База на геостационарной орбите (ГСО) может использоваться для обслуживания автоматических геостационарных платформ, спутников связи, ретрансляторов телевидения и метеорологических спутников, размещаемых на ГСО, для наблюдения поверхности Земли в интересах экологического контроля и исследований природных ресурсов, для метеорологических наблюдений астрофизических исследований, для строительства солнечных электростанций.
Создание базы на ГСО выглядит сегодня не очень насущной задачей, но развитие технических средств связи и ретрансляторов телевидения, появление многоцелевых платформ на геостационарной орбите может привести в будущем к выводу о необходимости создания базы на ГСО. Остальное (связь, телевидение, радиотелескопы и т. п.) — попутные цели: если база будет создана, то логично использовать ее и для других задач.
В состав базы можно было бы включить орбитальный блок; внешнюю платформу, заправочную станцию орбитальный транспортный аппарат для перелетов космонавтов и доставки грузов к обслуживаемым аппаратам и платформам.
Кроме того, в состав базы должны входить транспортный пилотируемый корабль (для доставки экипажей на базу и для их возвращения) и многоразовые грузовые транспортные корабли (для доставки грузов с низкой орбиты на базу).
При использовании современных одноразовых средств выведения на орбиту (исходя из стоимости выведения на низкую орбиту порядка 5000 долл. за килограмм) стоимость полета на базу корабля массой около 7 т (с учетом массы двигательной установки с топливом, необходимой для возвращения на Землю) составит порядка 250—350 млн. долл., в зависимости от использования носителя, плоскости орбиты выведения на промежуточную орбиту и компонентов, используемых в ракетной ступени для выведения корабля с промежуточной орбиты на ГСО. Это очень много. Поэтому нужно стремиться к минимальному составу экипажа на станции и к достаточно большому сроку вахты. Можно было бы ориентироваться на экипаж базы в составе 3 космонавтов со сроком работы каждой смены один год.
Базу на ГСО можно строить либо как единую конструкцию, подобную станции «Мир» или проекту станции «Фридом», либо как станцию-облако, состоящую из отдельных модулей: орбитальный блок с платформой (основной модуль) и заправочная станция. В последнем варианте заправочная станция дрейфует в интервале 10—50 км от основного модуля станции.
На орбитальном блоке необходимо предусмотреть не менее трех стыковочных узлов — для пилотируемого, грузового и резервного кораблей. Вполне можно разместить все внутренние помещения в объеме 150—200 м3 (цилиндр с диаметром около 4 м и длиной 12—15 м).
В состав аппаратуры управления и связи, размещаемой внутри, будут входить бортовые вычислительные машины, гироскопические датчики и акселерометры, радиолокационные приемники-ответчики, используемые при сближении кораблей с орбитальным блоком, аппаратура связи с Землей (прямой и через спутники-ретрансляторы), транспортным аппаратом, космонавтами, выходящими в открытое пространство, радиотелескопом, заправочной станцией, аппаратура обработки телеметрической информации, пульты, органы ручного управления, приборные доски, дисплеи и экраны для отображения получаемой информации, телевизионная аппаратура.
Учитывая стоимость доставки грузов, следует ориентироваться на систему, полностью замкнутую по воде и кислороду, использующую для своего функционирования расходуемые материалы в виде заменяемых в процессе работы элементов оборудования. Обезвоженная пища, белье, одежда будут доставляться грузовыми кораблями. Масса этих материалов составит порядка 2— 3 т в год при ожидаемом общем грузопотоке на базу порядка 15—20 т в год (напомним, что грузопоток на станцию «Мир» составляет 10—15 т в год). Основную часть грузов будет составлять оборудование для регламентных работ, приборы и агрегаты, требующие замены, новое научное оборудование, топливо и т.п.
Снаружи орбитального блока будут размещаться платформа, двигательная установка, солнечные батареи, радиатор системы терморегулирования, оптические датчики системы ориентации орбитального блока и солнечных батарей, антенны, силовые гироскопы системы ориентации. Использование силовых гироскопов на орбитальном блоке определяется, с одной стороны, тем, что он будет постоянно ориентирован антеннами связи на Землю (т.е. практически нужно будет только поддерживать ориентацию), а с другой стороны, тем, что необходимо использовать безрасходную систему ориентации (по тем же соображениям экономии расходуемых материалов, доставляемых с Земли). Размещение силовых гироскопов вне герметичных помещений связано не только с тем, что маховики должны вращаться в вакууме (чтобы избежать вентиляционных потерь), но главным образом затем, чтобы вынести источник шума из герметичных помещений.
Платформа представляет собой ферменную конструкцию для размещения направленных антенн связи и ретрансляции, оптических приборов, работающих в различных спектральных диапазонах, для наблюдения за поверхностью Земли и атмосферы.
Двигательная установка необходима для выхода базы в выбранный район на ГСО и для перемещения базы в другой, в случае возникновения такой необходимости. Кроме того, она может быть использована для удержания базы-облака от «разбегания» при выходе из строя на одном из модулей системы поддержания за данного положения относительно основного блока. Соответственно в состав двигательной установки будут входить корректирующий маршевый двигатель, двигатели для управления и координатных перемещений баки с топливом, баллоны наддува баков и пневмогидроарматура. В качестве компонентов здесь естественно использовать пару типа диметилгидразин — азотный тетраксид.
В варианте базы-облака заправочная станция представляет собой самостоятельный автоматический космический аппарат. Поэтому она должна иметь в своем составе весь набор служебных систем, обеспечивающих ее существование, управления и ориентации (в том числе и радиолокатор для измерения дальности и радиальной скорости относительно основного блока базы, силовые гироскопы в качестве управляющих органов), связи, терморегулирования, электропитания, систем обеспечения жизнедеятельности, включаемых во время посещения их космонавтами, двигательная установка.
Аппарат для перелетов между объектами обслуживания базы представляет собой орбитальный корабль, способный работать как в пилотируемом режиме, так и в беспилотном. В последнем корабль может использоваться для простейших операций обслуживания — таких, например, как операция заправки. Для более сложных операций, связанных с заменой или ремонтом приборов и оборудования обслуживаемого аппарата, в полет на этом корабле отправляется экипаж. В составе корабля обслуживания нет спускаемого аппарата. Зато все остальное должно быть аппаратура управления и связи, энергопитания с использованием солнечных батарей, системы терморегулирования и жизнеобеспечения, двигательная установка с маршевым и управляющими двигателями, стыковочный узел. Кроме того, в нем должны быть установлены средства заправки обслуживаемых аппаратов: емкости для компонентов заправки, баллоны наддува, компрессорная установка (для перекачки газа наддува из баков заправляемой двигательной установки в ее баллоны) и пневмогидроавтоматика. Естественно, что аппараты, которые станут «клиентами» базы на ГСО, должны будут унифицировать используемые компоненты, пневмогидросхемы своих двигательных установок (хотя бы в части заправки и обеспечения безопасности), стыковочные устройства. Пилотируемый транспортный корабль (ПТК) может состоять из трех частей: спускаемого аппарата, отсека оборудования с тормозной двигательной установкой и разгонной ракетной ступени.
В спускаемом аппарате размещается экипаж, оборудование, необходимое на участке возвращения на Землю, аппаратура и органы управления, необходимые экипажу в полете. Спускаемый аппарат снабжен тепловой защитой.
В отсеке оборудования размещаются: аппаратура управления и связи, системы электропитания, терморегулирования, запасы систем жизнедеятельности и тормозная двигательная установка. Последняя предназначена для выдачи тормозного импульса, обеспечивающего переход с ГСО на эллиптическую орбиту возвращения к Земле (при спуске в экваториальной плоскости требуемое изменение скорости составляет около 1,5 км/с), для коррекции траекторий движения, для осуществления управления ориентацией и координатными перемещениями в процессах сближения и причаливания. Поскольку двигательная установка должна оставаться в состоянии готовности к работе длительное время (предполагается, что пилотируемый корабль остается «на дежурстве» в составе базы на все время пребывания на базе доставленного им экипажа), естественно применить на ней высококипящие самовоспламеняющиеся компоненты.
Разгонная ракетная ступень должна выводить корабль с низкой околоземной орбиты на переходную эллиптическую (при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости составляет около 2,5 км/с), а затем, в ее апогее, переводить корабль на ГСО опять же при работе в экваториальной плоскости требуемое приращение скорости составляет около 1,5 км/с). Четыре километра в секунду — это большая энергетика. Поэтому представляется разумным использовать в разгонной ракетной ступени в качестве компонентов кислород и водород. Для такого самого экономичного, в смысле энергетики, варианта стартовую массу этого корабля на низкой околоземной орбите можно оценить величиной порядка 50 т. Если принять стоимость изготовления корабля порядка 50 млн. долл., а стоимость доставки на орбиту полезного груза по 5000 долл/кг (вдвое ниже, чем при доставке полезного груза на «Шаттле»), то в случае одноразовой конструкции корабля мы получим величину затрат на каждую смену экипажа базы ГСО порядка 300 млн долл.
Нельзя ли сократить расходы на смену экипажа за счет создания и использования многоразового пилотируемого транспортного корабля для полетов с низкой промежуточной орбиты на ГСО и обратно?
Такой корабль можно представить себе состоящим из кабины экипажа, отсека оборудования с тормозной ракетной двигательной установкой (работающей на высококипящих компонентах), разгонной ракетной ступени, работающей на кислороде и водороде, и аэродинамического экрана, играющего одновременно роль и тормозного и теплозащитного.
Такой многоразовый корабль (МПК ГСО), не имеющий спускаемого аппарата, мог бы работать по следующей схеме:
— тормозная двигательная установка МПК ГСО, пристыкованного к низкоорбитальной станции обслуживания, заправляется высококипящими компонентами топлива;
— очередная смена космонавтов выводится с Земли на транспортном корабле, совершающем рейсы Земля — низкоорбитальная станция обслуживания — Земля, который сближается и пристыковывается к этой станции;
— производится заправка МПК ГСО жидким кислородом и жидким водородом, смена космонавтов переходит в МПК ГСО;
— МПК ГСО отделяется от станции обслуживания, включается двигатель его разгонной ступени, и он переходит на эллиптическую орбиту полета на ГСО;
— в апогее эллиптической орбиты опять включается двигатель разгонной ступени, и корабль переходит на ГСО в районе нахождения базы;
— корабль производит сближение и стыковку с орбитальным блоком базы за счет работы тормозной двигательной установки корабля;
— экипаж переходит в орбитальный блок базы и приступает к работе.
Когда через полгода-год заканчивается смена, экипаж переходит в МПК ГСО, корабль отделяется от орбитального блока базы, включает тормозной двигатель и корабль переходит на эллиптическую орбиту спуска. Затем:
— осуществляются коррекции эллиптической орбиты с целью обеспечения входа корабля в нужный коридор по высоте для торможения в атмосфере;
— корабль входит в плотные слои атмосферы, его система управления за счет использования аэродинамической подъемной силы экрана ведет процесс движения в атмосфере таким образом, чтобы после торможения и выхода корабля из атмосферы апогей получившейся орбиты оказался примерно равным высоте орбиты станции обслуживания;
— когда корабль приходит в апогей получившейся орбиты, включается двигательная установка и производится подъем перигея орбиты корабля до высоты орбиты станции обслуживания;
— корабль осуществляет сближение и причаливание к станции обслуживания;
— экипаж переходит в транспортный корабль, совершающий рейсы Земля — орбита — Земля, а МПК ГСО подготавливается на станции обслуживания к следующему рейсу.
Если принять ту же стоимость доставки топлива нам орбитальную станцию (5000 долл за килограмм), то переход к многоразовому кораблю МПК ГСО может сократить расходы на смену экипажа базы примерно вдвое. Но нужно еще принять во внимание расходы на полет пилотируемого транспортного корабля по трассе Земля — орбита — Земля и ту долю расходов на низкоорбитальную станцию обслуживания, которая будет отнесена на счет МПК ГСО. Так что выигрыш может оказаться не столь существенным.
Но будущее все же, наверное, за многоразовыми системами. На них и нужно ориентироваться. А решительного сокращения транспортных расходов можно добиться только при последовательном применении принципа многоразовости, только при создании действительно экономичной многоразовой транспортной системы, обеспечивающей доставку грузов на низкую околоземную орбиту по цене порядка 100 долл/кг.
Как уже упоминалось, на базу ГСО потребуется доставлять порядка 20 т грузов в год. Доставка такого количества с помощью одноразовых грузовых кораблей обойдется примерно в 500 млн долл (при работе в плоскости экватора). Поэтому следует оценить целесообразность создания многоразового грузового транспортного корабля.
Такой корабль представляется в виде многоразового буксира с электрореактивными двигателями, получающими электроэнергию для своей работы от солнечных батарей. При массе буксира около 30 т, из которых около 10—12 т будет составлять топливо, он сможет доставлять на базу ГСО 10 т грузов, т.е. на килограмм полезного груза он будет расходовать около килограмма своего топлива. Таким образом, доставка 20 т грузов на базу ГСО будет обходиться в 200—250 млн. долл. (даже при принятой для оценок стоимости выведения грузов на низкую околоземную орбиту в 5000 долл/кг). У такого буксира, правда, будет один крупный недостаток: неоперативная доставка грузов, так как время его полета с низкой орбиты на ГСО будет порядка нескольких месяцев.
По этой же причине, а также потому, что он при этом будет долго двигаться в радиационных поясах, корабль с электрореактивными двигателями едва ли будет использоваться для доставки экипажей на базу ГСО (экипажу пришлось бы по два месяца в процессе выведения сидеть в малом пространстве радиационного убежища).