Космические аппараты, предназначенные для освоения космического пространства, должны как унаследовать лучшие черты уже созданной космической техники, так и приобрести свойства, существующим КА не присущие. Это связано как с их вышеперечисленными задачами, так и со свойствами космического пространства. Необходимо отметить, что до настоящего времени далеко не все особенности космического пространства получили своё отражение в конструкциях КА.
    Космическое пространство характеризуется следующими особенностями.
     Крайне неравномерная плотность среды; большая часть космического пространства представляет собою глубокий вакуум с концентрацией вещества не более нескольких атомов на м³, с другой стороны, существуют газопылевые туманности, метеорные потоки, планеты с различной атмосферой и без неё, звёзды и их скопления, наконец, коллапсары, плотность вещества в которых достигает, по некоторым гипотезам, бесконечно больших значений. Это приводит, с одной стороны, к необходимости обязательного обеспечения функционирования КА в вакууме, с другой – требует защиты от механических повреждений метеорными частицами, предотвращения столкновения с крупными метеорными телами, обеспечения возможности маневрирования в гравитационных полях различной силы.
     Расстояния между космическим объектами, представляющими интерес для освоения, составляют порядка 10⁹ км для планет Солнечной системы и более 10¹⁵ км для соседних звёздных систем. Перемещение на такие расстояния либо требует колоссальных затрат энергии (и довольно высокой мощности соответствующих энергетических установок), либо продолжительность полёта увеличивается до десятилетий. Это выдвигает качественно-новые требования к продолжительности непрерывного функционирования систем КА и исключает или крайне затрудняет оказание любого рода внешней помощи и поддержки такому КА, что требует существенного повышения его автономности (Под автономностью в данном случае понимается способность КА поддерживать и – при необходимости - восстанавливать работоспособность своих систем и аппарата в целом с использованием только бортовых систем и запасов и/или доступных ресурсов окружающей среды.).
     Эти свойства космического пространства определяют облик КА всех классов, однако их значение для разных КА различно. Поэтому прежде, чем продолжить рассмотрение НКК, рассмотрим классификацию КА.
     Классификация какого-либо вида техники, как правило, выбирается из нескольких возможных, исходя из требований конкретного исследования. Так, в книге “Космическая индустрия” [10] академик В.С. Авдуевский и специалист по проектированию космической техники Г.Р. Успенский неявно вводят следующую классификацию КА:
     неманеврирующие автоматические КА (ИСЗ и АМС);
     исследовательские космические корабли (так авторы называют пилотируемые КА, способные маневрировать в космосе), которые могут быть орбитальными, межпланетными и напланетными;
     транспортные корабли (для перевозки экипажа и грузов между Землёй и другими КА) типа “Земля - космос” (включая многоразовые), “космос - космос” и напланетные;
     космические станции (орбитальные, межпланетные и напланетные), включающие служебные КК; крупногабаритные космические конструкции;
     тросовые космические системы и
     транспортно-технические центры.
     В предложенной классификации не понятно, например, отличие межпланетного исследовательского космического корабля и межпланетной космической станции, неясно, можно ли рассматривать транспортный корабль с соответствующим оснащением как исследовательский… Возникают и другие вопросы.
     Поэтому для целей данной работы предпочтительна классификация по режимам полёта, определяющим параметры энергодвигательных установок (ЭДУ) и продолжительность этапов полёта. Рассматривать будем пилотируемые КА, хотя в целом сказанное относится и к беспилотным.
     Итак, пилотируемые космические аппараты (ПКА) можно разделить на следующие классы:
     КА "Земля-космос" - транспортные системы для доставки человека на околоземную орбиту. Могут быть как чисто транспортными, совершая полет от космодрома до орбитальной станции, так и транспортно-рабочими, рассчитанными на длительный самостоятельный орбитальный полёт и выполнение при этом различных целевых задач. Совершенно необходимым качеством КА этого класса является способность разогнаться до 1-й космической скорости (7,9 км/с), а при возвращении на Землю – погасить эту скорость. Для КА вертикального взлёта тяговооруженность (отношение тяги двигателя к весу КА, P/M_оg, численно равна перегрузке n) должна быть не менее 1,2, при использовании горизонтального старта (самолётная схема) – не менее 0,5.
     КА "Космос-космос" - предназначены для перелётов как между орбитами вокруг одного небесного тела, так и между сферами действия разных небесных тел (планет). Не предназначены для посадки на небесные тела (может быть, за исключением малых). Разгон таких КА может быть довольно медленным (Однако возможны дополнительные условия, например – скорейшее преодоление околоземных радиационных поясов требует разгона с большим ускорением.), однако скорость полёта пилотируемых аппаратов должна быть максимальной для сокращения времени перелёта.
     КА "Космос-планета-космос" (десантные аппараты) - используются для высадки на поверхность планет (их крупных спутников) и возвращения на околопланетную орбиту. Задача их создания с использованием ракетных двигателей крайне сложна: требуется посадить на поверхность планеты КА, способный впоследствии вернуться на околопланетную орбиту.
     "Космические базы", к которым относятся орбитальные станции и станции, размещённые на поверхности небесных тел. Эти космические аппараты отличаются тем, что самостоятельно не могут существенно менять траекторию своего центра масс.
     Кроме приведенного перечня, к ПКА можно отнести также пилотируемые планетоходы.
     Описанная номенклатура в неявной форме была предложена К.Э. Циолковским [11] и остаётся актуальной до настоящего времени. В ряде проектировавшихся и созданных ракетно-космических комплексов отдельные классы ПКА совмещались, но при этом сам комплекс состоял из отдельных блоков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный КА.
     Однако сложившаяся номенклатура типов ПКА не является идеальной и при практической реализации любого крупного космического проекта приводит к немалым проблемам. Так, в ходе межпланетной экспедиции необходимо взаимодействие не менее трёх типов аппаратов, а при больших масштабах - всех (включая планетарные базы и планетоходы). Создание всех типов КА при этом должно вестись параллельно, чтобы они одновременно были готовы к использованию. Однако часть их характеристик взаимосвязаны, и изменение какой-либо из них ведёт к изменениям во всех КА, взаимодействие которых предполагается. Кроме того, функционирование всех элементов требует многократного проведения операций сближения и стыковки, которые хоть и достаточно отработаны в отечественной космонавтике, но отнюдь не являются рутинными и безаварийными.
     Использование на каждом этапе полёта специализированного ПКА имеет смысл только в том случае, если тот максимально приспособлен к условиям работы. Однако совершенно очевидно, что невозможно испытать в земных условиях аппараты типа "космос-космос" и "космос-планета-космос". Это оставляет вопрос об их эксплуатационной надёжности открытым. Конечно, развитие методов численного моделирования может, рано или поздно, позволить обойтись и без испытаний в реальных условиях, но лишь при полной уверенности в том, что все факторы внешнего воздействия известны, а их проявление предсказуемо и в полной мере поддается моделированию.
     Тем не менее, при всей своей неидеальности, описанное разделение ПКА не является произвольным решением Циолковского или кого-то ещё. Оно отражает объективную реальность, а именно – необходимость равенства между энергией, потребной для выполнения тех или иных космических операций, и энергией, которой располагает данный ракетно-космический комплекс. Первая определяется законами механики космического полёта и расположением небесных тел, вторая – физическими принципами, на которых основана работа энергодвигательной установки КА.
     Поскольку единственным способом перемещения в космосе до сей поры считается реактивный, то энергия, которой располагает ПКА (или располагаемая характеристическая скорость), однозначно определяется формулой Циолковского - произведением скорости истечения рабочего тела из ракетного двигателя и логарифма отношения стартовой и конечной масс ракеты:

V = wLnZ.

     Однако при полёте вблизи небесного тела, особенно - при взлёте и посадке, решающее значение приобретает также тяговооруженность КА - отношение тяги двигателей к весу аппарата. Для РД существует формула

N = Pw,

     где N - тепловая (для термохимических двигателей - получаемая при сгорании топлива) мощность, P - тяга, w - скорость истечения реактивной струи. Тепловая мощность любой установки определяется теплостойкостью материалов, из которых она состоит, и возможностями (небезграничными) системы охлаждения. Следовательно, с ростом скорости истечения абсолютное значение тяги уменьшается, что, в частности, исключает использование наиболее эффективных РД - электрических - для старта с планет. Это же означает, что для оснащенного ими ПКА «космос-космос» действующая перегрузка будет весьма небольшой - меньше 0,1 – 0,01 g, тогда как для вертикального взлёта с поверхности Земли эта величина должна быть не менее 1,2 g.
     Для ПКА типа «Земля-космос» и «космос-планета-космос» внешние условия функционирования схожи, по крайней мере - в области действующих на них нагрузок. Но эксплуатационные требования к ним различаются настолько, что унификация этих типов ПКА сегодня не представляется возможной: в КА «Земля-космос» спускаемый аппарат является нагрузкой для средства выведения, тогда как в случае «космос-планета-космос», средство выведения является полезным грузом для спускаемого аппарата.
     Однако повторимся: всё вышесказанное относится к сегодняшней ракетно-космической технике, основанной на химических ракетных двигателях, лишь ограниченно использующей электроракетные двигатели и ядерные энергоустановки. В случае же перехода на другие способы космического полета или его энергообеспечения картина в корне меняется.
     Рассмотрим неракетный космический корабль (НКК) - ПКА, не отбрасывающий запасённой на борту массы.
     Главным отличием такого ПКА будет отсутствие на борту запасов рабочего тела. Энергия же, необходимая для приведения аппарата в движение может как запасаться на борту, так и поступать на ПКА извне. В первом случае необходима мощная бортовая энергоустановка, однако она может быть легче, а главное - значительно меньших размеров, чем соответствующие по энергоёмкости баки с рабочим телом, тем более - с топливом для термохимических РД. Во втором случае очевидна возможность передачи на ПКА энергии при помощи лазерных или СВЧ лучей либо другим способом. Наконец, существует экспериментальное подтверждение возможности концентрации на борту ПКА энергии, рассеянной в окружающем пространстве (речь идет не о нарушении второго начала термодинамики, а о том, что мы пока не знаем ВСЕХ процессов преобразования энергии, см, например, [12]).
     Как же изменится номенклатура ПКА при переходе к неракетному принципу движения?
     Во-первых, полёт может проводиться с постоянным ускорением (возможно, близким к 1 g), что позволит резко сократить продолжительность межпланетных перелётов. Подробнее это утверждение будет обосновано в разделе, посвященном основам динамики полёта НКК. Сокращение длительности перелётов, в свою очередь, приведет к уменьшению размеров ПКА. Дело в том, что размеры эти, вопреки первоначальному впечатлению, определяются отнюдь не объёмом блоков хранения рабочего тела, а именно необходимостью длительного пребывания человека в искусственной биосфере ПКА и трудностью создания последней (см. раздел «Система обеспечения жизнедеятельности»). А уж больший полезный груз требует и больших запасов рабочего тела.
     Во-вторых, возможно отпадет энергетическая необходимость разделения транспортных космических систем на классы «Земля-космос», «космос-космос» и «космос-планета-космос». Один и тот же ПКА «Земля-космос-планета» сможет взлетать с Земли, совершать межпланетный перелёт, садиться на поверхность планет земной группы или спутников планет-гигантов и возвращаться обратно.
     В-третьих, возможно, исчезнет энергетическое обоснование необходимости орбитальных станций. Подчеркнём: речь идет только об энергетическом обосновании, поскольку как объекты производственной сферы и космической инфраструктуры орбитальные станции, безусловно, будут иметь самостоятельное значение.
     Но это только одна сторона вопроса. С другой стороны, при переходе к НКК на номенклатуру пилотируемых космических аппаратов начнут влиять новые факторы, практически не учитываемые в настоящее время. В числе таких факторов первым следует назвать необходимость карантина.
     Результаты астрономических наблюдений и полётов автоматических межпланетных станций не дали пока однозначных доказательств существования жизни на других телах Солнечной системы. В том числе и пор этой причине вопросы стерилизации КА давно уже не поднимаются, хотя сама операция и проводится. Однако до сих пор речь шла только о предотвращении заноса земных организмов на другие планеты. Это, конечно, неприятно с точки зрения ортодоксальной экологии, но пока непосредственной угрозы человечеству не несет.
     Принципиально другая ситуация складывается при возвращении на Землю КА, работавших на поверхности других небесных тел. И уже доставка на Землю лунного грунта советскими автоматическими станциями «Луна-16», «-20» и «-24» и американскими ПКА «Аполлон» в этой связи выглядит недостаточно продуманной. Напомним, что возвращаемый аппарат «Луны-20» приземлился на островке посредине реки Каракингир около г. Джезказган, и его поиск и эвакуация в февральскую метель были чрезвычайно сложны [13], а «Аполлоны» приводнялись непосредственно в Тихий океан. Но тогда ещё можно было оправдать рискованные решения тем, что трудно представить организм, способный существовать как на Луне, если это вообще возможно, так и на Земле. Однако велось (и продолжаются в настоящее время) и проектирование КА для доставки на Землю грунта с Марса! Причём во всех проектах, как созданных в 1970-х гг., так разрабатывающихся в последние годы, предполагается прямая посадка возвращаемого аппарата на Землю. По такой же схеме в известных [14, 15] проектах предусмотрено и возвращение экипажа пилотируемой марсианской экспедиции.
     Опять-таки, можно сказать, что при длительном обратном полете чужие формы жизни успеют проявить себя воздействием на экипаж, а на Земле можно будет принять соответствующие меры. Но с полевым двигателем полёт как раз может и не быть длительным!
     Таким образом, при переходе ПКА на неракетные двигатели возникает необходимость в специальных орбитальных станциях – карантинных базах.
     Сохранение класса десантных ПКА может мотивироваться той же причиной - необходимостью стерилизации (как минимум - дезинфекции) аппарата после работы на поверхности небесного тела, относительно которого нет гарантий отсутствия чужой жизни. Второй причиной будет существенное различие природных условий на различных небесных телах. Вполне можно представить, как универсальный ПКА, стартовавший с Земли, после межпланетного перелёта садится на поверхность Луны, Меркурия, Весты, Европы или Япета. Однако уже на Марсе ему придется преодолевать воздействие бурь. Аппарат же, предназначенный для десанта на Венеру, будет радикально отличаться от всего остального. Возможно даже, что при выборе конструкционных материалов придется учитывать химическое воздействие атмосфер небесных тел. Всё это говорит в пользу того, что «шлюпки» для десанта на планеты различного типа будут различаться также и конструктивно.
     Наконец, совершенно отдельный класс будут представлять собой корабли, предназначенные для межзвёздных перелётов – МЗКК. Это обусловлено тем, что радикальное количественное отличие дальности их полёта, достигаемой ими скорости и – возможно – продолжительности их полёта от аналогичных параметров аппаратов, предназначенных для эксплуатации в пределах Солнечной системы, вероятнее всего, приведет к столь же радикальному качественному различию их конструкций. Кроме того, не исключено, что маршевые двигательные установки МЗКК будут основаны на таких физических принципах, что использовать их при взлёте или посадке на планету и даже при полёте в её окрестностях будет просто опасно, что является дополнительным доводом в пользу существования в номенклатуре космической техники вышеназванных классов ПКА.

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЛОТИРУЕМЫХ КА

	Земля - космос	Космос - космос	Космос - планета - космос	Космические базы орбитальные	Космические базы напланетные	планетоходы
Характеристическая скорость, м/с	7900 (без учёта атмосферного торможения - 15800)	3500 – 3 х 108	В зависимости от планеты	10-100 (коррекция орбиты)	нехарактерно	1-2
Продолжительность активного полёта, с	Старт – 600 - 900 Посадка – 1800 - 2400	~ 600 – 36000 и более	Посадка – 1800 – 2400; взлёт – 600 - 900	600 – 1200 через каждые 2-3 мес.	нехарактерно	3600-1000000
Продолжительность функционирования СОЖ, сут	До 20	3 – 4000	1 - 400	400 - 8000	400 - 8000	1-400
Действующие перегрузки, g	1,2 - 12	До 1	1,2 - 12	~ 0	1	1 - 3

     В дальнейшем рассматриваются прежде всего межпланетные ПКА класса «космос-космос». Разделы, посвящённые взлёту и посадке, применимы к КА классов «Земля-космос» и «космос-планета-космос».
     Перейдем теперь к рассмотрению основных вопросов, связанных с динамикой полёта неракетных космических кораблей.