Марсианский проект С. П. Королёва

С начала 1963 года, в соответствии со сделанными выводами, продолжалась проработка варианта с аэродинамическим торможением. Суть его в том, что снижение скорости движения экспедиционного комплекса при подлете к Марсу до величины, достаточной для перехода на орбиту его спутника, осуществляется не за счет импульса тормозного ракетного блока, а путем многократного погружения всего комплекса в марсианскую атмосферу. После каждого погружения до высоты 70–100 км и на время порядка 100 секунд комплекс переходит на вытянутую эллиптическую орбиту. В ее апогее при необходимости проводится ювелирная, с малыми затратами коррекция для обеспечения требуемой высоты следующего погружения в атмосферу. Высоты последующих эллиптических орбит постепенно уменьшаются. Примерно после седьмого погружения высота эллиптической орбиты становится равной высоте будущей круговой орбиты. В ее апогее выдается небольшой разгонный импульс, и комплекс переводится на круговую орбиту, исключая последующее погружение.

Как же возникла идея аэродинамического торможения? Однажды, обсуждая с Виктором Миненко (мы вместе работали у Лавочкина, в ОКБ-1 он проектировал спускаемые аппараты) параметры входа аппарата в атмосферу Земли при возвращении из марсианского полета, мы обратили внимание, что незначительное отклонение траектории аппарата от заданного коридора входа в атмосферу повлечет либо недопустимые нагрев и перегрузки, либо аппарат, коснувшись верхних слоев атмосферы и потеряв скорость на неопределенную величину, уйдет в полет по нерасчетной траектории. На следующее утро я проснулся с вопросом: а можно ли сместить коридор так, чтобы после «чирканья» траектория стала расчетной? Предварительный анализ показал, что можно ( рис. 3.6.1). Идея Тихонравову понравилась, и он рассказал о ней Королеву. Были выданы задания нашим аэродинамикам и в ЦАГИ. Процесс пошел.

Такой оборот дела коренным образом менял весь облик и, в первую очередь, конструктивную конфигурацию комплекса. Вспомнили про крылатую ракету «Буря», на которой можно было начать эксперименты в околоземном пространстве, а для ее запуска использовать носитель H11 — модификацию Н1. Пересмотрели все принятые ранее положения на соответствие их новым требованиям. А они оказались весьма существенными. Экспедиционный комплекс при погружении в марсианскую атмосферу будет испытывать нагрузки от скоростного напора и нагрев, допустимые пределы которых весьма ограничены из-за большого количества внешних элементов. Поэтому размеры, форма и прочность элементов должны быть рассчитаны на эти новые условия или защищены от их воздействия. Все это потребовало новых компоновочных схем. Порой приходилось с досадой возвращаться к вопросу искусственной тяжести и искать хотя бы какой-то приемлемый вариант. Эти поиски нашли свое отражение в набросках самых футуристических компоновок, сделанных в тетради ( рис. 3.6.2). В дальнейшем от искусственной тяжести отказались, компоновка упростилась и уже прорабатывалась сразу на кульмане. Поэтому многих ее интересных вариантов, к сожалению, нет в тетради, а основной, одобренный Тихонравовым и Королевым, воспроизведен по памяти ( рис. 3.6.3).

Проектирование сводилось к конструктивной увязке многих новых противоречивых требований. В первую очередь, внимание было уделено разработке различных вариантов жесткого экрана, который мог одновременно служить защитой внешних элементов комплекса от воздействия скоростного напора, а также обеспечить ему необходимое торможение при прохождении марсианской атмосферы. Форма защитного экрана была выбрана в виде зонтика большого диаметра, расположенного на лобовом торце комплекса и обращенного выпуклой стороной в сторону набегающего потока. Однако это делало комплекс неустойчивым, поэтому для большей устойчивости аэродинамической конфигурации комплекса хотелось придать ему вид бадминтонного волана. С этой целью планетный посадочный комплекс значительной массы был вынесен за лобовую поверхность тормозного экрана, чтобы обеспечить приемлемую центровку комплекса при движении в марсианской атмосфере. Этим также обеспечивалось беспрепятственное отделение посадочного комплекса для спуска на поверхность планеты. Вместе с ним отделялась и ненужная на орбите силовая часть тормозного экрана, что повышало эффективность его торможения в атмосфере при спуске.

Солнечные концентраторы также проектировались в форме зонтика диаметром 15–20 м, расположенного вокруг отсека оранжереи. Внутренняя его поверхность, ориентированная на Солнце, выполнялась в виде отдельных секций. Форма поверхности каждой представляла собой часть параболоида с собственным фокусом, расположенным на обечайке отсека оранжереи, где для каждой секции устанавливался свой иллюминатор. Всего секций с иллюминаторами предполагалось от 12 до 24. Солнечный поток попадал на секции, отражался ими, концентрировался и направлялся через иллюминаторы внутрь корабля, где с помощью линз Френеля и пленочных отражателей распределялся по потребителям.

Концентратор вместе с оранжереей желательно было располагать на торце комплекса вогнутой стороной наружу для ориентации на Солнце. Но, будучи самой ажурной конструкцией, он, в первую очередь, требовал защиты от скоростного напора и поэтому был конструктивно объединен с тормозным защитным экраном, форма которого была геометрически совмещена с формой концентратора и приближена к параболоиду.

С целью дальнейшего улучшения центровки рядом с посадочным комплексом предполагалось разместить разгонный блок, также имеющий значительную массу. Однако это вступало в противоречие с другими соображениями. Спускаемый аппарат с корректирующей двигательной установкой должен был располагаться с противоположного торца комплекса, обеспечивая тем самым возможность экстренного отделения на околоземной орбите в нештатных ситуациях и безопасность экипажа. Разгонный блок с большим запасом топлива, скомпонованный в единый блок со спускаемым аппаратом, мог значительно повысить маневренные возможности СА, в том числе обеспечить при необходимости возвращение его с экипажем на Землю после разгона комплекса с ОИСЗ на траекторию полета к Марсу.

В пользу этого варианта было и то, что размещение разгонного блока рядом с посадочным комплексом не позволяет его включение для проверки перед стартом с ОИСЗ и для коррекции траектории полета к Марсу. А при его включении для старта с ОИСМ к Земле экипаж в СА будет находиться в перевернутом положении.

Приведенные соображения — лишь незначительная часть противоречивых требований, которые пришлось увязывать при выборе оптимальной компоновки марсианского комплекса. Сюда же можно отнести и размещение панелей солнечных батарей площадью 85 м², радиаторов и жалюзи системы терморегулирования площадью 34 м², антенн, обеспечение необходимых полей зрения оптических датчиков системы ориентации, взаимное расположение обитаемых отсеков, выбор оптимального соотношения диаметра и длины комплекса и многое другое. Все эти проблемы приходилось решать при проектировании. Большинство из них нашли отражение в тетради в виде конкретных ежемесячных планов всех участников работ.

Правильность выбора принятой схемы экспедиции на Марс с применением ЖРД и аэродинамического торможения должны были подтвердить новые весовые характеристики межпланетного комплекса. Параллельно с анализом компоновочных схем и определением конструктивного облика ТМК было проведено большое количество расчетов по определению характеристик всех его бортовых систем ( рис. 3.7.1).