Возвращение «Дракона»: кунг-фу Илона Маска

Итак, 2 августа Crew Dragon успешно вернулся на Землю, выполнив все этапы, предусмотренные программой демонстрационного полета DM-2 (Demo Mission-2). В общем, всё прошло штатно, но… Не такой изначально видел посадку своего детища Илон Маск!

• От истоков

• Что имеем

• «Орёл»

• Starliner и перспективный китайский корабль

• Crew Dragon

• Orion и тенденции 

Итак, 2 августа в 21:48 по московскому времени космический корабль Crew Dragon компании SpaceX, имеющий имя собственное Endeavour, успешно вернулся из космоса на Землю. Он выполнил все этапы программы демонстрационного полета DM-2 (Demo Mission-2): старт с экипажем на борту, выведение с помощью ракеты-носителя Falcon-9, автономное орбитальное маневрирование с испытаниями бортовых систем, встречу и стыковку с Международной космической станцией (МКС), двухмесячные работы в составе орбитального комплекса, совмещённые с ресурсными тестами агрегатов корабля, отделение от станции, сброс грузового отсека («багажника»), сход с орбиты, управляемый спуск в атмосфере, парашютирование, мягкое приводнение в Мексиканском заливе и эвакуацию с помощью судна-спасателя GO Navigator.

На плазменном участке теплозащитный экран раскалился до температуры 2000 °С, рассеивая огромную кинетическую энергию и позволяя кораблю постепенно терять скорость и высоту. При скорости около 570 км/ч были введены тормозные парашюты, они замедлили падение примерно до 190 км/ч. На высоте около 1800 м раскрылись основные парашюты, обеспечивая спуск корабля в океан со скоростью менее 20 км/ч.

В общем, всё прошло штатно, но… Не такой изначально видел посадку своего детища Илон Маск!

От истоков

Одной из главных задач создателей первых пилотируемых космических кораблей было безопасное и комфортное возвращение экипажа на Землю. И если со спуском в атмосфере всё было более или менее однозначно — надо тормозиться о воздух, обеспечивать теплозащиту аппарата и снижать перегрузки до уровня, приемлемого для здоровья (не более 8-10 единиц), то с заключительным этапом — мягкой посадкой — сложнее. Человеческий организм — «изделие» хрупкое; чтобы не пострадать при посадке, он должен встретиться с поверхностью со скоростью не более 5-8 м/с, как парашютист под куполом основного или запасного парашюта. Но даже при этом нет гарантии от получения травм. Кроме того, космический корабль крайне желательно посадить с максимальной точностью в районе, наиболее удобном для проведения поисково-спасательной операции. Затраты на последнюю напрямую зависят от точности посадки: одно дело искать корабль на «пятачке» радиусом в километр, и совсем другое — в зоне, измеряемой десятками и сотнями километров.

Идеальное решение — посадка по-самолетному, на взлетно-посадочную полосу аэродрома. Точность — идеальная, комфорт — на высоте: вертикальную составляющую скорости 1,5-3 м/с поглощают амортизаторы шасси. Но на заре космической эры самолётная посадка была сложной, дорогой и долгой в реализации. В условиях начавшейся космической гонки требовались более простые и быстрые решения. Ими стали одноразовые баллистические и полубаллистические капсулы, которые и поныне являются наиболее популярным типом спускаемого аппарата: после торможения в атмосфере до дозвуковой скорости дальнейшее снижение обеспечивает парашютная система. Но последний этап — мягкая посадка — решается по-разному.

Кроме конечной скорости, перегрузки, возникающие в последний момент посадки, во многом зависят от свойств поверхности. Проще (и комфортнее) всего падать в воду, сложнее — на твёрдый грунт или, например, на бетон. В первом случае ударная перегрузка обычно не превышает 10-15 единиц, во втором может «зашкалить» и за сотню, что смертельно опасно для экипажа…

Первый американский корабль Mercury приводнялся, благо Америка омывается двумя незамерзающими океанами — Атлантическим и Тихим. К тому же мощный военно-морской флот США позволял проводить крупномасштабные поисково-спасательные операции в открытом море (точность посадки в первых космических полетах была крайне низкой). У Советского Союза таких возможностей не было (сажать «Восток» предполагалось в специально выбранных континентальных районах страны), и мягкую посадку обеспечили оригинально. Весь спускаемый аппарат посадить под парашютом разумных размеров и массы с приемлемой скоростью казалось проблематично, поэтому на высоте 7 км и при скорости снижения примерно 225 м/с космонавт катапультировался из «шарика» и приземлялся на индивидуальном парашюте.

Схема с приводнением у американцев прижилась и нашла применение в кораблях Gemini и Apollo. Впрочем, не сразу. В начале проектирования второй американский пилотируемый корабль предполагалось приземлять по-самолетному, на сушу, под надувным дельтапланом — «Крылом Рогалло» — на выпускаемое шасси. Однако доводка такой системы заняла много времени, и в конечном счёте Gemini приводнялся, как и Mercury. Крыло для посадки было применено лишь пятнадцать лет спустя, в гораздо более сложной и громоздкой системе Space Shuttle.

В Советском Союзе тоже отдали дань экзотике. В начале 1960-х гг. ОКБ-1 С. П. Королёва пыталось поменять парашюты на авторотирующий несущий винт, но внедрению помешала сложность системы. Между тем необходимость улучшить условия посадки потребовалась очень скоро…

В 1963-1965 гг. был реализован советский проект «Восход», в рамках которого были выполнены две исторические миссии: запуск первого в мире многоместного (экипаж — три человека) корабля и первый выход человека в открытый космос. Базой для этих достижений послужил всё тот же «Восток», спускаемый аппарат которого переделали. В новых кораблях возможность индивидуального катапультирования исключалась — не было ни объёмов, ни резервов массы. Космонавтов пришлось приземлять в спускаемом аппарате, увеличив площадь парашюта. Однако скорость касания грунта не падала ниже 10 м/с, и для парирования удара применили амортизированные кресла и пороховые двигатели мягкой посадки: последние снижали скорость до 0-2 м/с. Впервые систему мягкой посадки отработали на спускаемых аппаратах спутников-фоторазведчиков «Зенит-4»: те несли дорогостоящую оптику, которую требовалось возвращать крайне мягко для повторного использования.

Видоизмененная парашютно-реактивная система мягкой посадки с «Восходов» перешла на «Союзы» и применяется до сих пор. Она проста, отработана и надёжна, но имеет существенный недостаток — невысокую точность приземления, обусловленную существенным ветровым сносом от номинального места посадки при вводе парашюта.

Современные цифровые навигационные системы теоретически способны доставить на Землю возвращаемый аппарат с точностью до десятков метров (что, собственно, демонстрируют боевые части баллистических ракет). Но пилотируемые корабли приземляются на парашютах, которые вводятся в действие на достаточно большой высоте — 5-10 км. Ветер может отнести спускаемый аппарат на многие километры от расчётной точки посадки.

Этого недостатка лишены системы ракетодинамической посадки на жидкостных или твердотопливных двигателях. В идеале они позволяют заменить как парашют, так и систему мягкой посадки, а в некоторых случаях — и тормозную двигательную установку для схода корабля с орбиты. Такой системе не требуется запредельная энергетика — основную часть энергии корабль рассеивает при аэродинамическом торможении в атмосфере, и для мягкой посадки надо в конечном итоге затормозиться лишь с 90-150 м/с — типовое значение равновесной скорости падения в атмосфере — до нуля. Для этого достаточно располагать характеристической скоростью порядка 200 м/с, а сход с орбиты добавит к этому значению ещё 100-150 м/с.

Американцы подробно исследовали ракетодинамическую посадку в 1960-х применительно к проектам многоразовых одноступенчатых ракет-носителей. В Советском Союзе в 1980-х её рассматривали для космического корабля «Заря», которым предлагалось заменить «Союз». Однако на практике система была реализована лишь в наши дни на ракетах компаний Blue Origin и SpaceX, для сохранения матчасти которых с целью повторного использования требовалось сочетание высокой точности и очень мягкого приземления. Однако такие системы сложны и весят больше, чем парашютные или парашютно-ракетные. Причём на орбите их масса совершенно излишняя. 

Что имеем

После того как рано утром 21 июля 2011 года колеса шасси «Атлантиса» коснулись посадочной полосы на мысе Канаверал и эксплуатация системы Space Shuttle была прекращена после трех десятилетий и 135 миссий, оказалось, что единственными кораблями, способными доставлять экипаж на орбиту и возвращать на Землю являются российские «Союзы» и их китайские братья «Шэньчжоу». А они по-прежнему используют парашютно-реактивную систему приземления.

Современный «Союз-МС» является шестой инкарнацией исходного корабля, совершившего первый пилотируемый полет в 1967 году и с тех пор многократно модернизированного. Несмотря на значительный объём работ, проведённый по всем системам, схема его приземления более чем за полвека претерпела лишь незначительные изменения. Спускаемый аппарат корабля оснащён многокаскадной основной и запасной парашютными системами, а также твердотопливными двигателями мягкой посадки. Основная парашютная система состоит из вытяжного, тормозного и основного парашюта. Площадь последнего — 1000 м2. Запасной парашют имеет площадь 574 м2. Купола парашютов вводятся по сложной схеме с использованием рифовки и перецепки, позволяющей плавно изменять перегрузки при их раскрытии, а мягкую посадку обеспечивают шесть пороховых двигателей, установленных на днище корабля под сбрасываемым теплозащитным экраном. Они запускаются по команде гамма-высотомера, который с большой точностью измеряет расстояние до поверхности, а также обладает высоким быстродействием, — ведь при спуске на запасном парашюте скорость снижения достигает опасных 14 м/с.

Система приземления «Союзов» прошла испытания временем, доказав свою надёжность как в штатных, так и в нештатных ситуациях, например при срабатывании системы аварийного спасения. Единственный её отказ, приведший к гибели В. М. Комарова, был связан не со схемой работы системы, а с технологическими нарушениями при сборке парашютного контейнера.

В 2002 году в запасную парашютную систему «Союза ТМА» был введён тормозной парашют площадью 16 м2, а купола стали делаться из высокопрочного материала СВМ на основе арамидного волокна, сохраняющего высокие механические свойства даже после длительного нагрева при 300 °С. В 2016 году на «Союзе МС» парашютную систему вновь доработали: площадь запасного парашюта увеличили до 590 м2.

Примерно аналогично устроена система посадки китайского корабля «Шэньчжоу». 

При всех достоинствах описанная система имеет такие недостатки, как уже упомянутая невысокая точность приземления из-за раннего ввода парашютов, невозможность обеспечения условий посадки, при которой возможно последующее повторное использование спускаемого аппарата, и необходимость проведения на месте приземления квалифицированных работ по дезактивации несработавших двигателей мягкой посадки и радиоактивного гамма-высотомера.

«Орёл»

Эти недостатки попытались устранить в проекте перспективного транспортного корабля нового поколения ПТК НП, ныне именуемого «Орёл» и предназначенного для полетов как на МКС, так и на Луну. Ещё на стадии аванпроекта в 2008 году была предложена революционная ракетодинамическая система посадки, достаточно подробно проработанная в эскизном проекте 2009-2010 годов. Основу системы составляла быстродействующая пороховая тормозная двигательная установка (ПТДУ). Сначала она должна была включать несколько твердотопливных двигателей с управляемым вектором тяги, но затем её сменила установка, состоящая из двух запараллеленных твердотопливных газогенераторов и системы сопел с регулируемой тягой.

Изначально ПТДУ предполагалось вводить на высоте около километра, чтобы сажать возвращаемый аппарат с высокой точностью (отклонение от расчётной точки в пределах 1-2 км) и окончательно гасить скорость амортизаторами выдвижных посадочных опор. В теории ПТДУ обеспечивала как отказоустойчивость, так и регулирование тяги в широких пределах.

При защите эскизного проекта принятая концепция была признана слишком рискованной. Имея принципиальную новизну, ПТДУ требовала больших затрат времени и средств на экспериментальную отработку и подтверждение надёжности. В одной из статей, опубликованных в открытом отраслевом журнале «Космическая техника и технология» [4], специалисты фирмы—разработчика корабля — Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» имени С. П. Королёва — отмечали, что «кратковременность процесса реактивной посадки (20…25 секунд) определяет высокие требования к характеристикам динамического контура управления, быстроте реакции на динамические возмущения и диагностирование отказов, что с учётом отсутствия беспилотных и пилотируемых прототипов увеличивает технические риски реализации проекта». Масса установки составляла 32% от массы возвращаемого аппарата (у «Союза» — всего 16%).

При техническом проектировании концепцию посадочной системы изменили. Основную скорость на дозвуковом участке спуска гасят парашюты, вводимые существенно позже, чем на «Союзе», на высоте 3-5 км; затем на высоте примерно 1 км запускается ПТДУ. Если с ней всё в порядке, парашюты отстреливаются, и выполняется реактивная посадка. В противном случае спускаемый аппарат приземлялся на парашютах. Точность посадки при штатном спуске — менее 1 км, при аварии ПТДУ — не более 2,5 км.

Однако и эту систему упростили, превратив почти в классическую парашютно-реактивную. Парашюты по-прежнему вводятся в действие на небольших, по сравнению с «Союзом», высотах, но не отстреливаются вплоть до касания земли. ПТДУ, по сути, превратилась в двигатель мягкой посадки, но с расширенным функционалом. Она запускается на высоте около 15 м и обеспечивает гашение не только вертикальной, но и горизонтальной скорости. Общая масса такой системы снижена до 1800 кг. Точность системы характеризуется возможностью посадки внутри круга диаметром 7 км от расчетной точки. Как и предыдущие варианты, данная система обеспечивает пригодность матчасти к повторному использованию (при штатной посадке).

Собственно парашютная система «Орла» сильно изменена по сравнению с «Союзом». Ещё бы! Возвращаемый аппарат ПТК НП имеет массу около 9 т — втрое больше, чем спускаемый аппарат предшественника. Поэтому новый корабль будет приземляться с помощью четырёхкаскадной системы. Сначала сработает вытяжной, затем последовательно — два тормозных парашюта, и лишь потом раскроются три купола основного парашюта общей площадью более 3600 м2. Впервые парашютная система «Орла» была испытана в июле 2018 года на Киржачском полигоне в рамках открытия новой производственной линии организации-разработчика — Научно-исследовательского института (НИИ) парашютостроения.

Starliner и перспективный китайский корабль

Космический корабль CST-100 Starliner компании Boeing — конкурента аппарата SpaceX — никогда не планировалось снабжать «революционными» новинками. От рождения он получил парашютную систему с двумя вытяжными, двумя тормозными и тремя основными парашютами. Принципиально система заимствовалась с Apollo. Однако, в отличие от своего предка, спускаемый аппарат CST-100 многоразовый, поэтому штатная посадка выполняется на сушу. Мягкость приземления обеспечивается системой шести надувных баллонов, которые напоминают автомобильные подушки безопасности, раздутые до огромных размеров. Это решение достаточно эффективное и, как считают его разработчики, имеет ряд преимуществ перед твердотопливными двигателями мягкой посадки. Систему не надо деактивировать, и она не нуждается в высотомере: подушки надуваются сразу после отстрела теплозащитного экрана, и их эффективность не зависит от высоты активации. 

Испытания системы посадки начались в марте 2017 года со сброса возвращаемого аппарата с воздушного шара. Основные купола были введены на высоте 4 км и полностью раскрыты через 1,5 км. В целом тесты проходили нормально, но не обошлись и без досадных огрехов. В ноябре 2019 года при испытании системы аварийного спасения на старте развернулись только два купола из трёх, что не помешало мягкой посадке. Причиной отказа стала ошибка при укладке парашютов. В декабре 2019 года в первой беспилотной демонстрационной орбитальной миссии, которая была лишь частично успешной (корабль до МКС не долетел), система посадки сработала безупречно.

Практически идентичную систему посадки применили и китайцы, отправившие в мае 2020 года в первый полёт прототип своего нового пилотируемого корабля. Если «Шеньчжоу» оснащался однокупольной парашютной системой и двигателями мягкой посадки по образцу «Союза», то новое изделие имеет трёхкупольный основной парашют и надувные подушки.

Crew Dragon

Поскольку изначально компания SpaceX начала разработку пилотируемого корабля Dragon параллельно с грузовым вариантом, оба собрата мало чем различались по системе посадки. В 2005-2008 годах она предусматривала мягкое приводнение в океане с использованием многокупольной парашютной системы (утверждалось, что перегрузки в момент касания воды не превышают 2-3 единиц). Однако после неудачных экспериментов с парашютным спасением первых ступеней ракет-носителей Falcon 1 и Falcon 9, Илон Маск разочаровался в «тряпках» и в 2011 году обратился к ракетодинамической посадке.

Ко всему прочему последняя позволяла отказаться от приводнения: контакт с солёной водой негативно сказывается на возможности многократного использования аппарата. Кроме того, визионеру Маску реактивная посадка была нужна при посадке кораблей и ракет на безатмосферных небесных телах или на планетах с крайне разреженной атмосферой, например на Марсе.

Несмотря на то, что парашютная система грузового корабля Dragon (летает к МКС с мая 2012 года) осталась прежней, для пилотируемого варианта, который получил название Dragon 2 или Crew Dragon, в 2014 году Маск представил публике новую концепцию, включающую применение объединённой двигательной установки на основе восьми жидкостных ракетных двигателей SuperDraco, сгруппированных попарно в четыре блока. Кроме задач торможения с дозвуковой скоростью и мягкой посадки, они обеспечивали аварийное спасение корабля на всех участках траектории выведения на орбиту.

Эти исключительно мощные и компактные двигатели, изготовленные с широким применением технологии 3D-печати, развивают тягу (регулируется в широких пределах) около 7,4 тс каждый и работают на тех же компонентах, что и движки ориентации и орбитального маневрирования Draco: несколько сотен килограммов токсичного самовоспламеняющегося топлива (четырёхокись азота и монометилгидразин) расположены в непосредственной близости от экипажа, за стенками кабины. Их объём значительно (в разы) больше того, которым, скажем, «заряжалась» система реактивного управления спуском командного модуля корабля Apollo. Топливо вытесняется из баков гелием высокого давления, и двигательная установка представляет собой аккумулятор очень большой энергии, быстрое высвобождение которой в нештатной ситуации может привести к полному уничтожению корабля.

Полномасштабные испытания посадочной системы предполагалось провести на полигоне в МакГрегоре, штат Техас, выполнив в течение двух лет 60 тестов (в частности, сбросы корабля с вертолёта с трёхкилометровой высоты с постепенным увеличением продолжительности работы двигателей вплоть до чисто реактивной посадки).

В мае 2015 года на стартовой площадке SLC-40 Станции ВВС «Мыс Канаверал» во Флориде состоялся тест Pad Abort — аварийное спасение корабля на старте; испытания двигательной установки в целом были успешны, хотя и с некоторыми замечаниями (что для тестов обычное явление). В октябре 2015 года испытательный образец корабля прибыл в МакГрегор. В конце ноября был выполнен тест с пятисекундным зависанием Dragon 2 в воздухе: двигатели работали на режиме 25% номинальной тяги.

Однако в 2017 году NASA преподнесло Маску неприятный сюрприз, потребовав отказаться от ракетодинамической посадки и приводнять корабль под парашютами. В июле того же года основатель SpaceX подтвердил своё согласие, сославшись на то, что «сертификация системы для пилотируемых полётов требовала огромных усилий». 

Начались интенсивные испытания парашютной системы посадки, которая первоначально состояла из двух тормозных парашютов и трёхкупольного основного. SpaceX заявила, что разрабатывает «одну из самых безопасных и совершенных систем из когда-либо созданных», однако тесты проходили с «шероховатостями». О том, что всё не просто, свидетельствовал переход к четырёхкупольному основному парашюту.

В апреле 2019 года SpaceX провела «испытания экспериментального образца» с заменой возвращаемого аппарата имитатором (упрощённым металлическим макетом). Как сообщалось, результаты тестирования «не соответствовали ожиданиям NASA». Напомним: практически одновременно, 20 апреля 2019 года, на стенде при очередном прожиге двигателей SuperDraco взорвался корабль, в марте 2019 года побывавший на МКС в ходе первой беспилотной демонстрационной миссии DM-1.

В мае того же года сообщалось об аварии при испытаниях парашютной системы посадки Crew Dragon, а руководитель пилотируемых программ NASA Билл Герстенмайер заявил, что апрельские испытания парашютной системы прошли не вполне корректно. Они выполнялись на сухом озере Деламар в штате Невада, корабль сбрасывался с большой высоты. Один купол специально вывели из строя перед тестом, чтобы три оставшихся обеспечили безопасную посадку. Но они сработали плохо, и корабль получил повреждения. За год SpaceX провела необходимый объём работ и устранила замечания: к настоящему времени систему можно считать вполне отлаженной, она способна мягко приводнять корабль при отказе одного купола из четырёх.

Orion и тенденции 

Многоцелевой пилотируемый корабль MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) Orion, разрабатываемый с середины 2000-х годов компаниями Lockheed Martin и Airbus Defence and Space по заказу NASA для доставки людей и грузов на МКС и полётов за пределами низкой околоземной орбиты, оснащён консервативной системой посадки с приводнением в океан. Она трёхкупольная и в основных чертах заимствована с Apollo, а также с твердотопливных бустеров системы Space Shuttle. Ввод системы в действие происходит в два этапа с помощью небольших тормозных парашютов, снижающих скорость возвращаемого аппарата до 280 км/ч. Затем вводятся основные парашюты, снижающие скорость до 30 км/ч. Система подтвердила свою надёжность в первом испытательном беспилотном полёте прототипа корабля 5 декабря 2014 года с использованием ракеты-носителя Delta IV Heavy.

Таким образом, несмотря на новые тенденции, связанные с многократным использованием возвращаемых аппаратов, посадочные системы космических кораблей остаются достаточно консервативными. Предпочтение отдаётся не новизне, а надёжности, безопасности и более быстрой экспериментальной отработке. Ни одна из систем не имеет явных преимуществ — все доказали свою надёжность. С точки зрения повторного использования интереснее смотрятся системы посадки «Старлайнера», «Орла» и нового китайского корабля. С позиций простоты, функциональности и универсальности (безопасная посадка на воду и сушу) система мягкой посадки на основе надувных подушек выглядит наилучшей.

Парашютные системы всех современных кораблей схожи, но имеют и специфику. На западе традиционно применяют многокупольные основные парашюты, вводимые одновременно: считается, что они обеспечат безопасную посадку даже при отказе одного из куполов. Отечественные специалисты считают, что такое решение содержит риск: все купола вводятся в одних условиях, и факторы, приводящие к отказу одного купола, могут привести и к отказу остальных. У «Союзов» парашютная система дублированная: основные парашюты однокупольные, в случае отказа основного вводится в действие запасной. Эта последовательная схема исключает влияние опасных факторов на оба купола. Аналогичная дублированная система использована на «Орле», хотя основной парашют многокупольный.

Ирония судьбы состоит в том, что Crew Dragon, по замыслу наиболее инновационный из всех современных проектов космических кораблей, наряду с «государственным» аппаратом Orion, получил самую консервативную систему посадки как самую простую и проверенную временем. Однако, возможно, ещё не вечер. Как известно, NASA настояло на отказе не только от реактивной посадки, но и от повторного использования Crew Dragon и первой ступени Falcon 9 в своих программах. Но буквально через несколько дней после старта первой пилотируемой миссии DM-2 этот запрет был снят. Как знать, может быть, через некоторое время будет реабилитирована и реактивная посадка…

Что почитать (все приведённые материалы на русском):

1. О предложениях С.П.Королёва по системе роторной посадки космических кораблей
2. О системе приземления космического корабля «Восход» 
3. О ракетодинамической системе приземления космических кораблей
4. Об устройстве системы посадки ПТК НП «Орел»
5. Об испытаниях китайского перспективного транспортного корабля 
6. О многокупольной парашютной системе корабля «Орел»