Как НАСА еще до полетов на Луну планировало космическую станцию с искусственной гравитацией

Еще до полетов на Луну в НАСА серьезным образом рассматривали и другие интересные проекты, в надежде быстро «догнать и обогнать» СССР в космической гонке. Одним из  вариантов был масштабный проект космической орбитальной станции с искусственной гравитацией на орбите Земли. Первые наброски этого проекта были готовы в 1962 году и были предоставлены еще президенту Кеннеди ан рассмотрение.

Когда впервые был предложен в 1959 году космический корабль, который впоследствии стал известен как Командно-служебный модуль (CSM) Apollo, он был задуман как орбитальный «усовершенствованный пилотируемый космический корабль», предназначенный для полетов вокруг Луны или лунно-орбитальных полетов. 15 ноября 1960 года НАСА заключило шестимесячные контракты на технико-экономическое обоснование именно такого космического корабля Apollo с тремя подрядчиками.

В 1960 году ожидалось, что трехместный космический корабль «Аполлон» станет вторым пилотируемым космическим кораблем США после капсулы «Меркурий». Он будет включать командный модуль (CM), сервисный модуль (SM) и орбитальный модуль; последний из них увеличит рабочее и жизненное пространство, доступное для экипажа, фактически превратив космический корабль в мини-космическую станцию.

НАСА ожидало, что его пилотная программа в 1960-х годах пойдет по одному или обоим из двух «логических» путей, и что «Аполлон» будет иметь решающее значение для обоих. По первому пути экипажи космических кораблей «Аполлон» должны были попасть во временную «орбитальную лабораторию». Орбитальный модуль будет использоваться для транспортировки материалов в лабораторию в космосе. Другой путь — это пилотируемый полет Аполлона вокруг Луны.

Аполлон на развилке дорог: планы НАСА по пилотируемому космическому полету в 1959 году.
Изображение предоставлено НАСА.

Кеннеди попросил Линдона Бейнса Джонсона, своего вице-президента и председателя Национального космического совета, предложить космическую цель, которую США может опередить как реальную, в том, чтобы обогнать  Советский Союз в космосе.  Так была определена задача высадки человека на Луну.

Модель командно-служебного модуля Apollo на концептуальном десантном двигательном модуле. Изображение предоставлено НАСА. Вариант прямой посадки.

28 ноября 1961 года НАСА заключило с North American Aviation (NAA) контракт на создание Apollo CSM, конструкция которого включала два модуля: конический CM и SM-барабанный SM. 11 июля 1962 года в рамках продолжающихся дебатов, которые не были окончательно разрешены до ноября того же года, НАСА выбрало режим лунно-орбитального рандезуса (LOR) для выполнения миссии «Аполлон».

Таким образом, Apollo CSM стал базовым кораблем для доставки астронавтов, а LEM (Lunar Excursion Module ) на лунную орбиту и возвращения астронавтов и лунных камней на Землю.
Несмотря на новую высокоприоритетную цель президента Кеннеди по высадке на Луну, исследования проектов космических станций в НАСА не прекращались. Фактически, некоторые аналитики полагали, что НАСА может запустить свою первую станцию ​​на околоземную орбиту до того, как астронавт ступит на Луну.

В недавно созданном Центре пилотируемых космических аппаратов НАСА (MSC) в Хьюстоне, штат Техас, инженер Эдвард Оллинг возглавил планирование космической станции. Он неофициально назвал первую предложенную MSC программу станции «Проект Олимп».

В апреле 1962 года Оллинг распространил проект документа по первой большой орбитальной станции, а затем, 16 июля 1962 года, он представил высшим руководителям MSC свой «Краткий план развития проекта» программы космической станции «Проект Олимп». Оллинг предполагал, что будет запущена серия из четырех станций на 24 человека, которые будут постоянно укомплектовываться персоналом в течение от пяти до семи лет.

Оллинг объяснил, что космические станции проекта Olympus предоставят НАСА достаточно астронавтов, научное оборудование, герметичный объем и электроэнергию для проведения широкомасштабных фундаментальных и прикладных научных исследований в космосе. Тем не менее, первые исследования станции должны были быть направлены на ответы на важные вопросы об эффективности человека в космосе; например, могут ли астронавты безопасно и эффективно работать на орбите в течение длительного времени?

Изображение предоставлено НАСА.

Каждая станция проекта Олимпус весом 138 600 фунтов должна была состоять из центрального узла объемом 15 000 кубических футов, из которого будут исходить три равномерно расположенных рукава с общим объемом около 35 000 кубических футов. Хаб будет включать ангар для экипажа и кораблей снабжения. Каждая рука будет включать герметичный модуль экипажа овального сечения с двумя цилиндрическими туннелями доступа. Станция Project Olympus будет запускаться на двухступенчатой ​​ракете Saturn V со ступицей наверху и тремя радиальными рычагами, сложенными внизу. Оказавшись на орбите, станция отделилась бы от второй ступени Сатурна V, и три рукава повернулись вверх и зафиксировались на месте. Герметичные туннели будут связывать каждое плечо со станционным узлом.

Маленькие ракетные двигатели на концах рукавов должны были раскрутить станцию. Станция Project Olympus шириной 150 футов будет вращаться четыре раза в минуту, создавая ускорение в своих руках, которое экипаж внутри будет ощущать как небольшую силу тяжести. Палубы экипажа, наиболее удаленные от центра, испытают наибольшее ускорение: эквивалент четверти гравитационного притяжения Земли.

Оллинг намекнул, что разные уровни ускорения, испытываемые на разных расстояниях от ступицы, могут быть полезны для научных исследований, хотя он не объяснил, как это сделать.

Рисунок космической станции типа «Проект Олимп» в разрезе. Центрифуга в нижней части ступицы могла бы поддерживать эксперименты с переменной гравитацией. Не показана энергосистема станции; NASA MSC предложило конструкции как солнечных, так и атомных станций. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

Со временем будут добавляться новые исследовательские задачи по мере вывода из эксплуатации старых станций и запуска новых. Станции проекта Олимп станут объектами исследования космической среды, «национальными лабораториями» для исследований в области метеорологии, геофизики, радиосвязи, навигации и астрономии, а также платформами для «орбитальных операций» (то есть верфями для подготовки космических кораблей, направляющихся в точки за орбитой космической станции).

Оллинг сообщил руководству MSC, что станции проекта Olympus должны работать на круговых орбитах высотой 300 морских миль с наклоном 28,5 ° относительно экватора Земли — то, что он назвал «орбитой Меркурия», потому что она соответствует наклонению орбиты одноместных капсул Меркурия.

В апреле 1963 года MSC заключила с NAA контракт на семимесячное исследование модифицированного логистического космического корабля Apollo (MODAP) для доставки астронавтов и грузов на космические станции проекта Olympus. Конструкция Apollo CSM на тот момент еще не достигла своей окончательной формы. Например, не была выбрана конструкция стыковочного узла, хотя в конечном итоге выбранная система «зонд-тормоз» уже была ведущим кандидатом. Однако общая схема CSM была прочно закреплена, что дало NAA значимую отправную точку для исследования MODAP.

Аполлон 15 команд и служебный модуль Индевор на лунной орбите. Изображение предоставлено НАСА.

Apollo CM включал в себя три кресла для астронавтов, пульты управления, небольшие окна в стратегических точках, боковой люк с окном, стыковочный туннель и парашюты в носовой части, двигатели для ориентации его при входе в атмосферу и, в его основании, чашеобразный возвратный тепловой экран. Шланги и кабели в откидном корпусе соединяли CM с SM.

CSM MODAP будет включать упрощенный SM и усиленный CM. Поскольку он будет проводить ограниченное количество времени в свободном полете до стыковки с околоземной станцией, MODAP SM может обойтись без многих лунных систем SM или минимизировать их количество. Например, батареи заменят топливные элементы, а компактный спускаемый двигатель LEM может заменить SPS. Двигатель LEM будет получать топливо из пары сферических баков в центральном цилиндрическом отсеке MODAP SM. Эти исключения и дополнения освободят четыре треугольных отсека MODAP SM для грузовых перевозок.

Apollo SM имел шесть примерно треугольных отсеков, расположенных вокруг цилиндрического сердечника. В отсеках находилось топливо, топливные элементы, резервуары с жидким водородом и жидким кислородом, а также другие системы, необходимые для лунной миссии. Для своих миссий по логистике околоземных орбитальных станций MODAP SM требовалось меньше систем и танков, поэтому четыре из шести треугольных отсеков можно было выделить для грузов. На изображении секции справа показаны отсеки для груза и оборудования, а также возможное расположение четырех грузовых дверей. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

 Станция проекта Олимп будет восстанавливать и повторно использовать всю воду, запущенную вместе с ней, поэтому не будет нужды в пополнении запасов воды.

На этих чертежах в разрезе ангара проекта Olympus показаны внутренние (справа) и внешние методы перемещения грузов на поддонах. Внутренний метод предполагает, что весь MODAP CSM может поместиться в ангаре. На рисунке слева показано, как выступающий MODAP SM отделяется от MODAP CM и поворачивается в положение для разгрузки груза. Команды MODAP для возврата на Землю состыкованы радиально на куполообразном стыковочном узле у пола ангара. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

MODAP CSM будет стыковаться со станцией Project Olympus через осевую стыковку в нижней части ангара станции. NAA предполагало, что станция будет включать в себя либо высокий ангар для всего MODAP CSM, либо короткий ангар только для MODAP CM (в этом случае MODAP SM будет выступать в космос). В первом случае передача CAM может происходить полностью в ангаре. В последнем случае передача CAM будет происходить вне станции. В обоих случаях после того, как весь груз был переброшен, MODAP SM будет отброшен, а ангар закрыт для защиты MODAP CM.

На этих чертежах в разрезе ангара станции Project Olympus показаны внутренние (справа) и внешние методы передачи CAM. Сравните с приведенными выше чертежами передачи на поддонах. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

Чтобы освободить единственный осевой стыковочный порт для следующего MODAP CSM, манипулятор внутри ангара должен повернуть MODAP CM к одному из трех радиальных причальных портов. Он будет оставаться там, подвергаясь периодическому осмотру и техническому обслуживанию, но в остальном бездействующий, на срок до шести месяцев.

Спускаемый модуль MODAP CM должен был нести отдельный спускаемый с орбиты двигательный модуль. NAA предложила группу из шести твердотопливных  ракет, любые пять из которых могли затормозить с орбиты MODAP CM. В пакет также будут входить батареи для питания MODAP CM во время свободного полета перед возвращением в атмосферу. Расчет предполагал, что при нормальных обстоятельствах CM MODAP потребуется 30 минут для проверки и расстыковки. Экипаж MODAP CM включит его тормозные ракеты сразу после того, как он покинет ангар.

MODAP CM с ретропланшетом на твердом топливе. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

Через двадцать пять минут после торможения и вскоре после отделения ракет MODAP CM снова войдет в атмосферу Земли. Поскольку MODAP CM будет сталкиваться с атмосферой, движущейся примерно со скоростью, равной половине скорости лунного CM Apollo, его тепловой экран может быть примерно вдвое меньше. Для спуска и приводнения потребуется 11 минут. С шестью астронавтами на борту MODAP CM будет тяжелее лунного CM, поэтому он будет опускаться на четырех парашютах; то есть на один больше, чем лунный CM. Его экипаж мог безопасно приводниться в случае отказа одного парашюта.

При нормальных обстоятельствах MODAP CM приводнился бы в Мексиканском заливе недалеко от Хьюстона, поэтому спасение экипажа могло бы произойти в течение нескольких часов. Однако было признано, что могут произойти чрезвычайные ситуации.

Из-за этого MODAP CM мог летать без космической станции в течение 10,5 часов, в то время как его наклонная орбита и вращение Земли давали ему курс на вход и приводнение в любой из трех точек. Это был главный объект в Мексиканском заливе, участок недалеко от Окинавы в западной части Тихого океана и один возле Гавайев. Чтобы сократить расходы, флот спасательных судов не будет оставаться в резерве на местах приземления; из-за этого астронавтам может потребоваться до 24 часов для спасения после аварийного приводнения возле Окинавы или Гавайев.

Прерывание во время восхождения на околоземную орбиту может привести к приземлению КМ Apollo и MODAP в южной части Африки; то есть приземлиться на сушу. Для защиты экипажа из трех человек во время приземления лунный CM будет включать амортизаторы в опорные стойки сиденья. Это позволило бы кушеткам экипажа перемещаться вертикально на расстояние до пяти дюймов, чтобы рассеять силу удара.

Тесная посадка: размещение шести человек в командном модуле MODAP. Изображение предоставлено: Североамериканская авиация / НАСА.

Но поскольку MODAP CM будет нести шесть мужчин, выстроившихся в два ряда по три кушетки в каждом, один ряд над другим, выяснилось, что вертикальное перемещение кушетки не было бы вариантом. Трехместный лунный КМ также полагался на разрушающийся материал за своим теплозащитным экраном, чтобы поглотить силу удара о землю, но этого было бы недостаточно для большей массы шести астронавтов в MODAP CM.

NAA предложила решить проблему аварийной приземления, фактически переместив амортизаторы со стоек сиденья на теплозащитный экран MODAP CM и добавив четыре твердотопливные посадочные ракеты. В случае приземления на землю чашеобразный тепловой экран развернется вниз на амортизирующих стойках, а ракеты воспламенятся и вылетят из-за защиты вперед.

NAA предусматривала программу разработки и испытаний MODAP CSM, охватывающую период с начала 1964 до середины 1968 года. Эксплуатационные CSM MODAP будут доставлять экипажи и предметы снабжения на станции Project Olympus в период с середины 1968 года до конца 1973 года. Компания ожидала, что пять CSM MODAP будут использоваться в наземных испытаниях и беспилотных испытательных полетах, и что 40 CSM MODAP будут поддерживать работу станции.

Важным результатом Плана развития проекта Оллинга и исследования MODAP NAA стало осознание того, что ротация экипажа космической станции и пополнение запасов будут доминировать в общей стоимости программы космической станции. Подводя итоги своих выводов, Оллинг написал, что «многоразовая ракета-носитель может принести большую экономию» (то есть обеспечить значительную экономию средств) для программы станции. Даже если бы четыре космические станции были запущены на одноразовых ракетах «Сатурн-V» во время программы «Проект Олимп», стоимость станции составила бы всего 1,273 миллиарда долларов; то есть примерно на 600 миллионов долларов меньше, чем полеты MODAP CSM.

Исследовательские группы Project Olympus и MODAP CSM были не единственными, кто пришел к таким выводам; таким образом, уже в 1963 году многоразовый логистический космический корабль стал рассматриваться как желательный компонент большой программы космической станции.