Строительство в космосе: новые тенденции

Неужели МКС — последняя орбитальная станция из алюминия? В конце нынешнего года или в начале следующего НАСА собирается пристроить к Международной космической станции новый модуль, добавив тем самым к этой орбитальной лаборатории девятое помещение. Эта новая пристройка необычна, а смонтировать ее несложно: надо всего лишь подсоединить ее к стыковочному узлу, заполнить сжатым воздухом — и космическая обитаемая лаборатория готова!

Компания Bigelow Aerospace из Лас-Вегаса потратила пятнадцать лет на разработку модуля BEAM. Первоначально его планировали запустить в сентябре. Однако экспериментальный пуск был отложен после того, как ракета Falcon 9, созданная компанией SpaceX, взорвалась на старте. Она должна была долететь до МКС 28 июня. Словом, старт модуля BEAM отложили на неопределенное время. Планировалось, что после доставки этого модуля на орбиту, его необходимо будет интенсивно тестировать еще в течении двух лет. Модулю BEAM суждено сыграть значительную роль при осуществлении будущих пилотируемых программ, в частности при выполнении коммерческих полетов на низких околоземных орбитах. Дело в том, что модуль BEAM надувной. Надувные модули, создаваемые компанией Bigelow, — это в некотором смысле возрождение программы НАСА, которую в свое время прикрыли. Напомним, что в 1990-х годах НАСА разрабатывало надувной жилой модуль TransHab с целью проверки его работы в космосе и последующего осуществления пилотируемого полета на Марс, а также для замены стандартных жилых модулей МКС, имеющих алюминиевую оболочку. TransHab прошел стадию наземных испытаний, но потом в 2000 году Конгресс США прекратил финансирование этой программы. Но миллиардер и горячий сторонник развития космических исследований Роберт Бигелоу (Bigelow) выкупил патенты на технологии, разработанные НАСА. И вот, компания Bigelow Aerospace решила создать нечто похожее на TransHab. С этой целью она провела исследования и, в конечном счете, в 2006 и 2007 годах на околоземную орбиту были выведены соответственно два надувных экспериментальных модуля Genesis I и Genesis II каждый размером с фургон. И оба они остаются на орбите по сей день. Их аккумуляторы уже отработали свое несколько лет назад. Через некоторое время оба модуля должны сгореть в плотных слоях атмосферы. Но со своей задачей они справились. «Genesis I и Genesis II оправдали наш базовый подход к архитектуре, — говорит Майк Голд (Mike Gold), начальник одного из подразделений компании Bigelow. — С технической точки зрения на примере этих космических модулей мы видим, что во время старта ракеты никаких повреждений надувных конструкций не происходит; их можно спокойно выводить на орбиту; к тому же, в модуль можно вставить иллюминаторы».

У надувных обитаемых модулей имеются преимущества перед обычными металлическими. Во-первых, их доставка на орбиту намного дешевле. Другим аргументом в пользу надувных конструкций является их стартовый вес — всего три тысячи фунтов; при этом, объем модуля BEAM равен 16 кубическим метрам, то есть его можно сравнить с 10-12-футовой комнатой. Его удельный вес (отношение массы к объему) составляет 88 кг на кубический метр. Для сравнения: тот же показатель для модуля «Дестини» (американской лаборатории на МКС) равен 137 кг на кубический метр, а для модуля «Транквилии» — 194 кг на кубический метр. Кроме того, надувные космические модули в сложенном состоянии очень компактны; так, габариты BEAM — всего пять на семь футов. По словам Голда, одно из главных преимуществ надувного модуля по сравнению с традиционным металлическим является его относительно умеренная цена — 18 миллионов долларов. «Я не помню, чтобы так относительно недорого стоила какая-либо другая конструкция или какой-нибудь другой проект,» — говорит Голд. Уменьшение габаритов космического модуля и его стартового веса экономит деньги налогоплательщиков. «Эффективность космического пуска — вещь крайне важная, поскольку преодоление земного притяжения — это самый важный и дорогостоящий этап космических исследований», — добавляет бывший астронавт Джордж Замка (George Zamka), который до перехода в прошлом году в компанию Bigelow Aerospace работал в управлении коммерческих космических программ Федерального управления гражданской авиации США. Как сообщил представитель НАСА в руководстве проектом BEAM Раджиб Дасгупта (Rajib Dasgupta), НАСА предполагает использовать надувные модули в космическом пространстве в пределах лунной орбиты (то есть орбиты, образованной движением Луны вокруг Земли). «Успешное применение модуля BEAM на МКС, безусловно, явится гигантским достижением, которое позволит в будущем создавать обитаемые исследовательские модули в открытом космосе», — утверждает Дасгупта. Пара слов о надувных изделиях

Первоначально модуль BEAM планировали запустить к МКС на грузовом корабле SpaceX CRS-8 2 сентября нынешнего года, но старт отложили из-за взрыва корабля SpaceX. (Голд надеется, что модуль BEAM все-таки будет доставлен на МКС уже «в текущем календарном году».) После доставки на орбиту надувной модуль будет проходить технические испытания в течение последующих двух лет. Но самая главная трудность состоит в том, чтобы развеять сомнения в отношении слова «надувной». «Человек подчас с подозрением относится ко всякого рода надувным конструкциям, ведь он опирается на свой житейский опыт. Людям кажется, что будут созданы какие-то дешевые надувные изделия невысокого качества, типа непрочных надувных игрушек или воздушных шариков, которые часто лопаются», — говорит технический директор Дэвид Кэдоган (David Cadogan) из компании ILC Dover из города Фредерика, штат Дэлавер (эта компания сотрудничала с НАСА и на протяжении десятилетий занималась разработкой скафандров, подушек безопасности для марсоходов и для пилотируемого транспортного космического корабля CSTS-100). Однако мы зачастую доверяем свою жизнь надувным конструкциям, таким, например, как автомобильные шины, подушки безопасности, надувные трапы для аварийной эвакуации из самолета, баллонные катетеры, используемые при ангиопластике артерий. Конечно, надувных жилищ никто никогда в космосе не строил. За пятьдесят лет у НАСА и его подрядчиков накопился большой опыт по сборке на орбите и обслуживанию герметичных алюминиевых конструкций. Специалисты умеют рассчитывать распределение нагрузок и предотвращать образование трещин на корпусе. Им известно, насколько прочны металлические конструкции к ударам микрометеоритов и космического мусора. Инженеры знают как выявлять повреждения, отслеживать утечки и анализировать ущерб; они даже научились проводить небольшие ремонтные работы. По словам Стива Стича (Steve Stich), одного из руководителей Космического центра им. Л. Джонсона при НАСА, настанет день и надувные обитаемые модули будут интегрированы на орбите с герметичными металлическими конструкциями. Правда, сначала НАСА необходимо понять, как надувные отсеки можно защитить от вредоносного космического воздействия — радиации, резких перепадов температуры, космического мусора. У модуля BEAM имеется специальное металлическое приспособление, позволяющее осуществлять стыковку с МКС. В момент стыковки нагрузка будет перераспределяться на модуль BEAM, особенно в районе стыковочного узла, расположенного между станцией и гибкой оболочкой модуля. Пока что никто не знает, осуществима ли вообще безопасная стыковка надувного модуля с космическим аппаратом? Можно ли интегрировать шлюз с надувным космическим аппаратом? Стич полагает, что в момент стыковки металлические конструкции, скорее всего, незаменимы, от них вообще нельзя отказываться. Правда, по его мнению, остается нерешенной следующая задача: как создать надувной модуль, уже до запуска в космос оснащенный системой жизнеобеспечения, жилыми отсеками и другими системами, чтобы космонавтам не приходилось монтировать его на орбите по частям. Обычные модули, прибывающие на космическую станцию, как правило, уже оснащены всем необходимым оборудованием. По словам бывшего главного инженера проекта НАСА Джорджа Стьюдора (George Studor), надувные модули пытаются завоевать такое же доверие в глазах НАСА, как и обычные металлические, которые создавались на протяжении пятидесяти прошедших лет. «Этой технологии потребуется много времени, прежде чем она завоюет доверие, — говорит Стьюдор. — Даже если надувная космическая станция Bigelow действительно окажется классной штукой, это совсем не означает, что у нее вообще отсутствуют свои недостатки... Таких конструкций пока маловато создано. Материалы окончательно не протестированы. Этот космический проект, по сравнению со всеми остальными, более рискованный. Но у проекта Bigelow большой потенциал, поэтому-то НАСА над ним и работает так упорно в течение многих лет, пытаясь довести его до ума». Идея — ровесник НАСА

Впервые в НАСА начали изучать возможности надувных конструкций где-то в 1960-м году, когда разработчики из исследовательского центра в Лэнгли, штат Вирджиния, планировали создать космическую станцию в форме бублика. Был еще один проект («Эхо») по созданию гигантских надувных конструкций с майларовым покрытием, которые планировалось вывести на околоземную орбиту в 1960 и 1964 годах; предполагалось, что с них будут посылаться радиосигналы. В 1965 году НАСА разработало еще одну концепцию надувных лунных модулей, а в 1967 году стало рассматривать идею космической станции Moby Dick с искусственным микроклиматом, по-видимому, благодаря ее большим размерам. TransHab появилась тридцать лет назад в качестве одного из проектов Космического центра им. Л. Джонсона. Этот проект возглавлял Уильям Шнайдер (William Schneider), специалист по защите шатлов от микрометеоритов. Когда в 2000 году проект аннулировали, Шнайдер уже уволился, но продолжал консультировать Bigelow Aerospace. На TransHab с самого начала все смотрели с недоверием. Представитель НАСА Крисс Кеннеди (Kriss Kennedy), космический архитектор, стоявший у истоков создания надувных конструкций и выдумавший название «надувная конструкция», в статье из Air & Space («Запустить, закачать воздух, заселить» (Launch. Inflate. Insert Crew), май 1999), вспоминал, что во время публичных слушаний по проекту он запустил воздушный шарик и заявил, что это именно шарик, а надувные конструкции никаким шариком не являются. Программа TransHab просуществовала недолго, но за это время инженеры НАСА разработали надувные модули, у которых оболочка представляла собой шестнадцать слоев из пеноматериала толщиной один фут, при этом ткань подвергалась испытаниям на прочность, чтобы выдерживать попадание микрометеоритов и космического мусора. Модуль TransHab представляет собой три воздушные оболочки, покрытые чередующимися слоями из керамической ткани, полиуретановой пены и кевлара. Керамический материал (Nextel) заключен между слоями пены толщиной в три дюйма — такая конструкция обеспечивает защиту от ударов микрометеоритов. Кевларовое покрытие образует собой оболочку, напоминающую ковер, и обеспечивает герметичность модуля. А трехдюймовая оболочка жилого отсека будет заполнена водой, чтобы защитить экипаж от радиации. Но конструкция модуля BEAM еще более современная. По словам Дасгупты, BEAM также состоит из нескольких оболочек, обеспечивающих пассивную безопасность, защиту от микрометеоритов и космического мусора, изоляцию и теплозащиту (более точное описание слоев является коммерческой тайной). В общем, по словам Голда, защитные слои модуля BEAM, по прочности напоминающие кевлар, отвечают всем требованиям безопасности. «Мы провели ряд испытаний оболочки МКС [защищающей станцию от микрометеоритов и космического мусора]. Наша система ничуть не уступает, а может и превосходит защиту на МКС,» — говорит Голд. Он сделал паузу, прежде чем привести яркий пример: «Если в человека стреляют, то какая разница, какой на нем одет бронежилет, — алюминиевый или кевраловый». Испытание космосом

Как только грузовой корабль Dragon SpaceX подойдет к МКС, роботизированная рука станции присоединит модуль BEAM к кормовой части модуля Node 3. Люк станции будет закрыт, а баллоны со сжатым воздухом повысят давление внутри надувного модуля. По мере повышения давления конструкция будет раскладываться — «надуваться». Созданная из алюминиевого сплава, эта структура предназначена для обеспечения прочности, если вдруг в нее попадет микрометеорит или частица космического мусора, говорит Дасгупта. Главное требование для модуля BEAM — доказать, что его вообще можно запустить, пристыковать к МКС, надуть и поддерживать в нем высокое давление на протяжении длительного времени. Еще одна задача заключается в том, чтобы понять, насколько основательно надувная конструкция, помещенная на низкой околоземной орбите, способна защитить экипаж от радиации. Модуль BEAM оснащен датчиками радиации; получаемая ими информация будет сопоставляться с соответствующей информацией, замеренной на алюминиевом корпусе МКС. При солнечных вспышках радиация будет увеличиваться. По словам Голда, у модуля BEAM защита превосходит металлическую: когда металлические конструкции поглощают радиацию, то экранирующий материал способен сам, в свою очередь, создавать «вторичное излучение». Когда частицы высокой энергии сталкиваются с атомами металлического защитного покрытия космического корабля, то в результате столкновений появляется каскад частиц, которые затем проникают внутрь космического корабля. Вторичная радиация может оказаться гораздо опаснее, чем просто космическая радиация. «Неметаллическая структура модуля BEAM значительно понижает уровень вторичной радиации, возникающей в металлических оболочках,» — поясняет Голд. После того, как космический корабль перейдет на более высокую орбиту, уровень космической радиации возрастет, и в этом случае уже ни металлическое жесткое, ни гибкое тканевое покрытие не смогут полностью спасти экипаж от радиации. И это главная опасность, поджидающая астронавтов во время путешествия на Луну, на Марс и далее. «Единственное, что можно было бы сделать, — это использовать очень плотный материал для поглощения радиации. Ведь человека будут бомбардировать субатомные частицы», — поясняет Замка. Помимо защиты экипажа, говорит Кэдоган из ILC, еще одной сложной инженерной задачей является поддержание структурной целостности модуля BEAM — особенно, избежать так называемое разрушение при ползучести. Это явление возникает, когда в результате загрузки модуля его предельная прочность превышается, что приводит к деформации материала, его растяжению и последующему разрыву. Однако данную инженерную проблему можно решить, если создать конструкцию, предельная прочность которой при нагрузке (для большинства материалов) не будет превышать 25%. По словам Кэдогана, при внешних нагрузках одни материалы прочнее других. Правда, все они до некоторой степени непрочны. Однако проблема может быть решена с помощью новых инженерных наработок. Хотите наглядный пример? Возьмем обычное оконное стекло. Еще двести лет стекло, которое тогда изготавливали, могло со временем прогибаться под действием силы тяжести. Но у современных материалов этот дефект уже отсутствует. По словам Кэдогана, при создании модуля BEAM возникают не только инженерные проблемы. Например, компания ILC приваривает друг к другу полимерные материалы, образуя камеру, в которой предотвращается утечка кислорода. Эти герметичные покрытия создаются под строгим контролем и под воздействием высокой температуры и давления. «Затем их сшивают, в результате чего поверх камеры получается защитная и герметичная оболочка, выдерживающая большие нагрузки. Сшивание также проводится под наблюдением — тут и отслеживание прочности нити, и толщины иглы и т.д. Нужно правильно отрегулировать механизмы, привлечь высококвалифицированных специалистов. Перед полетом необходимо все проверить и перепроверить», — поясняет Кэдоган. И, наконец, по окончании двухлетнего тестирования нас ждет последнее испытание — роботизированная рука должна штатно отсоединить эту габаритную надувную конструкцию весом три тысячи фунтов от МКС — ничего подобного еще никто никогда не делал. После этого модуль BEAM должен войти в плотные слои атмосферы и через год сгореть. Увеличение объема

У надувных конструкций имеется еще одно очевидное преимущество: их сравнительно больший объем. Модуль BEAM относительно невелик, но объем рабочего модуля B330, разрабатываемого в настоящий момент компанией Bigelow, составляет 330 кубометров; для сравнения, у МКС этот показатель — 916 кубических метров, то есть в три раза больше, чем у модуля B330. Если взять пространство одинакового объема в космосе и на поверхности Земли, то в космосе оно, так сказать, «более доступно» для астронавта, поскольку в космосе астронавт, благодаря невесомости, может перемещаться в любом направлении — не только по горизонтали (от стены до стены), но и по вертикали (от пола до потолка). МКС является массивным объектом: если взять ее всю вместе с солнечными батареями, то по размеру она сопоставима с футбольным полем. Но размеры обманчивы, поскольку объем внутреннего пространства все-таки невелик: «Это пространство небольшое и тесное в любом модуле, будь то на “Транквилити”, “Сиренити” или “Юнити” — везде чувствуешь себя будто стиснутым в какой-нибудь трубе», — говорит Замка. Однако надувные модули предоставляют экипажу больше свободного пространства. «Я думаю, что они заметят разницу, когда будут жить в этом просторном модуле во время длительных космических полетов», — говорит Замка. Как утверждает Дасгупта, планируется, что члены экипажа МКС должны будут посещать модуль BEAM предположительно один раз в три месяца. Их работа будет заключаться в том, чтобы собирать информацию с датчиков, осматривать оболочку модуля, осуществлять замену дозиметров — словом, проверять общее состояние модуля. Вентиляция на модуле BEAM пассивная, поскольку воздух поступает туда принудительно из помещений станции по специальному воздуховоду. Образование конденсата будет предотвращено благодаря циркуляции воздуха внутри BEAM. Пока что в модуле отсутствуют иллюминаторы, но в будущем они, вероятно, появятся. «Жесткого лимита по времени для пребывания экипажа в модуле нет, однако поскольку экипаж проводит исследования на МКС круглый год, мы хотели бы ограничить время пребывания в модуле несколькими часами», — говорит Дасгупта.

НАСА не планирует устанавливать какое-либо дополнительное оборудование внутри модуля BEAM, на нем не будет установлено никакого источника бортового электропитания. Членам экипажа придется использовать обычные портативные фонари. Модуль придется, наверное, астронавтам очень по нраву — не только потому что он просторный, но и потому что в нем по сравнению с другими модулями не так шумно. Как сказал Голд, «мы хотим превратить BEAM в оазис». Если с модулем BEAM все сложится удачно, то компания Bigelow Aerospace планирует использовать модули B330 в качестве автономных орбитальных станций, которые могут использоваться частным сектором. Так, например, по словам Голда, фирмы, работающие в области фармацевтики и материаловедения, могут использовать модуль B330 в качестве лабораторий и вести на нем разработку новых продуктов. (При этом он не сказал о цене B330.) Эти модули вмещают до шести человек. Специалисты компании Bigelow надеются, что B330 станут использоваться на постоянной основе во время космических полетов в глубоком космосе. В просторных надувных модулях, в отличие от отсеков космического корабля «Орион», который сейчас разрабатывает НАСА, астронавты не будут чувствовать себя стиснутыми и сжатыми со всех сторон. «Понятно, что внутреннего объема для осуществления длительных полетов [на “Орионе”] совсем не достаточно», — говорит Голд. Однако, по его словам, если подсоединить надувной модуль к двигательной установке и/ или кабине, то получится довольно надежная система, не хуже проекта LEO по изучению Луны, Марса и космического пространства. В этом смысле, приостановленная в свое время программа НАСА TransHab действительно может быть возрождена. Как утверждает Замка, модуль B330 прекрасно дополнит космический корабль «Орион».