КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ, обитаемый долговременный летательный аппарат, предназначенный для исследований на околоземной орбите или в открытом космосе. Космическая станция может служить как космический корабль, долговременное место пребывания космонавтов, лаборатория, телекоммуникационный центр, мастерская, космический порт, база для заправки топливом и строительная площадка. Следующие признаки отличают космическую станцию от других объектов космической техники: 1) способность поддерживать жизнеобеспечение присутствующих на ней людей в течение долгого периода времени; 2) длительное существование (до ее оставления или демонтажа) на орбите вокруг Земли или какого-либо тела Солнечной системы.КОНЦЕПЦИИ ДОСПУТНИКОВОЙ ЭРЫ
Станция дозаправки топливом и проживание в космическом пространстве.
В своей небольшой книге Ракета в космическом пространстве (Die Rakete zu den Planetenräumen) Г.Оберт высказал мысль, что, используя стандартную технику полярных экспедиций – поэтапного движения из базового лагеря и/или использования складов, исследователям космоса не нужно будет совершать весь путь от Земли до Луны или Марса в одной большой ракете. Он пришел к выводу, что полет к Луне или Марсу был бы возможен, если бы удалось разработать достаточно мощный ракетный двигатель для достижения заправочной станции, расположенной в некоторой промежуточной точке на низкой околоземной орбите, используя существующие топлива и материалы.В 1920-х годах вместе с другими энтузиастами космических полетов, главным образом из Австрии и Германии, Оберт развил концепцию космической станции и предложил использовать такую станцию как орбитальный вокзал, который может использоваться для решения широкого круга военных и экономических задач, включая разведку, стратегические военные действия, связь, метеорологию, и иметь широкое научно-техническое применение. См. также ОБЕРТ, ГЕРМАН.
Облик, назначение, состав, стоимость.
Потенциальная возможность многоцелевого использования космической станции привела к жарким теоретическим дебатам по ряду вопросов. Какой должна быть космическая станция и что на ней делать? Сколько станций необходимо иметь, когда и где? Единственного ответа на любой из этих вопросов не существует. При разработке космической станции, как и при разработке любого крупного технического проекта, всегда приходится делать выбор и идти на компромиссы. С 1929 до 1957 теоретики космических станций обсуждали четыре взаимосвязанных аспекта их проектирования: облик, назначение, состав и стоимость.С вращением или без вращения.
Самый старый и наиболее обсуждаемый вопрос проектирования космической станции состоит в следующем. Должны ли конструкторы пытаться создать внутри станции условия, похожие на земные, для удобства экипажа и других форм жизни, или же экипаж должен приспосабливаться к условиям космического пространства, чтобы лучше изучить новую среду обитания? В зависимости от ответа на этот вопрос были выдвинуты концепции вращающейся и невращающейся станции. На станции с вращением используется эффект центростремительного ускорения для создания искусственной силы тяжести, величина которой может быть в диапазоне от 0,1 до 1,0 g, где g – ускорение силы тяжести на поверхности Земли. На космической станции, не имеющей собственного вращения, существуют условия невесомости (точнее, микрогравитации, для которой характерны величины ускорений от 0,001 до 0,000001 g).Г.Поточник (1892–1929), капитан австрийской армии, выступая под псевдонимом Герман Нордунг, впервые описал в популярной форме станцию с вращением в своей книге Проблема путешествия в мировое пространство (Das Problem der Befahrung des Weltraums, 1929). Его «жилое колесо» было очень похоже на камеру большой автомобильной шины.
Журнал «Кольерс» 22 марта 1952 опубликовал статью известного конструктора ракет Вернера фон Брауна, озаглавленную «Через последнюю границу», в которой описывалась огромная вращающаяся космическая станция и полный набор средств космической техники, включая космические многоразовые корабли, космические буксиры, астронавтов в скафандрах и зонды для исследования дальнего космоса.См. такжеБРАУН, ВЕРНЕР ФОН; РАКЕТА.
Концепция наращивания и добавления модулей.
Два наиболее многообещающих подхода к проектированию космических станций, которые были выдвинуты еще в доспутниковую эру, – применение наращиваемых конструкций и добавление модулей.Хотя фон Браун популяризировал огромные космические станции в форме колеса, он считал, что их создание на начальном этапе освоения космоса нецелесообразно. Он высказывался за разработку спутников-автоматов, затем одно-двухместных пилотируемых космических кораблей, а после – небольших космических станций с экипажем из четырех человек. Он полагал, что только после создания достаточно мощной космической индустрии, соответствующих технологий и знаний можно будет создать большие космические станции.
Г.Келле и Д.Ромик, работая независимо в Западной Европе и США, представили теоретическое обоснование концепции постепенного наращивания и добавления модулей. При таком подходе неотложные и долгосрочные операции сочетаются с практическими потребностями космического строительства, безопасности и развития долговременной станции.
Начиная с 1930-х годов аналогичные исследования велись в Советском Союзе энтузиастами ГИРД и ГДЛ, но результаты их исследований не публиковались.
КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ ВРЕМЕН ХОЛОДНОЙ ВОЙНЫ
В конце 1950-х годов специалисты как в Соединенных Штатах, так и в Советском Союзе не имели ясного представления о влиянии микрогравитации на человеческий организм и другие формы жизни. Аэрокосмические круги в обеих странах в какой-то момент пришли к выводу, что необходимо создать орбитальные лаборатории для исследования возможностей пребывания человека в условиях микрогравитации и работоспособности человека в таких условиях.Пилотируемые орбитальные лаборатории.
Хотя администрация президента Джонсона в 1965 поставила перед ВВС США задачу создания пилотируемой орбитальной лаборатории (MOL), действующая американская космическая станция так и не была создана. К концу 1960-х годов робототехника и микроэлектроника достигли такого уровня, что беспилотные спутники начали выполнять некоторые военные задачи, особенно разведывательные, которые раньше возлагались на космические станции. При этом, даже несмотря на все более широкое использование космических систем в военных операциях, необходимость присутствия человека в космосе для таких операций становилась все менее очевидной. См. также ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.В результате проект орбитальной станции превратился в выводимую на орбиту «больничную палату», предназначенную для получения медицинских данных о влиянии микрогравитации на двух космонавтов, которые должны были находиться на станции в течение двух недель. Эта программа постоянно испытывала недостаток финансирования и откладывалась. После оценки ее стоимости в 1,3 млрд. долл. и пятилетней подготовки космонавтов министерство обороны США отменило проект в 1969, когда рабочий прототип находился на стартовой позиции.
Станция «Скайлэб».
Когда в середине 1960-х годов приобрела конкретные очертания программа «Аполлон», научные центры НАСА и их подрядчики провели обширные поисковые исследования возможности использования технологий, разработанных для ракеты-носителя «Сатурн» и космического корабля «Аполлон», применительно к космической станции. См. такжеКОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ.К концу 1966 в Центре космических полетов им. Маршалла (Хантсвилл, шт. Алабама) был разработан проект т.н. «мокрой» орбитальной лаборатории. Бак жидкого водорода отработавшей второй ступени S-4B ракеты «Сатурн-1B», запущенной на околоземную орбиту, предполагалось продуть и загерметизировать, чтобы предоставить космонавтам достаточно большое пространство для экспериментов в условиях невесомости. Космонавты, после выведения на орбиту основного блока корабля «Аполлон» другой ракетой «Сатурн-1B» и стыковки с лабораторией, должны были войти внутрь через причальную конструкцию и шлюзовую камеру. Последующие экспедиции должны были доставить комплект астрономических приборов (ATM) – лунный модуль корабля «Аполлон», на котором вместо спускаемой ступени установлен комплект солнечных телескопов. Экипаж должен был использовать основной блок КК «Аполлон» в качестве жилого отсека и для проведения медико-биологических экспериментов.
Оборудование «мокрой» лаборатории потребовало бы значительного объема работ в открытом космосе. Однако опыт пилотируемых космических полетов, в частности в рамках программы «Джемини», показал специалистам НАСА, что работа в открытом космосе предъявляет к экипажу более высокие требования, чем ожидалось. В связи с этим, а также из-за недостатка финансирования и доступных технических средств НАСА в 1969 переключилось на «сухой» вариант космической станции «Скайлэб», полностью оборудуемой на Земле и запускаемой двухступенчатой ракетой «Сатурн-5». «Скайлэб» состоял из четырех основных модулей: орбитальной лаборатории (ступень S-4В ракеты «Сатурн-5») длиной 27 м и диаметром 7 м, шлюзовой камеры, причальной конструкции и комплекта астрономических приборов. На станции предполагалось развернуть панели солнечных батарей и телескопы, а через сутки доставить экипаж и приступить к работе. Цель программы состояла в исследовании возможности пребывания человека в условиях микрогравитации и его работоспособности в 30-, 60- и 90-суточном полетах
Программа «Скайлэб» была успешной. Продолжительность трех экспедиций программы составила: первой – 28 сут (25 мая – 22 июня 1973), второй – 59 сут (28 июля – 25 сентября 1973) и третьей – 89 сут (16 ноября 1973 – 8 февраля 1974). Космонавты выполнили большой объем научных и технологических экспериментов, в том числе по поведению материалов в условиях микрогравитации, астрофизике, физике Солнца, исследованию земных ресурсов и космической технологии. Астрономические наблюдения, по мнению специалистов, позволили удвоить объем информации по физике Солнца и привели к открытию нескольких неизвестных физических процессов в солнечной короне. Данные по адаптации человека к условиям невесомости служили отправной точкой для космической медицины в течение более десяти последующих лет. Стоившая более 2,4 млрд. долл. (в ценах 1974) программа «Скайлэб» развеяла последние сомнения специалистов в США в том, что долговременная невращающаяся космическая станция со сменой экипажа каждые 90 сут вполне реальна. См. такжеВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ.
«Салют».
Советский Союз в 1964 начал разработку военной космической станции «Алмаз», рассчитанной на пребывание на орбите двух или трех космонавтов в течение одно-двухлетнего периода. При проектировании возникли проблемы, и конструкторам пришлось заимствовать ряд систем (двигательную установку и солнечные батареи) с корабля «Союз», который первоначально разрабатывался для национальной программы высадки человека на Луну. После постепенного свертывания последней (1969–1972) «Алмаз» получил дополнительное финансирование и в конце концов превратился в многоплановую программу.Целью этой программы являлось предоставление советским инженерам, ученым и медикам возможности исследования влияния микрогравитации на человеческий организм и другие формы жизни и выполнения программ экспериментов во время длительного пребывания в космосе. Первоначально станция состояла из трех основных элементов: 1) корабля «Союз» для доставки экипажа на станцию и обратно; 2) стыковочного устройства и 3) основного жилого модуля «Салют», который имел собственный источник электроэнергии – солнечные батареи. Применяя концепцию постепенного наращивания и добавления модулей при проектировании и строительстве станции, советские конструкторы использовали новые знания и опыт, полученные при эксплуатации каждой станции, для проектирования новой.
После предварительного полета двух космонавтов на корабле «Союз-9» (1–19 июня 1970), очевидно, с медицинскими целями для планирования долгосрочных операций на борту космической станции, 19 апреля 1971 (на два года раньше «Скайлэба») был запущен «Салют-1». Технические неполадки не позволили экипажу «Союза-10» (22–24 апреля 1971) попасть внутрь станции после стыковки, однако следующий экипаж корабля «Союз-11» (Г.Т.Добровольский, В.Н.Волков и В.И.Пацаев) осуществил успешную стыковку и проработал на станции 24 дня (6–29 июня 1971). Однако при возвращении на Землю во время спуска в атмосфере клапан выравнивания давления между орбитальным отсеком (который вместе с приборно-агрегатным отсеком отстреливался после включения тормозной установки) и спускаемым аппаратом полностью не закрылся. Из-за этой неисправности весь воздух из аппарата вышел наружу, и экипаж в течение нескольких секунд погиб от удушья.
Всего было запущено шесть станций типа «Алмаз»: одна не вышла на орбиту (1972); «Салют-2» (3–14 апреля 1973) и «Космос-557» (14–22 мая 1973) прекратили существование вскоре после выведения на орбиту; «Салют-3» (24 июня 1974 – 24 января 1975) и «Салют-5» (22 июня 1976 – 8 августа 1977) были военными станциями; на «Салюте-4» (26 декабря 1974 – 2 февраля 1977) выполнялись в основном научные исследования.
«Салют-6» (29 сентября 1977 – 29 июля 1982), в конструкцию которого был внесен ряд усовершенствований и учтен опыт предыдущих станций, стал станцией нового поколения и продемонстрировал возросший уровень советской космической программы. Станция имела больше солнечных батарей, объединенную двигательную установку, включающую два корректирующих ракетных двигателя с тягой по ~3 кН и исполнительные органы системы ориентации и стабилизации, а также более благоприятные условия для проведения научных экспериментов. На агрегатном отсеке был установлен второй стыковочный узел, который позволял стыковаться второму кораблю «Союз» или автоматическому грузовому кораблю «Прогресс» при одном пристыкованном корабле «Союз». Это изменение конструкции позволило варьировать доставку и замену экипажей и грузов и тем самым продлить время непрерывного пребывания космонавтов на станции. На «Салюте-6» побывало 16 экипажей в ходе пяти экспедиций, которые расширили время пребывания человека в космосе до 185 сут.
В конструкцию станции «Салют-7» (19 апреля 1982 – 7 февраля 1991) были, в частности, внесены некоторые изменения для повышения ее комфортабельности. Советские специалисты также стали более широко использовать модули серии «Космос» (некоторые из них по своим размерам были почти такими же, как сама станция) для доставки больших систем или для увеличения внутреннего рабочего пространства. На станции «Салют-7» побывало шесть экспедиций в период с 25 июня 1982 по 21 ноября 1985; продолжительность пребывания человека в космосе была доведена до 237 сут
Станция «Мир».
К концу программы «Салют» советские специалисты убедились, что пребывание в космосе более шести месяцев не приводит к сколько-нибудь серьезным отрицательным последствиям, хотя и становится довольно утомительным. Поэтому следующим этапом было проведение практически непрерывной работы в космосе на борту новой станции, названной «Мир», которая была запущена 19 февраля 1986. На ней побывало несколько экспедиций, наиболее длительная из которых продолжалась 423 сут. Станция «Мир» имела более совершенные солнечные батареи, а связь осуществлялась через ретрансляционный спутник. Самым значительным изменением конструкции было создание нового переходного отсека с пятью стыковочными узлами, расположенного в передней части станции. В 1997 масса комплекса более чем в шесть раз превышала первоначальную и составляла около 120 т без учета массы грузового корабля и корабля «Союз». В 1999 станция «Мир» продолжала функционировать, хотя один из ее блоков в результате аварии утратил герметичность и, таким образом, вышел из строя.
Группа космического планирования.
13 февраля 1969, незадолго до первой посадки космического корабля «Аполлон» на Луне, в США была создана группа космического планирования под руководством вице-президента С. Агню для планирования космических исследований после выполнения программы «Аполлон». Несмотря на успешный облет Луны кораблем «Аполлон-8» в декабре 1968 и высадку на Луне «Аполлона-11» в июле 1969, администрация Никсона из всех предложенных группой систем в конце концов одобрила (1972) многоразовый космический корабль.См.КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ».Станция «Фридом».
К 1981 Советский Союз опередил Соединенные Штаты в области создания космических станций, как в свое время с запуском первого космонавта. Обладание орбитальными космическими станциями могло стать важным стратегическим преимуществом. Поэтому администрация Рейгана–Буша выдвинула новую доктрину. Суть ее состояла в выигрыше Соединенными Штатами холодной войны за счет более высоких затрат в гонке вооружений, что заставило бы Советский Союз сойти с дистанции. Предполагалось, что этот образ действий должен привести к банкротству Советского Союза, возникновению внутренних конфликтов и революции. Программа стратегической оборонной инициативы, объявленная в марте 1983, была ключевым моментом рейгановского плана. См. такжеВОЙНЫ ЗВЕЗДНЫЕ.Чтобы выполнить многообразные требования к долговременной космической станции, НАСА и его партнеры из космической промышленности разработали проект космической станции третьего поколения «Фридом», которая значительно превосходила все, что мог сделать Советский Союз в обозримом будущем. Первоначальная конструкция энергетической установки башенного типа базировалась на 140-метровой ферме, к которой крепился обычный набор функциональных модулей. Эта конструкция обеспечивала от 75 до 150 кВт электрической мощности и хорошие условия для различных научных экспериментов. В 1985 вместо этой конструкции была предложена двухкилевая для выполнения жестких требований по микрогравитации и динамической устойчивости. Большинство технологий, предложенных для строительства и функционирования такой конструкции, были не только не апробированы, но даже еще не разработаны. В результате стоимость создания космической станции стремительно выросла с первоначально планировавшихся 8 до 14 млрд. долл.
Катастрофа с многоразовым космическим кораблем «Челленджер» в 1986 губительно отразилась на всей программе космической станции, поскольку стало ясно, что разрабатываемая космическая транспортная система далеко не столь надежна для доставки людей и грузов, как предполагали многие официальные лица и специалисты. Руководство НАСА было вынуждено пойти на сокращение программы.
МЕЖДУНАРОДНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
В 1993 администрация Клинтона предложила коренным образом пересмотреть программу «Фридом», отчасти из-за того, что главная побудительная причина создания станции потеряла свою актуальность. С распадом Советского Союза стратегическая цель, с точки зрения администрации, состояла в поддержке капиталистической демократии в России. Одним из методов достижения экономической стабильности (и, возможно, военной безопасности США) была бы поддержка аэрокосмической промышленности России за счет приглашения ее к участию в программе создания международной космической станции. Возможными побочными следствиями были бы облегчение финансового бремени США и их партнеров, а также доступ к ценным российским космическим технологиям и опыту, включая использование ракет-носителей.С учетом этих соображений концепция программы «Фридом» была радикально изменена и рассчитывалась теперь на совместные усилия ряда партнеров, включая Россию. Первый этап этой программы (1994–1997) предусматривал накопление опыта совместных полетов для повышения безопасности при сборке и работе станции, а также для как можно более раннего начала широких научных экспериментов. Он включал участие российских космонавтов в полетах на кораблях «Шаттл», посещение американцами станции «Мир» и стыковки «Шаттла» с «Миром» для смены экипажей и приборной модернизации станции.
На втором этапе (1998–1999) было создано ядро международной космической станции (МКС). После запуска российского сегмента, состоящего из функционально-грузового блока и служебного модуля, представляющего собой модификацию «Мира», к станции должен быть пристыкован научный модуль разработки США, после чего предполагается начать проведение научных экспериментов и исследований. Создание станции планируется завершить на третьем этапе (1999–2002) после присоединения канадского дистанционного манипулятора, японского экспериментального модуля, орбитального блока Европейского космического агентства, американского модуля аккомодации на центрифуге, двух российских научных модулей и последних солнечных батарей и элементов несущей фермы. Второй и третий этапы требуют 27 полетов кораблей «Шаттл» (21 для сборки и 6 для доставки снаряжения), 44 полета российских носителей (15 для сборки, 10 для доставки экипажей и 19 для доставки топлива на станцию с целью поддержания ее средней высоты 350 км) и один полет европейской ракеты «Ариан-5».
Общие расходы программы на разработку и строительство станции оцениваются в 27,5 млрд. долл. После окончания строительства станция будет иметь размеры 110 на 88 м (с учетом солнечных батарей), массу 462 т, объем герметичных отсеков 1 300 м3 и экипаж из шести человек.
