Загружаем
12 апреля 1961 года в 9:07 по московскому времени с полигона Тюра-Там (ныне космодром Байконур) впервые стартовал советский космический корабль «Восток-1» с человеком на борту. 108 минут полёта, один виток по околоземной орбите и успешное возвращение — так для человечества началась эпоха пилотируемой космонавтики, а имя Юрия Гагарина стало нарицательным.
Триумф СССР не могли оставить без реакции главные конкуренты в космической гонке — США. Американцы изначально не скрывали намерений отправить своего человека в космос раньше всех. Их пилотируемая программа Mercury («Меркурий») должна была стать реваншем за советский «Спутник-1». С полёта Гагарина не прошло и месяца, когда астронавт Алан Шепард пересёк линию Кармана (условную границу начала космоса), правда, без выхода на орбиту. Международная авиационная федерация признала этот 15-минутный полёт космическим, но чаще всего первым американским астронавтом называют Джона Гленна. 20 февраля 1962 года он три раза облетел вокруг Земли.
Полёт Шепарда всё же больше похож на прыжок до космоса. Ракета-носитель покидает атмосферу Земли, но её скорость не достигает первой космической (7,9 км/с), а значит, вывести аппарат на орбиту нельзя. В этом случае корабль возвращается обратно в течение нескольких минут после выключения двигателя. Такие пуски называются суборбитальными. Пилотируемых суборбитальных космических запусков насчитывается не так много. Основным способом пребывания людей в космосе вот уже 60 лет остаётся орбитальный полёт.
Как любое небесное тело, Земля имеет гравитационное поле и собственные орбиты, по которым вокруг неё двигаются искусственные спутники (начиная от космических кораблей и исследовательских аппаратов, заканчивая космическим мусором). С точки зрения высоты орбиты бывают трёх типов: низкие, средние и высокие.
Границы ближайшей к нам орбиты — низкой околоземной — начинаются на высоте около 200 километров от поверхности Земли и заканчиваются на отметке в 2 000 километров. Даже по сравнению со следующей за ней средней околоземной это расстояние ничтожно малое, но зато самое обжитое. Здесь летают спутники дистанционного зондирования Земли и разведывательные аппараты — их близость к планете позволяет получать более точные изображения наземных объектов. Низкие орбиты также занимают различные спутники связи. Для большего охвата телекоммуникационные компании нередко запускают в космос целые «созвездия» таких спутников. И, наконец, люди. До сегодняшнего дня все космонавты и почти все астронавты выполняли полёты только на низкой околоземной орбите.
Максимальной высоты среди пилотируемых полётов на низкой околоземной орбите удалось достичь в 1966 году аппарату Gemini-11. На 26-м обороте вокруг Земли корабль поднялся на высоту 1370 километров. Единственной космической программой, чьи участники смогли покинуть пределы ближайшего околоземного пространства, стала американская лунная миссия Apollo («Аполлон»).
Межпланетные перелёты, и на Луну в том числе, — одно из ключевых направлений, которое определило развитие пилотируемой космонавтики. Вторым же стало долговременное пребывание в космосе на орбитальных станциях. Более 20 лет на нижнем участке низкой околоземной орбиты располагается главное представительство людей за пределами Земли — Международная космическая станция. Когда-то здесь летали и её предшественницы — советские «Салют», «Алмаз», «Мир» и американская Skylab.
Нынешний орбитальный город «парит» над нами на высоте около 420 километров от поверхности Земли. С одной стороны, до МКС рукой подать. С другой — сложно представить, что человечество обосновалось на таком близком к планете участке космоса и за 60 лет практически его не покидало.
Международная космическая станция — самый дорогой научный проект в истории и самый большой спутник, созданный человеком. Её строительство началось в 1998 году силами России, США, Канады, Японии и европейских держав. Первый экипаж в составе россиян Сергея Крикалёва, Юрия Гидзенко и американца Уильяма Шепарда прибыл на МКС уже в конце 2000 года — с этого момента и до сего дня на борту станции, сменяя друг друга, месяцами работают экипажи основных экспедиций. За управление полётом МКС отвечают два центра: за российский сегмент станции — в подмосковном Королёве, за американский — в Хьюстоне. Лабораторный модуль Columbus («Коламбус») Европейского космического агентства контролирует ЦУП в Оберпфаффенхофене, за модуль Kibo («Кибо») Японского агентства аэрокосмических исследований отвечает ЦУП в городе Цукуба.
Экипаж первой долговременной экспедиции на МКС доставил российский корабль «Союз ТМ-31». В дальнейшем вместе с «Союзами» за ротацию экипажей отвечали многоразовые корабли американской программы Space Shuttle. В 2003 году после катастрофы шаттла Columbia («Колумбия») полёты челноков приостановили до середины 2005 года. А уже в 2011-м, когда NASA окончательно свернуло программу Space Shuttle, «Союзы» и вовсе стали единственными доставщиками на МКС и космонавтов, и астронавтов. Положение дел изменилось спустя девять лет — корабль Dragon-2 (также известный как Crew Dragon) частной американской компании SpaceX совершил свой первый пилотируемый полёт. 31 мая 2020 года Илону Маску удалось доставить на МКС астронавтов Дагласа Хёрли и Боба Бенкена.
Беспилотные же космические полёты на станцию сегодня совершают четыре грузовых корабля: российский «Прогресс», японский HTV и американские Dragon и Cygnus. С 2008-го по 2014-й на станцию также летал «грузовик» Европейского космического агентства ATV. Аппараты доставляют различные грузы и оборудование, необходимые для работы МКС, научных экспериментов и жизнедеятельности экипажа.
МКС уникальна, и всё же ещё одной из её особенностей является непостоянство высоты. Воздействие верхних слоёв земной атмосферы тормозит станцию, из-за чего её орбита постепенно снижается. Близость к планете влияет и на период обращения объектов вокруг неё — МКС полностью огибает Землю примерно за 90 минут.
Чтобы создать необходимые условия для стыковки аппаратов с МКС, специалисты регулярно корректируют её орбиту. При помощи двигателей пристыкованных к станции «Прогрессов» её «поднимают» на несколько сотен метров. Нередко орбиту МКС меняют, чтобы избежать столкновения с космическим мусором, так как он легко может пробить обшивку модулей.
Не проще ли поднять МКС ещё выше? Отнюдь нет, ведь при расчёте орбиты станции учитывают несколько важных ограничений. Во-первых, МКС не может находиться выше 500 километров — за этой отметкой значительно повышается уровень радиации, что негативно скажется на здоровье экипажа. Во-вторых, высота орбиты зависит от возможностей основных кораблей, доставляющих на неё людей, — «Союзы» сертифицированы для полётов на расстояние до 460 километров. Например, в эпоху Space Shuttle МКС находилась на высоте около 350 километров, так как космические челноки просто не летали выше. И последнее, но не менее важное: пуск ракеты нельзя назвать дешёвым удовольствием, а МКС нуждается в регулярных поставках оборудования. Чем выше находится станция, тем меньше груза туда можно будет доставить. По этой причине летать на МКС придётся чаще. Получается замкнутый круг.
Пока оптимальным вариантом остаются 400 с лишним километров. К слову, на Земле на таком же расстоянии друг от друга находятся Москва и Смоленск. Километры между этими городами на самолёте можно преодолеть за час, скоростная «Ласточка» проходит их за четыре часа, автомобиль — за пять. А вот для космонавтов путь к МКС до недавнего времени растягивался до двух суток. Кажется, что скорость космического корабля позволяет преодолеть это расстояние за минуту, однако в реальности всё оказалось не совсем так.
Три, два, один — пуск. Зажигание, вспышка пламени, и вот уже ракета-носитель поднимается в небо. Через несколько минут она сбросит ступени, а затем отправит корабль в космическое плавание, конечный пункт которого — МКС. И если после выхода аппарата на орбиту кажется, что всё самое трудное закончилось, то в ЦУПе работа только начинается, ведь стыковка со станцией ещё впереди.
Работу МКС без технологии стыковки представить невозможно, однако сближать аппараты в космосе научились задолго до появления орбитальных станций. В прошлом при отработке стыковок кораблями просто «стреляли» друг в друга. Например, сначала запускали один аппарат, а другой через сутки — в момент, когда первый «проходил» через стартовую площадку второго. Из-за того, что корабли оказывались на небольшом расстоянии друг от друга, первые стыковки были молниеносными. Абсолютный рекорд по времени принадлежит нам.
На заре эпохи полётов к орбитальным станциям советские специалисты освоили суточную схему сближения. Она отвечала необходимым техническим требованиям, но для космонавтов стала непростой. В конце первых суток у человека наступает острая фаза адаптации к невесомости, координация становится хуже, а риск не состыковаться в случае перехода на ручное управление только возрастает. В этом случае максимально безопасную стыковку можно было провести на вторые-третьи сутки, когда пик космической болезни пройден. С 1986 года, после запуска станции «Мир», летать начали уже по двухсуточной схеме. Этот подход позже унаследовала и МКС.
При двухсуточной схеме корабль делает 34 витка вокруг Земли. За это время ему нужно подняться со своей, более низкой, траектории на орбиту станции и начать сближение. Просто это не получится, так как орбитальный комплекс всё это время двигается с собственной скоростью. Поэтому ЦУП проводит специальные расчёты орбиты и выдаёт манёвры, которые позволяют аппарату в конце концов «догнать» МКС. В полёте космонавты неизбежно сталкиваются с «глухими витками». На них корабль настолько отдалён от наземных станций связи, что на несколько часов теряет контакт с ЦУПом. По этой причине на «глухих витках» не совершают важных операций, а космонавты отдыхают или спят.
Сама стыковка проходит на 34-м витке. Несмотря на то что за манёвр отвечает компьютер, в случае нештатной ситуации командир корабля должен взять управление в свои руки. «Ручная» стыковка требует ещё и дополнительных действий. Например, экипажу нужно дождаться определённых светотеневых условий, чтобы во время стыковки солнце не светило в глаза.
Если для грузовых «Прогрессов» полёт по двухсуточной схеме не представляет особых сложностей, то для экипажей «Союзов» эти 50 часов становятся испытанием. При всех своих достоинствах «Союз» остаётся достаточно тесным кораблём. В минимальном комфорте космонавты находятся во время основных операций: выведения, манёвров и стыковки.
На «глухих витках» два человека переходят отдыхать в бытовой отсек, командир остаётся в спускаемом аппарате, а сам корабль ориентируется на Солнце в режиме закрутки, чтобы зарядить свои батареи. Технике — хорошо, ведь она получает солнечную энергию. Тем, кто находится в бытовом отсеке, — плохо, их вестибулярный аппарат испытывает на себе все последствия от закрутки.
Несмотря на тяжёлые физические нагрузки в полёте, профессиональные космонавты к ним готовы и переносят легче благодаря длительной предстартовой подготовке. Чего не скажешь о космических туристах, которые тратят на такую подготовку гораздо меньше времени. «Теперь я знаю, для чего мы проводили эти ужасные тренировки на вращающихся стульях», — писала в своём блоге Ануше Ансари — американка иранского происхождения, прилетевшая в 2006 году на МКС по программе космического туризма. 34 витка по орбите для Ансари прошли тяжело. Эйфория от происходящего быстро сменилась космической болезнью. На МКС Ануше понадобились ещё сутки, чтобы восстановиться после перелёта.
После этого случая в РКК «Энергия» задумались: как облегчить жизнь экипажу? По данным медиков, состояние эйфории от полёта в невесомости проходит на пятом-шестом витке, переносить космическую болезнь лучше в более комфортных условиях на МКС. Баллистики решили, что стыковаться нужно ещё и до ухода корабля в пассивную «глухую» зону, которая начинается сразу после пятого витка. Поэтому изначально специалисты разработали пятивитковую схему, но из-за особенностей управления её невозможно было испытать на «Прогрессах». В таком случае единственным допустимым вариантом короткой схемы стал полёт за четыре витка.
Для реализации своего плана в РКК «Энергия» разработали революционный подход. Раньше для перехода корабля с орбиты выведения на промежуточную, так называемую орбиту фазирования, аппарат тратил целый виток на измерения и расчёты для проведения манёвров. Теперь предварительные расчёты проводили на Земле, поэтому корабль поднимался на орбиту фазирования сразу после выведения. Следующие витки отводились на полноценное измерение орбиты и исправление ошибок выведения при помощи корректирующих импульсов — ракета-носитель «Союз-ФГ» с аналоговой системой управления выводила пилотируемые аппараты на орбиту с большой погрешностью. На автономное сближение со станцией корабль выходил уже на четвёртом витке.
Так получилась четырёхвитковая схема. Она сокращала полёт до шести часов и в то же время, при возникновении нештатной ситуации, позволяла спокойно перейти на привычную двухсуточную схему. Разработку испытывали на «Прогрессах» в 2012 и 2013 годах. После трёх успешных попыток на «грузовиках» короткую схему решили опробовать уже на «Союзе». В марте 2013 года космонавты Роскосмоса Павел Виноградов, Александр Мисуркин и астронавт NASA Кристофер Кэссиди добрались до Международной космической станции за рекордные (на тот момент) шесть часов. После перехода на новые корабли — «Союз МС» — пилотируемые полёты по короткой схеме в целом стали штатными.
И всё же короткая схема оказалась не совсем идеальной. Время в полёте сократилось, рабочее время космонавтов, наоборот, стало длиннее. «Глухих витков», на которых экипаж отдыхал при двухсуточной схеме, больше не было. Теперь от подъёма и завтрака до стыковки проходило порядка 16–18 часов. При этом 11 из них космонавты проводили в скафандрах. На то, что люди по-прежнему прилетают на станцию уставшими, указывали и медики. Разрешить ситуацию снова рискнули баллистики. Они предложили сократить время полёта с шести часов до трёх.
Разработанная в 2016 году сверхкороткая двухвитковая схема сближения стала возможна благодаря переходу на ракету «Союз-2.1». В отличие от предыдущего «Союза-ФГ» новый носитель имеет цифровую систему управления, которая позволяет выводить аппараты на орбиту с высокой точностью. Полёт начинается по тому же принципу, что и на четырёхвитковой, но благодаря точности ракеты корректирующие манёвры не требуются. Новая схема экономит два импульса и три часа.
Полёт за два витка упрощает работу космонавтам — меньше операций, меньше включений двигателя «Союза». Для баллистиков, напротив, задач становится больше. Ключевым параметром, влияющим на возможность стыковки со станцией, является фазовый угол. Корабль и МКС должны находиться под определённым углом в момент выведения. Чем меньше время полёта, тем меньше становится фазовый диапазон. Для сравнения, фазовый диапазон двухсуточной схемы — 150 градусов, четырёхвитковой — 22, двухвитковой — 6. «Поймать» станцию при двухвитковой схеме становится сложно, в случае ошибки лететь придётся на следующий день уже по двухсуточной схеме.
Ко всему прочему, станция ежедневно снижается. Поэтому для обеспечения строгих фазовых условий к дате старта специалисты РКК «Энергия» и ЦУП расписывают корректирующие манёвры для поддержания высоты орбиты МКС на месяцы вперёд. Разработчик коротких схем Рафаил Муртазин сравнивает такой подход с баллистическим кёрлингом. Цель «игры» — правильно «подвести» орбитальную станцию к быстрой стыковке. Даты коррекции орбиты МКС расставляют, словно камни в кёрлинге. Как и в игре, они служат для защиты «дома» — фазы выведения. Поэтому, если до старта потребуется выполнить коррекцию орбиты МКС с целью уклонения от космического мусора, баллистики могут пожертвовать одним из «камней». При этом на реализацию такой схемы не требуется дополнительных затрат топлива со стороны станции.
Уменьшение нагрузки на космонавтов — не единственное преимущество сверхкороткой схемы. Новый метод позволяет заметно экономить расход топлива корабля. По словам баллистиков, «Союз» в полёте по двухвитковой схеме экономит порядка 30 килограммов топлива за счёт отсутствия расхода энергии на закрутки и дополнительные развороты корабля. Топливо никогда не бывает лишним: чем больше в баках корабля остаётся горючего, тем более безопасным и надёжным становится полёт. Например, сохранённые килограммы топлива могут обеспечить резервную стыковку, в том случае если при сближении со станцией что-то пойдёт не так.
Первые испытания двухвитковой схемы на «Прогрессах» в 2017 и в начале 2018 года провести не удалось: из-за технических неполадок «грузовики» стартовали в резервную дату по двухсуточной схеме. Успешный пуск удалось отработать в июле 2018-го, «Прогресс МС-09» добрался до станции за 3 часа 40 минут. Уже после пяти благополучных полётов сверхкороткую схему решили испытать и на пилотируемом корабле.
Первый в истории полёт «Союза» на МКС по сверхбыстрой схеме состоялся 14 октября 2020 года. Россияне Сергей Рыжиков, Сергей Кудь-Сверчков и астронавт NASA Кэтлин Рубинс долетели до станции за рекордные 3 часа 3 минуты. Ракета-носитель «Союз-2.1а» стартовала с космодрома Байконур в 08:45 мск, а уже в 11:48 мск корабль «Союз МС-17» в штатном режиме пристыковался к модулю «Рассвет» российского сегмента МКС.
Для полной отработки новой схемы Роскосмос провёл в 2021 году два пилотируемых полёта. Первый состоялся 9 апреля. Корабль «Союз МС-18», получивший имя «Ю.А. Гагарин», добрался до МКС почти за 3,5 часа. 5 октября «Союз МС-19» доставил на станцию космонавта Антона Шкаплерова, а также актрису Юлию Пересильд и режиссёра Клима Шипенко, которые снимут первый художественный фильм в космосе. Всё это время грузовые «Прогрессы» запускали по двухсуточной схеме, чтобы сосредоточить силы на подготовке нужной фазы для «Союзов».
По словам Сергея Кудь-Сверчкова, для которого полёт по двухвитковой схеме осенью 2020 года стал первым космическим стартом в целом, острую фазу космической болезни он переносил уже на станции. «Новички, как я, заранее подготовлены, знают, как вести себя первое время в невесомости: двигаться плавно, без спешки. Работоспособность, конечно, снижается, но состояние позволяет выполнять поставленные задачи», — рассказал космонавт. После завершения всех испытаний космонавты смогут летать на МКС быстрее, чем люди на Земле добираются из одной точки в другую. Но, как известно, предела совершенству не бывает, поэтому отдел баллистики РКК «Энергия» разработал ещё более короткую схему сближения — за один виток.
В апреле 2021 года генеральный директор Роскосмоса Дмитрий Рогозин заявил о том, что одновитковая схема полётов может быть опробована на «Прогрессе» уже в 2022 году. Концепцию такого полёта разработали в РКК «Энергия» в 2019 году. Специалисты рассчитывают, что по новой схеме корабль сблизится со станцией примерно за два часа.
По плану после старта космическому кораблю необходимо совершить два импульса, которые выведут его на коэллиптическую орбиту. Её особенность в том, что в каждой точке расстояние до трассы МКС будет одинаковым. Когда угол наблюдения станции с корабля составит 23 градуса, будет выдан третий импульс. Он и подведёт аппарат к МКС для стыковки. Но для осуществления этой схемы понадобится введение ещё одного элемента — квазикомпланарного выведения.
Как мы уже писали во второй главе, главный фактор, определяющий длительность сближения корабля и МКС, — значение фазового угла между ними в момент старта. И здесь возникает главная сложность: для полёта по одновитковой схеме фазовый диапазон (допустимые значения фазового угла, при которых возможна стыковка с МКС) должен составлять 0,5 градуса. Для сравнения: у двухвитковой — 6.
При старте с Байконура квазикомпланарное выведение помогает увеличить фазовый диапазон до 20 градусов (шанс «поймать» станцию становится выше). Суть этого метода заключается в том, что корабль выводится на орбиту с наклонением, отличным от угла наклонения орбиты МКС к экватору (51,66 градуса). Таким образом, после старта корабль и станция находятся в разных плоскостях. Чтобы исправить это, корабль должен совершить дополнительный манёвр. По словам Муртазина, технически ракета-носитель «Союз-2.1а» способна реализовать одновитковую схему.
Одновитковая схема сближения при квазикомпланарном выведении будет более эффективна для стартов с космодрома Восточный, который находится в Амурской области. Байконур расположен на широте 46,5 градуса, а Восточный — 51,7, что ближе к значению угла наклонения орбиты МКС. В результате квазикомпланарного выведения с Восточного можно добиться фазового диапазона около 100 градусов. Это позволит осуществлять запуски почти ежесуточно.
Сегодня все пилотируемые миссии стартуют с Байконура. Но на Восточном идёт строительство второго стартового комплекса для ракеты-носителя «Ангара». Поэтому пилотируемые миссии с Дальнего Востока возможны уже в ближайшем будущем.
Разработка одновитковых схем — это не просто спортивный интерес. Сверхбыстрые полёты необходимы для реализации других космических программ, в частности лунной.
СССР и США в 1960-х годах разрабатывали технологии стыковок как раз для пилотируемых полётов к Луне. В рамках американской миссии Apollo эта технология помогла обеспечить высадку человека на Луну. За один виток специальный облегчённый модуль с экипажем готовился к посадке и также за один виток возвращался к кораблю, который ждал на лунной орбите. По словам Муртазина, такая схема будет актуальна и для современных программ.
Выход кораблей миссии Apollo за пределы околоземного пространства обеспечивала сверхтяжёлая ракета Saturn V. В наше время Россия ведёт разработку сверхтяжёлого «Енисея», который станет основной ракетой-носителем для второго этапа Российской лунной программы, в рамках которой предусмотрены пилотируемые миссии. Но до его появления эту задачу могут решать с помощью «Ангары» и собираемых перелётных модулей на орбите. И тут без одновитковой схемы снова не обойтись.
Для того чтобы доставить пилотируемый корабль к Луне, его на околоземной орбите необходимо состыковать с кислородно-водородным разгонным блоком, старт которого будет проходить отдельно. Кораблю необходимо состыковаться с ним как можно быстрее.
В этом случае имеет значение каждая сэкономленная минута, поэтому одновитковая схема как раз должна справиться с этой задачей. Также планируется, что уже после стыковки корабль с разгонным блоком совершит ещё один виток вокруг Земли для проверки всех систем и, если всё будет в порядке, отправится к Луне.
Подобные двойные запуски кораблей и разгонных блоков будут возможны после введения второго стартового комплекса для «Ангары» на Восточном.
Мы уже рассказывали во второй главе, что быстрые схемы полётов к МКС задумывались в первую очередь для улучшения самочувствия космонавтов за счёт сокращения времени пребывания в тесном корабле. Кроме того, корабль экономит топливо и сокращает расход батареи, что влияет на безопасность экипажа. Но это далеко не все преимущества. Реализация коротких схем, особенно одновитковой, открывает дополнительные возможности.
Благодаря коротким схемам рабочий день сокращается не только на орбите, но и на Земле. Во время запуска по традиционной двухсуточной схеме ЦУП работает 24 часа практически трое суток. Короткие схемы позволяют значительно разгрузить наземные службы. Работники уже оценили это во время полётов по двухвитковой схеме.
Кроме того, короткие схемы полёта будут необходимы в случае проведения спасательных операций в космосе или во время нештатных ситуаций на МКС. Помощь с Земли сможет добраться быстрее, а когда речь идёт о человеческих жизнях, важна каждая минута.
Ещё одним преимуществом этих схем является быстрая доставка на станцию различных биоматериалов для проведения научных экспериментов. Работа в этом направлении на МКС ведётся постоянно, за 22 года существования станции члены экипажа провели более 2 тыс. экспериментов, большинство из них в области биологии и биотехнологий. Например, выращивание сложных белковых структур. Подготовка к экспериментам проводится в специальных лабораториях ещё на Байконуре, а необходимые компоненты укладываются в корабль за два-три часа до старта. Биологам важно, чтобы время доставки до МКС было минимальным.
Короткие схемы сделают космические полёты доступнее для туристов: им станет физически проще переносить путь к МКС.
Как показывает более чем полувековая практика освоения космоса, технологии стыковок будут актуальны всегда: для полётов к МКС или к будущим станциям, а также для межпланетных миссий. Поэтому можно смело сказать, что короткие схемы всегда будут оставаться востребованными.