Промышленная лаборатория на орбите: 11 тонн экспериментов в модуле «Кристалл»
10 июня 1990 года к орбитальной станции «Мир» пристыковался «Кристалл» — третий целевой модуль комплекса. Он открыл новую главу в истории советской космонавтики — стал первой в мире полупромышленной лабораторией по выращиванию кристаллов в невесомости и проведению экспериментов по очистке белков. На нем работали электропечи, автоклавы, ультрафиолетовые телескопы и даже небольшая оранжерея. Какую роль модуль сыграл в международных программах и как сложилась его судьба — в материале Pro Космос.
Третий модуль «Мира»
Модуль «Кристалл» (ЦМ-Т, 77КСТ, индекс 11Ф77Т), запущенный 31 мая 1990 года с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Протон-К», был многофункциональной лабораторией. Он предназначался для экспериментально-промышленного производства полупроводников, очистки биологически активных веществ, выращивания кристаллов белков, гибридизации клеток и проведения астрофизических, геофизических и технических исследований.
Стартовая масса модуля после отделения от ракеты-носителя составляла 19640 кг. Он имел корпус длиной 12,02 метра, максимальным диаметром 4,15 метра и герметичным объемом 64 кубометра. По своим функциональным системам «Кристалл» был очень похож на модуль дооснащения «Квант-2», пристыкованный к «Миру» 6 декабря 1989 года. Основу конструкции составлял гермокорпус, состоящий из приборно-грузового и приборно-стыковочного отсеков.
В первом располагались служебные системы, основные доставляемые на орбиту грузы (контейнеры крепились к «полу» и «потолку») и тренажер «бегущая дорожка». Здесь же находились технологические установки, такие как электропечи «Кратер-В» и «Оптизон-1» для производства полупроводниковых материалов, печи «Зона-02» и «Зона-03» для металлических сплавов, электрофоретический комплекс «Айнур» для очистки белков и оранжерея «Свет» для выращивания растений.
Внутри второго отсека находилось научное оборудование (установка «Кристаллизатор ЧСК-1» и фотоаппараты комплекса «Природа-5»), снаружи — две раздвижные поворотные панели солнечных батарей общей площадью 72 м² и мощностью до 8,4 кВт, которые можно было перенести на модуль «Квант», а также бак системы «Родник». Общая полезная нагрузка модуля составляла 7 т (с учетом подсистем — 11,27 т).
«Кристалл» имел собственную двигательную установку для маневрирования и сближения с базовым блоком «Мира». Топливо, оставшееся в баках после стыковки, предполагалось использовать для коррекции орбиты и ориентации станции.
Помимо научного и технологического оборудования модуль был оснащен андрогинно-периферийными стыковочными агрегатами, которые позволяли ему принимать космические корабли.
Не просто новый «Салют»
Комплекс «Мир», в состав которого вошел «Кристалл», продолжил традиции, заложенные станциями «Салют». Он выводился на низкую околоземную орбиту высотой 300–400 км с наклонением 51,6° с помощью тяжелой ракеты-носителя «Протон-К». Экипажи доставлялись на станцию транспортными кораблями типа «Союз», а снабжение топливом и припасами осуществлялось автоматическими грузовиками типа «Прогресс».
Даже внешне «Мир» напоминал долговременные орбитальные станции (ДОС), из-за чего в начале разработки назывался «Салютом-8» или ДОС-7. Однако, по сути, это была новая концепция, которая существенно отличалась от предыдущих проектов.
«Мир» создавался для постоянной эксплуатации экипажем из двух-трех космонавтов, которые должны были отрабатывать процессы полупромышленного производства полупроводниковых материалов и медицинских препаратов. Также на станции планировалось выполнять технические, биомедицинские, геофизические, астрофизические и другие эксперименты и исследования.
Чтобы достичь этих целей, в отличие от предыдущих «Салютов», которые представляли собой моноблочную систему «все в одном», «Мир» состоял из базового блока, являющегося «сердцем» комплекса и содержащего основные служебные системы, и присоединяемых целевых модулей. Помимо двух основных осевых стыковочных портов, расположенных спереди и сзади базового блока, имелся специальный переходной отсек с четырьмя дополнительными радиальными портами. Целевые модули стыковались с передним осевым портом, после чего с помощью манипулятора перемещались на свободные боковые (радиальные) порты переходного отсека.
По сравнению с транспортными и грузовыми кораблями типа «Союз» и «Прогресс», целевые модули «Мира» были сопоставимы по массе и габаритам с основным блоком, что позволяло более эффективно использовать обитаемые объемы станции, расширять ее возможности, модернизировать и адаптировать под новые задачи без необходимости полной замены.
Кроме модульной конструкции, предполагалось использовать существенно обновленные служебные системы:
более надежную связь через геостационарные спутники-ретрансляторы «Луч», обеспечивая стабильный контакт с Землей даже вне зон прямой видимости наземных станций, чего не хватало «Салютам»;
взамен системы сближения и стыковки «Игла» применялась значительно более гибкая радиотехническая система взаимных измерений параметров «Курс». Она позволяла грузовым кораблям «Прогресс» и модулям точно подходить к станции, что улучшило логистику по сравнению с ручным управлением на «Салютах»;
автоматизацию управления полетом, ориентацией и стыковкой обеспечивал цифровой компьютер (бортовой комплекс «Салют-5Б»), что стало значительным шагом вперед по сравнению с аналоговыми системами долговременных орбитальных станций;
для длительного управления ориентацией без расхода топлива использовались усовершенствованные гиродины (гироскопические силовые электроприводы).
впервые реализована комплексная система жизнеобеспечения с широким применением регенерации воды (из конденсата и мочи) и кислорода (электролиз воды), что снижало зависимость от поставок с Земли. На «Салютах» такие технологии использовались ограниченно;
улучшенная система терморегулирования обеспечивала стабильный тепловой режим для экипажа и комплекса оборудования;
для приема модулей и транспортных кораблей применялись модернизированные стыковочные узлы, которые были рассчитаны на стыковку более тяжелых аппаратов, чем на предыдущих «Салютах».
Такие изменения сделали станцию «Мир» более автономной, надежной и универсальной. Она могла поддерживать длительные миссии и проводить сложные научные эксперименты.
Разработка комплекса и состояние программы
Первые проработки станции третьего поколения были выполнены еще в 1976 году, а первый эскизный проект появился в 1978-м, когда на орбиту только-только вышел «Салют-6», который относился к ДОС второго поколения. В 1982 году в космос отправился его дублер «Салют-7», а в это время уже активно велись работы над созданием следующей орбитальной станции, которую ее разработчики видели как комплекс космических аппаратов.
Сердце станции — базовый блок — было разработано в начале 1980-х в НПО «Энергия» под руководством генерального конструктора Валентина Глушко. Блок создавался на основе опыта, полученного при разработке и эксплуатации ДОС второго поколения «Салют-6» и «Салют-7». В то же время в КБ «Салют» под руководством Дмитрия Полухина на базе транспортных кораблей снабжения (ТКС) комплекса «Алмаз» шла разработка целевых модулей для нового комплекса.
Однако работы по созданию «Мира» оказались под угрозой срыва из-за того, что большая часть финансирования и ресурсов отрасли были направлены на реализацию проекта многоразовой космической системы «Энергия» — «Буран». Только благодаря личному вмешательству секретаря ЦК КПСС Григория Романова, курировавшего космическую тематику, проект «Салюта-8» не был закрыт и успешно завершился в установленные сроки.
В процессе проектирования ДОС претерпела значительные изменения и стала совершенно новым космическим аппаратом. Это послужило одной из причин ее переименования. Кроме того, в период, когда Михаил Горбачев занимал пост генерального секретаря ЦК КПСС, в стране началась эпоха перестройки, гласности и разрядки. В результате новая орбитальная станция получила название «Мир», которое отражало дух времени.
После запуска 20 февраля 1986 года базового блока (индекс 17КС) начался первый период, когда «Мир» эксплуатировался как моноблочная орбитальная станция. Первая экипаж к ней отправился на корабле «Союз Т-15»: на борту находились Леонид Кизим и Владимир Соловьев. Их полет длился с 13 марта по 16 июля 1986 года.
Это была первая длительная экспедиция. В ходе полета космонавты совершили последний визит на станцию «Салют-7» и возвратили с нее на новый комплекс часть оборудования и результаты экспериментов. Из-за отсутствия ряда бортовых систем и средств работа на «Мире» была возможна только в режиме экспедиций посещения.
В апреле 1987 года, когда на станции работала вторая основная экспедиция в составе Юрия Романенко и Александра Лавейкина, к заднему осевому порту базового блока не без трудностей пристыковался первый экспериментальный целевой модуль «Квант» (ЦМ-Э, 37КЭ, индекс 11Ф37), предназначенный для выполнения программы астрофизических и других научных исследований и экспериментов.
В декабре 1989 года, когда станция функционировала под управлением пятой основной экспедиции (Александр Викторенко и Александр Серебров), к осевому порту переходного отсека был пристыкован модуль дооснащения «Квант-2» (ЦМ-Д, 77КСД, индекс 11Ф77Д). Через двое суток модуль с помощью собственного манипулятора переехал на верхний боковой порт переходного отсека.
Кроме нового научного оборудования «Квант-2» привез систему электропитания, комплект гиродинов и двигатели ориентации для управления движением комплекса, а также средства жизнеобеспечения (установки получения кислорода, регенерации воды и бытовые приборы) и обеспечения выходов в открытый космос. Это позволило перейти к непрерывной эксплуатации «Мира».
Изначально предполагалось, что строительство комплекса займет буквально несколько лет. Однако из-за проблем с разработкой и производством модулей, а также из-за нехватки средств, процесс затянулся. Развертывание «Мира» происходило медленнее, чем планировалось изначально, но станцию нельзя назвать долгостроем: за 15 лет работы она активно развивалась и наращивала свои возможности в режиме непрерывного пилотируемого использования.
Смена имени и трудная стыковка
Запуск стыковочно-технологического модуля 77КСТ неоднократно «сдвигался вправо». Первоначально он планировался на 30 января 1990 года, но в октябре был перенесен на 30 марта. В конце января было объявлено, что запуск состоится 18 апреля. Тогда же модуль получил официальное название — «Кристалл».
Изначально все целевые модули «Мира» должны были иметь имя «Квант» с порядковыми номерами. Однако стыковки первых двух «Квантов» с базовым блоком проходили с трудом и не с первого раза. Поэтому, чтобы избежать повторения проблем, остальные модули были переименованы: исследовательский 77КСО назвали «Спектром», а модуль 77КСИ для дистанционного зондирования Земли — «Природой».
Но в апреле 1990 года запуск «Кристалла» также не состоялся. На этот раз причиной стали задержки с отладкой взаимодействия системы управления «Мира» и ее новой машины «Салют-5Б» с наземными вычислительными комплексами…
Наконец, 31 мая состоялся старт. После вывода на орбиту «Кристалл» частично (на 10 метров) раскрыл свои солнечные батареи, и успешно выполнял все необходимые маневры, точно следуя заложенным в бортовой компьютер программам.
На 6 июня была запланирована стыковка. Космонавты шестой основной экспедиции Анатолий Соловьев и Александр Баландин ждали этого момента. Оставалось провести последний двухимпульсный маневр сближения. Первый импульс двигатели успешно отработали, однако во время второго маневра бортовой компьютер отключил систему управления, и сближение прекратилось. Смена названия решить проблему не помогла…
В ходе анализа ситуации было установлено, что проблема возникла из-за неисправности одного из двигателей малой тяги системы ориентации. Из-за этого не удалось обеспечить нужное положение модуля перед вторым импульсом.
После выявления причины неисправности приняли решение при дальнейшем маневрировании использовать резервный коллектор двигателей. 10 июня «Кристалл» успешно состыковался с осевым портом переходного отсека, а на следующий день был перемещен на нижний боковой порт, расположенный напротив «Кванта-2».
В этот же день Соловьев и Баландин вошли в «Кристалл» и начали освоение новых «производственных площадей». Сначала они провели тестовые включения фотоаппаратуры «Природа-5», а затем приступили к регулярным съемкам поверхности Земли.
Научные и прикладные исследования
Модуль «Кристалл» стал научной лабораторией, открывая новые возможности исследований в невесомости. Основное внимание уделялось созданию сверхчистых материалов, включая монокристаллы полупроводников, таких как арсенид галлия, выращиваемые в специализированных печах, которые должны были обеспечивать идеальную кристаллическую структуру, недостижимую на Земле. Материалы, выращенные в невесомости, предназначались для электроники и высокоточных приборов. Также изучалось поведение жидкостей и металлических сплавов, что помогло понять влияние микрогравитации на их физико-химические свойства. Значительная часть экспериментов была посвящена технологическим процессам, которые могли бы лечь в основу будущей космической промышленности.
Не менее значимыми были исследования в области биотехнологий. В условиях микрогравитации изучался рост кристаллов белков, которые, благодаря отсутствию гравитационных искажений, получались более совершенными по своей структуре. Такие эксперименты имели большое значение для фармацевтики, поскольку позволяли глубже понять молекулярное строение белков, что могло ускорить разработку новых лекарственных препаратов.
Кроме того, проводились исследования по культивированию клеток и микроорганизмов, чтобы оценить влияние факторов космического полёта на биологические процессы. Предполагалось, что модуль биологических исследований «Айнур» будет использоваться для работ с электрофорезом. В рамках эксперимента «Свет» в оранжерее проводились опыты по выращиванию растений.
На «Кристалле» также размещались астрофизические приборы: гамма-телескоп-спектрометр «Букет», спектрометры «Мария-2», «Марина», «Гранат». В корпусе приборно-стыковочного отсека модуля находилась шлюзовая камера, снаружи которой стоял ультрафиолетовый телескоп «Глазар-2». Благодаря кардановому подвесу он мог самостоятельно наводиться на нужные участки неба, не требуя точной ориентации всего орбитального комплекса. Согласно техническим характеристикам, телескопы на борту «Кристалла» могли обнаруживать объекты до 18-й звездной величины.
Все эти исследования не только обогатили науку, но и стали значимым вкладом в развитие технологий, которые впоследствии были использованы в международных космических программах. «Кристалл» продемонстрировал свою значимость как уникальная лаборатория, которая стала основой для многих открытий в области материаловедения и биотехнологий, а также укрепила позиции советской космонавтики на международной арене.
Стыковка с челноками
В соответствии с изначальными замыслами модуль «Кристалл» должен был выполнять не только научные исследования и эксперименты, но и осуществлять стыковку с советскими многоразовыми орбитальными кораблями «Буран». Для этого дальняя часть приборно-стыковочного отсека «Кристалла» была снабжена двумя андрогинно-периферийными агрегатами стыковки АПАС-89: осевой предназначался для приема орбитального корабля, а боковой — для стыковки блока научной аппаратуры, который доставлял бы советский челнок.
По первоначальным планам, для каждой такой стыковки «Кристалл» должен был перемещаться из своего обычного положения на радиальном стыковочном порту в передний осевой порт базового блока комплекса «Мир».
Во время второго полета «Бурана», который предполагалось осуществить через три года после первого, в 1991-м, беспилотный орбитальный корабль должен был в автоматическом режиме осуществить стыковку с «Миром» и продемонстрировать работу бортового манипулятора. Экипажу станции необходимо было перейти на борт «Бурана».
Стыковка также должна была произойти одновременно с полетом корабля «Союз ТМ», который также был оснащен стыковочным узлом АПАС-89. В ходе тренировочного сценария по выполнению «спасательной операции» экипаж «Союза» стыковался с «Бураном», который свободно парил в космосе. Затем космонавты переходили в корабль, проводили работы в кабине, после чего отстыковывали «Союз» и снова должны были состыковаться с одним из портов «Кристалла».
Операция также могла включать выход в открытый космос и свободное перемещение одного из космонавтов с помощью установки маневрирования. Однако в начале 1990-х годов программа «Энергия-Буран» была закрыта, хотя корабли типа «Союз», оснащенные стыковочным агрегатом АПАС-89, уже были изготовлены.
24 января 1993 года с космодрома Байконур стартовал «Союз ТМ-16» с экипажем в составе Геннадия Манакова и Александра Полещука. Этот корабль относился к той серии, которая предназначалась для отработки процедуры спасения экипажа «Бурана». К моменту закрытия программы многоразовой транспортной космической системы ресурс «Союза» уже подходил к концу, и его решили запустить, доставив на нем очередную экспедицию на комплекс «Мир».
Через двое суток после старта «Союз ТМ-16» в ручном режиме успешно пристыковался к модулю «Кристалл» с помощью АПАС-89. Во время экспедиции космонавты проводили научные эксперименты, используя различное оборудование и аппаратуру «Мира». В частности, посредством магнитного спектрометра «Мария» они изучали механизм генерации элементарных заряженных частиц и их распространение в околоземном пространстве.
Этим использование андрогинно-периферийных стыковочных агрегатов на «Кристалле» не закончилось. Они применялись для приема американских челноков во время осуществления программы «Мир — Шаттл». Эта совместная инициатива России и Соединенных Штатов была направлена на обеспечение доставки российских космонавтов на орбиту с помощью шаттлов и организацию экспедиций американских астронавтов на станцию «Мир».
Основная цель проекта — обмен опытом длительных космических полетов и укрепление сотрудничества между NASA и Российским космическим агентством, а также подготовка к созданию Международной космической станции.
Модуль «Кристалл» был использован для первой стыковки с американским многоразовым кораблем Atlantis. Для этого в грузовом отсеке шаттла был установлен стыковочный отсек и система стыковки — шлюзовая камера, опорная ферменная структура, база стыковочного узла и российский стыковочный агрегат АПАС-89. Отсек был соединен с внутренней шлюзовой камерой «Атлантиса» через туннельный адаптер.
Перед стыковкой выполнялись сложные операции. До 27 мая 1995 года модуль «Кристалл» находился на боковом стыковочном агрегате, предназначенном для модуля «Спектр». Затем его переместили на осевой стыковочный агрегат и 30 мая установили на штатное место. 10 июня «Кристалл» снова переместили на осевой агрегат, чтобы обеспечить стыковку с шаттлом Atlantis. Первая стыковка шаттла с «Миром» произошла 29 июня 1995 года. Об этой миссии мы планируем рассказать особо.
Для всех последующих полетов по программе «Мир — Шаттл» «Кристалл» оснащался специальным небольшим модулем, известным как стыковочный отсек. Он обеспечивал значительный зазор между станцией и крылатым кораблем, не перемещая модуль «Кристалл» с радиального порта в осевое положение при каждой стыковке, при этом шаттл не должен был задевать килем солнечные батареи «Мира».
Стыковочный отсек в ноябре 1995 года доставил на «Мир» шаттл Atlantis в ходе миссии STS-74. Модуль был сначала поднят из грузового отсека шаттла и установлен на стыковочном узле шлюзовой камеры американского челнока. 15 ноября многоразовый корабль пристыковался к «Миру» через стыковочный отсек. Кроме того, в комплекте с этим модулем были доставлены две новые панели солнечных батарей, которые впоследствии космонавты установили на заранее подготовленные места на модуле «Квант-1». Фотоэлектрические элементы на одной из панелей были предоставлены NASA.
Среди других любопытных событий, связанных с модулем «Кристалл», можно упомянуть его участие в «транспортном происшествии»: 14 января 1994 года при отстыковке от станции «Мир» корабль «Союз ТМ-17» на время потерял управляемость из-за перегруза и дважды столкнулся с «Кристаллом».
Случилось это так. Отдав приказ о приближении корабля к модулю «Кристалл» для съемки стыковочного узла АПАС-89, специалисты Центра управления полётами (ЦУП) зафиксировали сильный толчок на внешней камере «Союза ТМ-17». Экипаж корабля (Василий Циблиев и Александр Серебров) сообщил о столкновении с «Миром». Однако после осмотра «Союза» со станции повреждений обнаружено не было, а космонавты на «Мире» не почувствовали удара, хотя система управления комплексом перешла в режим дрейфа.
Космонавтам пришлось срочно перейти на ручное управление, но удар все же произошел, и он пришелся на спускаемый аппарат. Если бы удар был сильнее, могла быть повреждена теплоизоляция, и происшествие могло окончиться трагедией. К счастью, все обошлось, и это событие стало первым в истории столкновением в космосе.
«Кристалл» провел на орбите 3948 дней и был затоплен в составе комплекса «Мир» 23 марта 2001 года.
