Введение

Тенденции развития многоразовых транспортных космических систем (МТКС) направлены на расширение спектра решаемых задач при обязательном снижении финансовых средств, выделяемых на их разработку, производство и эксплуатацию       [ 1 ]. В рамках этой деятельности особое внимание уделяется совершенствованию средств выведения полезной нагрузки (ПН) на орбиту, что обусловлено следующими задачами:

• развитие производств, требующих специфических условий (вакуум, невесомость и т. п.);
• создание долговременных орбитальных станций;
• развёртывание в околоземном пространстве различных научно-исследовательских платформ (солнечные электростанции, радиотелескопы и оптические космические телескопы);
• удешевление услуг и космических научных экспериментов, спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), навигации, проведения метеорологических, геодезических, картографических работ и т. д.;
• оказание услуг в области космического туризма.

Возрастающий спрос на вывод различной ПН приводит к увеличению числа запусков ракет-носителей (РН), что влечёт за собой массу негативных последствий, таких как:

• засорение околоземного космического пространства;
• загрязнение окружающей среды элементами отделяющихся частей, падающих на Землю;
• неэффективное использование высокотехнологичного оборудования и материалов;
• увеличение затрат на космические программы.

Решение указанных проблем может быть достигнуто за счёт применения МТКС [ 2 ].

Назначение многоразовых транспортных космических систем

К числу зарубежных стран, прилагающих наибольшие усилия по созданию МТКС, можно отнести США, КНР, ФРГ и Францию. Классификация МТКС по их назначению представлена в таблице 1.

Таблица 1. Классификация МТКС по назначению

Таким образом, основными областями применения МТКС на данный момент являются:

• доставка грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, обеспечение полётов в дальний космос;
• космический туризм и научные исследования;
• обеспечение национальной безопасности в околоземном пространстве.

Доставка грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, полёты в дальний космос

В зарубежных странах значительное внимание уделяется разработке МТКС, способных прийти на замену одноразовым аппаратам. Перед МТКС ставятся не только задачи обеспечения полётов на Международную космическую станцию (МКС) с целью доставки экипажа и грузов или иные национальные орбитальные станции, создание которых ожидается в ближайшем будущем. Наравне с этим стоят задачи по обеспечению перевозок за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) и обеспечение их благополучного возвращения обратно на Землю. К числу таких МТКС относятся, в частности: космический корабль (КК) Dragon V2 (компания SpaceX), Starship (компания SpaceX), Orion MPCV (компания Lockheed Martin), CST-100 Starliner (компания Boeing), Dream Chaser (компания Sierra Nevada Corporation), «Пилотируемый корабль нового поколения» (Китайская академия космических технологий CAST).

Для доставки людей и грузов на МКС в настоящее время используются две модификации КК Dragon V2: пилотируемый КК Crew Dragon и грузовой КК Cargo Dragon (рис. 1). КК Dragon V2 разработан по заказу Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в рамках программы «Коммерческая орбитальная транспортировка» [ 3 ].

Рис. 1. Внешний вид КК Dragon Cargo (слева) и Dragon Crew (справа)

Главные отличия КК Dragon Crew – управляемая посадка на двигателях (парашютная схема в качестве резерва), опоры для мягкой посадки и салон с креслами для астронавтов и панелью управления. Благодаря ракетным двигателям (РД) Super Draco аппарат способен приземляться практически в любом месте с предельной точностью, а возможность управляемой посадки сохраняется при отказе двух из восьми двигателей. РД Super Draco являются первыми двигателями в космической промышленности, изготовление которых возможно по технологии 3D-печати.

По состоянию на конец 2021 года было выполнено восемь запусков КК Dragon V2, из них четыре КК Cargo Dragon и четыре Crew Dragon. КК Dragon V2 планируется использовать в американской программе Artemis, основная цель которой – высадка на поверхность Луны. Компания SpaceX также анонсировала изображение особой версии КК Crew Dragon, со стеклянным купольным окном, позволяющим наблюдать виды космоса. Новая версия КК не имеет адаптера, предназначенного для стыковки с МКС, и предположительно будет использоваться в целях коммерческого космического туризма.

Также в настоящее время компания SpaceX продолжает развивать программу создания МТКС сверхтяжёлого класса, способных осуществить доставку грузов и людей на Луну и Марс. В рамках данной деятельности компания реализует проект по созданию МТКС Super Heavy Starship, состоящего из ускорителя Super Heavy и КК Starship (рис. 2).

КК Starship представляется в пилотируемом или грузовом исполнении, а также в качестве танкера для дозаправки на орбите других кораблей. Все модификации способны к автоматическому сближению и стыковке. К особенностям КК Starship также относятся:

• возможность отправки КК к Луне или Марсу с грузом и экипажем после дозаправки топливом на орбите Земли;
• применение технологии тепловой защиты многократного действия;
• размещение в КК до 40 кабин для экипажа, больших зон общего пользования, складов, кухни, а также специального убежища для защиты экипажа от солнечных вспышек.

По состоянию на середину 2021 года было выполнено 12 испытаний, в ходе которых отрабатывались усовершенствованные технологии запуска и посадки. Новый прототип SN15 Starship, испытания которого прошли в мае 2021 года, имеет более 100 конструкционных улучшений относительно серии SN8 – SN11 в качестве поверхности корпуса, авионике, программном обеспечении и двигателях. На корпус прототипа было установлено гораздо больше теплозащитных плиток, чем на предыдущий SN11. Испытание SN15 завершилось успешно – корабль поднялся на высоту около 10 км, выполнил запланированные манёвры и совершил плавную посадку. В ближайшей перспективе корпорация SpaceX планирует проведение испытаний во время суборбитального полёта.

В рамках программы Constellation («Созвездие») NASA с середины 2000-х годов создаёт многоцелевой КК Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV), предназначенный для продолжительных исследований глубокого космоса человеком (рис. 3).

5 декабря 2014 года в ходе Exploration Flight Test 1 состоялись испытания беспилотной версии КК Orion MPCV. КК был запущен с Восточного ракетного полигона, продолжительность полёта составила примерно 4,5 часа.

Рис. 3. Внешний вид Orion MPCV

Сроки создания КК неоднократно переносились вследствие перерасхода средств и недостаточного планирования  [ 5 ]. Согласно отчёту генерального инспектора NASA, начиная с августа 2006 года на создание Orion MPCV управление потратило 16,7 млрд долларов США. Общие расходы на Orion MPCV, включая изготовление серийных КК, до конца 2030 года составят 29,5 млрд долларов США.

Несмотря на это, до 2030 года NASA планирует:

• осуществить до конца 2021 года беспилотную миссию в рамках программы Artemis-1;
• произвести в 2023 году пилотируемый облёт Луны с помощью разрабатываемой сверхтяжёлой РН SLS (Space Launch System – космическая система запуска NASA; миссия Artemis-2);
• осуществить в 2024 году посадку на Луну (миссия Artemis-3);
• в период с 2025 по 2029 годы осуществить лунные миссии
• Artemis – 4…9.
•  продолжить полёты после 2029 года (планируются полёты большой продолжительности, не исключается возможность использования системы Orion MPCV в программе освоения Марса).

В качестве альтернативы для корабля Orion MPCV может рассматриваться МТКС CST-100 Starliner (Crew Space Transportation-100 Starliner), которая разрабатывается компанией Boeing (рис. 4). Как и Crew Dragon, МТКС создана по заказу NASA в рамках программы по разработке частных КА Commercial Crew Program [ 6 ]. Проект предусматривает создание пилотируемого корабля, способного доставлять на орбиту и возвращать на Землю несколько человек. Для КК характерна инновационная цельная (бесшовная) конструкция, которая устраняет структурные риски традиционных швов, уменьшает массу и время производства. CST-100 Starliner может быть использован повторно до 10 раз.

К отличительным особенностям КК CST-100 Starliner также относятся:

• система прерывания полёта, которая обеспечивает безопасное спасение экипажа в течение миссии во время фазы запуска;
• испытанная в полёте авиационная электроника и протестированное ранее программное обеспечение для системы сближения и стыковки;
• аварийная система, обеспечивающая безопасное возвращение даже с неполноценными компьютерными системами и системами наведения (экстенсивная система послепосадочной защиты экипажа, резервное ручное управление для пилотов);
• планшетная технология, устраняющая необходимость в громоздких приборах для ручного управления.

Рис. 4. Внешний вид КК CST-100 Starliner

От других проектов перспективных пилотируемых КК американской и зарубежной разработки CST-100 Starliner отличается более скромными целями. По задумке создателей, этот КК должен будет доставлять людей на МКС или на другие перспективные станции, разрабатываемые в настоящее время. Полёты за пределы земной орбиты не планируются. При этом КК проектируется так, чтобы иметь возможность оставаться на орбите до семи месяцев с возможностью повторного использования до десяти миссий. Всё это снижает требования к кораблю, позволяя добиться значительной экономии и конкурентного преимущества при доставке грузов и экипажа.

В декабре 2019 года с помощью РН Atlas V был произведён запуск беспилотной модификации корабля с целью стыковки с МКС. Попытка стыковки со станцией завершилась неудачей из-за серьёзных ошибок в программном обеспечении, разработанном компанией Boeing. По оценке специалистов, причиной сбоя явилась неисправность в системе расчёта полётного времени и потеря связи с кораблём. Тем не менее корабль всё же удалось вывести на орбиту и провести ряд запланированных экспериментов. Позже CST-100 Starliner при помощи трёх парашютов совершил успешную посадку на ракетном полигоне Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. Тестовый полёт без экипажа ориентировочно планируется до окончания 2021 года. Первый испытательный полёт CST-100 Starliner с астронавтами на борту состоится не ранее января 2022 года, в случае его успешного выполнения компания Boeing планирует осуществить доставку экипажа на МКС в апреле или сентябре 2022 года.

Многоразовый КК Dream Chaser от компании Sierra Nevada Corporation (SNC) по форме сильно отличается от вышеупомянутых перспективных космических разработок США, предназначенных для доставки грузов и экипажа на МКС (рис. 5). Однако его главные задачи схожи с задачами КК Dragon V2, Orion MPCV и CST-100 Starliner.

Рис. 5. Внешний вид КК Dream Chaser

Использование КК Dream Chaser позволит:

• осуществлять стыковку с МКС с помощью расположенного в хвостовой части стыковочного механизма бельгийской компании QinetiQ, позволяющего герметизировать вход в КК членами экипажа станции;
• снизить величину предельных перегрузок в целях сохранности экипажа и результатов научных экспериментов;
• снизить операционное время обслуживания перед совершением следующего запуска;
• обеспечить приземление на любой аэродром, способный принять самолёт типа Boeing-737;
• уменьшить загрязнение окружающей среды за счёт применения запатентованной технологии гибридного РД.

Корпус аппарата создан из композитных материалов с керамической теплозащитой. Изначально прорабатывалась пилотируемая версия Dream Chaser, но пока планируется запуск беспилотной модификации – в этой версии КК будет иметь складывающиеся крылья, что даст возможность запускать аппарат внутри пятиметрового обтекателя с помощью различных РН. В беспилотную модификацию также добавлен дополнительный грузовой модуль для герметичных грузов и размещения внешних негерметичных грузов, который будет отделяться перед возвращением и сгорать в атмосфере.

Первый орбитальный запуск беспилотной версии КК по соглашению NASA, SNC и ULA ожидается не ранее 2022 года с помощью РН Vulcan. Предполагается, что КК Dream Chaser доставит на МКС около 5,5 т груза и останется пристыкованным к ней в течение 75 дней в качестве орбитальной лаборатории [ 7 ]. После завершения миссии КК утилизирует около 3,2 т мусора космической станции и осуществит спуск с орбиты с использованием аэродинамического планирования. По соглашению с NASA компания SNC планирует как минимум шесть грузовых полётов к МКС в период с 2022 по 2024 год. После завершения миссии МКС КК Dream Chaser будет осуществлять доставку грузов и астронавтов на создаваемую компанией собственную космическую станцию.

В Китае 508-м институтом Китайской исследовательской академии космической техники (CAST) создан новый КК, который в перспективе может составить серьёзную конкуренцию американским разработкам, в частности кораблям Orion MPCV и CST-100 Starliner. Новый КК пока не имеет уникального названия. Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán переводится как «Пилотируемый КК нового поколения» (рис.6).

Рис. 6. Внешний вид «Пилотируемого КК нового поколения»

О существовании в Китае программы по разработке нового пилотируемого корабля стало известно в 2016 году, когда его вывели в космос с помощью РН «Чанчжэн-7». Прототип был выполнен приблизительно в масштабе 60% от базового корабля и выглядел как усечённый конус с максимальным диаметром 2,6 м, высотой 2,3 м, и массой 2,6 т. Операция по возвращению спускаемого аппарата с орбиты была проведена успешно.

В мае 2020 года РН «Чанчжэн-5В» отправила на орбиту корабль новой серии испытательной модификации (на КК отсутствовал стыковочный узел, при старте не применялась система аварийного спасения). Полёт также завершился успешно.

Масса испытательного КК составляет примерно 21 т (это легче, чем Orion, чья полная масса составляет 25,85 т). По приблизительным подсчётам предельная скорость, которую развил КК в ходе испытательного полёта, составляла около 1500 м/с, что, в свою очередь, достаточно для перехода на орбиту вокруг Луны и разгон обратно к Земле.

Планируется разработать два типа корабля в зависимости от решаемых задач. Для доставки экипажа на МКС и на разрабатываемую национальную космическую станцию с максимальным экипажем планируется использовать КК массой 14 т, а для полётов в дальний космос с экипажем до четырёх космонавтов – КК массой 21 т.

Точные даты следующих испытаний пилотируемого КК пока неизвестны, полёт к Луне китайских космонавтов планируется на 2030-е годы .

Основные характеристики вышеперечисленных КК, обеспечивающих доставку грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики КК, обеспечивающих доставку грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам