Павел Шубин: как выглядит наш пилотируемый лунный проект

Павел Шубин: Даже немного опасался все это писать.  Но вокруг нашего пилотируемого лунного проекта уже накручено столько, что давно уже было пора все разложить по полочкам и пояснить, как выглядит наш пилотируемый лунный проект. Пока первая часть:
 

Я решил немного отойти от исторических экскурсов и высказаться по другому животрепещущему вопросу. Тем более что наши лунные проекты потихоньку переходят в стадию реализации, так что вопрос действительно актуален.

Да, речь пойдет про наш проект пилотируемого полета к Луне. То есть про проект, в который многие не верят, который часто высмеивают; тем не менее, он все эти годы развивался и достаточно серьезно. Любые изменения видны только во времени. Я даже не стану утверждать, что проект точно будет реализован – это зависит от слишком многих факторов. Тем не менее, развитие есть, и мы должны будем многое увидеть в железе в ближайшие годы. И я даже не могу винить скептиков, поскольку каких-либо толковых описаний пока не было. Вся информация хоть и открыта, но распылена среди весьма большого количества презентаций и интервью.

Хотел бы отметить, что все перипетии заслуживают отдельной книги, которую я, возможно, напишу. 

Итак, история началась приблизительно десять лет назад. Руководитель Центра пилотируемых программ ЦНИИ машиностроения, доктор технических наук Георгий Карабаджак, вспоминает про этот ключевой момент:

«У нас в ЦНИИмаш был большой НТС, мы совещались больше 8 часов с представителями 13 организаций на тему, куда нам лететь — на Луну или на Марс. В итоге коллегиально приняли решение остановиться на лунном направлении».

Первым видимым результатом этого решения было закрытие проекта «Клипер». Проект интересный, но он был оптимизирован для транспортных операций на орбите Земли. РКК «Энергия» пыталась на его базе сделать и межпланетный вариант, однако вскоре стало очевидно, что лучше начать разработку нового корабля с нуля. Тем более что капсульный вариант несколько ближе к опыту данной организации, чем крылатый с посадкой на аэродром.

Сейчас мы знаем этот корабль (видимо, ненадолго) под названием «Федерация». И по последним сообщениям, его чертежи уже зафиксированы и началось изготовление первого летного экземпляра. Но за десять лет мы не только разработали этот корабль. Разных НИРов было куда больше.

Был такой старый советский фильм «Иду искать». В нем новичок показывает опытному инженеру свой чертеж:
— Неплохо… Седьмой вариант?
— Как догадались?
— На двадцать седьмом поймёшь.

Вот и наша лунная программа – это, может, и не двадцать седьмой вариант, но где-то двадцатый. Многое уже отброшено, а ключевые элементы определены. И если не смотреть в суть проекта и не наблюдать его в развитии, этого можно не понять.

Как же выглядит сегодня наша лунная программа? Давайте разберёмся. Сначала попробуем понять, зачем нам нужна именно «Федерация», ведь у нас уже есть корабль «Союз».

Лунная орбита

Для начала нужно понимать, что все текущие проекты – как освоения, так и изучения – связанны с выходом станций на орбиту спутника Луны. Серьезные пролетные миссии остались в прошлом. Именно с лунной орбиты удобно изучать ее поверхность. Именно на лунной орбите удобно собирать орбитальную станцию. Именно на лунной орбите энергетически удобно ждать 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, 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, необходимого для выхода на орбиту Луны с траектории перелета, требуется примерно 800 м/с. Задача не полностью симметричная, но для старта с орбиты при возвращению на Землю потребуется примерно такой же импульс.

Иначе говоря, 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. Также сейчас рассматривается в первую очередь полярная орбита, на нее выйти ещё труднее. 

К сожалению, цифры мало что говорят о схеме миссии. Набрать данную скорость можно разными способами. Пока для полета к Луне были разработаны две схемы, которые, хоть и решали одну задачу, идеологически очень сильно отличались друг от друга. Назовем эти варианты перелета схемой типа «Аполлона» и «Н1-Л3».

Схема «Аполлона»

В данной схеме за торможение при выходе на орбиту спутника Луны и при старте с ее поверхности отвечал орбитальный корабль – так называемый командно-сервисный модуль (CSM). Более того, он должен был выводить на орбиту 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 (максимальная скорость, что он мог набрать) 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: запас настолько большой, что вряд ли в ближайшее время появится пилотируемый корабль, который сравнится с ним по энергетике.

Вот его разрез. Хорошо видны огромные цилиндрические баки с топливом.

Схема «Н1-Л3»

В отличие 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 импульса 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 приходилось на топливо.

Современные корабли

Теперь сравним «Аполлон» и ЛОК с энергетикой современных кораблей, предназначенных для полетов к Луне. А именно — «Орион» и «Федерацию».

Хотел бы заострить ваше внимание за том, что выбор одной из вышеописанных схем очень важен. Такой выбор должен был быть сделан еще на самом начальном этапе проектирования миссии, и все системы должны были рассчитываться именно под такие схемы. Также нужно отметить: 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 его должны были изготавливать в США, то сейчас его 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, я получил 24 тонны. Или общая ХС корабля – 1800 м/с, тогда как у меня получилось 1500. 

Вероятно, 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. К примеру, агрегатный отсек хоть и не поменял производителя, но его компоновка, судя по схемам разных лет, поменялась кардинально.

Но в целом данных хватает и оценить энергетику можно. В первом приближении.

У меня получилась такая схема

Опять же повторюсь: 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 с последующей сборкой. Просто рабочая орбита станции – не низкая круговая, а высокоэллиптическая. Энергетика для выхода на нее 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 довольно сложно. Хотя и в них порой прямо указывается, что масса корабля в 20 тонн – это также его масса на орбите искусственного спутника Луны. А в компоновке виден разгонный блок. Тем не менее, действительно многие не понимают этот простой, но ключевой момент. И что перейти на другую схему сейчас уже невозможно…

Достаточно интересен вопрос, какой разгонный блок планируется для выхода «Федерации» на лунную орбиту. Впрочем, вариантов не так уж и много, и догадаться не сложно. Это должен быть блок «Д». Да, тот самый, что был и у «Н1-Л3» для аналогичной цели. Причем, если это случится, он спустя более чем пятьдесят лет после разработки выполнит то, ради чего его создавали. Все эти годы он летал не по целевому назначению. Межпланетные аппараты к планетам выводил, спутники на ГСО…

Впрочем, иногда рисуют и другие блоки. Но блок «Д» очень хорошо подходит и компоновочно и по энергетике.

«Союз» на орбите Луны

Также из схемы видно, что современный «Союз» не способен выйти на орбиту Луны или уйти с орбиты, если на нее забросит блок «Д». У «Союза» слишком маленький запас скорости. И это понятно: для полетов к МКС большие запасы скорости не нужны.

Значит, необходима специальная модификация «Союза». Причем отдельный вопрос, сколько она будет весить. С одной стороны, 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 тот же вопрос системы жизнеобеспечения.

ЛОК был рассчитан на двух человек, с максимальным временем полета в 13 суток. Практически минимум для полетов к Луне. У «Федерации» — четыре человека и время автономного полета до месяца. «Союзы» сейчас летают на трое суток и два человека – это сейчас мало.

С большой степенью 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. Такой 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 5-6 тонн меньше «Федерации». Но подобная схема будет обладать куда меньшими возможностями и тоже потребует значительных доработок. Например, текущая автономность «Фрегата» оценивается в двое суток, а «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».

Оценивая время, что потребуется на разработку нового агрегатного отсека и модификацию «Союза», лично я не уверен, что сейчас быстрее создать этот вариант, чем отработать «Федерацию». Которая обладает куда большими возможностями. 

«Союз-Л»

То есть лунный «Союз» не нужен? Сложный вопрос. Просто под данным названием подразумевается еще один 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 такую миссию мы реализовали в 60-е годы. До пилотируемых полетов дело не дошло, но советские черепашки стали 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 решатся. Летать без запасного парашюта, как это делали тогда, сейчас будет 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». И стыковка на орбите.

Подобный проект способен только облететь Луну, но при успешной реализации он позволит восстановить наш опыт по работе с кораблями возле Луны – как в плане связи, так и для определения траекторий и требуемых уровней 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 куда дешевле одного пуска «Федерации» и позволит получить хороший опыт перед ее пусками, а возможно, и уменьшить время на ее отработку. Просто хоть начало летных испытаний «Федерации» стоит на 2022 год, именно ее полет к Луне назначен на конец 20х. Когда появятся подходящие носители.

Впрочем, пока подобных «Союзов-Л» нет в планах. Но «Роскосмос» серьезно нацелился на создание «Федерации», а значит, и на пуски к Луне.

Вот только корабль – это еще не всё. Возникает вопрос: как его выводить к Луне? 
Про это будет вторая часть.