Страница:
Более понятной и доступной для ракетчиков является схема одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя с вертикальным стартом и с вертикальной посадкой. Судя по всему, исследованиями по такой схеме занимаются и в Соединенных Штатах. Я сам начал заниматься этой схемой (вечерами, в свободное от текущей работы время) в середине семидесятых годов, но только в начале девяностых удалось более или менее связать концы с концами для ракет такого типа (ракеты типа "Сивка") и провести весьма приближенные оценки возможности их создания.
Ракеты "Сивка" должны были бы отличаться следующими особенностями: первая - одновитковая схема полета с возвращением на космодром через полтора часа после старта; вторая - полностью автономный полет; третья - автоматизация процессов подготовки к полету и запуска; четвертая - использование двигателя с так называемым внешним расширением, обеспечивающим идеальную высотную характеристику и водород с кислородом в качестве компонентов топлива; пятая аэродинамическое качество (отношение аэродинамической подъемной силы к силе сопротивления) при возвращении равное приблизительно 0,6-0,7; шестая - угол атаки при возвращении около 30 градусов; седьмая - относительное удлинение (отношение длины ракеты к ее диаметру) около 3.
Стартовые массы ракет такого типа в зависимости от их размеров могли бы быть в пределах от 250 до 16 000 тонн. Массы космических аппаратов, выводимых на орбиту ракетами "Сивка", могут составлять 2-4 процента от стартовой массы ракеты.
Внешне "Сивка" должен представлять собой цилиндр с двумя конусами по концам. Верхний конус, в котором помещается космический аппарат, отделяется от ракеты после выхода на орбиту высотой 100-130 километров, и "Сивка", сделав один оборот вокруг Земли, возвращается на космодром, совершая полет в атмосфере нижним конусом вперед. В нижней части ракеты размещается маршевый двигатель и посадочное устройство. Посадочная секция маршевого двигателя обеспечивает гашение скорости ракеты в процессе торможения перед поверхностью Земли.
У маршевого двигателя кольцевая камера сгорания и относительно небольшое кольцевое сопло с диаметром, близким к диаметру ракеты. Дальнейшее расширение кольцевой струи газа после выхода из сопла происходит за счет обтекания внешней кромки кольцевого сопла, в процессе так называемого течения Прандтля-Майера при обтекании острой кромки. Внутри кольцевой струи размещается центральное тело кольцевого двигателя в виде конуса с углом раскрыва около 60 градусов. Внутри конуса размещаются турбонасосные агрегаты, теплообменники, трубопроводы, клапаны и другие элементы двигателя. Такой двигатель имеет то преимущество, что на каждой высоте полета расширение струи газа идет до давления, равного давлению атмосферы на этой высоте, то есть такой двигатель может иметь идеальную высотную характеристику.
Размещение турбонасосных агрегатов и элементов конструкции осуществляется таким образом, чтобы центр масс при возвращении ракеты в атмосферу был достаточно сдвинут к хвостовому конусу и был смещен относительно продольной оси цилиндра, обеспечивая таким образом автоматическую балансировку ракеты при возвращении под углом атаки около 30 градусов. При таком угле атаки аэродинамическое качество аппарата оказывается порядка 0,65-0,7. Такое аэродинамическое качество позволяет при движении в атмосфере управлять дальностью спуска в атмосфере, получить необходимое отклонение в боковом направлении и тем самым обеспечить возвращение ракеты к точке старта и посадку ракеты на специально оборудованной посадочной площадке космодрома. Высота включения посадочной секции маршевого двигателя перед приземлением - от нескольких сот метров до километра, скорость перед началом торможения 100-200 метров в секунду.
С целью снижения массы бак кислорода делается сферическим, а бак водорода цилиндрическим. На участке выведения на орбиту основные отсеки "Сивки" располагаются в следующем порядке: верхний конус (с космическим аппаратом), бак водорода, бак кислорода, нижний конус.
Чтобы ракета могла вернуться к точке старта через один оборот вокруг Земли, она должна в процессе возвращения совершить боковой маневр около 650 километров и для этого иметь аэродинамическое качество около 0,7-0,8, если плоскость орбиты наклонена к плоскости экватора под углом 51 градус, как это имеет место при выведении космических кораблей "Союз" и многих космических аппаратов. Если ракета должна вывести КА на орбиту с меньшим наклонением, то требуемое аэродинамическое качество может быть меньшим, но если наклонение больше, то и требуемое аэродинамическое качество увеличивается. А необходимость выведения космических аппаратов на орбиты с наклонением большим, чем 51 градус, легко просматривается, да и сейчас многие КА выводятся на орбиты с большими наклонениями.
То есть обнаруживается принципиальный недостаток варианта "Сивка" - малое аэродинамическое качество. Кроме того, можно отметить очень напряженную массовую сводку конструкции (при проведении оценок по схеме "Сивка" принимались весьма оптимистичные оценки по массам конструкции ракеты), сложность конструкции баков, посадочного устройства и теплового защитного покрытия.
Ракета-носитель с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой может иметь достаточно большое аэродинамическое качество и, следовательно, достаточный маневр в боковом направлении, позволяющий ее использование не только при относительно малых наклонениях орбиты, но и для выведения КА на полярные и гелиосинхронные орбиты. Этот вариант отличается от ракет типа "Сивка" в лучшую сторону и тем, что не нужно иметь на борту топливо для торможения перед приземлением, уменьшается количество топлива на управление в процессе спуска с орбиты, так как по мере снижения начинают работать аэродинамические органы управления. Но зато придется вводить в конструкцию крылья, элероны, стабилизатор, аэродинамический щиток (для регулирования положения центра давления в процессе спуска), гидросистему управления с гидроприводами, тепловую защиту крыльев, шасси, ферму между баками, систему установки и отделения выводимого полезного груза и так далее.
К недостаткам крылатой ракеты относится ограничение стартовой массы величиной порядка 3000-4000 тонн.
Оценки, правда, достаточно приближенные, показы-вают, что крылатая ракета, стартующая вертикально, могла бы обеспечить выведение массы полезного груза около 2-3 процентов от стартовой массы ракеты.
Наверное, стоит поискать и другие варианты создания одноступенчатых многоразовых ракет-носителей, но если оставаться в пределах, понятных в смысле идей и технологий, более перспективной схемой сегодня мне представляется крылатая ракета с самолетной посадкой.
Что касается проблемы "ракеты и экология", то, конечно, разговоры обывателей о влиянии запусков ракет на погоду не имеют под собой никакой почвы, такой статистики нет. Зато почти не вызывает сомнений, что запуски ракет влияют на целостность озонового слоя, защищающего нас и все живое от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Продукты сгорания ракетного топлива могут, при соответствующем их составе, становиться катализаторами процессов распада озона. Но продукты сгорания таких компонентов топлива, как кислород плюс керосин, кислород плюс водород, практически не влияют на стабильность озонового слоя. А вот продукты сгорания твердого топлива являются очень активными катализаторами процессов распада озона. И при каждом запуске твердотопливных ракет, и при запуске американской системы "Спейсшаттл", с ее твердотопливными ускорителями первой ступени, в озоновом слое образуется дыра, которая потом постепенно затягивается. Так что в принципе использование твердотопливных ракет, и в том числе системы "Спейсшаттл", является экологически вредным.
Экологически вредными являются токсичные компоненты топлива типа тетроксид азота плюс несимметричный диметилгидразин, которое используется в ракете "Протон". Продукты сгорания такого топлива также являются очень токсичными. Работы во время заправки ракет, использующих такие топлива, опасны для жизни и требуют большой осторожности. Районы падения первой и второй ступеней ракет "Протон" заражаются остатками компонентов топлива в падающих баках, и жить в этих районах опасно.
ОПЫТ ЛУННОЙ ПРОГРАММЫ
Мы привыкли к полетам на орбитальные станции. Но ведь в принципе возможны и полеты на другие планеты. Но почему только в принципе? Еще лет двадцать назад в различных книгах, статьях можно было прочитать о том, что развитие пилотируемой космонавтики неизбежно идет по намеченному пути: орбитальные корабли - орбитальные станции - Луна - Марс и, как говорится, далее везде. С мечты о межпланетных полетах началась космонавтика. С нее начали свою практическую деятельность создатели первых жидкостных ракет в двадцатые тридцатые годы. С мечтой о полетах на Луну, к планетам Солнечной системы работали творцы первых спутников и пилотируемых кораблей. Но вот кончается ХХ столетие, а межпланетные пилотируемые корабли не только никуда не летают, но даже и не строятся. А между тем конец шестидесятых - начало семидесятых годов прошли под знаком крупного успеха космической техники. Созданные в США пилотируемые корабли "Аполлон" с помощью трехступенчатых ракет-носителей "Сатурн" совершили девять полетов. Начиная с 1969 года американцы шесть раз осуществили высадку экспедиций на поверхность Луны.
В том триумфальном для американцев 1969 году мне пришлось побывать в США по приглашению НАСА. Было такое впечатление, что НАСА, принимая советских космонавтов, хотело продемонстрировать России тщетность попыток состязания со Штатами в космических предприятиях. НАСА - американская государственная организация, ведущая работы по аэронавтике и космонавтике с центральным аппаратом в Вашингтоне. Тогда она вела работы через свои организации - центры Джонсона, Маршала, Кеннеди, Годдарда и другие. Эта поездка была интересна мне не только потому, что можно было своими глазами увидеть развернутые тогда работы по проекту "Аполлон", но и сама по себе. Она позволяла мне познакомиться с интересной для меня страной, с ее людьми.
Ехать как будто должны были либо Елисеев с Береговым, либо Елисеев с Шаталовым. Но ко времени поездки Елисеев с Шаталовым начали проходить подготовку к аттракциону "Трое под куполом цирка, или тройной полет". До того осуществлялись, так сказать, одиночные полеты на первых "Востоках", "Восходах" и "Союзах", потом двойные полеты на "Востоках" и "Союзах". Ясно было, что рано или поздно гениальные и девственно чистые начальственные головы сгенерируют идею тройного полета, то есть одновременного полета трех кораблей по одной орбите со сближением и стыковкой. Было в этой идее что-то неприличное, болезненное (два стыкующихся корабля еще куда ни шло, но три - это уже походило на нечто скуратовско-ельцинско-строевское!). Я так и остался в неведении, кто же выдвинул столь "смелую и оригинальную" идею. Докапываться опасался: можно было прийти к шокирующим результатам. А вдруг Устинов все-таки союзник, жалко было бы разочаровываться. Этот цирк вместо успеха принес позорный провал: в процессе сближения двух кораблей (третий находился поблизости) отказала система определения параметров относительного сближения, автоматическое сближение пройти не могло, а к ручному с расстояния больше 200-300 метров космонавты не были подготовлены. В перепалке космонавтов в момент попыток сближения при ручном управлении использовалась в основном неформальная лексика ("Да ты куда? М...! Вправо! Е...! Тормози!.. Влево, влево давай!..). И все. Это происходило, можно сказать, на глазах всего мира: американцы всегда в то время прослушивали наши разговоры "земля - борт" и, скорее всего, результаты подслушивания публиковали в печати. Но так или иначе этот полет задержал Елисеева и Шаталова, а мне и Береговому выпала возможность путешествовать по Соединенным Штатам в течение примерно двух недель.
...Длинный перелет над океаном, пустынные области Северо-Восточной Канады. Подлетаем к Монреалю - нас не принимают: погода плохая. А в Нью-Йорк, как нам объяснили, лететь нельзя: если сразу полетим на Нью-Йорк, то запаса бензина перед аэропортом останется на час полета, а требуется минимум на два: часты большие очереди на посадку (и у них есть очереди!). Пришлось возвращаться назад и заправляться в Галифаксе.
Во второй половине дня сели наконец в Нью-Йорке. В аэропорту нас встретил Фрэнк Борман - командир "Аполлона-8", первого корабля, совершившего полет на орбиту спутника Луны. Он должен был сопровождать нас до Хьюстона, где и передать в руки других космонавтов (американцы говорят "астронавты", но по мне, наше название более правильное: до звезд нам еще далеко, а космос, он тут рядом: начинается с высоты 200 километров).
Борман, как мне тогда казалось, подумывал о политической карьере, и ему важна была не только известность сама по себе, но и создание в глазах возможных избирателей определенного политического образа. Можно было представить этот образ таким: "Мне удалось с Луны увидеть Землю такой, какая она есть на самом деле: маленькой, по существу, планетой. На такой планете, при наличии у противостоящих сторон ракет и водородных бомб, воевать нельзя. Поэтому важно налаживать взаимопонимание, доверие и сотрудничество между странами мира, и, главное, между Россией и США. И мне (Борману) это удается, уже налаживаются контакты, нам начинают доверять..." Мне кажется, именно этим объясняется его инициатива в организации его поездки в СССР и в организации нашей поездки в Соединенные Штаты. И он считал важным продолжение таких контактов. По-моему, это была хорошая инициатива и правильная политика.
И правительство США активно поддержало эту инициативу - фактически нашу поездку организовал и обеспечил Госдепартамент США. Заместитель начальника протокольного отдела Госдепартамента Билл Кодус сопровождал нас в поездке по Штатам вместе со своими сотрудниками и целым отрядом офицеров безопасности (восемь человек!). Представители нашего посольства уверяли, что это необходимо в стране "решительных, вспыльчивых и вооруженных" людей! Меня же интересовала жизнь обычных американцев. Тогда невозможно было представить, как быстро мы можем догнать и перегнать их по "решительности", "вооруженности" и разгулу грабежей, рэкетиров и киллеров.
На следующий день мы полетели в Вашингтон на прием к Никсону. Президент выглядел уже несколько усталым, хотя полдень еще не миновал. Фотографирование, общий разговор: он высоко оценивает советские успехи в космосе, рад приветствовать советских космонавтов, говорит о важности контактов и взаимопонимания. Не шибко интеллектуальный разговор.
Сразу же после приема мы вылетели в Хьюстон, и вечером уже состоялась встреча с американскими космонавтами, где царила атмосфера дружелюбия, взаимного любопытства, подтрунивания над зажимом американских ученых-космонавтов: зачем-то их стали обучать летать на самолетах, хотя ясно, что полет на космическом корабле, управление кораблем, а главное, сам характер исследовательской работы в космосе практически не имеют ничего общего с профессией летчика. Они отшучивались, говоря, что все-таки это приятно научиться водить самолет так же, как автомашину.
На следующее утро в Хьюстоне начался осмотр Центра пилотируемых полетов. Центр занимается проектной разработкой космических кораблей и наиболее важных проблем, выдает промышленным фирмам технические исходные данные на отдельные космические корабли и оборудование, ведет экспериментальные работы, обеспечивает подготовку наземной и бортовой команды корабля к управлению в полете, участвует в подготовке корабля к старту на космодроме и обеспечивает управление кораблем из своего Центра управления, располагающегося здесь же. То, что люди, создающие проект корабля, участвуют в работе до конца и обеспечивают с Земли управление кораблем в полете, что нет разрыва ответственности между замыслом и окончанием работы (осуществлением полета), что персонал по подготовке космонавтов и сами космонавты являются также работниками Центра (так же как в авиационных КБ, где летчики-испытатели являются служащими соответствующего КБ), ведущего разработку кораблей (и, следовательно, нет никаких трений между создателями кораблей и ведомством, отвечающим за подготовку экипажей, и соответственно нет нестыковки в работе), - эти факторы организации космических работ в США являются, безусловно, положительными.
Для нашей космонавтики это больной вопрос. До сих пор Центр подготовки космонавтов находится в ведомстве ВВС, что создает определенные трудности при подготовке и проведении полетов. Не говоря уже о том, что весьма неприглядно, даже и подозрительно, на взгляд со стороны, выглядит подготовка космонавтов в военной организации и, как следствие, назначение старшим в экипаже военнослужащего (командиры!).
Затем нас провезли по хорошо спланированной и ухоженной территории Центра, показали нам Центр управления полетами, тренажеры, скафандры, помещение для карантина космонавтов, возвращавшихся с Луны.
Схема управления полетом достаточно логична. Наземные пункты командно-измерительного комплекса разбросаны в различных точках Земли, так чтобы корабль во время полета имел прямую радиосвязь хотя бы с одним наземным пунктом на каждом витке. Наземные пункты получают с борта корабля информацию и немедленно переправляют ее по каналам связи в Хьюстонский центр. Здесь информация обрабатывается на вычислительных машинах, разделяется на стандартные группы и в виде таблиц или графиков выдается на телевизионные экраны перед операторами (их примерно 30-40). Операторы могут вызывать на свой экран различные стандартные группы информации и не сходя с места советоваться между собой, пользуясь внутренней связью. Большинство операторов контролирует борт корабля. Кроме этого, часть операторов занята контролем состояния средств наземного комплекса (какие станции работают, характеристики их работы, возможное резервирование, состояние других станций), часть обеспечивает связь с экипажем, часть контролирует состояние средств связи.
Процесс контроля, анализа и управления на Земле идет непрерывно. Имеются три команды операторов, возглавляемые сменными руководителями полета. Более высокое руководство имеет возможность наблюдать за процессом управления полетом либо через стекло (во всю стену) из гостевой, либо по телевизору. Это стекло одновременно изолирует их и предотвращает попытки вмешательства высокого начальства в процесс управления: судя по всему, те, кто проектировали Центр управления, хорошо представляли характер руководства. Порода начальников одинакова на всех континентах.
В состав Центра управления входил и электрический стенд-модель корабля, на котором во время полета можно имитировать возникающие отказы и проигрывать возможные способы выхода из затруднительного положения.
Оборудование Центра управления, большая и оперативная информация, предоставляемая каждому оператору, и то, что управление полетом ведется той же организацией, которая разрабатывала проект корабля, произвело впечатление продуманности и четкого распределения обязанностей и ответственности. Наличие необходимой информации у каждого члена группы управления, возможность непрерывного обмена мнениями между членами группы и принятия решений на месте, позволяют избежать громоздких, приводящих к большим потерям времени, совещаний, передачи информации путем телеграмм, телеграфных докладов, переноса информации с регистрационных лент на плакаты-таблицы и графики.
Эта же схема организации управления полетами позже, в середине семидесятых годов, была реализована и у нас. Но тогда, в 1969 году, то, что мы увидели в Хьюстоне, казалось мне голубой мечтой, к которой можно было только стремиться. Прошло много лет, прежде чем я понял: для того времени это были прекрасные, передовые решения. Но на этом никак нельзя останавливаться. Недопустимо, чтобы во время полета большое количество самых лучших специалистов и разработчиков отвлекались от своей основной работы и занимались в принципе достаточно простым делом: анализом бортовых измерений, характера работы бортового оборудования и разработкой предложений для руководителя полета по выходу из неожиданно возникающих ситуаций. Если логику анализа, разбор возможных ситуаций можно изложить словами, формулами, таблицами или графиками, то все это реально записать и в виде алгоритмов работы бортовой вычислительной машины и передать ей эти контрольные функции, и даже функции принятия срочных, не терпящих отлагательств решений. Одновременно при такой схеме будут разгружаться и линии связи между космическим аппаратом и Центром управления. Появится возможность решительно сократить количество наземных пунктов связи, приема телеметрической информации и передачи информации на борт. Такая схема и существенно надежней и не столь разорительна. Сейчас затраты на подготовку ракеты и корабля к старту, на управление полетом соизмеримы с затратами на их изготовление.
Тренажеры для комплексной тренировки экипажей космических кораблей "Аполлон" по оснащенности, по методам имитации работы бортовых приборов и изменения видимой в иллюминаторы картины были близки к нашим корабельным тренажерам (например, для "Союзов") и находились примерно на одинаковом уровне.
Это вообще было характерно для технических средств управления сложными процессами, которые мы видели и в Центре управления, и на тренажерах, и в пультовой испытательной станции завода, где изготавливались основные блоки корабля "Аполлон": инженеры, проектирующие пульты и вывод информации, не забывали о возможностях человека по надежной переработке информации, соответственно старались обеспечить достаточное количество рабочих мест и, главное, на каждом рабочем месте обеспечить возможность быстрого получения любой необходимой информации (но в виде ограниченных стандартных порций). Обеспеченность информацией - обязательное условие плодотворной, успешной работы. Внутри тренажеры, естественно, имитировали кабины кораблей, рабочие места членов экипажа. Приборные доски и пульты натурные.
В кабине корабля "Аполлон" явно нарушался принцип соответствия возможностей человека и поступающей к нему информации - стены кабины были покрыты сотнями тумблеров с надписями, стрелочными индикаторами и всякими прочими вещами. Здесь же находился и пульт вычислительной машины, существенно упрощающей управление, и тумблеры, и громоздкие и несоответствующие своему назначению ручки управления. Кабины кораблей очень напоминали кабины современных самолетов, и это не случайно - проектанты кораблей в США, насколько я понял, пришли в космическую технику в основном из авиации и невольно принесли с собой и некоторые не лучшие методы отображения информации и управления. Как это ни странно, наземные пульты испытаний и управления (с точки зрения методичности построения) были сделаны у них на более современном уровне. По-видимому, эта "второстепенная" работа была поручена людям, не слишком обремененным традицией и догмами.
Наши корабельные средства отображения, выдачи команд и управления, позволяющие концентрировать информацию, группировать команды, резко сокращать число элементов, используемых для выдачи команд (например, для выдачи нескольких сотен команд на корабле "Союз" используются лишь несколько десятков клавиш) представляются мне более удобными, более перспективными. Впрочем, объективности ради должен добавить, что мой спутник Береговой был другого мнения. Ему понравилось, что кабина корабля "Аполлон" похожа на кабину самолета, одобрительно отнесся он и к тумблерам и большим рычагам управления, он считал, что мы напрасно уходим от авиации.
После тренажеров мы осмотрели установку для тренировки ходьбы в скафандре в условиях лунной тяжести и сам скафандр. Скафандр произвел впечатление своей подвижностью. Это достигалось за счет тонкой гермооболочки (кстати, гермооболочка - одна), шарниров и гофров во всех местах, где возможно движение частей человеческого тела.
В Хьюстоне мы видели специальный тренажер для отработки причаливания. Это огромное сооружение, в котором натурный (по размерам и внешней форме) макет основного блока "Аполлона" и макет лунной кабины с двумя тренирующимися космонавтами могут совершать перемещения в пространстве (используются подъемники и тележки, включаемые по командам с ручки управления координатными перемещениями). Макет лунной кабины подвешен в карданном подвесе и во время имитации процесса сближения, в соответствии с командами, идущими с ручки управления ориентацией, кабина с пилотами вращается в пространстве. Это приводит к тому, что во время управления экипаж то стоит вертикально, то лежит на животе, то на боку (чтобы не свалиться, экипаж закреплялся специальной системой на растяжках). Изменение положения тела относительно направления силы тяжести, конечно, вносит помехи в работу и никак не соответствует условиям полета. С моей точки зрения, это дорогостоящее сооружение американские специалисты сделали зря - наверное, были лишние средства. Наш специальный тренажер для отработки ручного управления причаливанием кораблей "Союз" был сделан проще - перемещалась только модель корабля, а на средствах визуального контроля эта модель выглядит так же, как натуральный корабль.
Ракеты "Сивка" должны были бы отличаться следующими особенностями: первая - одновитковая схема полета с возвращением на космодром через полтора часа после старта; вторая - полностью автономный полет; третья - автоматизация процессов подготовки к полету и запуска; четвертая - использование двигателя с так называемым внешним расширением, обеспечивающим идеальную высотную характеристику и водород с кислородом в качестве компонентов топлива; пятая аэродинамическое качество (отношение аэродинамической подъемной силы к силе сопротивления) при возвращении равное приблизительно 0,6-0,7; шестая - угол атаки при возвращении около 30 градусов; седьмая - относительное удлинение (отношение длины ракеты к ее диаметру) около 3.
Стартовые массы ракет такого типа в зависимости от их размеров могли бы быть в пределах от 250 до 16 000 тонн. Массы космических аппаратов, выводимых на орбиту ракетами "Сивка", могут составлять 2-4 процента от стартовой массы ракеты.
Внешне "Сивка" должен представлять собой цилиндр с двумя конусами по концам. Верхний конус, в котором помещается космический аппарат, отделяется от ракеты после выхода на орбиту высотой 100-130 километров, и "Сивка", сделав один оборот вокруг Земли, возвращается на космодром, совершая полет в атмосфере нижним конусом вперед. В нижней части ракеты размещается маршевый двигатель и посадочное устройство. Посадочная секция маршевого двигателя обеспечивает гашение скорости ракеты в процессе торможения перед поверхностью Земли.
У маршевого двигателя кольцевая камера сгорания и относительно небольшое кольцевое сопло с диаметром, близким к диаметру ракеты. Дальнейшее расширение кольцевой струи газа после выхода из сопла происходит за счет обтекания внешней кромки кольцевого сопла, в процессе так называемого течения Прандтля-Майера при обтекании острой кромки. Внутри кольцевой струи размещается центральное тело кольцевого двигателя в виде конуса с углом раскрыва около 60 градусов. Внутри конуса размещаются турбонасосные агрегаты, теплообменники, трубопроводы, клапаны и другие элементы двигателя. Такой двигатель имеет то преимущество, что на каждой высоте полета расширение струи газа идет до давления, равного давлению атмосферы на этой высоте, то есть такой двигатель может иметь идеальную высотную характеристику.
Размещение турбонасосных агрегатов и элементов конструкции осуществляется таким образом, чтобы центр масс при возвращении ракеты в атмосферу был достаточно сдвинут к хвостовому конусу и был смещен относительно продольной оси цилиндра, обеспечивая таким образом автоматическую балансировку ракеты при возвращении под углом атаки около 30 градусов. При таком угле атаки аэродинамическое качество аппарата оказывается порядка 0,65-0,7. Такое аэродинамическое качество позволяет при движении в атмосфере управлять дальностью спуска в атмосфере, получить необходимое отклонение в боковом направлении и тем самым обеспечить возвращение ракеты к точке старта и посадку ракеты на специально оборудованной посадочной площадке космодрома. Высота включения посадочной секции маршевого двигателя перед приземлением - от нескольких сот метров до километра, скорость перед началом торможения 100-200 метров в секунду.
С целью снижения массы бак кислорода делается сферическим, а бак водорода цилиндрическим. На участке выведения на орбиту основные отсеки "Сивки" располагаются в следующем порядке: верхний конус (с космическим аппаратом), бак водорода, бак кислорода, нижний конус.
Чтобы ракета могла вернуться к точке старта через один оборот вокруг Земли, она должна в процессе возвращения совершить боковой маневр около 650 километров и для этого иметь аэродинамическое качество около 0,7-0,8, если плоскость орбиты наклонена к плоскости экватора под углом 51 градус, как это имеет место при выведении космических кораблей "Союз" и многих космических аппаратов. Если ракета должна вывести КА на орбиту с меньшим наклонением, то требуемое аэродинамическое качество может быть меньшим, но если наклонение больше, то и требуемое аэродинамическое качество увеличивается. А необходимость выведения космических аппаратов на орбиты с наклонением большим, чем 51 градус, легко просматривается, да и сейчас многие КА выводятся на орбиты с большими наклонениями.
То есть обнаруживается принципиальный недостаток варианта "Сивка" - малое аэродинамическое качество. Кроме того, можно отметить очень напряженную массовую сводку конструкции (при проведении оценок по схеме "Сивка" принимались весьма оптимистичные оценки по массам конструкции ракеты), сложность конструкции баков, посадочного устройства и теплового защитного покрытия.
Ракета-носитель с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой может иметь достаточно большое аэродинамическое качество и, следовательно, достаточный маневр в боковом направлении, позволяющий ее использование не только при относительно малых наклонениях орбиты, но и для выведения КА на полярные и гелиосинхронные орбиты. Этот вариант отличается от ракет типа "Сивка" в лучшую сторону и тем, что не нужно иметь на борту топливо для торможения перед приземлением, уменьшается количество топлива на управление в процессе спуска с орбиты, так как по мере снижения начинают работать аэродинамические органы управления. Но зато придется вводить в конструкцию крылья, элероны, стабилизатор, аэродинамический щиток (для регулирования положения центра давления в процессе спуска), гидросистему управления с гидроприводами, тепловую защиту крыльев, шасси, ферму между баками, систему установки и отделения выводимого полезного груза и так далее.
К недостаткам крылатой ракеты относится ограничение стартовой массы величиной порядка 3000-4000 тонн.
Оценки, правда, достаточно приближенные, показы-вают, что крылатая ракета, стартующая вертикально, могла бы обеспечить выведение массы полезного груза около 2-3 процентов от стартовой массы ракеты.
Наверное, стоит поискать и другие варианты создания одноступенчатых многоразовых ракет-носителей, но если оставаться в пределах, понятных в смысле идей и технологий, более перспективной схемой сегодня мне представляется крылатая ракета с самолетной посадкой.
Что касается проблемы "ракеты и экология", то, конечно, разговоры обывателей о влиянии запусков ракет на погоду не имеют под собой никакой почвы, такой статистики нет. Зато почти не вызывает сомнений, что запуски ракет влияют на целостность озонового слоя, защищающего нас и все живое от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Продукты сгорания ракетного топлива могут, при соответствующем их составе, становиться катализаторами процессов распада озона. Но продукты сгорания таких компонентов топлива, как кислород плюс керосин, кислород плюс водород, практически не влияют на стабильность озонового слоя. А вот продукты сгорания твердого топлива являются очень активными катализаторами процессов распада озона. И при каждом запуске твердотопливных ракет, и при запуске американской системы "Спейсшаттл", с ее твердотопливными ускорителями первой ступени, в озоновом слое образуется дыра, которая потом постепенно затягивается. Так что в принципе использование твердотопливных ракет, и в том числе системы "Спейсшаттл", является экологически вредным.
Экологически вредными являются токсичные компоненты топлива типа тетроксид азота плюс несимметричный диметилгидразин, которое используется в ракете "Протон". Продукты сгорания такого топлива также являются очень токсичными. Работы во время заправки ракет, использующих такие топлива, опасны для жизни и требуют большой осторожности. Районы падения первой и второй ступеней ракет "Протон" заражаются остатками компонентов топлива в падающих баках, и жить в этих районах опасно.
ОПЫТ ЛУННОЙ ПРОГРАММЫ
Мы привыкли к полетам на орбитальные станции. Но ведь в принципе возможны и полеты на другие планеты. Но почему только в принципе? Еще лет двадцать назад в различных книгах, статьях можно было прочитать о том, что развитие пилотируемой космонавтики неизбежно идет по намеченному пути: орбитальные корабли - орбитальные станции - Луна - Марс и, как говорится, далее везде. С мечты о межпланетных полетах началась космонавтика. С нее начали свою практическую деятельность создатели первых жидкостных ракет в двадцатые тридцатые годы. С мечтой о полетах на Луну, к планетам Солнечной системы работали творцы первых спутников и пилотируемых кораблей. Но вот кончается ХХ столетие, а межпланетные пилотируемые корабли не только никуда не летают, но даже и не строятся. А между тем конец шестидесятых - начало семидесятых годов прошли под знаком крупного успеха космической техники. Созданные в США пилотируемые корабли "Аполлон" с помощью трехступенчатых ракет-носителей "Сатурн" совершили девять полетов. Начиная с 1969 года американцы шесть раз осуществили высадку экспедиций на поверхность Луны.
В том триумфальном для американцев 1969 году мне пришлось побывать в США по приглашению НАСА. Было такое впечатление, что НАСА, принимая советских космонавтов, хотело продемонстрировать России тщетность попыток состязания со Штатами в космических предприятиях. НАСА - американская государственная организация, ведущая работы по аэронавтике и космонавтике с центральным аппаратом в Вашингтоне. Тогда она вела работы через свои организации - центры Джонсона, Маршала, Кеннеди, Годдарда и другие. Эта поездка была интересна мне не только потому, что можно было своими глазами увидеть развернутые тогда работы по проекту "Аполлон", но и сама по себе. Она позволяла мне познакомиться с интересной для меня страной, с ее людьми.
Ехать как будто должны были либо Елисеев с Береговым, либо Елисеев с Шаталовым. Но ко времени поездки Елисеев с Шаталовым начали проходить подготовку к аттракциону "Трое под куполом цирка, или тройной полет". До того осуществлялись, так сказать, одиночные полеты на первых "Востоках", "Восходах" и "Союзах", потом двойные полеты на "Востоках" и "Союзах". Ясно было, что рано или поздно гениальные и девственно чистые начальственные головы сгенерируют идею тройного полета, то есть одновременного полета трех кораблей по одной орбите со сближением и стыковкой. Было в этой идее что-то неприличное, болезненное (два стыкующихся корабля еще куда ни шло, но три - это уже походило на нечто скуратовско-ельцинско-строевское!). Я так и остался в неведении, кто же выдвинул столь "смелую и оригинальную" идею. Докапываться опасался: можно было прийти к шокирующим результатам. А вдруг Устинов все-таки союзник, жалко было бы разочаровываться. Этот цирк вместо успеха принес позорный провал: в процессе сближения двух кораблей (третий находился поблизости) отказала система определения параметров относительного сближения, автоматическое сближение пройти не могло, а к ручному с расстояния больше 200-300 метров космонавты не были подготовлены. В перепалке космонавтов в момент попыток сближения при ручном управлении использовалась в основном неформальная лексика ("Да ты куда? М...! Вправо! Е...! Тормози!.. Влево, влево давай!..). И все. Это происходило, можно сказать, на глазах всего мира: американцы всегда в то время прослушивали наши разговоры "земля - борт" и, скорее всего, результаты подслушивания публиковали в печати. Но так или иначе этот полет задержал Елисеева и Шаталова, а мне и Береговому выпала возможность путешествовать по Соединенным Штатам в течение примерно двух недель.
...Длинный перелет над океаном, пустынные области Северо-Восточной Канады. Подлетаем к Монреалю - нас не принимают: погода плохая. А в Нью-Йорк, как нам объяснили, лететь нельзя: если сразу полетим на Нью-Йорк, то запаса бензина перед аэропортом останется на час полета, а требуется минимум на два: часты большие очереди на посадку (и у них есть очереди!). Пришлось возвращаться назад и заправляться в Галифаксе.
Во второй половине дня сели наконец в Нью-Йорке. В аэропорту нас встретил Фрэнк Борман - командир "Аполлона-8", первого корабля, совершившего полет на орбиту спутника Луны. Он должен был сопровождать нас до Хьюстона, где и передать в руки других космонавтов (американцы говорят "астронавты", но по мне, наше название более правильное: до звезд нам еще далеко, а космос, он тут рядом: начинается с высоты 200 километров).
Борман, как мне тогда казалось, подумывал о политической карьере, и ему важна была не только известность сама по себе, но и создание в глазах возможных избирателей определенного политического образа. Можно было представить этот образ таким: "Мне удалось с Луны увидеть Землю такой, какая она есть на самом деле: маленькой, по существу, планетой. На такой планете, при наличии у противостоящих сторон ракет и водородных бомб, воевать нельзя. Поэтому важно налаживать взаимопонимание, доверие и сотрудничество между странами мира, и, главное, между Россией и США. И мне (Борману) это удается, уже налаживаются контакты, нам начинают доверять..." Мне кажется, именно этим объясняется его инициатива в организации его поездки в СССР и в организации нашей поездки в Соединенные Штаты. И он считал важным продолжение таких контактов. По-моему, это была хорошая инициатива и правильная политика.
И правительство США активно поддержало эту инициативу - фактически нашу поездку организовал и обеспечил Госдепартамент США. Заместитель начальника протокольного отдела Госдепартамента Билл Кодус сопровождал нас в поездке по Штатам вместе со своими сотрудниками и целым отрядом офицеров безопасности (восемь человек!). Представители нашего посольства уверяли, что это необходимо в стране "решительных, вспыльчивых и вооруженных" людей! Меня же интересовала жизнь обычных американцев. Тогда невозможно было представить, как быстро мы можем догнать и перегнать их по "решительности", "вооруженности" и разгулу грабежей, рэкетиров и киллеров.
На следующий день мы полетели в Вашингтон на прием к Никсону. Президент выглядел уже несколько усталым, хотя полдень еще не миновал. Фотографирование, общий разговор: он высоко оценивает советские успехи в космосе, рад приветствовать советских космонавтов, говорит о важности контактов и взаимопонимания. Не шибко интеллектуальный разговор.
Сразу же после приема мы вылетели в Хьюстон, и вечером уже состоялась встреча с американскими космонавтами, где царила атмосфера дружелюбия, взаимного любопытства, подтрунивания над зажимом американских ученых-космонавтов: зачем-то их стали обучать летать на самолетах, хотя ясно, что полет на космическом корабле, управление кораблем, а главное, сам характер исследовательской работы в космосе практически не имеют ничего общего с профессией летчика. Они отшучивались, говоря, что все-таки это приятно научиться водить самолет так же, как автомашину.
На следующее утро в Хьюстоне начался осмотр Центра пилотируемых полетов. Центр занимается проектной разработкой космических кораблей и наиболее важных проблем, выдает промышленным фирмам технические исходные данные на отдельные космические корабли и оборудование, ведет экспериментальные работы, обеспечивает подготовку наземной и бортовой команды корабля к управлению в полете, участвует в подготовке корабля к старту на космодроме и обеспечивает управление кораблем из своего Центра управления, располагающегося здесь же. То, что люди, создающие проект корабля, участвуют в работе до конца и обеспечивают с Земли управление кораблем в полете, что нет разрыва ответственности между замыслом и окончанием работы (осуществлением полета), что персонал по подготовке космонавтов и сами космонавты являются также работниками Центра (так же как в авиационных КБ, где летчики-испытатели являются служащими соответствующего КБ), ведущего разработку кораблей (и, следовательно, нет никаких трений между создателями кораблей и ведомством, отвечающим за подготовку экипажей, и соответственно нет нестыковки в работе), - эти факторы организации космических работ в США являются, безусловно, положительными.
Для нашей космонавтики это больной вопрос. До сих пор Центр подготовки космонавтов находится в ведомстве ВВС, что создает определенные трудности при подготовке и проведении полетов. Не говоря уже о том, что весьма неприглядно, даже и подозрительно, на взгляд со стороны, выглядит подготовка космонавтов в военной организации и, как следствие, назначение старшим в экипаже военнослужащего (командиры!).
Затем нас провезли по хорошо спланированной и ухоженной территории Центра, показали нам Центр управления полетами, тренажеры, скафандры, помещение для карантина космонавтов, возвращавшихся с Луны.
Схема управления полетом достаточно логична. Наземные пункты командно-измерительного комплекса разбросаны в различных точках Земли, так чтобы корабль во время полета имел прямую радиосвязь хотя бы с одним наземным пунктом на каждом витке. Наземные пункты получают с борта корабля информацию и немедленно переправляют ее по каналам связи в Хьюстонский центр. Здесь информация обрабатывается на вычислительных машинах, разделяется на стандартные группы и в виде таблиц или графиков выдается на телевизионные экраны перед операторами (их примерно 30-40). Операторы могут вызывать на свой экран различные стандартные группы информации и не сходя с места советоваться между собой, пользуясь внутренней связью. Большинство операторов контролирует борт корабля. Кроме этого, часть операторов занята контролем состояния средств наземного комплекса (какие станции работают, характеристики их работы, возможное резервирование, состояние других станций), часть обеспечивает связь с экипажем, часть контролирует состояние средств связи.
Процесс контроля, анализа и управления на Земле идет непрерывно. Имеются три команды операторов, возглавляемые сменными руководителями полета. Более высокое руководство имеет возможность наблюдать за процессом управления полетом либо через стекло (во всю стену) из гостевой, либо по телевизору. Это стекло одновременно изолирует их и предотвращает попытки вмешательства высокого начальства в процесс управления: судя по всему, те, кто проектировали Центр управления, хорошо представляли характер руководства. Порода начальников одинакова на всех континентах.
В состав Центра управления входил и электрический стенд-модель корабля, на котором во время полета можно имитировать возникающие отказы и проигрывать возможные способы выхода из затруднительного положения.
Оборудование Центра управления, большая и оперативная информация, предоставляемая каждому оператору, и то, что управление полетом ведется той же организацией, которая разрабатывала проект корабля, произвело впечатление продуманности и четкого распределения обязанностей и ответственности. Наличие необходимой информации у каждого члена группы управления, возможность непрерывного обмена мнениями между членами группы и принятия решений на месте, позволяют избежать громоздких, приводящих к большим потерям времени, совещаний, передачи информации путем телеграмм, телеграфных докладов, переноса информации с регистрационных лент на плакаты-таблицы и графики.
Эта же схема организации управления полетами позже, в середине семидесятых годов, была реализована и у нас. Но тогда, в 1969 году, то, что мы увидели в Хьюстоне, казалось мне голубой мечтой, к которой можно было только стремиться. Прошло много лет, прежде чем я понял: для того времени это были прекрасные, передовые решения. Но на этом никак нельзя останавливаться. Недопустимо, чтобы во время полета большое количество самых лучших специалистов и разработчиков отвлекались от своей основной работы и занимались в принципе достаточно простым делом: анализом бортовых измерений, характера работы бортового оборудования и разработкой предложений для руководителя полета по выходу из неожиданно возникающих ситуаций. Если логику анализа, разбор возможных ситуаций можно изложить словами, формулами, таблицами или графиками, то все это реально записать и в виде алгоритмов работы бортовой вычислительной машины и передать ей эти контрольные функции, и даже функции принятия срочных, не терпящих отлагательств решений. Одновременно при такой схеме будут разгружаться и линии связи между космическим аппаратом и Центром управления. Появится возможность решительно сократить количество наземных пунктов связи, приема телеметрической информации и передачи информации на борт. Такая схема и существенно надежней и не столь разорительна. Сейчас затраты на подготовку ракеты и корабля к старту, на управление полетом соизмеримы с затратами на их изготовление.
Тренажеры для комплексной тренировки экипажей космических кораблей "Аполлон" по оснащенности, по методам имитации работы бортовых приборов и изменения видимой в иллюминаторы картины были близки к нашим корабельным тренажерам (например, для "Союзов") и находились примерно на одинаковом уровне.
Это вообще было характерно для технических средств управления сложными процессами, которые мы видели и в Центре управления, и на тренажерах, и в пультовой испытательной станции завода, где изготавливались основные блоки корабля "Аполлон": инженеры, проектирующие пульты и вывод информации, не забывали о возможностях человека по надежной переработке информации, соответственно старались обеспечить достаточное количество рабочих мест и, главное, на каждом рабочем месте обеспечить возможность быстрого получения любой необходимой информации (но в виде ограниченных стандартных порций). Обеспеченность информацией - обязательное условие плодотворной, успешной работы. Внутри тренажеры, естественно, имитировали кабины кораблей, рабочие места членов экипажа. Приборные доски и пульты натурные.
В кабине корабля "Аполлон" явно нарушался принцип соответствия возможностей человека и поступающей к нему информации - стены кабины были покрыты сотнями тумблеров с надписями, стрелочными индикаторами и всякими прочими вещами. Здесь же находился и пульт вычислительной машины, существенно упрощающей управление, и тумблеры, и громоздкие и несоответствующие своему назначению ручки управления. Кабины кораблей очень напоминали кабины современных самолетов, и это не случайно - проектанты кораблей в США, насколько я понял, пришли в космическую технику в основном из авиации и невольно принесли с собой и некоторые не лучшие методы отображения информации и управления. Как это ни странно, наземные пульты испытаний и управления (с точки зрения методичности построения) были сделаны у них на более современном уровне. По-видимому, эта "второстепенная" работа была поручена людям, не слишком обремененным традицией и догмами.
Наши корабельные средства отображения, выдачи команд и управления, позволяющие концентрировать информацию, группировать команды, резко сокращать число элементов, используемых для выдачи команд (например, для выдачи нескольких сотен команд на корабле "Союз" используются лишь несколько десятков клавиш) представляются мне более удобными, более перспективными. Впрочем, объективности ради должен добавить, что мой спутник Береговой был другого мнения. Ему понравилось, что кабина корабля "Аполлон" похожа на кабину самолета, одобрительно отнесся он и к тумблерам и большим рычагам управления, он считал, что мы напрасно уходим от авиации.
После тренажеров мы осмотрели установку для тренировки ходьбы в скафандре в условиях лунной тяжести и сам скафандр. Скафандр произвел впечатление своей подвижностью. Это достигалось за счет тонкой гермооболочки (кстати, гермооболочка - одна), шарниров и гофров во всех местах, где возможно движение частей человеческого тела.
В Хьюстоне мы видели специальный тренажер для отработки причаливания. Это огромное сооружение, в котором натурный (по размерам и внешней форме) макет основного блока "Аполлона" и макет лунной кабины с двумя тренирующимися космонавтами могут совершать перемещения в пространстве (используются подъемники и тележки, включаемые по командам с ручки управления координатными перемещениями). Макет лунной кабины подвешен в карданном подвесе и во время имитации процесса сближения, в соответствии с командами, идущими с ручки управления ориентацией, кабина с пилотами вращается в пространстве. Это приводит к тому, что во время управления экипаж то стоит вертикально, то лежит на животе, то на боку (чтобы не свалиться, экипаж закреплялся специальной системой на растяжках). Изменение положения тела относительно направления силы тяжести, конечно, вносит помехи в работу и никак не соответствует условиям полета. С моей точки зрения, это дорогостоящее сооружение американские специалисты сделали зря - наверное, были лишние средства. Наш специальный тренажер для отработки ручного управления причаливанием кораблей "Союз" был сделан проще - перемещалась только модель корабля, а на средствах визуального контроля эта модель выглядит так же, как натуральный корабль.