На чем лететь к Луне
Я решил немного отойти от исторических вопросов и высказаться по такому животрепещущему вопросу, как то, на чем мы собрались лететь на Луну. Тем более, что наши лунные проекты потихоньку переходят в стадию реализации, так что вопрос действительно актуален.
С одной стороны, уже лет десять у нас в разработке проект нового космического корабля «Федерация» который и проектируется изначально с прицелом именно на Луну.
Но, в последнее время, появились упоминания о лунном варианте «Союза»- «Союз-Л». И сразу же прозвучали заявления, что при наличии лунного «Союза», «Федерация» не нужна и можно прекратить ее разработку для экономии средств.
В данной статье я хотел пояснить, что из себя представляет полет к Луне, какие там ограничения и почему для этих целей нам нужна именно «Федерация». Хотел бы отметить, что это некое нулевое приближение. Я специально решил опустить определенные тонкие моменты, чтобы основной вопрос стал понятнее.
Лунная орбита
Для начала нужно понимать, что все текущие проекты как освоения, так и изучения Луны связанны с выходом станций на орбиту спутника Луны. Пролетные миссии остались в далеком прошлом. Именно с лунной орбиты удобно изучать ее поверхность. Именно на Лунной орбите удобно собирать лунную орбитальную станцию, именно на лунной орбите энергетически удобно ждать лунный посадочный корабль после взлета с Луны.
Именно через лунную орбиту летали к Луне Аполлоны.
Пример схемы перелета. Виден старт к Земле, выход на Лунную орбиту, расстыковка с посадочным модулем, стыковка с ним после взлета с Луны и старт к Земле.
Другими словами чтобы успешно выполнять пилотируемые миссии к Луне желательно уметь выходить на орбиту спутника Луны и стартовать с этой орбиты к Земле.
Баллистические особенности перелета с Земли на Луну таковы, что для торможения на выход с траектории перелета, на орбиту Луны требуется где-то 800 м/с. Задача не полностью симметричная, но можно считать, что для старта требуется столько же. Другими словами суммарный импульс должен корабля быть где-то 1600 м/с. Можно вспомнить еще и про коррекции как на трассе Земля-Луна, так и на орбите Луны. Зависит от миссии. Может набежать пара сотен метров в секунду. Об этом нужно помнить, но для удобства я ограничусь только цифрами 800 и 1600 м/с.
Но эти цифры мало что говорят о схеме миссии. Набрать эту скорость можно разными способами. Пока были разработаны для реализации полета к Луне две схемы, которые хоть и реализовывали одну задачу, идеологически очень сильно отличались друг от друга. Назовем эти варианты перелета схемой типа «Аполлон» и «Н1-Л3»
Схема «Аполлона»
В данной схеме за торможение при выходе на орбиту спутника Луны и старте с нее, отвечал орбитальный корабль. Так называемый командно-сервисный модуль (CSM). Более того, он должен был выводить на орбиту Луны не только себя но и тяжелый посадочный модуль массой порядка 14,5 тонн. Это хорошо видно на представленной схеме
Из-за этого его характеристическая скорость была очень велика. Куда больше нужной в 1600 м/с. Сам корабль, по сути, состоял из топлива. При полной массе корабля в 28 тонн, 18 тонн ушло именно на топливо. Этот запас настолько большой, что вряд ли в ближайшее время появиться пилотируемый корабль, который сравниться с ним по энергетике
Вот его разрез. Хорошо видны огромные цилиндрические баки с топливом.
Схема «Н1-Л3»
В отличии от «Аполлона» в нашей схеме, за торможение и выход на орбиту Луны, отвечал уже отдельный блок «Д».
На этой схеме видна вся наша связка. Более того блок "Д" также отвечал за возможный доразгон, по пути к Луне, выход на Лунную орбиту и отработку большей части импульс для посадки ЛК.
Орбитальный корабль (он шел под аббревиатурой ЛОК) должен был отработать только импульс для перехода на траекторию полета к Земле. Впрочем, и минимальная характеристическая скорость в 800 м/с это не шутки и по запасам топлива ЛОК был рекордсменом среди наших кораблей. Общая масса корабля 9,8 тонны, из них 3,1 тонн топлива.
Современные корабли
Теперь постараемся сравнить Аполлон и ЛОК с энергетикой современных кораблей, предназначенных для полетов к Луне. А именно «Орион» и «Федерацию».
Хотел бы отметить, что выбор одной из вышеописанных схем очень важный. Он должен был быть сделан еще на самом начальном этапе проектирования миссии и все системы рассчитываться именно под данные схемы.
Также нужно отметить, что из-за того что корабли пока не полетели, а во время их разработки многое менялось найти точные данные достаточно сложно. Например, при разработке «Ориона» кардинально поменялся агрегатный отсек с топливом. Он даже сменил страну производителя. Если изначально ее должны были изготавливать в США, то сейчас делает Европа.
В результате, многие цифры «плавают». Так как видимо относятся к разному времени. Например, везде указывается масса «Ориона» в 25 тонн, когда же я все просуммировал, то получил 24 тонны. Или общая ХС корабля указывается в 1800 м/с, у меня получилось 1500. Видимо дело в том, что многие цифры указываются округленно. Например, вряд ли в баках «Ориона» ровно 9 тонн топлива, как указанно в тех источниках, что я изучал.
Еще больше проблем с «Федерацией», она еще дальше от запуска и в ней тоже многое изменилось. Например, агрегатный отсек хоть и не поменял производителя, но его компоновка, судя по схемам разных лет, поменялась кардинально.
Нет пока и точных данных. По сути, все что можно найти, это что общая масса корабля 20 тонн, из них 8.5 тонн весит спускаемый аппарат.
Но оценить энергетику возможно. Хоть и грубо. Дело в том, что в начале разработки назывался
специализированный вариант «Федерации» для полета к МКС массой 14.4 тонны. Судя по схемам отличался он в первую очередь агрегатным отсеком. Можно предположить, что разница в 5,6 тонн, с лунным аппаратом, в первую очередь составляет топливо. Импульс можно взять с двигателя разгонного блока «Фрегат». Его последние модификации обладают импульсом в 332 секунды, тогда общая ХС «Федерации» выходит 1070 м/с.
Если привести все данные по массе к одной диаграмме получиться подобная схема
Опять же повторюсь, что это только общая оценка, чтобы понять уровень цифр. В реальности все немного сложнее. Например «Орион» как и «Аполлон» планируют использовать для доставки на орбиту Луны блоков станции и сборки. Просто рабочая орбита станции не низкая круговая, а высокоэллиптическая. Энергетика для выхода на нее немного меньше.
Но даже по этой схеме хорошо видно, что если США выбрали для реализации схему «Аполлона», то мы для «Федерации» схему «Н1-Л3». Доставлять наш корабль на орбиту Луны должен специализированный блок. Конечно, это не является особенным секретом.
Но так как данные о корабле разбросаны среди большого числа презентаций, то понять этот момент может быть сложно понять. Хотя и в них порой прямо указывается, что масса корабля в 20 тонн, это также его масса на орбите спутника Луны. А в компоновке виден разгонный блок. Но действительно многие не понимают этот простой но ключевой момент. И что перейти на другую схему сейчас невозможно...
Достаточно интересный вопрос о том, какой разгонный блок планируется для выхода «Федерации» на лунную орбиту. Впрочем, вариантов не так и много, и даже догадаться не сложно. Это должен сделать блок «Д». Да, тот самый что был и «Н1-Л3» для той же цели. Причем, если это случиться, то он, спустя более чем пятьдесят лет после разработки, выполнит для чего его создавали. Все эти годы он летал не по целевому назначению. Межпланетные аппараты к планетам выводил, спутники на ГСО..
"Союз" на орбите Луны
На также из схемы видно, что современный «Союз» не способен выйти на орбиту Луны, или уйти с нее, если «блок Д» на нее забросит. У него слишком маленький запас скорости. И это понятно, для полетов к МКС большие запасы скорости не нужны.
Значит нужна специальная модификация «Союза». Причем отдельный вопрос, сколько она будет весить. С одной стороны, ведь и что ЛОК 1968 года весил около 10 тонн, не такая и большая цифра. В два раза легче «Федерации». Но эта цифра была достигнута путем жертв, на которые сейчас уже вряд ли пойдут. Например, там не было полноценного стыковочного узла с переходным отсеком. Или вопрос СЖО.
ЛОК был рассчитан на двух человек, с максимальным временем полета 13 суток. Практически минимально возможное время для полетов к Луне. У «Федерации» 4 человек и время автономного полета до месяца. Союзы сейчас летают на трое суток. Двое человек это сейчас мало.
С большой степени вероятности, даже при использовании современных материалов масса корабля на орбите Луны будет более 10 тонн. В качестве варианта можно посмотреть на эту компоновку, что нарисовал Анатолий Зак в 2006 году. Этот вариант «Союза» доставляется на орбиту «Луны» тоже при помощи блока «Д». Но для старта используется разгонный блок «Фрегат»
Зная массу «Союза» и «Фрегата» можно оценить общую массу системы в 14-15 тонн. На пять-шесть тонн меньше «Федерации». Но подобная схема будет обладать куда меньшими возможностями, по сравнению с ней. И тоже потребует достаточно значительных доработок. Например, текущая автономность «Фрегата» оценивается в 2 суток. А подобный «Союз», при сохранении компоновки текущего «Союз-МС» не сможет успешно стыковаться. Часть двигателей причаливания и ориентации «Союза» находятся на хвостовой юбке, и в данной схеме закрыты «Фрегатом»
И это не оценивая время, что потребуется на разработку нового агрегатного отсека и модификацию «Союза». Лично я не уверен, что сейчас быстрее создать этот вариант, чем доработать «Федерацию».
«Союз-Л»
То есть лунный « Союз» не нужен? Как не странно, нужен! Просто под данным названием подразумевается совершенно другой вариант, не являющейся конкуренцией «Федерации». Ведь выше мы рассматривали именно вариант серьезного корабля способного выйти на орбиту спутника Луны.
Но в полете к Луне этот момент совершенно не обязателен. Можно совершить облет Луны и без выхода на орбиту. Более того, именно такая миссия мы реализовали в 60е годы. До пилотируемых полетов дело не дошло, но советские черепашки были первыми живыми существами облетевшими Луну.
Впрочем, если тогда пошли на заметные жертвы чтобы упаковать «Союз» с блоком «Д» в один Протон, то сейчас на это вряд ли пойдут. Летать без запасного парашюта, как это делали тогда, сейчас выглядит полной авантюрой. Текущий проект предусматривает сборку комплекса на орбите Земли при помощи стыковки. Благо, за последние 50 лет, она у нас хорошо отработана. И может выглядеть примерно так.
Для этого требуется один запуск «Протон» и один «Союза».
Подобный проект хоть и способен только облететь Луну, но уже и это не мало. Тем более, что пролетный «Союз» требует небольших модификаций существующего. Но, при реализации, он позволит восстановить наш опыт по работе с кораблями возле Луны. Как для связи, так и для определения их траекторий и требуемые уровни коррекции. Мы опять вспомним, как возвращать объекты со второй космической скоростью, какие будут требоваться алгоритмы управления СА для возвращения на нашу территорию и многое другое
Такая миссия выглядит и куда дешевле одного пуска «Федерации» и позволит получить хороший опыт перед ее пусками, а возможно и уменьшить время на ее отработку. Первые пуски «Федерации» к Луне как раз облетные, в том числе для получения опыта.
Что же будет реализовано? Посмотрим. Текущие сроки наверняка не раз еще сдвинуться вправо, но пока «Роскосмос» серьезно нацелился на создание «Федерации», а значит и пуски к Луне.
P.S Собственно, если есть запрос могу попробовать описать более подробно как выглядит именно наш проект полета к Луне при помощи «Федерации». Что для этого нужно и что уже есть.
P. P.S. Также хотел заметить, что я завершил верстку первой книги о исследовании Луны. Подробнее здесь
Школа Магазин VIP клуб Благотворительность…
// Дальше — planeta.ru