Обитаемые космические станции

Бубнов Игорь Николаевич

Каманин Лев Николаевич

Предлагаемая читателю книга рассказывает о проблемах, которые необходимо решить на предстоящем этапе освоения космического пространства — при создании обитаемых космических станций на орбитах вокруг Земли. На основе изучения и критического анализа обширных материалов, опубликованных в советской и зарубежной печати, авторы рассказывают о тех трудностях, которые предстоит преодолеть ученым и инженерам при создании орбитальных станций. Читатель найдет в книге описание некоторых проектов обитаемых космических станций. Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся перспективами освоения космического пространства.

 

ЧЕЛОВЕК В КОСМОСЕ, А ЧТО ДАЛЬШЕ?

Успехи современной космонавтики позволяют нам сегодня приоткрыть завесу будущего и заглянуть в завтрашний день науки и техники.

Предлагаемая читателю книга рассказывает о проблемах, которые необходимо решить на предстоящем этапе освоения космического пространства — при создании обитаемых космических станций на орбитах вокруг Земли. Такие станции позволят провести в космосе широкие исследования околоземного пространства, а также геофизические и астрономические наблюдения и много различных научных экспериментов. Орбитальные станции явятся как бы стартовыми площадками для запуска космических кораблей на другие планеты.

На основе изучения и критического анализа обширных материалов, опубликованных в советской и зарубежной печати, авторы рассказывают о тех трудностях, которые предстоит преодолеть ученым и инженерам при создании орбитальных станций. Читатель найдет в книге описание некоторых проектов обитаемых космических станций.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся перспективами освоения космического пространства.

…Развив первую космическую скорость, ракета вышла на орбиту вокруг Земли. Пассажиры вдруг почувствовали необычайную легкость — наступило состояние невесомости. В круглых иллюминаторах на сплошном черном фоне с тысячами ярких точек — звезд — появилось большое светлое пятно. Оно растет. Вот уже можно рассмотреть огромное сооружение, похожее на гигантское колесо со спицами, плывущее навстречу земному кораблю. Колесо медленно вращается. На его поверхности множество приборов и антенн. Круглые окна излучают мягкий свет.

Сделав маневр, ракета сближается с причалом, похожим на большую трубу, у самой оси колеса. Легкий толчок — и ракета «поглощена» трубой. Пассажиры корабля занимают места в кабине лифта. Кабина трогается, и ощущение невесомости постепенно исчезает. Лифт останавливается, навстречу — люди. И снова, почти как на Земле, ощущение тяжести тела. Но это не Земля, это борт орбитальной космической станции (ОКС)…

Еще не так давно все это могло показаться фантастикой. А ныне, когда полет человека в космос — реальность нашего времени, создание обитаемых станций в космосе стало задачей недалекого будущего.

Наш великий соотечественник К.Э.Циолковский (1857–1935 гг.) еще 60 лет тому назад писал: «Решим сначала легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости от Земли в качестве ее спутника на расстоянии 1–2 тысячи километров от ее поверхности»[1].

Циолковский считал, что достижение Луны и ближайших к Земле планет солнечной системы — задача нескольких поколений. Прежде всего человек должен освоить ближний космос, построить обитаемые спутники Земли. Он писал: «Движение вокруг Земли снарядов со всеми приспособлениями для существования разумных существ может служить базой для дальнейшего распространения человечества». Это были не рассуждения мечтателя-фантаста, а глубокий расчет ученого-теоретика.

Человек начал мечтать о полетах в космос на сотни лет раньше, чем сумел подняться в воздух. Люди думали о полетах на Луну и Марс, еще не предполагая о других источниках двигательной силы, кроме силы мускулов человека или животных.

Сейчас трудно установить, когда творческая фантазия человека впервые устремилась к далеким звездам. Этой волнующей теме посвящены литературные произведения разных эпох и народов, многие из них проникнуты глубокой верой в безграничные возможности человека и нередко поражают неожиданным научным предвидением.

Одному из первых рассказов о космическом путешествии уже более 1800 лет. Речь идет о занимательных «Правдивых историях» античного писателя и философа Лукиана Самосатского (около 125–192 гг.). Его героям звездоплавателям сильный ветер помог добраться до Луны за семь дней и семь ночей. Конечно, творческий ум писателей-фантастов порождал и другие проекты достижения небесных тел, например с помощью гигантской пушки. Но реальные принципы полета в космос были еще не ясны не только Лукиану, но и мечтателям десятков следующих поколений.

Сейчас уже каждый школьник знает, что единственным средством проникновения в космос является ракета. Но не все знают, что ракета — древнейшее изобретение. Ученые предполагают, что первые пороховые ракеты появились за много лет до нашей эры и использовались главным образом в военных целях, но потом они стали лишь средством развлечения на массовых праздниках и гуляниях.

Только в начале XIX века ракеты вновь приковали к себе внимание военных специалистов разных стран.

Теоретические и экспериментальные работы в области пороховых ракет того времени связаны с именами русских военных инженеров А.Д.Засядко (1779–1837 гг.), К.И.Константинова (1817–1871 гг.) и англичанина Вильяма Конгрева (1772–1828 гг.). Разумеется, никто из них не помышлял о возможности использования ракет для космических полетов. Впрочем, интересно вспомнить, что еще известный французский писатель Сирано де Бержерак (1619–1655 гг.), человек весьма далекий от науки, в своей фантастической повести «Путешествие на Луну» (1645 г.) в качестве двигательной силы для передвижения в космосе «применил» пороховые ракеты. Это было одно из великих творческих предвидений.

Прошли сотни и сотни лет со дня изобретения первых ракет, понадобилась гигантская эволюция мысли и способностей человека, науки и техники, прежде чем мечты о полете в космические дали стали реальностью. На этом славном пути история вписала в летопись науки имена многих ученых, теоретиков и практиков разных стран и эпох.

С именем Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.) связано зарождение теоретических и практических основ аэродинамического полета в атмосфере.

Николай Коперник (1473–1543 гг.) в своем знаменитом сочинении «Об обращениях небесных сфер» обосновал гелиоцентрическую систему мира.

Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.) открыл законы движения небесных тел. Его труд «Гармония мира» (1619 г.) объединил теорию движения планет.

Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) сформулировал основные законы классической механики, создав тем самым научную базу для исследования реактивного движения.

В конце XIX — начале XX века, опираясь на достижения математики, физики и механики, широко развились новые прикладные науки. Среди десятков имен выдающихся русских ученых и инженеров широко известно имя академика Я.В.Мещерского (1859–1935 гг.), автора теории движения тел переменной массы. Труды этого выдающегося ученого явились базой для современной ракетодинамики.

В воздух еще не поднялся первый самолет, когда появились первые попытки обосновать возможность применения ракеты для космических полетов. Наш русский механик-самоучка народоволец Николай Кибальчич (1854–1881 гг.), находясь в камере-одиночке, приговоренный к смертной казни, разработал «предварительную конструкцию ракетного самолета». Это было первое инженерное решение идеи космического полета. «Сила взрывов освободит человека от земного рабства, и силами взрывов человек когда-нибудь полетит к звездам», — писал Кибальчич.

Десятилетием позднее, в 1891 г., немецкий инженер Герман Гансвиндт опубликовал описание проекта ракетного космического корабля с вращающейся кабиной с целью создания в условиях невесомости искусственной силы тяжести для удобства экипажа. Проекты Кибальчича и Гансвиндта, не знавших иного ракетного двигателя, кроме порохового, были недостаточно разработаны теоретически и представляли собой лишь эскизные наброски. И только великий сын нашей земли К.Э. Циолковский впервые научно соединил смелость человеческой фантазии и мудрость научного мышления.

К.Э.ЦИОЛКОВСКИЙ

Скромное провинциальное существование, оторванность от мировой науки, отсутствие всякой поддержки официальных кругов царской России не помешали великому ученому-самоучке провести целый ряд важных исследований и сделать крупнейшие открытия в области аэродинамики, астронавтики и ракетной техники. С именем Циолковского неразрывно связано одно из величайших технических достижений начала XX века — жидкостная ракета, которая дала человечеству те могучие силы, без которых мысль о полете в космос осталась бы только мечтой.

Циолковский не только открыл для человечества ракету как средство достижения дальних миров, но и тщательно обосновал ее возможности математически. Разработав конструкцию жидкостной ракеты, к идее которой он пришел еще в 1883 г., Циолковский дал ее расчет, обосновал возможность применения различных топлив и выдвинул ценные предложения по ряду других теоретических и практических вопросов космонавтики (многоступенчатые ракеты, орбитальные космические станции и др.).

Труды Циолковского дали мощный толчок исследовательской мысли во всех странах. В 30-х годах уже десятки и сотни пытливых исследователей, объединенных в несколько астронавтических обществ, работали над развитием его идей. Понятия «ракета» и «космос» завладели десятками энергичных умов и быстро превратились из предметов мечты и фантастики в многообещающую реальность. Ф.А.Цандер, Ю.В.Кондратюк, Н.А.Рынин и многие другие в СССР, Оберт, Валье, Винклер, Пирке и Гоман в Германии, Роберт Годдард в США, Эно-Пельтри во Франции, Зандер и Нордунг в Австрии разрабатывали теорию межпланетных полетов, проектировали и строили двигатели на жидком топливе.

В СССР Ф.А.Цандер построил и испытал первые жидкостные ракетные двигатели в 1930–1932 гг. Первый пуск советской ракеты на жидком топливе был осуществлен в 1933 г.

В период второй мировой войны (1939–1945 гг.) ракетное оружие широко применялось в боевых условиях. Успешное применение ракетного оружия Советской Армией в боях против японских милитаристов и немецко-фашистских захватчиков оказалось большой неожиданностью для немецких и американских военных специалистов, претендовавших на приоритет в этой области. Еще накануне второй мировой войны правящие круги фашистской Германии все исследования немецких ракетостроителей полностью подчинили военным целям. Однако только лишь к концу войны немцам удалось наладить производство ракетного оружия. В 1944 г. они подвергли обстрелу города Англии самолетами-снарядами ФАУ-1 и баллистическими ракетами ФАУ-2.

Ракета ФАУ-2 была по тому времени значительным достижением науки и техники. Обладая максимальной дальностью полета 300 км и высотой полета 190 км, ФАУ-2 явилась той основой, на базе которой в послевоенный период начались ракетные исследования в США.

Достижения советской ракетной техники в послевоенный период получили мировое признание. В удивительно короткий срок в Советском Союзе были решены такие задачи в области ракетной техники и космонавтики, на которые во времена Циолковского отводились многие десятки лет. В 1935 г. К.Э. Циолковский, восхищенный успехами социалистического государства и прогрессом техники, заявил, что вынужден изменить свое мнение о сроках первых космических полетов. Если раньше он считал, что для осуществления их потребуются еще сотни лет, то теперь он был уверен, что первые полеты в космос совершатся не позже, чем через несколько десятилетий.

Но действительность опередила и эти сроки великого мечтателя. В год столетнего юбилея К.Э.Циолковского, 4 октября 1957 г., на орбиту был выведен первый советский искусственный спутник Земли. Это событие по праву считается началом космической эры.

Последующие годы ознаменовались выдающимися успехами в освоении космического пространства. В течение немногих лет в СССР и США было запущено несколько десятков искусственных спутников, с помощью которых были добыты новые, исключительно важные научные данные о физическом строении и о свойствах околоземного и межпланетного пространства.

Непревзойденным достижением нашего времени явились полеты трех советских космических ракет в сторону Луны (1959 г.), которые обогатили науку новыми данными. Непосредственными измерениями было установлено отсутствие вблизи Луны заметного магнитного поля и радиационных поясов. Полет третьей советской космической ракеты, обогнувшей Луну, дал возможность увидеть то, что, казалось, самой природой было скрыто навсегда от взоров людей.

Последующие запуски кораблей-спутников, в кабинах которых находились собаки и другие представители живого мира, позволили отработать космические системы жизнеобеспечения, системы ориентации спутника в пространстве, а также решить сложнейшую задачу возвращения космического корабля на Землю.

И вот наступил 1961 год, который навсегда останется в памяти всех народов и поколений.

12 апреля советский человек, коммунист, летчик-космонавт Юрий Алексеевич Гагарин в специальной герметической кабине с помощью многоступенчатой ракеты, развившей скорость около 8 км/сек, достиг высоты более 300 км и, описав круг по орбите вокруг Земли, благополучно приземлился.

Космический полет Юрия Гагарина — это великая победа человека над силами природы, огромное завоевание науки и техники, торжество человеческого разума. Этим полетом положено начало проникновению человека за пределы Земли.

Научные данные, полученные в результате полета Юрия Гагарина, позволили перейти к подготовке суточного полета в космос. 6 августа 1961 г. мощной советской ракетой на орбиту вокруг Земли был выведен новый космический корабль, пилотируемый летчиком-космонавтом Германом Степановичем Титовым. Впервые был осуществлен длительный космический полет. Герман Титов проделал в космосе путь, почти равный расстоянию от Земли до Луны и обратно. Это был крупный шаг на пути освоения космического пространства. Вслед за советскими космонавтами на орбите вокруг Земли побывали и американцы. Менее совершенные космические корабли не позволили космонавтам Соединенных Штатов Америки Дж. Гленну и С.Карпентеру сделать более трех витков вокруг Земли.

В августе 1962 г. совершилось новое выдающееся событие. На орбиту вокруг Земли были выведены корабли-спутники «Восток-3» и «Восток-4», пилотируемые советскими летчиками-космонавтами Андрияном Григорьевичем Николаевым и Павлом Романовичем Поповичем.

Многодневный, групповой полет советских космических кораблей означал новую ступень в освоении космоса. Впервые была осуществлена радиосвязь не только между космическим кораблем и Землей, но и между находившимися в полете кораблями на различных дистанциях.

Длительное пребывание человека в космосе оправдало надежды ученых на то, что в состоянии невесомости можно жить и плодотворно работать. Мировая научная общественность справедливо оценила полеты советских космонавтов как крупнейший успех советской науки и техники.

Полетами мужественных американских космонавтов У.Ширра и Г.Купера, совершивших в разное время соответственно шести- и двадцатидвухкратный облет Земли, внесен существенный вклад в дело освоения космоса.

Не прошло и года со дня первого группового полета советских космонавтов, как мир узнал о новом совместном полете двух космических кораблей «Восток-5» и «Восток-6», пилотируемых летчиком-космонавтом Валерием Федоровичем Быковским и первой в мире женщиной-космонавтом — Валентиной Владимировной Терешковой.

Полет Терешковой, продолжавшийся 71 час, — замечательный пример мужества и героизма.

Весь мир воочию убедился, что женщина, воспитанная социализмом, во всех делах народа всегда рядом с мужчиной: и в самоотверженном труде, и в героическом подвиге.

Полет Быковского продолжался 119 часов. За это время он покрыл расстояние, равное 3 млн. 300 тыс. км. Поставленный в этом полете мировой рекорд дальности и продолжительности космического полета свидетельствует о неоспоримом превосходстве нашей страны перед США в области космонавтики. Как видно из табл. 1, советские космонавты в общей сложности совершили 259 оборотов вокруг Земли, а американские — только 34. Советские космонавты провели на орбите около 16 суток, а американские — немногим более двух суток. Наши космические корабли по весу более чем в три раза тяжелее американских.

Важным шагом на пути освоения космического пространства явился запуск советского маневрирующего космического аппарата «Полет-1», запущенного 1 ноября 1963 г. Эта победа советской науки и техники приблизила решение задачи управления полетом космических кораблей.

Как могло случиться, что Соединенные Штаты Америки, имевшие самую развитую в мире экономику, отстали от СССР, страны, на которую они еще не так давно смотрели свысока? Достижения Советского Союза казались чудом.

Но чудес на свете не бывает, наши успехи в освоении космоса — это доказательство преимущества советской социалистической системы над системой капиталистической.

Таблица 1

Социализм, по образному выражению Н.С.Хрущева, и есть та самая надежная стартовая площадка, с которой Советский Союз так успешно запускает свои космические корабли.

Итак, путь в космос открыт. Полеты обитаемых кораблей по орбитам стали доступны. Что же дальше? Конечно, теперь полеты человека на Луну и другие планеты стали близкой, почти ощутимой реальностью. Видимо, они будут осуществлены на глазах нынешнего поколения. Но это потребует длительной и напряженной исследовательской работы. Такая работа уже проводится учеными и инженерами многих стран. Об этом свидетельствуют систематические запуски в космос искусственных спутников Земли, орбитальных кораблей и межпланетных автоматических станций.

Прежде чем отправиться к другим планетам, предстоит решить еще много интересных и трудных задач на пути освоения околоземного космического пространства. Одной из ближайших задач на этом пути будет, видимо, создание длительно действующих орбитальных космических лабораторий с научно-техническим персоналом на борту. Такие станции, вооруженные разнообразной и сложной исследовательской аппаратурой, в комплексе с автоматическими спутниками Земли будут применяться для изучения околоземного космического пространства, различных научных исследований и подготовки полетов на другие планеты.

На рис. 1 изображен один из возможных вариантов конструктивного воплощения орбитальной космической станции.

Рис. 1. Один из вариантов конструктивного решения орбитальной космической станции

Обращая внимание на реальность и перспективность длительных орбитальных полетов, перечисляя целый комплекс наиболее интересных задач для обитаемых космических станций, газета «Правда»** писала, что «орбитальные космические аппараты этого типа представляют значительный интерес как для научных исследований oколоземного пространства и 3емли как планеты нашей солнечной системы, так и для разрешения целого ряда прикладных задач, имеющих народнохозяйственное значение».

При проектировании и строительстве крупных ОКС с экипажем в несколько десятков человек, несомненно, возникнут трудности, преодолеть которые будет нелегко. Реализация идеи Циолковского об «эфирных поселениях» потребует разрешения сложнейших технических проблем. Вероятно, при этом будут использованы многие его предложения, например создание искусственной силы тяжести, осуществление замкнутой биологической системы обеспечения жизнедеятельности космонавтов и др.

Космос принадлежит всему миру и овладение им — поистине общемировая задача. Советские люди гордятся, что общепризнанным лидером в освоении околоземного и межпланетного пространства является наша страна, наши ученые и инженеры. Но достижения советской науки и техники, как и гениальные открытия Ньютона и Ломоносова, Резерфорда и Менделеева, Дарвина и Павлова, Циолковского и Кюри, принадлежат всему человечеству. Именно поэтому теперь, когда имеются возможности для небывалого по своим масштабам вторжения в границы непознанного, усилия ученых всех стран не должны быть разобщены.

Советское правительство первым выступило с предложением о развертывании широкого мирного сотрудничества в космических исследованиях между Советским Союзом и Соединенными Штатами Америки — ведущими «космическими» державами.

В условиях разрядки международной напряженности, достигнутой в результате подписания в Москве Договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере, космическом пространстве и под водой, открываются широкие возможности для международного сотрудничества в области космических исследований.

Какие же этапы предстоят на трудном, но славном пути освоения космоса? В зарубежной печати нередко встречаются самые различные прогнозы по этому поводу. Одни из них необоснованно оптимистичны, другие, наоборот, страдают известной долей пессимизма, видимо, связанного с весьма скромными успехами США в запуске тяжелых спутников Земли и обитаемых кораблей, системы которых, кстати, не отличаются надежностью.

Тем не менее, пользуясь этими прогнозами, можно представить себе примерную последовательность событий в дальнейшем освоении космоса:

1. «Мягкая» посадка на Луне автоматической станции — в 1964-65 гг.

2. Полет обитаемого корабля вокруг Луны с человеком на борту — в 1966-67 гг.

3. Создание ОКС с экипажем 3–5 человек — в 1967-70 гг.

4. Высадка человека на Луне — в 1968-70 гг.

5. Создание крупной ОКС с экипажем 30–50 человек — в 1972-75 гг.

6. Полет к Марсу и Венере обитаемого космического корабля с возвращением на Землю — в 1975-80 гг.

7. Высадка людей на Марсе — в 1980-90 гг. Сроки эти, конечно, довольно умозрительны и лишь приблизительно отражают реальные возможности современной техники и экономики.

Нельзя забывать, что успехи советской космонавтики нередко опережают самые оптимистические планы людей, даже имеющих самое непосредственное отношение к науке и технике.

Пройдет еще немного лет, и человек уже не будет в космосе только гостем, а станет его хозяином. Пространство на многие сотни километров от поверхности нашей планеты перестанет быть необитаемым. Встречи людей вдали от Земли будут вполне обычными, как встречи в открытом море или на железнодорожном разъезде…

 

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ОРБИТАЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ?

 

Обитаемые космические станции как искусственные спутники Земли будут двигаться по орбитам вне атмосферы Земли. В связи с этим все научные и технические задачи, которые будут решать околоземные орбитальные станции, можно условно разбить на три основные группы. К первой группе относятся такие задачи, при выполнении которых взоры обитателей ОКС будут направлены в сторону Земли. Имеются в виду исследования, связанные непосредственно с Землей и ее атмосферой, т. е. геофизические и метеорологические наблюдения, глобальная радио- и телесвязь, морская и воздушная навигация и т. д. Некоторые из этих исследований могут проводиться и с помощью наземных средств или исследовательских ракет и спутников с автоматической аппаратурой. Обитаемые космические станции расширят возможности и масштабы в решении этих «земных» задач. Научная космическая лаборатория сможет заменить десятки наземных обсерваторий или научных экспедиций и множество метеостанций. В некоторых случаях точные измерения, проводимые в космосе с помощью ОКС, будут значительно дешевле, чем такие же измерения, проведенные наземными средствами! Да и точность этих измерений повысится. Орбитальной научной станции могут оказаться под силу и такие технические задачи или исследовательские эксперименты, которые совершенно недоступны другим наземным средствам или исследовательским ракетам, запускаемым с Земли.

Вторая группа задач связана с использованием тех специфических условий, в которых находится орбитальная лаборатория, — глубокий вакуум и очень высокая прозрачность окружающей среды, невесомость, интенсивная солнечная и космическая радиация. Воссоздание этих факторов на Земле даже по отдельности довольно сложно, а некоторых из них, например постоянной, динамической невесомости, просто невозможно. Космической научно-исследовательской лаборатории будет доступен весь комплекс этих факторов,

К третьей группе относятся задачи, которые решают спутники и ОКС, выступая в роли связующего звена между Землей и другими планетами. Двигаясь по орбите вокруг Земли, обитаемая станция сможет облегчить решение сложных проблем полета космических кораблей-путешественников и подготовки экипажей для полетов на другие планеты солнечной системы.

Рассмотрим более конкретно некоторые проблемы, которые могут интересовать ученых в ближайшем или недалеком будущем и которые могут решаться с помощью орбитальных станций.

 

ФИЗИКА ЗЕМЛИ И КОСМОСА

Земля — это не только поверхность и вся масса нашей планеты. Атмосфера — эта гигантская воздушная оболочка земного шара — тоже Земля. И космос вокруг нас на многие сотни и даже тысячи километров для ученых — тоже Земля. Правда, до сих пор идут споры о том, где истинная граница Земли, где граница атмосферы, где кончается околоземной космос. И споры эти едва ли кончатся скоро — ведь все зависит от тех свойств, по которым будут определять границу атмосферы. По некоторым из них, например по возможности жизнедеятельности человека, атмосфера кончается на высоте 11–12 км, по другим, например по наличию молекул воздуха, границей атмосферы считают высоту 1000 км.

Так или иначе, но одна из древнейших наук — геофизика — распространяет свои владения далеко за пределы наших обычных представлений о планете Земля.

Основными разделами геофизики до сих пор считались физика Земли и физика атмосферы (метеорология). Физика Земли изучает происхождение, внутреннее строение планеты и различные процессы в ее массе и на ее поверхности (землетрясения, ледниковые явления и др.).

Как известно, главной задачей метеорологии является краткосрочное и дальнее прогнозирование погоды, а в будущем — изыскание методов воздействия на атмосферные явления, т. е. управление погодой. Но с выходом человека в космос целый ряд проблем, бывших ранее предметом теоретических исследований физики Земли, выделился в самостоятельный раздел геофизики — физику космоса. С помощью ракет, искусственных спутников и космических кораблей уже сейчас ведется обширное изучение свойств околоземного космоса, в том числе различных полей Земли — гравитационного, магнитного, радиационного и др. Но это только начало. Создание орбитальных космических станций позволит значительно расширить исследовательские работы по изучению околоземного пространства и космоса. Так, например, орбитальные лаборатории позволят получить постоянно меняющуюся картину распределения температур и давлений, а также химического состава газа на различных высотах. Будут продолжаться исследование распределения электронной концентрации с высотой и изучение концентрации положительных ионов в ионосфере, магнитные измерения в различных частях околоземного пространства.

Атмосфера, изолирующая Землю от воздействия космического пространства и «дающая» нам погоду, сама по себе не является чем-то застывшим. В ней непрерывно происходят различные процессы, зависящие не только от свойств поверхности Земли, но и от явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве, а также от деятельности Солнца.

Для космических полетов человека особенно важно знать распределение радиационных поясов вокруг Земли и изменение интенсивности первичного космического излучения, а также корпускулярного и коротковолнового излучения Солнца, которые влияют на состав верхних слоев атмосферы и процессы, происходящие в них. Для тех же целей необходимо постоянно исследовать потоки метеорных тел в околоземном пространстве и их состав.

До сих пор человек наблюдал за атмосферными процессами главным образом с поверхности Земли, т. е. как бы с одной стороны. Служба погоды охватывала огромные площади поверхности Земли с помощью густой сети метеорологических станций и сложной системы оповещения, обработки и передачи информации. Правда, с помощью высокогорных метеорологических станций, шаров-зондов, самолетов, а также с помощью прожекторных, звукометрических и радиометодов исследователи уже давно «заглядывают» внутрь атмосферы.

В последнее время на службу метеорологии пришли ракеты. Особенно широко исследования атмосферы с помощью ракет проводились во время Международного геофизического года (1957–1958 гг.), когда только в Советском Союзе было запущено более 100 геофизических и метеорологических ракет.

Однако геофизические ракеты не могут дать полного представления о состоянии верхних слоев атмосферы. Такая задача по плечу лишь космической технике. Космические лаборатории позволят глубоко изучить облачный покров Земли, исследовать образование и движение различных видов облаков, оценить степень покрытия ими поверхности Земли в зависимости от различных факторов, провести изучение поведения ветров на различных высотах. Здесь предстоит раскрыть еще много белых пятен, утвердить или отвергнуть многие научные гипотезы. Так, быть может, удастся проверить гипотезу, согласно которой микрометеориты и космическая пыль, постепенно оседая к поверхности Земли, играют роль центров конденсации (дождь) или кристаллизации (снег) в атмосфере.

Предельно повысить точность прогнозирования погоды — вот главная задача будущих ОКС — геофизических обсерваторий в космосе.

Каковы же методы геофизических и метеорологических исследований, которые могут быть применены на орбитальной космической станции?

Прежде всего наблюдение и фотографирование, в том числе в инфракрасных лучах земной поверхности и облачного покрова с высоты оpбиты спутника. Это даст возможность обнаружить зарождение дождей, гроз, снегопадов, ураганов, бурь и т. д., а также следить за их развитием и перемещением. Накопленный опыт поможет в дальнейшем понять причины образования циклонов.

Кстати, аэрофотосъемка с борта орбитальной станции, которую можно будет назвать космофотосъемкой, позволит постоянно расширять и уточнять картографию нашей планеты. Съемка может производиться с помощью не только фототехники, но и инфракрасной аппаратуры и радиолокаторов, которые позволят преодолевать облачный покров и довольно значительную непрозрачность атмосферы. Съемки из космоса дадут возможность быстро уточнять и дополнять геофизические карты в связи с возникновением новых городов, каналов, водохранилищ, железных дорог, автострад, мостов и других искусственных сооружений. Как известно, одной из задач геодезии является точное определение размеров и расстоянии на поверхности Земли. При этом обычно применяется старинный способ земных измерений — триангуляция. Этот метод, сущность которого сводится к построению воображаемых треугольников на поверхности Земли, довольно сложен и требует больших затрат. Космические средства могут существенно облегчить пользование этим методом, позволяя охватить всю поверхность Земли и значительно повысить точность измерений.

Главное в триангуляции — это точное знание координат, так называемых базисных линий. Измерять расстояния с помощью спутника Земли можно визированием его либо одновременно с двух базисных линий, проходящих через точки на границах измеряемого расстояния (рис. 2, а), либо независимо в разных точках орбиты (рис. 2, б). Второй метод не требует очень больших высот орбиты (до 1000 км) и позволяет вычислять расстояния с точностью в несколько раз большей, чем при одновременном фиксировании по первому методу.

Рис. 2. Использование космической станции для триангуляции поверхности Земли:

а — одновременный метод; б — орбитальный метод; 1 — положение станции на орбите; 2 — базовая линия; 3 — орбита)

Триангуляция поверхности Земли с помощью космических средств позволит получить точные расстояния между континентами и с большой точностью определить положение островов в океанах. Замеры из космоса могут дать точность измерений до 10–20 м [17], в то время как точность обычных способов всего лишь около 100 м.

Космические лаборатории окажут неоценимую услугу и геологам в изучении состава земной коры, неоднородности ее массы. Обследование гравитационных и магнитных аномалий поможет открыть новые залежи различных полезных ископаемых.

Научная космическая станция даст возможность ученым выяснить влияние на климат Земли процессов, происходящих в ледниках.

 

НИИ В КОСМОСЕ

Значение ОКС и тем более обитаемых станций как баз для научных исследований далеко не исчерпывается физикой Земли и космоса или метеорологией. Условия, в которых будет находиться орбитальная станция, позволят применить ее для других научных исследований.

Орбитальная станция — это прежде всего длительная невесомость, создать которую на Земле до сих пор практически не удалось, это глубокий вакуум, получение которого на Земле связано с большими трудностями, это большой перепад температур, огромная скорость движения, магнитные поля Земли и Солнца, неискаженное нижними слоями атмосферы действие космических излучений и солнечной радиации, воздействие микрометеоров и космической пыли. Воссоздание подобных факторов на Земле, особенно в комплексе, как мы уже говорили, связано с огромными, а подчас и непреодолимыми трудностями.

Сейчас еще трудно представить все достоинства ОКС как экспериментальной лаборатории для физиков. Вот лишь некоторые из ее возможностей.

Hа орбите легко можно получить температуру от -200 °C до +200 °C и притом совсем рядом, на открытой Солнцу и затененной сторонах космической станции (рядом жидкий кислород и пары воды!). Физикам понятно, что это значит. Взять хотя бы явление сверхпроводимости, изучение которого требует очень низких температур, или термоэлектрический эффект.

Верхние слои атмосферы насыщены частицами, несущимися из космоса с громадными энергиями — от нескольких миллиардов до миллиарда миллиардов электроновольт. Между тем самые крупные ускорители элементарных частиц разгоняют частицы лишь до скоростей, соответствующих нескольким десяткам миллиардов электроновольт. Снова физика. Снова космос ждет ученых.

Вакуум в космосе. Подобный ему на Земле можно получить лишь с помощью самых совершенных диффузионных и ионных вакуум-насосов, да и то в очень небольших объемах. Очевидно, что о размерах вакуумной камеры на борту ОКС говорить не приходится.

Взять хотя бы исследование взаимодействия солнечных излучений в далекой ультрафиолетовой части спектра с различными веществами. На Земле изучение этого явления ограничено размерами вакуумной трубки, в которой находится вещество. В космосе изучение этой проблемы свободно от подобных ограничений. Глубокий вакуум представляет интерес не только для физиков, но и для материаловедов. Как известно, при нормальных атмосферных условиях большинство металлов защищено с поверхности окисной пленкой, которая способствует, например, уменьшению коэффициентов трения металла по металлу. В условиях же глубокого вакуума окисная пленка не образуется и коэффициенты трения могут вырасти в несколько раз. Материаловеды могут исследовать также прочностные свойства металлов и развитие коррозии в глубоком вакууме.

Космическая лаборатория поможет проверить гипотезу о том, что в условиях космического полета, т. е. в невесомости, ускоряется рост кристаллов металлов и изменяется их структура. Это явление может быть интересно с точки зрения получения новых пьезоэлементов. Большое значение имеют и вопросы, связанные с воздействием космических излучений на материалы, интересные с точки зрения строительства будущих, космических кораблей. Как известно, такие исследования с кремнием, титаном, висмутом, магнием, никелем, железом, свинцом уже производились на американском спутнике «Дискаверер XXV».

Очень большие скорости потока, обтекающего орбитальную станцию в условиях разреженной среды и в широком диапазоне температур, открывают перспективы для экспериментаторов в области газовой динамики и тепло обмена. Представляет интерес, например, возможность в условиях невесомости полностью исключить явление передачи тепла свободной конвекцией и экспериментально изучить процессы кипения и конденсации паров различных веществ в условиях невесомости.

При помощи орбитальной станции успешно решается проблема использования солнечной энергии, 90 % которой отражается или поглощается атмосферой Земли. Использованию солнечной радиации для техники и научных исследований большое значение придавал Ф.Жолио-Кюри. В частности, он предлагал использовать энергию Солнца для массового фотосинтеза материалов, содержащих углерод, с помощью других веществ, аналогично тому как это происходит с хлорофиллом зеленых растений.

В принципе такая задача вполне может решаться на борту ОКС, ибо возможности получения солнечной энергии на ней практически почти не ограничены.

ОКС будет испытывать новые типы двигателей для космических кораблей. По мнению специалистов из американского национального комитета по аэронавтике и космическим полетам (NASA), испытания одного из таких типов двигателя, ионного, должны проводиться обязательно в условиях, близких к космическим, так как истечение струи рабочего тела такого двигателя должно происходить в глубокий вакуум. Эксперименты на орбите помогут провести техническую проверку конструкции ионного двигателя и решить целый ряд других важных проблем, например проблему радиосвязи в присутствии струи рабочего тела ионного двигателя. В иностранной печати встречаются также предложения об использовании орбитальной станции в качестве испытательного стенда для жидкостных и пороховых ракетных двигателей, предназначенных для верхних ступеней ракетоносителей [17].

Широко обсуждается вопрос о проверке с помощью орбитальных тел общей теории относительности.

Создание ОКС откроет большие перспективы и перед биологами. Проникнув в космос, они смогут полнее изучить влияние космической среды на живые организмы, в частности воздействие таких факторов, как ионизирующая радиация, невесомость, низкое атмосферное давление, колебания температуры, электромагнитные поля, необычный состав атмосферы. Важно изучить вопросы, связанные с приспособляемостью человека к тем условиям космического полета, которые нельзя устранить. Возможно, что удастся поставить опыты по определению генетических последствий первичной космической радиации и невесомости.

Биологов интересуют также проблемы существования за пределами Земли живых организмов, с которыми непосредственно связаны проблемы происхождения жизни и ее эволюции во Вселенной. Их разрешению помогут исследования в области органической химии, например химический анализ метеоров, спектроскопический анализ органических соединений Земли и других планет, а также исследования микробного содержания верхних слоев атмосферы.

Очень интересна проблема, связанная с изучением загрязнений атмосферы Земли и околоземного пространства различными веществами, вредными для существования жизни на Земле.

Заманчивой задачей является проверка гипотезы Циолковского о том, что в условиях невесомости все организмы, от самых простых до самых сложных, развиваются быстрее, чем в земных условиях. Требуют проверки предположения о положительном влиянии невесомости на некоторые сердечные и психические заболевания.

Все эти гипотезы можно будет подтвердить или отвергнуть лишь при создании длительно существующего на орбите «научно-исследовательского космического института».

 

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ

Расстояние от Земли до Солнца около 150 млн. км, а до ближайшей к нам звезды — более 30 триллионов км — расстояние, которое даже мысленно представить себе невозможно. Казалось бы, много ли выиграют астрономы, если их обсерватории поднять всего лишь на высоту орбиты космической станции, допустим на 500 или 300 км. Тем не менее выйти за пределы нижних слоев атмосферы — давняя мечта астрономов, служителей едва ли не самой древней из наук.

Дело в том, что атмосфера — надежный и верный щит для жителей Земли — мешает наблюдению небесных тел. Современные астрономические обсерватории с их гигантскими дорогостоящими телескопами — это безвозмездная дань земной атмосфере.

Для наблюдения за планетами и звездами удается использовать лишь небольшие участки электромагнитного спектра (рис. 3) — видимые световые лучи и ультракороткие радиоволны. На схеме видно, что только небольшая часть излучений достигает поверхности Земли. Остальные лучи, например ультрафиолетовые и инфракрасные, в значительной мере поглощаются атмосферой. Визуальному наблюдению небесных тел сильно мешают движение воздушных масс и колебания неравномерно нагретых плотных слоев воздуха, а также рассеивающая и отражательная способность атмосферы.

Рис. 3. Спектр космических излучений: 1 — оптический телескоп; 2 — радиотелескоп

Теперь представим себе обыкновенный телескоп на высоте нескольких сот километров. Эффект для качества астрономических наблюдений будет необыкновенный: исчезнут все помехи, связанные с атмосферой, резко возрастет длительность наблюдений, которая уже не будет зависеть ни от погоды, ни от движения воздушных масс. Наблюдения окажутся возможными почти во всем спектре электромагнитных излучений. Да и разрешающая способность обычных астрономических приборов за пределами атмосферы заметно повысится. С помощью обычного небольшого телескопа с высоты нескольких сот километров можно будет получить фотоснимки звезд и планет более четкие, чем с Земли с помощью громадного двухсотдюймового телескопа Паломарской обсерватории (США).

Вот почему взоры астрономов обращены в космос. Создание ОКС откроет для них огромные перспективы. Не только астрономы, но и астрофизики получат отличные условия для своих исследований. Уже первые спутники Земли дали астрофизикам новых сведений больше, чем их было получено за все предыдущие столетия.

Детальное изучение поверхности и структуры Солнца, Луны, Марса, Венеры, Юпитера и других планет, изучение происхождения солнечной системы, зарождения и развития галактики, происхождения и эволюции жизни на Земле — вот те проблемы, решить которые можно, лишь преодолев сопротивление атмосферы и выйдя на просторы космического пространства.

Астрономов-космонавтов ждет множество интересных исследований.

Солнце, как известно, подобно всем звездам, является почти cферической массой газa. Визуально наблюдая или фотографируя Солнце в широком диапазоне длин волн, можно видеть отчетливо очерченный диск с небольшими потемнениями — солнечными пятнами на поверхности. В области пятен температура значительно ниже и наблюдаются сильные магнитные поля.

Непосредственно с солнечными пятнами связаны явления возмущения в атмосфере Солнца, так называемые вспышки, на Солнце. Обитаемые космические станции позволят глубже изучить ультрафиолетовое и инфракрасное излучения вспышек и установить наличие тех или иных химических элементов на Солнце, о присутствии которых пока можно лишь предполагать.

Уже после запуска первых ракет и спутников, снабженных приборами для наблюдения за звездами и ночным небом, была зарегистрирована резко изменчивая радиация Солнца в ультрафиолетовой части спектра. Космические телескопы с линзами из фтористого лития (более прозрачные для ультрафиолетовых лучей, чем обычные линзы) позволят полнее изучить это явление. Не исключено, что и в других, пока еще недоступных областях солнечного спектра, будут открыты неожиданные явления, исследование которых с Земли невозможно. Точное прогнозирование вспышек на Солнце имеет большое значение, в частности, для обеспечения безопасности космических полетов.

Наблюдая планеты с борта ОКС, можно будет разглядеть многие детали на их поверхности, и в частности понять природу «каналов» Марса. Наблюдения в инфракрасном спектре расширят знания о поверхности и атмосфере планет. Изучение химического состава планет позволит проверить гипотезы о происхождении солнечной системы. Спектроскопические наблюдения Венеры и Марса должны дать ответ на вопрос, есть ли кислород и водяные пары в атмосфере этих планет.

Далекие звезды все еще таят много загадок для астрономов. Например, не все звезды имеют одинаковую температуру. Одни горячее, другие холоднее. Лишь часть электромагнитного излучения звезд можно наблюдать сквозь «фильтр» атмосферы. Некоторые звезды обладают странной переменностью своего светового излучения. Переменные, «вспыхивающие» звезды то ярко загораются, то меркнут, причем это происходит в течение нескольких минут, что удивительно мало для таких больших тел.

Обитатели астрообсерватории смогут уточнить расстояния до звезд и при помощи телескопа, чувствительного к гамма-радиации, попытаются раскрыть происхождение космических лучей.

Космическое межзвездное пространство далеко от абсолютной пустоты, в нем есть атомы, главным образом водорода, а также частицы космической пыли. Зерна пыли, несмотря на их чрезвычайную разреженность, появляются в таких больших объемах, что существенно затеняют свет от звезд. Изучение межзвездного вещества будет проводиться с помощью спектроскопических наблюдений в области ультрафиолетовых лучей.

Вполне возможно, что с помощью этих же наблюдений удастся обнаружить чрезвычайно удаленные галактики. Быть может, астрономическая ОКС ответит на вопросы, существуют ли планеты вокруг других звезд и насколько удаленные галактики и наша галактика идентичны.

Радиоастрономические исследования будут посвящены прежде всего изучению Солнца и ближайших планет, а затем уже межзвездного и межгалактического вещества. Для этого потребуется освоить радиоволны длиной менее 1 см, которые позволят детальнее исследовать атмосферу Солнца и планет, а также определить плотность и химический состав межзвездного вещества. Величина концентрации электронов в верхних слоях атмосферы, знание которой важно для решения проблемы происхождения магнитного поля Земли, может быть также уточнена специальными радиоастрономическими наблюдениями.

Помимо чисто научного значения, радиоастрономические исследования с борта орбитальной обсерватории будут иметь и большую практическую ценность, так как дадут новые сведения о характере распространения радиоволн различной длины в межпланетном пространстве, а это очень важно для разработки систем связи с будущими космическими кораблями.

 

РАДИОРЕТРАНСЛЯТОРЫ НА ОРБИТЕ

Разве можем мы быть полностью удовлетворены современным состоянием радиосвязи и особенно телевидения? Слишком уж от многих факторов зависит качество приема радиопередач. Это не только мощность радиостанций и чувствительность приемников. Это и время суток, и погода, и состояние верхних слоев атмосферы. Кроме того, это различные искусственные помехи приему — радиотехнические и промышленные. И конечно же, расстояние до станции — источника радиосигналов.

До обидного мал радиус действия телецентров — передачу самых крупных телестудий смотрят лишь в радиусе не больше 100–150 км. Объясняется это тем, что для телевидения выбран самый плохой с точки зрения дальнего распространения диапазон длин волн — УКВ, которые распространяются лишь на расстоянии прямой «видимости» передающей антенны. Но этот выбор был вынужденным, поскольку для телевидения необходим особый характер передающих волн — спектр частот, излучаемых телевизионным передатчиком, должен быть достаточно велик, а это достигается лишь уменьшением длины волн.

Попытки проведения кабельных линий с целью увеличения качества и дальности радио- и телепередач пока не дают хороших результатов из-за сильного затухания сигналов. Приходится на каждые б — 8 км кабеля ставить промежуточные усилители и на каждые 100 км — усилительный пункт с источником питания. Да и проводная связь не в состоянии охватить все уголки земного шара и обеспечить многоканальные передачи между любыми двумя точками.

В последнее время увеличение дальности телеприема и получение более качественной радиотелефонной связи достигается сооружением радиорелейных линий. Радиорелейная связь работает обычно в сантиметровом диапазоне волн, что еще больше увеличивает полосу частот. Очевидно, что дальность распространения таких волн также невелика, поэтому высокие башни — ретрансляторы с рупорными антеннами наверху и усилителями приходится строить на небольшом расстоянии Друг от друга. Правда, мощность ретрансляторов составляет всего лишь несколько ватт при мощности передатчика телецентра в несколько киловатт.

Однако и радиорелейные линии едва ли смогут разрешить проблемы всемирной связи. Решение этой задачи под силу лишь искусственным спутникам Земли и орбитальным космическим станциям.

Вообще говоря, искусственный спутник Земли может выполнять роль пассивного отражателя радиосигналов без их усиления. Для такой цели предназначен, например, американский спутник «Эхо». Такая схема, имея ряд преимуществ, в общем оказывается невыгодной из-за ослабления сигнала, приходящего на Землю. Поэтому будущее принадлежит активным космическим ретрансляторам, которые, воспринимая земные радиосигналы, смогут усиливать их и посылать обратно на Землю.

Спутник, запущенный на большую высоту, может быть оборудован средствами приема, усиления и передачи на Землю радиосигналов большой мощности, так как проблема источника энергопитания на такой станции может быть надежно решена с помощью преобразования солнечной энергии или же атомных электростанций.

Система всемирной радио- и телесвязи может быть создана в виде трех активных космических спутников-ретрансляторов, вращающихся одновременно по одной, например экваториальной, круговой орбите, но непременно имеющей высоту 35 800 км. Почему именно на этой высоте? Как показывают несложные расчеты, для получения замкнутой круговой орбиты на такой высоте скорость вращения спутника вокруг Земли должна быть равной 3072 м/сек, т. е. период обращения вокруг Земли составит 24 час. А это значит, что спутник как бы повиснет над какой-то точкой земного шара, что и требуется для удобства ретрансляции. Такие ретрансляторы называются стационарными. Хотя они будут иметь некоторое смещение относительно поверхности Земли, вызванное неравномерностью ее гравитационного поля, но смещение это будет одинаковым для всех трех ретрансляторов и особого значения не имеет. Антеннам наземных передатчиков не придется следить за спутником-ретранслятором. Направление излучения и расстояния между источником и ретранслятором и между ретранслятором и приемными станциями будут практически неизменными. Три таких «неподвижных» космических тела обеспечат полное перекрытие поверхности Земли (рис. 4). Останется «незакрытой» лишь около 2 % поверхности Земли в районе полюсов.

Рис. 4. Схема организации всемирной радиосвязи:

1 — стационарный спутник Земли; 2 — распределительная станция; 3 — передатчик; 4 — приемник

В поле зрения одного ретранслятора сигналы будут передаваться только с его помощью. Передача на большие расстояния будет осуществляться через два ретранслятора. Предлагают и другой метод, когда сигнал между ретрансляторами будет «касаться» Земли и усиливаться наземной станцией, но тогда потребуется строительство еще трех релейных станций на Земле.

Проблемы «транскосмической» связи на этом не заканчиваются. Придется подумать и о преодолении различных помех для качественной радиосвязи, возникающих в космосе. Одной из них является так называемый фединг Фарадея — длительные «замирания» радиоволн при прохождении ионосферы и магнитного поля Земли, связанные с неравномерностью ионизированной среды в околоземном пространстве, приводящей к отклонению радиоволн.

Правда, на некоторых, вполне определенных частотах излучаемых сигналов эти «замирания» почти незаметны. Вообще, по целому ряду причин выбор частоты космической ретрансляции очень важен. Если учесть, например, что лишь на частотах свыше 100 мгц почти не существует ионосферных и искусственных помех, то станут очевидными преимущества высоких частот. Эти и некоторые другие соображения приводят к выводу, что рабочие частоты для всемирной системы радио- и телесвязи должны находиться в диапазоне 1000-10000 мгц, т. е. передачи должны идти на дециметровых и даже сантиметровых волнах.

Существуют и другие помехи распространению УКВ в пространстве. Например, при создании космических ретрансляторов необходимо учесть, что в определенные дни года, когда Земля, ретранслятор и Солнце будут находиться на одной прямой, возникнут сильные помехи приему наземными станциями сигналов из космоса. Подсчитано, что для системы всемирной связи такие помехи будут возникать дважды в год в течение 8 дней каждый раз продолжительностью 12 мин, в течение которых радиосвязь будет затруднена [22].

Идея создания системы из трех стационарных спутников на высоте почти 36 тыс. км вполне осуществима, но технически довольно сложна. Поэтому разрабатываются системы всемирной и трансконтинентальной связи с помощью искусственных спутников, вращающихся на меньших высотах. Разумеется, при этом потребуется более чем три ретранслятора. Их будет тем больше, чем меньше высота орбиты. И конечно, с такими системами будет очень трудно добиться постоянной и надежной всемирной связи.

Спутник Земли может выполнять и другие задачи, связанные с ретрансляцией радиосигналов. Например, спутник-навигатор окажет помощь мореплавателям, авиационным штурманам и путешественникам в определении их местоположения. Станция, излучающая специальный радиосигнал, будет надежным, хотя и пассивным помощником при ориентировке. Данные о точном местоположении станции-навигатора будут периодически вырабатываться на Земле с последующей засылкой на борт спутника и на ориентируемые объекты. Но космическая станция может иметь и активные средства навигации (например, инерциальные, радиоастрономические или допплеровские), которые по запросу будут сами точно определять и сообщать свои координаты, а в будущем — координаты и истинный курс ориентируемого корабля или самолета, а также метеообстановку.

 

ЗЕМЛЯ — МАРС С ПЕРЕСАДКОЙ

12 февраля 1961 г. в Советском Союзе был дан старт первой межпланетной станции, отправившейся в сторону Венеры. В сообщении ТАСС указывалось, что выведение станции на межпланетную траекторию было осуществлено управляемой космической ракетой, стартовавшей с тяжелого спутника Земли.

1 ноября 1962 г. впервые осуществлен запуск советского межпланетного аппарата «Марс-1».

Последняя ступень усовершенствованной ракеты-носителя также вывела на промежуточную орбиту тяжелый искусственный спутник Земли, с борта которого была запущена космическая ракета на траекторию движения к планете Марс. Промежуточная орбита используется главным образом для уточнения места и времени старта межпланетного корабля по параметрам этой орбиты. Но использование спутника Земли как промежуточной станции для полета на другие планеты в ближайшем будущем может иметь значительно более глубокий смысл.

Несмотря на бурное развитие ракетной техники, полет космического корабля с экипажем не только на другие планеты, но, может быть, даже и на Луну в течение еще многих лет будет трудно осуществить непосредственно с поверхности Земли. Осуществление таких полетов потребует огромных ракет-ускорителей, мощности, размеры и стартовые веса которых трудно даже представить. В проведенных иностранными специалистами расчетах потребный вес полезной нагрузки лунного корабля с экипажем из трех человек и общей продолжительностью полета 10 суток оценивается с учетом радиационной защиты в 10,5 г (без учета веса двигателей и топлива). Для запуска с Земли такого космического корабля при современном уровне техники потребовалась бы многоступенчатая ракета со стартовым весом около 3200 т. И хотя принципиально нет ничего невозможного в постройке такой ракеты (известно, что в США уже приступили к проектированию носителей такого типа), трудно все-таки представить себе старт подобного сооружения.

Как же расходуется вес ракеты при полете к Луне? Оказавшись на околоземной орбите (т. е. развив скорость около 8 км/сек), лунная ракета имела бы уже вес около 180 т. По земным масштабам — это ракета обычных размеров.

Значит, все дело в том, чтобы «забросить» на орбиту такую ракету и на ней стартовать к Луне. А возможность для этого в ближайшие годы только одна — поднять на орбиту ракету по частям и собрать из них там лунный корабль. Для этого потребуется, например, 30 орбитальных ракет с полезной нагрузкой 6 т (такие ракеты уже запускались на орбиту в СССР). Это уже вполне реальный путь решения проблемы, тем более что полезная нагрузка орбитальных ракет может быть значительно большей.

В американской печати уже были сообщения о разработке ракеты «Сатурн» С-1В с полезной орбитальной нагрузкой 14 т при стартовом весе 570 т. Таких ракет потребовалось бы уже только 13. Но ведь это только лунный корабль. А для полета на Марс стартовый вес может оказаться в 10–15 раз больше, чем для полета на Луну. Таким образом, полет с помощью сборки кораблей на — орбите может оказаться единственным средством будущих межпланетных сообщений.

Почему же старт с орбиты дает такие большие преимущества? Ведь несколько сот или даже тысяч километров от Земли до орбиты ничто по сравнению с расстоянием до Марса. Дело в том, что мощность многоступенчатой ракеты, стартующей с Земли, расходуется на траектории полета неравномерно. Покажем это.

Суммарные затраты энергии космического корабля оцениваются обычно суммой абсолютных величин всех скоростей, которые должна развить ракета на различных этапах полета. Эта сумма называется характеристической скоростью.

При полете на Луну требуется развить сначала скорость 11,2 км/сек. При подходе к Луне скорость корабля уменьшится до 2,7 км/сек. Для плавной посадки на поверхность Луны потребуется тормозной импульс, чтобы уменьшить эту скорость до нуля, т. е. как бы развить отрицательную скорость. Ту же по величине скорость (2,7 км/сек) нужно будет получить при старте с Луны в сторону Земли.

Далее. При подходе к Земле необходимо погасить хотя бы часть скорости из тех 11,2 км/сек, до которых разгонится ракета на траектории Луна-Земля. Почему часть? Потому что спускаться на Землю с высоты нескольких сот километров можно уже без затрат энергии — аэродинамически, используя торможение в атмосфере. Но погасить скорость от второй космической до первой космической (орбитальной) на 3,3 км/сек необходимо. Ко всем этим затратам энергии нужно добавить неизбежные потери на преодоление сопротивления атмосферы и гравитационного поля Земли при взлете (ведь 7,9 км/сек — это орбитальная скорость на уровне моря) и на небольшую корректировку на траектории полета. Кроме того, нужно иметь некоторый запас энергии на непредвиденные обстоятельства.

Если теперь все эти затраты энергии выразить в соответствующих им потребных скоростях, то характеристическая скорость для полета на Луну и обратно составит около 22 км/сек. Для полета на Марс суммарная скорость будет более 30 км/сек. А современные ракетные системы на химическом топливе и в перспективе едва ли дадут нам значения характеристических скоростей выше 15 км/сек [13]. Но нетрудно увидеть, что почти половина лунной характеристической скорости тратится на достижение орбитальной скорости (7,9 км/сек плюс потери). А каждый километр скорости — это вес топлива, стартовый вес ракеты. На этапе выхода на орбиту, таким образом, реализуется преобладающая доля начального веса ракеты.

Теперь понятно, почему стартовать с орбиты удобнее: вес корабля значительно меньше, а потребная характеристическая скорость для полета к Луне и обратно меньше в два раза, чем при полете с Земли. А применение нескольких более легких ракетных кораблей реальнее строительства одной ракеты со стартовым весом в тысячи тонн. Такой путь значительно облегчает достижение далеких небесных тел.

В известной мере грузоподъемность ракет может быть увеличена за счет применения ядерных двигателей, но едва ли и это разрешит рассматриваемую проблему, так как появятся новые технические трудности.

Здесь выявляются новые и довольно важные возможности использования орбитальных станции. Полет на Луну или Марс небольших ракет может осуществляться с пополнением запасов топлива на орбите. Израсходовав все свое топливо при выходе на промежуточную орбиту, ракета сможет вновь пополнить запасы топлива с борта ОКС, куда оно будет заблаговременно доставлено транспортными ракетами.

Орбитальная космическая станция будет также местом сборки и оснащения межпланетных кораблей, развертывания и трансформации их оборудования. Напомним, что межпланетные станции, стартовавшие на Венеру и Марс, имеют конструкцию, свободную от обтекателей, термозащитных кожухов, оболочек и аэродинамических плоскостей. Все это обусловлено работой их в условиях, где отсутствует атмосферное сопротивление. В данном случае забота конструкторов станции сводилась в основном к обеспечению нормальной работы аппаратуры и агрегатов в развернутом состоянии в условиях полета, Эти преимущества могли быть реализованы с еще большим успехом, если бы космический корабль собирался полностью на орбите, в отличие от указанных станций, которые доставлялись на орбиту с Земли целиком с компактно сложенным оборудованием и антеннами.

Конструкция межпланетного корабля, собираемого из элементов на орбите, будет учитывать множество чисто специфических факторов космического полета. Условия пребывания в межпланетном пространстве значительно отличаются от условий вывода на орбиту по перегрузкам, температурам, вибрациям и пр. Конструкция межпланетного корабля может иметь любые выгодные в полете формы отдельных узлов, например шарообразные баки, имеющие, как известно, минимальный вес при максимальном объеме (рис. 5).

Рис. 5. Орбитальная космическая станция, космический корабль и астробуксир, участвующий в монтаже корабля

Некоторые элементы конструкции межпланетного корабля будет трудно или даже невозможно доставить с Земли сразу на траекторию межпланетного полета. Могут потребоваться, например, огромные тонкие плоскости радиационных теплообменников, или может оказаться так, что габариты и вес сложного научно-экспериментального оборудования или же элементов самой конструкции летательного аппарата не позволят доставить их на орбиту в собранном виде. В этих случаях проще будет монтировать их на орбите на борту ОКС.

Если межпланетный корабль будет обладать ядерной или термоядерной силовой установкой, то сборка и запуск ее за пределами атмосферы будут значительно безопаснее — там понадобятся лишь небольшие экраны для обслуживающего персонала.

На орбитальной станции смогут проходить подготовку и «акклиматизацию» члены экипажей межпланетных кораблей.

Так как многие из планет имеют свою атмосферу, конструкция межпланетного корабля может нести на себе специальный корабль «приземления», рассчитанный на аэродинамическое сопротивление планетной атмосферы при посадке. Этот же корабль может использоваться для посадки экипажа на Землю после возвращения межпланетного корабля на орбиту спутника Земли.

 

АВТОМАТИКА ИЛИ ЧЕЛОВЕК ПЛЮС АВТОМАТИКА?

Вероятно, теперь никто не сомневается в том, что человек должен был проникнуть в космос, окинуть взором нашу Землю с высоты орбитального полета и привезти нам свои непосредственные впечатления. Думается, нет сомневающихся и в том, что человек должен побывать на далеких планетах нашей солнечной системы, должен попытаться достигнуть других звездных миров.

Еще 6–7 лет тому назад посылка человека в космический полет казалась мечтой. Тогда еще не было технической основы для таких полетов — полезная нагрузка ракет-носителей была слишком мала. Но мощных ракетных двигателей еще недостаточно для того, чтобы отправить в космос самый ценный груз — человека. Необходимо создать работоспособные и надежные системы, обеспечивающие жизнедеятельность и безопасность человека на всех стадиях полета — во время взлета, на орбите и при возвращении на Землю. Сейчас эти сложные технические проблемы успешно решены для относительно кратковременных орбитальных полетов.

Технический прогресс последних лет, с одной стороны, позволил поставить и успешно решить в космосе большое число научно-исследовательских и технических задач с помощью автоматических средств, а с другой стороны, сделал возможным полеты обитаемых космических кораблей.

И вот здесь-то мы подходим к вопросу, весьма важному в проблеме создания научных космических станций на орбитах вокруг Земли.

Должны ли быть орбитальные станции обитаемыми? Или, может быть, удастся обойтись без непосредственного участия человека в космических исследованиях и его полностью заменит автоматика? Эти вопросы не случайны. Они объясняются бурным развитием автоматики и телемеханики, совершенствованием систем автоматического регулирования средств управления и телеметрии, революцией в радио- и телевизионной технике, связанной с распространением полупроводников, прогрессом в области программных и счетно-решающих устройств и созданием новых миниатюрных источников энергии. Как несколько десятков лет назад возникла дилемма «машина или человек плюс машина?», так и сегодня обсуждается вопрос «автоматика или человек плюс автоматика?».

Нужно сказать, что у противников обитаемых космических станций, сторонников «чистой» автоматики, имеются серьезные доводы. Они считают, во-первых, что научные исследования, например геофизические, могут с успехом осуществляться (и уже широко осуществляются) с помощью автоматических искусственных спутников Земли, которые зарекомендовали себя как надежное средство научных исследований в космосе. С дальнейшим развитием автоматических средств наблюдения и телеметрии можно будет проводить еще более сложные исследования без непосредственного участия человека.

Второй важный довод сторонников замены человека автоматикой — это сложность обеспечения безопасности человека в условиях интенсивной радиации околоземного пространства (как известно, полеты советских и американских космонавтов по орбите проходили на высотах не выше 350 км), что затрудняет возможность длительного пребывания человека на большой высоте.

Высказываются мнения, что по соображениям безопасности присутствие человека на спутнике Земли может ограничить объем некоторых научных исследований или вообще сделать невозможным их проведение (например, изучение ядерных проблем или астрономические наблюдения). Указывают и на то, что присутствие человека, например, на астрономической станции будет отрицательно сказываться на наводке телескопов.

Наконец, выдвигается еще одно соображение. Создание даже самых совершенных условий для существования человека на борту космической станции не может полностью обеспечить его работоспособность вследствие необходимости преодолевать такие явления космического полета, как перегрузки при подъеме на орбиту, невесомость на борту ОКС и т. д. А это значит, что при выборе экипажа на первый план выдвигаются не те или иные деловые и научные качества, а фактор тренированности, приспосабливаемости организма и т. п.

Все эти аргументы логичны и довольно убедительны. Конечно, огромную долю научных исследований будет проводить автоматически работающая аппаратура. Конечно, фактор абсолютной безопасности человека должен постоянно рассматриваться как первостепенный. Стоит ли рисковать жизнью человека без твердого научного обоснования целесообразности и необходимости его пребывания на орбитальной космической станции? Здесь имеется в виду, конечно, человек не только как наблюдатель, но и как активно действующий ученый и исследователь, управляющий оборудованием и приборами, перенастраивающий и при необходимости ремонтирующий их.

Да, конечно, всюду, где человек без ущерба для результатов исследований может быть полностью заменен автоматикой, там, где практически невозможно обеспечить полную безопасность человека, должны работать машины. Тем не менее обитаемые космические станции должны и будут строиться. Ведь человек обладает многими такими качествами, которые еще много лет, а быть может, и всегда будут недоступны даже самым сложным и совершенным электронно-вычислительным машинам.

Автомат уже сейчас может реагировать на некоторые внешние факторы, воспринимать и перерабатывать информацию, а затем выдавать результат в виде чисел или каких-либо механических действий. Но автомат чаще всего не способен сам разобраться в ошибках, возникающих вследствие каких-либо неисправностей аппаратуры. Автомат реагирует лишь на заранее предусмотренное изменение ситуации, а предусмотреть все ситуации, с которыми он встретится в космосе, естественно, очень сложно. Лишь мозг человека способен быстро оценить неожиданно сложившуюся обстановку, активно вмешаться в нее и произвести необходимые действия.

Человек значительно надежнее машины отфильтровывает полученную информацию и выбирает из нее наиболее необходимое для дальнейших действий.

Если даже сравнить мозг человека с современной вычислительной машиной, то окажется, что объем памяти у человека больше. И если машина иногда выигрывает в скорости «мышления», то в гибкости анализа ей еще трудно сравниться с человеком.

Человеческий мозг обладает и великолепными, недоступными пока машине способностями к обобщению. Человек может производить быстрый и тончайший анализ и синтез информации, он может восполнять пробелы в информации и выбирать из самых разнообразных явлений нужные ему в данный момент.

Нельзя забывать и о том, что в космосе может возникнуть необходимость произвести перерегулировку, а быть может, и ремонт аппаратуры.

В будущем, конечно, появятся искусственные самонастраивающиеся схемы, «чувствующие» изменения в системе и меняющие ее параметры. Собственно говоря, мускульная энергия человека уже в авиации утратила свое прежнее значение и главным в полете стала реакция человека, динамика его движения. И в космической технике применение физической силы человека может понадобиться в какой-то мере лишь в исключительных случаях. Сейчас мы переживаем время, когда и мыслительная способность человека заменяется искусственным «мозгом».

Но, повторяем, никакая машина и никакая автоматика не сможет полностью заменить человека в космосе в тех случаях, когда придется принимать решения после получения информации, особенно в неожиданных ситуациях или в незапрограммированных случаях. А такие ситуации и неожиданности в космосе ещё более вероятны, чем на Земле, и главным образом именно в ходе исследований.

Правда, у машины есть и другие преимущества — она не подвержена усталости, раздраженности, неуверенности, страху и другим психологическим явлениям.

Но нельзя забывать и о таких качествах, присущих исключительно человеку, как воля, творческий ум, высокий моральный дух, базирующийся на высокой сознательности.

Машина никогда не вытеснит человека из сферы творческой деятельности. Поэтому речь должна идти об оптимальном, наивыгоднейшем сочетании свойств и качеств человека и автоматики с целью наилучшего выполнения поставленных задач.

Поэтому орбитальные космические станции должны создаваться и как автоматические и как обитаемые. Космонавты смогут активно вмешиваться в настройку аппаратуры, участвовать в корректировке орбиты, а также при необходимости изменять ее. Они будут, разумеется, принимать непосредственное участие в наблюдениях и исследованиях, в переработке полученной информации.

Необходимость пребывания человека в космосе не нужно принимать буквально как присутствие его на каждом космическом объекте, при каждом научном исследовании. Создание обитаемых станций не исключает, а даже предполагает наличие на орбитах вокруг Земли автоматических лабораторий — искусственных спутников. Быть может, члены экипажа ОКС будут с помощью специальных летательных аппаратов периодически посещать эти спутники для контроля и перенастройки их аппаратуры и снятия информации. Такие летательные аппараты будут иметь на борту контрольно-измерительную аппаратуру, небольшую энергетическую установку и экипаж из двух — трех человек.

Важным вопросом, связанным с длительной работой космического оборудования и присутствием на орбитальной станции человека, является проблема надежности. С одной стороны, безопасность экипажа космической станции потребует максимально надежных систем жизнедеятельности. С другой стороны, надежность всего оборудования станции будет значительно выше при контроле и обслуживании ее человеком.

Слово «надежность», такое привычное и знакомое в обиходе понятие, ныне — научный термин, важный статистический и вероятностный показатель обеспечения исправной работы оборудования.

Академик А.И.Берг надежностью называет «вероятность безотказной работы любого технического устройства (оборудования или промышленного изделия) на протяжении заданного времени в специально оговоренных условиях».

Фактор надежности как показатель качества работы узлов и агрегатов приобрел первостепенное значение впервые в авиации, где сложные автоматические и полуавтоматические системы, обеспечивающие выполнение различных задач в полете и безопасность экипажа, постоянно требуют повышенной надежности целого комплекса аппаратуры и автоматики.

Будущая ОКС — это еще более сложный комплекс множества взаимосвязанных и взаимодействующих частей и агрегатов. Неисправность любого из этих элементов может привести к прекращению работы исследовательской аппаратуры, потере накопленных данных, к поломкам и авариям.

Имеется много путей повышения надежности машин, механизмов и различного оборудования: широкое внедрение типовых и стандартных деталей, тщательное испытание и доводка перед эксплуатацией, повышение квалификации обслуживающего персонала, регулярная замена наиболее изнашивающихся деталей, своевременные профилактика и ремонт и т. д.

Но в космосе, где речь идет о длительной работе автоматического оборудования, в основном без обслуживания, кроме перечисленных факторов, необходимы и некоторые более совершенные способы повышения надежности.

Разработка систем повышения надежности аппаратуры, предназначенной для спутников и космических кораблей, идет по двум направлениям: по пути внедрения прерывистой, или импульсной, работы аппаратуры и по пути многократного дублирования агрегатов, т. е резервирования систем.

Принцип прерывистой работы аппаратуры космических кораблей в длительном орбитальном полете дает возможность увеличить надежность, так как ведет к экономному расходованию ресурса оборудования и приборов, а также уменьшает потребности в энергии. Кроме того, если считать вероятность выхода из строя оборудования в космосе постоянной в течение всего времени службы, то при прерывистой работе число возможных аварий будет меньше.

Многократное дублирование агрегатов, или резервирование, является одним из самых эффективных методов повышения надежности автоматического оборудования космических аппаратов.

 

ОРБИТА, РАКЕТЫ И ОКС

 

Итак, допустим, что задачи, для решения которых предназначена ОКС, определены. Теперь конструкторы могут приступить к проектированию станции. Но прежде чем на чертежные доски будут нанесены первые линии, необходимо выработать научно обоснованные технические данные будущей ОКС, решить множество принципиальных вопросов и провести сложные расчеты. Ученые и конструкторы сразу же столкнутся с множеством проблем. Какова, например, будет орбита, на которой «разместится» ОКС? Где будет монтироваться станция — на Земле или на орбите? Каким образом будет поддерживаться заданная орбита и осуществляться ориентация и стабилизация станции? Как будет налажено сообщение между ОКС и Землей?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо прежде всего иметь точные данные о конфигурации, размерах и весе ОКС, численности ее экипажа. Помимо этого, необходимо знать, какие ракеты-носители для вывода грузов на орбиту окажутся в распоряжении инженеров к моменту создания ОКС.

Как видно, все эти проблемы взаимосвязаны и требуют внимательного изучения.

Расскажем о них и о путях их решения.

 

КАКОЙ ДОЛЖНА БЫТЬ ОРБИТА?

Выбрать орбиту — это значит определить ее форму (должна ли она быть, например, круговой или сильно вытянутым эллипсом), максимальную и минимальную высоты над поверхностью Земли, период обращения, а также угол наклона орбитальной плоскости, проходящей через центр масс Земли, к плоскости экватора.

Выбор орбиты будет определяться прежде все; предназначением ОКС, при этом различные научные всего дачи, которые будет решать ОКС, могут выдвинуть каждая свои, возможно очень противоречивые, требования Даже если ОКС будет иметь возможность изменять параметры своей орбиты, то диапазон этих изменений будет, видимо, ограничен и проблема выбора орбиты не снимается.

Но при выборе орбиты нельзя исходить только и; желаемого, не учитывая технической возможности по лучения тех или иных параметров орбиты. Очевидно что, чем выше орбита, чем больше вес ОКС или ее элементов, доставляемых на орбиту, тем больше потребная мощность ракет-носителей.

Кроме того, орбита будет определяться и другими факторами, например: эффективностью антирадиационной защиты экипажа, требованием максимальной продолжительности существования станции при наименьших затратах энергии на коррекцию орбиты, возможностью обеспечения надежной и качественной радио- и телесвязи экипажа с Землей, экономичностью ракетного сообщения между ОКС и Землей и др.

Мы уже говорили, что при выборе высоты орбиты, в частности максимальной высоты (в точке апогея) и минимальной (в точке перигея), а также периода обращения, т. е. времени одного полного оборота вокруг Земли, будет очень трудно совместить пожелания различных ученых. Например, для проведения астрономических наблюдений и астрофизических спектральных измерений ОКС должна находиться практически за пределами самых верхних слоев атмосферы. При этом чем больше высота орбиты, тем лучше. Но для геофизических исследований, наоборот, желательна, иметь возможно более близкую к Земле орбиту, чтобы наиболее эффективно использовать всевозможные приборы, в том числе оптические, для наблюдения облачного покрова и различных деталей земной поверхности. Но минимальная высота полета и в этом случае должна быть ограничена: при значительном уменьшении высоты резко сужается зона поверхности Земли, доступная одновременному обзору.

Малая высота орбиты, особенно в перигее, невыгодна также из-за сокращения продолжительности существования ОКС на орбите, так как при прохождении точки перигея ОКС будет попадать в наиболее плотные слои атмосферы и при этом тормозиться. Изменение высоты орбиты сильно сказывается на интенсивности торможения орбитального тела: например, уменьшение высоты круговой орбиты с 225 до 200 км почти вдвое сократит время существования ОКС на орбите. Для увеличения продолжительности существования ОКС на относительно небольших высотах потребуются специальные двигатели, т. е. дополнительные энергетические затраты.

Едва ли не самые жесткие требования к высоте орбиты обусловливаются наличием мощных околоземных зон радиации — так называемых радиационных поясов Земли (рис. 6). Чрезвычайно большой вес при существующих материалах защитных экранов, необходимых для безопасного пребывания человека внутри этих зон, заставляет выбирать для обитаемых космических кораблей такие орбиты, которые лежат ниже поясов радиации.

Рис. 6. Радиационные пояса Земли:

I — внутренний; II — внешний; III — самый внешний

Зарубежные ученые считают, что при существующих средствах противорадиационной защиты маловероятно, чтобы диапазон высот от 800 до 50 000 км стал доступен в ближайшие годы человеку для длительных орбитальных полетов. Поэтому для ОКС наибольшего внимания заслуживают относительно низкие орбиты, с высотой апогея не более 800 км. На таких высотах (а они вполне приемлемы с различных точек зрения) можно будет создавать довольно крупные ОКС. С другой стороны, при высотах перигея менее 450 км для крупных ОКС могут потребоваться вспомогательные двигатели, так как аэродинамическое сопротивление будет влиять на параметры орбиты. Но эти же высоты вполне приемлемы для небольших по размерам ОКС, рассчитанных на недлительный срок работы.

Итак, орбиты ОКС должны, размещаться в диапазоне высот от 450 до 800 км. Естественно, что в установленных пределах орбита не может иметь значительной эллиптичности. Это в некоторой степени сужает возможности ОКС, но, по мнению зарубежных ученых, сильно вытянутые орбиты в большинстве случаев и не потребуются.

Более того, для большинства научных задач потребуется весьма точная круговая орбита, т. е. орбита с равными высотами апогея и перигея.

Получение круговой орбиты достигается с минимальной характеристической скоростью, а следовательно, с меньшим расходом горючего. Кроме того, круговые орбиты упрощают маневрирование при встрече космических летательных аппаратов с ОКС.

Уже говорилось о том, что плоскость орбиты должна быть надлежащим образом ориентирована относительно плоскости экватора. При определении наивыгоднейшей ориентации плоскости орбиты станции, предназначенной для решения комплекса научных задач, необходимо, будет также удовлетворить множество противоречивых требований. При этом нельзя не учитывать и прецессию орбиты, т. е. равномерное вращение плоскости орбиты относительно земной оси вследствие возмущающего действия поля тяготения Земли.

Известно, что минимум затрат энергии при выведении / ОКС на орбиту обеспечивается тогда, когда последняя лежит в плоскости экватора, а запуск производится в направлении с запада на восток, т. е. по вращению Земли. Однако экваториальные орбиты представляют интерес лишь для немногих научно-технических целей (например, при создании спутника-ретранслятора с суточным периодом обращения).

Успешное выполнение большинства астрономических и геофизических экспериментов и измерений, в частности получение высокой точности картографирования неба и земной поверхности, зависит от диапазона тех широт, которые будет захватывать станция в своем движении по орбите. Заметим, что из-за суточного вращения Земли в поле зрения станции последовательно попадают все меридианы, но в зависимости от периода обращения станции скорость пересечения меридианной сетки будет различной. Это означает, что при больших периодах расстояние между двумя точками, лежащими на одной широте, над которыми станция будет проходить в двух очередных витках, может быть весьма велико.

Экваториальные и близкие к ним орбиты совершенно непригодны для геофизических наблюдений поскольку с таких орбит обзору доступна лишь небольшая полоса вдоль экватора. Увеличение высоты экваториальной орбиты не улучшает обзор, так как при этом уменьшаются видимые размеры деталей на земной поверхности. Поверхность, доступная для наблюдения, увеличивается с ростом угла наклона плоскости орбиты к экватору. Полярные орбиты, плоскость которых проходит через полюса Земли, обеспечивают полный охват наблюдениями всей земной поверхности и не подвержены прецессии. Например, при полярной орбите с высотой 600 км полное «покрытие» поверхности Земли достигается за полдня (или за семь оборотов станции), а «покрытие» поверхности, освещенной Солнцем, — за день.

Полярные орбиты очень выгодны для ОКС, предназначенных для использования в качестве межпланетных станций, Космические корабли, стартующие с борта такой ОКС, могут иметь относительно небольшую антирадиационную защиту. Ведь конфигурация околоземных радиационных зон такова, что в районе полюсов интенсивность радиации близка к нулю. Околополярные районы, через которые периодически проходит станция при движении по полярной орбите, представляют собой естественные ворота для безопасного выхода кораблей в дальний космос и возвращения их на Землю.

Для астрономических наблюдений имеет значение еще и другая ориентация орбиты — относительно плоскости эклиптики, т. е. плоскости, в которой лежит орбита Земли (ось вращения Земли составляет ней угол 66°33′). Продолжительность непрерывного наблюдения за Солнцем, планетами я звездами находится в прямой зависимости от этой ориентации, причем максимальная продолжительность наблюдения Солнца, любой из планет или звезд получается в каждом отдельном случае при определенном угле между плоскостями эклиптики и орбиты ОКС.

Например, полярная орбита ОКС, лежащая в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики, дает возможность два раза в год непрерывно в течение 52 дней наблюдать Солнце.

Выбор наивыгоднейшей ориентации орбиты ОКС для наблюдения за планетами значительно сложнее, нежели в случае наблюдения за Солнцем. В лучшем случае удастся добиться нескольких часов в год непрерывного наблюдения за той или иной планетой.

При выборе оптимальной ориентации ОКС для астрономических наблюдений необходимо учитывать, что плоскости орбиты с углом наклона менее 60° к плоскости эклиптики являются малопригодными, поскольку при движении по такой орбите станция постоянно будет проходить через тень Земли, закрывающую как Солнце, так и планеты.

Рис. 7. Одна из возможных орбит обитаемой станции

В качестве примера приведем данные орбиты, предназначенной для ОКС фирмы «Локхид» (США), в какой-то мере удовлетворяющие большинству из рассмотренных требований:

высота апогея — 720 км;

высота перигея — 560 км;

период обращения — 97,2 мин;

угол наклона к плоскости экватора — 80°;

скорость прецессии в западном направлении — 1° в день.

Такая орбита (рис. 7) обеспечивает почти полное «покрытие» поверхности Земли, необходимое для целей геофизики, метеорологии, картографии, геодезии, навигации и т. д. Со станции, движущейся по такой орбите, можно будет дважды в год по 50 дней непрерывно вести наблюдения за Солнцем. Западное направление прецессии орбиты, при котором станция как бы несколько от стает от Земли в ее движении вокруг Солнца, способствует продолжительности наблюдений за планетами.

Такая орбита несколько уступает полярным орбитам в отношении оптимальных условий, необходимых для научных исследований, но зато дает преимущества с точки зрения возможностей существующих ракет-ускорителей, поскольку запуск на нее можно осуществлять в восточном направлении, т. е. с использованием скорости вращения Земли. Конечная скорость, которую надо было бы развить ракете-носителю для достижения полярной орбиты с такими же значениями высот апогея и перигея, на 65 м/сек больше.

Предлагаемая орбита имеет еще одно достоинство: требуемая точность управления ракетой при выведении ОКС на такую орбиту относительно невысока (допустимая ошибка по направлению ±0,5°, а допустимое отклонение конечной скорости от расчетной ±15 м/сек).

Возникает и такой вопрос: как мыслится технически решить проблему поддержания постоянства формы орбиты? Специалисты американской фирмы «Локхид» считают, что эта проблема вполне разрешима, если два — три раза в год кратковременно включать специальный двигатель коррекции с небольшой тягой. А если на борту станции будут находиться плазменные или ионные двигатели для создания небольшой постоянной тяги, тогда точность и продолжительность поддержания параметров орбиты еще более увеличатся.

Заслуживает внимания предложение об использовании более низких орбит (150 км и ниже) для забора и накопления воздуха верхних слоев атмосферы. Движущаяся по орбите ОКС сможет собирать этот воздух в ожиженном состоянии в специальные резервуары с последующим разделением его на кислород и азот. Жидкие газы найдут на борту ОКС самое широкое применение. Кислород можно использовать для дозаправки стартующих с Земли межпланетных кораблей. Кроме того, жидкие кислород и азот, собранные на низкой орбите, можно применять для нужд самой ОКС. Кислород будет использоваться для поддержания жизнедеятельности членов экипажа и как окислитель в двигателях изменения параметров орбиты.

Азот может также применяться как рабочее тело корректирующих двигательных установок (ионных, плазменных). Таким образом, корректировка низкой орбиты, на параметры которой будет сильно влиять сопротивление среды, потребует земного запаса топлива лишь на начальной стадии орбитального полета.

Зарубежные авторы считают, что при запуске ОКС на высокую орбиту можно снизить стартовый вес почти на 75 % при увеличении полезной нагрузки на 40 %, если предварительно накопить воздух на высоте около 100 км. Стартовый вес такой станции может быть даже меньше орбитального (в два раза), а вес захваченного и сжиженного кислорода составит 80–90 % общего веса топлива [25].

До сих пор все космические корабли строились целиком на Земле и на активном участке траектории полета являлись органической частью последней ступени ракеты-носителя. После выхода на орбиту космический корабль отделялся от последней ступени и практически тотчас же. был готов к работе. Требовалось лишь сбросить защитные кожухи и обтекатели, раскрыть солнечные батареи и выпустить антенны.

Такой способ вполне пригоден и для создания небольших ОКС. Орбитальная станция, например рассчитанная на экипаж из трех — четырех человек и месяц полета, будет весить, по подсчетам специалистов, около 10 т [17]. Такая полезная нагрузка вполне доступна для ракетной техники сегодняшнего дня.

Желание конструкторов как можно более эффективно использовать последнюю ступень ракеты-носителя, любой ценой повысить размеры спутников при заданном весе последней ступени приводит к разнообразным и часто весьма остроумным идеям. Так, предлагается, например, широко использовать принцип трансформации.

Что это такое? Мы уже говорили, что обычно космический корабль готов к работе после сброса обтекателе и защитных кожухов. Это тоже трансформация, хотя и довольно простая, не изменяющая фактически конструкции космического корабля. Но можно сделать иначе. Например, после выхода на орбиту можно в несколько раз увеличить рабочий объем космической станции, наполнив воздухом специальную оболочку, достаточно легкую и мягкую, чтобы ее можно было сложить на время запуска, достаточно прочную и эластичную, чтобы противодействовать метеорным потокам.

Предлагается также в качестве основного рабочего помещения использовать емкости топливных баков последней ступени ракеты-носителя, разместив в них лаборатории, оборудование и жилые помещения.

Но как же быть, когда потребуется построить станцию весом не 10 и не 15 т, а в несколько десятков или даже сотен тонн? Здесь уже принцип трансформации не поможет.

Как уже указывалось, в настоящее время проектируются ракеты со стартовым весом в несколько тысяч тонн, и что в перспективе возможно выведение на орбиту полезной нагрузки более 150 т. Но все-таки вполне обоснованно скептическое отношение некоторых конструктор к реальному осуществлению таких проектов. Прежде всего считают, что такие ракеты появятся очень и очень не скоро. Сомневаются и в возможности постройки стартовых площадок для таких гигантских ракет. Кроме того, нецелесообразность создания ОКС с помощью одной ракеты видят и в том, что слишком уж велика вероятность безвозвратной потери всей конструкции ОКС в случае неудачи с ракетой.

Поэтому вполне вероятно, что для создания крупных ОКС придется применить тот же способ, что и для строительства больших межпланетных кораблей — сборку на орбите из отдельных элементов, доставленных туда заранее. Сборка на орбите может значительно приблизить сроки создания крупных ОКС, а вероятность успеха значительно возрастет, так как возможная неудача с одной из ракет приведет к существенно меньшим потерям.

Монтаж станции непосредственно на орбите из секций и блоков, доставляемых с Земли, позволит получить конструкцию, наиболее приспособленную к орбитальным условиям. Конструкция станции в целом не будет рассчитана на значительные аэродинамические, инерционные и тепловые нагрузки, сопутствующие взлету и полету на активном участке траектории. Если же ОКС будут выводиться на орбиту непосредственно с Земли, эти нагрузки приведут к перетяжелению конструкции, хотя продолжительность действия их составит ничтожную долю от общего времени существования станции. Проектирование и разработка станции, собираемой в космосе будут выполняться с учетом действия невесомости, радиации, метеорных потоков и других факторов орбитального полета.

Рис. 8. Возможные конфигурации орбитальных станций, составленных из типовых блоков

Орбитальная станция будет компоноваться из самых разнообразных сборных элементов: из корпусов ракетных кораблей, вышедших на орбиту, т. е. последних ступеней ракет-носителей, из топливных баков, опустошенных к моменту выхода на орбиту ракет с экипажем и оборудованием, или из специальных типовых секций небольшого ассортимента. Из типовых секций можно будет собирать станции различного целевого назначения и размеров. Каждая секция может представлять собой, например, лабораторию определенного назначения или жилой отсек и иметь оборудование, которое после сборки станции войдет составной частью в общую систему энергоснабжения и обеспечения жизнедеятельности экипажа. Наиболее целесообразная геометрическая форма типовой секции — сфера или цилиндр. Секции такой формы имеют наименьший вес при заданном полезном объеме, удобны для сборки я хорошо впишутся в контуры ракеты-носителя. Собранная из цилиндрических и сферических блоков станция может иметь различную конфигурацию (рис. 8).

Типовое строительство в космосе позволит сократить время, необходимое для монтажа ОКС, максимально механизировать операции сборки.

Вполне вероятно, что при орбитальной сборке нельзя будет обойтись без наружных работ космонавтов-монтажников. Для этого потребуются специальные костюмы — скафандры, связанные с системами ОКС длинными шлангами и проводкой или даже с автономной системой жизнеобеспечения. Для перемещения вне станции космонавт-монтажник должен быть снабжен индивидуальными ракетными двигателями.

Рис. 9. Космонавт вне станции

Такие костюмы, подобные изображенному на рис. 9 по данным зарубежной печати уже сконструированы и испытываются в лабораторных условиях.

Но продолжительные работы вне станции в сложных условиях орбитального полета представят значительные трудности для космонавтов-монтажников. Невесомость, например, будет затруднять выполнение некоторых, даже самых элементарных операций, особенно связанных с вращательным движением. Быть может, придется либо полностью отказаться от резьбовых соединений в стыковочных узлах сборной конструкции, заменив ее сваркой, либо разработать такие приспособления для сборки этих соединений, которые исключали бы необходимость совершать вращательные движения. Космонавт, занятый сборкой станции на орбите, должен будет выработать определенные навыки для сохранения ориентировки и управления своим телом в состоянии невесомости. Впрочем, можно обойтись и без выхода людей непосредственно в космическую среду, если удастся создать специальные летательные монтажные аппараты, что-то вроде космических кранов-буксировщиков, управляемых человеком.

Рис. 10. Астробуксир в работе

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:

V = 2,3 w lg(G нач /G кон )

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:

G нач =G кон + G топл

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.

Имея небольшой ассортимент достаточно надежных двигателей разной мощности, можно было бы применять их во всевозможных комбинациях на тех или иных космических аппаратах.

Однако в этом направлении можно пойти и дальше, а именно осуществить унификацию не только двигателей, но и целых ступеней ракетных аппаратов различного целевого назначения, чтобы одни и те же стандартные ступени использовать в соответствующих комбинациях для создания самых разнообразных типов ракет-носителей.

Как считают американские специалисты, помимо увеличения надежности, применение принципа унификации при проектировании носителей даст большой выигрыш от снижения затрат, связанных с разработкой всевозможных космических систем.

В табл. 2 приведены различные проектные варианты использования унифицированных ступеней американской ракеты «Сатурн» и даны соответствующие веса полезных нагрузок для различных задач, начиная от запуска обитаемого спутника Земли и кончая осуществлением мягкой посадки космического аппарата на Луну [35].

Каждая ступень ракеты имеет связку из нескольких жидкостных двигателей, причем на второй и третьей ступенях установлены одинаковые двигатели фирмы «Рокетдайн», а на четвертой и пятой — однотипные двигатели фирмы «Пратт Уитни». Проектные характеристики отдельных ступеней ракеты «Сатурн» приведены в табл. 3.

Улучшенный вариант ракеты «Сатурн» С-1В должен выводить на орбиту высотой 480 км полезную нагрузку около 14 т.

Таблица 2

Таблица 3

Надежность двигателя Н-1 «Рокетдайн» на основании большой серии опытных испытаний оценивается 96,5 %. Надежность связки из восьми таких двигателей, устанавливаемой на первой ступени, значительно меньше и составляет лишь 75 %. При проектировании первой ступени была предусмотрена возможность продолжения полета и при отказе одного или двух двигателей, причем получение расчетной конечной скорости всей ракеты обеспечивается увеличением времени работы верхних ступеней. Фирма «Рокетдайн» стремится повысить надежность первой ступени путем замены связки из восьми двигателей Н-1 одним большим двигателем F-1 тягой 680 т. Конечно, и двигатель F-1 можно использовать в связках. Предполагается, что ракеты с четырьмя, шестью или восемью двигателями F-1 в первой ступени (проект «Нова») будут иметь полезную орбитальную нагрузку соответственно 113, 170 и 227 т. Реализация подобных проектов позволит обойтись одной ракетой при создании крупных ОКС.

Контуры ракеты-носителя «Сатурн» в трехступенчатом варианте показаны на рис. 11.

Рис. 11. Трехступенчатая ракета «Сатурн»:

1 — центральный бак; 2 — наружный бак; 3 — поворотный двигатель; 4 — неподвижный двигатель; 5 — тормозные посадочные двигатели; 6 — обтекатель

В конструктивном отношении наиболее интересна первая ступень, которая представляет собой самую сложную и дорогостоящую часть всей ракеты-носителя. Используемая во всех вариантах ракеты и имеющая специальную парашютную, роторную или парусную систему приземления, она может быть применена многократно. Эта система, обеспечивающая постепенное гашение скорости и плавную посадку, в парашютном варианте состоит из восьми тормозных пороховых двигателей нескольких парашютов и большого надувного баллона для посадки на воду.

По мнению конструкторов, возможность многократного применения первой ступени носителя существенно снизит общие затраты на запуск и выведение на орбиту космических аппаратов.

Конструктор ракет Браун, например, считает, что сохранение первой ступени для изучения узлов ракеты «Сатурн» даст больше данных, чем телеметрическая информация, полученная через 1000 каналов во время запуска.

Данные табл. 3 обращают наше внимание на то, что двигатели первой ступени работают на хорошо освоенном топливе (керосин плюс жидкий кислород), а в двигателях всех последующих ступеней в сочетании с кислородом используется более эффективное горючее — жидкий водород.

Почему же водородно-кислородные двигатели, применение которых явится важным шагом вперед в строительстве ЖРД, ставятся лишь на верхние ступени ракеты-носителя «Сатурн»?

Прежде всего это выгодно с энергетической точки зрения. Дело в том, что энергия газовой струи, истекающей из сопла ракетного двигателя, наиболее полно используется тогда, когда скорость истечения близка к скорости полета.

Если скорость истечения больше скорости полета, покидающая ракетный двигатель струя газов уносит с собой и рассеивает в пространстве некоторый избыток энергии. По-другому ведет себя выходящая из сопла струя, когда скорость истечения продуктов сгорания меньше скорости ракеты: струя как бы «волочится» за ракетой и «притормаживает» ее.

При запуске орбитального тела скорость ракеты-носителя увеличивается от нуля до первой космической, что при скорости истечения w = 2500 м/сек соответствует изменению отношения скорости движения к скорости истечения от нуля примерно до трех. Отсюда следует, что топлива, дающие большие скорости истечения (таким топливом и является водород, у которого w = 4000 м/сек), рациональнее всего применять на верхних ступенях, работающих при высоких скоростях полета. Первая же ступень большую часть времени работает при скоростях полета значительно меньших скорости истечения, и повышать их невыгодно из-за роста перегрузок и сопротивления атмосферы. Заметим, что применение водорода на верхних ступенях существенно снижает потребную тягу первой ступени. Так, при проектировании ракетной системы «Сатурн» было подсчитано, что использование для двигателей второй ступени не водорода, а керосина потребовало бы увеличения тяги первой ступени на 70 %. Если же керосин применить также и на третьей ступени, то тягу двигателей первой ступени пришлось бы утроить.

Есть еще одна причина, препятствующая применению водорода на первой ступени. Дело в том, что водород как горючее обладает существенным недостатком — он имеет низкий по сравнению с другими горючими удельный вес. Поэтому для хранения водорода на борту ракеты требуются очень большие емкости. Происходит утяжеление конструкции за счет баков. По этой причине водород очень долго вообще не рассматривался как топливо для двигателей. Для первой ступени утяжеление может быть настолько существенным, что прирост конечной скорости ракеты за счет применения водорода будет совершенно незначительным из-за уменьшения отношения масс (см. формулу Циолковского). Другое дело на верхних ступенях, где требуются значительно меньшие запасы горючего. Увеличение объема и веса баков этих ступеней при использовании водорода не скажется сколько-нибудь заметным образом на отношении масс, а значит, увеличит прирост скорости ракеты.

Это не значит, однако, что невозможно дальнейшее совершенствование двигателей первой ступени. Улучшение характеристик этих двигателей будет, несомненно, достигнуто за счет более совершенной организации процессов горения и истечения продуктов сгорания. Возможности здесь еще далеко не исчерпаны. Например, установлено, что минимальные потери при истечении достигаются тогда, когда в реактивном сопле происходит полное расширение, т. е. давление на выходе равно давлению в окружающем пространстве. У двигателей, устанавливаемых на нижних ступенях ускорителей и работающих в широком диапазоне изменения атмосферного давления, потери тяги могут быть довольно существенными за счет перерасширения или недорасширения газовой струи в выходном реактивном сопле. Потери эти в применяемых соплах (так называемых соплах Лаваля), обычно нерегулируемых, объясняются тем, что при изменении высоты полета, а следовательно, и давления среды давление струи в выходном сечении сопла остается неизменным. Внутри такого сопла поток газов как бы зажат и почти не «чувствует» изменения высоты полета. Переход от сопел Лаваля к соплам нового типа позволит заметно улучшить высотные характеристики ракетных двигателей.

Контуры обычного сопла Лаваля и сопел нового типа показаны на рис. 12. В соплах нового типа газовая струя обладает способностью как бы подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды: на малых высотах она поджимается, а на больших расширяется так, что давление в выходном сечении сопла непрерывно меняется по высоте вместе с изменением атмосферного давления. Формы струи в соплах с центральным телом и центральной вставкой, характерные для различных высот полета, показаны на рис. 12, а, б пунктирными линиями.

Рис. 12. Типы сопел ракетных двигателей:

а — сопло с центральной вставкой; б — сопло с центральным телом; в — обычное сопло Лаваля

Помимо улучшения высотных характеристик, применение сопел нового типа должно дать ощутимый выигрыш в размерах и весе двигателя, поскольку уже первые опыты с подобными соплами показали, что их можно делать вдвое короче по сравнению с соплами Лаваля такой же тяги.

Как видим, возможности применения ЖРД еще далеко не исчерпаны. И можно не сомневаться, что мы будем свидетелями осуществления новых грандиозных полетов в космос с помощью испытанных и надежных жидкостно-ракетных двигателей.

Однако в последние годы в зарубежной печати все чаще говорят об использовании для выведения космических аппаратов и создания ОКС некоторых других типов двигателей.

Несколько лет назад инженеры снова вернулись к тем типам ракет, которые отошли на второй план после изобретения ЖРД. Речь идет о пороховых ракетах, или, как их называют теперь, ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ). Современных ракетостроителей эти двигатели привлекли своей конструктивной и эксплуатационной простотой. Для таких двигателей не нужны гигантские баки с жидким топливом, а значит, не нужны насосы, обилие топливных магистралей, форсунок и пр. Отсюда и высокая надежность РДТТ (по оценкам американских специалистов — до 99 %). Правда, РДТТ, использующие энергию сгорания специальных порохов, дают несколько меньшие скорости истечения по сравнению с ЖРД, а для достижения одинаковой конечной скорости ракета с РДТТ оказывается на 30–50 % тяжелее ракеты с ЖРД. Но так как ракеты на твердом топливе требуют существенно меньших затрат на изготовление и обслуживание, нежели жидкостные ракеты, то, как оказывается по подсчетам американских специалистов, каждый килограмм взлетного веса пороховой ракеты стоит вдвое дешевле [19].

Появившийся вновь интерес к РДТТ объясняется также значительным улучшением технологии изготовления пороховых зарядов за последние годы. Раньше заряд твердого топлива, состоящий из частичек горючего и окислителя, отливался или прессовался в виде отдельной шашки, покрываемой сверху негорючим материалом, и закладывался затем в камеру сгорания. При этом по соображениям обеспечения прочности двигателя необходимо было иметь довольно толстые, а следовательно, и тяжелые стенки камеры. Между стенками камеры сгорания и пороховой шашкой оставался значительный зазор, и поэтому, несмотря на большой общий вес, двигатель получался все же недостаточно прочным — в заряде возникали напряжения и появлялись трещины. Создание твердых топлив с резиноподобным связующим веществом [20] позволило в корне изменить технологический процесс отливки зарядов и снаряжения двигателей. Появилась возможность заливать заряд непосредственно в камеру двигателя. Заряд такого топлива, который в отличие от обычных порохов назвали смесевым, после затвердения (полимеризации) оказывается плотно связанным со стенками камеры, а это допускает применение легких тонких стенок. Специальные связующие вещества придают заряду высокие прочностные свойства и уменьшают тепловые и механические напряжения. При этом отставания пороховой массы от стенок камеры не происходит и опасность самовоспламенения сводится к минимуму.

На пути создания крупных ракет-носителей с РДТТ для выведения орбитальных станций еще много нерешенных проблем. К ним относят, например, увеличение мощности и продолжительности работы, уменьшение удельного веса РДТТ. Существующие РДТТ могут работать, как правило, не больше 30–40 сек. Для выведения на орбиту тяжелой ОКС этого времени явно недостаточно. Его требуется увеличить по крайней мере в три-четыре раза. Правда, увеличение времени работы двигателя потребует интенсивного охлаждения стенок камеры и сопла двигателя. Здесь нет жидкого топлива, с помощью которого охлаждаются камеры сгорания ЖРД, поэтому требуются специальные системы охлаждения. В качестве эффективного способа может быть использовано испарение какого-либо металла, в жидком состоянии подаваемого на стенки сопла. Проведенные за рубежом исследования показали, что двигатели, у которых сопла охлаждаются испарением жидкого лития или магния, могут работать в течение 80 сек при температуре пламени до 3400 °C.

При создании РДТТ большой мощности конструкторы сталкиваются с чрезвычайно большими весами, затрудняющими транспортировку двигателей к месту старта.

На помощь приходит так называемое секционирование, т. е. двигатель собирается из отдельных секций непосредственно на пусковой площадке. Учитывая кратковременность работы РДТТ, их выгоднее применять на первых ступенях космических ракет-носителей [32]. Один из зарубежных проектов вывода на орбиту высотой 560 км орбитальной станции весом 13,3 т предусматривает применение РДТТ в качестве стартовых двигателей ракеты-носителя «Титан-3». Каждый из двух пятисекционных двигателей длиной 21 м, диаметром около 4,5 м и весом около 250 т разовьет тягу около 600 т и будет работать 1,5 мин.

Способ секционирования, как отмечается в американской печати, даст возможность создать РДТТ с огромной тягой — до 4000 т и более. Конечно, это снова приведет к определенным трудностям. Транспортировка секций, сборка и установка таких двигателей на ракете будут очень сложны, ведь вес двигателей достигнет многих сот тонн при длине до 100 м и диаметре около 10 м.

В последнее время исследуется возможность использования для выведения спутников на орбиту воздушно-реактивных двигателей (ВРД), получивших широкое применение в авиации. Считают, что применение ВРД снизит стартовый вес ракеты-носителя, поскольку в качестве окислителя будет использоваться атмосферный воздух. Кроме того, появится возможность использовать подъемную силу крыла, так как траектория полета будет довольно пологой. Следует помнить о том, что при возвращении на Землю ступени с ВРД с целью ее повторного использования не понадобятся дополнительные тормозные установки, а может быть, и парашюты. Для спуска и посадки потребуется лишь небольшой запас топлива.

Предварительные расчеты некоторых ученых показывают, что из всех типов ВРД наиболее подходящими для данной цели являются прямоточные, а также комбинированные двигатели — ракетно-прямоточные и турборакетные. Обыкновенные турбокомпрессорные ВРД, установленные на первой ступени, не дадут выигрыша в стартовом весе и вряд ли будут когда-нибудь использоваться при выведении больших орбитальных станций.

Как известно, прямоточные ВРД не могут работать на месте и при малых скоростях полета. Однако на скоростях, соответствующих числам М от 2 до 6, эти двигатели очень эффективны до высот 40 км. В связи с этим их предлагают устанавливать на второй ступени многоступенчатой ракеты-носителя.

В одном из опубликованных в печати проектов [26] рассматривается трехступенчатая ракета, у которой первая и третья (последняя) ступени работают на жидком топливе, а вторая ступень имеет крылья и снабжена прямоточными двигателями. Жидкостные двигатели первой ступени поднимают ракету на высоту 12 км, одновременно разгоняя ее до скорости 300 м/сек. На этой скорости запускаются прямоточные двигатели второй ступени, обеспечивающие разгон ракеты до 4000 м/сек по относительно пологой траектории. В конце работы второй ступени ракета достигает высоты около 30 км. С этой высоты начинает работать третья ступень, траектория полета ракеты становится более крутой, а отделившаяся вторая крылатая ступень плавно снижается и производит посадку на Землю.

Практическая реализация подобных проектов вызовет, видимо, значительные трудности. Дело в том, что пока еще не удается обеспечить устойчивую работу прямоточного двигателя в широком диапазоне скоростей полета. Кроме того, обшивка ракеты, летящей с высокой скоростью на относительно малой высоте, будет подвержена значительному аэродинамическому нагреву.

Рис. 13. Схема ядерного двигателя с твердыми тепловыделяющими элементами:

1 — подача рабочего тела; 2 — сопло; 3 — отражатель; 4 — замедлитель с ядерным горючим

Как известно, при использовании ЖРД на борту ракеты-носителя необходимо иметь два компонента топлива — горючее и окислитель. В этом отношении большой интерес представляет ядерный ракетный двигатель (ЯРД), который работает на однокомпонентном рабочем теле, а главное, дает высокую удельную мощность. По своей схеме такой двигатель отличается от ЖРД только тем, что нагрев его рабочего тела происходит не в камере сгорания, а в ядерном реакторе (рис. 13). При этом отпадает одно из препятствий для получения высоких скоростей истечения, свойственное ЖРД, для которого очень важно удачно выбрать сочетание компонентов топлива. Чем легче топливо, чем меньше его молекулярный вес, тем больше можно получить скорость истечения из двигателя. В ЯРД можно применять рабочее тело с самым малым молекулярным весом, например водород или гелий. К сожалению, максимальная температура рабочего тела, от которой также зависит скорость истечения и тяга двигателя, ограничена стойкостью применяемых ядерных и конструкционных материалов. Поэтому вопросы охлаждения занимают здесь еще более важное место, чем в ЖРД.

Известно, что чистый уран плавится при температуре 1130 °C, а это явно недостаточно для ракетного двигателя. Если в качестве активной массы реактора применять окись урана (температура плавления 2750 °C), то можно получить достаточно эффективный ЯРД с твердыми тепловыделяющими элементами. Но и такая температура не предел для ЯРД. Рассматривается возможность создания реакторов с жидкими тепловыделяющими элементами, позволяющими нагревать рабочее тело до температур намного выше 3000 °C. Наиболее высокая температура нагрева может быть получена в так называемом газофазном реакторе (температура выше 3500 °C) [13].

По соображениям безопасности для экипажа ракеты с ядерным двигателем необходимо иметь мощную антирадиационную защиту, что, конечно, в значительной мере увеличит стартовый вес. И еще одно условие: в целях предотвращения загрязнения атмосферы радиоактивными продуктами реактивной струи ядерный двигатель желательно включать лишь на значительной высоте. Эти недостатки делают применение такого двигателя на первой ступени ракеты неудобным и крайне нежелательным. Хотя в настоящее время ядерные ракетные двигатели находятся в стадии разработки, тем не менее многие проекты ракет-носителей для выведения ОКС предусматривают их применение. Так, по американскому проекту «Ровер» на третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн» С-2 предполагается установить ядерный двигатель, что позволит вывести на орбиту высотой 560 км ОКС весом 31 т.

В зарубежной печати встречаются также сообщения о проектах очень мощных ракет на ядерном горючем для выведения сверхтяжелых орбитальных станций. Например, проект под условным названием «Антарес» задуман с целью исследования возможности выведения на орбиту полезного груза весом до 2500 т, а проект «Альдебаран» имеет целый создание космических систем для запуска орбитальной станции весом 30 000 т. Сейчас эти цифры кажутся нам совершенно фантастическими, но разве не фантастикой казалась еще недавно возможность посылки почти тонны полезного груза к Марсу?

 

ОРИЕНТАЦИЯ И СТАБИЛИЗАЦИЯ

В сообщениях о полетах космонавтов можно прочесть о ручном управлении космическим кораблем и об автоматической системе его ориентации. Что такое ориентация и в какой мере можно осуществлять управление орбитальным кораблем?

Как известно, заданную траекторию при движения орбитального тела сохраняет только центр масс (мы бы сказали центр тяжести, но нельзя забывать, что орбитальный корабль не имеет тяжести — он невесом), а весь корабль под действием различных возмущающих моментов может буквально кувыркаться относительно системы координат, связанной с центром масс. Чтобы корпус корабля был неподвижен относительно своего центра масс, необходимо его стабилизировать в нужном положении. Управление кораблем или ОКС — это не только стабилизация его относительно центра масс, но и ориентация по отношению к системе координат, не связанной с ОКС, например по отношению к Солнцу. Выбор ориентации ОКС зависит от назначения станции.

Геофизические приборы, например установленные на ОКС, потребуют ориентации на те или иные участки земной поверхности. Для проведения астрономических наблюдений Солнца, Луны, планет и звезд необходимо будет соответствующим образом ориентировать телескопы или всю станцию. Солнечные коллекторы системы энергоснабжения должны быть постоянно направлены на Солнце. Определенная ориентация необходима и для различных антенных устройств.

При выполнении различных научных экспериментов наверняка потребуется изменение пространственной ориентации всей станции в целом, так как не всегда, конечно, удастся ограничиться изменением ориентации самих приборов. При этом нужно будет не только в любое время по желанию экипажа переориентировать станцию, но и автоматически поддерживать ее в любом заданном положении, т. е. стабилизировать. Требования к качеству стабилизации могут быть достаточно велики. К примеру, некоторые астрономические измерения требуют наводки телескопа с точностью до 1", а иногда и десятых долей угловой секунды. Очевидно, что точность стабилизации астрономической ОКС должна быть при этом не меньше. Так как энергетические ресурсы на борту довольно ограничены, затраты энергии на автоматическую стабилизацию должны быть минимальными.

Если придание станции требуемого пространственного положения может быть осуществлено сравнительно просто, то задача обеспечения устойчивости станции в заданном положении оказывается более сложной. Действительно, для изменения ориентации ОКС достаточно кратковременно приложить соответствующий разворачивающий момент. Сохранению же полученной ориентации будут препятствовать различного рода регулярные и нерегулярные возмущения, компенсация которых и составляет задачу стабилизации.

Очевидно, что, имея надежную систему стабилизации, нетрудно будет с ее же помощью осуществлять управление ориентацией ОКС.

Система стабилизации ОКС должна работать непрерывно, быть очень чувствительной к возмущающим моментам, которые могут иметь самое разнообразное происхождение, величину и продолжительность действия. Количественно возмущения, воздействующие на ОКС, оцениваются величиной импульса момента (в кгмсек), который подсчитывается как произведение возмущающего момента (в кгм) на время его действия (в сек). Величина возмущающих моментов, приводящих ОКС во вращение вокруг ее центра масс, может изменяться в широком диапазоне.

Источники возмущающих моментов могут находиться как внутри ОКС, так и вне ее.

Причин возможных внешних возмущений — десятки. Это и силы аэродинамического сопротивления и гравитационное и магнитное поля Земли, и давление солнечной радиации, и столкновение с метеорами, возможные толчки и удары при встрече с другими космическими аппаратами. Сразу же отметим, что рациональным проектированием станции некоторые внешние воздействия, такие, например, как аэродинамические силы или световое давление Солнца, можно из вредных превратить в полезные, т. е. из источников возмущений в стабилизирующие факторы.

Внутренние возмущения могут быть вызваны только работой подвижных частей оборудования, но и перемещениями членов экипажа.

Неизбежность таких возмущений очевидна — трудно ведь представить себе ученых-космонавтов, свобода движения и перемещения которых находится в жестких ограничивающих рамках. Расчеты показывают, что в результате перемещений членов экипажа ОКС величина возмущающего момента может изменяться от 2 до 35 кгм, что при времени действия от 0,5 до 10 сек создает импульсы момента от 1 до 350 кгмсек [17]. Угловые скорости, сообщаемые при этом аппарату в различных направлениях (они зависят от конструкции станции), могут составить от 0,05 до 2 град/сек. А как же быть в этом случае с наводкой астрономических приборов, помехой для которых, как считают, могут быть даже дыхательные движения и биение пульса человека? Здесь уже не поможет даже полная неподвижность космонавтов — придется вынести телескопы на специально ориентируемую платформу, либо вообще разместить их на отдельном самостоятельно стабилизирующемся необитаемом спутнике вблизи ОКС.

Внешние возмущения естественного происхождения — аэродинамического, гравитационного или магнитного — характеризуются, с одной стороны, весьма малыми значениями возмущающего момента, с другой стороны, довольно большой продолжительностью их действия. Например, гравитационное поле Земли будет действовать на ОКС практически непрерывно, хотя возникающий при этом возмущающий момент будет всего лишь порядка 0,05 кгм.

Таким образом, если этот момент не компенсировать постоянно, то импульс момента может быть очень большим, а угловые скорости вращения будут расти неограниченно и станция может раскрутиться до большой скорости.

Возмущающие моменты, которые могут возникнуть при швартовке к борту ОКС межпланетного корабля или ракеты с Земли, наоборот, отличаются большой величиной (до 1000 кгм и более), нет они кратковременны. Импульсы момента будут все-таки значительными — до 500 кгмсек.

Какие же существуют методы стабилизации пространственного положения ОКС?

Наиболее просто можно было бы придать устойчивое положение орбитальной станции, сообщив ей постоянное вращательное движение вокруг одной из ее осей. Такой способ стабилизации требует вполне определенной конфигурации ОКС — момент инерции станции вокруг оси ее вращения должен быть либо намного больше, либо намного меньше моментов инерции относительно двух других осей. Первому условию соответствуют станции, имеющие форму диска, тороида или креста, вращающихся в своей плоскости; второму условию отвечает цилиндрическая конфигурация станции, вращающейся вокруг своей продольной оси (этот случай напоминает стабилизацию артиллерийского снаряда).

Вращение ОКС, имеющей в плане форму диска или обода, помимо целей стабилизации, может служить и для создания на станции искусственной гравитации и в этом смысле представляется весьма удачным решением проблемы. Этот способ, однако, трудно совместить с проведением с борта ОКС большого числа геофизических и астрономических измерений. Недопустимость при выполнении таких измерений вращения всей станции в целом заставляет изыскивать другие методы стабилизации.

С точки зрения происхождения энергии, используемой для создания восстанавливающих моментов, методы стабилизации невращающейся станции можно разделить на пассивные и активные.

В пассивных методах компенсация возмущающих моментов осуществляется за счет энергии, приходящей извне. Источниками компенсирующих моментов могут быть либо внешние вращательные моменты как следствие воздействия все тех же потенциальных полей Земли — гравитационного или магнитного, либо внешние направленные силы (стабилизация аэродинамическим сопротивлением или световым давлением). В первом случае необходимые компенсирующие моменты могут возникнуть при прохождении ОКС какого-либо потенциального поля Земли, если ОКС снабжена соответствующим диполем, ось которого всегда стремится совместиться с направлением наибольшего изменения напряженности поля. Если же стабилизация осуществляется внешней направленной силой, то главное требование состоит в том, чтобы центр приложения этой силы находился на определенном расстоянии от центра масс спутника.

Идея использования гравитационных сил для стабилизации ОКС возникла при изучении видимых колебаний Луны вокруг ее центра тяжести (либрации). Оказалось, что Луна стабилизирована относительно Земли довольно точно за счет весьма небольшого отличия ее формы от сферической. Анализ влияния гравитационного поля на спутники Земли показывает, что положение ОКС будет устойчивым, если ось минимального момента инерции направить по вертикали к поверхности Земли, а ось максимального момента расположить перпендикулярно плоскости орбиты станции. Интересно, что космическая станция, выполненная по форме в виде гантели, т. е. обладающая распределением масс, характерным для гравитационного диполя, будет самостабилизироваться в поле действия силы тяжести Земли. На орбите такая станция будет всегда стремиться занять положение, при котором продольная ось «гантели» (диполя) будет направлена к центру Земли, а поперечная — по перпендикуляру к плоскости орбиты. Правда, при таком способе стабилизации процесс ее будет идти очень медленно. Кроме того, вращение станции вокруг продольной оси «гантели», конечно, контролироваться не будет. Для компенсации накренений вокруг этой оси, т. е. для обеспечения полной трехосевой устойчивости, необходимо будет иметь дополнительные устройства.

Возможности стабилизации ОКС с использованием магнитного поля, при котором роль диполя должна играть катушка с электрообмоткой, ограничены еще меньшими значениями располагаемых восстанавливающих моментов. К тому же такой способ стабилизации применим для сравнительно узкого класса орбит, определяемого формой земного магнитного поля.

В качестве компенсирующего фактора в пассивных стабилизирующих системах можно использовать аэродинамическое сопротивление конструкции ОКС. Для обеспечения устойчивости центр приложения результирующей силы давления должен лежать позади центра масс спутника (смотря по направлению движения), причем величина восстанавливающего эффекта тем больше, чем больше площадь поверхности ОКС и расстояние между центром масс и центром давления. Естественно, что аэродинамическая стабилизация применима лишь до определенных высот орбиты. Предельной высотой считают 500 км [24], где давление воздуха меньше 1,5*10–8г/см2.

Возможности стабилизации с помощью светового давления, конечно, еще меньше, поскольку давление солнечного излучения вблизи Земли весьма незначительно. Расчеты показывают, что для компенсации небольшого возмущения за счет светового давления потребуется не менее получаса. Тем не менее считается, что такой способ может найти применение для компенсации моментов от вращающихся в процессе работы деталей оборудования и приборов.

Практически способы стабилизации с помощью пассивных методов будут, по-видимому, использованы при создании вспомогательных устройств; дополняющих работу других, более эффективных стабилизирующих систем ОКС.

Такие системы могут использовать лишь активные методы стабилизации, в которых восстанавливающий момент создается за счет энергии, получаемой или запасенной на борту ОКС. К таким методам относится стабилизация с помощью вращающихся маховиков и стабилизация реактивными соплами.

В системе стабилизации маховиками, предложенной для космических аппаратов еще К.Э.Циолковским, используется инерционное свойство вращающегося тела сохранять неизменной свою ориентацию. Известно, что, чем выше угловая скорость вращения тела и чем больше его момент инерции, тем устойчивее положение этого тела в пространстве. Таким образом, в данной системе восстанавливающим фактором служит момент вращения маховика. Раскрутка и поддержание заданной скорости вращения маховика должны производиться электромоторами небольшой мощности, питающимися от бортовой системы энергоснабжения. Три таких маховика с осями, Расположенными во взаимно-перпендикулярных направлениях, обеспечивают полную трехосевую стабилизацию спутника по тангажу, рысканию и крену (рис. 14).

Рис. 14. Стабилизация с помощью вращающихся маховиков:

1 — электродвигатель; 2 — маховик; 3 — подшипник

Для усовершенствования системы можно взять три отдельных маховика, каждый из которых создается восстанавливающий момент только вокруг одной оси, а один сферический маховик с асинхронным электродвигателем, имеющим три взаимно-ортогональные обмотки. Сферическому маховику не нужны подшипники: подвеску можно осуществить либо с помощью магнитного или электростатического поля, либо на газовой подушке.

Но возможности системы с маховиками по максимуму величины восстанавливающего момента далеко не безграничны и определяются предельной скоростью вращения маховиков. Поэтому реакция такой системы стабилизации на очень большие возмущения может оказаться недостаточной.

Активная система стабилизации реактивными соплами является наиболее эффективной и уже используется на практике. Восстанавливающий момент в этой системе возникает при выбросе массы рабочего тела из сопла небольшого реактивного двигателя, ось которого не проходит через центр масс космического корабля или ОКС. Восстанавливающий момент зависит от скорости истечения и массового расхода рабочего тела, а также от размера плеча, на котором приложена сила тяги двигателя. Рабочим телом могут служить как обычные продукты сгорания химического топлива, так и просто пар или воздух. Конечно, пар или воздух дают относительно низкие скорости истечения, поэтому расход и запасы на борту таких однокомпонентных рабочих тел будут довольно значительными. Вообще, учитывая необходимость в расходе рабочего тела, такие системы можно считать пригодными лишь для кратковременного действия. С другой стороны, система с двигателями может давать очень большие величины восстанавливающих моментов и довольно быстро реагировать на неожиданные импульсы возмущающих моментов. Поэтому для длительно существующих ОКС такая система будет очень удобной, придется лишь периодически пополнять запасы рабочего тела, транспортируя его с Земли.

Для стабилизирующей системы длительного действия можно применить плазменные или ионные двигатели, способные развивать высокие скорости истечения при небольших расходах рабочего тела. Для таких двигателей нужно будет иметь дополнительные ресурсы электроэнергии на борту ОКС.

Как будет осуществляться стабилизация ОКС с помощью двигателей? Для полной стабилизации по тангажу, рысканию и крену необходимо иметь по крайней мере шесть пар реактивных двигателей, расположенных так, как показано на рис. 15, При появлении какого-либо возмущения включается определенная пара двигателей, создающая момент, компенсирующий возмущение. Например, если аппарат почему-либо начинает накреняться вокруг оси х в направлении, указанном стрелкой, то включится пара двигателей 1–1. При действии момента в противоположном направлении работают двигатели 1'-1'. Аналогично компенсируются моменты вокруг осей y и z.