АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА и КОСМОНАВТИКА

ЛЕНДЕР-ХОППЕР —

МНОГОПОСАДОЧНЫЙ ЛУНОЛЕТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ

Впредыдущей части статьи («Наука и техника» № 10 2020 г.) были описаны схема перелета лендера-хоппера и его возможные применения, сейчас настало время рассказать об особенностях его конструкции (рис. 1) и основных систем.

Конструкция лендера-хоппера разрабатывалась исходя из возможности его изготовления на опытном производстве КБ «Южное» с максимальным использованием возможностей предприятий украинской кооперации для изготовления комплектующих. Данный подход позволяет наиболее оптимально использовать бюджет проекта, обеспечив минимальный уровень затрат как на разработку, так и на изготовление аппарата и его миссию.

Конструктивно аппарат состоит из двух платформ, изготавливаемых из сотовых трехслойных панелей, соединенных стержневой фермой.

В вырезах нижней платформы установлены на фермах четыре сферических топливных бака, а в центральном вырезе верхней закреплен баллон со сжатым гелием, обеспечивающим наддув баков для вытеснения топлива в двигатели. Двигательная установка лендера состоит из семи двигателей РД840 (рис. 2) и восьми двигателей малой тяги, объединенных магистралями для подачи компонентов топлива. Двигатели РД840 установлены на общей раме, закрепленной под нижней платформой, а четыре блока двигателей малой тяги установлены снаружи на боковом шпангоуте нижней платформы. Маршевые двигатели обеспечивают изменение скорости аппарата, при этом на основных режимах задействуются все семь двигателей РД840, а для коррекций траектории и предпосадочного маневрирования применяются от одного до трех двигателей. Двигатели малой тяги создают управляющие усилия для ориентации аппарата в пространстве.

Четыре посадочные опоры обеспечивают финальное гашение скорости аппарата при мягкой посадке и крепятся к верхней и нижней платформам. Встроенные в них демпфирующие элементы обеспечивают гашение инерции лендера при контакте с поверхно-

стью Луны. Четыре панели солнечных батарей жестко закреплены над узлами установки посадоч- ных опор.

В верхней части лендера на поворотном основании с приводом в двух плоскостях установлена основная антенна, обеспечивающая передачу данных в ЦУП и прием команд, а также датчики навигационных приборов и силовые элементы для крепления полезного груза.

В составе конструкции лендера-хоппера широко используются углепластик и другие полимерные материалы, а также специальные сплавы и защитные покрытия. При изготовлении некоторых деталей использованы технологии аддитивного производства, Рис. 1. Компоновочная схема лендера-хоппера и его основные компоненты в частности 3D-печать, уже освоенная на опытном производстве КБ «Южное». Основная часть элемен- 2) старт с транслунной траектории, перелет тов конструкции покрывается защитной «шубой» из многослойной и мягкая посадка с максимальным грузом в заданэкранно-вакуумной теплоизоляции, обеспечивающей защиту аппа- ном районе поверхности Луны; рата от солнечного нагрева в полете и позволяющей сохранить 3) старт с геопереходной орбиты, выход тепло при заходе в тень. на транслунную траекторию, перелет и доставка

Двигатель РД840 (см. рис. 2), имеющий тягу 40,7 кгс, является к окололунной станции крупного контейнера новой разработкой ГП «КБ «Южное». Он выполнен по простой с грузами (данный сценарий нужен для доставки и наиболее надежной вытеснительной схеме, использует хорошо лендера к окололунной станции); отработанные и наилучшим образом подходящие для длительных 4) старт с окололунной орбиты (станции), мягкая космических миссий высококипящие компоненты топлива — азот- посадка с грузом в заданном районе поверхности ный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин. Двигатели Луны, разгрузка, взятие лунных образцов, взлет малой тяги также работают на этих компонентах топлива, в лендере и выход на исходную окололунную орбиту. использованы надежные двигательные блоки тягой по 3 кгс, которые ранее применялись на космическом аппарате «Океан-О».

«Нервной системой» аппарата является комплект бортовой авионики, в который входят бортовой компьютер, средства связи, навигационно-посадочная система, система электроснабжения, температурные и прочие датчики состояния, клапаны, приводы и другие исполнительные органы, объединенные в единый организм с помощью бортовой кабельной сети.

Весь этот комплекс узлов, компонентов и систем тщательно проверяется на Земле, проходя через множество проверок и многоэтапных испытаний, — только так можно обеспечить требуемую надежность его работы во время длительного космического полета.

Характерные параметры аппарата отображены в табл. 1.

Как уже говорилось в первой части статьи, при начале полета лендера-хоппера с высокоэллиптической орбиты масса полезного груза, доставляемого на Луну, может достигать 300 кг. Однако лендеры могут быть использованы для миссий различных типов, для которых необходимо создание аппаратов соответствующих характеристик. ГП «КБ «Южное» было рассмотрено несколько вариантов лендеров увеличенной грузоподъемности, оснащаемых более мощными двигателями собственной разработки.

Более глубокую проработку получил аппарат среднего класса грузоподъемности, называемый возвращаемым лендером за свою возможность после завершения работы на поверхности Луны вернуться на окололунную орбиту.

При его разработке были рассмотрены такие сценарии применения: 1) старт с геопереходной орбиты, выход на транслунную траекторию, перелет и мягкая посадка с грузом в заданном районе поверхности Луны; Рис. 2. Двигатель РД840

ОснОвные характеристики лендера-хОппера

Таблица 1

Характеристика

Начальная масса без ПГ, кг Масса ПГ, доставляемого на поверхность Луны при старте с ПГСО, с перелетами / без перелетов, кг Максимальный поперечный размер с опорами перед посадкой, мм Запас топлива, расходуемого в полете, кг Номинальная тяга маршевых двигателей, кгс 3 на основном режиме 3 на этапе мягкой посадки, два режима Номинальный удельный импульс маршевых двигателей в вакууме, с Количество двигательных блоков системы ориентации Тяга одного двигательного блока, кгс Компоненты топлива (окислитель/горючее)

Система подачи топлива в двигатели Газ наддува Система электропитания Время перелета Земля — Луна, сутки Время работы на поверхности Луны, сутки

Значение

1 715

50/150 3 780 1 320

285 40,7/122,2 315 8 3,0 Азотный тетроксид / несимметричный диметилгидразин вытеснительная гелий Солнечная, на базе ФЭП с буферной батареей 5–7 до 14

Первые два сценария позволяют доставить на поверхность Луны достаточно большой груз и благодаря своей автономности могут использоваться с самых начальных этапов лунной программы. Схема перелета практически такая же, как и у лендера-хоппера.

Третий и четвертый сценарии предполагаются уже после появления на окололунной орбите орбитальной станции, способной обеспечить дозаправку возвращаемого лендера и работу с его полезным грузом. Соответственно, сперва лендер с геопереходной орбиты доставляет груз массой около 3,5 т Рис. 3. Возвращаемый лендер среднего класса (теплоизоляция не показана) к окололунной орбитальной станции. Там он разгружается, дозаправляется Данный лендер также выполнен одноступенчатым, его кони оснащается тем грузом, который надо доста- струкция в основном подобна конструкции лендера-хоппера вить на Луну. Затем аппарат сходит с орбиты и выполнена из тех же материалов, но имеет увеличенные габаи выполняет посадку в заданном районе лун- риты, массу, запас топлива, а также использует более мощной поверхности. После разгрузки доставлен- ный блок маршевых двигателей, созданных специалистами КБ ного груза на возвращаемый лендер устанав- «Южное» по уникальной, пока не применяемой нигде в мире ливаются лунные образцы и прочие доставля- схеме с поршневым пневмонасосом. емые с Луны на станцию грузы (до 50 кг). Лен- Особенность данной схемы заключается в том, что для подачи дер взлетает, выходит на орбиту и приближа- компонентов топлива в камеру сгорания ЖРД используется поршется к окололунной станции, где подхватыва- невой насос, приводимый в действие сжатым гелием из тех же балется манипулятором. Грузы с Луны переносятся лонов, которые обеспечивают подачу вытесняющего давления на борт станции, а возвращаемый лендер про- в основные баки лендера. Такой подход позволяет использовать ходит проверку, и в зависимости от состояния гораздо меньшее давление для наддува баков, что позволяет снии программы работ либо готовится к следую- зить их массу и сократить массу гелия в газовой подушке баков. щей миссии, либо удаляется. В то же время за счет работы насосов давление компонентов

Схема конструкции и основных систем возвра- топлива, подаваемых в двигатели, может быть существенно выше, щаемого лендера показана на рис. 3. чем в баках двигательной установки, и это позволяет получить

Рис. 4. РД860М — маршевый двигатель возвращаемого лендера более высокую тягу двигателя, а также обеспечить плавное дросселирование1 тяги, что особенно важно для надежной мягкой посадки при разной конечной массе аппарата.

Маршевый двигатель РД860М (рис. 4) возвращаемого лендера является сборкой из трех однокамерных двигательных блоков. Тяга каждого из них регулируется от 250 до 500 кгс, что позволяет регулировать тягу всего двигателя в широком диапазоне — от 0,25 до 1,5 тс (табл. 2). Это дает возможность использовать возвращаемый лендер для выполнения большого круга лунных транспортных задач (табл. 3).

Возможно, на первых этапах эксплуатации возвращаемого лендера экономическая эффективность его повторного использования будет ограниченной, но сам подход к внедрению многоразового использования окололунной техники является перспективным и обещает в будущем существенно сократить общий уровень затрат на доставку грузов на поверхность Луны.

ОснОвные характеристики вОзвращаемОгО лендера

Таблица 2

Характеристика

Начальная масса без ПГ, кг Максимальный поперечный размер (после посадки), мм Запас топлива, расходуемого в полете, кг Маршевый двигатель Тяга маршевого двигателя, кгс 3 максимальная 3 минимальная при мягкой посадке Удельный импульс маршевого двигателя в вакууме, с Количество двигательных блоков системы ориентации Тяга одного двигательного блока системы ориентации, кгс Компоненты топлива (окислитель/горючее) Система подачи топлива в двигатели Газ наддува Система электропитания Время перелета Земля — Окололунная орбита, сутки Время перелета Окололунная орбита — Луна, сутки

Значение

4 080 4 800 3 150 РД860М

1 500 250 322,5 8 10,0 Азотный тетроксид/несимметричный диметилгидразин Пневмонасосная Гелий Солнечная, на базе ФЭП с буферной батареей 4–5 1

Таблица 3 массы пОлезнОгО груза лендера среднегО класса для разных сценариев применения

Сценарий использования лендера Масса ПГ, кг

Перелет с геопереходной орбиты на поверхность Луны 600 Перелет с транслунной траектории на поверхность Луны 1 120 Перелет с геопереходной орбиты на окололунную орбиту 3 500 Перелет с окололунной орбиты на поверхность Луны/ возвращение с Луны на окололунную орбиту 920/50

Однако это произойдет уже на последующих этапах развития лунной деятельности, когда будет создана лунная база и начнет расширяться лунная и окололунная инфраструктура, основанная на использовании лунных ресурсов. Такой масштаб работ потребует применения еще более мощной космической техники, в частности многоразового лунного лендера, работающего на лунном топливе, а также создания и регулярной эксплуатации экономически эффективной транспортной цепочки на маршруте Земля — Луна.

Об этом мы расскажем в следующих статьях.