Космическая фортификация

Автор Колечин Сергей Евгеньевич
Военный инженер-строитель, подполковник в запасе. Окончил Ленинградское высшее военное инженерное строительное училище. С 1986 г. по 2002г. служил в 31 ГПИСС руководителем группы отдела проектирования специальных защитных сооружений ракетно-космической тематики. Непосредственно принимал участие в проектировании новых и реконструкции существующих сооружений стартовых комплексов РН "Союз", "Протон", "Рокот", "Зенит", "Ангара" на площадках Байконура и Плесецка. Автор статьи «Что и как строить на Луне» в журнале «Русский космос» за май 2019г и статьи «Космическая фортификация» в интернет-журнале «Новости космонавтики» от 07.10.2020г.

Из Большой Российской Энциклопедии: ФОРТИФИКА́ЦИЯ отрасль во­ен­но-инж. ис­кус­ст­ва; во­ен­но-тех­нич. нау­ка, раз­ра­ба­ты­ваю­щая тео­ре­тич. ос­но­вы и прак­тич. спо­со­бы за­щи­ты войск, на­се­ле­ния и объ­ек­тов ты­ла от воз­дей­ст­вия средств по­ра­же­ния пу­тём строи­тель­ст­ва и ис­поль­зо­ва­ния ук­ре­п­ле­ний.

1. Концепция лунной базы (ЛБ)

Целью программы освоения Луны является создание на её поверхности постоянно действующей базы. Программа включает научную концепцию облика ЛБ, её технико-экономическое обоснование, создание соответствующего промышленного комплекса, сопутствующей наземной и орбитальной инфраструктуры, а также научно-техническое обеспечение.

Программа базируется на научной концепции освоения Луны, которая отвечает на вопросы - что, как и в какой последовательности на ней строить, о назначении сооружений, их размещение. В концепции отражаются принципы живучести и защищенности сооружений, безопасные способы доставки, пребывания и эвакуации экипажа, а также правила эксплуатации лунной базы, включая биологическую и экологическую безопасность.

Создание концепции лунной базы является результатом научных исследований, опытно-конструкторских разработок в рамках нового направления военно-технической науки - космической фортификации. Лунная фортификация – это область науки, в которой разрабатываются теоретические основы и практические способы защиты экипажа и сооружений от специфических воздействий, таких как температурные перепады, космическая радиация, микрометеоритная бомбардировка (сравнимая с артиллерийским обстрелом), вакуум, электризованная лунная пыль, пониженная гравитация (1/6 земной). Факторы специфичные, но многие близки по характеру воздействия к тем, защиту от которых обеспечивают существующие специальные фортификационные сооружения. Кроме того, принципы компоновки внутреннего объема лунных сооружений совпадают с компоновкой существующих шахтных командных пунктов РВСН. Следовательно, для разработки практических способов защиты от лунных воздействий, на начальных этапах создания ЛБ можно допустить (как справочный материал) применение норм проектирования специальных фортификационных сооружений (СФС).

Лунная база – это комплекс в составе нескольких основных и вспомогательных сооружений, которые соединены проходными потернами. Все сооружения расположены на одной площадке и связаны техническими коммуникациями.

2. Площадка и конфигурация

При выборе места площадки ЛБ на поверхности необходимо учитывать:

• тип (автоматическая или обитаемая)
• назначение (научная, производство, мониторинг пространства, промежуточная база для освоения дальнего космоса)
• необходимый географический район (например, полярная зона с близким расположением водяного льда или обратная сторона Луны с благоприятными условиями для астрономических наблюдений и противоастероидной защиты),
• габариты площадки,
• отсутствие помех в подлетных зонах лунных кораблей (включая аномальные гравитационные зоны «ямы»),
• рельеф и профиль поверхности, возможность передвижения техники (луноходов),
• возможность устройства грунтового оснований под опоры сооружений. На габариты площадки влияют:
• размеры сооружений,
• разрывы между сооружениями (например, радиусы безопасности от действия газовой струи при старт-посадке и выполнении монтажных операций),
• разносы или расстояния между дублирующими элементами (например, входными оголовками или вводами коммуникаций), которые не поражаются одним микрометеоритом,
• технологические размеры технических зон, габариты которых ограничены максимально возможной протяженностью инженерных коммуникаций и другими нормами. Оптимальной конфигурацией размещения комплекса сооружений ЛБ является замкнутый контур, типа “каре“. Такая конфигурация предпочтительнее по условиям живучести и доступности в любой отсек базы, при этом обеспечивается эвакуация в смежные отсеки по не менее, чем двум разнесенным проходам.

Центр площадки внутри контура обсыпанных сооружений и потерн является наиболее защищенным местом от микрометеоритного воздействия, поэтому здесь размещаются главные инженерные системы, такие как энергетическая и теплообменная. Вне площадки размещаются научное, навигационное и связное оборудование, элементы противоастероидной защиты Земли и другие внешние автономные системы.

3. Состав и назначение сооружений ЛБ.

3.1 Основные сооружения

Основные сооружения выполняют следующие функции:

• посадка и старт пилотируемых лунных кораблей в автоматическом или ручном режимах управления;
• защита от внешних факторов воздействия,
• управление и контроль функционирования всех систем;
• связь всех видов;
• жизнеобеспечение экипажа. В состав сооружения включаются помещения максимальной защищенности с режимом полной изоляции, в которых постоянно или временно могут находиться без скафандров члены экипажа. К таким помещениям относятся:
• командный пункт и диспетчерская технических систем,
• операторская мониторинга внешнего пространства (противоастероидной защиты),
• бытовые помещения с сантехнической системой,
• научная лаборатория,
• помещения систем жизнеобеспечения. В перспективе предусматривается место для размещения пункта управления и контроля работы автоматизированных комплексов по геологоразведке, добыче, обогащению и транспортировке на Землю полезных ископаемых, а также производство в условиях вакуума сверхчистых материалов. Помимо производства и научных исследований, предусматривается возможность пребывания на ЛБ "космических" туристов.

3.2 Вспомогательные сооружения

Вспомогательные сооружения выполняют функции:

• наведения лунных кораблей на посадочные места при подлете к базе,
• устройство входных порталов с размещением систем шлюзования,
• организации мест хранения (или стоянки) резервных пилотируемых и транспортных лунных модулей, а также хранилищ топлива, окислителя, кислорода, водорода и других расходных компонентов,
• размещения внешнего оборудования энергообеспечения, систем связи и космической навигации,
• кругового освещения и видео-фото наблюдения всей площадки базы,
• видеоконтроля процесса монтажа и эксплуатации соседних сооружений. В сооружениях размещаются мастерские, ЗИПы, хранилища и другие помещения с эпизодическим появлением в них членов экипажа в гермоскафандрах. Предусматриваются дополнительные места для размещения перспективного оборудования, например, 3д-принтеров изготавливающие для строительства ЛБ необходимые изделия или детали для ремонта вышедшей из строя техники или ее обслуживания. На фасадах сооружений размещаются панели солнечных батарей с возможностью их наращивания, антенны систем связи и космической навигации и другое оборудование.

3.3 Проходные потерны

Проходные потерны обеспечивают:

• перемещение между сооружениями без выхода на поверхность,
• организацию системы шлюзования при входе-выходе на поверхность,
• устройство противорадиационного укрытия с микрометеоритной защитой,
• размещение рабочих мест для обслуживания роботизированных мобильных модулей (РММ или луноходов),
• противодействие проникновению пыли в основное сооружение (снятие статического электричества с поверхности скафандра, одноразовые бахилы, электропылесос со съемным фильтром и другие меры),
• организацию дополнительных мест хранения расходных материалов (воды, пищи, кислорода и др.) и отходов жизнедеятельности экипажа,
• прокладку коммуникаций (электрические, слаботочные кабели, газовые и жидкостные трубопроводы различных систем и пр.).

4. Конструктивные и технологические решения сооружений ЛБ

4.1 Основные и вспомогательные сооружения – это вертикальные конструкции башенного типа. Конструктивный тип сооружения определяется техническими средствами доставки и технологическими возможностями монтажа. Монтаж на Луне, так же как и взлет - посадку, проще всего выполнять по вертикальной схеме, то есть ставить секции друг друга, с помощью посадочно-монтажного ракетного блока. Кроме того в конструкциях башенного типа решается проблема линейного расширения конструкций при температурных перепадах.

Для восприятия нагрузок каждая секция обрамлена унифицированным силовым внешним каркасом. Каркасы каждой секции стыкуются между собой по вертикали и образуют единую несущую конструкцию - внешний силовой каркас (типа "этажерки"). Для компенсации различных деформаций и передачи нагрузки в точках стыковки и крепления герметичной оболочки секции на силовой каркас предусмотрены упругие прокладки (демпферы).

4.2 В качестве фундаментов под силовые каркасы используются опорные рамные конструкции. Рамы выставляются в исходное положение и фиксируются анкерами, забитыми в грунт с помощью пиропатронов. При необходимости для плотного прилегания обломков породы к опорной раме, пустоты между ними заполнить металлическим натрием. Опорная конструкция имеет ответную часть для стыковки с первой нижней секцией и силовым каркасом.

4.3 Для реализации вертикальной технологии монтажа каждая секция оборудована унифицированными межсекционными стыками двух видов:

• герметические с люками для прохода и конструкциями пропуска коммуникаций,
• упругими силовыми разъемами каркаса, важной конструктивной особенностью которых является снижения нагрузок при монтаже и фиксации в штатном положении.

Все стыки и разъемы многократно используется и доступны визуальному контролю.

4.4 Каждая секция - это отдельный герметичный противопожарный отсек со своим целевым комплектом оборудования. Оборудование выполняется блоками полной заводской готовности. Для перемещения внутри секции и обслуживания оборудования предусматриваются вертикальные лестницы и промежуточные площадки.

4.5 Конструктивно проходные потерны выполняются из гофрированного пленочного материала на пневмокаркасе, в виде секций-«рукавов» переменного сечения, что обеспечивает стыковку смежных секций нужной длины потерны. Конструкция должна быть достаточно гибкой, чтобы учитывать профиль поверхности (уклоны) и повороты в плане, а также быть ремонтно-пригодной (запенивание отверстий, наклейка пластыря). После установки внешняя поверхность потерны фиксируется слоем теплоизоляционного материала (типа пенополиуретановая, специальная монтажная пена или материалы подобного назначения). Снаружи потерны обкладываются скальными обломками по вспенивающемуся материалу, что обеспечивает теплоизоляцию, радиационную и микрометеоритную защиту, а в местах взлета-посадки дополнительную защиту от действия газовой струи ракетного двигателя. Общая толщина защитного слоя в верхней зоне 0.8-1.0м.

5. Основные инженерные системы

5.1 Инженерные системы подразделяются на технологические и технические. К технологическим относятся системы предназначенные для выполнения целевых задач, для которых создавалась лунная база таких, как научные исследования в условиях вакуума, геологоразведка, горнодобыча, размещение элементов противоастероидной защиты и другие системы. В данной статье эти системы не рассматриваются. Технические системы включают:

• энергетическая с подсистемой охлаждения энергоносителя от атомного источника электроэнергии,
• добыча и хранение воды,
• системы получения, хранения и перекачки компонентов топлива,
• связь различных видов.

К техническим системам относятся - воздухообеспечение, вентиляция, водоснабжение и другие системы жизнеобеспечения, контроля и управления. Все системы должны функционировать в условиях пониженной гравитации, температурных перепадов и других воздействий.

5.2 Главная инженерная система лунной базы – энергетическая. На начальном этапе возведения ЛБ главными потребителями электроэнергии являются строительные механизмы, роботизированные мобильные модули (РММ), обеспечение электроэнергией осуществляется от панелей солнечных батарей, которые размещены на каждой секции доставивших РММ. В секциях предусмотрены контакты для автоматического подключения и зарядки аккумуляторов РММ. Ночью возможным источником электроэнергии может являться размещенные в секциях блоки аккумуляторных батарей, накопивших энергию за лунный день. Как вариант автономного источника энергообеспечения может рассматриваться кислородно-водородный турбогенератор.

Необходимую мощность для функционирования в полном объеме лунной базы, а также создания на ней условий жизнеобеспечения экипажа, способен генерировать только атомный энергоблок.

Защищенность энергоблока от микрометеоритов повышается при его размещении (если возможно) в центре площадки-«каре» под прикрытием грунтовой обваловки окружающих сооружений ЛБ.

5.3 Энергосистема на основе использования атомной энергии состоит из целого ряда технических подсистем, одной из главных является система теплообмена (или система утилизация излишков тепла).

Для утилизации тепло предлагается использовать на обогрев потерн и коммуникационных лотков. Излишки тепла атомного реактора (особенно в лунный день) направить на нагрев грунтового массива. С наступлением лунной ночи массив будет интенсивно остывать, излучая тепло в пространство. Для реализации этого технического решения во внутренней зоне «каре" в обсыпке сооружений ЛБ на глубине не менее 2.0 м заложить регистры системы утилизации тепла. Естественная температура лунного грунта на глубине 2.0 м составляет минус 34-35 0С. Для увеличения теплообмена предлагается, грунт вблизи регистров пропитать металлическим натрием.

5.4 Применение металлического натрия будет очень востребовано в лунной программе. Натрий легче воды, обладает высокой тепло- и электропроводностью. Используется для изготовления весьма энергоемких натриево-серных аккумуляторов. Является высокоэффективным теплоносителем жидкометаллических компактных атомных энергоустановок.

5.5 В реакции натрия с водой бурно выделяется важный топливный компонент – водород. Добывать водород можно в местах существующих лунных ледников под прикрытием пленочной конструкции, применяемых для потерн. Здесь устанавливаются тепловые регистры, по которым добываемые водяной пар и вода направляются в устройства контакта с металлическим натрием для получения газообразного водорода. Газ подвергается барботажу (барботирование  - процесс пропускания газа или пара через слой жидкости) и насыщает воду. Барботаж лучше проводить под давлением для повышения степени растворимости водорода в воде. Затем такой газоводяной раствор превращается в лед с пузырьками газообразного водорода. В таком агрегатном состоянии газоводяная субстанция легко транспортируется к месту переработки и потребления.

6. Защищенность и живучесть лунной базы

6.1 Комплекс сооружений ЛБ должен отвечать требованиям защищенности и живучести в условиях режима полной изоляции (один из штатных режимов эксплуатации СФС) Выполнение требований позволяет сохранить функционирование объекта при более высокой степени поражения от расчетных, внешних или внутренних аварийных воздействий, а также повысить уровень безопасности, включая надежность при необходимости эвакуации членов экипажа.

6.2 Защищенность повышают конструктивные решения такие как:

• обсыпка грунтом - от космической радиации,
• защитные тюфяки в совокупности с грунтовой обсыпкой от микрометеоритов и действия газовой струи при взлете-посадке космических аппаратов,
• теплоизоляция внутренних помещений от температурных перепадов,
• разнос и дублирование входов (мест старт-посадки дежурных лунных модулей в случае экстренной эвакуации),
• защита от неравномерных температурных деформаций открытых конструкций.

6.3 Живучесть достигается следующими мероприятиями:

• разбивка внутреннего объема ЛБ на отдельные противопожарные незадымляемые отсеки, объем которого составляет не более 600 м3;
• из каждого отсека предусматриваются не менее 2-х переходов в смежные отсеки;
• системой шлюзования между отсеками и при входе с поверхности;
• организация поиска и заделка пробоин и не плотностей в гермоконтуре отсека;
• дублирование и закольцованность коммуникаций инженерных систем жизнеобеспечения, дублирование может реализоваться подключением автономных аварийных инженерных систем каждой секции;
• меры противодействия проникновению во внутренний объем вредных веществ и лунной пыли, путем обработки скафандров по аналогии с технологией прохода через санпропускник в защитных сооружениях;
• учет повышенных противопожарных требований;
• зону прохода отделить дополнительной надувной пленочной конструкцией от люка до люка в соседние секции, В зоне прохода вывести консоли управления оборудованием. Остальной объем отсека заполнить газовым составом с пониженным содержанием кислорода, что экономит воздух и повышает пожаро-взрывобезопасность;
• другие мероприятия (ношение гермоскафандров с аварийным запасом воздуха).

Живучесть инженерных систем достигается их дублированием и закольцованностью коммуникаций. Дублирование может реализоваться подключением автономных аварийных инженерных систем каждой секции.

6.4 Все компоновочные, конструктивные, инженерные и другие мероприятия и решения влияют друг на друга, поэтому должны решаться и приниматься комплексно учетом всех требований норм и технических заданий. В случае возникновения противоречащих требований к тому или иному элементу сооружения, приниматься должно решение наименее опасное для экипажа.

7. Лунные скафандры

7.1 Многофункциональные скафандры

Важнейшим фактором защищенности экипажа является наличие и использование многофункциональных скафандров. Скафандр в космосе единственное средство жизнеобеспечения и индивидуальной защиты космонавта. Нужны скафандры герметичные внутрибазового использования и защитные для выхода на поверхность. Перемещение по лунной поверхности в скафандрах допускать в крайних аварийных случаях. Перемещение, как правило, осуществляется на мобильных модулях (роверах).

7.2 Внутрибазовые скафандры

Внутрибазовые скафандры предназначены для постоянного ношения, кроме помещений максимальной защищенности. Скафандр оборудован системой отведения тепла и защищает космонавта от баротравмы при внезапном падении внешнего давления, частично от космической радиации и лунной пыли. Кроме того, космонавт в скафандре готов к экстренной эвакуации, для чего в нем есть запас кислорода и воды на время необходимое для покидания лунной базы. Важнейшим фактором комфортности скафандра является наличие ассенизационного выводящего устройства, позволяющего при его использовании не снимать скафандр. Облачение в скафандр космонавтом выполняется самостоятельно, без посторонней помощи. Для функционирования систем жизнеобеспечения скафандра, он комплектуется съемной аккумуляторной батарей, по несколько штук.

7.3 Требования к скафандрам

Скафандры для нахождения на лунной поверхности должны обладать:

• герметичностью и прочностью,
• системой обеспечения термо-влажностного режима с запасами воды и кислорода,
• свободой движения космонавта в условиях пониженной гравитации,
• защищать от солнечного нагрева, космической радиации и проникновения пыли,
• обеспечивать обзор с защитой от солнечного света (например, использование внешних телекамер - «глаз» с проецированием изображения на экран гермошлема),
• облачение и снятие без посторонней помощи,
• связью всех необходимых видов и ряд других технических требований.

7.4

Предъявляемым требованиям может в какой-то степени ответить многофункциональный лунный скафандр. Конструкция, которого выполняется из трех отдельных элементов: терморегулирующего гермоскафандра, силового каркаса-экзоскелета, внешнего защитного костюма-оболочки.

7.5

Экзоскелет размещается поверх гермоскафандра и предназначен:

• для стабилизации (приведение к естественной моторики) движений при ходьбе в условиях пониженной гравитации,
• для увеличения усилий при необходимости выполнения каких-либо действий,
• крепление системы жизнеобеспечения при выходе на поверхность Луны,
• использование в качестве силового тренажера имитирующего земные нагрузки.

Одним из способов стабилизация движений является понижение центра масс космонавта, для этого нижняя часть ног экзоскелета утяжеляется быстросъемными аккумуляторными батареями.

7.6

Внешний защитный костюм-оболочка выполняется аналогично теплоотражающему пожарному костюму, адаптированному к условиям нахождения на Луне. Костюм-оболочка одевается поверх экзоскелета и выполняет функции:

• защиту от космической радиации,
• предотвращает проникновение пыли и загрязняющих веществ во внутрь оболочки,
• предохраняет от перегрева.

7.7

Для предотвращения попадания пыли рекомендуется использовать одноразовые бахилы и, если возможно, костюмы-оболочки. Снятие и обеспыливание элементов скафандров производить в потерне перед первым герметическим тамбуром системы шлюзования. В этом месте полы предлагается покрыть слоем металлического натрия. Этот мягкий металл впитывает частицы пыли при электростатической очистке скафандра и особенно подошв.

7.8 Скафандр - шлюз

Предлагается рассмотреть конструктивную схему ”скафандр - шлюз”. По этой схеме лунный скафандр находится вне сооружения (вне объёма станции), точнее скафандр герметично стыкуется спиной к люку в наружной стене. Космонавт входит из помещения станции в скафандр через люк, закрывает его за собой люк и отстыковывается от стены. В этой схеме практически отсутствует шлюзовая камера, исключается занос луной пыли, сокращается периоды времени выхода на поверхность и обратного возвращения на базу.

8. Роботы и роботизированные мобильные модули

8.1 Для создания безопасных и комфортных условий пребывания экипажа, а также возведения и функционирования ЛБ в безлюдном автоматическом режиме, необходимо использование различного вида роботов и роботизированных мобильных модулей (РММ). Конструктивные решения видов робототехники определяется их функциональным назначением (транспортировка, прокладка кабеля, кладка защитного тюфяка и другие технические задачи) и условиями использования (внутри или снаружи ЛБ). Все виды робототехники управляется и контролируется искусственным разумом, при этом приоритет принятия решений сохраняется за экипажем.

8.2 Для внутренних помещений сооружений башенного типа необходимы антропоморфные роботы, способные перемещаться по вертикальным лестницам, преодолевать комингсы дверных проемов, при этом открывать-закрывать герметические люки и двери, прокладывать и обслуживать инженерные коммуникации. Использование антропоморфных роботов особенно необходимо для проведения совместных ремонтных и технологических операций космонавтами (например, фиксатор-опора для ног или поддерживающая «третья рука», место хранения и зарядки электрического аккумуляторного инструмента). На роботе предусматривается размещение видеокамер оптического и инфракрасного диапазонов, датчики-анализаторы (содержание газов, примесей, задымленность). В случае обнаружения внутри помещений ЛБ неприемлемых условий пребывания, определить причину их возникновения и выполнить необходимые аварийно-восстановительные работы, например, наклейка пластырей на отверстия в корпусе.

Для самостоятельного перемещения внутри помещений ЛБ в управляющий блок робота должна быть загружена система позиционирования с объемной картой-схемой всего лунного комплекса, включая расположение, крепления и описание диагностики блоков оборудования. Вся аудиовизуальная и параметрическая информация транслируется на экран гермошлема скафандра. Такая “подсказка” космонавту важна для эффективной безаварийной работы.
Количество, место крепления, точки зарядки и специфика исполнения роботов для каждого отсека определяется в ходе дальнейшего проектирования. В условиях пониженной гравитации и при наличии воздушной среды очень перспективно использование аэродронов с видеокамерами для осмотра в труднодоступных местах ограждающих конструкций и оборудования. Роботы и дроны могут переносить грузы, оборудование, оказывать услуги.

8.3 Выполнение монотонных однообразных работ (например, обваловка сооружений, укладка защитных тюфяков, прокладка коммуникаций, добыча и транспортировка полезных ископаемых, воды и др), должны выполнять специальные роботизированные мобильные модули (РММ), управляемые из командного пункта, размещенного в отсеке основного сооружения или с Земли. В управление роботами на поверхности будет осуществляться искусственным интеллектом.

8.4 Модули (РММ) необходимы следующих модификаций:

• пассажирский ровер для перевозки не менее 2-х членов экипажа,
• грузовой для транспортировки грузов, грунта и компонентов топлива,
• специальные с навесным оборудованием для разработки грунта, бурение скважин и другие операции.

Все модификации РММ выполняется на универсальной многоколесной базе, на которой установлены две пары манипуляторов (с функцией аутригеров) и дополнительное оборудование специфичное для каждой модификации.

Движение и маневрирование модуля осуществляется ведущими колесами-электромоторами, которые в зависимости профиля трассы включаются от одного до всех колес сразу в любом сочетании и направлении вращения. Такое техническое решение позволяет экономно расходовать электроэнергию и, кроме того, имеет минимальное количество трущихся контактов, нуждающихся в защите от абразивного действия лунной пыли.

Источником электроэнергии для РММ могут, является аккумуляторная батарея или водородно-кислородный турбогенератор.

Манипуляторы конструируются с учетом выполнения сбора и доставки образцов, а также в оказании помощи (как аутригер) колесному движителю при необходимости преодолевать препятствия.

РММ оборудуется видеокамерами обеспечивающие полный круговой обзор, системой позиционирования и связи.

8.5 Для проведения эвакуации вышедшего из строя модуля или при прохождении сложного участка дороги предусмотреть возможность выполнения сцепки модулей друг с другом (цугом). При необходимости движение вести под единым управлением члена экипажа или компьютера.

Для перевозки членов экипажа на значительные расстояния в пассажирском ровере применяется герметичная кабина-капсула с противорадиационной защитой и запасом расходных компонентов топлива, воздуха, воды.

Вход-выход осуществляется через верхний люк РММ по схеме скафандр-шлюз. При такой схеме посадки исключается контакт скафандра с лунной пылью, так как космонавт, спускаясь на нижний уровень, попадает в ровер.

Пилот, находясь в кабине-капсуле, имеет возможность в ручном режиме управлять внешними манипуляторами.

Дополнительным оборудованием для грузовой модификации является наличие самосвального кузова с возможностью боковой выгрузки. Основное назначение выполнение работ по перевозки грунта при обваловки сооружений, устройства и транспортировка грузов.

Дополнительным оборудованием для специальных строительных модификации бульдозер-погрузчик являются отвал бульдозера, ковш погрузчика, стрела-захват.

8.6 В перспективе потребуется создание виртуального «автара» для каждого члена экипажа. «Аватар» заменяет человека роботом (автоматом) в опасных зонах ЛБ, а также при выходе на лунную поверхность и в открытый космос.

9. Этапы строительства лунной базы

9.1 Процесс создания базы является многоэтапным.

Этапы и набор ракетно-космической техники для осуществления лунной миссии определяет концепция возведения ЛБ.

В начальный период осуществляются рекогносцировочные облеты и посадки в автоматическом режиме, в последующем - полеты по схеме типовой миссии.

9.2 Этапы типовой лунной миссии по строительству базы:Начальный (этап 1) - старт с Земли, перелет на околоземную орбиту и стыковка со станцией ПОМКС. Для полета экипажей задействуются существующий пилотируемый корабль (типа «Союз-2»). Для доставки грузов на станцию ПОМКС - существующие грузовые корабли (типа «Прогресс» или «Ангара»). Система безопасности экипажа на начальном этапе от старта до стыковки отработана. Подготовительный (этап 2) - полностью проходит на пилотируемой околоземной монтажно-космической станции (ПОМКС), на которой выполняется укрупнительная сборка секций с элементами силового каркаса, заправка, проверка и другие штатные мероприятия по подготовке многоразовых систем. Формирование пилотируемых и грузовых многоразовых кораблей-сцепок. Система безопасности экипажа при нахождении на ПОМКС отработана в ходе эксплуатации МКС.

Пилотируемый корабль-сцепка формируется из межорбитального буксира и лунной посадочной группы в составе:

• пилотируемого транспортно-посадочный блока (ПТПБ),
• секции жизнеобеспечения экипажа с бытовыми каютами.

Грузовой корабль-сцепка формируется также из межорбитального буксира и лунной группы в составе:

• автоматического монтажно-посадочного блока (АМПБ),
• одной или нескольких готовых к монтажу секций сооружения или модулей с грузом для ЛБ. Межорбитальный (этап 3) - старт кораблей-сцепок с ПОМКС и перелет на окололунную орбиту. На орбите от кораблей-сцепок от отстыковываются межорбитальные буксиры, которые не спускаются, а остаются в режиме ожидания на окололунной орбите вместе с секциями (при доставке нескольких штук), ожидающими очереди для последующего монтажа. Система безопасности экипажа аналогична полету на МКС. Посадка и пребывание на Луне (этап 4) - спуск, подлет и посадка.

Непосредственное строительство лунной базы начинается с разведки места размещения ЛБ. На выбранный участок поверхности осуществляется посадка 3-5 платформ с роботизированными мобильными модулями (луноходами). Их задача очистить площадку ЛБ, подготовить основания. Затем на подготовленное основание устанавливаются опорные рамные конструкции. Рамы размещаются согласно плановым координатам и высотным привязкам. Рамы доставляются вместе с луноходами, которые эти рамы и устанавливают в проектное положение. На опорные рамы монтажно-посадочными блоками секции. Правильность положения (ориентации при монтаже) секций между собой контролируется автоматически с внешним видеоконтролем.

Грузовая лунная группа с помощью автоматического монтажно-посадочного блока (АМПБ) выполняет подлет и посадку на подготовленное штатное основание. В режиме посадки может осуществляться монтаж секции. Если на окололунной орбите оставлены секции, то блок АПМБ возвращается за ними и доставляет к месту установки. С грузового модуля осуществляют выгрузку или перекачку расходных материалов, компонентов и др. грузов.

Пилотируемая лунная посадочная группа осуществляет посадку на подготовленное место. Таким посадочным местом является ранее смонтированная секция, через которую возможен выход или выезд в луноходе. В целях безопасности для экипажа должны быть подготовлены не менее 2-х дублирующих посадочных мест. Старт с Луны (этап 5) - по окончании пребывания на Луне осуществляется старт возвращаемых лунных групп, их подъем на окололунную орбиту, на которой проходит стыковка с ожидающими межорбитальными буксирами. В случае внештатных ситуаций возможен аварийный отлет с использованием существующей или дублирующей лунной группы модулей, прибывшей раннее в автоматическом режиме. Возвратный межорбитальный (этап 6) - перелет на опорную околоземную орбиту и стыковка с орбитальной околоземной станцией ПОМКС. Завершающий (этап 7) - только для пилотируемых кораблей — переход экипажа в спускаемую капсулу, отстыковка от станции, сход с орбиты и посадка на Землю.

Задачей экипажа первой пилотируемой экспедиции является проверка работы всех технических систем и оборудования, стыковки межсекционных коммуникаций, установка переходных потерн, начало их обваловки с помощью специализированных роботизированных мобильных модулей (РММ). Итогом должно стать начало полноценного функционирования станции по программе освоения Луны.

10. Ракетно-космическая техника для создания и обслуживания ЛБ

10.1

Для реализации полета по многоэтапной схеме необходим набор ракетно-космических средств различного назначения:

• пилотируемые и грузовые корабли (типа “Союз”, “Прогресс” и “Ангара”),
• пилотируемую, околоземную монтажную космическую станцию (ПОМКС),
• многоразовый межорбитальный буксир (разгонный блок),
• многоразовый пилотируемый транспортно-посадочный блок (ПТПБ),
• многоразовая секция управления и жизнеобеспечения,
• многоразовый автоматический монтажно-посадочный блок (АМПБ).

Использование сверхтяжелых РН, а также создание обитаемой окололунной орбитальной станции не предусматривается.

10.2 Пилотируемая околоземная монтажная космическая станция (ПОМКС)

Долговременная постоянно действующая пилотируемая околоземная монтажная космическая станция - это “центральная опора транспортного моста” между Землей и Луной. Станция предназначена для подготовки к доставке готовых к монтажу секций сооружений, обеспечения транспортировки экипажей и снабжения базы.

На станции могут выполняться работы по ремонту, обслуживанию для продления срока эксплуатации и последующего запуска на свои орбиты космических аппаратов, использование которых не связано целями и задачами лунной программы.

ПОМКС создается на базе принципиальных технических решениях, примененных на МКС. Объемно-компоновочное решение монтажной станции включает следующее:

• не менее 4-х монтажных рабочих зон, оборудованных манипуляторами-захватами,
• места для причаливания земных пилотируемых кораблей типа «Союз» и «Ангара»,
• причалы, оборудованные системами перекачки и заправки топливом и другими расходными компонентами (вода, воздух) лунных модулей,
• места для временного хранения разгонных блоков, транспортных лунных модулей,
• бытовой отсек на 12 членов экипажа (с учетом лунных экипажей),
• монтажно-инструментальный отсек. Важным преимуществом ПОМКС в сравнении с окололунной орбитальной станции являются то, что ПОМКС находиться под защитой магнитного поля Земли. Кроме того, есть возможность экстренной эвакуации на Землю.

На ПОМКС для повышения безопасности при проведении работ в открытом космосе и предотвращении случайных потерь (оборудование, инструмент и пр.) предлагается окружить пленочной пневматической конструкцией пространство монтажных рабочих зон. Такую объемную конструкцию можно назвать орбитальным ангаром, на внутренней поверхности стен которого закреплена такелажно-фаловая система для фиксации и удержания предметов. Нужно отметить, что на ПОМКС приходится огромный объем подготовительных работ, осуществляемых космонавтами в открытом космосе. Так если исходить из 2-х недельного пребывания экипажа на Луне, то необходимо за месяц подготовить две пилотируемые экспедиции и четыре грузовые сцепки, не считая полетов с секциями лунных сооружений и обслуживание самой ПОМКС. Исходя из этого, необходимо рассмотреть возможность создания двух станций летящих рядом. Функционирование ПОМКС позволяет наиболее рационально применять каждый вид ракетно-космических средств доставки, особенно многоразовых курсирующих кораблей-сцепок между ПОМКС и ЛБ. Каждое из многоразовых средств доставки экипажей и грузов имеет свое конкретное назначение и специфические функции.

10.3 Межорбитальный буксир

Межорбитальный буксир предназначен для доставки с ПОМКС на окололунную орбиту (этап 3) посадочных модулей и обратной транспортировки возвращаемых средств (этап 7). Технически представляет собой адаптированный к многоразовому использованию с возможностью стыковки разгонный блок (типа “Бриз”, “Фрегат”).

10.4 ПТПБ и АМПБ

Пилотируемый транспортно-посадочный блок (ПТПБ) для доставки экипажа и автоматический монтажно-посадочный блок (АМПБ) для доставки грузов функционально и технически похожи. Их назначение - посадка на Луну и обратный взлет (этапы 4 и 6). Конструктивно посадочные блоки представляют собой секцию в габаритах силового каркаса -”этажерки” с унифицированными узлами стыковки. В блоках размещены все системы обеспечивающие многократный режим взлет-посадки как с экипажем, так и в автоматическом режиме. Вне секции по бокам размещены на вынесенных консолях двигатели взлета-посадки, ориентации во всех плоскостях.

11. Заключение

11.1 В представленной статье сделана попытка комплексного подхода к формулировке концепции лунной базы, основывающаяся на принципах:

• максимально возможная степень безопасности для экипажа,
• технологическая осуществимость возведения объектов,
• защищенность и живучесть сооружений лунной базы,
• возможность модернизации и ремонтно-пригодность, как отдельных секций, так и сооружения в целом,
• экономичность проекта (использование многоразовой ракетно-космической техники, унификация и оптимизация конструктивных решений объектов, полеты на коммерческой основе, космический туризм).

Технически сложным, экономически затратным является создание комплекса систем жизнеобеспечения и защиты экипажа от факторов воздействия открытого космоса и пониженной гравитации, кроме того существует малоисследованная область биологической безопасности в замкнутых прстранствах. Для решения этих проблем потребуются огромные затраты на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и других дорогих трудоемких и продолжительных по времени работ.

11.2 Важным аспектом, влияющим на принимаемые решения, является создание под руководством «РОСКОСМОСА» полногабаритного макета ЛБ. Макет позволяет отработать логистическую схему доставки грузов и технологию возведения ЛБ, а также принять оптимальные решения по компоновке оборудования, раскладки кабелей, прокладки трубопроводов и других коммуникаций. На макете можно проверить другие варианты технических и компоновочных предложений.

Совместная согласованная работа ответственных исполнителей (разработчиков отдельных систем) на макете сократит срок проектирования и согласования, поможет в принятии правильных решений исполнителями, кроме того, организация службы патентной защиты наших изобретений. Оптимальным местом размещения макета может стать площадка на территории завода им. Хруничева, где располагается новое административное здание РОСКОСМОСА.
Еще одна проблема - патентная защита всех новых технических решений. Проблема сложная, но решать ее необходимо, иначе может, случится казус, как перед парижской выставкой ЭКСПО в 60-годах. В Минобщемаше Советского Союза решили показать макет «Гагаринского старта», но тут выяснилось, что по закону без защищающего конструкцию Патента выставляться за границей нельзя, а оформлять Патент на все сооружение очень долго. Красивое решение нашел главный специалист стартового сооружения Сергей Георгиевич Бочаров. Он предложил защитить пантентом отдельный элемент – это подстольные межпилоные боковые проемы считать патентным признаком отличия от других стартов, на что и оформили Патент. Этот прием размещения отверстия в определенном месте классика патентоведения (знаменитое ушко в начале швейной иглы Зингера).

12. Постскриптум

12.1 Вопрос выбора направления освоения Луны – это вопрос, как и на чем до нее добираться?

Первое направление. Прямой пилотируемый полет на Луну и обратно на сверхтяжелом корабле, созданный по современным технологиям. Это будет ремейк (повторение) программы «Аполлон», таким же дорогим и опасным. За время (несколько лет) создания лунного сверхтяжелого корабля он может морально устареть, а ресурс модернизации весьма ограничен. Кроме того, любой сбой или нештатная ситуация в полёте может привести к отмене миссии, а значит к потере десятков тонн полезной нагрузки, уже выведенной на орбиту или находящейся в космосе.

Второе направление. Освоение Луны вести без использования сверхтяжелых ракет, реализуя вариант описанный в данной статье. Это тоже дорого, долго, но надежно и безопасно, так как в полете на каждом этапе задействованы конкретные многоразовые средства, модернизация которых возможна на любом этапе их эксплуатации.

В обоих направлениях освоение Луны является очень затратным и интенсивным процессом, требующим ”караваны ракет”, ведь только для создания и обслуживания ЛБ необходимо около сотни пусков в год. Для реализации такой программы полетов только на Земле необходимо иметь старт-”пулемет” с огромной инфраструктурой наземного комплекса. Экономика не каждой страны выдержит такую нагрузку.

Как вариант можно рассмотреть создание безлюдной автоматической лунной базы, которая возводится и эксплуатируется с помощью автоматов и роботов под управлением искусственного интеллекта. В этом случае исключается создание наиболее затратной системы жизнеобеспечения экипажа.
В перспективе, накопив необходимые знания и технологии, лунная база может быть преобразовано из автоматической в обитаемую.

12.2 Может пришло время поискать другие направления. Например, обратить внимание на удивительный факт, проявившийся во время трагической аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Тогда Ростехнадзор, расследуя причины аварии, попытался создать математическую модель действия турбины в момент аварии, в результате которой в воздух поднялось оборудование большой массы – 1,5 тыс. тонны (вес всего гидроагрегата 2,69 тыс. тонн). «Первое время гидроагрегат осуществлял подъем вверх вертикально (на высоту 8.5м до потолка), без вибрации. Полторы тысячи весом летательный аппарат вопреки законам физики поднялся в воздух и летал. Мы побили рекорд Гиннеса, и ученые теперь испытывают внутренний ужас от того, что законы физики были нарушены», – констатировал глава Ростехнадзора Кутьин Н.Г. (://.expert./2009/08/26/rtnavaria/?esr=16 ). Кроме полета турбины с зависанием на несколько секунд с разрушением несущих конструкций, было необъяснимое проникновение воды в машзал из отверстия, где стояла турбина, хотя должна свободно изливаться наружу ниже машзала. Впечатление такое, что раскрутившаяся турбина потеряла вес и локально изменила гравитационное поле, это привело к «засасывания» воды в машзал.. Над этим явлением стоит подумать. Как «нарушить законы физики», чтобы запускать сверхтяжелые аппараты. Может это проявление не изученных эффектов вращения больших масс в гравитационном поле Земли и вне ее. Вращающаяся масса создает в поле локальную деформацию, энергии которой хватит аппарату для придания ему достаточной скорости и направления движения. Это может быть прорывом? Возможно, но надо изучать. Тем более что этот трагический полет гидротурбины был экологически чистым, двигателей на ней не было. Поняв причину произошедшего, поймем, как создавать летательные аппараты нового типа. Например, можно «оседлать» или взять на буксир один или несколько подходящих по массе и габаритам миниастероидов или ледяных комет, прикрепив к ним двигатели. Внутри миниастероида на глубине нескольких метров оборудуются помещения пребывания экипажа, запасы расходных материалов, а на поверхности крепиться техническое и технологическое оборудование, включая транспортные взлетно-посадочные модули. Такое межпланетное космическое средство передвижения будет надежно защищать экипаж от солнечной радиации и микрометеоритной бомбардировки во время перелета на Марс. Такой космический корабль, находясь на планетарной марсианской орбите, будет служить надежной базой и гарантией последующего возвращения экипажа на Землю.

12.3 Яркими примерами прорывных идей полна история советского ракетостроения. После окончания второй мировой войны в США трудились лучшие немецкие ракетчики команды фон Брауна. Это были высококлассные специалисты, ушедшие далеко вперед в своих разработках. В СССР на начальном этапе скопировали немецкую Фау-2, но это был вчерашний день – мы отставали. Нужно было новое направление в создании космической техники. С.П.Королев поступил по принципу известного советского авиаконструктора Роберто Бартини - «если нельзя догнать, то надо двигаться наперерез», а в ошибках находить пользу для дела. Прорывом стало применение пакетной схемы первой ступени, когда в момент старта одновременно работали пять двигателей, а «ошибка» гения физики Андрея Сахарова в оценке (завысил вес) атомного заряда головной части позволила Королеву определиться в масса-габаритных параметрах головной части космического корабля для полета первого космонавта Юрия Гагарина. Двигаясь «наперерез» мы разогнались так, что другие стали догонять нас. Только смерть Сергея Королева и гибель космонавта Владимира Комарова при испытании корабля «Союз» серьезно затормозили нашу космическую и лунную программу. Королев задумывал «Союз» для полета на Луну.

12.4 Много прорывных идей заложены в проектах стартовых сооружений. Здесь в борьбе за полезный вес аппарата выводимого на орбиту, систему первичной ориентации ракеты перенесли на стартовую площадку. Для учета вращения Земли часть стартового стола поворачивается как карусель, сохраняя направление расчетной оси полета. Удержание ракеты на упорах до набора двигателями необходимой тяги. Непрерывная подкачка системой заправки жидкого кислорода для компенсации его испарения из-за отсутствия теплоизоляции баков (лишний вес).

Конструкция стартового стола рассчитывалась на 50 пусков, а было выполнено более 500. Спустя много лет при обследовании стартовых сооружений в отдельных местах бетонных конструкций были обнаружены лишь локальные трещины, не влияющие на работу конструкции. В ходе обследования выяснилось - причиной надежной работы строительных конструкций явилась технология возведения стартового стола. Для удержания веса свежеуложенного бетона опалубка крепилась к металлическим фермам, которые были размещены внутри несущих бетонных конструкций и там они остались. В результате, получилась уникальная конструкция, в которой статическую нагрузку несет бетон, а динамические воздействия - каркас из металлических мостовых ферм. В конструкции стартового стола применены уникальные строительные узлы, в которых бетон защищает металлоконструкции от высокотемпературного динамического воздействия газовой струи стартующего ракетоносителя. Особенно защита эффективна в лотках газоходов стартового стола РН «Протон. Здесь под воздействием потока газовой струи за несколько секунд верхний слой жаропрочного бетона превращается в стекловидную зеленую пузырчатую пену. Еще более удивительно выглядят поверхности металлического рассекателя струй под дюзами двигателей РН. На поверхности листов из легированного жаропрочного металла возникает рябь как на воде от легкого дуновения ветра.

Самой высокой оценки по надежности защиты лотков газохода заслуживает облицовка плоскими чугунными тюбингами на стартовых площадках для ракеты Р-7 «Союз». Здесь дефекты отсутствуют после полувека интенсивной эксплуатации!!! Как говорится - сделано раз и навсегда. Претензий нет. Благодаря таким строительным решениям старты будут эффективно функционировать до тех пока они нужны.

Все технические решения приведенные в статье требуют проверки и обсуждения.