27.01.2010 00:10

Определение номенклатуры космической техники при использовании неракетных космических кораблей

разместил Сергей Александров

Классификация какого-либо вида техники как правило выбирается из нескольких возможных, исходя из требований конкретного исследования. Пилотируемые космические аппараты (ПКА) можно разделить на следующие классы:

  • КА "Земля-космос" - транспортные системы для доставки человека на околоземную орбиту. Могут быть как чисто транспортными, совершая полет от космодрома до орбитальной станции, так и транспортно-рабочими, рассчитанными на длительный самостоятельный орбитальный полет и выполнение при этом различных целевых задач.
  • "Космос-космос" - предназначены для перелетов как между орбитами вокруг одного небесного тела, так и между сферами действия разных небесных тел (планет). Не предназначены для посадки на небесные тела (может быть, за исключением малых).
  • "Космос-планета-космос" (десантные аппараты) - используются для высадки на поверхность планет (их крупных спутников) и возвращения на околопланетную орбиту.
  • Орбитальные станции отличаются тем, что не могут самостоятельно менять (существенно) траекторию своего центра масс.

Кроме приведенного перечня к ПКА можно отнести планетарные базы и пилотируемые планетоходы, однако они существенно отличаются от других ПКА, и в данном исследовании не рассматриваются.

Такая номенклатура в неявной форме была предложена К.Э.Циолковским и остается актуальной до настоящего времени. В ряде проектировавшихся и созданных ракетно-космических комплексов отдельные классы ПКА совмещались, однако при этом сам комплекс состоял из отдельных блоков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный КА.

Но сложившаяся номенклатура типов ПКА не является идеальной. Так, при межпланетной экспедиции необходимо взаимодействие не мене трех типов аппаратов, а при больших масштабах - всех (включая планетарные базы и планетоходы). При этом создание всех типов КА должно вестись параллельно, чтобы они одновременно были готовы к использованию. Необходимые для функционирования всех элементов многократные операции сближения и стыковки, хоть и достаточно отработаны в отечественной космонавтике, но отнюдь не являются рутинными и безаварийными.

Использование на каждом этапе полета специализированного ПКА имеет смысл только в том случае, если тот максимально приспособлен к условиям работы. Однако совершенно очевидно, что невозможно испытать в земных условиях аппараты типа "космос-космос" и "космос-планета-космос". Это оставляет вопрос об их эксплуатационной надежности открытым.

Описанное разделение ПКА не является произвольным решением Циолковского или кого-то еще. Оно отражает объективную реальность, а именно - противоречие между энергией, потребной для выполнения тех или иных космических операций (определяется законами механики космического полета и расположением небесных тел во время полета) и энергией, которой располагает данный ракетно-космический комплекс.

Поскольку единственным способом перемещения в космосе является реактивный, энергия, которой располагает ПКА (иначе - располагаемая характеристическая скорость), однозначно определяется формулой Циолковского - произведением скорости истечения рабочего тела из ракетного двигателя и логарифма отношения стартовой и конечной масс ракеты.

Однако при полете вблизи небесного тела, особенно - при взлете и посадке, решающее значение приобретает также тяговооруженность КА - отношение тяги двигателей к весу аппарата. В силу термодинамических причин, для существующих РД с ростом скорости истечения абсолютное значение тяги уменьшается, что исключает использование наиболее эффективных РД (электрических) для старта с планет. Это же означает, что для оснащенного ими ПКА "космос-космос" действующая перегрузка будет меньше 1 (даже 0,1) g.

Для ПКА типа "Земля-космос" и "космос-планета-космос" внешние условия функционирования схожи, по крайней мере - в области действующих на них нагрузок. Однако эксплуатационные требования к ним различаются настолько, что унификация этих типов ПКА сегодня не представляется возможной.

Однако повторимся: все вышесказанное относится к сегодняшней ракетно-космической технике, основанной на химических ракетных двигателях, лишь ограниченно использующей электроракетные двигатели и ядерные энергоустановки. В случае же перехода на другие способы космического полета или его энергообеспечения картина меняется.

Рассмотрим ПКА, использующие неракетный принцип полета, или, что более строго - полевой. В качестве "рабочего тела" используется масса какого-либо поля, внешнего, либо генерируемого аппаратом (из формулы эквивалентности массы и энергии m = E/c2 следует, что любое поле, имеющее энергию, имеет и массу, так что полевой двигатель тоже можно считать реактивным).

Главным отличием полевого ПКА будет отсутствие на борту запасов рабочего тела. Энергия же, необходимая для генерации поля (либо для искажения внешнего поля) может как запасаться или вырабатываться на борту, так и поступать на ПКА извне. В первом случае необходима мощная бортовая энергоустановка, однако она будет меньше и легче, чем соответствующие по энергоемкости баки с рабочим телом, тем более - с топливом для термохимических РД. Во втором случае очевидна возможность передачи на ПКА энергии при помощи лазерных или СВЧ-лучей. Наконец, существуют экспериментальное подтверждение возможности концентрации на борту ПКА энергии, рассеянной в окружающем пространстве (речь идет не о нарушении второго начала термодинамики, а о том, что мы пока не знаем ВСЕХ процессов преобразования энергии).

Как же изменится номенклатура ПКА при переходе к полевому принципу движения?

Во-первых, рост тяговооруженности позволит резко сократить продолжительность межпланетных перелетов, т.к. они станут совершаться с постоянным ускорением, близким к 1 g. Сокращение длительности перелетов приведет к уменьшению размеров ПКА, т.к. последние по сегодняшним представлениям определяются именно необходимостью длительного пребывания человека в искусственной биосфере ПКА и трудностью создания последней.

Во-вторых, отпадет энергетическая необходимость разделения транспортных космических систем на классы "Земля-космос", "космос-космос" и "космос-планета-космос". Один и тот же ПКА "Земля-космос-планета" сможет взлетать с Земли, совершать межпланетный перелет, садиться на на поверхность планет земной группы или спутников планет-гигантов, зависать в атмосфере любых планет (включая газовые) и возвращаться обратно.

В-третьих, исчезнет энергетическое обоснование необходимости орбитальных станций.

С другой стороны, на номенклатуру ПКА начнут влиять факторы, практически не учитываемые в настоящее время.

Результаты астрономических наблюдений и полетов автоматических межпланетных станций не дали пока однозначных доказательств существования жизни на других телах Солнечной системы. Вопросы стерилизации КА давно уже не поднимаются, хотя сама операция и проводится. Однако, до сих пор речь шла в основном о предотвращении заноса земных организмов на другие планеты. Это, конечно, неприятно с точки зрения ортодоксальной экологии, но непосредственной угрозы человечеству не несет.

Принципиально другая ситуация складывается при возвращении на Землю КА, работавших на поверхности других небесных тел. Уже доставка на Землю лунного грунта советскими автоматическими станциями "Луна-16", "-20" и "-24" (как известно, эвакуация ВА "Луна-20" была чрезвычайно сложной) и американскими ПКА "Аполлон" (садившимися в Тихий океан) в этой связи выглядит недостаточно продуманной. Но тогда можно было оправдать рискованные решения тем, что трудно представить организм, способный существовать на Луне (если это вообще возможно) и на Земле.

Однако велись и работы по доставке на Землю грунта с Марса! Причем во всех проектах, как созданных в 1970-х гг., так разрабатывавшихся в последние годы, предполагается прямая посадка возвращаемого аппарата на Землю. По такой же схеме во всех известных проектах предусмотрено и возвращение экипажа пилотируемой марсианской экспедиции.

Опять-таки, можно сказать, что при длительном обратном полете чужие формы жизни успеют проявить себя воздействием на экипаж, а на Земле можно будет принять соответствующие меры. Но с полевым двигателем полет как раз и не будет длительным!

Таким образом, и при переходе ПКА на полевые двигатели необходимость в орбитальных станциях остается, в первую очередь как в карантинных базах. Возможно, более целесообразным окажется проведение карантина на Луне, однако это будет определяться исходя из конкретных характеристик полевых ПКА.

Сохранение класса десантных ПКА может мотивироваться той же причиной - необходимостью стерилизации (как минимум - дезинфекции) аппарата после работы на поверхности небесного тела, относительно которого нет гарантий отсутствия чужой жизни. Второй причиной будет существенное различие природных условий на различных небесных телах.

Вполне можно представить, как универсальный ПКА, стартовавший с Земли, после межпланетного перелета садится на поверхность Луны, Меркурия, Весты, Европы или Япета. Однако уже на Марсе ему придется преодолевать воздействие бурь. Аппарат же, предназначенный для десанта на Венеру, будет радикально отличаться от всего остального. Возможно, при выборе конструкционных материалов придется учитывать химическое воздействие атмосфер небесных тел. По мере освоения космического пространства, видимо, появятся ПКА, универсальные, но предназначенные для работы на планетах определенного класса, в зависимости от местных природных условий.

Вадим Чернобров, Сергей Александров, Иван Соболев
Доклад прочитан 20 сентября 2001 г. на секции «К.Э. Циолковский и научное прогнозирование» 36 Чтений, посвященных разработке научного наследия К.Э. Циолковского

Изменено 04.03.2010 18:53
Сергей Александров
Сергей Александров

заместитель координатора ОНИОО Космопоиск по общим вопросам

Сайт: n1l3m.narod.ru