В первой части мы посмотрели через "призму сарказма" на затянувшиеся, более чем тридцатилетние сборы для "повторного" посещения Луны.
Во второй части рассмотрели основу основ - РН, которая должна обеспечить вывод на НОО достаточной массы полезной нагрузки.
В этой, третьей части рассмотрим сам космический корабль, который должен стать "рабочей лошадкой" всего этого проекта.
Прежде чем говорить о космическом корабле, вспомним немного про саму программу "Артемида". Первоначальной целью этой программы, в 2017 году еще безымянной, была коммерческая добыча ресурсов на Луне.
В 2019 году программа получила название "Артемида" и разделилась на два этапа: первый этап это пилотируемый облет Луны, начало строительства окололунной станции, высадка первой женщины (видимо "очень своеобразной") на Луну, в составе смешанного экипажа. Второй этап - регулярные полеты на Луну и создание лунной инфраструктуры.
В том, что касается первого этапа, все очень сильно напоминает/повторяет программу Аполлон, только с сильно затянутыми сроками. Отличие - в окололунной станции "Gateway".
Станция во многом похожа на ДОСы - долговременные орбитальные станции - такие как "Алмаз", трансформировавшийся в "Салют", "Мир", МКС. "Скайлэб" в этот список не включаем - очень оригинальная станция была (если верить официальной версии) и никакого наследства после себя не оставила.
ДОСы, во время их появления, были на порядок сложнее по решаемым в процессе их создания задачам, нежели пилотируемые корабли (Восток, Восход, и даже Союз). В настоящее время, если ситуация в чем то и поменялась, то незначительно. МКС вырабатывает свой ресурс и подлежит утилизации путем затопления, создание новой видится в очень смутной перспективе. И здесь не только вопрос в ее необходимости и целесообразности, но и просто техническая возможность ее создания.
Окололунная станция - ничем не проще ДОС, а в чем то (например, защита от радиации экипажа и электроники) сложнее станций на околоземной орбите. Каковы успехи в ее создании? Процитируем:
Октябрь 2020: НАСА работает над созданием стандартов конструкции шлюзовых отсеков, которые позволят российскому пилотируемому кораблю "Орел" состыковаться с окололунной станцией Gateway
Март 2021: НАСА подписала контракт с компанией SpaceX на доставку грузов и модулей самой станции к Gateway. Первым в мае 2024 г. планируется доставить электродвигательный модуль PPE при помощи тяжёлой ракеты-носителя Falcon Heavy
Также в марте, Россия сделала окончательный выбор в исследовании Луны в пользу Международной лунной станции, строить которую будет совместно с Китаем.
То есть, переводя с официального языка на русский - успехи никакие, полное их отсутствие.
Нет окололунной станции - и программа пилотируемого облета Луны всего лишь повторяет облет в программе Аполлон (как я выше упоминал), только намного дороже и намного дольше. Но вероятность того, что такой облет состоится, достаточно высокая. И может быть, наконец то, земной человек сможет оторваться от поверхности Земли немного далее, чем на 400 км, что есть сейчас?
Когда то, в 1519-1522 годах экспедиция под первоначальным руководством Магеллана, на парусных кораблях, совершила кругосветное путешествие, удалившись от точки старта 12 с лишним тысяч км, если считать по прямой (не по поверхности сферы, а от точки до точки).
Прошло пять веков. Прогресс в науке и технике. Но возможности перемещения человека в пространстве от точки старта выросли на смешные 400 км. Скорости выросли значительно - то, что занимало несколько лет, сейчас совершается примерно за полтора часа. Но все в той же "песочнице".
Вернемся к "Артемиде". Что есть для высадки на Луну? Напомню - в программе Аполлон, согласно официальной версии событий, использовался Лунный модуль (ЛМ) который после себя ничего не оставил. Применяемого в дальнейшем. Да и само его существование и возможность прилунения вызывает большие сомнения. В настоящий момент присутствуют планы:
16 апреля 2021 года NASA, в рамках конкурсной программы Human Landing System, выбрало проект SpaceX для осуществления полета на Луну. SpaceX получила контракт на сумму $2,89 млрд на реализацию проекта, в рамках которого SpaceX разработает посадочный модуль HLS Starship, который должен будет безопасно доставить двух американских астронавтов на поверхность Луны, а через неделю доставить их обратно на окололунную орбиту.
Высадка на поверхность Луны - это все же отдаленные планы. Для этого нерешенных вопросов намного больше, чем решенных (вспомним хотя бы про многострадальные скафандры). Потому в обозримое время это непосильная задача. Можно очередной раз удивиться, как ловко это у американцев получилось, в программе Сатурн-Аполлон, и как быстро они списали в утиль эти технологии.... По предшествующей "Артемиде" программе "Созвездие" рассматривали вариант высадки на поверхность Луны при помощи ЛПК (Лунного Посадочного Корабля) «Альтаир». Который по компоновке был в три раза откормленным Лунным модулем (ЛМ):
Да, экипаж не два, а три человека - вроде понятно и логично. Должно же быть развитие. Но полная масса в 45 т! Это мне напоминает современное автомобилестроение. Новые лёгкие материалы, легкие двигатели, эффективная легкая электроника - а массы автомобилей и их размеры непрерывно растут, стоимость то же, а стоимость эксплуатации выходит вообще за все разумные границы. Плюс одноразовость и моральное устаревание. Но с автомобилями понятно - есть покупатель, он поддерживает это решение рублем (долларом, евро). Покупатель по своей природе неразумен, что ему маркетинг/реклама вложили в пустую голову - он тем и живет. Скажут прыгать с обрыва (только повторят это столько же, как рекламу кредита, и обернут в такую же красивую оболочку) - и он прыгнет с радостью на лице.
Но космосом же занимаются серьезные люди! Технологии полувековой давности позволяли выполнить посадку на Луну и обратный старт с нее при массе, в три раза меньшей. Что поменялось? Электроники и вечно глючащих компов столько напихали? Или что еще? И к чему тогда все эти оправдания, про постоянную нехватку финансовых средств?
Есть простой ответ. Если предоставят нужное количество средств, то Лунный Посадочный Корабля увеличат еще в три раза - что бы точно нельзя было его реализовать, а РН нужной грузоподъёмности просто не окажется в наличии. И все, ни на какую Луну лететь не надо, а то мало ли что может произойти при реальном полете...
Еще один вариант первопричины такого большого ЛПК - смешанный экипаж из трех человек, куда войдет астронавт женского или среднего пола с неизвестно какой ориентацией... "Спасательной шлюпки" в виде корабля Союз или его лунного аналога не будет. И что бы этот астронавт среднего пола не начал сверлить стенки посадочного модуля большим сверлом (а при лунном тяготении это делать много проще, чем в невесомости), в составе оборудования предусмотрели не просто туалет, но и биде, душ, джакузи...
Ближе к реальности. Рассмотрим возможность человека оторваться от НОО и все таки совершить облет Луны. Совершить наконец то "путешествие Магеллана". На космическом корабле.
Итак - космический корабль "Орион".
Аполлон-переросток или "Аполлон на стероидах".
С третьей ступенью, для полета к Луне.
Командный модуль (он же спускаемый аппарат)
В сравнении с другими аппаратами аналогичного или близкого назначения:
Три аппарата "аполлоновской" формы. Четвертый унаследовал "союзную" геометрию, во всяком случае, максимально близкую к ней.
Информация из Вики, которую можно, хотя и с некоторой натяжкой и поправкой на технические неточности, считать официальным пресс-релизом:
«Орио́н», MPCV (англ. Multi-Purpose Crew Vehicle — многоцелевой пилотируемый корабль) — американский многоцелевой частично многоразовый транспортный космический корабль, разрабатываемый с середины 2000-х годов компаниями «Локхид Мартин» и «Airbus Defence and Space» в рамках программы «Созвездие» (целью этой программы было возвращение американцев на Луну, а корабль «Орион» предназначался для доставки людей и грузов на Международную космическую станцию (МКС) и для полётов к Луне, а также к Марсу в дальнейшем). В околоземных полётах «Орион» должен прийти на смену космическим челнокам «Спейс шаттл», завершившим полёты в 2011 году, а в будущем обеспечить высадку человека на Марс. Первоначально в документах НАСА корабль назывался CEV (Crew Exploration Vehicle — пилотируемый исследовательский корабль). Затем корабль получил официальное название в честь известного созвездия — «Орион».
Первоначально испытательный полёт космического корабля был намечен на 2013 год, первый пилотируемый полёт с экипажем из двух астронавтов планировался на 2014 год, начало полётов к Луне — на 2019—2020 годы. В конце 2011 года предполагалось, что первый полёт без астронавтов состоится в 2014 году, а первый пилотируемый полёт — в 2017 году.
Первый беспилотный испытательный полёт (EFT-1) состоялся 5 декабря 2014 года, в нём использовалась ракета-носитель Delta IV Heavy.
В 2016 году предполагалось, что первый пилотируемый полет «Ориона» состоится не ранее 2023 года, хотя компания заявила, что постарается успеть к 2021 году. Беспилотный полёт (Artemis 1) с помощью носителя SLS с облётом Луны был первоначально запланирован на конец 2018 года, однако из-за технических недостатков и финансовых трудностей NASA запуск SLS отложили до 2019 года, позже он переносился на 2020 год, потом — на конец 2021 года, затем — на 12 февраля 2022 года
Сегодняшнее окно старта открыто с 12 по 27 февраля (напомню - хоть Луна и рядышком, но некоторые ограничения накладывает, конечно не такие, как Марс, Венера и другие более удаленные небесные тела), а дополнительные - повторяются каждый месяц, почти в те же даты. Ждем, наблюдаем - мы, конечно, не являемся участниками данных событий, но хотя бы наблюдателями в реальном времени.
Еще обращаю внимание на сроки - после первого испытательного полета прошло едва ли не целое десятилетие - вся программа Аполлон практически вписалась в указанный срок - а это разработка всего и с нуля.
Пройдемся по пункта вышеприведенного "пресс-релиза".
Доставка людей и грузов на МКС
Не состоялось. Эту миссию взял на себя Dragon и Crew Dragon. Почти в два раза меньшая сухая масса (для посадочного модуля), в полтора раза меньший диаметр, форма посадочного модуля ближе к "фаре" (которая характеризуется только одним положением устойчивого равновесия при спуске), возможность "сорваться в баллистический спуск" - не оставили Ориону ни одного шанса.
Для полетов к Луне
Про высадку на поверхность Луны пока не говорим. Про лунную орбитальную станцию - то же. Просто пилотируемый облет Луны, который когда то давно (полвека назад!) совершил Аполлон-8, с астронавтами Фрэнком Борманом (командир корабля), Джеймсом Ловеллом и Уильямом Андерсом. Напомню - тот полет не имел предварительной тренировочной беспилотной версии - а что тянуть? - собрались и полетели. Весь полет занял чуть больше 6 суток. Вот эти 6 суток в корабле и рассмотрим.
В советской лунной программе для облетной мисси предназначался космический корабль, ставший затем известный всему миру под названием "Союз":
Состоит из трех основных отсеков: спускаемый аппарат, бытовой отсек и приборно-агрегатный отсек. Такое деление и такое устройство обусловлено назначением и возможностью РН, как по массе, так и по габаритам.
По назначению корабля. Необходимо обеспечить безопасный старт (насколько он может быть вообще безопасным при использовании ракетного старта), полет по назначению (облет Луны) и безопасное возвращение с торможением в атмосфере.
Старт.
На старте космический корабль и космонавтов подстерегают множество нештатных ситуаций и опасностей. Основная их часть сосредоточена в самой ракете. И в случае их возникновений космонавтов нужно от ракеты быстро переместить в безопасное место. Для этого существует система САС - система аварийного спасения.
Представляет собой небольшую твердотопливную ракету, "срывающую" космический корабль с космонавтами с аварийной РН, уводящей на безопасное расстояние и высоту, где становится возможным применить штатную парашютную систему. Твердотопливное - не всегда. Илон Маск проявил оригинальность и для системы спасения задействовал жидктопливные двигатели на высококипяших компонентах.
Так как во всем в ракетно-космической технике существует ограничение по массе, то оно распространяется и на САС. Чем меньшую массу надо "срывать" тем легче получается САС. Взглянем еще раз на космический корабль "Союз":
На старте (и посадке) космонавты располагаются в спускаемом аппарате. Для САС идеальным было бы расположение спускаемого аппарата в носовой части космического корабля. Но тогда для перехода в бытовой отсек (который должен был бы позади спускаемого аппарата) пришлось бы "дырявить" донный тепловой щит, который берет на себя основную нагрузку при торможении. Это сильно снижает надежность тепловой защиты, и советские конструкторы на такое не пошли. Хотя китайцы, которые свою космическую программу построили на советской базе, такой вариант в каком то из кораблей использовали.
Агрегатный отсек находится позади спускаемого аппарата и при срабатывании САС остается на РН. Бытовой отсек система аварийного спасения отрывает и уводит от РН вместе со спускаемым аппаратом. Разделяются отсеки позже - после активного участка работы САС, но до срабатывания парашютной системы.
Обосновано ли разделение космического корабля, его герметичного обитаемого объема на два? Может лучше было бы объединить как у Меркурия:
или Аполлона:
Рассмотрим это пока только с позиции старта. Полет к Луне - немного позже.
Один герметичный объем по массе почти всегда лучше, нежели два состыкованных объема. Если формы этих объемов подобны. Минимальная масса герметичного объема под давлением - сфера. Две состыкованных сферы по массе меньше, нежели цилиндр равного объема с полусферическими оконечностями. Конус, в случае работы на внутреннее давление - всего лишь "ухудшенный" вариант цилиндра.
Потому прямой выгоды по массе нет.
Теперь про массу несколько иначе. Отодвинем в сторону "Меркурий" - большое сомнение, совершал ли он орбитальный полет. "Аполлон". Закрыт теплозащитой (абляционная защита) на нижней поверхности, и на боковых. Внизу толщина больше, на боковых поверхностях меньше - но масса значительная.
У "Союза" толщина нижнего теплового щита доходит до 80 мм (по другим источникам до 100 мм)
У "Аполлона" по официальной версии от 44 мм до 8 мм. Но "Аполлон был рассчитан только на управляемый спуск, а "Союз" - на все, что можно и что нельзя, включая баллистический спуск при возвращении после облета Луны. Зонд-5 это тот же Союз, но без бытового отсека.
Плотность стеклонаполненных, асбестонаполненных эпоксидных смол, фенольных смол, или различных резиноподобных пластиков (которые используются для абляционной теплозащиты) лежит в диапазоне от 1,3 до 1,8 (г/см3). Иногда выходят за этот диапазон, но не очень сильно. При таких плотностях и значительных толщинах масса теплозащиты оказывается тоже очень значительная - до 1/3 от массы спускаемого аппарата. Уменьшить ее за счет толщины нельзя - тогда увеличивается вероятность прогара. Толщина и так переменная, соответствует ожидаемым тепловым нагрузкам. Уменьшить массу можно за счет суммарной площади теплозащиты. Причем есть такой интересный нюанс - теплозащита - это не теплоизоляция! Она какую то функцию теплоизоляции выполняет, но ввиду высокой плотности и довольно приличной теплопроводности это теплоизоляция плохонькая. И массивная при этом. Поэтому вместе с теплозащитой на спускаемом аппарате Союза используется ЭВТИ - экранно вакуумная теплоизоляция.
Вернемся к массе на старте, которую при необходимости "срывает" САС.
Эту массу условно разделим на 4 части. Первая - это силовая часть - алюминиевая оболочка, работающая под давлением. Вторая часть - оборудование, жидкости, газы внутри оболочки. Третья - теплозащита. Четвертая - теплоизоляция.
В случае Союза это масса двух почти сферических объемов. Один - бытовой отсек - почти правильная сфера, объемом 4 м3, закрытая теплоизоляцией. Второй - спускаемый аппарат в форме "фара" объемом 2,5 м3, закрытый теплозащитой и теплоизоляцией.
Уточнение от Игоря Ф: "Спускаемый аппарат — масса 2,8 т, диаметр 2,2 м, длина 2,16 м, объем по внутренним обводам обитаемого отсека 3,85 м3,
Обитаемый орбитальный (бытовой) отсек — масса 1,2-1,3 т, диаметр 2,2 м, длина (со стыковочным агрегатом) 3,44 м, объем по внутренним обводам герметичного корпуса 6,6 м3, свободный объем 4 м3."
То есть, указанные мной 4 м3 и 2,5 м3 - это свободные, или иначе - обитаемые или жилые объемы.
В случае Аполлона это один конусный объем 12,7 м3, вся поверхность которого закрыта теплозащитой и теплоизоляцией.
В случае Ориона - то же самое, что и для Аполлона, только герметичный объем 19,6 м3.
По первой части сравнения масс - силовой алюминиевой (или из иного материала) оболочки - выигрыша ни у какого аппарата нет.
По второй и четвертой - то же.
По третьей - Союз в выигрыше, за счет меньшей площади, закрытой теплозащитой.
Итак - что мы имеем на старте у новенького (хотя и не очень) свежеразработанного (свеже- то же не очень) корабля "Орион"?
Ракета-носитель в виде комбинации ТТУ (запомнившихся по Челленджеру и Колумбии) и водородной ступени. За много лет и аварий можно считать, что довели до приемлемой надежности.
Большой и массивный однообъёмный командный модуль (8,5 т) который при необходимости должна спасти САС соответствующей мощности и тяги. И массы. Все это ложится непосильным грузом на слабенькую (в сравнении с Сатурном-5) SLS. Вы видите в этом логику? Я пока нет. Но может в самом полете к Луне и обратно Орион имеет некие "неоспоримые преимущества"?
Облет Луны
Облет Луны - это не полет на Марс. Неделя времени (примерно). Можно и потерпеть некоторые бытовые неудобства. Посмотрим, как на этот, по факту все же межпланетный перелет, смотрели советские и американские специалисты ракетно-космической техники.
Союз. Он же ЛОК (лунный орбитальный корабль).
Всего 10,45 м3 герметичного объема, часть которого занята оборудованием, приборами, материалами. Свободный объем 6,5 м3. 2,5 м3 спускаемый аппарат и 4 м3 бытовой отсек.
Экипаж для планировавшегося облета Луны - 2 человека. Для них - двухобъемный космический корабль. С достаточно большим бытовым отсеком, в котором наличествовал туалет. Туалет в полете более суток - достаточно актуальное оборудование. Crew Dragon, по имеющейся информации, им оснащен - закрывается шторкой на время пользования. Да и просто два отдельных объема для экипажа из двух (или даже трех) человек дают дополнительный комфорт. Особенно, если нет возможности выйти из этого объема.
Аполлон.
Герметичный объем 12,7 м3, а так называемый жилой объем (или, иначе, обитаемый объем) - 6,17 м3. Конусной формы. Экипаж 3 человека, туалета нет, объем не разделен. Нда... В сравнении с ЛОК (или Союзом) выглядит откровенно "бледно". Хотя и большой по габаритам. Конечно, американские астронавты - "железные парни", но все же условия очень... спартанские. При должной мотивации и соответствующей идеологической обработке, а так же надлежащих тренировках - неделю можно и потерпеть. Можно неделю ехать в плацкартном вагоне, а можно в купе. Что купе, а что плацкарт - решайте сами)))
Еще один интересный момент, на который мало кто обращает внимание. Радиация при порождении радиационных поясов, а так же радиация открытого космоса. И иногда - вспышки на солнце, которые эту радиацию значительно увеличивают. Защита от радиации - сложный вопрос. По сложившемуся общепринятому мнению, лучший материал для защиты от радиации - свинец или другие тяжелые (с большим атомным номером) материалы. Но это справедливо для электромагнитных излучений - рентгеновские и гамма лучи. От нейтронов и заряженных частиц лучше защищают материалы с низкими атомными номерами. Это материалы, содержащие водород, азот, бор. ЛОК (или Союз) имеет сравнительно небольшой спускаемый аппарат, закрытый со всех сторон достаточно толстым слоем теплозащиты, основу (или матрицу) которой составляет фенольная или эпоксидная смола. Не бог весть какая защита от радиации, но все же 5-10 см достаточно плотного (1,5-1,8 г/см3) материала в общем "пироге" с силовой оболочкой и ЭВТИ - лучше, чем ничего. Аполлон и здесь выглядит "бледно" - на конусной части толщина теплозащиты 8 мм, на днище 44 мм.
Орион.
Объем, в сравнении с Аполлоном, немного подрос - общий герметичный 19,6 м3, обитаемый (или жилой) - 10,2 м3 (по другим источникам 9 м3). Экипаж - 4 человека (основной вариант).
В свете сегодняшней толерантности - экипаж смешанный. А конструкция и компоновка - как у Аполлона - под "железных парней". Туалет, разумеется предусмотрят. Дрель, наверное, не включат в набор инструмента))) Опять платскарт...
Глядя на все это, возникают вопрос - а как же прошедшие 50 лет? Ничего не дали, в плане опыта и знаний? А если не дали - зачем было списывать Аполлон? И даже если списали - может проще начать возрождать технологии, повторив успех полувековой давности? Тем более, что Аполлон-переросток - сегодняшний Орион - никаких принципиальных отличий не имеет, то есть в реальности никакого развития нет.
Хотя, если мы посмотрим на программу Спейс-Шаттл (из которой для Артемиды взяты ТТУ и двигатели водородники), то увидим много интересного. Напомню - максимальная возможная продолжительность полета Шаттла составляла две недели, но обычно этот срок был меньше. Вполне соизмерим с облетной лунной миссией.
Двухуровневая кабина. Объем 70 м3! По 10 м3 на одного члена экипажа, при численности в 7 человек. Нормальный (по космическим меркам) туалет и прочие бытовые удобства. Возможность занятия физическими упражнениями, для поддержания нормальной формы. Астронавты летали в космос на работу и с космической работы возвращались на Землю. Вот только с системой авариного спасения было не очень... Ну как не очень - ее просто не было. Хотя была достаточно прочная кабина, были аварийные дыхательные аппараты, но в сравнении с САС, с возможностью уйти в баллистический спуск, с возможностями аварийного катапультирования это очень мало.
135 полетов. Огромный опыт. Что из него взяли? В применении для командного модуля, обитаемости жилого отсека, систем жизнедеятельности экипажа? Возможно что то из этого применяется, но как то маловато информации в открытом доступе. Но одно точно использовали - положение астронавтов при старте и посадке. Повторно выложу картинку:
Сравните с положением астронавтов на картинке выше. Вот только у Шаттла подобное положение было компромиссом для вертикального старта, торможения в атмосфере под углом, и горизонтального приземления.
Складывается впечатление, что для облетной мисси (пилотируемый облет Луны) НАСА делает космический корабль, базируясь на двух основных принципах:
- Лишь бы было.
- Не сильно отличалось по внешнему виду от "корабля победителя лунной гонки" Аполлона.
Продолжение - облет Луны, возвращение на Землю, торможение в атмосфере - читайте в следующей части.