Роковая стружка
Как металлические частицы чуть не поставили на вечный прикол новый российский модуль для МКС
Российский модуль «Наука» должен был стать частью Международной космической станции еще 11 лет назад, но до сих пор остается на Земле. Несколько лет назад сначала в его трубопроводах, а затем и топливных баках нашли металлическую стружку, которая могла оставить его на земле навсегда. В минувшую пятницу Роскосмос объявил, что модуль в ближайшие дни все же отправится на Байконур. Судя по всему, решение о пуске было именно волевым: трубопроводы заменили, а вот от стружки в баках полностью избавиться не удалось — но теперь считается, что двигателям модуля она не повредит.
Последний из клана ТКС
Многофункциональный лабораторный модуль (МЛМ, официально МЛМ-У, о смысле этого «У» мы расскажем ниже) «Наука» — это дублер «Зари», с которой в 1998 году началась Международная космическая станция. Оба они «наследники» советского пилотируемого корабля ТКС (транспортный корабль снабжения). Этот корабль еще в советские времена несколько раз летал в беспилотном режиме к орбитальным станциям, но от него в итоге отказались в пользу значительно более дешевых и легких «Союзов».
1998 год. Снимок «Зари» с борта шаттла «Индевор», который везет на стыковку к ней первый американский модуль, «Юнити»
Транспортный корабль снабжения (ТКС) и некоторые его «наследники» (размер не соблюден)
На основе беспризорного ФГБ можно было создать тяжелый транспортный корабль — он был бы способен доставить на МКС в три раза больше груза, чем «Прогресс» — или стыковочно-складской модуль, для чего пришлось бы его «выпотрошить»: снять служебные системы, лишние топливные баки. От обеих идей в итоге отказались.
Модуль МЛМ в цехе Центра имени Хруничева
Российская «Судьба»
Близнец «Зари» еще долго оставался никому не нужным, и доделывать его не спешили: в составе МКС его функции успешно выполняла сама «Заря». Наконец, в ноябре 2006 года Роскосмос принял решение построить на его базе многоцелевой лабораторный модуль (МЛМ) с целью «развития научно-исследовательских, прикладных и функциональных возможностей российского сегмента станции» — то есть все-таки сделать из него «российскую версию “Дестини”», как предлагал еще в 1998 году ГКНПЦ Хруничева «Боингу».
Это означало, что от оригинального ФГБ-2 должен был остаться только корпус и служебные системы — всю «начинку» извлекли, чтобы освободить место под научную аппаратуру, а точнее — под универсальные и специализированные рабочие места, предназначенные для установки исследовательских приборов. Тогда же было принято решение, что на внешней поверхности модуля будет установлен европейский манипулятор ERA. Эта 11-метровая рука будет помогать космонавтам добираться в нужные точки станции во время выходов в открытый космос, снимать и ставить приборы и устройства, размещенные на внешней поверхности МКС.
Европейский манипулятор ERA, который предполагается установить на МЛМ
Европейский манипулятор ERA, который предполагается установить на МЛМ
Через полгода с небольшим после начала испытаний в «Энергии», источники сообщили журналистам: в модуле оказалось большое количество брака, например, «замусоренными оказались трубопроводы системы заправки горючим». Соответственно, запуск из-за этого сдвигался уже на начало 2014 года. После долгих разбирательств МЛМ отправили обратно в Центр Хруничева — для очистки трубопроводов.
Модуль вернулся на «родину» в самом конце 2014 года. Тогдашний глава Роскосмоса Олег Остапенко в ответ на вопрос, когда МЛМ отправится на орбиту, ответил: «Посмотрим. В нашем веке точно полетит».
Тогда же в названии модуля появляется буква «У» — «усовершенствованный». Никаких кардинальных улучшений при этом за переименованием не стоит, природа этой литеры в основном бюрократическая: по бумагам Роскосмос уже полностью оплатил создание и испытания модуля, поэтому в госконтракте ремонт пришлось проводить как модернизацию.
Дома МЛМ тихо провел еще три года, пока в апреле 2017-го не стало известно, что и в топливных баках модуля было обнаружено то же самое загрязнение, что в трубопроводах. Эта проблема заставила источники в ракетно-космической отрасли допустить, что модуль уже вообще никуда не полетит.
Это семейное
Баки, которые чуть было не «похоронили» проект, это 400-литровые емкости на внешней поверхности корпуса «Науки» , в которые заливается горючее (несимметричный диметилгидразин, НДМГ, он же «гептил») и окислитель (тетраоксид азота, он же «амил»). Из них топливо поступает в двигатели коррекции и сближения (ДКС, индекс 11Д442, разработаны в КБ Химмаш). Двигатели эти критически необходимы как минимум в момент вывода модуля на орбиту. Ракета «Протон» может вывести 24-тонный модуль только на опорную орбиту высотой около 180-200 километров, а на орбиту МКС высотой 400 километров он должен добраться сам.
Рабочий цикл сильфонных баков модуля МЛМ
Баки точно такого же типа стояли на модулях «Мира» и других наследниках ТКС, в том числе и «Заре», которая благополучно добралась до целевой орбиты и «основала» там МКС. Все эти модули также приспособлены для многократной дозаправки в условиях невесомости — внутри них стоят сильфоны, гофрированные цилиндры с мембраной, похожие на меха гармоники. С одной стороны бака нагнетается газ (азот), сильфон растягивается и выталкивает топливо из бака. При заправке происходит обратный процесс.
Часть схемы гидравлической и топливной системы модуля МЛМ с четырьмя из шести сильфонных баков: БНДО (бак низкого давления для окислителя), БНДГ (бак низкого давления для горючего). Аббевиатурой ДКС обозначены главные двигатели
Появление в топливной системе стружки — металлических частиц размером сто микронов — было, по его словам, неизбежно, а удалить их почти нереально: «Сильфон из нержавейки при движении трется об алюминиевую обечайку, так что сколько ни мой баки, все равно в процессе работ получается стружка».
Заменить баки на запасные не получилось: в них тоже было найдено загрязнение, а идея сделать новые даже не рассматривалась всерьез — их производитель, завод «Серп и молот», не просто прекратил свою деятельность — к этому моменту на его территории уже было снесено около 90 зданий из 150-ти. Заводов, которые делали бы алюминиевую обечайку и нержавейку такой толщины для сильфона, в России больше нет, говорит собеседник N + 1.
2016 год. Ручной демонтаж 80-метровой дымовой трубы на заводе «Серп и Молот»
Макс Когтистый / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0
В марте 2019 года было принято решение заменить «родные» баки на «одноразовые» сферические баки от разгонного блока «Фрегат» производства НПО Лавочкина. «Выпустили даже чертежи, долго колебались, одно время думали всё, не будем наши емкости ставить [оригинальные баки ФГБ], но отказались от этого варианта [установки баков “Фрегата”]», — говорит сотрудник Центра Хруничева.
Руководитель Центра Хруничева Алексей Варочко в интервью КП заявлял, что всего на МЛМ заменили 576 трубопроводов, а что касается баков, то их «разобрали, придирчиво проверили, испытали — никаких микротрещин и грязи не обнаружили».
Однако источник N + 1 рисует другую картину. По его словам, чтобы вернуться к родным бакам, их попытались отмыть. «Заняло это очень много времени, год, может и больше. Мойку сначала отрабатывали на стендовой емкости, потом мыли штатную. Отрезали одно днище [бака] и мыли отдельно сильфон и емкость. Мойку проводили в страшном аврале. Работали семь дней в неделю в две смены, постоянные комиссии и попытки помыть, испытания постоянные. Получаем протокол, что емкость чистая, через некоторое время — опять загрязнения. В итоге комиссия допустила их в дальнейшую работу, но с условием, что они будут использованы только один раз, для вывода на орбиту и стыковки», — говорит он.
Пара баков в сборе на корпусе модуля МЛМ
«Боялись, что из-за загрязнения трубопроводы, клапаны, форсунки засорятся и двигатель заглохнет, — продолжает собеседник N + 1. — Но на заводе-изготовителе двигателей, в которые будет поступать топливо из емкостей, сказали, что эту стружку двигатель не заметит, проскочит через форсунки без проблем. Раньше на это внимания не обращали. Сейчас требования очень лихо закручены, а условного Королева, который напишет, что все это ерунда и допустит к запуску — больше нет».
Если все пойдет по плану, то в конце этой недели модуль погрузят и отправят на Байконур. Следующие девять месяцев уйдет на подготовку «Науки» к запуску — на модуль надо будет установить солнечные батареи и радиаторы, экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ), микрометеоритную защиту, европейский манипулятор, а потом провести последний цикл испытаний.
Так будет выглядеть российский сегмент МКС после прибытия МЛМ-У и узлового модуля (УМ). Модуль МЛМ-У направлен вниз, к его нижнему концу пристыкован УМ.
Источник
Космическая «Наука»
Успеет ли Россия запустить проблемный модуль МКС в 2020 году
В марте 2019 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин написал у себя в твиттере, что работы по многофункциональному лабораторному модулю (МЛМ МКС) «Наука» входят в заключительную стадию: якобы модуль «покинет цеха Центра им. Хруничева в августе этого года и будет перевезен в РКК “Энергия” для предполетных испытаний». Чуть позже ТАСС со ссылкой на источник в космической отрасли сообщил, что МЛМ «планируется запустить к Международной космической станции летом 2020 года на ракете-носителе “Протон-М” с космодрома “Байконур”». Несмотря на эти обнадеживающие заявления, одни эксперты сомневаются в том, что «Наука» полетит к МКС уже в 2020 году, а другие спрашивают, зачем она там вообще нужна.
В сообщении ТАСС, в частности, приводятся еще и такие данные: «Новые топливные баки, на 90 процентов совпадающие с баками разгонного блока «Фрегат», изготовят для многофункционального лабораторного модуля (МЛМ) «Наука», старые баки которого засорены металлической стружкой».
Сразу возникает множество вопросов: удастся ли до августа установить на «Науку» новые баки, 10 процентов компонентов которых придется создавать практически с нуля? И если это так просто, то почему не было сделано раньше? Наконец, реально ли запустить «Науку» в 2020 году — с учетом того, что в 2017 году «Роскосмос» уже планировал ее старт на следующий год, но впоследствии вынужден был дважды переносить намеченные сроки?
Ко всем этим вопросам стоит добавить еще один: точно ли МКС необходим этот новый модуль?
Стружка в баках
Работы над будущим модулем «Наука» начались еще в 1995 году, причем задумывался он как Функционально-грузовой блок — 2 для будущей МКС. Начиная с 2004 года ФГБ-2 стали называть Многофункциональным лабораторным модулем, но по сути поменялось немногое. Речь по-прежнему идет о модуле весом более 20 тонн, на котором предполагается разместить до трех тонн научной аппаратуры. Модуль все так же нацелен на проведение экспериментов — но, по-видимому, с учетом того, что за прошедшие десятилетия многое уже было сделано на другом оборудовании.
В 2017 году впервые выяснилось, что в баках модуля обнаружена металлическая стружка, устранить которую будет очень сложно.
Дело в том, что штатные баки «Науки» были рассчитаны на дозаправку в невесомости. Для этого в них были встроены специальные устройства, похожие на мехи гармони, — сильфоны, позволяющие двигать диафрагму внутри бака по мере расходования топлива или же по мере его повторной заправки. Благодаря регулярной дозаправке «Наука» как базовый модуль МКС с собственными двигателями могла бы обеспечить станции возможность плавного маневрирования.
Сильфонный топливный бак можно многократно дозаправлять в невесомости
Но именно из-за сильфонов просто промыть баки было невозможно. В теории, можно было попытаться разрезать бак, промыть сильфоны и внутренности бака и сварить его обратно. Однако когда в сентябре 2017 года такую попытку предприняли на малогабаритном макете (чтобы понять, насколько такой путь эффективен), оказалось, что бак после повторной сварки утратил герметичность.
Встал вопрос о замене, но и тут все оказалось непросто. «Родные» баки модуля — шесть длинных и узких баков 77KM-6127-0. Узкими их сделали потому, что диаметр головного обтекателя РН «Протон», под которым «Наука» должна выводиться в космос, составляет всего 4,1 метра. Это совсем не много — ведь баки не должны выступать за пределы радиаторов системы теплообмена, которые отводят от модулей МКС тепло. Будь баки шире радиаторов, они бы блокировали этот тепловой поток и привели к быстрому перегреванию корпуса «Науки».
Поэтому сильфонные баки от Научно-энергетического модуля МКС (более новой разработки) для «Науки» не подходят: они слишком широкие. Из-за одного груза никто для «Протона» новый, более широкий обтекатель делать не будет: экономического смысла в этом нет, тем более что частота полетов этой ракеты из-за SpaceX и так снизилась в несколько раз.
Разгонный блок «Фрегат»
В конечном счете выбор остановили на относительно небольших баках блока «Фрегат» (разгонный блок для выведения космического аппарата на опорную и более высокие орбиты). Теоретически они могут подойти по размерам, но эти баки не оборудованы сильфонами. Даже полное обновление 10 процентов деталей вряд ли сделает их пригодными для дозаправки.
Баки без сильфонов, рассчитанные на одноразовую заправку топливом, позволят пристыковать модуль к МКС, но для долговременного сохранения параметров орбиты станции в целом они не годятся. Следовательно, модуль «Наука» не сможет стать базовым.
Это ставит под вопрос будущее МКС. Ресурс большинства модулей международной станции на сегодня продлен до 2024 года, но какая-то их часть могла бы работать и до 2028 года. Тем не менее, американская сторона уже заявила о том, что наполовину сократит свои расходы на МКС после 2024 года. Базовый модуль «Наука» мог бы стать тем ядром, вокруг которого «Роскосмос» планировал организовать автономную российскую станцию, независимую от планов и возможностей NASA.
Более того, без «Науки» останутся не у дел два других, уже готовых модуля, которые изначально планировали присоединить к МКС, а впоследствии прочили в составные части будущей автономной станции. Так, универсальный узловой модуль «Причал», чей старт, предположительно, назначен на 2022 год, приспособлен для стыковки именно с «Наукой». Научно-энергетический модуль (НЭМ) должен стыковаться с «Причалом».
Универсальный узловой модуль «Причал»
Успеют или не успеют?
Пресс-служба АО «ГКНПЦ им М.В.Хруничева» в ответ на вопрос N + 1, удастся ли за оставшиеся пять месяцев снабдить «Науку» новыми баками, ответила со ссылкой на генерального конструктора КБ «Салют» Сергея Кузнецова, что штатные баки, «к настоящему времени сняты[е] с производства», будут заменены «на производимые в НПО имени Лавочкина», т.е. на баки блока «Фрегат». Нам также подтвердили, что ГКНПЦ им М.В.Хруничева рассчитывает выполнить эту задачу к августу 2019 года.
Ранее необходимость уложиться в столь сжатые сроки глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин объяснял так: «Если делать пуск (модуля “Наука” — прим. N + 1) позже лета 2020 года, то там заканчивается ресурс отдельных приборов и отдельных дополнительных малых двигателей. То есть там придется вообще все перебирать».
Однако Иван Моисеев, научный руководитель Института космической политики, в беседе с N + 1 усомнился в реальности названных сроков: «Никаких предполетных испытаний в августе 2019 года быть не может. Предполетные испытания — это такие, после которых конструкцию уже никак и ни в чем менять нельзя, разве что все заново делать. С вероятностью 99 процентов до (конца — прим. N + 1) 2020 года запустить МЛМ «Наука» не смогут. Если уже принято решение, то алгоритм действий понятен, и из него, скорее всего, все равно будет вытекать 2021 год».
Как отметил наш собеседник, даже столь поздний срок запуска модуля все еще может быть востребован: «Уже сейчас все космические агентства отметили, что и после 2024 года целесообразно совместно эксплуатировать МКС. При желании ее можно было бы сделать вечной, просто меняя модули шаг за шагом». По словам Моисеев, перевозка «Науки» в «Энергию» в августе вполне объяснима, поскольку с пилотируемыми объектами всегда работала именно эта корпорация, а у хруничевцев на этом направлении опыта практически нет.
Макет многоцелевого лабораторного модуля «Наука»
КПД как у паровоза
Однако не все эксперты считают запуск МЛМ «Наука» необходимым — хоть в 2020-м, хоть в 2021 году. Среди них — космонавт Геннадий Падалка. По его мнению, модуль давно перестал отвечать техническим требованиям сегодняшнего дня: «Все чаще официальные лица выступают с заявлениями, что модули МЛМ и НЭМ позднее могут стать основой российской космической станции на околоземной или даже на лунной орбите. На самом деле эти варианты бесперспективны. Построены модули, особенно МЛМ, по технологиям 1980-х, которые использовались на станции «Мир». Они не отвечают уровню даже сегодняшнего дня, не говоря уж о завтрашнем».
Падалка отмечает также, что в случае стыковки «Науки» с МКС потребуется 10-15 выходов наших космонавтов в открытый космос для завершения всех работ. Однако гидролаборатория Центра подготовки космонавтов, готовившая экипажи к таким операциям, пять лет назад была закрыта на реконструкцию и все еще далека от ввода в эксплуатацию. Многолетнее отсутствие тренировок делает перспективы постстыковочных работ не самыми многообещающими.
Андрей Ионин, член-корреспондент Российской академии космонавтики имени Константина Циолковского, в комментарии для N + 1 усомнился в экономической целесообразности запуска «Науки»: «В 2007 году это имело смысл, тогда планировалось довести экипаж МКС до шести человек. Но прошло уже много лет, не факт, что МКС вообще осталось долго жить. Возможно, настало время прекратить тратить на нее деньги».
Схема МКС с подсоединенными (сверху вниз) МЛМ «Наука», узловым модулем «Причал» и Научно-энергетическим модулем
По словам Ионина, российская космическая отрасль не так богата, чтобы тратить ресурсы на проект, который после 2024 года может быть просто свернут. Ведь многое зависит от американского финансирования, а оно не безгранично. У NASA не хватит средств сразу и на МКС, и на окололунную станцию. Американцы будут выбирать и вряд ли решат в пользу МКС, создание и первое десятилетие эксплуатации которой и так оценивается в 157 миллиардов долларов.
В частности, США уже потратили 30 миллиардов долларов на разработку сверхтяжелой ракеты SLS (ее первый старт намечен на 2020 год). Каждый ее пуск будет стоить не менее полумиллиарда долларов, а значит, рентабельна она будет только для полетов к окололунной станции. А для доставки грузов на МКС уже сегодня используется частная Falcon 9, вскоре речь пойдет о доставке с ее помощью и астронавтов.
Это соответствует планам американской администрации: переложить полеты на околоземную орбиту на более дешевые ракеты SpaceX, а полеты в более дальний космос оставить большой и дорогой «государственной» ракете SLS. На самом деле и SLS тоже делают негосударственные компании, но в строгом соответствии с требованиями NASA, чего нельзя сказать о весьма неортодоксальных по конструкции сверхтяжелых ракетах Илона Маска.
Наконец, по мнению Ионина, никуда не денется и напряженность в отношениях между Россией и США, не говоря о том, что «была известная фраза Рогозина про батут, а американцы такие вещи не забывают».
Так что шансы на международное сотрудничество по МКС малы, а одной России, чтобы потянуть такой проект, придется отказаться от более сложных проектов, связанных с освоением Луны и Марса.
Кстати, известный советский и российский космонавт Георгий Гречко еще в 1978 году, по итогам самого продолжительного пребывания человека в космосе, утвеждал, что у постоянно пилотируемой орбитальной станции «эффективность как у паровоза. очень маленький КПД, несколько процентов». По мнению Гречко, средства, уходившие на поддержание постоянной обитаемости станции, можно было бы направить на другие пилотируемые программы — к той же Луне и, в будущем, к Марсу.
Объем жилого герметизированного пространства во второй ступени будущей тяжелой ракеты BFR от SpaceX — около 800 кубических метров, такой же, как у всей МКС, обошедшейся дороже сотни миллиардов долларов.
Куда летим?
Впрочем, Ионин не скрывает: «лишним» является не только модуль «Наука», но и, например, сверхтяжелая ракета, создание которой намечено к 2028 году: «. Это ведь просто инерционная логика, логика проекта «Сатурн-Аполлон». Просто масштабирование идеи, которая уже была реализована, ничего нового там нет — двигатели планируется взять еще советской разработки, просто добавив пару букв к индексу и чуть поменяв отдельные компоненты. Если у людей много денег то можно делать и сверхтяж, много чего еще, но встает вопрос — зачем?»
«По мнению эксперта, «государство должно заниматься Луной и Марсом». Однако для этого необходимо отойти от подхода, основанного на минимизации рисков, на повторении ракет полувековой давности — или орбитальных станций из более недавнего прошлого, на выполнении задач, уже выполненных NASA или «Роскосмосом» в прошлом».
Как полагает Ионин, если уж космические державы действительно хотят потратить средства на космос осмысленно, то лучше сосредоточиться на использовании технологический возможностей, полвека назад не существовавших. Например — на ядерном буксире, экономически куда как более перспективным для освоения дальнего космоса, чем ракеты типа американской SLS или будущего российского сверхтяжа.
Другой перспективный блок задач — адаптация человека к длительному проживанию в космосе. На сегодня разумный срок такого рода ограничен полугодом, после чего в организме начинаются необратимые изменения — вплоть до потери костной ткани в объеме, угрожающем здоровью космонавта. Космическая остеопения ведет к потере одного процента массы костей человека в месяц, а потеря 20 процентов от этой массы угрожает прочности скелета в целом.
На этом направлении существуют принципиально новые подходы, включая создание слабой искусственной гравитации на космических кораблях или использование компактных миницентрифуг, позволяющих создавать искусственную гравитацию для космонавтов. Последние даже испытывались в России — но их полет в космос пока не планируется, в том числе из-за нехватки средств.
Источник