Обитаемые космические станции, стр. 8
В американской печати уже были сообщения о разработке ракеты «Сатурн» С-1В с полезной орбитальной нагрузкой 14 т при стартовом весе 570 т. Таких ракет потребовалось бы уже только 13. Но ведь это только лунный корабль. А для полета на Марс стартовый вес может оказаться в 10–15 раз больше, чем для полета на Луну. Таким образом, полет с помощью сборки кораблей на — орбите может оказаться единственным средством будущих межпланетных сообщений.
Почему же старт с орбиты дает такие большие преимущества? Ведь несколько сот или даже тысяч километров от Земли до орбиты ничто по сравнению с расстоянием до Марса. Дело в том, что мощность многоступенчатой ракеты, стартующей с Земли, расходуется на траектории полета неравномерно. Покажем это.
Суммарные затраты энергии космического корабля оцениваются обычно суммой абсолютных величин всех скоростей, которые должна развить ракета на различных этапах полета. Эта сумма называется характеристической скоростью.
При полете на Луну требуется развить сначала скорость 11,2 км/сек. При подходе к Луне скорость корабля уменьшится до 2,7 км/сек. Для плавной посадки на поверхность Луны потребуется тормозной импульс, чтобы уменьшить эту скорость до нуля, т. е. как бы развить отрицательную скорость. Ту же по величине скорость (2,7 км/сек) нужно будет получить при старте с Луны в сторону Земли.
Далее. При подходе к Земле необходимо погасить хотя бы часть скорости из тех 11,2 км/сек, до которых разгонится ракета на траектории Луна-Земля. Почему часть? Потому что спускаться на Землю с высоты нескольких сот километров можно уже без затрат энергии — аэродинамически, используя торможение в атмосфере. Но погасить скорость от второй космической до первой космической (орбитальной) на 3,3 км/сек необходимо. Ко всем этим затратам энергии нужно добавить неизбежные потери на преодоление сопротивления атмосферы и гравитационного поля Земли при взлете (ведь 7,9 км/сек — это орбитальная скорость на уровне моря) и на небольшую корректировку на траектории полета. Кроме того, нужно иметь некоторый запас энергии на непредвиденные обстоятельства.
Если теперь все эти затраты энергии выразить в соответствующих им потребных скоростях, то характеристическая скорость для полета на Луну и обратно составит около 22 км/сек. Для полета на Марс суммарная скорость будет более 30 км/сек. А современные ракетные системы на химическом топливе и в перспективе едва ли дадут нам значения характеристических скоростей выше 15 км/сек [13]. Но нетрудно увидеть, что почти половина лунной характеристической скорости тратится на достижение орбитальной скорости (7,9 км/сек плюс потери). А каждый километр скорости — это вес топлива, стартовый вес ракеты. На этапе выхода на орбиту, таким образом, реализуется преобладающая доля начального веса ракеты.
Теперь понятно, почему стартовать с орбиты удобнее: вес корабля значительно меньше, а потребная характеристическая скорость для полета к Луне и обратно меньше в два раза, чем при полете с Земли. А применение нескольких более легких ракетных кораблей реальнее строительства одной ракеты со стартовым весом в тысячи тонн. Такой путь значительно облегчает достижение далеких небесных тел.
В известной мере грузоподъемность ракет может быть увеличена за счет применения ядерных двигателей, но едва ли и это разрешит рассматриваемую проблему, так как появятся новые технические трудности.
Здесь выявляются новые и довольно важные возможности использования орбитальных станции. Полет на Луну или Марс небольших ракет может осуществляться с пополнением запасов топлива на орбите. Израсходовав все свое топливо при выходе на промежуточную орбиту, ракета сможет вновь пополнить запасы топлива с борта ОКС, куда оно будет заблаговременно доставлено транспортными ракетами.
Орбитальная космическая станция будет также местом сборки и оснащения межпланетных кораблей, развертывания и трансформации их оборудования. Напомним, что межпланетные станции, стартовавшие на Венеру и Марс, имеют конструкцию, свободную от обтекателей, термозащитных кожухов, оболочек и аэродинамических плоскостей. Все это обусловлено работой их в условиях, где отсутствует атмосферное сопротивление. В данном случае забота конструкторов станции сводилась в основном к обеспечению нормальной работы аппаратуры и агрегатов в развернутом состоянии в условиях полета, Эти преимущества могли быть реализованы с еще большим успехом, если бы космический корабль собирался полностью на орбите, в отличие от указанных станций, которые доставлялись на орбиту с Земли целиком с компактно сложенным оборудованием и антеннами.
Конструкция межпланетного корабля, собираемого из элементов на орбите, будет учитывать множество чисто специфических факторов космического полета. Условия пребывания в межпланетном пространстве значительно отличаются от условий вывода на орбиту по перегрузкам, температурам, вибрациям и пр. Конструкция межпланетного корабля может иметь любые выгодные в полете формы отдельных узлов, например шарообразные баки, имеющие, как известно, минимальный вес при максимальном объеме (рис. 5).
Некоторые элементы конструкции межпланетного корабля будет трудно или даже невозможно доставить с Земли сразу на траекторию межпланетного полета. Могут потребоваться, например, огромные тонкие плоскости радиационных теплообменников, или может оказаться так, что габариты и вес сложного научно-экспериментального оборудования или же элементов самой конструкции летательного аппарата не позволят доставить их на орбиту в собранном виде. В этих случаях проще будет монтировать их на орбите на борту ОКС.
Если межпланетный корабль будет обладать ядерной или термоядерной силовой установкой, то сборка и запуск ее за пределами атмосферы будут значительно безопаснее — там понадобятся лишь небольшие экраны для обслуживающего персонала.
На орбитальной станции смогут проходить подготовку и «акклиматизацию» члены экипажей межпланетных кораблей.
Так как многие из планет имеют свою атмосферу, конструкция межпланетного корабля может нести на себе специальный корабль «приземления», рассчитанный на аэродинамическое сопротивление планетной атмосферы при посадке. Этот же корабль может использоваться для посадки экипажа на Землю после возвращения межпланетного корабля на орбиту спутника Земли.
АВТОМАТИКА ИЛИ ЧЕЛОВЕК ПЛЮС АВТОМАТИКА?
Вероятно, теперь никто не сомневается в том, что человек должен был проникнуть в космос, окинуть взором нашу Землю с высоты орбитального полета и привезти нам свои непосредственные впечатления. Думается, нет сомневающихся и в том, что человек должен побывать на далеких планетах нашей солнечной системы, должен попытаться достигнуть других звездных миров.
Еще 6–7 лет тому назад посылка человека в космический полет казалась мечтой. Тогда еще не было технической основы для таких полетов — полезная нагрузка ракет-носителей была слишком мала. Но мощных ракетных двигателей еще недостаточно для того, чтобы отправить в космос самый ценный груз — человека. Необходимо создать работоспособные и надежные системы, обеспечивающие жизнедеятельность и безопасность человека на всех стадиях полета — во время взлета, на орбите и при возвращении на Землю. Сейчас эти сложные технические проблемы успешно решены для относительно кратковременных орбитальных полетов.
Технический прогресс последних лет, с одной стороны, позволил поставить и успешно решить в космосе большое число научно-исследовательских и технических задач с помощью автоматических средств, а с другой стороны, сделал возможным полеты обитаемых космических кораблей.
И вот здесь-то мы подходим к вопросу, весьма важному в проблеме создания научных космических станций на орбитах вокруг Земли.