«Наука»: пять лет на орбите

Запуск многоцелевого лабораторного модуля «Наука» (МЛМ-У) состоялся 21 июля 2021 года с помощью ракеты-носителя «Протон-М», которая стартовала с космодрома Байконур. Выведение модуля на околоземную орбиту прошло полностью в штатном режиме. Сразу после отделения от последней ступени ракеты-носителя «Наука» автоматически раскрыла панели солнечных батарей и установила устойчивую связь с Землей. Подмосковный Центр управления полетами принял космический аппарат на сопровождение и выдал команды на реализацию программы его восьмисуточного автономного полета к Международной космической станции (МКС).

История создания и модернизации модуля «Наука»

Конструктивный облик и архитектурные решения многоцелевого лабораторного модуля «Наука» восходят к концу 1960-х годов. Именно тогда Центральное конструкторское бюро машиностроения (ЦКБМ) под руководством генерального конструктора Владимира Челомея разработало тяжелые транспортные корабли снабжения (ТКС) для военной программы орбитальных пилотируемых станций «Алмаз». В дальнейшем модификации этих кораблей стыковались со станциями гражданской серии «Салют-6» и «Салют-7» и составили основу целевых модулей «Квант-2», «Кристалл», «Спектр» и «Природа» орбитального комплекса «Мир».

МЛМ «Наука» стал последним представителем этой советской инженерной школы, созданным для Российского сегмента МКС. Изготовление гермокорпуса под техническим обозначением ФГБ-2 (Функционально-грузовой блок-2) началось в ГКНПЦ имени М. В. Хруничева в конце 1995 года. Объект строился как дублер первого элемента МКС — ФГБ «Заря» — на случай нештатной ситуации при ее выведении в ноябре 1998 года. После успешного старта прототипа необходимость в немедленном запуске резервного блока отпала, и ФГБ-2 был законсервирован на длительное хранение в цехах завода-изготовителя.

В последующие годы концепция применения готового задела ФГБ-2 неоднократно менялась. Сначала РКК «Энергия» планировала переоборудовать его в коммерческий склад для аренды мест под научную аппаратуру зарубежными партнёрами по МКС. К 2004 году этот проект потерял актуальность, и Федеральное космическое агентство приняло решение перепрофилировать корпус под полноценный государственный лабораторный комплекс.

Из-за дефицита финансирования запуск, намеченный на 2007 год, постоянно откладывался. Базовую реконструкцию на заводе-изготовителе завершили только в 2012 году, после чего модуль перевезли в РКК «Энергия» для проведения комплексных проверок.

В 2013 году инженеры РКК «Энергия» в ходе испытаний систем стыковки и дозаправки выявили скрытые дефекты: внутри топливных баков и трубопроводов системы наддува и перекачки топлива были обнаружены посторонние микрочастицы (металлические загрязнения). Модуль вернули на завод-изготовитель для проведения сложных ремонтно-восстановительных работ. Ситуация была критической, поскольку оригинальные баки с сильфонными разделителями заменить было невозможно — производства, выпускавшего их, уже не существовало. В 2017 году всерьёз рассматривался вариант окончательно оставить модуль на Земле.

В 2018 году восстановительные работы возобновились. При сохранении оригинального корпуса и баков специалисты провели глубокую модернизацию служебных систем. В ходе работ инженеры заново изготовили внешние соединительные трубопроводы гидравлической системы, частично обновили бортовой комплекс телеизмерений и заменили блоки в аналоговой системе стыковки «Курс-А».

19 августа 2020 года «Наука» прибыла на космодром Байконур железнодорожным транспортом. В монтажно-испытательном корпусе площадки 254 модуль прошёл полный цикл комплексных испытаний и был закрыт экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ). Перенос пуска с мая на июль 2021 года произошёл из-за большого объёма проверочных работ.

Финальный инцидент случился перед самым вывозом: 1 июля 2021 года после сборки головной части специалисты обнаружили замечания по установке матов ЭВТИ в районе инфракрасных датчиков и приборов звёздной ориентации. Модуль вернули в МИК для доработки, что сместило итоговую дату пуска на 21 июля. Вывоз ракеты на стартовый комплекс состоялся 17 июля 2021 года.

Автономный полет и стыковка модуля «Наука» с МКС

Восьмисуточная программа автономного полёта «Науки» потребовала от Главной оперативной группы управления решения ряда ответственных баллистических и технических задач. В первые дни после выхода на орбиту специалисты фиксировали особенности в работе программного обеспечения, отдельных элементов топливной системы и приборов ориентации, включая инфракрасные датчики вертикали и звёздные трекеры. Также наземным службам необходимо было подтвердить раскрытие антенны стыковочной системы «Курс-А» и мишени для наведения пилотируемых кораблей.

Особенности функционирования бортового софта привели к временному выравниванию давления между баками высокого и низкого давления. В использовании маршевых двигателей коррекции и стабилизации (ДКС) возникла пауза. Текущее состояние систем анализировала экспертная группа с привлечением специалистов конструкторского бюро «Салют» — разработчика модуля. Инженеры оперативно скорректировали полётное задание, временно задействовав для маневрирования «Науки» вспомогательные двигатели причаливания и стабилизации (ДПС), обладавшие меньшей тягой.

Тестовые включения двигателей подтвердили управляемость аппарата. После этого серия плановых импульсов перевела «Науку» на расчётную траекторию сближения с МКС. К 25 июля специалисты ЦУП полностью нормализовали работу датчиков ориентации, проверили систему стыковки и подготовили финальную схему причаливания к станции.

Для освобождения надирного порта переходного отсека модуля «Звезда», куда должна была причалить «Наука», потребовалось перенести расстыковку отслуживших элементов. 26 июля 2021 года грузовой корабль «Прогресс МС-16» успешно отделился от станции и увел с собой старый стыковочный отсек-модуль «Пирс». Связка была сведена с орбиты и затоплена в Тихом океане.

29 июля 2021 года в 16:29 по московскому времени многоцелевой лабораторный модуль «Наука» успешно пристыковался к освобождённому надирному порту модуля «Звезда». Весь процесс, включавший облёт станции, зависание, финальное сближение и причаливание, выполнялся в автоматическом режиме под совместным контролем наземных служб и экипажа МКС. На центральном посту в готовности к ручному перехвату управления через систему телеоператорного режима управления (ТОРУ) находился космонавт Олег Новицкий. После механического касания и сцепки автоматика обеспечила надёжную стяжку стыковочных агрегатов.

Спустя три часа, в процессе интеграции бортового программного обеспечения, зафиксировано внештатное включение двигателей причаливания и стабилизации «Науки», вызвавшее временное отклонение станции от заданного положения. Двигательные установки модуля «Звезда» и грузового корабля «Прогресс МС-17» оперативно парировали возникшее возмущение. После изоляции топливных магистралей нового модуля пространственное положение станции полностью восстановилось.

Устройство модуля «Наука»

По своей архитектуре «Наука» во многом повторяет первый модуль МКС «Заря», поскольку оба аппарата создавались на единой конструктивной базе. Основу модуля составляет прочный сварной корпус из алюминиевого сплава. Он разделён герметичной переборкой на два отсека: просторный приборно-грузовой и небольшой сферический адаптер.

В отличие от «Зари», которая сегодня служит станцией-складом, внутреннее пространство «Науки» полностью оптимизировано под нужды экипажа и современные исследования. Интерьер жилой зоны чётко разделён по цветам на пол, стены и потолок, что помогает космонавтам ориентироваться в невесомости. Все служебные системы и кабели скрыты за съёмными панелями, открывая свободный центральный коридор для перемещения.

Стартовая масса «Науки» на орбите превышает 20 тонн. Длина корпуса составляет 13 метров, а максимальный диаметр — более 4 метров. Внутри этого гермообъема организовано 14 универсальных рабочих мест под размещение исследовательской аппаратуры. Ещё 16 научных рабочих мест вынесено на внешнюю поверхность корпуса.

Наружная зона обслуживается европейским роботом-манипулятором ERA, что позволяет проводить эксперименты в условиях открытого вакуума без постоянных выходов экипажа в открытый космос. Внутренняя рабочая зона модуля штатно оснащена перчаточным боксом и специальной виброплатформой, которая полностью гасит микроколебания станции для защиты чувствительных приборов

Для наблюдения за Землёй в кормовой части модуля установлен большой иллюминатор. Энергоснабжение комплекса обеспечивают две раскрывающиеся панели солнечных батарей общей площадью 56 квадратных метров, способные генерировать более 24 кВт электроэнергии.

Олег Новицкий в модуле «Наука»

Ввод «Науки» в эксплуатацию существенно улучшил бытовые условия экипажа в Российском сегменте МКС. На борту модуля обустроена третья изолированная индивидуальная каюта для космонавта, развёрнуто второе санитарно-гигиеническое устройство и организована бортовая мастерская для обслуживания станции. Комплекс жизнеобеспечения пополнен дополнительной системой получения кислорода «Электрон-ВМ» и оборудованием для регенерации технической воды из урины СРВ-УМ. Внутри также смонтирован пульт управления европейским роботом-манипулятором ERA, позволяющий контролировать внешние операции прямо со станции.

Снаружи гермокорпуса под защитными экранами размещены элементы терморегулирования и научные шлюзовые компоненты. Внешний контур модуля оснащён радиационным теплообменником для сброса избыточного тепла и специализированной шлюзовой камерой. Кроме того, в конструкцию «Науки» интегрированы сквозные транзитные магистрали: по этим трубопроводам топливо из пристыкованных к модулю кораблей «Прогресс» перекачивается напрямую в общую систему подачи горючего и дозаправляет баки модулей «Звезда» и «Заря».

Главные архитектурные отличия «Науки» от её исторического предшественника — «Зари» — наиболее ярко проявляются в назначении и конструкции стыковочных узлов. Если гермоадаптер первого ФГБ создавался как транзитная зона между российским и американским сегментами МКС, то узлы второго ФГБ спроектированы для расширения самого Российского сегмента и приёма новых кораблей.

«Наука» оснащена тремя стыковочными узлами. Передний узел связывает модуль с надирным портом «Звезды» с помощью гибридной системы стыковки. Она совмещает в себе стандартный пассивный конус для кораблей «Союз» и внешнее стыковочное кольцо, аналогичное андрогинным узлам. Именно из-за этого уникального кольца «Наука» не могла пристыковаться к старому отсеку «Пирс» напрямую — их стыковочные механизмы были технически несовместимы.

Два оставшихся узла расположены на гермоадаптере «Науки». Один из них выполнен гибридным и смотрит в сторону Земли: он предназначен для приёма грузовых и пилотируемых кораблей, а в ноябре 2021 года именно к нему причалил новый узловой модуль «Причал». Второй узел — андрогинный — служит для жёсткой фиксации шлюзовой камеры, необходимой для научных экспериментов.

Внешние манипуляторы и вспомогательное оборудование на модуле «Наука»

На внешней поверхности модуля «Наука» размещена роботизированная «рука» ERA (European Robotic Arm). Данная система имеет длительную историю разработки: изначально её проектировали для европейского многоразового корабля Hermes, в начале 1990-х годов адаптировали для проекта российской станции «Мир-2», и лишь затем утвердили для эксплуатации на МКС.

При длине 11,3 метра и собственной массе 630 килограммов манипулятор способен перемещать в открытом космосе оборудование массой до 8 тонн. Он компактнее и легче используемой на американском сегменте «руки» Canadarm2, которая при длине 17,6 метра имеет массу 1800 килограммов. Относительно небольшие габариты обеспечивают ERA высокую маневренность, необходимую для прецизионного обслуживания внешних рабочих мест Российского сегмента.

В зависимости от выполняемых технологических задач, управлять манипулятором ERA можно несколькими способами. Например, команды способны передавать специалисты с ЦУПа с Земли, или это могут делать члены экипажа МКС – изнутри станции или во время выходов в открытый космос. Для контроля изнутри «Науки» используется пульт интерфейса IMMI (Internal Man-Machine Interface). Если же работы проводятся в открытом космосе, космонавты задействуют выносной внешний пульт EMMI (External Man-Machine Interface).

На внешней обшивке модуля установлены специальные базовые узлы. Манипулятор ERA способен «шагать» по поверхности станции, поочерёдно переставляя симметричные концевые захваты с одного узла на другой. К этим же точкам при необходимости подключается и внешний пульт управления, что позволяет экипажу контролировать перемещение грузов непосредственно из зоны проведения работ.

Главной задачей манипулятора на этапе интеграции нового модуля стал перенос тяжёлого навесного оборудования, которое с 2010 года временно хранилось на корпусе малого исследовательского модуля (МИМ) «Рассвет». В ходе серии выходов в открытый космос в 2022–2023 годах ERA под управлением операторов успешно переместила и установила на целевые посадочные узлы «Науки» малую исследовательскую шлюзовую камеру и радиационный теплообменник. Это завершило формирование технического облика нового лабораторного модуля.

Назначением этого навесного оборудования является автоматизация исследований и обслуживание 16 наружных рабочих мест, развёрнутых на корпусе «Науки» для долговременного экспонирования образцов. Научные приборы подготавливаются экипажем внутри модуля и через шлюзовую камеру выносятся наружу. Затем манипулятор ERA подхватывает доставленные грузы с внешнего лотка шлюза и переносит их в расчётные точки экспонирования. Такая схема позволяет проводить эксперименты в открытом космосе автономно, без привлечения внешних средств и без необходимости регулярных выходов экипажа со станции.

Развёртывание и интеграция внешних систем модуля велись поэтапно. Важным шагом по расширению этого сегмента стала стыковка узлового модуля «Причал» к надирному порту гермоадаптера «Науки», успешно завершённая 26 ноября 2021 года. В дальнейшем, на протяжении 2021–2023 годов, российские космонавты выполнили серию из 11 выходов в открытый космос для прокладки магистралей электропитания, подключения контуров терморегулирования и перевода робота-манипулятора ERA в рабочее состояние, что завершило интеграцию нового лабораторного комплекса в состав станции.

Программа научных экспериментов и исследований на модуле «Наука»

Программа научных и прикладных исследований на модуле «Наука», утверждённая в 2021 году, включает 33 новые целевые работы, а также продолжение ранее начатых проектов. Для реализации первоочередных исследований задействуются 14 универсальных внутренних рабочих мест, оснащённых специализированным перчаточным боксом и виброплатформой.

В области космической биологии базовым проектом выступает «Витацикл-Т». В рамках этого эксперимента исследуется эффективность замкнутой космической оранжереи для конвейерного выращивания салата и получения витаминной биомассы в условиях микрогравитации. Часть полученного урожая консервируется для отправки на Землю, а часть используется экипажем в пищу. В дальнейшем планируется проведение аналогичных тестов с бобовыми и томатными культурами.

Другим важным биологическим исследованием является «Перепел». Оно направлено на изучение стадий развития эмбрионов в яйцах японского перепела внутри специализированного инкубатора «Инкуб-3». На определённых этапах развития эмбрионы фиксируются и консервируются для последующего комплексного анализа в наземных лабораториях.

В сфере микробиологии реализуется эксперимент «Мутация» по изучению генетических изменений нескольких поколений микроорганизмов в условиях космического полёта. Также проводится исследование «Асептик» для отработки методов обеспечения стерильности бортовой аппаратуры и создания изолированных зон для биотехнологических манипуляций.

В области космического материаловедения на борту модуля осуществляются три фундаментальных исследования. Проект «Вампир» посвящён выращиванию полупроводниковых кристаллов в многозональной электропечи МЭП-01. Применение вращающегося магнитного поля позволяет получить бездефектную структуру материала для высокочувствительных инфракрасных датчиков, востребованных в спутниковых системах. Целью эксперимента «Фуллерен» является орбитальное получение монокристаллов фуллеренов — особых форм углерода для оптической электроники. В рамках проекта «Мираж» исследуются процессы кристаллизации полупроводников для оценки возможности создания в будущем автоматических орбитальных производств.

Технологический блок представлен исследованиями «Капля-2», «Захват-Э» и «Захват-2». В ходе первого эксперимента проводится моделирование поведения капельных потоков в вакууме и невесомости. Полученные данные необходимы для проектирования перспективных космических систем охлаждения и отвода тепла. Эксперимент «Захват-Э» направлен на отработку алгоритмов управления манипулятором ERA при выполнении прецизионных операций по перемещению полезной нагрузки. Натурные испытания в открытом космосе продолжает проект «Захват-2», где исследуется установленный на внешней обшивке «Науки» унифицированный манипулятор с функциями человеческой кисти. Специалисты тестируют электроприводы, изучают свойства материалов в условиях космической среды и отрабатывают фиксацию имитаторов поручней с заданным усилием для создания робототехники будущих аппаратов.

Направления физики космических лучей и дистанционного зондирования Земли включают четыре целевые работы. Натурный эксперимент «БТН-Нейтрон 2» обеспечивает непрерывную регистрацию нейтронного фона в окрестности станции. Исследования ведутся синхронно: наружный спектрометр на модуле «Звезда» фиксирует внешнее излучение, а новый блок БТН-М2, размещённый в приборном отсеке «Науки», замеряет радиационную обстановку внутри гермообъема. Полученные данные необходимы для построения точных карт радиационных полей и проектирования защиты перспективных межпланетных кораблей.

В рамках проекта «Напор-миниРСА» проводятся лётные испытания установленного на внешней обшивке малогабаритного всепогодного радиолокатора с синтезированной апертурой на базе активной фазированной антенной решётки. Прибор предназначен для радиолокационного мониторинга зон чрезвычайных ситуаций и контроля экологического состояния планеты вне зависимости от уровня облачности. Каталог исследований завершают геофизические работы «Ракурс» по наблюдению и изучению волновых процессов в верхней атмосфере, а также «Импульс», где физические свойства ионосферы исследуются путём генерации направленных импульсов плазмы с помощью бортового инжектора.

Текущий статус и перспективы эксплуатации модуля «Наука»

По состоянию на текущий момент МЛУ-У «Наука» функционирует в составе Российского сегмента МКС. Сроки эксплуатации его бортовых систем полностью согласованы с общим утверждённым графиком работы станции. Дальнейшее использование приборной базы модуля планируется осуществлять вплоть до завершения программы полёта орбитального комплекса.

Далее «Наука» сможет служить фундаментом для развёртывания будущей Российской орбитальной станции (РОС). Согласно проектным материалам РКК «Энергия», МЛМ-У выполняет роль связующего звена и главного энергетического донора при формировании ядра новой национальной космической инфраструктуры.

Операционная схема предполагает, что развёртывание РОС начнётся непосредственно на базе текущей орбиты МКС с наклонением 51,6°. По планам РКК «Энергия», операции начнутся с отстыковки и затопления модуля «Причал». На его место будет пристыкован новый универсальный узловой модуль, к которому затем присоединят Научно-энергетический модуль. Эта связка вместе с «Наукой» отстыкуется от МКС и продолжит автономный полет как самостоятельная станция.

После этого начнётся второй этап развёртывания РОС. В полной конфигурации станция будет состоять из шести модулей: к уже сформированному ядру (научно-энергетический, узловой и «Наука») добавятся шлюзовой, базовый и два целевых модуля. Один из целевых может быть выполнен в свободнолетающем варианте — то есть в рамках отдельных экспериментов он сможет отстыковываться от станции и совершать самостоятельные маневры на орбите.

Какие еще модули входят в состав МКС — рассказывали здесь.