Взлёт, 2015 № 10 (130)

Летим на Луну? О перспективном российском пилотируемом космическом корабле

Углепластиковый корпус командного отсека ПТК НП (на заднем плане - его полноразмерный макет)

На XII Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2015 Ракетно- космическая корпорация "Энергия" им. академика С.П. Королева представила сразу несколько экспонатов, связанных с программой создания российского пилотируемого транспортного корабля нового поколения, известного пока под аббревиатурой ПТК НП, который призван заменить нынешний "Союз ТМА". Он предназначен уже не только для привычных полетов по низкой околоземной орбите, но и для участия в пилотируемой лунной миссии. От предшественников корабль отличается меньшей зависимостью от управления с Земли и гораздо более высоким уровнем "интеллекта". В режиме автономного полета ПТК НП сможет находиться до 30 суток, а в составе орбитальной станции - до года. Штатный экипаж корабля - четыре человека, общая масса при полете к орбитальной станции составит 14,4 т, а к Луне - 19 т, масса возвращаемого аппарата -9 т. Для запуска будут использоваться ракеты из новейшего российского семейства "Ангара".

ПТК НП будет состоять из возвращаемого аппарата и двигательного отсека. Возвращаемый аппарат — обитаемый, имеет коническую форму и состоит из кабины экипажа и двигательной установки мягкой посадки. В кабине расположены четыре кресла "Чегет" для размещения космонавтов. В отличие от ныне применяемых на "Союзах" компактных кресел "Казбек" они не имеют индивидуальных вкладок-ложементов, построены по более комфортной схеме и позволяют проводить оперативную индивидуальную подгонку места размещения каждого космонавта. В варианте корабля-спасателя за счет установки двух дополнительных кресел "Казбек" ПТК НП будет способен вернуть с околоземной орбиты шестерых космонавтов. Кабина экипажа — многоразовая, может использоваться до десяти раз в полете по околоземной орбите и до трех раз за ее пределами.

В кабине размещены система обеспечения жизнедеятельности экипажа и бортовой комплекс управления с информационно-управляющим полем (данные отображаются на трех плоских многофункциональных жидкокристаллических дисплеях с сенсорной системой выдачи команд). Управление кораблем возможно с двух рабочих мест. В ходе разработки огромное внимание было уделено вопросам эргономики и технической эстетики, компоновке рабочих мест и обитаемых отсеков, деятельности экипажа и человеко-машинному интерфейсу, действиям в аварийных ситуациях, полетному снаряжению, требованиям к целевому оборудованию.

Космонавт-испытатель РКК "Энергия" Марк Серов демонстрирует пульт и ручку управления нового корабля

Оригинально решена рукоятка управления — она одна и спроектирована специально. Техническое задание предусматривает возможность управления одним пилотом, но при наличии двух равноценных рабочих мест. Для этого разработали специальную многоканальную интегрированную ручку, ближайшим аналогом которой является "сайдстик" — "кистевая" боковая рукоятка управления на самолетах. Ручка дает возможность управлять не только ориентацией, но и перемещениями корабля, на ней есть соответствующие кнопки. Она установлена между креслами и может управляться космонавтом как с правой, так и с левой руки.

Одной из задач проектирования ПТК НП было резкое снижение точек разброса при приземлении корабля, для чего предполагалось усовершенствовать систему управления спуском (повысить аэродинамическое качество возвращаемого аппарата на гиперзвуковом участке снижения в атмосфере, увеличить точность и быстродействие реактивной системы управления) и отказаться от снижения на парашюте (или до максимума уменьшить его продолжительность), для чего в первом эскизном проекте предусматривалась чисто реактивная система посадки. В доработанном техническом проекте роль этой системы значительно сократилась: основная скорость спуска гасится парашютами, для увеличения точности посадки их предполагается вводить в действие на возможно малой высоте.

Многократность использования кабины экипажа обеспечивается путем снижения нагрузок в момент удара при приземлении с помощью посадочной системы и двигательной установки мягкой посадки — она управляемая, включается незадолго перед приземлением и гасит вертикальную и боковую скорость, не только уменьшая перегрузки, но и ликвидируя возможность опрокидывания аппарата после касания поверхности. Посадочная система (твердотопливные двигатели мягкой посадки и четыре выдвижные амортизационные опоры) размещена в одноразовом отсеке в нижней части возвращаемого аппарата.

Очевидное преимущество комбинированной парашютно-реактивной системы — экономия массы и внутреннего объема корабля. Например, общая масса средств "чисто реактивной" системы посадки составляет 2725 кг, а парашютно-реактивной — всего 1800 кг. При этом ракетные двигатели способны сократить вертикальные и горизонтальные составляющие скорости до нуля при отказе одного из трех основных куполов парашютной системы и скорости ветра в районе посадки до 15 м/с.

При отказе двигателей мягкой посадки безопасность экипажа обеспечивает амортизация кресел, способная погасить ударную перегрузку, возникающую при скорости касания опор грунта до 7 м/с. Схема аварийной посадки примерно та же, однако опоры не раскрываются, и энергия удара гасится за счет деформации нижней части кабины (последняя в таком случае становится одноразовой).

Двигательный отсек — одноразовый, имеет цилиндрическую форму; в нем размещены маршевая жидкостная двигательная установка, а также ряд агрегатов и систем, в которых нет необходимости при спуске. На корпусе отсека установлены раскладные панели солнечных батарей, радиаторы системы обеспечения теплового режима, антенны системы радиосвязи и измерения траекторных параметров, разнообразные датчики и микродвигатели системы управления ориентацией.

Схема ПТК НП в лунной конфигурации

Схема командного отсека ПТК НП В центре - вид командного отсека после приземления

Предлагаемая РКК "Энергия" четырехпусковая схема пилотируемой экспедиции на Луну с использованием ракет-носителей "Ангара-А5В"

До недавнего времени широкая публика знала о назначении и схеме использования ПТК НП совсем немного. Если по поводу полетов на низкую околоземную орбиту было все более-менее ясно, то по поводу лунной миссии возникали вопросы, официальных ответов на которые до салона МАКС-2015 попросту не было.

Сейчас же на стенде РКК "Энергия" был показан видеоролик о том, как представляют разработчики схему проведения российской лунной экспедиции. Вся миссия, которую можно условно разбить на четыре этапа, будет реализовываться пусками ракет-носителей тяжелого класса повышенной грузоподъемности "Ангара-А5В".

На первом этапе с космодрома Восточный стартуют две ракеты, которые выводят на низкую околоземную орбиту последовательно: первая — лунный посадочно-взлетный корабль (ЛПВК) без экипажа на борту с кислородно-керосиновым межорбитальным буксиром (МОБ2), создаваемым на базе модернизированного разгонного блока ДМ (используется на ракетах- носителях "Протон" и "Зенит-38БВ"); вторая — мощный кислородно-водородный межорбитальный буксир (МОБ1), разрабатываемый на базе кислородноводородного разгонного блока тяжелого класса (КВТК) для ракет-носителей "Ангара". Сблизившись по "короткой" схеме, аппараты стыкуются и стартуют к Луне (с помощью МОБ1). После перелета и отстыковки МОБ1 лунный корабль ЛПВК выходят на окололунную орбиту, используя МОБ2.

На втором этапе еще две ракеты выводят на околоземную орбиту пилотируемый транспортный корабль ПТК НП (в тяжелом "лунном" варианте и с экипажем на борту) с МОБ2 и второй разгонный блок МОБ1. Следует их сближение, стыковка, разгон к Луне и выход на окололунную орбиту.

На третьем этапе на орбите вокруг Луны выполняется стыковка ПТК НП и ЛПВК с переходом в последний части экипажа. Лунный модуль сходит с окололунной орбиты и совершает мягкое прилунение. Космонавты высаживаются на лунную поверхность (как указывается, в районе полюсов, где обнаружены запасы водяного льда) и проводят исследования.

Схема возвращения с Луны гораздо проще. ЛПВК стартует с ее поверхности, стыкуется на окололунной орбите с ПТК НП, где в него возвращаются побывавшие на Луне космонавты, и последний отправляется к Земле, используя для этого собственные двигатели. Перед Землей отсеки корабля разделяются, возвращаемый отсек (кабина) входит в атмосферу и совершает посадку.

Проектирование ПТК НП ведется с 2009 г. Изначально планировалось, что первый беспилотный запуск корабля на низкую околоземную орбиту состоится в 2015 г., а пилотируемый — в 2018-м. Интересно, что для выполнения орбитальных полетов РКК "Энергия" предполагала использовать ракету-носитель среднего класса "Энергия-К", а для миссий к Луне — сверхтяжелый носитель. Из ряда презентаций можно было понять, что предприятие планировало разработать соответствующие носители самостоятельно либо в кооперации с ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" и ГРЦ "КБ им. академика В.П. Макеева".

Командный модуль перспективного пилотируемого корабля MPCV Orion приводнился после первого полета в космос

После завершения в июле 2011 г. эксплуатации многоразовых кораблей Space Shuttle у США в настоящее время пока не имеется собственных средств для выполнения пилотируемых космических полетов. Но разработка их идет полным ходом. Основное внимание NASA сейчас приковано к созданию многофункционального пилотируемого корабля MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) Orion, разработкой которого занимается компания Lockheed Martin. Его проектирование началось еще в 2006 г. в рамках отмененной позже программы Constellation (см. "Взлёт" №11/2006, с. 44-51). Теоретически MPCV может применяться и для полетов к МКС, но основным его назначением будут миссии вне низкой околоземной орбиты - к Луне, астероидам и, возможно, к Марсу. Программа летных испытаний этого аппарата растянута по времени - хотя командный модуль уже был протестирован в космосе в декабре 2014 г. (см. "Взлёт" №4/2015, с. 46-47), полностью укомплектованный корабль стартует только в ноябре 2018-го, а первый пилотируемый полет намечен на апрель 2023 г. После этой даты никакой определенности в графике и целях программы пока нет.

Перспективный пилотируемый корабль CST100 компании Boeing

Так будет выглядеть на орбите пилотируемый корабль Dragon V2 частной компании SpaceX

Снабжение американского сегмента МКС грузами в рамках программы NASA уже с 2012 г. осуществляется беспилотными кораблями Dragon и Cygnus, которые разработаны частными компаниями SpaceX и Orbital соответственно. В 2017 г. должны начаться летные испытания пилотируемых кораблей

Dragon V2 и CST100, проектируемых фирмами SpaceX и Boeing - предполагается, что именно на их плечи в дальнейшем ляжет доставка американских и европейский астронавтов на станцию в период до 2024 г.

В середине июля 2014 г. руководство РКК "Энергия" уточнило статус работ: в конце 2013 г. корпорация получила от Роскосмоса контракт, предусматривающий выпуск рабочей документации на все элементы корабля (в т.ч. отдельные приборы и агрегаты), изготовление необходимых макетов, опытных изделий и установок. В рамках контракта, рассчитанного до конца 2015 г., предприятие обязывалось провести наземные автономные испытания изготовленной материальной части и отработать основные технологические процессы изготовления ПТК НП.

Летом и осенью 2014 г. разработка рабочей документации по комплексу корабля продолжалась, выпускались технические задания предприятиям-соисполнителям; были заключены договора с некоторыми субподрядчиками.

В марте 2015 г. председатель научно-технического совета Федерального космического агентства Юрий Коптев анонсировал создание ракеты-носителя "Ангара-А5В" для выполнения многопусковой экспедиции на Луну с использованием ПТК НП. По расчетам предприятия-разработчика — ГКНПЦ им. М.В. Хруничева — новый носитель сможет выводить на низкую околоземную орбиту массу в полтора раза больше "штатной" тяжелой "Ангары-А5", летные испытания которой начались в декабре 2014 г. с космодрома Плесецк.

Отказ от создания сверхтяжелого носителя привел к необходимости жесткой весовой экономии проекта, в т.ч. к решению задачи уменьшения сухой массы ПТК НП путем замены конструкционных материалов. Так, например, ранее возвращаемый аппарат предполагалось сваривать из фрезерованных вафельных панелей, выполняемых из алюминиевого сплава. Сейчас кабина имеет трехслойную конструкцию с углепластиковыми оболочками и заполнителем из алюминиевых сот.

РКК "Энергия" совместно с германской компанией Nanotec GmbH разработала технологию изготовления герметичного корпуса ПТК НП из композитных материалов на основе углепластика. Компания Nanotec по заказу российского предприятия поставила опытный образец гермокорпуса, который был впервые представлен на МАКС-2015. РКК "Энергия", Объединенная ракетно-космическая корпорация и Госкорпорация "Роскосмос" планируют создать в России отраслевой производственный центр, задачей которого будет внедрение данной технологии в отечественном производстве космической техники различного назначения.

В настоящее время первоначально озвученные сроки выполнения программы ПТК НП существенно изменились: летные испытания беспилотного варианта корабля планируется начать не ранее 2019—2021 гг., первый пилотируемый полет по околоземной орбите перенесен на 2024 г., а первая миссия к Луне запланирована на 2028 г.

29 августа 2015 г. президент РКК "Энергия" Владимир Солнцев заявил, что компания надеется ускорить постройку летного образца корабля: "Несмотря на то, что мы озвучили и согласовали первый пуск в 2021 г., для себя мы ставим задачу построить летный образец уже в 2019 г., и я думаю, что у нас все получится", — отметил он.

Аварийно-спасательный скафандр с носимым аварийным запасом и кресло "Чегет" для нового корабля ПТК НП

Полноразмерный макет командного отсека ПТК НП в конфигурации после приземления и новый стыковочный агрегат

Первый проект Федеральной космической программы на 2016—2025 гг. включал пять полетов ПТК НП. На первом этапе летных испытаний предполагалось запускать к МКС низкоорбитальную модификацию ПТК НП в автоматическом варианте при помощи ракеты-носителя "Ангара-А5". Всего было запланировано по одному полету в 2021, 2022 и 2023 гг. Запуск экипажа на станцию планировался на 2024 г. На втором этапе, который начнется в 2025 г., летные испытания должен будет проходить лунный вариант корабля.

Для полетов на низкую орбиту, вероятно, будет использоваться двухступенчатая ракета-носитель "Ангара-А5П". Она отличается от базового варианта "Ангара-А5" отсутствием третьей ступени, из-за чего ракета может выводить не 24 т, а всего 14,5—20 т (в зависимости от схемы работы второй ступени), чего вполне достаточно как для штатного запуска "легкой" (орбитальной) версии ПТК НП, так и для испытаний лунного корабля на низкой околоземной орбите.

...С момента начала работ по перспективному пилотируемому космическому кораблю прошло уже несколько лет, но до сих пор он не имеет собственного имени. Поэтому недавно РКК "Энергия" объявила о проведении творческого конкурса на лучшее название для ПТК НП. Конкурс стартовал 30 августа и продлится до 2 ноября 2015 г. Результаты конкурса будут объявлены в середине января 2016 г., а победителя определят по итогам общественного голосования и работы жюри. Главным призом станет поездка на космодром Байконур с возможностью присутствовать при запуске транспортного пилотируемого корабля "Союз".