Трое в звездолете: как в СССР готовились к отправке космонавтов на Марс
В 2025 году исполнится 65 лет с момента начала работ по советской программе разработки тяжелого межпланетного корабля (ТМК). Хотя при рассказах об этом проекте сломано немало копий (в частности, о нем очень подробно и много писал ветеран Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» Владимир Евграфович Бугров), в истории разработки до сих пор существует множество лакун, а технические детали работы практически не известны. Тем не менее есть материальные доказательства, позволяющие утверждать, что проект ТМК сыграл важную роль в развитии отечественной пилотируемой космонавтики. Одно из таких доказательств — наземный экспериментальный комплекс (НЭК) для проведения научных экспериментов с участием человека в условиях искусственно регулируемой среды обитания, созданный в Институте медико-биологических проблем (ИМБП).
С чего все началось
Разработка проекта ТМК началась в соответствии с Постановлением «О создании мощных ракет-носителей, спутников, космических кораблей и освоении космического пространства в 1960–1967 годах», принятым Центральным комитетом Коммунистической партии Советского Союза (ЦК КПСС) и Советом министров СССР 23 июня 1960 года. В документе, прилагаемом к Постановлению, кратко описывались цели и задачи проекта. В частности, организациям-участникам разработки предлагалось провести проектно-конструкторскую работу и исследования, необходимые для создания новой комплексной ракетной системы, способной обеспечить вывод на околоземную орбиту грузов массой до 60-80 тонн для решения различных задач, в том числе для выполнения пилотируемых межпланетных полетов к Луне, Марсу и Венере.
Напомним: космическая эра началась менее чем за три года до выхода Постановления с запуском первого искусственного спутника Земли. В стране только начинались полеты автоматических зондов к Луне и разворачивались летные испытания кораблей-спутников для полета человека по околоземной орбите. До триумфального витка Юрия Гагарина оставалось десять месяцев, а для высшего политического руководства страны и для «фирмы» Сергея Королёва проект полета на Марс уже был не просто мечтой, а вполне реальной перспективой.
В наше время скептики могли бы только посмеяться над наивными попытками решить технические, биологические и медицинские вопросы, связанные с подготовкой и реализацией пилотируемой межпланетной экспедиции, которые предусматривались в Постановлении.
Схема полета и ракета-носитель
В начале работ Сергей Павлович предоставил проектантам возможность для творческого поиска. «Свободный полет мысли» стартовал за полгода до выхода Постановления, и уже в июле 1960 года началась проработка ТМК с экипажем из трех человек. Работы велись в Девятом (проектном) отделе ОКБ-1, которым руководил Михаил Клавдиевич Тихонравов. Рассматривались различные варианты и схемы разгона корабля с околоземной орбиты, в том числе с использованием электроракетных двигателей, работающих от ядерного реактора.
В ходе работы выяснилось, что для реализации проекта необходимо выполнить большой объем теоретических и практических исследований по созданию компактных и мощных ядерных энергоустановок с беспрецедентным временем автономной работы и уникальными массогабаритными характеристиками. Поэтому рассматривались и другие варианты, в том числе на основе химических ракетных двигателей. Однако в этом случае стартовая масса корабля значительно увеличивалась, что требовало сборки ТМК с использованием множества (до нескольких десятков) запусков сверхтяжелых носителей и стыковок элементов комплекса на орбите. Исходя из расчетной массы отдельных блоков проектанты определили требования к средству выведения, которое со временем превратилось в ракету Н-1.
Очень скоро стало очевидно, что задача высадки человека на марсианскую поверхность в первых полетах ТМК поставлена преждевременно. В связи с этим инженеры рассмотрели варианты облета Марса, в том числе с гравитационным маневром вблизи Венеры без посадки на планеты или выхода на орбиты их искусственных спутников. Так задача экспедиции значительно упрощалась: посадка и маневры у планет были не нужны, можно было просто запустить ТМК на траекторию, которая пересекает орбиты Земли и планеты назначения. Через некоторое время свободного полета, определяемого элементами траектории, корабль подобно бумерангу мог вернуться к месту старта и войти в атмосферу Земли со второй космической скоростью.
Например, если бы советские космонавты стартовали 8 июня 1971 года, то через 10,5 месяцев они могли пролететь в непосредственной близости от Марса, провести исследования Красной планеты с пролета и сбросить на поверхность автоматические посадочные зонды. Полная продолжительность экспедиции составила бы три года один месяц и двое суток, а возвращение на Землю могло состояться 10 июля 1974 года.
Энергетика или автономность?
В любом случае, схема полета и тип двигателя влияли не столько на продолжительность экспедиции, сколько на стартовую массу и общие характеристики корабля.
Если выбор баллистических схем, применение ядерных энергоустановок или огромных солнечных батарей в сочетании с экономичными ионными двигателями позволяли снизить стартовую массу ТМК до приемлемых значений, то сократить длительность межпланетных перелетов было невозможно. В этой связи на первый план выходили проблемы обеспечения жизни и деятельности экипажа, длительное время пребывающего в невесомости и в замкнутом объеме кабины корабля.
Размышляя о проекте ТМК, Королёв постоянно старался выделить наиболее важные аспекты работ. К ним, несомненно, относилась и автономность системы обеспечения жизнедеятельности человека. Например, в рабочих заметках от 14 сентября 1962 года он писал: «Надо бы начать разработку "Оранжереи (ОР) по Циолковскому", с постепенно наращиваемыми звеньями или блоками, и надо начинать работать над "космическими урожаями". Каков состав этих посевов, какие культуры? Их эффективность, полезность? Обратимость (повторяемость) посевов из своих же семян, из расчета длительного существования ОР. Какие организации будут вести эти работы: по линии растениеводства (и вопросов почвы, влаги и т.д.), по линии механизации и "свето-теплосолнечной" техники и систем ее регулирования для ОР и т.д.».
Далее он продолжил: «Вопросы, связанные с невесомостью, основные! Видимо, здесь опыты на "Союзе" [речь идет о корабле для отработки встречи и стыковки на околоземной орбите — прим. ред.] и на тяжелой орбитальной станции (ТОС) дадут возможность получить большие длительности (до 1 года) пребывания в условиях невесомости (что при 1 годе решает проблему полета к ближним планетам, так как сроки 3–5 лет будут уже примерно того же порядка)».
При проектировании ТМК рассматривались варианты обеспечения искусственной гравитации, но их проработка была сложной задачей, решаемой в совокупности с другими (например, с освещением «окон» бортовой оранжереи). В итоге был выбран вариант с вращением орбитального модуля в плоскости, параллельной продольной плоскости комплекса, хотя, по утверждению некоторых участников разработки, от искусственной гравитации в конечном итоге было решено отказаться.
Проектные решения
Ключевой особенностью проекта становилась беспрецедентная продолжительность полета ТМК. Имеющиеся на тот момент автономные системы жизнеобеспечения на физико-химических принципах, предназначенные для использования на подводных лодках и космических кораблях, имели невысокую надежность и большую сложность и массу из-за гигантских запасов воды, пищи и кислорода, какие требовались для поддержания существования экипажа в течение многих месяцев и лет. Поэтому с самого начала Королёв настаивал на использовании в ТМК системы жизнеобеспечения, полностью замкнутой по кислороду и воде и частично (но как можно больше) — по пище.
Он предполагал обеспечить автономность полета ТМКС рядом проектных решений:
Система жизнеобеспечения должна быть комплексной, включающей биологические (оранжерея с реакторами-культиваторами хлореллы) и физические средства очистки и восстановления воздуха и регенерации воды из конденсата атмосферной влаги. Часть пищи должны обеспечивать оранжереи-фитотроны с высшими растениями, часть будет храниться в холодильниках в виде замороженных запасов специально разработанных сбалансированных бортовых рационов.
Защиту экипажа от проникающей космической радиации обеспечат специальные медикаменты — радиопротекторы; солнечные вспышки космонавты будут пережидать в изолированном радиационном убежище оригинальной конструкции, расположенном в центре корабля и оснащенном упрощёнными системами отображения информации и управления.
Профилактику негативного воздействия невесомости на организм человека обеспечат искусственная тяжесть и регулярное использование различных тренажеров, нагружающих костно-мышечную систему человека.
Техническое обслуживание и ремонт систем и механизмов космонавты смогут проводить при наличии бортовой мастерской с запасом инструментов и материалов при условии доступности для экипажа узлов, агрегатов и систем корабля.
Контроль психологического состояния на борту обеспечит предполетная система медицинского и медико-психологического отбора, подготовки и комплектования экипажа.
Условием успешного выполнения полетного задания станет система профессиональной подготовки, направленная на достижение взаимозаменяемости членов экипажа при выполнении основных видов работ и операций.
Продуктивность работы экипажа на приемлемом уровне возможна за счет рационального режима труда и отдыха в суточном и многодневном масштабе времени, правильная организация зон работы, сна, досуга, быта, а также при наличии в компоновке отсеков корабля индивидуальных кают, салона (кают-компании) и кухни (камбуза).
Система психологической поддержки включает комплекс мероприятий по профилактике негативного влияния длительной сенсорной и социальной изоляции; досуг скрасят средства связи с Землей, а также читальные аппараты, телевизоры и магнитофоны с библиотекой звукозаписей.
Санитарно-гигиенические средства и мероприятия (умывание, душ и т. д.) включают наличие душевой кабины, туалетных комнат и стиральной машины.
Система медицинского контроля и биологических исследований на борту даст возможность активно следить за здоровьем космонавтов, а обязательное включение в состав экипажа врача широкого профиля с несколькими специализациями (в том числе по психофизиологии труда) даст возможность оказывать своевременную медицинскую помощь.
Наземный «Марсолет»: оранжерея, камбуз и убежище
Поскольку проект ТМК отличался новизной и комплексностью систем, он требовал проведения большого объема наземных испытаний. Сложнейшей задачей, которую надо было решить в первую очередь, становилась отработка автономности корабля. Именно поэтому по инициативе Королёва в 1963 году был создан Институт медико-биологических проблем (ИМБП), руководителем которого назначили советского физиолога и биофизика, академика Академии медицинских наук СССР, генерал-майора медицинской службы Андрея Владимировича Лебединского.
Официально задачей института было проведение научных исследований и опытно-конструкторских работ в области медико-биологического обеспечения пилотируемых космических объектов и фундаментальных исследований в области космической биологии и медицины. Однако на практике в первые годы существования институт прежде всего использовался для отработки медико-биологических вопросов длительных межпланетных полетов в целом и проекта ТМК в частности.
Проектирование систем для наземной отработки тяжелого корабля в ИМБП началось с января 1964 года; параллельно группа конструкторов ОКБ-1 под руководством Ильи Владимировича Лаврова, одного из старейших работников королевской фирмы, приступила к проектированию уникального наземного комплекса НЭК, который должен был включать все системы, необходимые для имитации на Земле условий длительного межпланетного полета, за исключением невесомости. Важность поставленной задачи подтверждается тем, что заместителем директора и главным конструктором комплекса систем обеспечения жизнедеятельности для марсианского корабля в ИМБП был назначен Борис Андреевич Адамович, ведущий сотрудник ОКБ-1.
Для максимально точной имитации условий реального полета был создан полноразмерный макет ТМК, который получил название «экспериментальная установка № 37» (ЭУ-37, или «Марсолет»). Изготовление объекта началось в 1965–1966 годах, из-за сложности и большого объема работ монтаж шел уже после смерти Королёва, в 1967–1969 годах. НЭК был готов к проведению длительных экспериментов к 1971 году.
На начальном этапе основной задачей работ стала отладка служебных систем, обеспечивающих газовый состав атмосферы в обитаемых отсеках. На ЭУ-37 отрабатывались бортовые системы жизнеобеспечения, радиационной защиты, спасения в аварийных ситуациях, сбора и обработки экологической и медико-биологической информации и многие другие.
По словам участников экспериментальных работ, установка с высокой степенью точности воспроизводила конструкцию и интерьер ТМК. «Макет не был просто большим тренажером — он качественно отличался от имитаторов всех пилотируемых космических летательных аппаратов, которые были созданы не только к тому времени (1971–1975 годы), но и по сей день», — считает Владимир Иванович Макаров, ветеран ИМБП, непосредственный участник работ.
НЭК расположили в огромном здании, похожем на ангар для самолетов: здесь находился макет ТМК с тремя ярусами застекленных балконов, занимающий почти половину длины футбольного поля. Со временем ЭУ-37 окружили множеством шлангов и кабелей, многочисленных трапов и подмостков.
«Корпус "корабля" покрывали люки и иллюминаторы, — вспоминает Владимир Макаров. — По всей длине макета стоял ряд контейнеров необычной формы с символом "Радиация". В конце зала, вдали от освещенной части, можно было увидеть еще один длинный цилиндр, соединенный с первым под прямым углом».
В макет ТМК можно было попасть только в специальной обуви. Через люк посетители и испытатели проникали в освещенный матовым светом салон корабля, напоминающий кают-компанию с двумя большими кожаными диванами, тремя глубокими мягкими креслами и выдвижным столом. Пол покрывал ковер, а на полках из ценных пород дерева можно было увидеть экран для просмотра фильмов.
Из кают-компании люк вел в оранжерейный отсек — цилиндрическое помещение трехметрового диаметра, расположенное перпендикулярно основной конструкции. Проект ТМК предусматривал линейное размещение жилых отсеков корабля и оранжереи, но из-за особенностей помещения в НЭКе последнюю расположили перпендикулярно. В оранжерее находились длинные ряды реакторов для выращивания хлореллы, освещаемые через окна на внешней оболочке корпуса, куда попадали солнечные лучи, отражённые от параболических зеркальных концентраторов. Воздух из блока обитаемых отсеков проходил через реакторы с хлореллой, где очищался и обогащался кислородом, после чего возвращался обратно.
Напротив салона находился компактный санузел с тремя писсуарами, оснащенными вакуумными отсосами. Также в этом помещении были душевая кабина, умывальник и стиральная машина.
Далее следовал камбуз с электроплитой и скороварками, затем — снова коридор, в котором могли разойтись два человека. По левую сторону коридора располагались каюты членов экипажа со спальными местами, стенными шкафами и столиками. Диван в каюте бортврача был одновременно универсальным хирургическим креслом. В каюте командира экипажа находился миниатюрный пульт управления ТМК.
За каютами следовал рабочий отсек, сопоставимый по объему с салоном. Вдоль отсека размещалось радиационное убежище. Стены, пол и потолок убежища внушительной толщины в четверть метра выполнялись из специального легкого полимера, защищающего от радиации. Объем убежища составлял всего 3,5 м3, высота потолка была около 1,2 м. Весь пол занимал трехместный диван-кровать. Каждая из трех частей дивана трансформировалась из лежачего положения в полусидячее.
В убежище имелась компактная приборная доска, на которой отображались основные параметры систем корабля. Индикаторы меняли цвет в зависимости от ситуации: зеленый — все нормально, желтый — нештатная ситуация, красный — авария. Упрощенный пульт управления позволял выдавать минимальный набор необходимых команд.
Также в убежище был пульт связи с Землей, телекамера и динамики, а также средства развлечения: телеэкран и читальный аппарат, который проецировал изображения с 36-мм фотопленки на экран размером 12х18 см. На борту было около трех сотен книг различных жанров в микрофильмированном виде.
Для обеспечения нормальных условий обитания «саркофаг» убежища был оснащен системой вентиляции. Под одним из кресел находился компактный санузел, а под двумя другими — емкости для продуктов питания и питьевой воды, а также гигиенические пакеты.
Большое внимание уделялось эргономике корабля. В ходе проекта были протестированы почти все существующие способы и технологии для визуализации больших объемов аналоговых данных. Например, в экспериментальной системе отображения информации, разработанной ОКБ-1, наряду с электронно-лучевыми трубками и газоразрядными индикаторами впервые использовались электролюминесцентные панно и речевое оповещение. Совместно с заводом «Звезда» велись комплексные инженерно-психологические исследования по обоснованию требований к органам управления при работе космонавтов в скафандрах при различных уровнях давления.
ЭУ-37 имела приборно-агрегатный отсек и мастерскую, где экипаж мог проводить ремонт систем и агрегатов корабля. В приборно-агрегатном отсеке располагались системы воздухоочистки «Гном» и электролизер «Электрон». В торце отсека было оборудовано рабочее место для пилота-космонавта, оснащенное видеоконтрольным устройством и органами управления, необходимыми для моделирования процесса ручной стыковки во время экспериментов.
Макет ТМК контролировался множеством датчиков, собирающих основные показания приборов и передающих их на центральный пост управления. Эти данные включали информацию о напряжении и силе тока в цепях, давлении в баллонах и отсеках, герметичности люков, температуре воздуха в каютах и хладагента в магистралях, механических напряжениях в корпусе корабля, освещенности культиваторов хлореллы и фитотрона в оранжерее, ориентации остронаправленной антенны на Землю и так далее. В 24 точках внутри корабля стояли дистанционно наводящиеся инфракрасные камеры.
Общий объем обитаемых помещений ЭУ-37 составлял не менее 200 кубических метров. После присоединения к «Марсолету» в 1990-х годах экспериментальной установки ЭУ-100 для экспериментов в интересах Международной космической станции (МКС) объем увеличился ещё на 100 кубических метров.
Жди нас, Марс
По мнению историков космонавтики, ТМК был одним из немногих детально разработанных проектов корабля, предназначенного для пилотируемой экспедиции на Марс, не только в стране, но и в мире. Остальные аспекты программы планировалось реализовать с помощью доступных технологий. Тема стыковки на околоземной орбите разрабатывалась с 1959 года в отделе Тихонравова и легла в основу программы «Союз».
Схемы межпланетных полетов отрабатывались на автоматических зондах «Марс» и «Венера», а посадка на планеты — на основе лунных и марсианских посадочных аппаратов. К середине 1960-х годов уже была доказана возможность выхода в открытый космос, что продемонстрировал Алексей Леонов на «Восходе-2». Дальняя связь проверялась при работе спутников «Молния» и межпланетных станций. Оставалась летная отработка ТМК, которую планировали провести на тяжелой орбитальной станции ТОС — ее проект, по воспоминаниям ветеранов РКК «Энергия», был начат в январе 1964 года.
Однако еще в первой четверти 1960-х ОКБ-1 сосредоточило почти всю силу на работах по советской лунной программе, которая конкурировала с американским проектом Apollo. ТМК стал отправной точкой для последующих марсианских разработок, которые предполагалось реализовать после высадки на Луну. К сожалению, после проигрыша в лунной гонке советская космическая программа была переориентирована на долговременные орбитальные станции, и проект ТМК фактически закрыли в середине 1970-х годов.
Тем не менее и наземный комплекс, и проверенные в проекте технологии широко использовались для проведения экспериментов по длительной изоляции экипажей будущих космических кораблей (в частности, в проекте «Марс-500») и для создания перспективных замкнутых систем жизнеобеспечения высокой автономности.
