Космонавтика

Космона́втика

(от Космос и греч. nautikе́ искусство мореплавания, кораблевождение)

полеты в космическом пространстве; совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих освоение космоса и внеземных объектов для нужд человечества с использованием разного рода космических летательных аппаратов (См. Космический летательный аппарат) включает проблемы: теории космических полетов — расчеты траектории и др.; научно-технические — конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружении, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерении, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станции и прочие; медико-биологические — создание бортовых систем жизнеобеспечения (См. Жизнеобеспечение), компенсация неблагоприятных явлении в человеческом организме, связанных с перегрузкой, Невесомостью, радиацией и др.; юридическо-международно-правовое регулирование вопросов использования космического пространства и планет и т. п.

Историческая справка. В своих мечтах, воплощённых в сказках, легендах, фантастических романах, человечество уже давно стремилось в космос, об этом свидетельствуют и многочисленные (как правило, неосуществимые) изобретения прошлого. Рассказы о полёте в небо уже встречаются в ассиро-вавилонском эпосе, в древнекитайских и иранских легендах. В древнеиндийской поэме «Махабхарата» содержатся наставления для полёта на Луну. Широко известен греческий миф о полёте к Солнцу Икара на крыльях, скрепленных воском. Полёт к Луне на крыльях описал Лукиан Самосатский (2 в. н. э.).

Теоретическое обоснование возможности полётов в космическом пространстве впервые было дано русским учёным К. Э. Циолковским (См. Циолковский) в конце 19 в. В своём труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903) и дальнейших работах Циолковский показал реальность технического осуществления космических полётов и дал принципиальное решение ряда основных проблем К. Помимо трудов Циолковского, вопросам К. были посвящены работы И. В. Мещерского (См. Мещерский) (с 1897), Ю. В. Кондратюка (1919—29), Ф. А. Цандера (1924—32), Н. А. Рынина (1928—32) и др. русских учёных. За рубежом ранние труды по К. были опубликованы Р. Эно-Пельтри (Франция, 1913), Р. Годдардом (США, 1919), Г. Обертом (Германия, 1923). В 20-х гг. 20 в. были основаны первые общества К.: в СССР (1924), Австрии (1926), Германии (1927), Великобритании и США (1930). Целью этих обществ была пропаганда идей К. и содействие решению практических проблем в этой области. В СССР работы в области ракетной техники начаты в 1921; в это время была организована Газодинамическая лаборатория (ГДЛ). С 1928 под руководством Н. И. Тихомирова (основателя ГДЛ) проводились лётные испытания ракет на бездымном шашечном порохе. С 1929 в ГДЛ В. П. Глушко начал разработку ракет с электрическими (ЭРД) и жидкостными (ЖРД) ракетными двигателями. Первые испытания ЭРД проведены в 1929, ЖРД — в 1931. В 1932 в Москве была создана производственная Группа изучения реактивного движения (ГИРД), осуществившая под руководством С. П. Королева (См. Королёв) в 1933 первые пуски советских жидкостных ракет конструкции М. К. Тихонравова и Ф. А. Цандера. В конце 1933 на базе ГДЛ и ГИРД был основан Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). Эти три организации внесли основополагающий вклад в развитие советского ракетостроения. Выросшее из ГДЛ опытно-конструкторское бюро (ГДЛ — ОКБ) по разработке ЖРД совместно с др. ОКБ, институтами и заводами обеспечили дальнейшее развитие ракетной и космической техники в СССР.

В США экспериментальные работы с ЖРД были начаты Р. Годдардом в 1921, а пуски жидкостных ракет производились с 1926. В Германии стендовые испытания двигателей этого класса начаты Г. Обертом в 1929, а летные испытания жидкостных ракет — И. Винклером в 1931. Во время 2-й мировой войны 1939—1945 Германия использовала жидкостные ракеты с дальностью полёта 250—300 км (ракета V-2 конструкции В. фон Брауна) Потенциальные возможности нового оружия побудили многие страны форсировать работы по ракетной технике после войны, в результате чего были созданы межконтинентальные и др. баллистические ракеты, снабженные ядерными боеголовками. Эти работы косвенным образом способствовали созданию необходимой технической базы К.

Космическая эра. Начало космической эры — 4 октября 1957, дата запуска в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Вторая важнейшая дата космической эры —12 апреля 1961 — день первого космического полета Ю. А. Гагарина, начало эпохи непосредственного проникновения человека в космос. Третье историческое событие К. — первая лунная экспедиция 16—24 июля1969, выполненная Н. Армстронгом, Э. Олдрином и М. Коллинзом (США).

Космические аппараты созданы и используются в ряде стран: в СССР с 1957, в США с 1958, во Франции с 1965, в Японии и КНР с 1970, в Великобритании с 1971. О масштабах работ, ведущихся по К., можно судить по количеству, например, советских искусственных спутников Земли, Солнца, Луны и Марса, число которых на 1 июля 1973 составляло 742 при массе 2233 т, или 4388 т вместе с конечной ступенью ракет-носителей; 2-я космическая скорость сообщена 41 объекту массой 110 т, а вместе с конечной ступенью ракеты 167 т. Аналогичный масштаб приобрели работы по К. в США. На 1 мая 1973 космические полёты совершили 25 советских космонавтов на 18 кораблях и орбитальной станции «Салют», 38 американских космонавтов на 27 орбитальных кораблях; число ИСЗ, выведенных на орбиты др. странами: 7 — Франция, 4 — Япония, 2 — КНР, 1 — Великобритания.

Основоположником практической К. является С. П. Королев. К 1957 под его руководством был создан ракетно-космический комплекс, позволивший запустить первый искусственный спутник Земли, а затем был осуществлен вывод на околоземные орбиты ряда автоматически управляемых космических аппаратов; к 1961 был отработан и запущен космический корабль «Восток», на котором совершил первый полёт Ю. А. Гагарин. Королев руководил разработкой автоматических межпланетных станций для исследования Луны (вплоть до «Луны-9», совершившей первую мягкую посадку на Луну), первых экземпляров космических аппаратов «Зонд» и «Венера», космического корабля «Восход» (первый многоместный корабль, из которого совершен первый выход человека в космическое пространство) и т. д. Не ограничивая свою деятельность созданием ракет-носителей и космических аппаратов, Королев осуществлял общее техническое руководство работами по обеспечению первых космических программ. Важный вклад в развитие советской ракетно-космическое техники сделан также конструкторскими бюро, возглавляемыми М. К. Янгелем, Г. Н. Бабакиным, А. М. Исаевым, С. А. Косбергом и др. Под руководством В. П. Глушко (основатель и руководитель ГДЛ — ОКБ) разработаны мощные ЖРД, установленные на всех советских ракетах-носителях, летавших в космос (1957—73).

Современная теория космических полётов основана на небесной механике (См. Небесная механика) и теории управления движением летательных аппаратов. В отличие от классической небесной механики, новое направление называется астродинамикой (См. Астродинамика). К. потребовала разработки оптимальных траекторий космических летательных аппаратов (выбор времени старта и вида траектории, исходя из требования минимальных затрат топлива ракеты-носителя) с учётом эволюции этих траекторий под действием возмущающих сил (особенно гравитационных полей, эффекта аэродинамического торможения от взаимодействия космического аппарата с разреженными верхними слоями атмосферы для искусственных спутников планет и под действием солнечного давления для межпланетных перелётов). Требование оптимальности приводит иногда к достаточно сложным траекториям — с длительными перерывами в работе ракетных двигателей носителя (например, при старте к Луне, Марсу и Венере осуществляется вывод космического аппарата на траекторию ИСЗ и лишь затем к планете) и с использованием гравитационного поля небесных тел (например, при полёте к Луне с целью изгиба траектории, необходимого для возвращения к Земле без запуска ракетного двигателя).

Важный раздел астродинамики — теория коррекций траекторий полёта. Отклонение фактической траектории от расчётной связано с двумя факторами: искажением траектории возмущающими силами, которые невозможно учесть заранее (например, торможение ИСЗ атмосферой, плотность её изменяется нерегулярно), и неизбежными при технической реализации малыми ошибками в скорости и направлении полета космического аппарата в момент выключения двигателей носителя (эффект ошибок постепенно нарастает при межпланетных полётах). Коррекция заключается в кратковременном включении ракетного двигателя для исправления траектории. В теории коррекции рассматриваются вопросы оптимальности коррекционного маневра (наивыгоднейшее число, расположение точек коррекций на траектории и т. п.). Для выполнения коррекций и манёвров необходимо знание фактической траектории полёта космического аппарата. Если определение фактической орбиты производится на борту летящего аппарата, то оно является составной частью автономной навигации и состоит из измерения углов между звёздами и планетами, расстояний до планет, времени захода и восхода Солнца и звёзд относительно края планет и т. п. и обработки измеренных данных по методам небесной механики на бортовой вычислительной машине.

Создание ракетно-космических комплексов — сложная научно-техническая проблема, Большие ракеты-носители достигают стартовой массы до 3000 т и имеют длину свыше 100 м. Для размещения в них необходимых запасов топлива (90% полной массы) конструкция ракет должна быть чрезвычайно лёгкой, что достигается рациональными конструктивными решениями и разумным снижением требований к запасам прочности и жёсткости. В полёте, по мере расходования топлива, опорожнённые части баков становятся излишними, их дальнейший разгон требует неоправданного расхода топлива, и поэтому оказывается целесообразным создавать многоступенчатые конструкции носителей (обычно от 2 до 4 ступеней); ступени ракеты отбрасываются последовательно, по мере опорожнения баков, Современная ракета-носитель представляет собой сложный комплекс устройств, из которых наиболее важны двигательная установка и система управления. Обычно применяют химические жидкостные ракетные двигатели, реже на твёрдом топливе; двигатели, основанные на потреблении ядерной энергии, находятся (1973) ещё в стадии экспериментальных исследований, однако, несомненно, что использование в будущих космических экспедициях ядерной энергетики вполне реально. Пилотируемые полёты к Марсу с высадкой человека на его поверхность и др. аналогичные космические программы требуют огромных энергетических затрат, которые возможно реализовать лишь при использовании ядерных источников энергии совместно с химическими. Мощность двигательных установок ракет-носителей измеряется десятками млн. квт. Разработка мощных и экономных ракетных ЖРД для носителей направлена на выбор энергетически оптимальных топлив и обеспечение достаточно полного сжигания их в камере сгорания при высоких давлениях и температурах. При этом приходится решать трудные задачи охлаждения работающего двигателя, создавать устойчивость процесса горения в нём топлива и многое др.

Двигательные установки носителей, как правило, состоят из нескольких двигателей, синхронизация работы которых ведётся системой управления. Системы управления движением обычно автономные, т. е. работающие без вмешательства наземных пунктов. Они состоят из гироскопических и др. датчиков первичной информации, измеряющих мгновенное угловое положение носителя и действующие на него ускорения. Вычислительная машина определяет по этой информации фактическую траекторию и ведёт управление таким образом, чтобы к моменту выключения ракетных двигателей получить нужную комбинацию координат ракеты и её вектора скорости. Управление угловым положением носителя усложняется малой жёсткостью его конструкции и большой долей жидких масс в нём. Поэтому оно ведётся с учётом изгибных колебаний корпуса и колебательного движения жидких масс в баках.

Готовность ракеты-носителя к пуску проверяют на технической позиции космодрома в монтажно-испытательном корпусе, затем она транспортируется на стартовую площадку, где устанавливается на пусковую систему, проходит предстартовые испытания, заправку баков топливом и производится её пуск. Окончанием выведения космического аппарата на орбиту считается превышение первой космической скорости (около 7,91 км/сек) для ИСЗ и достижение скорости порядка второй космической (11,19 км/сек) для аппаратов, летящих к Луне, Марсу или Венере (для полёта к дальним планетам или Солнцу необходимо развить скорость, заметно превышающую вторую космическую). При этом ракета-носитель отделяется от космического летательного аппарата, продолжающего дальнейший орбитальный полёт, происходящий главным образом по инерции, согласно законам небесной механики. Выводимые на орбиты космические летательные аппараты можно разбить на 2 группы: для полёта вблизи Земли (ИСЗ) и в дальний космос, например к Луне или планетам. Эти аппараты могут содержать более или менее мощные ракетные ступени, если предполагается заметным образом изменять скорость полёта — для торможения при подлёте к планете назначения, если необходимо перейти на орбиту искусственного спутника планеты, для мягкой посадки на планету, лишённую атмосферы, для взлёта с неё и для разгона космического аппарата до скорости, обеспечивающей возвращение к Земле. В будущем для разгона космического летательного аппарата от первой космической скорости до более высоких предполагается использование экономичных электрических ракетных двигателей. Недостатком их является малая тяга, в результате чего разгон от первой до второй космической скорости (или торможение от второй до первой) может длиться несколько месяцев. Для получения нужной тяги необходимы мощные источники электроэнергии, использующие ядерную энергию, что создаёт дополнительные трудности при создании космических аппаратов в связи с необходимостью защиты приборов, а на пилотируемых аппаратах и экипажа от вредных излучений.

Космические аппараты должны обладать способностью к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства. Для этого необходимо иметь на них ряд систем: систему, поддерживающую заданный температурный режим; энергопитания, использующую для получения электрической энергии солнечное излучение (например, солнечные батареи (См. Солнечная батарея)), топливо (например, электрохимические генераторы тока) или ядерную энергию; систему связи с Землёй и космическими летательными аппаратами, управления движением и др. Кроме того, на борту устанавливается весьма разнообразная научная аппаратура — от небольших приборов для изучения свойств космического пространства до крупных телескопов. Эти приборы и системы объединяются системой управления бортовым комплексом, согласовывающей их работу.

Управление движением сводится к решению ряда задач: управлению ориентацией космического аппарата, управлению при коррекции и работе ракетных блоков при мягкой посадке и взлёте, при сближении и др. взаимном маневрировании космических аппаратов. Особый случай управления — спуск на поверхность планеты, имеющей атмосферу. Различают спуск в атмосфере с использованием её для торможения скорости полёта — неуправляемый (баллистический) и управляемый. Последний характеризуется высокой точностью посадки в заданном районе и более низкими перегрузками при торможении в атмосфере. Для защиты спускаемого аппарата от тепла, выделяющегося при торможении в атмосфере, применяются теплозащитные покрытия.

Для пилотируемого космического аппарата (космического корабля) возникает ряд дополнительных медико-биологических проблем. Космический корабль должен обеспечивать экипажу защиту от космической среды (вакуум, вредные излучения и т. п.) и иметь систему жизнеобеспечения. Эта система поддерживает нужный состав атмосферы внутри корабля, её температуру, влажность и давление; при кратковременных полётах предусматриваются запасы пищи, воды и пр., при длительных — производство пищевых продуктов, регенерация воды и кислорода должны происходить на борту. Полёт в космосе предъявляет повышенные требования к человеческому организму (влияние невесомости, перегрузок при взлёте и посадке и др.), поэтому необходим медицинский отбор космонавтов. Вопрос о допустимости длительного пребывания человека в условиях невесомости ещё не решен.

При спуске на поверхность небесных тел должны решаться задачи установки научной аппаратуры, выполнения экспериментов стационарными и мобильными автоматами, а в дальнейшем — осуществление экспедиций и строительство временных или постоянных баз для поселения космонавтов.

Обеспечение полёта космического летательного аппарата требует, как правило, широкой сети наземных служб управления. По всей территории Земли расположены пункты космической связи (См. Космическая связь), а там, где это невозможно, в океане, находятся оборудованные корабли (например, корабли «Юрий Гагарин» и «Космонавт Владимир Комаров»). При посадке космического летательного аппарата на Землю включается в работу служба спасения и эвакуации, в задачу которой входит отыскание спускаемого аппарата и его эвакуация, а при пилотируемых полётах и эвакуация экипажа, оказание ему в случае необходимости медицинской помощи, карантинные мероприятия (при возвращении экипажей с небесных тел) и т. п. Для упрощения поиска спускаемого аппарата он снабжается радиопередатчиком, по сигналам которого движутся суда, самолёты и вертолёты службы спасения и эвакуации. Управление полётом от старта до посадки требует привлечения большого числа различных служб. Организация взаимодействия бортовых систем управления и многочисленных наземных служб производится техническим руководством полёта.

Задачи освоения космического пространства для нужд человечества подразделяются на 2 группы: научные исследования и практическое использование. Помимо косвенного влияния космических исследований на практическую деятельность человечества через фундаментальные научные открытия, К. делает возможным непосредственное использование космических аппаратов в народно-хозяйственной практике. ИСЗ, движущиеся по высоким орбитам и оборудованные ретрансляторами, принимают сигналы с наземного пункта и после соответствующего усиления этого сигнала возвращают его на Землю, где он принимается пунктом, удалённым от первого на тысячи км. Такие спутники связи ретранслируют телевизионные программы, а также осуществляют телефонную и телеграфную связь. В метеорологии ИСЗ применяются для получения карт распределения облачности, теплового излучения Земли, наблюдения за движением циклонов и т. п. Эта информация непрерывно передаётся в мировые метеорологические центры и используется при составлении прогнозов погоды. Для морской и авиационной навигационной службы применяются ИСЗ, орбиты которых определяются с высокой точностью; во время сеансов радиосвязи с кораблями и самолётами они передают им свои текущие координаты. Определяя положение относительно навигационного спутника, любой объект в состоянии установить свои координаты.

Всё возрастающую роль играют ИСЗ для разведки природных ресурсов Земли и непрерывного наблюдения за их состоянием. Фотосъёмка поверхности Земли через разные светофильтры и др. методы исследования позволяют судить о распределении растительности, изменениях снежного покрова, разливе рек, состоянии посевов и лесов, следить за ходом полевых работ, оценивать ожидаемую урожайность, регистрировать лесные пожары и т. п. Со спутников можно вести океанологические и гидрологические исследования. Особую ценность представляет использование спутников в геодезии и топографии — для точной взаимной привязки далеко расположенных пунктов и быстрого обновления топографических карт путём фотосъёмок из космоса, а также для составления опорных геодезических сетей путём наблюдения спутников (координаты которых для каждого мгновения известны) с разных пунктов, расположенных на Земле (см. Космическая геодезия). Специфические особенности космического полёта (невесомость, вакуум и т. п.) могут быть использованы для некоторых особо тонких технологических процессов. В этом случае на ИСЗ будут располагаться соответствующие промышленные установки, а транспортные космические аппараты будут снабжать их сырьём и доставлять на Землю изготовляемую продукцию. Для решения задач, стоящих перед К. в околоземном пространстве, требуется значительное число специализированных автоматических ИСЗ (астрономические, солнечные, геофизические, геодезические, метеорологические, связные и т. п.), а также необходимы пилотируемые долговременные многоцелевые орбитальные станции. Смена экипажа по мере надобности будет осуществляться транспортными космическими кораблями, регулярно связывающими орбитальную станцию с космодромами.

Ближайшая цель К. при изучении Луны и планет — получение новых научных данных. Планируется продолжение изучения Луны как автоматическими, так и пилотируемыми космическими летательными аппаратами, затем организация на ней научных баз. Полёты к Меркурию, Венере, Марсу и Юпитеру осуществляются автоматами, а в 80—90-е гг. 20 в. мыслятся пилотируемые полёты с высадкой человека на Марсе (длительность экспедиции около 3 лет). Изучение далёких планет, вылет за пределы Солнечной системы и полёты к Солнцу длительное время возможны только для автоматов и характеризуются очень большой продолжительностью, что требует нового шага в развитии технологии для создания аппаратуры исключительно высокой надёжности. В будущем К. откроет человечеству возможность освоения материальных и энергетических богатств Вселенной.

По своей сущности К. — область общечеловеческой деятельности, и, проводимая даже в национальных рамках, она затрагивает одновременно интересы многих стран (см. Космическое право). Об основных событиях космической эры см. таблицу.

Основные события космической эры4

Лит. см. при ст. Космический летательный аппарат.

В. П. Глушко, Б. В. Раушенбах.

Космонавт Джеймс Ирвин на Луне.

Общий вид автоматической межпланетной станции «Марс 3».

«Луноход 1».

Ракета-носитель с космическим кораблем «Аполлон-11» в момент старта.

Спускаемый аппарат автоматической межпланетной станции «Марс-3».

Спускаемый аппарат автоматической межпланетной станции «Венера-8».

Посадка автоматической станции «Луна 16» на Луну (рисунок).

Стационарная орбитальная станция (проект).

Ракета-носитель с космическим кораблем серии «Союз» на стартовом устройстве.

Перед стыковкой космического корабля и орбитальной станции «Салют» (рисунок).

Ю. А. Гагарин в космическом корабле.

Первый советский искусственный спутник Земли (макет).