На ракете по Луне: космонавты с ранцем

На ракете по Луне: космонавты с ранцем

Если бы отечественный проект 1960−1970-х годов по созданию на Луне поселения был реализован, то в гараже лунянина ждал бы целый набор удивительных машин — ядерные луноходы, тягачи, работающие от изотопных источников… Но самым захватывающим транспортным средством обещал стать ракетный ранец, конструированием которого занимались сотрудники ГосНИИ авиационных систем.

«Странно, СССР всегда был ведущей космической державой, а ракетные ранцы в вашей стране как будто и не делали», — писал мне по электронной почте Петер Гийсбертс, владелец самого известного сайта о ракетных ранцах. Петер консультировал наш журнал при подготовке статьи о ракетном ранце нового типа, сконструированном мексиканским изобретателем Хуаном Мануэлем Лозано («ПМ», № 9'2006), и попутно интересовался советскими разработками в этой области. Мы рассказали ему о «летающем кресле», созданном для перемещения в открытом космосе. Его в 1990 году возле орбитальной станции «Мир» испытал космонавт Александр Серебров. Рассказали Петеру и о более ранних средствах передвижения в космосе, которые разрабатывала НПО «Звезда» и которые так и остались на Земле, но Гийсбертс этим не удовлетворился. Он хотел знать, делали ли в нашей стране ракетные ранцы для перемещения по Земле. «Всемогущий» интернет на этот счет молчал, но когда номер со статьей о Лозано появился в продаже, нам стали писать читатели, сообщавшие, что ракетные ранцы испытывали и в Советском Союзе. Еще любопытней было то, что в нашей стране конструировали не только обычные «земные» ранцы. Группа специалистов из одного НИИ разрабатывала ракетные ранцы для передвижений по… Луне!

Люди-ракеты

Лунный ранец, или, как его называли конструкторы, лунный ПРТС («пилотируемая ракетная транспортная система»), может показаться совершенно безумным проектом. Но если вспомнить, что в 1960—1970-х годах в нашей стране всерьез собирались организовать лунную базу, все встанет на свои места. Неоспоримое преимущество таких ранцев перед луноходами и прочей налунной техникой заключалось в высокой скорости их передвижения и отсутствии проблем с покорением участков со сложным ландшафтом. Так что их предполагалось использовать для проведения спасательных операций, исследований в труднодоступных районах, быстрой эвакуации при внезапном повышении радиационной опасности.

Причем ракетные ранцы на Луне выглядели куда привлекательней земных аналогов. Из-за отсутствия сопротивления воздуха при полетах и меньшей силы гравитации они расходовали куда меньше топлива: на одной заправке можно было пролетать 30 км — на порядок больше, чем на Земле.

От земных ранцев к лунным

В те времена, когда в СССР начали разрабатывать лунные ПРТС, про ракетные ранцы можно было кое-что узнать из американских журналов. Об отечественных разработках сведений не имелось, хотя поговаривали, что в наших НИИ и КБ вели аналогичные работы и получали неплохие результаты.

Поэтому при разработке лунного ранца специалисты прежде всего ориентировались на американские модели для наземных полетов. Главным образом на разработки компании Bell Aerosystems, о которых много писали в прессе. Один из ранцев этой компании можно было увидеть в популярном фильме 1965 года «Шаровая молния» — на нем летал Джеймс Бонд. Принципиально другой была разработка Bell Pogo, представлявшая собой летающую платформу с жестко закрепленным ракетным двигателем в нижней ее части. Любопытно, что американцы планировали использовать этот аппарат при освоении Луны. Причем перемещаться по ее поверхности предполагали с помощью небольших прыжков. В конце концов от столь экзотического транспортного средства NASA все-таки отказались, отдав предпочтение колесному луноходу.

Советские специалисты пошли другим путем. Многопрыжковую схему отклонили еще на раннем этапе исследований, поскольку с ней был связан ряд трудностей. Во‑первых, для успеха лунной миссии надо было обеспечить высочайшую надежность двигателя многоразового запуска; во‑вторых, возникали сложности с навигацией: перед каждым прыжком приходилось заново прицеливаться; наконец, по расходу топлива многопрыжковая схема начинала проигрывать горизонтальным перелетам, если совершалось более двух прыжков.

Баллистические траектории прыжкового типа, столь любимые фантастами, в условиях Луны также оказались непригодными. Причины этого — значительные высоты прыжка, до четверти от дальности; необходимость очень точной дозировки разгонного и тормозного ракетных импульсов; невозможность оперативно корректировать параметры полета. Было решено обеспечить полет по самым оптимальным в условиях Луны горизонтальным траекториям, но для этого требовалось разработать штатную систему стабилизации для ПРТС. Без нее в отсутствие атмосферы тело космонавта постоянно раскачивалось бы из стороны в сторону, как маятник.

Путешествующим по Луне Путешествующим по Луне Применять ракетный ранец на Луне куда целесообразней, чем в земных условиях. Отсутствие сопротивления воздуха при полетах и меньшая сила гравитации позволяют расходовать куда меньше топлива. На одной заправке на Луне можно пролететь 30 км — на порядок дальше, чем это возможно на Земле. Средняя скорость полета при этом составит около 300 км/ч. Как устроен советский ракетный ранец: 1. Сопла системы стабилизации // 2. Фара // 3. Система индикации на стекле шлема // 4. Сопло двигателя коррекции // 5. Пульты управления // 6. Сопло основного двигателя // 7. Топливо // 8. Платформа ПРТС // 9. Посадочная опора.

Прерванный путь

После определения основных характеристик цикл разработки лунного ракетного ранца был запущен, и вскоре оформились более четкие представления об этом транспортном средстве. При выборе проектных параметров в максимальной степени использовались наработки по летательному креслу космонавта (типа 21 КС), в частности это касалось выбора силовой схемы системы автоматической стабилизации, обеспечения работы совмещенных режимов «стабилизация + ориентация», «стабилизация + линейные перемещения», а также настройки контуров аппарата с учетом требований эргономики.

Примерные характеристики советского ракетного ранца для перелетов по Луне. Экипаж: 1 человек // Стартовый вес (земной) с космонавтом в снаряжении: 350−380 кг // Дальность полета при одной заправке топливом, без промежуточных посадок и коррекций траектории: 28−30 км //Оптимальная скорость полета на полную дальность: 100−110 м/с // Высота полета: не менее 10 м // Потери в дальности из-за 2−3 промежуточных посадок: не более 15−20%

Полет должен был осуществляться по горизонтали, вес космонавта при этом постоянно компенсировался вертикальной составляющей тяги полетного двигателя. Для перемещения в продольном и вертикальном направлении использовалась основная двигательная установка с поворотным по тангажу соплом, для коррекции курса в поперечном направлении были установлены дополнительные двигатели с фиксированными соплами. Предполагалось выбрать стабильное в условиях Луны и удобное в обращении однокомпонентное самовоспламеняющееся топливо типа гидразина.


Ключ к покорению

Система автоматической стабилизации стала ключевой разработкой, сделавшей «нормальные» перелеты над лунной поверхностью возможными. При полетах на Земле в такой системе нет особой нужды, поскольку маятниковым эффектом он практически не сопровождается. Над поверхностью Земли этот эффект просто нивелируется силами аэродинамического сопротивления и демпфированием атмосферы. Так что маятниковый эффект проявляется лишь короткое время в виде небольших покачиваний тела пилота при разгонах и торможения. При выходе же на режим полета оператор принимает естественное вертикальное положение.

На Луне, в отсутствии сил сопротивления, космонавт превращается в физический маятник. Без системы стабилизации его тело будет сильно отклоняться вперед при разгоне и назад при торможении, к тому же ему придется все время подворачивать в нужное положение равнодействующую силу, чтобы создавать восстанавливающий момент и не опрокинуться, и успевать компенсировать свой вес.

Понятно, что такие полеты не просто некомфортны для пилота, но просто опасны для его жизни, так что без специальной системы автоматической стабилизации тут не обойтись. И такая система была сконструирована.

Работая в основном режиме, она обеспечивает автоматическую стабилизацию естественного для человека пространственного положения. При переключении в режим ручной ориентации система обеспечивает развороты космонавта в нужном направлении. При этом в незанятых каналах автоматическая стабилизация сохраняется. Как только космонавт «бросает» ручку управления ориентацией, система мгновенно переключается на свой основной режим.

Главный элемент системы — блок чувствительных гироскопических датчиков, следящих за правильным положением космонавта в пространстве. В качестве силового исполнительного устройства используется система малогабаритных импульсных ракетных двигателей, создающих пары сил относительно всех трех осей вращения вокруг центра масс. Датчики отслеживают всевозможные возмущения при движении аппарата и передают сигналы двигателям стабилизации, которые поддерживают нормальную ориентацию аппарата. Кроме того, двигатели стабилизации в согласованном режиме смогут обеспечить и небольшие перемещения ПРТС в горизонтальной плоскости «вперед-назад», «влево-вправо» — например, в случае, когда в состоянии зависания нужно уточнить точку посадки. При этом система стабилизации продолжает выполнять свои основные функции, а также, если нужно, обеспечивать режим ручной ориентации.


Любопытной деталью исследования стал подсчет расхода топлива. Специалисты предположили, что если космонавту придется при перелетах часто менять высоту, то топлива будет расходоваться больше. Однако тут открылся своеобразный баллистический парадокс горизонтальных полетов. Оказалось, что вертикальные маневры при полетах над гористым рельефом незначительно увеличивают расход топлива по сравнению с чисто горизонтальным полетом на ту же дальность. Математически парадокс доказывается несложно, и конструкторы не могли нарадоваться тому, что появилась возможность рассчитывать необходимый запас топлива, не принимая во внимание «чудеса» заранее неизвестного рельефа.

В начале 1970-х были завершены цикл теоретических работ и математическое моделирование. Специалисты перешли к стадии натурных работ на динамических стендах с использованием макета — эквивалента лунного ранца с реальными запусками двигательной установки. Но приступить к испытаниям прототипа не успели: лунную программу закрыли, и в ракетном ранце не стало нужды.

Многие специалисты уверены, что проект лунного поселения будет осуществлен в нашем столетии. Так что, возможно, наработки тех лет, еще хранящиеся в архивах наших НИИ и КБ, дождутся своего часа.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2007).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.