«Как въехать с закрытыми глазами в гараж, который шире вас на миллиметр»: с какими сложностями сталкиваются космонавты

Макет пилотируемого транспортного корабля
Мария Баченина в программе «Передача данных» расспросила популяризатора астрономии Филиппа Терехова о спутниках-шпионах, транспортировке ракет к месту запуска и главной проблеме современной космонавтики.

Скачать передачу [mp3, 31.4 МБ]

Мы предлагаем полный текст радиопередачи.


М. Баченина:

- Здравствуйте, друзья. Это «Передача данных». Меня зовут Мария Баченина. Мы с вами привыкли к космическим успехам, редко задумываемся о сложности космической техники, изобретательности людей, которые ее строили, как опереться на пустоту вакуума, как не заблудиться и пр. Поэтому эта «Передача данных» об остроумных, важных идеях людей, которые произвели, собрали, придумали эти сложные механизмы. На прямой связи из Уфы известный популяризатор астрономии и космонавтики, блогер Филипп Терехов. Филипп, вы пишете, что любопытная история разыгрывается сейчас на околоземной орбите – российский спутник-инспектор подбирается к американскому спутнику-шпиону. Тот пытается своими маневрами затруднить сближение, а астрономы-любители наблюдают за происходящим и рассказывают нам. Сразу непонятно, что значит подбирается? Это что, просто управлять джойстиком, чтобы он как-то незаметно подобрался и блокировал, затруднил маневры?

Ф. Терехов:

- Нет. В данном случае «подбирался» - в смысле он выходит на близкую орбиту. Это специфика, скажем так, орбитальной механики, которая заключается в том, что аппараты выходят на разные орбиты и могут выполнять маневры, сделать так, что они окажутся, допустим, рядом друг с другом. С чем сравнить? Допустим, аппарат «Союз», который полетел на МКС, сначала выходит на орбиту, которая находится в плоскости орбиты МКС, очень близка к ней, но она находится ниже. Затем он синхронизирует свою орбиту с МКС так, чтобы в какой-то момент оказаться рядом со станцией, гасит свою относительную скорость, то есть тормозит относительно станции, подходит и стыкуется. То, что мы говорим про взаимное движение этих спутников, там речь о стыковке не идет. Получается, российский аппарат (его запустили в конце ноября) вышел в плоскость орбиты, которая была близка к плоскости орбиты американского разведывательного спутника, который работает уже давно, с 2013 года. Это само по себе могло еще ничего не означать. Эти аппараты летают на солнечной синхронной орбите. Это достаточно популярная орбита, там много спутников. И российский аппарат стал выполнять маневры, которые выводили его на орбиту, которая приближается к американскому аппарату. Вот здесь уже возник вопрос: это что, попытка сблизиться или нет?

Что мы сейчас наблюдаем, в чем там специфика? Дело в том, что в принципе любой желающий, кто угодно из наших слушателей может открыть сайт и получить параметры орбиты очень многих спутников, большей части спутников, которые летают, совершенно бесплатно, они открыты для доступа. Но это будут не все спутники. Изначальные данные этот сайт получает с NORAD. Это американская организация, которая занимается в том числе и слежением за космическими аппаратами. И они приняли такое решение, что выкладывают орбиты спутников в открытый доступ. Но они не выкладывают орбиты военных американских спутников. И тут нам, получается, пригождаются астрономы-любители, которые как раз наблюдают, фиксируют пролеты спутников, по этим пролетам определяют параметры орбиты и публикуют уже их сами.

Что получается? Мы видим, что российский аппарат выходит на орбиту, которая через несколько дней приведет к тому, что он будет пролетать достаточно близко от американского. После этого астрономы-любители замечают, что американский аппарат выполняет небольшой маневр и переходит на чуть-чуть другую орбиту таким образом, чтобы помешать российскому аппарату сблизиться. Практически это такая очень медленная гонка. Потому что один аппарат пытается приблизиться, а второй меняет свою орбиту, пытается уйти в сторону.

М. Баченина:

- А зачем это нужно? Чего добьется один спутник, приблизившись к другому?

Ф. Терехов:

- Чтобы это понять, нужно поговорить о том, что такое спутник-инспектор. С золотой эры начала космонавтики возникла идея (тогда еще была холодная война): давайте мы будем делать аппараты, которые будут подлетать к аппаратам потенциального противника и их изучать. В тех проектах были какие-то идеи, может быть, по нарушению работоспособности, но это, скажем так, находится под вопросом. Мы знаем, что в силу орбитальной механики далеко не каждая орбита или аппарат будет удобен для наблюдения, в том смысле, что можно запустить аппарат, который приблизится к нему одному, но не сможет наблюдать за другими аппаратами. Допустим, аппарат, который запущен на геостационарную орбиту, может постепенно перемещаться, посетить много разных аппаратов. Собственно говоря, начиная с 90-х годов, США стали запускать именно спутники-инспекторы. Первый аппарат был запущен в 90-х, но о нем узнали именно при помощи любителей уже в нулевых, то есть, по сути, 10 лет прошло. С тех пор стало больше информации, плюс сами американцы стали больше рассказывать. Например, мы знаем, что с 2014 года было запущено два аппарата, в 16-м году еще два аппарата. Как минимум 4 американских спутника-инспектора работают на геостационарной орбите и посещают местоположение других спутников.

М. Баченина:

- А что они инспектируют?

Ф. Терехов:

- Просто по расстоянию сближения - скорее всего, они наблюдают за трафиком, данные передаются. В принципе военные спутники трафик шифруют. В зависимости от того, каким образом происходит шифровка, шифр может быть нерационально даже пытаться взломать, но даже сам факт, когда была передача, может быть, шифр менее стойкий, это интересно, также можно посмотреть визуально на аппарат. В принципе для низкоорбитальных спутников это не так важно, просто потому, что хорошие оптические системы позволяют достаточно неплохо рассмотреть аппараты на низкой орбите. Собственно говоря, мы знаем, что американский аппарат, скорее всего, является спутником оптической разведки KH-11 (это тип спутника). Например, мы знаем, что в начале нулевых годов тоже один из астрономов-любителей сделал совершенно шикарную фотографию при помощи доступного, совершенно не секретного оборудования. Он сделал фотографию этого аппарата, когда он пролетал на высоте нескольких сотен километров над ним. По этой фотографии был реконструирован внешний вид. Фотография вполне себе доступна в интернете, и можно с очень неплохим качеством увидеть совершенно секретный американский аппарат.

М. Баченина:

- Вы свои выступления начинаете со слов «почему не каждая ракета взрывается». Я предлагаю с этого же и начать. Почему, Филипп?

Ф. Терехов:

- Космическая техника это одна из вершин прогресса. То есть там попадаются технологические решения, которые совершенно уникальные, и позволяют достичь каких-то результатов, каких-то параметров, которые в принципе не были представимы раньше. Для пример. Не так давно на орбите работал аппарат LISA Pathfinder, который использовался в качестве тестового стенда для гравитационной астрономии. То есть был запущен специальный аппарат, чтобы проверить, можно ли, работая в космосе, получать данные именно по гравитационной астрономии. Мы знаем, что у нас не так давно были открыты гравитационные волны, но они были открыты при помощи наземных детекторов. Этот аппарат проверял возможность космических детекторов.

Что получается? Главным измерительным инструментом этого аппарата были два кубика из сплава золота и платины, которые были позиционированы в итоге… То есть там измерялась точность их перемещения на уровне фемтометров. Что такое фемтометр? Вот представьте, у нас милли это 10 в минус 3-й, микро – 10 в минус 6-й, нано – 10 в минус 9-й, пико – в минус 12-й, фемто – в минус 15-й. Представьте себе, что у вас кубик из сплава золота и платины, его положение и расстояние между двумя кубиками измерялось с точностью, сравнимой с диаметром даже не атома, а с диаметром протона. У нас атом состоит из протонов, электронов и еще могут быть нейтроны. Представьте себе, что у вас объект макромира (кубик вполне заметных размеров, сравнимый с парой спичечных коробков), и позиционирование этого объекта макромира фиксировалось с точностью, измеряемой для микромира. Этот кубик тоже состоит из атомов. Получается, что точность этих измерений была сравнима с тем, что сам кубик на том уровне превращался в набор атомов, и его положение фиксировалось с точностью именно микромира. Это один из примеров.

В то же время есть какие-то решения, которые кажутся какими-то старыми, устаревшими или странными. Один из типов двигателей – просто на сжатом газе, никаких супертехнологий.

М. Баченина:

- И о чем это нам может сказать?

Ф. Терехов:

- На сжатом газе, например, ориентировался, то есть поворачивался в пространстве, корабль, на котором летал Гагарин.

М. Баченина:

- Правильно ли я вас понимаю, что эта технология настолько проста и гениальна, что от нее и в XXI веке не отказываются?

Филипп Терехов

Ф. Терехов:

- Есть технология, она очень простая. Мы берем газ, сжимаем его в баллон, потом ставим маленькие двигатели ориентации с соплом Лаваля и при помощи маленьких электрических клапанов открываем клапан, чуть-чуть газа выходит. Получается маленький импульс. Примитивно до ужаса, но работает до сих пор.

М. Баченина:

- Мы, кстати, это видели в некоторых фильмах.

Ф. Терехов:

- Там-то как раз был детский сад, потому что там, по сути, не было полноценной системы управления, ориентации.

М. Баченина:

- А вы про какой фильм сейчас?

Ф. Терехов:

- Ну, например, либо «Марсианин», либо «Гравитация».

М. Баченина:

- Ну да, там ребята управляют собой в пространстве.

Ф. Терехов:

- Просто в реальности они бы, скорее всего, просто закрутились на месте. Потому что они не могли бы достаточно точно рассчитать свой центр масс, чтобы разместить огнетушитель так, чтобы двигатель создавал тягу, именно будучи приложенным по вектору относительно этого центра масс, а не находился сбоку и не привел бы просто к закручиванию. То есть в реальности у них бы ничего не получилось.

М. Баченина:

- А какой фильм вы предлагаете посмотреть, чтобы было достоверно, не воротили нос люди, которые понимают в физике, аэродинамике, астрономии и т.д.?

Ф. Терехов:

- Лично у меня первое место до сих пор занимает фильм «Аполлон-13». Это американский фильм про аварию на «Аполлоне-13». Отлично снято. Там, конечно, есть небольшие технические ошибки, но в целом очень неплохо. Там, например, даже потрудились и некоторые сцены сняли в летающей лаборатории невесомости. Когда там актеры пролетают по реквизиту, они это делают в настоящей невесомости, как будто бы это действительно происходило в реальном аппарате.

М. Баченина:

- Давайте поговорим о перевозке ракет и аппаратов. Это такая глобальная история. Целый караван движется со скоростью 1 шаг в сутки (я утрирую, конечно же). Почему их не строят там, откуда они должны взлетать? Ну, построили ангар, разобрали ангар. Зачем эти трудности, этот риск?

Ф. Терехов:

- А некоторые строят, кстати. На самом деле, если мы говорим конкретно про вывоз на стартовый стол, есть ракеты, которые собирают прямо на стартовом столе. Если ракета достаточно простая, достаточно небольшая, ее можно при помощи обычных строительных кранов собрать на стартовом столе.

М. Баченина:

- А у Илона Маска именно такие ракеты? Кто их собирает?

Ф. Терехов:

- Нет. Это сравнительно простые твердотопливные ракеты «Таурус» или «Минотавр». Вот они собираются на стартовом столе.

М. Баченина:

- Это наши?

Ф. Терехов:

- Это американские.

М. Баченина:

- Как перевозят ракеты? Самая правильная перевозка из доступных человеку?

Ф. Терехов:

- Ответ на ваш вопрос, по сути, раскрывает очень важную сторону того, что я рассказываю. Потому что очень часто не бывает того, что самое лучшее всегда и во всем. Помните эти двигатели на холодном газе, про которые я говорил? Они выгодны только для того случая, если вам нужна маленькая тяга, если вам не нужно большое перемещение аппарата. А если вам нужно, чтобы аппарат изменил свою скорость на большое количество метров в секунду или даже километров в секунду, вы ставите уже двигатели другого типа. Возвращаясь к ракетам. В принципе есть какие-то инженерные компетенции, кому как удобнее, привычнее это делать. И есть еще и специфика. Например, традиция, к которой привыкли, вывоза ракет в Советском Союзе и сейчас в России. Это то, что ракеты вывозятся на старт горизонтально. Это в принципе достаточно удобно, можно по железной дороге вывезти. Но там необходимо устанавливать ее в стартовое сооружение. И нужно ее переводить в вертикальное положение. Например, некоторые космические аппараты просто не проектируются, у них нет необходимости выдерживать нагрузку на изгиб. Поэтому если вы аппарат поставите на ракету, которая стоит в горизонтальном положении, у вас аппарат просто согнется и сломается. Поэтому, например, на космодроме Куру (это Французская Гвиана) вывозят ракету без головной части, ставят ее вертикально. Потом приезжает башня обслуживания, и там уже загружается головная часть в вертикальном положении, так что аппарат не испытывает нагрузок на изгиб.

Американцы привыкли возить вертикально. Здесь есть и минусы. В том смысле, что, например, приходится строить высокие монтажные испытательные корпуса.

Ф. Терехов:

- А их не смущает сопротивление воздуха? Потому что это очень странно – везти такую махину в вертикальном положении.

Ф. Терехов:

- В принципе в чем-то вы правы. Потому что при подобной перевозке действительно нужно учитывать, чтобы…

М. Баченина:

- …не завалилась.

Ф. Терехов:

- Сильный порыв ветра ракету не опрокинул. Но, с одной стороны, ракеты перевозятся в незаправленном состоянии. Это еще ухудшает ситуацию, потому что она сравнительно легкая. Но в принципе там есть крепление (тоже такое привычное решение). Ставятся так называемые разрывные болты. То есть это болт, внутри которого есть небольшой заряд взрывчатке. И при старте ракеты эти болты взрываются, и ракета перестает быть сильно прикрепленной к стартовому столу и может спокойно уходить под тягой двигателя.

М. Баченина:

- Зачем им это? Мне кажется, когда и человек лежит, ему как-то лучше и проще.

Ф. Терехов:

- У каждого решения есть свои плюсы и минусы. Если вы вывозите ракету вертикально, у вас нет необходимости ее поворачивать в вертикальное положение для установки в стартовое сооружение. Это плюс. Также вы можете сразу вывозить ее с полезной нагрузкой, которая не будет испытывать изгибающих воздействий.

Мария Баченина

М. Баченина:

- А что самое дорогое на данном этапе?

Ф. Терехов:

- Самое дорогое это полезная нагрузка, очень часто бывает.

М. Баченина:

- Что вы имеете в виду?

Ф. Терехов:

- Спутник, который мы выводим. Часто спутник дороже ракеты. В принципе какие-то элементы системы управления могут быть дорогими, двигатели могут быть дорогими.

М. Баченина:

- Скажите, что очень нужно, но никак не добьются совершенства или не могут изобрести? Есть такое?

Ф. Терехов:

- В принципе, наверное, самая большая проблема в этом смысле это стоимость вывода килограмма на орбиту. Эти ракеты, по сути, являются пока единственно возможным, но все еще достаточно не то что неэффективным, но пока еще сильно дорогим способом доставки на орбиту. Потому что в принципе это очень большая, очень интересная тема о том, каким образом инженеры разных стран, разного времени, разных поколений эту задачу пытались решить – каким образом сделать так, чтобы каждый килограмм на орбиту стоил все меньше и меньше. По сути, борьба идет, эти научные исследования идут непрерывно и будут идти еще дальше.

М. Баченина:

- Вы говорите: главное – не врезаться, не сбиться с пути. Космос большой, куда там сбиваться? Конечно, тут вопрос об ориентировке. Потому что вокруг темнота, иногда и Земля в иллюминатор не попадет. Солнце только или что?

Ф. Терехов:

- Какую задачу решает система управления? Представьте себе, что вы садитесь на велосипед, закрываете глаза, едете 10 минут и после этого въезжаете в гараж, который по размерам всего на миллиметр больше вас на велосипеде. По сути, это простое, на бытовом языке описание той точности, с которой обеспечивается выведение современными ракетами-носителями.

М. Баченина:

- А зачем такая точность? В чем фишка этой точности?

Ф. Терехов:

- Потому что если мы хотим попасть на нужную орбиту, нам нужно туда попасть очень точно.

М. Баченина:

- Это чтобы больше ни с кем не пересечься, и не разрушился бы аппарат?

Ф. Терехов:

- Нет, не обязательно. Скажем так, есть хорошие игры или, правильнее сказать, симуляторы - Kerbal Space Program или Orbiter. Если вы в нее поиграете, реально проблема – как при перелете Земля – Марс в этот Марс попасть. Потому что он маленький, легкий. И нужно именно очень точно прицеливаться при помощи специальных инструментов, которые там есть, еще при этом корректировать орбиту. Потому что есть какие-то неучтенные воздействия, которые эту орбиту меняют. Если мы говорим про какие-то земные орбиты, та же самая геостационарная орбита, она имеет совершенно конкретные параметры. Определенные параметры, допустим, наклонения орбиты. Чтобы мы двигались в правильном направлении. Именно тогда у вас аппарат будет висеть неподвижно. Потому что если вы выйдете на орбиту, которая этим параметрам не соответствует, у вас аппарат будет смещаться относительно земного наблюдателя влево, вправо, вверх, вниз.

М. Баченина:

- Прилетим не туда, куда нужно, как минимум.

Ф. Терехов:

- Да. Вы полетите не туда, будете перемещаться, и вместо того, чтобы ваш спутник можно было принимать на антенну с Земли… Спутниковое телевидение с геостационарной орбиты именно…

М. Баченина:

- «Триколор» перестанет показывать.

Ф. Терехов:

- По сути, да. Если спутник будет уходить, вы не сможете на него направить в правильном направлении…

М. Баченина:

- Вот оно что, оказывается, когда прекращается трансляция – спутник сбивается с пути.

Мне интересно поговорить про торможение. Какие проблемы в торможении, как они решаются у разных космических стран?

Ф. Терехов:

- Если мы посмотрим на соотношение Земли и суши, то нашу планету было бы правильнее называть не Земля, а Вода, потому что ее поверхность по большей части покрыта водой. Если мы будем пытаться садиться абы как, абы куда, то, скорее всего, мы окажемся в каком-то море-океане, и ищи нас потом, свищи. Поэтому если мы хотим приземлиться в нужном месте, нам это нужно сделать с умом и очень точно прицеливаться. Сначала аппарат переходит на орбиту, которая, по сути, погружается в атмосферу. Причем он сделан специально таким образом, что у него есть подъемная сила. Атмосфера, кроме того, что она бесплатно тормозит…

М. Баченина:

- Я понимаю, трение.

Ф. Терехов:

- Если бы у Земли не было атмосферы, то мягкую посадку на Землю было бы совершить весьма и весьма сложно. Нужно было бы погасить всю ту скорость, которую мы развили при помощи этой большой ракеты. Получается, у нас есть атмосфера, которая нам дает, по сути, бесплатную возможность затормозить, и у аппарата есть сравнительно небольшая подъемная сила. И он при торможении… Нужно еще, чтобы он не сгорел при этом торможении. Вы сказали про трение. Главная причина нагрева – перепад давления. Мы настолько быстро движемся, что у нас возникает настолько большое давление, что это приводит к нагреву. Трение там тоже влияет, но в весьма малой степени.

М. Баченина:

- То есть давление атмосферы на аппарат с внешней стороны?

Ф. Терехов:

- Скорость приводит к перепаду давления, которое дает очень большой нагрев. Большая скорость это большой перепад давления…

М. Баченина:

- В коридоре движения и со всех сторон снаружи.

Ф. Терехов:

- И получается, что мы не только не сгораем в атмосфере, мы еще и управляем и садимся. То есть аппарат знает, как у него уменьшается скорость, и он прицеливается в нужную точку, чтобы совершить достаточно точную посадку. Потом, когда мы проходим плотные слои атмосферы, мы уже тормозимся достаточно, можно уже сбросить теплозащитный щит, которым мы защищались от того, чтобы не сгореть. И там возникает уже следующая задача – чтобы мы мягко сели. Если у нас не раскроются или не включатся какие-то системы, которые обеспечат нам мягкую посадку в финале, то мы ударимся о землю со скоростью примерно 300 км в час, и все закончится весьма печально. Именно поэтому обычно раскрываются парашюты…

М. Баченина:

- Такие обычные, к которым мы привыкли, или какие-то особенные?

Ф. Терехов:

- Обычно – в том смысле, что у нас сейчас есть первые ступени SpaceX Falcon 9, которые садятся на двигателях, или New Shepard. Это аппараты, которые совершают мягкую посадку, пусть и с суборбитальной траектории, но они совершают посадку на двигателях. У всех у пилотируемых аппаратов, которые мы знаем, открываются парашюты. Там тоже интересные ситуации. Потому что парашют нужно определенным образом раскрывать, нужно обеспечить его надежность. Поэтому, например, на «Союзе» стоит два парашюта (один основной, другой запасной). В американской традиции кораблестроения раскрывается, допустим, три или даже четыре парашюта (с запасом).

М. Баченина:

- Вы говорили о том, что есть у них традиция садиться на воду. А мы - все больше на сушу.

Ф. Терехов:

- Это тоже сейчас потихоньку изменяется. Дело в том, что проблема парашюта в том, что он очень хорошо тормозит, но до сравнительно высокой скорости. У нас есть скорость снижения несколько метров в секунду. Это довольно много. Мы должны на последних этапах посадки сесть мягко, чтобы не удариться сильно. Это можно сделать разными способами. Например, на корабле «Союз» стоят двигатели мягкой посадки. Это топливные двигатели, которые включаются по команде от высотомера и тормозят буквально в последние секунды перед касанием. В идеале получается мягкая, удобная посадка.

М. Баченина:

- А с какой скоростью приземляется астронавт в этом аппарате?

Ф. Терехов:

- Навскидку не скажу. Снижение на парашюте это больше 5, меньше 10 метров в секунду. Есть второй вариант. Мы можем садиться на воду. Мы можем специальным образом наклонить аппарат, чтобы он под углом вошел в воду, и сама вода выступила как амортизатор. Потому что если мы плоским днищем шлепнемся прямо о воду, это будет серьезный удар. Это неправильно. Именно поэтому аппараты, которые садятся на воду, они садятся специально под углом, чтобы они этим углом вошли, и увеличение плоскости, увеличение торможения от воды шло постепенно. И получается тоже довольно мягкая посадка. Но это не все возможные варианты. Потому что, например, крылатые аппараты, как «Шаттлы» летали, они садятся на крыльях, там вообще может быть очень мягкая посадка. Например, корабль «Боинг», недавно полетевший в беспилотном пока еще варианте. Они сделали очень симпатичный вариант именно мягкой посадки. Он надувает специальные мешки. То есть просто корабль, под ним надуваются амортизирующие воздушные мешки, и он на эти мешки приземляется. Воздух сжимается и смягчает удар. Очень интересное решение.

М. Баченина:

- Филипп, спасибо вам огромное.

Ф. Терехов:

- Вам спасибо, что позвали.