Транспортные средства и космические аппараты
Для преодоления земного тяготения и дальнейшего движения по инерции КА необходимо развить начальную скорость, величина которой определяется на основе законов небесной механики. Минимальная начальная скорость, при которой тело становится спутником Земли (т. н. первая космич. скорость), равна 7,9 км/с у поверхности Земли. При начальной скорости 7,9–11,2 км/с тело движется по эллиптич. орбите вокруг Земли. Достижение скорости 11,2 км/с (вторая космич. скорость) приводит к полёту по параболич. траектории за пределы земного тяготения. Начальная скорость 16,7 км/с (третья космич. скорость) достаточна для выхода КА за пределы Солнечной системы.
Для доставки КА на их рабочие траектории, околоземные орбиты или отлётные межпланетные траектории служит система космич. транспортных средств, включающая: ракету-носитель (РН), разгонные блоки и космич. буксиры. Создание совр. РН – сложная науч.-технич. задача. Характерная особенность РН – высокая тяговооружённость (отношение тяги к весу ракеты, которое при вертикальном старте должно быть больше 1), а также практически непрерывная работа двигателей и сравнительно короткое время выведения (десятки минут). Как правило, ракеты состоят из 2–3 ракетных ступеней (РС), достигают 100 м в длину и в весе более 3000 т. Топливо составляет примерно 90% полной массы ракеты. В полёте, по мере расходования топлива, РС с опорожнёнными баками последовательно отбрасываются и начинает (продолжает) работать очередная ступень. Каждая РС благодаря работе своих двигателей обеспечивает разгон ракеты на определённом участке траектории полёта. Во избежание засорения околоземного космич. пространства последние отработавшие одноразовые ступени, как правило, направляются для потопления в отдалённые районы Мирового ок. При возрастающей интенсивности использования космич. транспортных средств особое внимание уделяется разработкам РН многоразового использования на экологически чистых компонентах топлива.
В качестве двигат. установок РН используются жидкостные или твердотопливные ракетные двигатели, достигающие тяги в несколько тыс. кН и мощности в млн. кВт. Разработка двигат. установок направлена как на выбор энергетически оптимальных топлив и обеспечение их полного сгорания при высоких давлениях и температурах, так и на создание экономически более выгодных проектов.
В зависимости от поставленных задач полезный груз (для ракеты) в общем случае включает в себя, кроме одного или нескольких КА, разгонные блоки или космич. буксиры. Разгонные блоки служат для дальнейшего перевода КА на более высокие орбиты: среднюю (с 2000 км до 20 000 км), высокую (в осн. геостационарную и геосинхронные) или на отлётные траектории за пределы земного тяготения. Разгонные блоки мало отличаются от РН, однако время их работы может достигать нескольких часов или дней. Очень часто разгонные блоки обеспечивают полёт КА вплоть до его возвращения в поле земного тяготения. Космич. буксиры служат для транспортного обслуживания КА. В ряде случаев буксиры могут совершать челночные операции между орбитами, переправляя КА или др. полезный груз на др. орбиту вокруг Земли, к Луне или планетам Солнечной системы. Конструкции буксиров должны обеспечивать возможность сборки (в т. ч. стыковки) с обслуживаемым аппаратом.
Двигат. установки на космич. буксирах или КА могут использовать энергию химич. реакций, солнечных батарей или ядерную энергию. Для обеспечения радиац. безопасности КА или буксиры, использующие установки с ядерными реакторами, должны эксплуатироваться на достаточно высоких орбитах (не менее 800 км), где даже после окончания работы они могут находиться достаточно долго (до 300 лет), чтобы радиоактивность снизилась до допустимых норм. Тепловые ядерные ракетные двигатели (с нагревом рабочего тела в реакторе и с газодинамич. соплом) при использовании водорода в качестве рабочего тела обеспечивают удельный импульс (характеристика реактивного двигателя, равная отношению его тяги к массовому расходу топлива) до 9000 м/с.
Для перемещения КА перспективным считается использование электрич. РД (электротермических, электромагнитных, электростатических и др.), обеспечивающих удельный импульс выше 20 000 м/с. Электроракетные буксиры при существующих ядерных и солнечных источниках электроэнергии позволяют увеличить массу полезного груза, доставляемого на геостационарную орбиту или орбиту Луны, в 2–4 раза (по сравнению с разгонными блоками на химич. топливе). Однако значительно увеличивается время транспортировки, поэтому электрич. РД целесообразно использовать (на буксирах или КА) в случае, когда время перелёта не лимитируется и может составлять от нескольких месяцев до года.
В кон. 20 – нач. 21 вв. во многих странах созданы КА для разл. целей: изучения околоземного пространства, поверхности Земли, Солнца и планет Солнечной системы, космич. среды, звёзд и галактик; для обеспечения связи, передачи информации, теле- и радиовещания, для навигац. обеспечения, для прогноза погоды и т. п. (см. Искусственный спутник Земли, Космический аппарат).
Одно из центр. мест в К. занимают полёты человека в космос, которые стали возможны благодаря планомерным фундаментальным и прикладным исследованиям в области космич. биологии и медицины – новой области естествознания, изучающей особенности жизнедеятельности человека и др. организмов при действии на них факторов космич. пространства. Пилотируемые КК и орбитальные космич. станции обеспечивают возможность безопасного и комфортного пребывания космонавтов на борту. В КК предусматривается определённый запас продуктов питания и воды. При длительном пребывании пища и вода доставляются грузовыми кораблями, буксирами. При полёте к дальним планетам, когда доставка грузов может оказаться проблематичной, произ-во продуктов питания, регенерация воды и атмосферы должны осуществляться на борту КК.
История пилотируемых космич. полётов началась с разработки одноразовых кораблей («Восток», «Восход», «Меркурий», «Джемини», «Союз», «Аполлон»). Новые технологии позволяют создавать многоразовые спускаемые КА как с сохранением внешней формы одноразовых аппаратов (торможение у поверхности Земли осуществляется двигательной установкой или управляемым парашютом), так и крылатые спускаемые аппараты в форме планёра («Спейс шаттл», «Буран»). Третьей державой, имеющей пилотируемые корабли, стал Китай. 15–16.10.2003 выполнен первый полёт китайского тайкунавта (Ян Ливэй) на корабле «Шэнь-чжоу». С тех пор в космосе побывало 10 китайцев, в том числе 2 женщины. Китайцы вышли в открытый космос, совершили стыковку кораблей.
Кратковременные полёты в космос не позволяли проводить длительные эксперименты, поэтому были созданы новые космич. сооружения больших размеров – орбитальные космич. станции, к которым могут пристыковываться др. КА (для того чтобы привезти грузы, сменить экипаж, доставить на Землю результаты экспериментов и др.). Создание орбитальных космич. станций началось в 1971 с вывода на орбиту станции «Салют» (СССР). Первые станции превышали обычные КК своими размерами и массой всего в 3–4 раза, последующие («Мир», МКС) представляют собой стотонные сооружения длиной в десятки метров. Станции собирают из доставляемых блоков автоматически (автоматич. стыковка) либо с помощью экипажа (ручная стыковка). На станциях обеспечивается постоянное пребывание человека на борту (с периодич. сменой экипажа), доставка грузов, необходимого оборудования, науч. аппаратуры и др. В перспективе предполагается создание орбитальных станций (автоматических или посещаемых) на более высоких земных орбитах, на орбитах Луны и планет Солнечной системы. Для обеспечения полета МКС в настоящее время используются транспортные корабли «Союз» и грузовые корабли «Прогресс». По программе МКС европейцы создали грузовой корабль ATV. С 2008 по 2015 они запустили 5 кораблей ATV. В настоящее время (на 2016) программа прекращена. Ведётся доработка ATV под пилотируемый вариант. Японцы тоже сделали грузовой корабль HTV для программы МКС. Уже совершили полёт 5 кораблей. В 21 в. появилось много новых транспортных кораблей, часть из которых принадлежит частным компаниям. Совершили полёт в космос американские корабли «Дракон» («Dragon» компании SpaceX» – грузовой КК с возвращаемой капсулой; «Сигнус» («Cygnus») – грузовой КК без возвращаемой капсулы), «Орион» («Orion» – многоцелевой пилотируемый корабль) – первый беспилотный испытательный полёт (EFT-1) совершил 5.12.2014).
К отбору экипажа КК предъявляют повышенные требования. При решении медико-биологич. проблем осн. внимание уделяется изучению влияния на организм человека невесомости, повышенных перегрузок при взлёте и посадке, длительного нахождения в замкнутом пространстве, психологич. совместимости с др. членами экипажа и т. д. В центрах подготовки космонавтов, в институтах медико-биологич. проблем и т. п. создаются спец. установки и тренажёры, имитирующие космич. полёт (в т. ч. с использованием средств авиации), разрабатываются спец. оборудование и медико-биологич. препараты для улучшения самочувствия и продления срока пребывания человека в космосе. Эту же целевую задачу решают многие эксперименты, проводившиеся ранее и готовящиеся в настоящее время в рамках программы полётов автоматических биоспутников серии «Бион»-«Бион-М». Накопленный большой объём знаний о жизнедеятельности человеческого организма в условиях воздействия факторов космич. пространства, динамич. факторов полёта и искусств. среды обитания, а также достижения космич. техники становятся реальными предпосылками для дальнейшего интенсивного освоения космич. пространства.
Наземная инфраструктура
Наземная инфраструктура создаётся для подготовки РН и КА к запуску, проведения самого запуска, для управления полётом КА, осуществления посадки возвратившихся КА и грузов, а также для проведения поисково-спасат. работ при приземлении КА в штатных и нештатных ситуациях.
Комплекс средств, зданий, сооружений, обеспечивающих подготовку и пуск РН и КА, называется космодромом. В нач. 21 в. на Земле построено более десятка космодромов, включая космодром «Морской старт», обеспечивающий пуск ракет и КА с плавающей платформы из любой точки Мирового ок. Для посадки многоразовых спускаемых КА строятся спец. посадочные площадки (аэродромы), для спуска одноразовых КА выбираются равнинные безлюдные места посадки и обеспечиваются поисково-спасат. работы с участием вертолётов и самолётов (при посадке на воду используются мор. корабли). Поисково-спасат. служба занимается эвакуацией посадочного аппарата и экипажа (при пилотируемых полётах), в случае необходимости оказывается мед. помощь. Для управления КА и получения телеметрич. информации об их состоянии на Земле строятся центры управления полётом и наземные пункты приёма информации. Поскольку практически каждый КА является сложной кибернетич. системой, процедура управления им возлагается на систему управления, представляющую собой совокупность функциональных бортовых и наземных систем средств приёма и передачи информации, информационно-вычислит. и исполнит. устройств бортового и наземного базирования, работающих в рамках единого согласованного плана, который обеспечивает временнýю, пространственную и функциональную синхронизацию, приводящую к достижению поставленных целей. Для осуществления управления также используются спутники связи