3.3. Первые проработки тяжелого межпланетного корабля
Разработку марсианского проекта в варианте с применением ЯЭРДУ на раннем этапе проектирования Королев поручил Борису Андреевичу Адамовичу. Не являясь сторонником подобной схемы, Адамович все же выполнил задание и подготовил первый вариант марсианской экспедиции с ЯЭРДУ, хотя заниматься его совершенствованием ему уже не пришлось. Королев предпочел и утвердил летом 1962 года вариант с ЖРД. В 1963 году по инициативе Королева для решения проблем по данному проекту был образован Институт медико-биологических проблем, куда и был направлен Борис Андреевич в качестве заместителя директора и главного конструктора комплекса систем жизнеобеспечения для марсианского корабля. Дальнейшая разработка собственно электрореактивного двигателя была поручена Королевым его заместителю - Михаилу Васильевичу Мельникову.
Учитывая, что перспектива создания такой двигательной установки в обозримом будущем неясна, сектор Максимова, перед которым была поставлена эта задача, начал с облетного варианта тяжелого межпланетного корабля. ТМК создавался как комплекс средств, обеспечивающих многолетний межпланетный полет экипажа из трех человек в условиях замкнутого изолированного пространства. Выводить его на околоземную орбиту предполагалось одной ракетой Н1 вместе с разгонным блоком на жидкостных двигателях.
После разгона с ОИСЗ и полета к Марсу, войдя в его гравитационное поле, ТМК изменял свою траекторию для возвращения на Землю. Большого научного и технического смысла в этой баллистической эквилибристике не было. Но связка ТМК с разгонным блоком позволяла выполнить полет в околосолнечном пространстве и без посещения Марса, по траектории облета Луны или на орбите ее спутника без создания специальных дорогостоящих облетных программ.
Основное наше внимание было направлено, в первую очередь, на поиск оптимальной компоновки ТМК (рис. 3.3.1). Главным фактором, определявшим облик и конструкцию, являлась длительная невесомость. Бороться с ней пытались путем создания искусственной тяжести за счет вращения корабля вокруг центра масс. Жилые и часто посещаемые отсеки старались разместить на максимальном удалении от центра вращения. Разумным тогда представлялось расстояние в 10–12 метров.
Следующим важным фактором была необходимость обеспечения экипажа пищей, водой и воздухом, запасы которых для трех человек на 2–3 года полета имели неприемлемые весовые характеристики. Снизить их можно было только за счет воспроизводства на борту. Для этого разрабатывался специальный замкнутый биолого-технический комплекс (ЗБТК), призванный обеспечить круговорот веществ, потребляемых и выделяемых экипажем, по существующей в наших земных условиях схеме. Немало разделов в моей тетради посвящено именно ЗБТК.
Основой процесса круговорота веществ в ЗБТК являлся фотосинтез, поэтому была спроектирована оранжерея, где предполагалось выращивать картофель, сахарную свеклу, рис, бобовые, капусту, морковь, салат и другие культуры. Растения планировалось размещать на компактных стеллажах, разумеется, не в земле, а на гидропонике, корни же помещать в специальные капсулы, к которым подводится питательный раствор. Проводились многочисленные расчеты по определению оптимальной площади оранжереи. Она выбиралась из условия получения наилучших весовых характеристик самой оранжереи и элементов корабля, вес которых зависел от ее площади. На каком-то этапе проектирования она достигала 60 м. В состав ЗБТК также входили хлорельный реактор, ферма с животными - кроликами или курами, от которых впоследствии отказались, и система утилизации отходов с запасами реактивов. По вопросам растениеводства проводились консультации с ведущими сельскохозяйственными специалистами страны, в частности, с ленинградским профессором Мошковым, который выращивал до 400 кг помидоров в год на одном м огорода. Сергей Павлович придавал большое значение разработке оранжерее, видя в ней главную возможность для снижения веса корабля и увеличения за счет этого числа членов экипажа. Наши сельскохозяйственные академики охотно обсуждали возникающие проблемы с Николаем Протасовым.
Для освещения растений использовали естественное солнечное излучение. От искусственного отказались из-за низких весовых характеристик элементов солнечных батарей. В условиях пониженной освещенности у Марса необходимая для освещения растений площадь солнечного потока достигала сотен метров. Ввести такой поток внутрь корабля через прозрачные стенки его корпуса, как в обычной огородной теплице, не представлялось возможным, прежде всего, по тем же весовым соображениям. Поэтому была придумана весьма сложная система питания оптическим излучением Солнца (ПОИС), основными элементами которой являлись концентраторы цилиндрической формы, расположенные вдоль корпуса корабля с двух сторон под определенным углом. При ориентации их на Солнце отраженный и сжатый ими солнечный поток в концентрированном виде вводился через щелевые иллюминаторы, расположенные вдоль корпуса, внутрь корабля, где распределялся между потребителями.
Совместить вращение корабля с его постоянной солнечной ориентацией во время полета также оказалось непросто. Конкретные решения по этим двум проблемам порождали третью - весовую. Вращение корабля, необходимое для создания искусственной тяжести, нужно было организовать в плоскости расположения концентраторов солнечной энергии, которые должны были сохранить постоянную ориентацию на Солнце. При полете ось вращения корабля будет сохранять свое положение в пространстве и постепенно отклоняться от направления на Солнце. Для соблюдения нужной ориентации плоскость вращения корабля должна постоянно поворачиваться на Солнце. Для выполнения таких поворотов вес топлива для двигателей мог достигать 15 тонн, что потребовало бы дополнительного использования нескольких ракет Н1.
Интуитивно мы надеялись, что в длительных полетах можно будет обойтись без искусственной тяжести. Это позволило бы существенно упростить компоновку. Но ведь речь идет о 1962 годе, когда экспериментальных подтверждений благополучной реакции человека на невесомость не имелось, в отличие от фактов плохой ее переносимости. Мы обязаны были решить этот клубок противоречий и придумать другие варианты.
Решение было вскоре найдено, когда плоскость вращения корабля совместили с плоскостью траектории полета по принципу вращения бумеранга. Но концентраторы-то по-прежнему должны были смотреть на Солнце. В результате появились новые немыслимые компоновочные схемы (рис. 3.3.2), на которые сегодня нельзя смотреть без улыбки. Но такова история - именно так рождался марсианский проект.
Это решение сняло прежние противоречия, но породило новую проблему - создание постоянно работающего в вакууме узла вращения между корпусом корабля и концентраторами. Да и сами концентраторы, теперь уже двойной кривизны - для сжатия солнечного потока в двух плоскостях, значительно усложнились. На их проектирование были выданы технические задания Ленинградскому государственному оптическому институту, а нашим материаловедам - задание на разработку высокопрочных тереленовых пленок и их покрытий с высокими и устойчивыми оптическими характеристиками. Еще одной головоломкой стали иллюминаторы, которые при значительных габаритах имели крайне напряженный температурный режим. В частности, рассматривалась конструкция иллюминаторов со сферическими высокопрочными и жаропрочными стеклами на основе ситалов диаметром до 1 м. Узел вращения также представлял особую проблему, поскольку трение в вакууме грозило свариванием металлов. Впоследствии для ее решения была создана специальная смазка на основе дисульфита молибдена.
После решения вышеописанных задач компоновка ТМК упростилась. В начале весны 1962 года корабль представлял собой пятиэтажный цилиндр переменного диаметра в форме бутылки (рис. 3.3.3). Каждый этаж имел определенное функциональное назначение. Первый - жилой, с расположенными в нем тремя индивидуальными каютами для экипажа, туалетами, пленочными душевыми, комнатой отдыха с библиотекой микрофильмов, кухней и столовой. Второй - рабочий, с рубкой для ежедневного контроля и управления всеми системами ТМК, мастерской, медицинским кабинетом с тренажерами, лабораторией для проведения научно-исследовательских работ и надувным внешним шлюзом. Третий - биологический отсек, с размещенными в нем стеллажами с высшими растениями, светораспределительными устройствами, арматурой для подачи питательных растворов, клетками животных, хлорельным реактором, емкостями для хранения урожая, частью арматуры и оборудования ЗБТК. Четвертый - приборно-агрегатный отсек, в котором была сосредоточена основная масса приборов, аппаратуры и арматуры всех систем ТМК. Он же являлся радиационным убежищем.
Пятый этаж располагался снаружи. Это был спускаемый аппарат, который стыковался своим верхним люком к люку в корпусе ТМК, расположенному в специальной сферической нише. На днище СА устанавливалась корректирующая двигательная установка с запасом топлива и частью аппаратуры. Закрывая сферическую нишу, вместе с размещенным в ней оборудованием, они увеличивали радиационную защиту экипажа. На ОИСЗ спускаемый аппарат имел возможность с помощью КДУ автономно маневрировать и приземляться при возникновении нештатных ситуаций.
Снаружи на корпусе ТМК размещались элементы бортовых систем: параболические концентраторы и иллюминаторы системы ПОИС; солнечные батареи в двух вариантах установки - по периферии солнечных концентраторов или на панелях вокруг иллюминатов; радиаторы и жалюзи системы терморегулирования, открытием и закрытием которых регулировался тепловой режим; антенны дальней радиосвязи, в качестве которых предполагалось использовать солнечные концентраторы; люк с надувным шлюзом для выхода и элементы для передвижения по наружной поверхности.