4.2. СТАНЦИЯ КАК ОРБИТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Орбитальная станция или орбитальный комплекс - это совокупность состыкованных (соединенных) друг с другом элементов собственно станции и комплекса ее средств, которые и определяют ее конфигурацию.

Конфигурация станции является функцией времени, так как количественный и качественный состав элементов, составляющих станцию, может многократно меняться в течение полета.

Собственно станция может состоять из одного или нескольких состыкованных друг с другом блоков, обеспечивающих функционирование станции как в автономном полете, так и во взаимодействии с комплексом средств станции.

Комплекс средств станции

В зависимости от задач, решаемых орбитальной станцией, и способов их решения могут использоваться различные средства, в том числе отдельные КА, которые, будучи самостоятельными, в составе комплекса средств станции подчинены общим требованиям выполнения ее задач.

Средства доставки экипажа на станцию и возвращения его на Землю - пилотируемые КК, имеющие, помимо систем, обеспечивающих выполнение автономного полета, системы сближения и стыковки со станцией, а также средства, позволяющие последующее достаточно длительное пребывание их в составе станции (КК «Союз» для станции «Салют» и КК «Аполлон» для станции «Скай-лэб»).

Количество пилотируемых кораблей, используемых для данной станции, определяется числом экипажей, посещающих станцию в соответствии с программой полета.

Средства материально-технического снабжения предназначены для регулярного снабжения станции научными материалами и инструментами, расходуемыми элементами служебных систем и т. п. Ими могут быть грузовые корабли («Прогресс») или транспортные корабли, способные доставлять одновременно экипаж и груз («Союз» и «Аполлон»), а также грузы в виде блоков, которые после выведения на орбиту транспортируются к станции с помощью буксира. Количество грузовых кораблей определяется величиной грузопотока, необходимого для поддержания запланированных режимов функционирования и этапов полета станции.

Средства доставки на Землю результатов работ зависят от массы, объема и габаритов последних. Результаты работ (точнее, их материальные носители) - это экспонированные материалы (пленки, образцы) и материалы, полученные в технологической аппаратуре, различные пробы, агрегаты и приборы, требующие доставки на Землю для продолжения исследований, и т. п.

Вначале, когда масса и габариты этих материалов были невелики, они доставлялись на Землю пилотируемыми кораблями одновременно с экипажами. Так было на первых станциях «Салют», когда материалы возвращались одновременно с экипажем на КК «Союз», так же было и на станции «Скайлэб», где для этого использовались пилотируемые КК «Аполлон».

В дальнейшем, с увеличением массы и габаритов возвращаемых материалов и оборудования, задачу их возвращения можно будет решить путем создания грузовозвращающих кораблей, специальных беспилотных кораблей или универсальных многоразовых транспортных систем. Так, в процессе полета третьей основной экспедиции станции «Салют-6» для возвращения грузов был использован беспилотный корабль «Союз-32».

Средства перемещения грузов с орбиты на орбиту (буксиры) - это средства будущего. В ряде случаев будет выгоднее возложить выполнение задачи перехода КА с орбиты на орбиту и их сближение па специальный многократно используемый КА-буксир в целях доставки к станции грузов, выведенных на низкую орбиту ракетой-носителем, или каких-либо автоматических спутников для проведения профилактических, регламентных и ремонтных работ, изменения орбиты станции и т. п.

Пилотируемые орбитальные станции и их особенности

Так как общепринятая классификация орбитальных станций пока отсутствует, рассмотрим возможные типы пилотируемых орбитальных станций по параметрам, существенно влияющим на их облик:

время нахождения экипажа на станции;

способ создания конструкции станции па орбите;

решаемые задачи;

высота рабочей орбиты.

По времени нахождения экипажа станции можно разделить на обитаемые (с практически постоянным пребыванием экипажа) и посещаемые.

На обитаемых станциях «Салют» и «Скайлэб» основные задачи решают в период нахождения экипажа на ее борту, т. е. выполнение основной программы во время пилотируемых этапов полета станции.

Основу таких станций составляют системы, обеспечивающие жизнедеятельность экипажей и профилактику длительного воздействия невесомости, средства предупреждения и обеспечения безопасности, средства обеспечения комфорта и т. п. Кроме того, такие станции должны иметь значительный объем жилых отсеков.

На посещаемых станциях основные задачи решают на беспилотных этапах полета. Основная программа работы таких станций выполняется в автоматическом режиме или при управлении с Земли по командной радиолинии. На борту таких станций экипаж находится сравнительно короткое время только для проведения ремонтных, профилактических, регламентных, наладочных и т. п. работ или уникальных экспериментов с помощью исследовательских инструментов станции, которые невозможно выполнить автоматически.

Посещаемые станции могут иметь небольшие объемы жилых отсеков и упрощенные системы обеспечения жизнедеятельности по сравнению со станциями с постоянным пребыванием экипажей, что позволяет увеличить массу научных инструментов и автоматических систем управления и существенно уменьшить грузопоток.

По способу создания конструкции на орбите станции могут быть моноблочными, многоблочными (или модульными) и сборными.

Моноблочные станции («Салют» и «Скайлэб») доставляются на орбиту одной ракетой-носителем (РН); после небольшого объема подготовительных работ на орбите (раскрытие элементов конструкции, расконсервация систем и проверка функционирования) станция готова к работе.

Преимуществом таких станций является их вывод на орбиту практически в готовом, законченном, предварительно испытанном на земле виде и небольшое (несколько суток) время подготовки к работе. Однако габариты и масса таких станций ограничены возможностями одной РН.

Многоблочные, или модульные, станции создаются за счет стыковки на орбите двух и более блоков (модулей), каждый из которых доставляется на орбиту отдельной РН. Каждый блок такой станции конструктивно завершен и оснащен агрегатами и системами, а после стыковки между собой их механических, электрических, гидравлических, пневматических и других связей станция готова к работе.

Модульные станции могут быть постоянной или переменной конфигурации. Станции постоянной конфигурации после их создания (стыковки модулей) сохраняют неизменными количество модулей (блоков) и общую конфигурацию. Станции переменной конфигурации в период функционирования могут менять как количество состыкованных модулей, так и общую конфигурацию. Такие станции удобны при необходимости периодической замены (например, по ресурсным соображениям) части модулей (блоков) или обновления состава научных инструментов в процессе выполнения программы полета.

Сборные станции монтируют на орбите из отдельных элементов конструкции и агрегатов, выведенных на монтажную орбиту одной или несколькими РН. Такие станции не зависят по своим габаритам и массе от РН. Считают, что станции будущего будут создаваться только путем сборки на орбите (радиотелескопы с диаметром в несколько сотен метров или орбитальные солнечные электростанции), причем трудоемкость сборочных работ таких станций очень велика. Так, по оценкам американских специалистов, для сборки солнечной электростанции промышленной мощностью 5000 МВт необходима работа бригады монтажников в количестве 500 человек в течение шести месяцев. Создание такой станции на орбите следует рассматривать как самостоятельную, автономную задачу.

По профилю решаемых задач станции могут быть универсальными и специализированными.

Универсальные станции («Салют», «Скайлэб») используются для решения широкого круга задач и оснащаются большим набором экспериментального оборудования и научных инструментов.

С углублением исследований, а также с возможным появлением промышленного производства на орбите могут создаваться и специализированные станции, предназначенные для решения какой-либо одной задачи и оснащенные специализированным оборудованием и инструментами. Такими станциями могут быть технологическая станция для производства уникальных материалов, астрофизическая лаборатория, монтажная станция и т. д.

Уход от торможения в верхних слоях атмосферы Земли (при увеличении размеров станции) или решение некоторых научных задач (создание радиотелескопа-интерферометра) потребует в будущем создания высокоорбитальных станций. С увеличением высоты орбиты резко возрастет потребная энергетика на выведение как самой станции, так и комплекса средств, используемых станцией (пилотируемых и грузовых космических кораблей), что в свою очередь вызовет необходимость увеличения энергетики РН, создания специальных разгонных блоков, использования буксиров и т. п.

Экипаж станции

Экипаж станции необходим для выполнения наблюдений, проведения научных исследований, управления работой аппаратуры для прикладных и экономических задач, технических экспериментов, монтажно-демонтажных работ, освоения длительных полетов в условиях невесомости и т. д., т. е. для выполнения задач, которые невозможно решить с помощью автоматики или которые требуют создания слишком сложной и дорогостоящей аппаратуры. Наличие экипажа требует создания средств его доставки на станцию и возвращения на Землю, жилых отсеков достаточных объемов; установку системы жизнеобеспечения (СЖО) и безопасности, пополнения расходуемых материалов (пища, вода, кислород и др.); установку бытового оборудования и средств комфорта и т. п.

Однако несмотря на эти сложности и учитывая, что процесс освоения человеком условий жизни и работы на орбите еще далеко не закончен, перед экипажем ставят более широкие задачи, в том числе и те, которые можно решить автоматическими средствами.

Количество членов экипажа (одновременно находящихся на станции) зависит от многих факторов. В настоящее время считают, что по соображениям безопасности в длительном полете (подстраховка друг друга, психологическая поддержка) количество членов экипажа должно быть не менее двух человек, а оптимальным количеством членов экипажа (длительное время находящихся на борту станции) - два-три человека. Это количество может увеличиваться за счет экспедиций посещения до предельных возможностей кораблей и станции (для станции типа «Салют»- до четырех - шести человек). При этом учитывают потребности в управлении научной и служебной аппаратурой, возможности пилотируемого корабля, оптимизацию по балансу расходуемых элементов СЖО, которые необходимо пополнять с помощью грузовых кораблей, и др.

Для современных станций количество членов экипажа посещения также не будет превышать двух-трех человек, что позволит при создании таких станций затратить минимальные массы на жилые отсеки и систему жизнеобеспечения.

Для больших станций (например, база для строительства солнечной электростанции на орбите) количество членов экипажа будет определяться потребностями выполнения задачи в заданный срок и может составлять несколько десятков человек.

Специализация экипажа зависит от количества его членов. При двух членах основного экипажа специализация их практически отсутствует, оба члена экипажа взаимозаменяемы по основным операциям полета (по соображениям безопасности и надежности). Члены экспедиции посещения могут специализироваться только на решении задач, характерных для данной экспедиции (например, международный экипаж со своей аппаратурой и экспериментами).

Введение в состав экипажа третьего (и более) члена позволит снизить, или исключить совсем требования по знанию им (ими) служебных систем станции и кораблей, которые обеспечивают безопасность работы и возвращение экипажа в любых ситуациях (эта задача возложена на первых двух членов экипажа), и в короткий срок подготовить к полету любого специалиста высокой квалификации (астрофизика, геофизика, наладчика аппаратуры и инструментов, врача и т. п.) для выполнения им узкой, специальной задачи.

При создании больших станций, на которых количество членов экипажа может достигать нескольких десятков человек, необходима большая дифференциация и специализация между ними, причем состав специалистов может зависеть от работ, выполняемых на станции (например, на этапе сборки станции из элементов конструкции будут преобладать монтажники, на этапе настройки научной аппаратуры - специалисты-наладчики и т. д.).

Режим работы членов экипажа станции может быть либо непрерывным (с передаваемыми «вахтами - сменами»), либо синхронным, как на станции «Салют-6», где сон и бодрствование всех членов экипажа происходит в одно и то же время. Такой режим имеет много положительных моментов, удобен с точки зрения взаимодействия с Землей.

Однако для выполнения некоторых служебных (прибытие и стыковка к станции другого корабля) или научных (наблюдение заданного природного явления) операций возможно нарушение режима работы экипажа из-за несовпадения проводимых операций с принятым режимом. Поэтому при выполнении операций, требующих постоянного участия экипажа, более целесообразным может быть непрерывный режим работы.

Длительность полета одного экипажа (одной смены) необходимо рассматривать исходя из выбора оптимальной длительности смены экипажа (частоты смены экипажей) и дальнейшего изучения возможностей увеличения длительности полета человека в космосе.

Оптимальную длительность полета одного экипажа обычно выбирают с учетом:

достигнутой длительности безопасного непрерывного нахождения на станции (с использованием имеющихся средств профилактики невесомости и психологической поддержки);

поддержания достаточно высокой работоспособности и качества работы;

возможностей (ограничений) и стоимости замены экипажей (различной для низко- и высокоорбитальной станций).

Изучение возможностей дальнейшего увеличения длительности полета человека в космосе - это задел на будущее (экспедиции к другим планетам, работа на орбитальных промышленных станциях, сборка сооружений, организация поселений около Земли и т. п.). С точки зрения разработки пилотируемой космической техники важно знать предельные возможности человека и средств профилактики невесомости и определить границу целесообразности перехода к созданию искусственной тяжести. Эти задачи предстоит решать на пилотируемых орбитальных станциях.

Этапы полета

Основными и наиболее характерными участками полета станции считают этапы создания станции на орбите, доставки и возвращения экипажей (смена экипажей), материально-технического снабжения, исследований или решения хозяйственных задач (рис. 4.1).

Этап создания на орбите моноблочной станции может составлять всего несколько дней, модульной станции в зависимости от количества стыкуемых модулей и объема монтажных работ - от нескольких недель до нескольких месяцев, а сборной станции - несколько лет. На этап создания могут накладываться этапы смены экипажей и материально-технического снабжения.

В процессе раскрытия (разворачивания) элементов конструкции возможен выход экипажа в открытый космос с применением средств передвижения вне гермоотсеков и монтажных манипуляторов, а при создании протяженных пространственных конструкций - применение специальных сборочных агрегатов и технологической оснастки.

Станция может собираться как на рабочей, так и на промежуточной орбите, с выходом на рабочую орбиту с помощью своей двигательной установки или грузового корабля, или буксира, или разгонного модуля и т. п.

Этап доставки и возвращения экипажа (смена экипажа) может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток.

В существующих схемах полета (это, очевидно, сохранится и в будущем) пилотируемые корабли при сближении являются активными, т. е. сближение и стыковка идут за счет маневрирования (изменения орбиты) самого корабля.

Этап материально-технического снабжения может быть от нескольких суток до нескольких недель и зависит от объема погрузочно-разгрузочных и монтажно-демонтажных работ, которые необходимо выполнить по прибытии корабля с грузом.

Этап исследований или решения хозяйственных задач является основной выходной характеристикой станции, суммарная длительность которого закладывается при разработке станции, исходя из поставленных перед ней задач. На этот этап могут накладываться (или прерываться) этапы смены экипажа и материально-технического снабжения.

Рис. 4.1. Возможные этапы создания орбитальных станций. Данные операции могут периодически повторяться в процессе создания или функционирования станции