличения полезного груза и характеристической скорости ракеты сейчас широко применяются «ракетные поезда», как называл Циолковский многоступенчатые ракеты.

Проблема повышения скорости истечения, которая решается не без успеха, сама по себе не является главной при создании орбитальных ракет-носителей. Весьма существенны также требования к максимальной тяге двигателя и его надежности. Особенно важны, разумеется, они для первой ступени ракеты, когда полетный вес максимальный.

Ракета для вывода ОКС на орбиту должна иметь вполне определенный избыток тяги двигателя по сравнению с весом. С одной стороны, избыток тяги должен быть достаточным для подъема ракеты данного веса. Рассуждая теоретически, можно было бы иметь начальную тягу лишь немногим больше стартового веса ракеты. Но тогда время выведения будет очень большим, а это значит, что на преодоление земного притяжения будет затрачено слишком много энергии. Это приведет к перерасходу топлива и уменьшению веса полезной нагрузки. Но, с другой стороны, избыток тяги не должен быть слишком большим, для того чтобы перегрузки, возникающие при ускорении ракеты на подъеме, были в пределах допустимых.

Работы по созданию новых мощных ЖРД ведутся сейчас довольно широко. Известно, например, что американская фирма «Рокетдайн» испытывает ЖРД с тягой около 680 т. Трудности в доводке таких двигателей значительны, а требования к точности и надежности очень высоки.

Но и такой мощный двигатель, установленный на первой ступени ракеты-носителя, не смог бы поднять на орбиту полезный груз более 10–15 т. Где же выход? В применении испытанного способа повышения тяговооруженности ракет, т. е. в использовании на начальных и последних ступенях связок из нескольких ЖРД.

Идея связок возникла в свое время в связи с недостаточной мощностью имевшихся двигателей. Теперь она получила широкое распространение, и появление сверхмощных ЖРД не противоречит этой идее, а увеличивает ее возможности. Правда, у такой схемы есть недостатки. Хотя надежность одного двигателя в связке может быть даже выше надежности одного большого ЖРД, эквивалентного связке по тяге, общая надежность связки из нескольких двигателей может оказаться недостаточной. Система топливопитания связки значительно усложняется. И все-таки это единственный путь создания ракет со стартовым весом 600 т и более. Поэтому в последнее время, как отмечается в американской печати появилась тенденция к унификации жидкостных двигателей, т. е. к сокращению различных типов ЖРД с целью получения максимальной их надежности.