Как "Роскосмос" обогнал "SpaceX"

400 километров — это не очень много. На машине по хорошей трассе можно доехать часа за четыре, даже с учетом санитарной остановки. Для «Сапсана» это меньше двух часов, пассажирский самолет справится меньше чем за 60 минут. А вот для космонавтов путь на Международную космическую станцию (МКС) и сейчас чаще всего длится двое суток.

Однако 10 июля 2018 года прошел почти незамеченный прорыв, которым мы обязаны российской космонавтике. Нашим специалистам удалось запустить на МКС грузовой космический корабль «Прогресс МС-09» по новой двухвитковой схеме — всего за три с половиной часа от старта до стыковочного узла. На самом деле подобная схема способна в будущем сильно облегчить работу на орбитальных станциях. За счет чего?

Почему так сложно?

Тем, кто следит за космическими стартами, кажется, что после вывода космического аппарата на орбиту самое сложное уже позади. На самом деле после этого работа Центра управления полетами (ЦУПа) только начинается. Ведь к Международной космической станции космический аппарат должен подлететь почти с той же скоростью и требуемым фазовым углом, что и у нее самой. А это не так просто. Да, орбита МКС достаточно устойчива, но вот Земля постоянно вращается. Из-за этого на экране Центра управления полетами мы видим волнообразную линию движения станции.

То есть для того, чтобы обеспечить нормальную стыковку, в момент, когда станцию и корабль освещает Солнце, на требуемой орбите следует запускать ракету-носитель четко в расчетное время. Кроме этого, чрезвычайно важно как можно точнее рассчитать требуемую орбиту, с которой космический «грузовик» или пилотируемый корабль начнет «нагонять» станцию. За это отвечает специальная группа прицеливания, инженеры рассчитывающие траектории полета.

Раньше процесс перевода космического аппарата с низкой опорной орбиты (куда его доставила ракета) выше к МКС осуществлялся медленно и постепенно. Для пилотируемых кораблей и сегодня речь идет о 34 витках вокруг Земли, и витки эти занимают двое суток. Двое суток в весьма тесном «Союзе», где даже размять мышцы толком негде: в невесомости это нужно делать каждый день, иначе могут начаться проблемы с самочувствием. Во время полета к МКС космический корабль выполняет «Гомановский переход» на орбиту фазирования, биэллиптический переход, затем сближение со станцией и выравнивание скорости.

Все это чрезвычайно сложная, практически ювелирная работа, единственный инструмент которой — сами двигатели космического корабля. Максимально точно высчитывая время их включения и выключения, специалисты постепенно приводят аппарат, летящий со скоростью более 27 000 километров в час, к точке рандеву с точностью в несколько сантиметров (именно термин rendez-vous используется на Западе для обозначения маневра сближения).
Меньше витков

В 2012 году российские пилотируемые космические корабли «Союз» перевели на четырехвитковую схему и путь на станцию стал занимать около шести часов (5 часов 39 минут). По сравнению с двумя сутками полета в тесном и неудобном «Союзе» это был огромный прорыв. Однако спустя несколько полетов от четырехвитковой схемы отказались, решив побольше «потренироваться на кошках» на грузовых кораблях.

Первая попытка доставить грузовой корабль на МКС по двухвитковой схеме была предпринята 12 октября 2017 года, однако по техническим причинам ее отменили. И вот сейчас «Роскосмосу» удалось достигнуть теоретического предела времени полета — меньше четырех часов. Быстрее уже технически просто не получится. Вместо двух суток получается почти как от Питера до Москвы на «Сапсане». Можно и потерпеть. Теперь еще пара таких коротких запусков «Прогрессов» — и специалисты попробуют доставить «Союз» с космонавтами на борту так же быстро.

Зачем это нужно?

Новый метод заметно сэкономит время работы всех наземных служб, уменьшит нагрузку на космонавтов и сотрудников ЦУПа. Немного, но это только начало. Во многом подобные запуски открывают дорогу к космическому туризму и гораздо более простому развитию орбитальных станций.

Сегодня космонавты на МКС понимают, что, случись неприятность, они могут полагаться только на себя. Время на подготовку ракеты и время самого полета делают «скорую космическую помощь» неэффективной и ненужной. Иное дело держать ракету на отдельном старте с возможностью в кратчайшее время заправить ее и подготовить к старту. Да, сейчас это технически малореально. Но человечество уже очень близко пододвинулось к тому, чтобы на запрос SOS с орбитальной станции помощь прибывала в течение нескольких часов.

Отдельно стоит поговорить о космических туристах. Перспектива двое суток, «прижимая коленки к ушам», в тесноте лететь на станцию отпугивала очень многих. Тут кроме большого желания нужна еще и нормальная подготовка. Три с половиной часа — это другое дело. То есть в будущем подобный короткий способ полетов станет гораздо более нужным.

Об особенностях и преимуществах сверхкороткой схемы полета рассказали ТАСС начальник летной службы Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» космонавт Александр Калери и генконструктор компании Евгений Микрин.

Как отметил Микрин, «одним из плюсов двухвитковой схемы является переход на технологию быстрой стыковки, что обеспечивает безусловное улучшение эксплуатационных характеристик космического аппарата». Он добавил, что схему сближения удалось сократить благодаря системным обновлениям навигации и выведения, внедренным в корабли новой серии. Самое главное, по его словам, для применения новой схемы — подходящие баллистические условия.

По словам Калери, прежде всего, полет по двухвитковой схеме будет проще с точки зрения работы космонавтов — меньше операций, меньше включений двигателя «Союза».

Короче на три часа рабочий день экипажа, то есть предстартовые мероприятия — прежней продолжительности, а вот послестартовые и в общем первый рабочий день на станции — получается короче
Александр Калери, начальник летной службы РКК «Энергия»

Кроме того, новая схема позволит еще качественнее доставлять на МКС скоропортящиеся грузы, например биоматериалы. Также сокращается расход батареи корабля. «По системе электропитания затраты меньше, потому что корабль летит и по четырехвитковой, и по двухвитковой схеме практически без подзаряда от Солнца — приток солнечной энергии в солнечные батареи минимальный. В связи с этим лететь по двух- или четырехвитковой — большая разница. Хотя и по четырехвитковой схеме достаточно заряда батареи, но тут потратим еще меньше энергии», — отметил Калери. Корабль в любом случае подзаряжается на МКС после стыковки, однако при сверхкороткой схеме остается больший запас энергии.

Представитель РКК «Энергия» отметил, что топливо на корабле экономится не существенно. «Прогресс» или «Союз» будут подниматься на одну и ту же высоту полета МКС, и именно от этого зависит расход горючего. «Будет немного экономии на режимах ориентации, но это единицы килограммов, а не десятки», — сказал Калери.

Новая схема в перспективе может стать полезной для других пилотируемых программ. Как отметил Калери, «чем большим набором инструментов мы владеем, тем проще решать задачи — есть из чего выбирать».

В частности, по его словам, для будущей российской лунной программы может быть выбрана многопусковая схема — перелетный модуль будут собирать из нескольких частей на орбите Земли. Корабль из состава перелетного модуля будет в одном старте ракеты, а разгонный блок — во втором. Может возникнуть необходимость делать это быстро.

«С кислородно-водородным разгонным блоком, например, будет критичным время от момента заправки этого блока на Земле до момента израсходования топлива на орбите. Нужно будет этот блок запустить, протестировать, сблизиться с ним, состыковаться, проверить и запустить двигатели в кратчайшие сроки», — пояснил космонавт. Он добавил, что «возможность быстрого доступа в любом случае дает преимущество, придает определенную гибкость для реализации программы в разных вариантах, но это лишь один из приоритетов».

По словам представителя корпорации, вестибулярные проблемы в невесомости сугубо индивидуальны — у кого-то они не возникают вовсе, кто-то, напротив, очень чувствителен. Однако сократить время полета до 3–3,5 часа, когда еще не накопились и не проявились воздействия невесомости, и позволить космонавту адаптироваться уже на станции — еще один плюс новой схемы.

«Двое суток, или 34 витка, — это однозначно перемещение по кораблю в бытовой отсек. Выход в бытовой отсек, перемещение, отдых, сон, прием пищи, ориентация корабля в виде закрутки на Солнце, а это лишнее воздействие во вращающейся системе координат — это все нагрузки на вестибулярный аппарат», — пояснил Калери. При шестичасовом сближении также трудно все время быть на месте, без перемещений.

А за два витка, мы прогнозируем, не будет особой необходимости ходить в бытовой отсек — как на старте сели в корабль, так и отработали взлет, сблизились, отманеврировали, состыковались, и только после этого происходит переход в бытовой отсек, то есть движение. Считайте, мы уже на станции в более комфортабельных условиях
Александр Калери, начальник летной службы РКК «Энергия»