Космодромы — «ключ на старт»

Космодромов в мире насчитывается более двух десятков. Все они похожи друг на друга, имеют примерно одинаковый набор элементов и различаются лишь размерами. Причина такой схожести проста: для запуска космических аппаратов используются носители с жидкостными ракетными двигателями. Это обстоятельство диктует особую процедуру сборки и подготовки к запуску ракет, предполагает определенную конструкцию и габариты пусковых сооружений и соответствующие меры безопасности. Структура космодрома оказалась бы иной, будь космические ракеты твердотопливными (кстати, таковые уже разработаны), или, скажем, гравитационными (а эти— в далеких планах). Однако сейчас только реактивные двигатели на жидком топливе способны по своим энергетическим характеристикам обеспечить вывод на орбиту тяжелых космических аппаратов, и именно они определяют вид современного космодрома.

История первого в мире космодрома Байконур началась, как это часто бывало в советские времена, с совместного Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12 февраля 1955 года. Этим постановлением был утвержден план создания Научно-исследовательского испытательного полигона, который с самого начала предназначался как для испытания боевых ракет, так и для исследований в области космической техники. Первоначально рассматривалось более десятка вариантов размещения космодрома, среди них — мордовский, астраханский, северокавказский, дальневосточный и казахстанский. Чтобы понять сделанный в итоге выбор, надо сказать несколько слов о факторах, влияющих на размещение космодромов в конкретных точках земной поверхности. Одним из самых важных является баллистика полета. Дело в том, что с минимальными энергетическими затратами спутник выводится на орбиту, наклонение которой соответствует географической широте космодрома. Наиболее критична широта космодрома при выведении на геостационарные орбиты, лежащие в плоскости экватора. На них размещают спутники связи и ретрансляторы телепередач, то есть прежде всего коммерческие космические аппараты. Космодром для запуска геостационарных спутников должен располагаться в более низких широтах. Каждый градус отклонения от экватора обходится примерно в 100 м/с дополнительного набора скорости космическим аппаратом. В этом отношении лучшие места занимают новый европейский космодром Куру, расположенный на широте около 5°, бразильский космодром Алькантара с широтой всего 2,2° и плавучий космодром Sea Launch, который может вести запуски прямо с экватора.

Дополнительное преимущество при старте с экватора состоит в том, что ракета сразу получает скорость 465 м/с в направлении на восток, обусловленную вращением Земли. Поэтому, кстати, траектории запуска ракет обычно прокладываются в восточном направлении. Исключение составляет Израиль — с востока с ним соседствуют недружественные страны, и он вынужден производить запуски в обратном направлении, преодолевая вращение Земли.
Другое соображение, тоже вытекающее из баллистики полета, связано с размещением так называемых «полей падения», куда падают отработанные нижние ступени ракет. Меньше всего проблем возникает в том случае, когда эти опасные зоны приходятся на акваторию океана. Именно поэтому подавляющее большинство космодромов мира расположено на побережье. В частности, на восточном побережье страны построен американский космодром на мысе Канаверал. Он был заложен в 1949 году по распоряжению президента США Гарри Трумэна и первоначально представлял собой ракетный полигон. Размещение его на полуострове, вынесенном довольно далеко в море, развязывало ракетчикам руки относительно трасс и районов падения ступеней ракет. Американцам достаточно было в принятом международным правом порядке объявлять о закрытии определенных зон Атлантического океана для движения морских и воздушных судов. Кроме того, мыс Канаверал имеет широту 28,5° — это почти самая южная точка континентальной части Соединенных Штатов, что давало американским ракетчикам определенное преимущество перед советскими.

Возникает вопрос: а почему же тогда для строительства первого советского космодрома не был выбран дальневосточный вариант? Увы, реалии «холодной войны» делали это невозможным. При запуске космических ракет они летели бы в сторону США, а это неизбежно приводило бы к постоянным обострениям отношений, ибо отличить запуск космической ракеты от боевой было просто невозможно. Другим немаловажным фактором был климат. Пуски ракет требовали визуального наблюдения за стартом. С этой точки зрения Байконур был хорош: солнце светит здесь в среднем 300 дней в году. Сыграло роль также наличие путей сообщения и то, что район космодрома отличается невысокой сейсмической активностью.
Наконец, еще одним фактором была скрытность. Космодром стремились разместить подальше от населенных районов, границ и основных транспортных путей. Это, впрочем, не мешало американцам на высотных самолетах-разведчиках U-2 достаточно часто пролетать над этим районом. Однако размещение космодрома на Дальнем Востоке и на Северном Кавказе с этой точки зрения оказалось бы еще хуже — там были слишком близки американские базы в Японии и Турции, соответственно. Кстати, название космодром получил вовсе не по имени населенного пункта, рядом с которым расположен. В начале своей карьеры он именовался Тюратам. А название казахского селения Байконур, находящегося совсем в другом месте, было выбрано, чтобы заморочить голову «супостатам».

В такой большой стране, как СССР, внутриконтинентальное расположение космодрома также облегчало создание сети станций слежения (вдоль траектории запуска) и сбор падающих на землю частей ракетных систем. Но вместе с тем такое расположение накладывало жесткие ограничения на траектории возможных запусков. В частности, при создании космодрома в Казахстане его нельзя было разместить южнее — поля падения пришлись бы на населенные районы Средней Азии, а также на территорию Китая. Более того, с Байконура даже нельзя запускать аппараты на орбиту с наклонением около 46° (такова его широта). При таком старте трасса полета пройдет по территории Китая. Поэтому минимальное наклонение орбиты так называемого «прямого» выведения (наиболее экономичного) при старте с Байконура составляет 51° — именно это наклонение было у советских орбитальных станций.
У расположенного на Дальнем Востоке космодрома Свободный нет таких ограничений по полям падения — ракеты проходят над океаном. Однако он расположен на широте 52° и потому по наклонениям орбит не имеет преимуществ перед Байконуром. Еще один российский космодром, Плесецк, находится на широте 63°, и для него минимальное наклонение орбит прямого выведения еще больше. Зато он лучше других подходит для запуска космических аппаратов на полярные орбиты, полезные в тех случаях, когда надо обеспечить охват спутниковыми наблюдениями всей поверхности Земли.

Горизонты Байконура
Однако вернемся к истории. Строительство Байконура велось быстро, и уже весной 1957 года все основные элементы инфраструктуры космодрома (ныне эта его часть называется «Центр») были готовы к эксплуатации. Всего за полтора года был возведен стартовый комплекс на «Площадке № 2», который впоследствии получил название «Гагаринский старт». Постепенно расширяясь, Байконур занял площадь в 6 717 км2. Она включает центр, левый и правый фланги, а также поля падения. Этот космодром был и остается единственной базой, которая позволяет России запускать пилотируемые корабли и выводить на орбиту крупные космические аппараты, такие, например, как орбитальная станция «Мир». Примерно 40% всех космических аппаратов бывшего СССР и России запускались с этого космодрома, ныне принадлежащего суверенному Казахстану. И все же, несмотря на свое «первородство», Байконур не является самым активным космодромом на нашей планете. Абсолютное мировое лидерство по числу космических запусков принадлежит космодрому Плесецк.
Космодром на мысе Канаверал тоже развивался быстро. В 1958 году американцы учредили Национальное агентство по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA), которое получило в свое подчинение ракетный испытательный центр во Флориде и начало готовить его в качестве места старта космических ракет-носителей. Тем не менее испытания боевых ракет на мысе Канаверал продолжались. После объявления о начале американской лунной программы территория центра была расширена и заняла прилегающий к мысу остров Меррит. NASA выкупило у штата Флорида 223 км2 вдобавок к прежней территории, составлявшей 335 км2. Летом 1962 года космодром переименовали в Центр подготовки запусков, а в ноябре 1963 года он получил нынешнее название — Космический центр им. Джона Кеннеди. Примечательно, что мыс Канаверал тогда тоже переименовали в честь американского президента. Однако это название не пользовалось популярностью, и в 1973 году мысу вернули прежнее имя.

Объект особого хранения
Что же нужно, чтобы космодром действовал? Обычно в кинохронике видна только ракета, уходящая ввысь на столбе огня. Помимо нее на Земле мелькнут еще остающиеся решетчатые фермы непонятного назначения, и, пожалуй, это все, что видят неспециалисты. Для того чтобы понять, как работает космодром, попробуем проследить путь космического аппарата до отправки на орбиту.
Изготовленные на заводах ступени ракеты и космический аппарат по агрегатам доставляют на космодром. Там все компоненты проходят приемочные испытания на специальном оборудовании и поступают на хранение, для чего на космодроме предусмотрены складские помещения. Подготовка к запуску начинается в монтажно-испытательном корпусе с соединения ступеней ракеты-носителя, после чего к ее верхушке крепят космический аппарат и закрывают обтекателем. Примечательно, что российские специалисты производят сборку ракет-носителей в горизонтальном положении. А вот на Западе ракету собирают «стоймя». Это различие — традиционное и вызвано в основном климатом. В благодатной Флориде сборку ракеты-носителя вели непосредственно на месте старта. В степях Капустина Яра, где был построен первый советский ракетный полигон, и на Байконуре вести такую работу на открытом воздухе, особенно зимой и при сильных ветрах, было затруднительно. И для снижения ветровых нагрузок ракету собирали в горизонтальном положении.

При сборке все компоненты ракетно-космической системы подвергаются новой тщательной проверке — сначала по отдельности, а потом в комплексе. Вот теперь можно ехать на старт. Для этого на космодроме предусмотрена соответствующая транспортная инфраструктура. На Байконуре перевозки ведут по железнодорожным путям со скоростью до 5 км/ч — не быстрее пешехода. Это позволяет защитить от возможных сотрясений и ударов нежную «начинку» ракеты и космического аппарата. В Космическом же центре им. Кеннеди используют многоколесные платформы, которые мощные тягачи тянут по дорогам, схожим с автомобильными, но способным выдерживать куда большую нагрузку. Особые требования предъявляются и к качеству поверхности дороги. Ведь стоящая «свечой» ракета обладает сравнительно небольшим запасом устойчивости. Скорость перемещения платформы здесь примерно такая же, как и на российском космодроме. А космические челноки «шаттлы» вывозятся на стартовую позицию даже медленнее — специальный мощный гусеничный транспортер движется с совсем уж черепашьей скоростью — около 1 км/ч.
Тут надо сделать важную оговорку. В нашем рассказе мы рассматриваем подготовку к старту серийной ракеты-носителя. Но ведь на космодроме проводят также отработку новых, часто уникальных, боевых и космических ракетных систем. Естественно, новая ракета проходит более широкий спектр испытаний. Для их проведения в космодромном хозяйстве имеются многочисленные и разнообразные стенды. Ракету и ее компоненты нагревают и охлаждают, в баки подают высокое давление (этот процесс называется опрессовкой), конструкцию «трясут» на вибростенде, специальные приспособления имитируют нагрузки, которые ракета испытывает в полете, на комплексных стендах моделируют различные отказы, разрабатывая методики борьбы с ними, — всего и не перечислишь. Фактически для каждого типа ракет здесь приходится иметь отдельный комплекс сооружений, причем располагаться они должны достаточно далеко друг от друга, чтобы в случае аварии на одном не были повреждены другие. Это еще один ответ на вопрос, почему космодромы занимают такие большие территории.

Стартовый стол
Итак, доставив ракету к пусковой установке (ее еще иногда называют — не вполне точно — «стартовым столом»), транспортно-подъемный агрегат выводит ее в вертикальное положение. Дальше для конкретности будем вести рассмотрение на примере ракеты-носителя «Союз». Четыре «лапы» (фермы-опоры) пусковой установки с помощью приводов сдвигаются к центру, пока ракета специальными силовыми узлами своей конструкции не обопрется на них. Никакого дополнительного крепления не требуется — ракета «висит» на опорах, удерживаемая только собственным весом. При старте, когда тяга двигателей превосходит вес ракеты, опоры просто «разбрасываются» в стороны под действием противовесов.
После установки на опоры к ракете подводят ферму обслуживания. С ее «балконов» специалисты выполняют все операции подготовки к пуску. «Пятая нога» пусковой установки — кабель-мачта. По ней на борт ракеты подается электропитание, с ее же помощью к ракете подводятся многочисленные кабели для информационного обмена с пунктом управления. Непосредственно перед подъемом ракеты кабель-мачта, как и опоры, «отбрасывается» в сторону.

На пусковой установке ракета проходит еще одну проверку. На этот раз проверяются не только агрегаты, обеспечивающие автономный полет, но и прогоняются все стартовые процедуры, не происходит лишь запуск двигателей. Наконец, начинается заправка самой ракеты. В ракете-носителе «Союз» в качестве основного топлива используется керосин, а в качестве окислителя — жидкий кислород. Если керосин для заправки ракеты на космодром привозят с нефтеперегонного завода, то жидкий кислород вырабатывают непосредственно на Байконуре. Здесь построен крупнейший в мире завод, который может за час произвести 6 тонн жидкого кислорода и 7,2 тонны жидкого азота. Азот используется в системах термостатирования приборных отсеков и для наддува баков с керосином. С учетом того, что в баки «Союза» нужно закачать около 190 тонн жидкого кислорода, процесс подготовки «одной порции» окислителя занимает чуть меньше полутора суток. «Топливозаправщики» на Байконуре тоже представляют собой специальные поезда, в которых помимо цистерн имеется оборудование для перекачки соответствующего компонента топлива.

Готовящаяся к старту ракета оплетена многочисленными шлангами. По ним в баки поступают топливо и окислитель. Причем нередко требуется заливать в ракету более двух компонентов топлива. Например, «рулевые» двигатели «Союза» работают на перекиси водорода. Еще одна группа шлангов связывает ракету с мобильной (рельсовой) установкой охлаждения и кондиционирования. По ним в отсеки приборного оборудования (а если «Союз» несет пилотируемый космический корабль, — то и в кабину корабля) поступают очищенные, осушенные и охлажденные газы. Для хранения компонентов топлива на космодроме существует соответствующая база, подобная хранилищам химических заводов, где производят компоненты ракетного топлива. Единственное (но важное) отличие состоит в том, что здесь хранят несколько видов горючего и окислителя (как правило, эти компоненты производятся на разных заводах). Чтобы уменьшить риск пожара, участки хранения различных компонентов топлива разнесены и снабжены соответствующими системами защиты. Кроме того, на территории хранилища имеется мощная и разветвленная стационарная система пожаротушения.

Спасатели кораблей
Следующий компонент космодрома — Центр управления полетом ракетносителей. Не следует путать его с ЦУПом, который регулярно показывают по телевидению. Привычный нам ЦУП управляет космическим аппаратом на орбите. Центр управления космодрома отвечает только за полет ракеты-носителя. Его задача считается выполненной, когда космический аппарат оказывается на заданной орбите, и только тогда подключается «второй» ЦУП.
Есть на космодроме и еще одна служба — поисково-спасательная. Она существует на случай аварий при пилотируемых полетах. При возгорании ракеты на стартовой позиции или на ранних фазах полета срабатывает система аварийного спасения космонавтов (зрительно она выглядит, как «грибок» с соплами, размещенный на вершине ракеты). Она с большой перегрузкой поднимает корабль и отводит его в сторону. Такой случай на Байконуре был в 1983 году, когда при возгорании ракеты-носителя спаслись космонавты Титов и Стрекалов. Естественно, что после этого космонавтам, перенесшим ускорение до 18g, нужно помочь как можно скорее покинуть корабль. Поисково-спасательная служба имеет на вооружении авиационные и наземные транспортные средства, а также специальное оборудование для поиска спускаемого аппарата космического корабля и эвакуации космонавтов. Аналогичные поисково-спасательные операции проводятся и при штатных приземлениях.

Организация поисково-спасательной службы — дело не простое. Не так давно Европейское космическое агентство, которое будет запускать российские носители «Союз-2» с космодрома Куру, объявило, что пока не планирует совершать в рамках совместной программы пилотируемые запуски. Специалисты связывают это нежелание с тем, что космодром Куру не имеет поисково-спасательной службы. Организовать ее будет достаточно сложно, поскольку российские спасатели не имеют опыта и методик проведения работ в открытом море. Таким опытом обладают американцы, у которых до ввода в строй космических челноков практиковалась посадка на воду. Однако вряд ли они станут делиться своими методиками с конкурентами в борьбе за рынок коммерческих запусков.

Когда плавится бетон
Но вернемся к описанию пусковой установки. Помимо механических узлов, агрегатов и приспособлений, весьма сложной является и конструкция ее основания, которое сделано из высокопрочного бетона, рассчитанного на большие механические, термические, акустические и вибрационные нагрузки. Температура реактивной струи такова, что верхний слой бетона оплавляется. Конфигурация лотка выбрана таким образом, чтобы максимально снижать нагрузки на пусковую установку. Задача эта сложная, поскольку при исследованиях были обнаружены неизвестные ранее физические явления и процессы. Например, оказалось, что теплообмен между реактивной струей и материалом основания при высоких акустических нагрузках протекает быстрее, чем положено по «классической» физике.
При успешном старте повреждения пусковой установки не происходит. Но все равно требуется выполнить определенный цикл работ по обслуживанию и проверке оборудования. Технически стартовый комплекс способен обеспечить до 24 пусков в год. Но вот в случае катастрофы последствия для пусковой установки могут быть весьма тяжелыми. Например, взрыв на Бразильском космодроме Алькантара в 2003 году за три дня до очередного запуска фактически полностью уничтожил стартовую позицию. В таких случаях может оказаться дешевле не восстанавливать разрушенное сооружение, содержащее тысячи тонн монолитного бетона, а построить неподалеку новую пусковую установку.

Для разных типов ракет детали конструкции стартовых комплексов могут несколько отличаться. Так, например, ракета-носитель «Протон» устанавливается на стартовый стол, имеющий устройства фиксации, а вместо «откидной» фермы обслуживания используется башня обслуживания. Другую форму имеет и основание пусковой установки с газоотводами — они размещены по кругу, а их входы расположены непосредственно под соплами двигателей первой ступени. Впрочем, схема подготовки к пуску может отличаться даже для одного и того же типа ракет. Например, технический комплекс «Союз» на космодроме Куру предусматривает измененную схему сборки ракетно-космической системы. Здесь в горизонтальном положении собираются только три ступени ракеты-носителя. Затем она помещается на пусковую установку, и только там монтируются разгонный блок «Фрегат» и космический аппарат. Ферма обслуживания заменена башней, причем она полностью охватывает ракету в сборе. Это связано с тем, что во Французской Гвиане выпадает большое количество осадков, и ракетно-космическую систему нужно предохранить от них в процессе подготовки к пуску.

Всего Байконур имеет 9 стартовых комплексов с пятнадцатью пусковыми установками, 34 технических комплекса, 3 заправочные станции для ракет-носителей. Это оборудование дает возможность запускать ракеты-носители типа «Протон», «Зенит», «Союз» (или «Молния» — другая модификация знаменитой королевской ракеты Р-7), а также «Циклон». Еще два типа ракет— «Днепр» и «Рокот» — запускаются из шахтных установок. Ничего удивительного в этом нет: «Рокот» создан на основе межконтинентальной баллистической ракеты типа РС-18 (по классификации НАТО — «Стилет»), а «Днепр» — на базе РС-20 («Сатана»). Испытания боевых ракет сейчас на Байконуре не проводят, поскольку для России это уже не ее территория. Но в Плесецке наряду с запуском космических аппаратов продолжаются испытательные, контрольные и учебно-боевые пуски баллистических ракет. С 1981 года отсюда улетел 81 «Тополь».

Космос становится ближе
С окончанием «холодной войны» появилось много «конверсионных» проектов, в которых роль космодрома могут играть мобильные наземные комплексы, подводные лодки и самолеты. На базе межконтинентальной баллистической ракеты РС-12М «Тополь» прорабатывался проект носителя «Старт». Основой носителей «Высота» и «Волна» послужили ракеты, размещаемые на подводных лодках. Они испытывались в 90-х годах.
Постоянно «витают в воздухе» проекты старта ракет-носителей с самолетов. Американцы уже выводили на орбиту спутники 18-тонной ракетой «Пегас», запускаемой с бомбардировщика В-52. В России есть серия космических проектов на основе тяжелого транспортного самолета «Мрия», ракета «Штиль», которую предлагается запускать с Ту-160, а также проект «Ориль» на основе Ан-124. В начале этого года правительство Казахстана подписало с московским Институтом теплотехники (одним из ведущих разработчиков баллистических ракет) соглашение по проекту «Ишим». В нем запуск легких ракет-носителей планируется производить с самолета «07» — модификации перехватчика МиГ-31М под противоспутниковую ракету.

От государственных проектов воздушных стартов не отстают и «частники». В октябре 2004 года известнейший авиаконструктор Берт Рутан победил в конкурсе Ansari X-Prize и выиграл 10 миллионов доларов. Этот приз был обещан еще в 1996 году создателям негосударственного аппарата, который в течение двух недель выполнит два полета с тремя пассажирами (или весовыми макетами) на высоту более 100 км, которая по правилам NASA считается космической. Поскольку первая ступень космоплана SpaceShipOne взлетает по-самолетному, то и облик космодрома, предназначенного для обслуживания таких кораблей, будет ближе к обычному аэродрому, чем к Байконуру и Космическому центру им. Кеннеди. Но даже при вертикальном старте и приземлении космопорт для маленького носителя окажется гораздо проще и дешевле, чем государственные «монстры». В настоящее время о планах создания частных космодромов объявили американские компании Blue Origin и Space Adventures (последняя занимается космическим туризмом в сотрудничестве с «Роскосмосом»), а также британская Virgin Galactic. Ожидается, что первые частные космодромы начнут отправку пассажиров уже через 3—4 года.

Тем не менее подобные туристические полеты не отобьют клиентов у «больших» космодромов. В будущее они могут смотреть вполне уверенно, хотя и без особых восторгов. В настоящее время бум космических пусков прошел. Достаточно сказать, что если в 1998 году был запущен 81 космический аппарат, в 2002 году — 65, то в 2005 году — только 55. В основном это связано с миниатюризацией коммерческих спутников, что позволяет осуществлять «пакетные» запуски. Например, потерпевшая аварию летом ракета-носитель «Днепр» несла целых 18 (!) космических аппаратов.
Перспективы рыночной ниши малых спутников эксперты оценивают более оптимистично. И вот здесь легкие, мобильные и недорогие средства вывода на орбиту могут составить конкуренцию «традиционным» космодромам. Впрочем, тяжелые космические аппараты, как коммерческие, так и «государственные», все равно останутся в портфеле космических агентств. Кроме того, существующие и перспективные программы совершенствования ракетного оружия тоже позволят космодромам всего мира существовать вполне благополучно.

Если же говорить о дальних перспективах, то фантастика остается фантастикой. Так и не сошли с ее страниц проекты космодромов на орбите и на Луне. Образцом пока несбыточной фантазии считается «космический лифт», описанный Артуром Кларком в романе «Фонтаны рая». Правда, автором идеи является наш соотечественник Юрий Арцутанов, к которому корифей мировой фантастики даже приезжал на консультацию. Космическая экспансия человечества переживает некоторую «паузу». Однако если будут реализованы планы полета на Марс, если начнется реальное освоение Луны, то, возможно, эти проекты все же воплотятся в жизнь в обозримом будущем.

А пока на космодромах всей планеты регулярно на разных языках звучат слова «Ключ на старт!»