Исторический экскурс в теорию и практику орбитальных станций
АВТОР: STEVEN LERNER · 18 ИЮНЯ, 2020
Международная Космическая Станция (МКС)
Вместо предисловия
В обсуждении моей статьи о Королеве и фон Брауне были высказаны претензии, что я в ней «тенденциозно» не отразил других советских «достижений», как то: советские орбитальные станции и ракеты Протон.
Я пытался объяснить, что статья о двух конструкторах, о работах фон Брауна и Королева, но это не находило понимания — вынь нам, да положь достижения орбитальных станций.
Ладно. Сами напросились.
Идея создания орбитальных станций восходит к началу разработок идей освоения космоса. Со временем, стало понятным, что для межпланетных перелетов могут быть собраны на орбите большие транспортные системы, которые сами не смогут садиться на планеты и потом взлетать с них. Предполагалось иметь транспортные средства, способные осуществлять челночные рейсы между орбитальными станциями на орбитах планет и поверхностью, а транспорт между станциями на орбитах осуществлять межпланетными кораблями. За счет того, что эти межпланетные корабли не должны были входить в атмосферу, переносить большие нагрузки, им не требовалась тяжелая теплозащита, конструкция не требовала такой большой прочности, а значит, корабли могли стать больше, вместимее, нести больше людей, грузов, топлива и припасов для экипажа — летать дальши и, вероятно, быстрее.
Но для этого требовались большие орбитальные, как теперь принято говорить, хабы.
Другой задачей орбитальных станций были исследовательские работы, научные исследования, лаборатории для работ в условиях микрогравитации и/или вакуума.
Но в любом случае, на чем бы орбитальная станция ни специализировалась, ключевым фактором становился её размер, вернее, обитаемый объём.
Предистория
С середины 50-х годов ХХ века, практически одновременно, в СССР и США возникла идея создания долговременных обитаемых станций в целях проведения оптической и радиолокационной разведки с орбиты. Корабли были слишком маленькими и не обеспечивали обитаемости на сколько-нибудь приемлемый период времени.
10 декабря 1963 года в США была объявлена программа Пилотируемой Орбитальной Лаборатории (Manned Orbiting Laboratory, MOL).
В это же время, в СССР, у Челомея шли аналогичные разработки. Я не знаю, инициировали ли их объявленные американские планы по MOL, но по времени начала работ и назначению челомеевских Алмазов очень на то похоже. Челомей вместе с проектом станции мог предложить ракету УР-500 для вывода её на орбиту. Зато у Феоктистова уже были разработаны двигательные системы, системы ориентации и системы жизнеобеспечения для пилотируемых кораблей Союз. У Королёва делали пилотируемый корабль 7К-ОК (Союз) как раз для работы на орбите Земли, а у Челомея проектировали транспортный корабль аналогичного назначения.
Проиграв лунную гонку, в СССР предпочли о ней больше не говорить, но заявить, что Советский Союз сосредоточится на создании долговременных обитаемых орбитальных станциях, как на базисе освоения космического пространства. С точки зрения космического престижа страны, супротив высадки на Луну, это смотрелось достаточно жалко, но хоть что-то.
Орбитальные станции Алмаз
Станция «Алмаз» разрабатывалась в ОКБ-52 под руководством В.Н.Челомея несла телескоп-фотоаппарат Агат-1, а также целый комплекс длиннофокусных фотокамер для съёмки Земли общим числом 14 единиц. Станция вооружалась на первом этапе системой Щит-1 (модифицированной автоматической пушкой НР-23 конструкции Нудельмана — Рихтера), которую должна была сменить система Щит-2, состоящая из двух ракет класса «космос-космос».
Это камушек в огород тех, кто сейчас ноет про милитаризацию космоса американцами.
Вооружение станции мотивировалось защитой от «похищения» американскими челноками. В СССР любили защищаться от несуществующих угроз.
Основные массо-габаритные параметры станций типа Алмаз:
К проекту станции прилагался проект корабля ТКС (Транспортный Корабль Снабжения).
Этот корабль, надо отдать должное ОКБ-52, был более продвинутым, по сравнению с Союзами. Имел герметичный спускаемый аппарат, в котором, теоретически, мог размещаться экипаж из 2 человек и возвращаемый груз. Спускаемый аппарат был многоразового использования, но максимальное время автономного полета ВА было очень коротким — 3 часа, а максимальное время пребывания экипажа в корабле — 31 час. Видимо, поэтому ТКС не стал пилотируемым кораблем.
Всего было запущено 5 станций «Алмаз»—ОПС — пилотируемые Салют-2, Салют-3, Салют-5, а также автоматические модификации Космос-1870 и Алмаз-1.
Долговременная Обитаемая Станция (ДОС)
Станции разрабатывались в ОКБ-1 (у Королева) под руководством Феоктистова, как относительно «гражданский» проект. Во всяком случае, их не предполагалось вооружать. Видимо, этим станциям не грозило «похищение шаттлами».
После успешной американской экспедиции Аполлон-11, Феоктистов обратился к Устинову с предложением использовать наработки ОКБ-52 и быстро запустить орбитальную станцию. Устинов проект поддержал, внес его на рассмотрение Политбюро. Члены Политбюро одобрили план и вынесли соответствующее постановление, тем более, что в СССР планировали отпраздновать трудовыми достижениями 100-летнюю годовщину Ленина, а также близился ХХIV съезд. Несколько корпусов орбитальных станций были переданы Феоктистову в ОКБ-1 из ОКБ-52 Челомея. Владимир Николаевич охарактеризовал это действие как «пиратский набег на его остров».
ДОС-1
Станция у Феоктистова получилась чуть легче Алмаза, 18,425 т, но имела чуть больший обитаемый объём, 99 кубометров, что позволяло размещать в ней до 3 человек.
Обе станции, и Алмаз, и ДОС изначально имели по одному стыковочному узлу.
Запуск Салюта-1 состоялся 19 апреля 1971 года. Ракета Протон-К вывела станцию на орбиту. А через 3 дня, 22 апреля, к станции отправился экипаж на корабле Союз-10. Но Шаталов, Елисеев и Рукавишников не смогли состыковаться со станцией. Сцепка стыковочного штыря с конусом пассивного модуля произошла, но стягивание и герметизация не проходили. Разорвать сцепку тоже не сразу удалось — экипаж был на волоске от гибели. И всё же, героическими усилиями ЦУПа и космонавтов удалось отодрать Союз от Салюта, а экипаж успешно смог вернуться на Землю, хотя и несолоно хлебавши.
Вторая экспедиция к Салюту-1 проводилась кораблем Союз-11.
Корабль с космонавтами Добровольским, Волковым и Пацаевым смог провести стыковку и обнаружил, что атмосфера станции сильно задымлена. После ремонта вентиляционной системы космонавты провели следующие сутки в спускаемом аппарате, ожидая регенерации воздуха. За 22 дня трое членов экипажа, несмотря на некоторые нештатные ситуации (на станции произошёл как минимум один пожар, ликвидированный космонавтами), успешно выполнили программу полёта. Но при возвращении корабля на Землю произошла разгерметизация спускаемого аппарата. Поскольку экипаж, со времен Восходов, в советских кораблях летал без скафандров (в целях экономии места), то все трое погибли.
11 октября 1971 года станция Салют-1 вошла в плотные слои атмосферы, где и сгорела, пробыв на орбите 175 суток.
Следующая попытка запуска станции Салют была предпринята 29 июля 1972 года. Станция ДОС-2 до орбиты не добралась в связи с аварией ракеты-носителя Протон.
Не знаю, злорадствовали ли у Челомея по поводу неудач конкурентов, но в аварии ДОС-2 была вина их ракеты.
4 апреля 1973 года, наконец, запустили станцию Челомея Салют-2. Впрочем, радости это достижение не добавило. Через 9 суток произошла разгерметизация станции. Пробыв на орбите 54 дня, станция сгорела в плотных слоях атмосферы, так и не приняв ни одного экипажа.
11 мая 1973 года снова попытались запустить станцию типа ДОС.
ДОС-3 пришлось присвоить название Космос-557. Отказ в системе управления, приведший к полной выработке топлива двигателей ориентации. Через 11 дней станция сошла с орбиты.
Пока в СССР мучались с этими проблемами, американцы, 14 мая 1973 года запустили свой Скайлэб.
Ещё в середине 60-х годов Вернер фон Браун выдвинул концепцию создания больших орбитальных станций на основе модулей из переделанных корпусов ракетных ступеней. Первое, он предложил сделать станцию в корпусе верхней ступени Сатурн-1В. Фактически станция выступала в двух ипостасях — сначала выводила себя на орбиту как ракетная ступень, затем освободившийся бак жидкого водорода дооснащался, и ступень превращалась в орбитальную станцию. Предусматривалось наличие стыковочного узла. Проект под рабочим названием «Orbital Workshop» нашёл поддержку руководства НАСА и начал осуществляться. Однако, после завершения лунной программы, у НАСА остался запас ракет Сатурн-5 и кораблей Аполлон. Поэтому вариант ступени с дооснащением на орбите стал неактуальным. Новый проект получил название Skylab — небесная лаборатория. Станцию построили на базе, как и предполагалось, верхней ступени Сатурн-1В, но её полностью оснастили и даже экипировали всем необходимым расходным материалом прямо на Земле. Станция получилась со стартовой массой 77 тонн, благо для Сатурн-5 это не представляло трудности.
Станция Скайлэб
Это была реально огромная, по тем временам, станция. Её обитаемый объём был более 350 кубометров, более, чем в 3,5 раза больше советских Салютов. Станция имела 2 стыковочных узла — осевой и боковой. Скайлэб имел огромный внутренний объём, предоставляя практически неограниченную свободу передвижений, например легко можно было прыгать от стенки к стенке во время занятий гимнастикой. Астронавты находили бытовые условия обитания на станции весьма комфортными: в частности, там был установлен душ. Имелся и специализированный туалет — шкаф размерами с автомат для продажи газированной воды с тремя мочеприёмниками, который делал автоматический анализ мочи; для удобства фиксации тела перед ним к полу были прикреплены шлёпанцы. Каждый астронавт располагал небольшим отдельным отсеком-каютой — нишей с закрывающейся шторкой, где было спальное место и ящик для личных вещей.
Все необходимое для деятельности трёх экипажей находилось на Скайлэбе во время его запуска, включая 907 кг продуктов и 2722 кг питьевой воды.
Схема обитаемого пространства станции Скайлэб в разрезе
Не обошлось без неприятностей. При запуске, со станции сорвало часть теплоизолирующего экрана, одну боковую солнечную батарею вырвало, а другую заклинило. Из за этого, первая экспедиция на станцию стала не столько исследовательской, сколько ремонтной.
Астронавты несколько раз выходили в открытый космос, заклинившую солнечную батарею исправили, а участок с сорванной теплозащитой прикрыли «зонтиком» на 4 спицах. Энергоснабжение станции было восстановлено в достаточном объёме, а терморегуляция налажена. Вторая экспедиция заменила часть гироскопов.
В общей сложности на станции побывали три экспедиции. Основной задачей экспедиций было изучение адаптации человека к условиям невесомости и проведение научных экспериментов. Поскольку сам запуск станции имел обозначение SL-1 («Скайлэб-1»), три пилотируемых полёта имели номера 2, 3 и 4.
Несмотря на многочисленные трудности, экспедициями на «Скайлэб» было проведено огромное количество биологических, технических и астрофизических экспериментов. Наиболее важными были телескопические наблюдения Солнца в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах, было заснято множество вспышек, открыты корональные дыры. Выходы в открытый космос во время экспедиций включали регулярную смену плёнки астрономических инструментов, установленных на внешней стороне станции.
Каждая экспедиция ставила рекорд продолжительности пребывания человека в космосе. Первая экспедиция длительностью 28 дней побила рекорд — 23 дня Союз-11 с Салют-1. Рекорд последней экспедиции — 84 дня был побит только в 1978 году на Салют-6 — 96 дней.
Одну экспедицию отменили, использовав корабль для проекта Союз-Аполлон, а возобновлять производство кораблей Аполлон для полетов на Скайлэб бюджет не дали. В это время уже на полных парах шел проект спейс-шаттл и в планах были работы шаттлов со станцией Скайлэб. В том числе, предполагалось поднять орбиту станции, пополнить запасы и вообще, сделать её постоянно обитаемой.
Но судьба распорядилась иначе. Возросшая солнечная активность, без всякого «глобального потепления», подогрела земную атмосферу, что повысило её плотность на высоте орбиты станции. В то же время, проект спейс-шаттл запаздывал по срокам и просто не успели. Станция начала тормозиться следами атмосферы раньше и сильнее ожидаемого, шаттлы не успели и 11 июля 1979 года, проведя на орбите больше 6 лет, станция упала в атмосферу, где и разрушилась. Первый шаттл полетел только через 2 года, 12 апреля 1981.
26 июня 1974 года в СССР запустили станцию Салют-3.
Это вторая станция из серии Алмазов и ей повезло чуть больше первой. 3 июля к ней отправился Союз-14 с Павлом Поповичем и Юрием Артюхиным. Стыковка удалась и, пробыв на станции целых 14 дней, экипаж вернулся в корабль, расстыковался со станцией и благополучно вернулся на Землю.
Вторая экспедиция снова не задалась. Союз-15 стартовал 27 августа, но из-за неисправности в системе сближения и стыковки «Игла» стыковка была отменена, экипаж вернулся на Землю.
Салют-3 пробыл на орбите 213 дней, из которых только 14 проработал в пилотируемом режиме. 25 января 1975 года станция сгорела в атмосфере.
26 декабря 1974 года был запущен очередной ДОС под назвыанием Салют-4.
После гибели экипажа Союз-11, космонавтов снова облачили в полетные скафандры, поэтому Союзы стали 2-местными. Соответственно и Салюты стали 2-местными. Имея только один стыковочный узел, Салюты не могли одновременно принимать больше одного корабля.
10 января к Салюту направился Союз-17 с космонавтами Гречко и Губаревым. Стыковка прошла успешно. 9 февраля экипаж вернулся на Землю.
Удалась и вторая экспедиция. Правда, первая попытка была неудачной. Союз-18-1 запустили 5 апреля, но в связи с аварией ракеты Союз (самой надежной в мире?) корабль выполнил суборбитальный полёт. Зато 24 мая, запущенный Союз-18, с Севастьяновым и Климуком, благополучно добралсся до станции и провел на ней около 2 месяцев. 26 июля экипаж вернулся на Землю.
Салют 4 просуществовал на орбите 770 суток, из которых, в пилотируемом режиме — 92 дня. 3 февраля 1977 года станция вошла в атмосферу.
22 июня 1977 года на орбиту вывели Салют-5. Это снова был Алмаз.
Были осуществлены 2 стыковки, с кораблями Союз-21 и Союз-24. Стыковку Союза-23 опять сорвала система сближения Игла.
Салют-5 провел в космосе меньше предшественника, 411 дней, и, соответственно, меньше в пилотируемом режиме — 64 дня.
29 сентября 1977 года был запущен ДОС второго поколения — станция Салют-6. ДОСы потяжелели почти до 20 тонн и, наконец, получили второй стыковочный узел, как у Скайлэб. Теперь стало возможным пилотировать станцию и, одновременно, принимать корабли снабжения Прогресс, либо экспедиции посещения. Станция приняла пять долговременных экспедиций и была обитаемой, в общей сложности, 683 дня из 1764, проведенных на орбите.
29 июля 1982 года Салют-6 сошел с орбиты и сгорел в атмосфере.
19 апреля 1982 года, на смену Салют-6 был запущен второй ДОС второго поколения под названием Салют-7.
Эта станция стала реально долгожителем, проведя на орбите 3216 суток, из которых 816 дней была пилотируемой. Салют-7 принял уже 6 долговременных экспедиций.
Дальнейшая история Салютов плавно переходит в станции Мир и МКС. Салют-8 (ДОС-6) стал базовым модулем станции Мир, а Салют-9 (ДОС-7) переквалифицировался в модуль Звезда в составе МКС.
Станция Мир стала первой много-модульной. 19 февраля 1986 года на орбиту был выведен базовый модуль, в девичестве ДОС-6.
Станция Мир с кораблями Союз и прогресс. Фотография сделана 29 января 1988 года с шаттла Endeavour
Окончательный полный обитаемый объем орбитального комплекса Мир вместе с пристыкованными кораблями (376 кубометров), наконец, чуточку превзошел обитаемый объём Скайлэб (351,6 куба).
При этом, вес Мира составил 124,3 т против 77 тонн Скайлэба.
Нельзя сказать, что станция была «везучей».
Союз-ТМ-17, 14 января 1994 года, при подходе, дважды трахнулся о модуль Кристалл.
23 февраля 1977 года на станции произошел пожар.
И, наконец, 25 июня того же года, корабль Прогресс, при перестыковке в ручном режиме телеуправления, врезался в модуль Спектр, пробив дырку и сломав несколько солнечных батарей.
Это не считая мелких неприятностей, типа утечки этиленгликоля, появления плесени и прочих досадных недоразумений.
Ну а потом была станция нового типа — МКС. Её гигантские «крылья» ферменных конструкций стали, видимо, символом этого стиля.
Про осмысленность идеологии долговременных обитаемых орбитальных станций — это отдельный разговор. Но, по моему мнению, эти станции остановили экспансию человечества в глубокий космос, как минимум, на 40 лет.
