Поехали! Как и на чем мы летали в космос

Человечество летает в космос уже больше чем полвека. Большая часть успешных разработок была произведена двумя странами.
История космических полетов начинается 4 октября 1957 года, когда советский «Спутник-1» был выведен на орбиту одноименной ракетой-носителем. Этот день ознаменовал начало космической эры для человечества. Однако космической гонке между сверхдержавами СССР и США предшествовала другая, гораздо более опасная. Гонка вооружений.

  •  

    ФАУ-2, Вернер фон Браун

Шел 1932 год. Потерпевшая поражение в Первой мировой войне Германия вовсю работала над восстановлением своей военной мощи, однако условия Версальского договора не позволяли ей разрабатывать и использовать столь любимые немцами артиллерийские орудия большой дальности и калибра. К тому же как и во многих других странах в то время в Германии образовалась группа ракетчиков-энтузиастов. Но на кинематографических трюках и рекордных аттракционах не заработаешь денег для осуществления мечты о полете в космос. Поэтому двадцатилетний физик-конструктор Вернер фон Браун демонстрирует военным свои разработки ракет на жидком топливе, в частности — на этиловом спирте и кислороде. Выбор спирта был обусловлен тем что примитивные камеры сгорания тогдашних двигателей не возможно было охладить с помощью бензина или керосина, температура сгорания которых была гораздо выше чем у спирта. Исследователи даже потратили некоторое время устанавливая оптимальную концентрацию спирта в 74% при которой двигатель не сгорал и давал тягу, а не столб пара. В качестве окислителя в первой работающей ракете А-2 использовался жидкий кислород. Это сочетание позволило создать достаточно надежный и мощный двигатель. До начала войны немецкие инженеры активно общались с американским конструктором-ракетчиком Робертом Годдардом, запустившим первую ракету на жидком топливе еще в 1926 году. Уже тогда физик мечтал об использовании ЖРД (жидкостных ракетных двигателей) для покорения космоса.

Запуск Фау-2, архивная съемка

Но вернемся к фон Брауну. К 1942 году вместе с инженером Вальтером Тилем (последний считается основоположником теории работы ядерных реактивных двигателей, погибнет при бомбардировке в 1943 году) он совершенствует двигатель на жидком топливе, разрабатывая ракеты А-3 и А-4. Тяга последней на старте составляла почти 25000 кг, что на порядок превосходило все существовавшие на тот момент разработки.

 

Стоить заметить, что первоначально Гитлер отнесся к ракетам прохладно — обычно живо интересовавшийся новым оружием фюрер утомленно выслушал рассказы и уехал с полигона. Но, тем не менее, осознав, что ракета может быть действенным оружием против ненавистной Великобритании (а еще злые языки утверждают, что Шпеер предложил строить громадные подземные ракетные крепости, что было по нраву Гитлеру но привело в отчаяние военных), в июле 1943 года он подписывает приказ, дающий команде фон Брауна огромные бюджеты на разработку и испытания «оружия возмездия». Так ракета А-4 становится Фау-2 и под этим именем входит в историю. В 1944 году, во время испытаний, поднявшись на высоту 188 километров, ракета Фау-2 вторгается в область которую сейчас официально считают космическим пространством (но не надо думать что она совершила орбитальный полет — для этого нужно не высоко взлететь а хорошо разогнаться). А-4 становится первой в мире серийной баллистической ракетой принятой на вооружение, а инженеры фон Брауна уже вовсю работают над двухступенчатой межконтинентальной А9/А10, дабы иметь возможность дотянуться до находящихся за океаном американцев.

    К счастью, в 1945 году война заканчивается. Германия так и не успела воплотить в жизнь разработки двухступенчатых ракет, а постоянные удары союзников не позволили создать полноценные пусковые полигоны. Эффективность мобильных пусковых установок (да и самой ракеты) была довольно мала, но несмотря на это Фау-2 успела нанести потери гражданскому населению сразу нескольких стран. Хотя гораздо большее количество жертв принесла именно разработка ракеты. В одном только концентрационном лагере Дора-Миттельбау, работавшем на ракетостроительную отрасль Германии, погибло более 32 000 человек.
В 1945 году, когда ракетный полигон Пенемюнде, и без того нещадно разбомбленный Ланкастерами и Летающими Крепостями, захватывают советские войска, фон Браун переводит своих сотрудников и исследователей в Нордхаузен рядом с которым расположен тот самый подземный завод Миттельверк, также известный как концлагерь Дора. Вместе с приближенными инженерами ракетчик принимает решение сдаться в плен американцам, аргументируя это репрессиями советских войск против членов элиты нацистской Германии. В результате операции «Скрепка» по вывозу в США и «отмыванию от нацизма» ученых и инженеров фон Браун вместе с лучшими из своих сотрудников начинает работу на американскую ракетную промышленность.
Участники операции «Скрепка», 1945 год

Начало космической гонки

Вместе с фон Брауном американские войска вывезли из Миттельверка около 100 тонн груза: уже собранные ракеты, пусковые установки, детали, чертежи, обслуживающий персонал. Но и советская миссия, в составе которой были выжившие после разгрома РНИИ и срочно освобожденные из Гулага Королев и Глушко делала все возможное что бы захватить как можно больше артефактов и специалистов. Два месяца спустя территория завода была обменена на западный Берлин. СССР получил в свое распоряжение гораздо меньше комплектующих ракет, но задача была поставлена строго: нужно сделать советскую Фау-2. Королёв поприсутствовал при показательном запуске трофейного Фау-2 британцами на Севере Германии, и то под ненастоящим именем. Но основная масса послевоенных запусков А-4 происходила далеко от их колыбели — на полигонах White Sands и Капустин Яр.
Собрав остатки запчастей и документации, СССР принимается за поиск людей — к 1946 году более 5000 бывших немецких инженеров согласились работать на советскую ракетостроительную отрасль, не покидая территории будущей ГДР. В конце октября 1946 года под руководством Королёва на территории СССР проходит более 10 пусков восстановленной с небольшими изменениями ракеты Р-1. Параллельно великий конструктор ведет работу над собственной разработкой — уже в 1948 году начинаются пуски полностью советской Р-1 и ее модификации Р-1А (спирт показался недостаточно крепким и его концентрацию подняли, что увеличило тягу). По характеристикам Р-1 практически аналогична Фау-2, однако именно она становится «родителем» всей ракетной техники СССР. И до сих пор, космонавты и астронавты взлетают с Байконура на РН Союз в двигателях которого турбины крутятся парогазом полученным от разложения высококонцентрированной перекиси водорода — решение, придуманное в конце 30-х годов инженерами фон Брауна для оружия возмездия.
Следующим шагом в развитии советских ракет становится разработка Р-11. Отказавшись от этилового спирта и жидкого кислорода в пользу гораздо более энергоемких и долгохранимых светлых нефтепродуктов и азотной кислоты в качестве окислителя, и сделав баки несущими, что значительно облегчило конструкцию, советским ракетчикам удалось создать аналогичное Фау-2 по характеристикам оружие. По массе оно было облегченно почти в 2,5 раза, да еще и не требовало кислородного заправщика. В 1957 году двухступенчатая ракета Р-7 во время испытаний впервые доставляет заряд на расстояние 8800 км. К слову, большая цифра в названии ракеты значит лишь более современную систему пуска. В том же году модифицированная Р-7 (без боевого заряда и основной электроники управления) выводит на орбиту первые искусственные спутники, Спутник-1 и Спутник-2. Так, довольно неудачная МБР становится легендарной ракетой-носителем, который до сих пор доставляет людей на орбиту — первые две ступени и «гагаринской» РН Восток и современной РН Союз это все та же старая добрая «семерка».

В США серия межконтинентальных ракет получила название «Рэдстоун». Их проектированием занимался Вернер фон Браун вместе со своей командой, а непосредственной разработкой и воплощением в жизнь — корпорация Chrysler, более известная нам благодаря автомобилестроительной отрасли. На момент проведения операции «Скрепка» у США была только экспериментальная жидкостная ракета ВАК Капрал. Значительное количество комплектующих А-4 позволило американцам, в отличие от Королева, не заниматься производством ее реплики (хотя некоторые запчасти все таки пришлось делать самим), а провести все нужные испытания и экспериментальные пуски используя почти оригинальные Фау-2.
24 октября 1946 с помощью А-4 человечество впервые получило снимки своей планеты с космической высоты. В ходе проекта Бампер на А-4 установили в качестве второй ступени ВАК Капрал который в 1949 г. достигает высоты 393 км (МКС летает всего десятком километров выше). Эта же связка ракет стала первой ракетой, взлетевшей с мыса Каннаверал. Кроме того, первопроходцем A-4 стала и среди ракет, запущенных с корабля.
Стоит учесть, что интерес американских военных чиновников к баллистическим ракетам был изначально очень низок: разработки казались им слишком сложными и дорогими, а использование — маловероятным. Однако начало в 1950 году Корейской войны заставило их пересмотреть свои взгляды. Разрабатываемый с середины 1940х годов проект ракеты Hermes был отправлен на доработку команде фон Брауна.
Параллельно лабораторией реактивного движения (JPL) велась работа над совершенствованием полностью американского MGM-5 Corporal.
К 1953 году фон Браун заканчивает проектирование PGM-11, первого Рэдстоуна. Имея меньшую дальность чем советские аналоги (325 км), ракета была рекордно точной: круговое отклонение от цели составляло не более 300 метров.
Развитием проекта Рэдстоун становятся ракеты серии Юпитер. Одноступенчатый Юпитер-А использует уже новый вид топлива, керосин, а разработкой системы управления занимается фирма Ford. В 1956 году завершена работа над Юпитером-C, трехступенчатой ракетой, где первая ступень использовала жидкое топливо, остальные две являлись связками неуправляемых ракет Baby Sergeant (11 шт. и 3 шт.) на твердом топливе.
Стараясь нагнать СССР в начинающейся космической гонке, США добавляет Юпитеру еще одну ступень, состоящую из одной ракеты Baby Sergeant. Модификация получает название Юнона-1 и уже 1 февраля 1958 года выводит на орбиту первый искусственный спутник США, Explorer-1. Одновременно американцы работают и над полутораступенчатой ракетой Atlas, по своим характеристикам гораздо более похожей на советский Р-7.

 

Немного теории

Чтобы понять дальнейшие вопросы и проблемы, встававшие перед отраслью ракетостроения, следует разобраться с тем, как происходит старт ракет-носителей, что они могут на себе нести и куда способны нас доставить.

Составные части

протон_схема

Внутреннее строение 3й ступени «Протон-М»

Так как одним из главных стоит вопрос массы, общую массу ракет-носителей принято разделять на три части: конструкция, полезная нагрузка, топливо. Именно масса полезной нагрузки, которую РН способна «поднять», является главной характеристикой: от нее зависит количество груза, которое мы можем доставить на МКС, масса научных приборов, которые можно «засунуть» в спутник, размеры телескопа, который предстоит «подвесить» на орбите планеты.

Скорость

Да, высота на которую взлетает ракета не делает из нее космическую : из курса школьной физики вы должны помнить о том, что такое космическая скорость. Первая космическая скорость позволяет вывести аппарат на орбиту объекта. Вторая — достичь этой орбиты и выйти за ее пределы. Достижение третьей космической скорости даст возможность покинуть звездную систему. Ну а разогнавшись до четвертой, мы покинем галактику. Другими словами для того что бы доставить на МКС скажем килограмм еды нам нужно этот самый килограмм разогнать до первой космической скорости, т.е. сообщить полезной нагрузке суммарный импульс равный произведению массы ПН на эту самую первую космическую скорость — 7.9 км/с. И не метром в секунду меньше. Иначе вместо орбиты спутник попадет на дно океана.
Стоит учитывать и тот факт, что форма Земли неидеальна, наклонения орбит спутников различаются, и вывод аппаратов на орбиту усложняется своеобразным маневрированием и поочередным включением двигателя. С космодрома Байконур, например, можно вывести по этой причине на Луну или какую-либо планету больше груза, чем на МКС.

геостационарная орбита

Геостационарная орбита

Орбиты Земли

Их типов (условных) имеется аж шесть штук, и выведение аппарата на каждую из них имеет свои цели и условия. Часть спутников вращается на низкой орбите, вглядываясь в поверхность Земли, или обеспечивая мобильную спутниковую связь как Иридиум, где-то на высоте 20 000 км чинно вращаются навигационные спутники, часть находится на геостационарной орбите (ГСО), продолжительность обращения на которой совпадает с продолжительностью Земных суток.

Спутник на ГСО как бы зависает над определенной точкой над поверхностью Земли. Поэтому известный фантаст и футуролог сэр Артур Кларк еще в 1945 году предложил использовать такие орбиты для спутников связи. Сегодня мы наслаждаемся спутниковым телевидением получая сигнал именно с таких спутников с высоты 36 000 км., Еще одна интересная орбита — гелиосинхронная. Ее наклон как бы совпадает с терминатором — линией дня и ночи — и спутник все время пролетает над какой то точкой в одно и то же время суток. Что в сочетании с утренней/вечерней тенью делает такую орбиту идеальной для спутников дистанционного зондирования Земли или по-простому спутников-шпионов.

При этом следует понимать, что вращение аппаратов вокруг Земли не является постоянным и в идеале должно корректироваться. Орбиту МКС обычно «поднимают» при помощи включения двигателей стыкуемых к станции грузовых корабей «Прогресс». В среднем такую операцию выполняют 2-3 раза в год.

Тест водородного двигателя Space Shuttle SSME, программа Top Gear

При запуске обычно используется несколько ступеней, состоящих из топливных баков и двигателей. После сгорания топлива в ступени, она отстреливается, чтобы уменьшить общую массу ракеты-носителя.

Дальнейшее развитие отрасли

После запуска первых спутников и СССР и США принимаются за усовершенствование ракет-носителей. Основные проблемы и цели, которые были решены в первые десятилетия космических полетов:

  • достижение второй космической скорости (для выхода за пределы орбиты Земли)
  • повышение точности выведения аппаратов на целевую орбиту
  • усовершенствование систем управления: максимальная автоматизация полета с учетом получаемых данных
  • увеличение КПД двигателей
  • обеспечение безопасности для пилотируемых космических полетов
  • создание двигателей, способных многократно запускаться в вакууме и невесомости
  • создание кислородно-водородных разгонных блоков (значительно увеличивает массу полезной нагрузки)
    Концом космической гонки условно считается высадка американских астронавтов на Луне: именно разработка четырехступенчатых ракет-носителей с разгонными блоками в то время стала логической точкой в покорении околоземного космоса. Стыковка «Союз-Аполлон» начала новую эру космического сотрудничества, продолжением которой стало развитие орбитальных станций и совместная работа международных экипажей.
    Сегодня одной из основных задач околоземной ракетной промышленности является удешевление вывода полезной нагрузки на орбиту. Одним из путей считается создание многоразовой ракеты-носителя.. Разработки ведутся сразу несколькими странами, лидером можно назвать SpaceX (проект Grasshopper и двигатели серии Merlin).

Еще одной проблемой является сложность обслуживания человеком «висящих» на орбите космических аппаратов: телескопов и спутников. В 2009 году была осуществлена последняя ремонтная миссия к телескопу «Хаббл», а после закрытия программы «Спейс-шаттл» подобную задачу можно выполнять только при помощи «Союза». Кроме того, подобные «Шаттлу» аппараты могут обеспечивать в космосе стыковку объектов, не имеющих собственных двигателей (например, не все модули МКС могли самостоятельно приблизиться к станции и состыковаться с ней). Проблема не является первоочередной, а стоимость запуска подобных аппаратов сравнима со стоимостью замены спутника на орбите на новый, однако в будущем человечеству придется задуматься над подобными кораблями-ремонтниками. Единственный проект-аналог «челнока», советский «Буран» был закрыт в 1993 году. Он успел совершить один автоматический полет, став первым аппаратом, совершившим посадку в полностью автоматическом режиме.

Сейчас ракетостроительные компании вовсю занимаются разработками сверхтяжелых ракет-носителей для пилотируемых полетов в далекий космос. 22 октября 2015 года NASA утвердило дизайн самой мощной (на момент планируемого запуска) современной ракеты-носителя, Space Launch System.

Откуда запускаются ракеты

На данный момент в мире существует более 30 космодромов, действующими и готовыми к запуску из которых можно назвать примерно 20. Помимо стационарных, расположенных на суше космодромов, существует еще как минимум 5 мобильных. Такие космодромы разворачиваются в океане, на базе морских суден. Самым известным из таких проектов является Морской Старт который использовал украинскую РН Зенит 3SL. 42 запуска американских РН были осуществлены с самолетов, построенных компаниями Boeing и Lokheed.Строительство мобильных космодромов обусловлено проблемами расположения стационарных — чем ближе место пуска к экватору, тем больше ракета-носитель может использовать вращение Земли, тем больше вариантов наклонения (угла между орбитами спутника и Земли) выводимого спутника возможно. Старт с экватора позволит выводить почти на 30% больше полезной нагрузки, чем старт с космодрома Байконур. Самым выгодным в плане близости к экватору является расположенный во французской Гвиане космодром Куру. Оттуда можно запустить практически любую миссию, когда-либо отправленную с Земли. Американцам с их мысом Канаверал повезло чуть меньше, однако местный космодром все еще выгоднее Байконура.

экватор_запуски

В 2014 году с Куру было совершено 11 запусков (для сравнения, Байконур за тот же год отправил 21 РН), а по состоянию на октябрь 2015 — 9 запусков. Космодромы обычно строятся вдали от жилых городов, площадь вокруг них не застраивается из-за опасности падения обломков и ступеней ракет-носителей. Первые космодромы строились на месте (или около) военных баз, так как разработки и испытания ракет-носителей в то время тесно пересекались с военными исследованиями и контролировались военными ведомствами. Последние космодромы возводились уже с одной целью, так что их расположение и обеспечение более выгодны и продуманы.
    Возле крупных стартовых комплексов обычно находятся заводы, производящие топливо (транспортировка криогеники, кислорода и водорода невозможна, поэтому нужно производить их на минимальном удалении от объектов-космодромов). Часто подобные объекты имеют сложную внутреннюю инфраструктуру и являются во многом автономными — одна из площадок того же Байконура используется для доставки персонала и обеспечивающих грузов при помощи самолетов. Количество пусковых площадок и установок тоже варьируется: от этих чисел обычно зависит то, ракеты какого типа космодром способен запускать.
    На сегодняшний момент стационарные космодромы являются наиболее выгодным способом выведения объектов на околоземную орбиту и за ее пределы. Несмотря на существующие (и используемые) площадки другого типа, мы вряд ли когда-либо откажемся от пусковых комплексов современного типа.

На фото: космодром Байконур, вид из космоса (2010 год)

 

Будущее

Будущее покорения космоса можно разделить на три условных этапа, в зависимости от расстояний:

  • изучение околоземного пространства
  • изучение планет и объектов Солнечной системы
  • изучение межзвездного пространства

Визуализация миссии Mars Direct

Приоритетным на сегодня (как минимум, на бумаге) можно назвать второй этап. Многие страны отказываются от детального изучения луны в пользу Марса, спутников Юпитера, комет и астероидов. Новую эру космических исследований суждено будет открыть первым людям, ступившим на поверхность Марса. Межпланетной космонавтике (и ракетостроению) еще предстоит решить проблемы мобильности, доставки больших грузов, воздействия радиации и температур.

Изучением околоземного пространства сейчас заняты как исследователи на Земле (люди, которые обрабатывают получаемые с орбиты данные), так и астронавты Международной Космической Станции. Несмотря на планы как России, так и США отказаться от использования МКС, сотрудничество скорее всего продолжится как минимум до выведения на орбиту новой орбитальной станции, как максимум — до первой серьезной аварии (постучим кулаком по столу, чтоб не накаркать) на существующей. Кроме того, не следует забывать и об остальных игроках — Европейском КА, Японском КАИ. Возможными задачами ракетостроителей на ближайшее будущее является создание дешевого аналога «Шаттла» — аппарата, который сможет заняться обслуживанием существующих на орбите искусственных спутников, очисткой мусора и доставкой грузов.

мусор, инфографика

Космический мусор. Инфографика журнала «Вокруг света»

Логическим этапом развития ракетостроения видится создание «перевалочной станции» в околоземном пространстве — на земной орбите, либо на поверхности Луны. Такая станция может использоваться для сборки, заправки и запуска космических аппаратов на дальние расстояния. Это позволит не использовать каждый раз мощные ракеты-носители, наладить постоянно действующие исследовательские базы, возродить проекты пилотируемых полетов.
В любом случае, вряд ли мы спокойно усидим на Земле в ближайшие 30 лет. Сейчас мы находимся на пороге великих открытий, а человечеству еще предстоит совершить свой следующий прыжок.

 

Материал подготовил Dmitry Andreev под редакцией Sergiy Fakas.