Космонавтика

КОСМОНАВТИКА (от космос и греческий ναυτική - искусство мореплавания, кораблевождение), совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих создание ракет и космических аппаратов, их полёт в космическом пространстве и пребывание на внеземных объектах с целью изучения и освоения космоса для нужд человека. Космонавтика  сочетает фундаментальные исследования (небесная механика, аэродинамика, газовая динамика, теория горения и др.) и исследования (а также разработки) прикладного характера (ракетостроение, управление полётом КА, обеспечение жизнедеятельности человека в космосе, создание космодромов, наземных систем управления полётом и др.).

Историческая справка. Стремление к полётам в космос присуще человеку с глубокой древности. В мифологии многих народов встречаются рассказы о полётах в небо (например, в ассиро-вавилонском эпосе, древнеиранских и греческих легендах). Попытки полёта с использованием ракетных двигателей описываются в древнекитайских легендах. В древнеиндийском эпосе «Махабхарата» содержатся наставления для полёта на Луну.

Теоретическое обоснование возможности полётов в космическое пространство впервые было дано К. Э. Циолковским, который считается основоположником современной космонавтики В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903) и в последовавших её продолжениях (1911-1912, 1914; 2-е издание под названием «Ракета в космическое пространство», 1924) он теоретически обосновал возможность использования ракетных аппаратов для межпланетных сообщений, исследовал влияние силы сопротивления воздуха на движение ракеты и многое другое. Аналогичные выводы были сделаны Ю. В. Кондратюком в 1919 году в рукописи «Тем, кто будет читать, чтобы строить». Вопросам космонавтики посвящены работы Ф. А. Цандера, Н. А. Рынина и других российских учёных. За рубежом ранние труды по космонавтике были опубликованы Г. Гансвиндтом (1891-99, Германия), Р. Годдардом (1907, США), Р. Эно-Пельтри (1913, Франция), Г. Обертом (1923, Германия) и др. В 1920-х - начале 1930-х годов во многих странах основаны первые общества космоса [в СССР (1924), Австрии (1926), Германии (1927), США и Великобритании (1930)], целью которых была пропаганда идей освоения космоса, а также содействие в решении практических проблем космонавтики.

В России для проведения практических работ в области космонавтики в Москве в 1921 была основана Газодинамическая лаборатория (ГДЛ), в 1931 - Группа изучения реактивного движения (ГИРД). С 1928 в ГДЛ проводились лётные испытания пороховых ракет (Н. И. Тихомиров). Первые испытания электрических и жидкостных РД проведены соответственно в 1929 и 1931 годах (В. П. Глушко). Первые пуски ракет с ЖРД проведены С. П. Королёвым в 1933 в ГИРД. В 1933 на базе ГДЛ и ГИРД был основан Реактивный институт (РНИИ).

В США пуски ракет на ЖРД производились с 1926 (Р. Годдард), в Германии с 1931 (И. Винклер). В 1939-42 в Германии создана одноступенчатая боевая ракета с дальностью полёта до 300 км (В. фон Браун).

Началом космической эры принято считать 4.10.1957 - день запуска в СССР первого ИСЗ, созданного под руководством С. П. Королёва. Вслед за СССР ракеты-носители (РН) и КА были созданы в США (1958), Франции (1965), Японии и Китае (1970), Великобритании (1971), Индии (1980) и др. Однако основополагающий вклад в развитие космонавтики внесли СССР (Россия) и США, достижения которых составляют основные вехи современной космической эры. 4.10.1959 в СССР произведён запуск автоматической межпланетной станции «Луна-3» (впервые получены и переданы на Землю фотографии обратной стороны Луны). 12.4.1961 первый полёт человека в космос совершил Ю. А. Гагарин на КК «Восток» (СССР). С 1962 эта дата отмечается в СССР и Российской Федерации как День космонавтики (с 1968 по решению Международной авиационной федерации 12 апреля объявлено Всемирным днём авиации и космонавтики). 16.6.1963 произведён полёт первой женщины-космонавта В. В. Терешковой на КК «Восток-6». 18.3.1965 первый выход в открытый космос осуществил А. А. Леонов («Восход-2», СССР); 31.1.1966 запущен КА «Луна-9» (СССР), который произвёл мягкую посадку на Луну и передал на Землю изображение лунной поверхности. 12.6.1967 совершён запуск КА «Венера-4» (СССР) к планете Венера, который, преодолев расстояние около 350 миллионов км, впервые осуществил плавный спуск в атмосфере другой планеты. 30.10.1967 проведена первая в мире автоматическая стыковка беспилотных КК «Космос-186» и «Космос-188» (СССР). 16.7.1969 запущен КА «Аполлон-11» (США), который 20 июля достиг Луны, на её поверхность была осуществлена первая высадка людей (Н. Армстронг, Э. Олдрин). 17.11.1970 совершил посадку и начал работать на Луне первый в мире полуавтоматический самоходный аппарат «Луноход-1» (СССР), управляемый с Земли. 19.4.1971 выведена на орбиту первая орбитальная станция-лаборатория «Салют» (СССР). 3.3.1972 запущен КК «Пионер-10» (США) - первый КК, покинувший пределы Солнечной системы (4.12.1973 он пролетел на расстоянии 131 тысяч км от Юпитера и провёл первые исследования этой планеты с «близкого» расстояния). 17.7.1975 произведена стыковка пилотируемых КК разных стран - «Союз-19» (СССР, А. А. Леонов, В. Н. Кубасов) и «Аполлон» (США, Т. Стаффорд, Д. Слейтон, В. Бранд). 20.8.1975 запущен КА «Викинг-1» (США), который впервые совершил успешную мягкую посадку на планету Марс 20.7.1976 и передал на Землю ТВ-изображение марсианской поверхности. 20.1.1978 выведен на орбиту первый грузовой корабль «Прогресс-1» (СССР), который 22 января в автоматическом режиме пристыковался к орбитальной станции «Салют-6». 12.4.1981 выведен на орбиту первый транспортный КК многоразового использования «Спейс шаттл» («Колумбия», США) с экипажем (Дж. Янг, Р. Криппен). 30.6.1982 выведен на орбиту первый спутник-спасатель «Космос-1383» (СССР) международной системы «Коспас-Сарсат», который позволял не только принимать сигналы терпящих бедствие (SOS), но и определял их координаты. 20.2.1986 выведен на околоземную орбиту базовый блок российской орбитальной станции многоразового использования «Мир» (масса с модулями 124,34 тонн); станция находилась на орбите до 23.3.2001. На «Мире» побывало 28 основных экспедиций, 9 экспедиций посещения (105 космонавтов, в том числе 62 иностранных из 11 стран мира), выполнено более 22 тысяч экспериментов и исследований. 15.11.1988 совершил полёт КК многоразового использования «Буран» (СССР). 20.11.1998 началось строительство в космосе Международной космической станции (МКС). 28.4-6.5.2001 совершил полёт первый космической турист Д. Тито (США). 14.1.2005 зонд «Гюйгенс» (Европейское космическое агентство) осуществил посадку на поверхность Титана, спутника планеты Сатурн.

Теория космических полётов. Современная теория космических полётов основана на небесной механике. Новое направление классической небесной механики, называемое динамикой космического полёта, рассматривает полёт КА на всех этапах: взлёт с поверхности Земли (или другой планеты), выведение на орбиту, полёт по орбите и/или межпланетный полёт, спуск и посадка на Землю (или другую планету). Динамика космического полёта учитывает не только воздействия природных сил (гравитации, давления солнечного света, атмосферы планет и др.), но и активные целенаправленные воздействия самого КА (работу двигательной установки, аэродинамических органов управления и т.п.). Раздел динамики космического полёта, связанный с анализом и расчётом траекторий КА по орбитам и/или в межпланетном пространстве, называют астродинамикой. Определение активных воздействий, направленных на выполнение целевых задач полёта КА (например, сближение на орбите, облёт планеты и др.), требует оптимизации траекторий полёта с учётом большого комплекса проблем (различные возмущающие факторы, длительность полёта, условия связи и передачи телеметрической информации и т.п.).

Важный раздел астродинамики - теория коррекции траекторий полёта. Фактические траектории КА всегда имеют отклонения от расчётных, что обусловлено искажением траектории различными возмущающими воздействиями (которые невозможно учесть заранее), а также ошибками при определении траектории и при исполнении манёвров КА. Коррекции траектории КА проводятся при достижении некоторого предельного уровня отклонений путём выполнения малых манёвров (например, кратковременном включении двигательной установки с тем, чтобы сообщить КА необходимый импульс для исправления траектории). Коррекция проводятся, как правило, оптимальным образом с минимизацией затрат топлива и числа манёвров КА и рассчитываются на основе определения траектории КА наземными и/или бортовыми средствами измерений. Ряд КА имеет полностью автономные средства навигации (звёздные датчики, акселерометры, аппаратуру спутниковой навигации и т.п.), и расчёт корректирующих манёвров производится с помощью бортовых вычислительных комплексов.

Транспортные средства и космические аппараты. Для преодоления земного тяготения и дальнейшего движения по инерции КА необходимо развить начальную скорость, величина которой определяется на основе законов небесной механики. Минимальная начальная скорость, при которой тело становится спутником Земли (так называемая первая космическая скорость), равна 7,9 км/с у поверхности Земли. При начальной скорости 7,9-11,2 км/с тело движется по эллиптической орбите вокруг Земли. Превышение скорости 11,2 км/с (вторая космическая скорость) приводит к полёту по параболической траектории за пределы земного тяготения. Начальная скорость 16,7 км/с (третья космическая скорость) достаточна для выхода КА за пределы Солнечной системы.

Для доставки КА на их рабочие траектории, околоземные орбиты или отлётные межпланетные траектории служит система космических транспортных средств, включающая РН, разгонные блоки и космические буксиры. Создание современных РН - сложная научно-техническая задача. Характерная особенность РН - высокая тяговооружённость (отношение тяги к весу ракеты, которое при вертикальном старте должно быть больше 1), а также практически непрерывная работа двигателей и сравнительно короткое время выведения (десятки минут). Как правило, ракеты состоят из 2-3 ракетных ступеней (РС), достигают 100 м в длину и весят более 3000 т. Топливо составляет 90% полной массы ракеты. В полёте, по мере расходования топлива, РС с опорожнёнными баками последовательно отбрасываются, и начинает (продолжает) работать очередная ступень. Каждая РС благодаря работе своих двигателей обеспечивает разгон ракеты на определённом участке траектории полёта. Во избежание засорения околоземного космического пространства последние отработавшие одноразовые ступени, как правило, направляются для потопления в отдалённые районы Мирового океана. При возрастающей интенсивности использования космических транспортных средств особое внимание уделяется разработкам РН многоразового использования на экологически чистых компонентах топлива.

В качестве двигательных установок РН используются жидкостные или твердотопливные ракетные двигатели, достигающие тяги в несколько тысяч кН и мощности в миллионы кВт. Разработка двигательных установок направлена как на выбор энергетически оптимальных топлив и обеспечение их полного сгорания при высоких давлениях и температурах, так и на создание экономически более выгодных проектов.

В зависимости от поставленных задач полезный груз (для ракеты) в общем случае включает в себя, кроме одного или нескольких КА, разгонные блоки или космические буксиры. Разгонные блоки служат для дальнейшего перевода КА на более высокие орбиты: среднюю (до 20 000 км), высокую (в основном геостационарную) или на отлётные траектории за пределы земного тяготения. Разгонные блоки мало отличаются от РН, однако время их работы может достигать нескольких часов или дней. Очень часто разгонные блоки обеспечивают полёт КА вплоть до его возвращения в поле земного тяготения. Космические буксиры служат для транспортного обслуживания КА. В ряде случаев буксиры могут совершать челночные операции между орбитами, переправляя КА или другой полезный груз на другую орбиту вокруг Земли, к Луне или планетам Солнечной системы. Конструкции буксиров должны обеспечивать возможность сборки (в том числе стыковки) с обслуживаемым аппаратом.

Двигательные установки на космических буксирах или КА могут использовать энергию химических реакций, солнечных батарей или ядерную энергию. Для обеспечения радиационной безопасности КА или буксиры, использующие установки с ядерными реакторами, должны эксплуатироваться на достаточно высоких орбитах (не менее 800 км), где даже после окончания работы они могут находиться достаточно долго (до 300 лет), чтобы радиоактивность снизилась до допустимых норм. Тепловые ядерные ракетные двигатели (с нагревом рабочего тела в реакторе и с газодинамическим соплом) при использовании водорода в качестве рабочего тела обеспечивают удельный импульс (характеристика реактивного двигателя, равная отношению его тяги к массовому расходу топлива) до 9000 м/с.

Для перемещения КА перспективным считается использование электрических РД (электротермических, электромагнитных, электростатических и др.), обеспечивающих удельный импульс выше 20 000 м/с. Электроракетные буксиры при существующих ядерных и солнечных источниках электроэнергии позволяют увеличить массу полезного груза, доставляемого на геостационарную орбиту или орбиту Луны, в 2-4 раза (по сравнению с разгонными блоками на химическом топливе). Однако значительно увеличивается время транспортировки, поэтому электрический РД целесообразно использовать (на буксирах или КА) в случае, когда время перелёта не лимитируется и может составлять от нескольких месяцев до года.

В конце 20 - начале 21 века во многих странах созданы КА для различных целей: изучения околоземного пространства, поверхности Земли, Солнца и планет Солнечной системы, космической среды, звёзд и галактик; для обеспечения связи, передачи информации, теле и радиовещания, для навигационного обеспечения, для прогноза погоды и т. п. (смотри Искусственный спутник Земли, Космический аппарат).

Одно из центральных мест в космонавтике занимают полёты человека в космос, которые стали возможны благодаря планомерным фундаментальным и прикладным исследованиям в области космической биологии и медицины - новой области естествознания, изучающей особенности жизнедеятельности человека и других организмов при действии на них факторов космического пространства. Пилотируемые КК и орбитальные космические станции обеспечивают возможность безопасного и комфортного пребывания космонавтов на борту (смотри Жизнеобеспечения система). В КК предусматривается определённый запас продуктов питания и воды. При длительном пребывании пища и вода доставляются грузовыми кораблями, буксирами. При полёте к дальним планетам, когда доставка грузов может оказаться проблематичной, производство продуктов питания, регенерация воды и атмосферы должны осуществляться на борту КК.

История пилотируемых космических полётов началась с разработки одноразовых кораблей («Восток», «Восход», «Меркурий», «Джемини», «Союз», «Аполлон»). Новые технологии позволяют создавать многоразовые спускаемые КА как с сохранением внешней формы одноразовых аппаратов (торможение у поверхности Земли осуществляется двигательной установкой или управляемым парашютом), так и крылатые спускаемые аппараты в форме планёра («Спейс шаттл», «Буран»).

Кратковременные полёты в космос не позволяли проводить длительные эксперименты, поэтому были созданы новые космические сооружения больших размеров - орбитальные космические станции, к которым могут пристыковываться другие КА (для того чтобы привезти грузы, сменить экипаж, доставить на Землю результаты экспериментов и др.). Создание орбитальных космических станций началось в 1971 году с вывода на орбиту станции «Салют» (СССР). Первые станции превышали обычные КК своими размерами и массой всего в 3-4 раза, последующие («Мир», МКС) представляют собой стотонные сооружения длиной в десятки метров. Станции собирают из доставляемых блоков автоматически (автоматическая стыковка) либо с помощью экипажа (ручная стыковка). На станциях обеспечивается постоянное пребывание человека на борту (с периодической сменой экипажа), доставка грузов, необходимого оборудования, научной аппаратуры и др. В перспективе предполагается создание орбитальных станций (автоматических или посещаемых) на более высоких земных орбитах, на орбитах Луны и планет Солнечной системы.

К отбору экипажа КК предъявляют повышенные требования. При решении медико-биологических проблем основное внимание уделяется изучению влияния на организм человека невесомости, повышенных перегрузок при взлёте и посадке, длительного нахождения в замкнутом пространстве, психологической совместимости с другими членами экипажа и т. д. В центрах подготовки космонавтов, в институтах медико-биологической проблем и т. п. создаются специальные установки и тренажёры, имитирующие космической полёт (в том числе с использованием средств авиации), разрабатываются специальное оборудование и медико-биологические препараты для улучшения самочувствия и продления срока пребывания человека в космосе. Накопленный большой объём знаний о жизнедеятельности человеческого организма в условиях воздействия факторов космического пространства, динамических факторов полёта и искусственной среды обитания, а также достижения космической техники становятся реальными предпосылками для дальнейшего интенсивного освоения космического пространства.

Наземная инфраструктура. Наземная инфраструктура создаётся для подготовки РН и КА к запуску, проведения самого запуска, для управления полётом КА, осуществления посадки возвратившихся КА и грузов, а также для проведения поисково-спасательных работ при приземлении КА в штатных и нештатных ситуациях.

Комплекс средств, зданий, сооружений, обеспечивающих подготовку и пуск РН и КА, называется космодромом. В начале 21 века на Земле построено более десятка космодромов, включая космодром «Морской старт», обеспечивающий пуск ракет и КА с плавающей платформы из любой точки Мирового океана. Для посадки многоразовых спускаемых КА строятся специальные посадочные площадки (аэродромы), для спуска одноразовых КА выбираются равнинные безлюдные места посадки и обеспечиваются поисково-спасательные работы с участием вертолётов и самолётов (при посадке на воду используются морские корабли). Поисково-спасательная служба занимается эвакуацией посадочного аппарата и экипажа (при пилотируемых полётах), в случае необходимости оказывается медицинская помощь. Для управления КА и получения телеметрической информации об их состоянии на Земле строятся центры управления полётом и наземные пункты приёма информации. Поскольку практически каждый КА является сложной кибернетической системой, процедура управления им возлагается на систему управления, представляющую собой совокупность функциональных бортовых и наземных систем средств приёма и передачи информации, информационно-вычислительных и исполнительных устройств бортового и наземного базирования, работающих в рамках единого согласованного плана, который обеспечивает временную, пространственную и функциональную синхронизацию, приводящую к достижению поставленных целей. Для осуществления управления также используются спутники связи.

Научные исследования и практическое применение. Космические исследования дают огромный теоретический и экспериментальный материал для развития наших знаний о Вселенной, Земле, происхождении планет, строении вещества и др. Впервые благодаря КА удалось посмотреть на Землю из космоса, исследовать планеты, звёзды и галактики во всём диапазоне электромагнитных волн, открыть радиационные пояса Земли, получить важные данные о поведении в невесомости всех видов биологических объектов (от молекул белков, вирусов и бактерий до позвоночных животных, включая человека), изучить особенности протекания в космосе физических процессов в жидкостях, газах, металлах, полупроводниках, различных новых конструкционных материалах и покрытиях.

Исследования околоземного космического пространства позволили выполнить детальное изучение общего магнитного поля Земли (спутники серии «Космос») и высокоширотной магнитосферы («Электрон», «Прогноз»), исследовать динамику структурных изменений ионосферы («Коронас»). Наблюдения за рентгеновским излучением Солнца на протяжении нескольких 11-летних циклов солнечной активности (спутники серии «Интеркосмос», «Гамма», обсерватория «Гранат») вместе с другими исследованиями дали возможность собрать материал, позволивший построить модели, описывающие магнитогидродинамические процессы при таких явлениях в ионосфере, как магнитные бури, суббури и полярные сияния. Возникло новое научное направление - исследование «космической погоды».

Данные, полученные в результате полётов КА к планетам и другим телам Солнечной системы, легли в основу комплекса новых научных дисциплин, таких как физика планетных недр, физика и химия планетных атмосфер, астробиология и др.

Основа прогресса астрофизики и космологии - развитие наблюдательной космической техники. КА позволяют проводить астро-физические исследования далёких объектов с помощью телескопов, вынесенных за пределы земной атмосферы (затрудняющей или исключающей возможность многих видов наблюдений с поверхности Земли). Совокупность астрономических и астрофизических наблюдений на многотонных космических обсерваториях («Астрон», «Гранат», модуль «Квант» станции «Мир», «Хаббл», «Спитцер», «Чандра», «Ньютон», «Интеграл» и др.) позволила учёным сделать выводы, что наш мир более чем на 90% состоит из тёмной материи и тёмной энергии, однако природа их до сих пор неизвестна. Открыты крупномасштабная структура Вселенной (конец 1970-х - начало 1980-х годах) и анизотропия реликтового излучения [спутники «Прогноз-9» (1983) и СОВЕ (1989)].

Космонавтика  повлияла на многие прикладные науки, на её основе сформировался целый ряд новых научных направлений, например космическое землеведение (исследование Земли из космоса методом дистанционного зондирования). Применение средств космонавтики позволяет решать на принципиально новом уровне задачи сельского хозяйства, природопользования, экологического контроля, связи, навигации и др. Получаемая со спутников информация помогает судить о распределении и состоянии растительности (включая состояние посевов), изменении снежного и ледяного покрова, разлива рек, регистрировать лесные пожары и т. п. Со спутников ведутся океанологические и гидрологические исследования. В метеорологии ИСЗ применяются для получения картины распределения и движения облаков, предупреждения о приближении циклонов, тайфунов, составления карт теплового излучения Земли; спутники также широко используются в геодезии (смотри Геодезический спутник). Космические средства играют особую интегрирующую роль в формировании единого информационного пространства (например, мобильная телефонная связь). Они обеспечивают персональный доступ к мировым информационным ресурсам, интеграцию услуг цифрового вещания, связи, навигации и мониторинга (смотри Спутниковая связь, Спутниковая система позиционирования). Спутники задействованы для диспетчеризации воздушного, морского и наземного движения, для обеспечения оптимизации маршрутов, увеличивая пропускную способность и безопасность движения.

КА широко используются в целях коллективной и международной безопасности (например, наблюдения за предполагаемым агрессором, в целях предотвращения терроризма). КА оптоэлектронной, радиолокационной и радиотехнической разведки позволяют получать информацию о расположении террористических группировок, концентрации войск, боевых морских кораблей и самолётов. Спутники обеспечивают наблюдение за подвижными целями и точное определение координат радиоизлучающих и радиопередающих устройств, вплоть до портативных радиостанций и мобильных телефонов. Ракетные и авиационные высокоточные средства поражения снабжаются необходимой информацией с космических систем.

В 21 веке космонавтика превратилась в мощный инструмент мировой экономики, способствующий обеспечению национальной безопасности, технологической независимости и благосостояния граждан планеты. В соответствии с Федеральной космической программой России на период 2006-15 приоритетными направлениями космической деятельности являются: мониторинг окружающей среды и околоземного пространства, контроль чрезвычайных ситуаций и экологических бедствий, исследование природных ресурсов Земли; обеспечение спутниковой связи и вещания на всей территории Российской Федерации; реализация космических проектов в интересах расширения знаний о Земле, Солнечной системе и Вселенной, проведение фундаментальных научных исследований в области астрофизики, планетологии, физики Солнца и солнечно-земных связей; отработка технологий производства в космосе новых материалов и высокочистых веществ и др. США, страны Европы, Китай активизировали работы по подготовке пилотируемых полётов к Луне, Марсу, а также по последующему их освоению.

Космические полёты затрагивают интересы всех стран, поэтому были выработаны нормы международного права, регулирующие космическую деятельность (смотри Космическое право международное).

Лит.: Александров С. Г., Федоров Р. Е. Советские спутники и космические корабли. 2-е изд. М., 1961; Космическая техника. М., 1964; Левантовский В. И. Механика космического полета в элементарном изложении. 3-е изд. М., 1980; Авиационно-космические системы: Сб. статей. М., 1997; Петров К. П. Аэродинамика транспортных космических систем. М., 2000.