Космический корабль «Федерация»

Центральным экспонатом павильона «Роскосмос» на двух последних авиасалонах МАКС, традиционно проходящих при поддержке банка ВТБ, становился пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП), который в 2016 году получил имя «Федерация». Что происходит с этим проектом сейчас? Какую роль он играет в нашей космической программе? Какое место занимает в ряду пилотируемых кораблей, которые разрабатываются в США и Китае?

Легенды жанра

Вопрос о необходимости замены легендарного «Союза», первый полет которого состоялся еще в 1966 году, возник в нашей стране уже достаточно давно. Даже многоразовый «Буран» не мог снять этот вопрос с повестки дня, поскольку сам нуждался в капсулах типа «Союз» в качестве средства спасения в аварийных ситуациях.

В СССР осуществлялось несколько пилотируемых космических программ. С середины 1960-х годов разрабатывался небольшой многоразовый космический самолет по программе «Спираль». Его модели БОР (беспилотный орбитальный ракетоплан) успешно испытывались в космосе еще в 1969 году. ОКБ А.И. Микояна создало пилотируемый дозвуковой аналог космического самолета, который прошел летные испытания. Но этот проект слишком опережал свое время, а затем был вытеснен «Бураном».

 

Можно вспомнить и транспортный корабль снабжения (ТКС), в состав которого включался многоразовый спускаемый аппарат, рассчитанный на трех человек. В этом корабле применялись технологии, которые до сих пор считаются уникальными. Например, наличие входного люка в теплозащите днища. Начиная с 1975 года ТКС совершил 8 полетов на орбиту, причем два спускаемых аппарата впервые в истории летали в космос дважды. Однако ни одного пилотируемого взлета или посадки на ТКС так и не было проведено, хотя аппараты этого типа успешно работали в составе советских орбитальных станций. Затем программу закрыли, тем не менее разработанные на основе ТКС орбитальные блоки до сих пор летают в космос. Например, функционально-грузовой модуль «Заря», который, по сути, представляет собой ТКС без спускаемого аппарата, стал базовым блоком Международной космической станции (МКС).

В 1985 году в СССР началась разработка космического корабля «Заря» (не путать с модулем МКС). Это также был выдающийся проект для своего времени. Спускаемый аппарат создавался многоразовым и рассчитывался на использование в 30–50 полетах. Он был больше «Союза» и мог доставлять на низкую орбиту до 8 человек. Для него разрабатывалась система посадки на реактивных двигателях, без парашюта, в результате чего точность приземления возрастала до 2,5 км по сравнению с +50 км у «Союза». Для этого предполагалось использовать 24 жидкостных реактивных двигателя тягой по 1,5 т. Однако в 1989 году из-за недостатка средств проект был закрыт.

Еще более интересная разработка началась в 2000 году под названием «Клипер»: это был многоразовый космический самолет, мини-буран, рассчитанный на полет 4–5 человек. Он мог совершать посадку на обычный аэродром, и эта возможность заинтересовала Европейское космическое агентство, поскольку для обеспечения обычной парашютной посадки в Западной Европе нет таких просторов, как в Казахстане. Увы, Европа отказалась от этого проекта, и разработка «Клипера» была прекращена в 2006 году.

Наперегонки, но с оглядкой

Причиной закрытия всех этих проектов на самом деле было не только отсутствие средств, но и острая необходимость в новом корабле. Ведь с обслуживанием немногочисленных экипажей околоземных орбитальных станций отлично справлялся ветеран «Союз», который подвергался постоянной модернизации.

К примеру, его версия «Союз ТМА» (транспортный, модернизированный, антропометрический) стала вмещать людей любого роста. Это было сделано по просьбе американцев, поскольку у астронавтов США не было, в отличие от нашего отряда космонавтов, ограничений по этому параметру.

Новейшая модификация нестареющего ветерана называется «Союз МС» (модернизированные системы). Во многом это именно те самые системы, которые будут применяться на «Федерации». И этот вариант до сих пор всех устраивает. Правда, для обслуживания экипажа МКС из 6 человек приходится держать у ее «причалов» две российские 3-местные «спасательные лодки», а не одну 6-местную. Но это все равно дешевле, чем разрабатывать и испытывать новый корабль.

В общем, ни «Заря», ни «Клипер» до космоса не добрались, однако оба проекта повлияли на развитие космонавтики в мире. Частный американский корабль Dragon V2, который разрабатывается для пилотируемых полетов компанией SpaceX, имеет определенное сходство с «Зарей», и этот факт многие связывают с визитом в СССР Илона Маска, основателя SpaceX — молодой бизнесмен пытался купить у наших генералов несколько баллистических ракет для осуществления своих космических фантазий, но безуспешно.

Что касается «Клипера», то его идею повторяет другой частный американский корабль, находящийся в разработке, — Dream Chaser. Это небольшой космический самолет, вмещающий 7 человек. Впрочем, свою историю он ведет скорее все от того же легендарного советского БОР по программе «Спираль», чью аэродинамическую схему практически копирует.

Суть дела

Разработчики космической техники России и США всегда следили друг за другом, стараясь заимствовать лучшие идеи. Вот и российская «Федерация» появилась не сама по себе, а как ответ на американские планы полетов человека к Луне и Марсу, осуществить которые США намерены с помощью корабля Orion. Наша «Федерация», в сущности, является его функциональным аналогом.

Кого-то это обстоятельство может огорчать, поскольку в периоды наибольших успехов отечественная космонавтика шла своим, оригинальным путем. «Союз», который тоже, кстати, изначально разрабатывался для полетов на Луну, совсем не походил на «Аполлон», а вот «Буран» от «Шаттла» обычный человек с некоторых ракурсов и не отличит. Несмотря на ряд оригинальных решений, его вторичность очевидна. Впрочем, в подобном подходе можно увидеть и положительный момент: разработчики отечественной ракетно-космической техники держатся в мировом тренде.

Совсем недавно в федеральной космической программе России значились такие пункты, как сверхтяжелый носитель, лунный взлетно-посадочный модуль и даже лунный экскаватор. Но в условиях сокращения финансирования от перспективных пилотируемых проектов осталась только «Федерация».

Новая разработка позволит сохранить и развить соответствующие компетенции отечественной ракетно-космической промышленности и, в частности, Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» им. С.П. Королева, чей проект ПТК НП в 2009 году стал победителем конкурса «Роскосмоса». Эта работа позволит отработать современные методики проектирования подобной техники, подготовить необходимые технологии.

 

Здесь стоит вспомнить об еще одном немаловажном факторе, что стоит в официальных документах о целях создания «Федерации» под номером два: обеспечение технологической независимости России. Ведь именно этот, а не какой-то иной фактор на самом деле стоял за американской программой Apollo и ныне движет марсианскую программу США. Именно с этой целью, а вовсе не для добычи золота на Луне уже создают аналог Orion и «Федерации» китайцы. Космическая гонка ведется не за право воткнуть флаг, а за возможность занять достойное место в мире будущего.

«Луна — седьмой континент, и его будут осваивать с нами или без нас», — считает Марк Серов, начальник летно-испытательного отдела РКК «Энергия». Корабль «Федерация» — это то самое окно в будущее, которое все еще остается открытым для российской космонавтики. В этом главное значение проекта.

Найди 10 отличий

«Федерация» — аналог Orion, но не его копия. А уж от «Союза» он отличается кардинально.

Во-первых, новый российский корабль стал больше, благодаря чему может вмещать до 6 человек, причем в достаточно комфортных условиях, а не в позе эмбриона, как в спускаемой капсуле «Союза». Длина корабля составляет 6,1 м, диаметр — 4,5 м. Объем герметичного отсека составит 18 м³, из них жилого пространства — около 9 м³. Для сравнения, в спускаемом аппарате «Союза» жилой объем составляет 2,5 м³. Правда, к этому следует прибавить 5 кубометров отдельного бытового отсека. В Orion для людей отводятся те же 9 м³. Правда, американцы для обслуживания МКС разрабатывают еще и 7-местный CST-100 Starliner с жилым объемом 11 м³, но он предназначен только для ближнего космоса, поэтому сравнивать его с «Федерацией» некорректно.

В отношении массы корабля цифры в открытых источниках пока «гуляют», что отражает колебания конструкторов в отношении того, чего хочется достичь, и того, что получается в реальности. «Федерация» готовится в двух вариантах: вариант для полетов к орбитальной станции будет весить до 14,4 т, а вариант для Луны — до 20,4 т. Разница в массе двух вариантов объясняется, прежде всего, различным запасом топлива. Масса Orion составляет 25 т. «Союз» весит 7,2 т.

Большой внутренний объем «Федерации» организуется таким образом, чтобы создать максимальный психологический комфорт космонавтам.

Экипаж будет размещаться в универсальных креслах «Чегет», которые можно подогнать под фигуру любого человека. Больше не нужны будут отливаемые по форме спины и ее окрестностей индивидуальные ложементы, которые космонавты переносят из корабля в корабль через всю орбитальную станцию.

В центре обитаемой зоны расположится пульт управления, который у нас получился более продвинутым, чем в Orion. «Федерация» отстает по срокам создания, но это дает возможность использовать более современную электронику, которая радует новинками почти каждый год. Приборная панель состоит из трех многофункциональных дисплеев. Причем они мало того что сенсорные, так еще и работать в них можно не снимая перчаток скафандра. Рядов переключателей и тумблеров больше нет, так что телескопические указки, которыми пользовался экипаж «Союза», чтобы дотянуться до самых дальних кнопок, больше не понадобятся. Механическими остались только несколько тумблеров «особой важности» — например, «рубильник» резервного питания. Оборудование может работать в вакууме при разгерметизации корабля.

Пульт расположен между креслами командира и пилота. Центральный дисплей предназначен для обоих, боковые — индивидуальные. Между двумя рабочими местами размещена и многофункциональная ручка управления. Командир работает с ней правой рукой, пилот — левой. Проблем с «разнорукостью» возникнуть не должно. Во всяком случае летчики-испытатели, для которых управление боковой ручкой уже давно не новость, утверждают, что им без разницы, какой рукой орудовать. «Федерацией» может управлять один человек с любого из двух центральных кресел. Впрочем, и с новейшей модификацией «Союза МС» можно справиться в одиночку, но главные органы управления кораблем все равно насчитывают четыре рукояти: две у командира и две у пилота.

Продумана не только эргономика, но и дизайн: цвета, освещение — словом, внешний вид, а не только функционал. Для консультаций привлекались сторонние дизайнеры, например, известный российский автомобильный дизайнер Владимир Пирожков, ныне глава Центра промышленного дизайна и инноваций МИСиС.

Вторая космическая

Поскольку «Федерация» предназначена для полетов в дальний космос, то ее спускаемый аппарат должен обеспечить вход в атмосферу на 2-й космической скорости — 11,2 вместо 7,9 км/с, на которые рассчитан «Союз МС». Поэтому специально для «Федерации» были разработаны новые виды теплозащитных материалов.

Новый корабль, в отличие от «Союза», будет многоразовым, хотя и частично. Повторяя схему Orion, конструктивно «Федерация» будет состоять из двух блоков: конусообразного спускаемого аппарата и цилиндрического двигательного отсека, который будет использовать традиционные гептил и амил в качестве топлива. Эти токсичные жидкости экологически чистыми не назовешь, зато они сохраняют стабильные свойства в длительном космическом полете и упрощают конструкцию двигателя, поскольку самовоспламеняются при смешении. Ту же пару использует и Orion.

Двигательный отсек, как и аналогичный модуль у «Союза» и Orion, будет сгорать в атмосфере, а спускаемый аппарат рассчитан на 10 полетов в космос. Под новой теплоизоляцией «Федерации» пока скрывается традиционный алюминиевый корпус, хотя были планы изготовить его из углепластика. Более того, первый в мире «черный», то есть углепластиковый корпус спускаемого аппарата демонстрировался на МАКС-2015. Он весил всего 637 кг. Какова масса алюминиевого корпуса, не сообщается, но президент РКК «Энергия» Владимир Солнцев заявлял, что экономия в конечном итоге составляет около тонны. При этом общая масса спускаемого аппарата в настоящее время оценивается в 9 т.

Изготовление композитного корпуса занимает всего месяц против шести месяцев для алюминиевого, а стоит он в три раза дешевле, однако для первого летного экземпляра «Федерации» решено было использовать классическую конструкцию из алюминиевого сплава 1570С, содержащего скандий. Причина именно в многоразовости: углепластик — сложный материал, и, как он себя поведет после нескольких ударных нагрузок при посадке на Землю, неизвестно. Нужны длительные испытания. В общем, конструкторы решили не рисковать. Сложностей у них и без того хватает.

Взять хотя бы такой показатель, как надежность. «Федерация» должна обеспечить надежность на уровне 0,995. То есть из 250 полетов катастрофой может закончиться не больше одного. Для сравнения, реальная надежность американского шаттла получилась 0,985 (2 катастрофы в 135 полетах). Надежность же «Союза», которая считается его сильнейшим качеством, на самом деле еще ниже: 0,984 (2 катастрофы в 127 полетах).

«Союз» для поддержания термического баланса в космосе укутывают в ткани. Возможно, «Федерации» такой «одежки» не потребуется, поскольку для нее изобретено специальное покрытие «Термолокс», которое будет наноситься напылением. Оно же обеспечит электростатическую защиту.

Источником подзарядки батарей и в российском, и в американском проектах будут солнечные батареи. Этот способ всегда применялся на «Союзах», а вот американцы обычно использовали электрохимические генераторы и к солнечным батареям на пилотируемом корабле обратились впервые. Размах солнечных «крыльев» у «Федерации» составит 13,8 м.

Все в точности

Еще одна уникальная особенность «Федерации»: система мягкой посадки. Корабль должен не только стартовать с территории России, для чего на новом космодроме «Восточный» строится стартовый комплекс для пилотируемого варианта ракеты-носителя «Ангара-А5П»( это устаревшая информация, Ангара-А5П не будет разрабатываться см.наприм. здесь, прим. OratorFree) , но и садиться на родной земле, а именно в Саратовской или Оренбургской областях. Там, конечно, не так тесно, как в Западной Европе, но все же не так просторно, как в Казахстане, а потому предъявляются более жесткие требования к точности посадки: отклонение не более 5 км. Кроме того, требование многоразовости исключает посадку с ударом днища о грунт и последующим перекатыванием капсулы с бока на бок, без чего не обходится практически ни одно приземление «Союза».

Сначала, как и для «Зари», предполагалось использовать полностью реактивную посадку, которую в теории можно довести до точности в несколько метров. Но затем посчитали, что начинать с такого варианта слишком рискованно. Возможно, к нему, как и к углепластиковому корпусу, вернутся позже, в ходе модернизации корабля. А пока решено использовать проверенный спуск на парашютах. Но вводить их в действие будут на высоте 1 км, а не 10 км, как у «Союза», что на порядок уменьшит ветровой снос. У «Союза» выпускать основной парашют ниже нельзя, поскольку он однокупольный и при его отказе требуется запас высоты и времени на введение в действие запасного парашюта. У «Федерации» трехкупольная система. При отказе одного из куполов происходит посадка на двух.

Реактивная система, состоящая из твердотопливного двигателя тягой 22,5 тс, включается на высоте 50 м, уменьшая до нуля как вертикальную, так и горизонтальную (чего нет у «Союза») скорость. Это дает возможность садиться не на днище, а на четыре выдвижные опоры. При отказе же реактивной системы ничего страшного не происходит: люди остаются живы и здоровы, просто аппарат после такой посадки еще раз использовать уже не получится.

Форма усеченного конуса спускаемого аппарата «Федерации» способна создавать немного большую подъемную силу, чем «фара» «Союза», хотя и менее устойчива в полете. Управляя этой подъемной силой на этапе спуска, можно, во-первых, снизить перегрузки за счет «планирования» по более пологой траектории, а во-вторых, выйти в район посадки с большей точностью. Боеголовки попадают в цель на другом континенте с отклонением в считанные метры. «Федерация» — не боеголовка, но в заданный район выйдет с большей точностью, чем «Союз».

Кстати, американцы, которые также используют парашюты, тоже сперва планировали сажать Orion на сушу, но так и не смогли снизить ударные нагрузки до приемлемых для многоразовой системы величин и решили свои корабли сажать в море, как и всегда делали в эпоху до «Шаттла». Хотя морская вода для многоразовой системы тоже штука не очень полезная.

Стоимость и сроки

На создание и испытания первого летного образца «Федерации» в федеральной программе выделено 57,56 млрд рублей. Для сравнения: на создание Orion США запланировали потратить 16,8 млрд долларов. То есть в 17 раз больше. И это при том, что двигательный отсек для него создает за свои деньги Европейский союз.

В настоящее время планы в отношении «Федерации» таковы: в 2017 году началось изготовление первого летного изделия, на 2021 год запланирован первый беспилотный полет, в 2023 году должен состояться беспилотный полет со стыковкой с МКС, в 2023 году — первый пилотируемый полет со стыковкой с МКС. Все остальное — за пределами финансового горизонта 2025 года.