Владимир Молодцов - Пилотируемые космические полеты

Гораздо интереснее рассказать о предложении, высказанном в докладе директора Отделения Научно-исследовательских работ в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА Эрнста Штулингераи Джозефа Кинга на Конференции по электрическим двигателям Американского Ракетного Общества 14-16 марта 1962 года в Беркли. Сам Э. Штулингер, который вместе с фон Брауном создавал «Фау-2» для третьего рейха, начал заниматься электрическими двигателями с начала 50-х годов. Электрические ракетные двигатели позволяли увеличить удельный импульс как минимум до 1500 секунд, что сулило большие выгоды. Но у них есть один существенный недостаток – слишком малая тяга. Это приводит к большим затратам времени на разгон и торможение. Именно поэтому ЭРД практически не применяют для перелетов на околоземных орбитах кроме коррекций, а также для полетов к Луне. Ведь, например, полет КА на стационарную орбиту с помощью ЖРД занимает 6 часов, а при использовании ЭРД – 30 суток.

При полетах же к дальним планетам длительный разгон в сфере действия Земли с лихвой компенсируется дополнительной скоростью, приобретаемой за счет высокого удельного импульса при меньших затратах топлива. В результате, удельный вес полезной нагрузки возрастает, а суммарное время экспедиции снижается. Правда, электрические двигатели требуют для своей работы высокий уровень потребляемой электрической мощности. Ее могут обеспечить либо солнечные батареи с огромной площадью панелей, которая возрастает по мере удаления от Солнца, либо компактный ядерный реактор.

В проекте Э. Штулингера для выработки электроэнергии предлагалось использовать ядерный реактор с тепловой мощностью 115 Мегаватт. В ядерном реакторе нагревается рабочая жидкость до температуры 1450К (1180С), которая поступает на турбину. Турбина, в свою очередь, вращает генератор, вырабатывающий электрическую мощность 40 Мегаватт. Избыток тепла сбрасывается через плоские радиаторы общей площадью 4300 м2. Для создания тяги используютя два электрических (ионных) двигателя.

Космический корабль для полета к Марсу по Штулингеру представляет собой ромб в плане с максимальной длиной 150 метров. Основную площадь ромба составляют радиаторы для сброса избыточного тепла ядерного реактора, который расположен на одной из остроугольных вершин ромба. На противоположном конце расположен жилой модуль с камерой радиационной защиты длиной 1,9 метра, диаметром 2,8 метра и массой 50 тонн. Экипаж корабля – 3 человека. Общая стартовая масса корабля – 360 тонн.

В центре ромба установлены два ионных двигателя, вынесенных на штангах. Для их работы в качестве топлива используется цезий. Запас цезия на корабле составляет 120 тонн. В состав экспедиционного корабля также входит марсианский посадочный корабль массой 70 тонн. В процессе перелета для создания искусственной гравитации, составляющей 1/10 от земной, корабль вращается относительно центра масс со скоростью 1,3 оборота в минуту (8 град/с).

Для проведения марсианской экспедиции в начале 80-х годов Эрнст Штулингер предполагал запуск 5 кораблей. Причем три из них несут посадочные аппараты, а два – дополнительные 70 тонн цезия.

В течение первых 56 дней происходит разгон по спирали и выход на траекторию полета к Марсу, из них 20 дней приходятся на полет в радиационных поясах Земли. Этот период экипажи проводят в камере радиационной защиты. Сам перелет до сферы действия Марса длится 148 суток. Скручивание по спирали и выход на низкую марсианскую орбиту занимает три недели.

В течение 29 суток проводятся изучения поверхности Марса с целью выбора места посадки. Затем от одного из кораблей отделяется посадочный модуль без экипажа, который совершает посадку в автоматическом режиме. В случае успешной его посадки следом за ним стартует к Марсу пилотируемый посадочный корабль с экипажем из трех человек, который приземляется недалеко от беспилотного. Если бы первый грузовой корабль потерпел аварию, то второй также полетел бы без экипажа. В случае неисправности пилотируемого посадочного модуля космонавты переходят в кабину грузового корабля, стартуют с поверхности Марса и стыкуются со своим же экспедиционным кораблем. Оставшийся неиспользованным посадочный корабль (если не было аварии одного из кораблей) просто отбрасывается. Запасы цезия равномерно распределяются среди всех кораблей. Даже в случае неисправности четырех кораблей из пяти единственный экспедиционный корабль способен обеспечить обратный перелет всех 15 космонавтов.

Далее события происходят в обратном порядке:

• разгон и переход на траекторию полета к Земле – 18 суток;

• перелет по трассе Марс-Земля – 268 суток;

• полет в сфере действия Земли – 32 суток, из 10 суток внутри радиационных поясов.

В целом, схема полета и состав марсианского экспедиционного комплекса, предложенные Эрнстом Штулингером, оказались достаточно интересными и перспективными. У него нашлись последователи, в том числе и в нашей стране. Но об этом чуть позже.

Гораздо более оригинальным оказался вид межпланетного корабля и его двигательной установки в проекте «Орион», начало работ по которому датируется 1958 годом. Здесь в качестве движителя предлагалось использовать взрывы небольших атомных бомб. Пожалуй, первый серьезный проект использования ядерных зарядов был предложен в 50-х годах компанией «Мартин». Согласно ее проекту в камеру сгорания диаметром 40 метров каждую секунду выстреливалось по одному небольшому ядерному заряду мощностью 0,1 кТ, который и подрывался в центре камеры. Взрыв испарял поступавшую туда же воду, пары которой, истекая через сопло, создавали тягу при удельном импульсе 1150 секунд. Такой двигатель, который получил название импульсного ядерного ракетного двигателя, предлагалось использовать для вывода спутников на околоземную орбиту. Причем сначала работали химические двигатели, которые разогнали бы ракеты до скорости 2,4 км/с, где на высоте 240 км уже включился бы ядерный двигатель. Примерно в это же время в Ливерморской лаборатории Комиссии по атомной энергии работали над аналогичным проектом под названием «Гелиос», но меньших размеров.

В 1955 году Станислав Улами Корнелиус Эвереттпредложили полностью устранить камеру сгорания. Вместо этого в направлении, противоположном движению, выстреливались ядерные заряды вместе с твердотопливными дисками. В результате взрыва диски испарялись, и образовывалось облако плазмы, которая создавало давление на мощную опорную плиту космического аппарата.

Именно такая схема импульсного ядерного двигателя была принята для проекта «Орион», работы по которому начала в 1958 году компания «Дженерал Атомикс». Основателем и руководителем компании был Фредерик де Хоффман, однако, движущей силой проекта стал Теодор Тэйлор, ветеран программы создания ядерного оружия в Лос Аламосе. Хоффман привлек к работам по проекту и физика-теоретика из Института прикладных исследований в Принстоне Фримэна Дайсона. Развивая идеи Улама, Тэйлор и Дайсон предложили объединить ядерный заряд вместе с твердым топливом в один модуль. В качестве топлива был предложен полиэтилен, который хорошо поглощает нейтроны, выделяющиеся при атомном взрыве. В результате была получена (пока только теоретически) высокая скорость истечения струи, большая тяга и высокий удельный импульс (от 10 000 до 1000 000 секунд). Кроме того, ими же была предложена система амортизаторов, связывающих корабль и опорную плиту, для гашения импульсных толчков от ядерных взрывов. В ноябре 1959 года был даже проведено испытание модели для проверки концепции.