Старт грузового корабля, фото КЦ «Южный»/Роскосмос
Такие разные рекорды
А. Соколов. Первая экспериментальная космическая станция (стыковка кораблей «Союз-4» и «-5»)
Легкая историческая ирония состоит в том, что первые стыковки были как раз быстрыми. Абсолютный рекорд скорости принадлежит СССР — 15 апреля 1968 беспилотный «Союз» под названием «Космос-213» пристыковался к однотипному «Космосу-212» всего через 47 минут после старта. Рекордная пилотируемая стыковка тоже могла стать советской — «Союз-3», который пилотировал Георгий Береговой, сблизился с беспилотным «Союзом-2» меньше, чем за час. Но, увы, на ночной стороне орбиты космонавт не смог правильно сориентировать корабль, и стыковка сорвалась. Так что рекорд по скорости пилотируемой стыковки принадлежит американцам. Стартовавший в сентябре 1966 «Джемини-11» состыковался с мишенью «Аджена» спустя 1 час 34 минуты.
Сейчас такие рекорды превзойти не получится, и причина заключается в орбитальной механике. В СССР на космодроме «Байконур» были две стартовые площадки, и можно было вывести первый корабль на орбиту, которая спустя сутки пройдет над космодромом. В этот момент стартовал второй корабль, который сразу оказывался вблизи первого. Впервые такой фокус провернули с «Востоками» -3 и -4, и космонавты Николаев и Попович оказались на расстоянии прямой видимости друг от друга. В США меньшая широта космодрома позволяла запускать второй корабль на такую же орбиту, как и первый, два раза в сутки — на восходящем и нисходящем участке орбиты. В любом случае, запущенный второй корабль оказывался на расстоянии нескольких километров от цели и мог сразу приступать к стыковке.
Станция «Салют-7» и пристыкованный корабль «Союз»
Когда началась эксплуатация орбитальных станций, эти схемы перестали работать из-за того, что станции выводились на более высокие орбиты, тормозились со временем, а советские еще и маневрировали самостоятельно. В результате СССР и США пошли разными путями. В США полеты к станции «Скайлэб» занимали 6 витков или 8,5 часов. В СССР перешли на суточную схему. Станция выполняла маневр, готовя свою орбиту к приему корабля, который летел около 24 часов. Когда в середине 80-х запустили орбитальный комплекс «Мир», он оказался слишком тяжелым для специального маневра, поэтому корабли перешли к двухсуточной схеме сближения. На это также повлиял еще один фактор — как показала практика, спустя сутки после старта космонавты остро испытывали адаптацию к невесомости, хуже себя чувствовали, и в случае необходимости перехода на ручную стыковку функционировали менее эффективно и совершали ошибки. Двухсуточная схема стыковки стала использоваться и на МКС, и до начала десятых годов и грузовые и пилотируемые корабли добирались до станции за 34 витка.
Быстрота и точность
К началу десятых годов переход на цифровые системы управления на кораблях и ракетах-носителях позволил начать эксперименты с более быстрыми схемами стыковки. В РКК «Энергия» главным энтузиастом стал Рафаил Фарвазович Муртазин, работающий в отделе баллистики с 1979 года, а сейчас занимающий должность начальника отдела.
Р.Ф. Муртазин, фото Веры Тюкаловой/«Твой сектор космоса»
Но к какой длительности переходить? История показала, что суточная схема неоптимальна. Вообще, по словам врачей и космонавтов, острый период адаптации к невесомости начинается спустя примерно шесть часов пребывания в космосе. Второе ограничение задала техника — после пятого витка орбита смещается относительно наземных измерительных пунктов, и управлять кораблем становится гораздо сложнее. Первоначально разрабатывалась схема в пять витков, но оказалось, что из-за особенностей управления ее нельзя предварительно проверить на грузовом корабле. Значит, именно четыре витка или шесть часов стали максимально допустимыми для короткой схемы. Причем методика должна быть рабочей постоянно, рекорд ради рекорда не имеет смысла. А для этого необходимо было научиться решать технические и баллистические задачи. МКС — самая тяжелая станция из когда-либо существовавших, и возможности ее маневра для формирования требуемой орбиты весьма ограничены. Также она большая, с огромными солнечными панелями, и заметно тормозится остатками атмосферы. А плотность этих остатков зависит от солнечной активности, которую нельзя предсказать на месяцы вперед. К тому же иногда приходится выполнять маневры для уклонения от космического мусора. Есть и технические ограничения — стыковку надо производить на дневной стороне орбиты и в зоне видимости наземных пунктов управления. Ну и, наконец, нужно сохранять параметры орбиты совместимыми с будущими запусками.
Главный параметр, который определяет возможность стыковки — это фазовый угол и его допустимый диапазон. Когда «Союз» или «Прогресс» отделяются от третьей ступени ракеты-носителя, то они находятся на низкой орбите на высоте примерно 210 км. МКС летает выше, на 400-450 км. Чтобы долететь до станции кораблю надо поднять свою орбиту и прицелиться в точку, где станция окажется через некоторое время. Поэтому в момент отделения между кораблем и станцией есть так называемый фазовый угол (на рисунке светлый сектор).
У фазового угла есть допустимый фазовый диапазон. Для двухсуточной схемы он был просто огромным — 150°. А у четырехвитковой схемы он оказался гораздо меньше — 22 градуса (фазовый угол от 18° до 40°). И то пришлось применять технические хитрости, например, корабль выполняет первые два маневра в автономном режиме, опираясь на расчетное, а не реальное положение. На последующих маневрах, когда становилась известна ошибка выведения, выполнялась коррекция. Без этой хитрости фазовый диапазон упал бы до примерно 15 градусов, и было бы крайне сложно укладывать в него неравномерно и непредсказуемо снижающуюся станцию.
Маневры и высота орбиты корабля «Союз МС-11», источник
Предел совершенства
Первый пилотируемый «Союз» отправился к станции по короткой схеме в 2013, и экипаж оценил удобство нововведения. Но и она оказалась не идеальной — у космонавтов получается очень длинный рабочий день, 18-20 часов, из которых 11 приходится проводить в скафандрах. Возникло очевидное желание сократить время от старта до стыковки еще больше. Но чем меньше время полета, тем меньше допустимый фазовый диапазон. На помощь пришли новые баллистические хитрости — если допустить выведение корабля на чуть отличающуюся по наклонению орбиту, то можно дополнительно маневрировать временем старта, расширяя границы фазового диапазона. Уже в космосе корабль (или третья ступень ракеты-носителя) выполнит дополнительный маневр вбок, чтобы совместить плоскости орбит, потому что для стыковки нужны совпадающие (компланарные) плоскости. Так родилась двухвитковая сверхкороткая схема сближения.
Первые попытки были неудачны — из-за технических проблем запуски «Прогрессов» в конце 2017 и начале 2018 сдвигались на резервные дни, вынуждая использовать ставшую запасной двухсуточную схему. Первый «Прогресс» по сверхкороткой схеме полетел летом прошлого года и добрался до станции за 3 часа 40 минут. И сейчас успешно прошло второе испытание, в котором время сократили еще чуть-чуть, до 3 часов 21 минуты.
Обратите внимание, что в схеме двухвиткового сближения фазовый диапазон упал до 6° (от 12° до 18°). Несмотря на все хитрости, ловить станцию в допустимый диапазон теперь еще сложнее, и успешные полеты показывают возрастание уровня контроля и управления большой и тяжелой МКС. И это не предел — Рафаил Фарвазович еще в 2013 году мечтал о стыковке за один виток! Для этого придется менять участок автономного сближения, но задача выглядит решаемой. Так что, вполне возможно, что уже через несколько лет «Союз» будет еще больше казаться похожим на пригородную «Газель» — «полтора часа в тесноте, и ты на МКС». А то, какими техническими и математическими сложностями обеспечивается этот короткий полет, будет удивительным сюрпризом для любознательных, захотевших копнуть глубже.
Источник
