В конце мая компания SpaceX анонсировала новую пилотируемую версию корабля «Дракон» (Dragon V2), полеты которой должны начаться через несколько лет. Сама компания надеется провести первый полет с людьми уже в 2016 году, однако НАСА считает, что это произойдет в конце 2017-го. Отличительной особенностью этого корабля является полностью реактивная система посадки на Землю. Необычное инженерное решение вызвало много критики и скептицизма у комментаторов. Давайте разберемся, зачем нужна такая система и как она работает.
Ключевым фактором при выборе системы посадки современных космических кораблей является одно требование – необходимость обеспечить многоразовое использование спускаемого аппарата. Простая парашютная система с посадкой на твердую землю, как на кораблях «Союз», не способна замедлить корабль в необходимой степени. Формально считается, что после импульса посадочных двигателей скорость возвращаемого аппарата «Союза» снижается до 1 м в секунду. Чтобы понять, много это или мало, представьте, что вы лежите на спине на диване, и внезапно диван исчезает. Падение на пол будет не очень приятным, не так ли? А тем более для техники. Сложно создать посадочные амортизаторы, которые выдержат нагрузку и защитят корпус корабля от повреждений. Кроме того, из-за непогашенной боковой скорости и при сильном ветре капсула «Союза» порой заваливается на бок.
«Мягкая посадка на самом деле не такая уж и мягкая. (…) Лично я ее воспринял как лобовое столкновение между грузовиком и легковой машиной. И, конечно, я сидел не в грузовике».
Итальянский астронавт Паоло Несполи, бортинженер корабля «Союз ТМА-20»
Итак, обеспечить необходимую мягкость посадки можно несколькими способами. Во-первых, это посадка корабля на воду. Во-вторых – планерная посадка. Так садились на Землю американские космические шаттлы. Третий способ – управляемые реактивные двигательные системы.
Американские пилотируемые корабли с самого начала космической эры использовали для возвращения на Землю естественные амортизирующие свойства Тихого океана. Посадочная система советских кораблей была устроена иначе лишь потому, что СССР не обладал подходящей для приземления водной поверхностью. К сожалению, богатый опыт НАСА свидетельствует о том, что посадка на воду не полностью защищает технику от ударных повреждений. В частности, твердотопливные ускорители шаттлов неоднократно получали повреждения от удара о поверхность океана. Кроме того, соленая вода губительно влияет на конструкции ракетных ступеней и кораблей, в первую очередь - двигателей. Наконец, российские космонавты, участвующие в учениях с аварийной посадкой «Союза» в море, много раз говорили, что для людей длительное ожидание спасателей в маленькой капсуле, болтающейся на волнах, является очень некомфортным. Несмотря на это, многоразовый пилотируемый корабль «Орион», который разрабатывается по заказу НАСА, будет садиться в Тихий океан. Компания Lockheed Martin приложила много усилий (и средств!) для того, чтобы сделать этот корабль защищенным от воздействия воды, однако каким окажется его ресурс, мы узнаем только по опыту эксплуатации. Другой пример – корабль CST-100, который разрабатывает компания Boeing. Он также будет садиться в океан. Для смягчения удара и защиты корабля инженеры придумали экзотичный способ – амортизирующие воздушные подушки.
Планерная посадка может применяться и для посадки космических кораблей (шаттлы, Dream Chaser), и для первых ступеней ракет. Примером последнего могут служить старый российский проект «Байкал», возникший на его основе МРКС-1 (по слухам, он, возможно, будет заморожен после защиты эскизного проекта) и его китайский аналог, который недавно был упомянут в китайских СМИ. Подробности о проекте пока что неизвестны. Очевидным недостатком планерной посадки является необходимость оборудовать посадочные полосы и установить на корабль теплозащитное покрытие, которое придется проверять и часто обновлять. Технологически планетная посадка достаточно сложная, а такая посадка первых ступеней американских ракет просто невозможна потому, что траектории их полета проходят над Атлантическим океаном.
Наконец, третий способ мягко посадить возвращающийся из космоса корабль или первую ступень ракеты – снизить скорость аппарата до нуля при помощи реактивных двигателей, а затем опустить его на выдвижные амортизаторы. К этому решению пришли инженеры РКК «Энергия» при разработке перспективного пилотируемого корабля и специалисты американской компании SpaceX. Конечно же, роль реактивных посадочных двигателей может быть разной. В случае «Дракона» (и, кстати, осоветского проекта «Заря») они выполняют всю работу после аэродинамического торможения капсулы. У ПТК НП для снижения скорости после торможения об атмосферу используется парашютная система, а двигатели включаются только в 10-15 метрах от Земли. Их задача – не затормозить корабль после возвращения с орбиты, а только сбросить остатки скорости и избавить капсулу от повреждений при ударе. Конечно же, посадочная система ПТК НП не сможет доставить корабль на определенную посадочную площадку. Точность его приземления составляет 5 км. Минусы реактивной посадки очевидны: такая схема требует вывести в космос дополнительную массу двигателей и топлива.
Испытания корабля Boeing CST-100
Выбранная SpaceX схема посадки решает главную задачу – обеспечивает абсолютно мягкую посадку, – однако, выглядит избыточной. По всей видимости, при ее выборе сыграли роль дополнительные факторы, о которых можно только догадываться. Давайте теперь разберемся, насколько это реалистично. Многим представляется, что для посадки по схеме SpaceX потребуются многие тонны топлива. Это не так. После аэродинамического торможения об атмосферу Земли, корабль «Дракон» будет иметь скорость около 150 м в секунду. На высоте 2 км корабль выполнит проверку реактивной посадочной системы и, в случае отсутствия неполадок, включит двигатели. Время их работы составит до одной минуты. Сказать точнее сложно, т. к. масса будущего корабля неизвестна. Затраты топлива составят от 1,2 до 1,5 тонн. Максимальная перегрузка не должна превысить 3g. Это тоже немаловажный фактор. Иначе, поскольку «Дракон» имеет большой запас тяги двигателей, теоретически он мог бы резко затормозить с меньшей высоты, сэкономив на этом топливо. Представители SpaceX указывают на то, что посадочная система «Дракона» будет одновременно выполнять роль системы аварийного спасения (САС), что даст экономию массы. Справедливости ради стоит отметить, что САС корабля «Союз» отстреливается, не достигая космоса, тогда как ракете SpaceX придется выводить реактивную систему корабля на орбиту. С другой стороны, ракета Falcon 9 имеет грузоподъемность около 13 тонн (Союз-ФГ – 7,1 тонны). Этого достаточно для отправки в космос корабля в том виде, в каком он был представлен публике, с реактивной посадочной системой. Вычитание из его массы тонны топлива никоим образом не удешевит пуск. Никакой необходимости доставлять на МКС дополнительную тонну груза вместе с командой тоже нет. Если уж говорить об эффективности, то стоит отметить, что SpaceX полностью использует возможности реактивной системы своего корабля. У российского ПТК НП реактивная система имеет избыточные размеры для тех задач, которые на нее возлагаются. Это связано с тем, что по первоначальному плану ПТК НП должен был, как и «Дракон», садиться на Землю без использования парашютов. В нынешнем виде российский корабль будет нести в двигательном сегменте возвращаемого аппарата восемь двигателей посадочной твердотопливной двигательной установки и восемь перекисных двигателей, которые относятся к системе управления ориентацией и стабилизацией. Задача последних – коррекция горизонтальной скорости спускаемого аппарата. Управление ориентацией «Дракона» будет осуществляться за счет регулирования тяги жидкостных двигателей.
Таким образом, полностью реактивная посадочная система технически является вполне реалистичной. Ее экономические недостатки сильно преувеличены теоретиками. Несмотря на это, создание такой сложной системы является серьезным вызовом для инженеров. Хотелось бы надеяться, что специалисты SpaceX с ним справятся.
