6.1.ПРИНЦИП РАЗДЕЛЬНОСТИ ОБОЛОЧЕК.

    Компоновка любого КА определяется с одной стороны факторами, действующими на него на разных этапах эксплуатации, а с другой - возможностью создания требуемого изделия в рамках данного уровня развития производительных сил.
    Cо времен Ж. Верна [46] известно, что техногенный объект, функционирующий в опасной среде, должен иметь по крайней мере два корпуса - внешний "лёгкий", воспринимающий динамические нагрузки и поражающие факторы окружающей среды, и внутренний "прочный", воспринимающий статические нагрузки и являющийся, собственно, обитаемым. На отечественных атомных подводных лодках этот принцип соблюдается свято - только АПЛ пр.670 имели полуторакорпусную схему.
     В космической технике этот принцип так же нашёл широкое применение. Наиболее ярко он выражен в конструкции функционально-грузового блока транспортного корабля снабжения НПО машиностроения [47], отдельных отсеках орбитальных станций "Салют-6, -7" и "Skylab" [48], и, аналогично самолётам - ВКС "Space Suttle" и "Буран" [49], кабины экипажа которых выполнены в виде отдельных гермоотсеков и при сборке вставлялись в носовую часть фюзеляжа. Последняя воспринимает динамические и тепловые нагрузки полёта, оставляя гермоблоку главную задачу - поддержание жизни людей в атмосфере и космосе. По такой же схеме построен и новейший проект многоразового пилотируемого космического корабля «Клипер». Но на самом деле применение многокорпусности гораздо шире: таковыми являются все герметичные отсеки, покрытые экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ).
     Сравнивая перечисленные аппараты (а также подводные аппараты и суда) нетрудно заметить, что двухкорпусные конструкции можно разделить на два класса: вставные и интегрированные. При вставной схеме герметичный обитаемый отсек выполняется как отдельная самостоятельная конструкция, и монтируются в КА (или ПА) в процессе общей сборки. Так, в частности, устроены упоминавшиеся (и многие проектировавшиеся) ВКС, глубоководные ПА «Поиск-6» [50], «Русь» [51], «Trieste» [52] и “Pisces” [50]. При интегрированной схеме гермоотсеки являются неотъемлемой частью конструкции, в т.ч. воспринимает и немалую часть внешних нагрузок. Так устроены большинство гермоотсеков КА, космические скафандры, а также все двухкорпусные подводные корабли.
     Достоинством вставной схемы является практически полная независимость форм гермоотсека и КА в целом, возможность довести герметичный модуль до высокого уровня надежности независимо от общего состояния работ по КА. Однако вставная схема имеет смысл только в том случае, если габариты гермоотсеков значительно меньше, чем КА. В противном случае аппарат получается слишком тяжёлым. Сегодня можно предположить, что в ранних конструкциях НКК, создаваемых с использованием существующих технологий, большее распространение будет иметь вставная схема, т.к. форма гермоотсеков, как будет показано ниже, достаточно жестко детерминирована, а большую часть аппарата будут занимать энергетическая установка и двигатели.
     По мере развития технологий, в частности - при переходе к изготовлению НКК преимущественно из композиционных материалов, освоению молекулярной сборки, а также по мере совершенствования и сокращения габаритов энергоблоков и двигательных установок, предполагается переход к преимущественному использованию интегрированных конструкций. Помимо весовых ограничений, малая применяемость двухкорпусных конструкций в КК объясняется тем, что к их внешней форме не предъявлялось очень жёстких требований, но на НКК ситуация меняется.
     Кроме очевидных аэродинамических условий, к внешней форме НКК предъявляется ещё ряд требований, связанных с размещением двигателей, радиаторов СОТР и т.д. Часть этих требований будет рассмотрена ниже, а сейчас остановимся на особенностях внутреннего, "прочного" - герметичного корпуса.

6.2.КОНСТРУКЦИЯ ОПО.

6.3.ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НКК.

    Как должны определяться массово-габаритные характеристики ОПО и НКА в целом? До настоящего времени подход здесь был однозначным: соответствующие характеристики КА полностью и однозначно определялись грузоподъёмностью РН и формой и габаритами их зон полезного груза. Пока единственным средством выхода в космос служат РН (или ВКС), этот подход останется безальтернативным. Однако для КА, собираемых на ОЗО, возможности средств выведения ограничивают лишь массу и размеры модулей, из которых происходит сборка. Конечно, число модулей одного КА будет ограничиваться реализуемым грузопотоком «Земля – орбита» - что ж, это ещё одно основание для его всемерного наращивания!
     Для НКК, особенно – способных взлетать с планет земной группы, подход должен быть принципиально иным.
     Энергетические характеристики НКК определяются используемым типом П/МД (эффективностью преобразования энергии в тягу и тяговооружённостю) и СЭП (удельной мощностью). Необходимо помнить, что первые П/МД и СЭП будут иметь достаточно невысокую эффективность (а их преимуществами перед ракетными КК будут отсутствие рабочего тела и неограниченная продолжительность работы маршевых двигателей), и, следовательно, составлять существенную долю массы и габаритов НКК. Но очевидно, что при выбранных СЭП и П/МД суммарную тягу и, соответственно, массу НКК можно наращивать путем использования нескольких ПИЭ и добавления блоков П/МД. Таким образом, основой при определении массы и габаритов НКК должны служить параметры полезного груза, в т.ч. ОПО.

6.4.ОБЪЁМ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ НКК.

    Масса ОПО главным образом зависит от их объёма, который, в свою очередь, определяется продолжительностью нахождения в них членов экипажа и пассажиров. По продолжительности пребывания людей на борту НКК следует разделить на две группы: те, время нахождения в которых не превышает одних суток (сравнимо с продолжительностью полёта на самолётах на межконтинентальную дальность), и те, в которых люди будут проводить более одних суток.
     В первом случае в течение всего полёта экипаж находится на своих рабочих местах, пассажиры – на своих. Следовательно, объём гермоотсеков может быть минимальным, и при его определении можно пользоваться нормативами, принятыми для гражданской (или даже для военной) авиации. В рамках указанных выше ограничений, с учетом специфики ракетного космического полёта (перегрузки при старте и спуске, невесомость всё остальное время) этот подход используется и сегодня.
     Второй случай принципиально отличается тем, что люди должны ЖИТЬ в замкнутом объёме ОПО какое-то, возможно – продолжительное время, причём покидание ОПО до окончания полёта практически невозможно. Кроме того, в ОПО же должны выполняться операции по обслуживанию и ремонту агрегатов бортовых систем, которые в этом нуждаются.
     В этом случае объём ОПО должен быть максимально возможным (Один из авторов полагает, что для студентов соответствующих специальностей, предполагающих в дальнейшем заниматься проектированием пилотируемых КА, совершенно необходима экскурсия на подводную лодку. Если нет возможности осмотреть боевой корабль, находящийся в строю, можно, хотя бы, посетить подводную лодку - музей Д-2 в г. Ленинграде.). Кроме того, он должен быть функционально разделён на целевые зоны (желательно – изолированные помещения). По современным представлениям, на НКК с большой продолжительностью полета обязательно должны быть следующие помещения:
     пост управления перемещением НКК,
     пост управления системами НКК,
     пост систем дистанционного зондирования (СДЗ) и дальней космической связи (ДКС),
     кают-компания,
     каюты членов экипажа и пассажиров,
     спортзал,
     комната психологической разгрузки,
     туалет с умывальником,
     блок санобработки с душем и обработкой белья,
     кухня и провизионная кладовая,
     шлюзовая камера (ШК),
     десантный отсек,
     медцентр,
     мастерская,
     хранилище расходуемых материалов.
     Перечисленные помещения могут быть связаны транспортными переходами. Рассмотрим их характеристики подробнее.
     Пост управления перемещениями КК является местом работы пилота (пилотов). С него осуществляется управление движением НКК при помощи ПМД, перемещением центра масс НКК, поворотами НКК вокруг центра масс. На посту управления перемещением КК должны быть интерфейс автопилота, средства для расчётов режимов полёта, индикаторы положения НКК в пространстве, индикаторы состояния окружающей среды, органы ручного управления перемещением КК.
     Пост управления системами КК - рабочее место бортинженера. На нём должны быть индикаторы состояния бортовых систем и – при необходимости – их отдельных агрегатов, терминалы бортовой телевизионной системы, обеспечивающей обзор отсеков НКК, его поверхности и отдельных агрегатов, органы дистанционного управления бортовыми системами. Здесь же целесообразно расположить и пульт управления ремонтным робототехническим комплексом.
     Наиболее характерной деталью интерьера поста СДЗ и ДКС будут индикаторы локационных станций и видеоконтрольные устройства оптико-электронных систем, индикаторы состояния СДЗ и ДКС, органы управления ими.
     В зависимости от объёма перерабатываемой информации и организации работы экипажа, посты могут быть как совмещены в одном помещении, так и разнесены в разные. Габариты всевозможных пультов и помещений для них являются наиболее изученным эргономикой классом объектов (см., например, [43]).
     Кают-компания служит главным общественным помещением НКК. Она должна одновременно вмещать всех людей, находящихся на борту (экипаж и пассажиров). В этом случае объём, приходящийся на одного человека, не должен быть меньше, чем 2 м³ (1 х 1 х 2 м).
     Каюты экипажа одноместные. Опыт орбитальных станций «Мир» и МКС, где каюты представляют собою, по существу, шкафы, в которых подвешены спальные мешки, в данном случае неприменим, поскольку в ходе полёта НКК длительное время может двигаться с ускорением до 1 g, а также совершать посадки на планеты земной группы. Поэтому минимальные размеры каюты не должны быть менее 2 х 1 м в плане, и менее 2 м в высоту.
     Спортзал. По современным представлениям, для предотвращения необратимых изменений в опорно-двигательной и сердечно-сосудистой системах организма человека в ходе длительного пребывания в условиях пониженной или нулевой силы тяжести, космонавты должны заниматься физическими упражнениями не менее 2 часов в сутки. Физические упражнения сопровождаются повышенным потоотделением, учащенным дыханием, занимающийся физкультурой человек является источником вибраций. Кроме того, для наибольшей эффективности физических упражнений при пониженной тяжести необходимы специальные нагрузочные устройства, далеко не всегда компактные. В частности, в спортзале НКК должны быть установлены тренажёры «бегущая дорожка», «академическая гребля», «бой с тенью», велоэргометр. Все они должны быть снабжены видеоприставками или системами виртуальной реальности, создающими эффект спортивных занятий «на природе». Кроме того, поскольку часть полёта НКК (в частности, ожидание на околопланетной орбите) сопровождается невесомостью, в спортивном зале должен быть набор эспандеров и других упругих нагрузочных элементов, а так же узлы для их подвески.
     Всё это обуславливает желательность выделения для физических упражнений отдельного, специально оборудованного помещения. Из весьма условной аналогии с военно-морским флотом можно предположить, что его объём должен обеспечивать одновременную работу в нем до 1/3 экипажа (и пассажиров). На каждого человека здесь требуется не менее 8 м³ (2 х 2 х 2 м).
     Комната психологической разгрузки представляется необходимой при длительных полетах на большом удалении от Земли. Её требуемую «пропускную способность» оценить сложно, но вряд ли потребуется одновременное нахождение в ней даже трети экипажа. В то же время, возможно, комнат психологической разгрузки потребуется не менее двух. Расчётный объём на одного человека - аналогично кают-компании.
     Туалет с умывальником. Идеальный вариант – по одному на каждые каюту, пост, общественное помещение. Насколько это окажется возможным – вопрос конкретной конструкции и возможностей системы регенерации. Минимальное число соответствующих устройств - не менее одного на трех человек. Предположительные габариты - 1.5 х 1 х 2 м.
     Блок санобработки с душем и системой обработки белья. Штатное количество - не менее одного на трёх человек. Предположительные габариты – 2 х 2 х 2 м.
     Кухня и провизионная кладовая. Устройство и объём этих помещений определяются используемой технологией обеспечения космонавтов продуктами питания.
     Шлюзовых камер (ШК) желательно иметь не менее двух (одна рабочая, для регулярных выходов из корабля, остальные могут быть аварийными и использоваться только для эвакуации или спасательных операций), по возможности - в разных концах КК (гермоконтура). Для проведения спасательных операций необходимо одновременное шлюзование не менее трёх человек в скафандрах типа "Кречет", "Орлан-ДМА".
     Десантный отсек служит для подготовки к внекорабельной деятельности (ВКД), хранения и обслуживания скафандров, при работе на других планетах – для дезинфекции оборудования после возвращения. Их должно быть по одному на каждую рабочую ШК. Суммарное количество скафандров для ВКД во всех рабочих отсеках должно равняться штатной численности экипажа НКК.
     Медицинский центр должен включать операционную, реанимационную, процедурно-рабочую секции и изолятор, обязательно оснащаться автономными туалетом и санблоком. Возможно использование частично-автономной СОЖ.
     Следует рассмотреть возможность размещения аналитического лабораторного оборудования таким образом, чтобы на нём можно было исследовать образцы, собранные на других космических объектах, без риска заражения медцентра.
     Мастерская должна иметь станочно-инструментальный парк, обеспечивающий ремонт максимальной номенклатуры деталей и агрегатов бортовых систем и конструкции НКК, а в некоторых случаях – их изготовление из имеющихся на борту или доставляемых на НКК материалов. Размеры мастерской должны выбираться исходя из требований техники безопасности при работе с имеющимися станками и инструментами.
     Хранилище расходуемых материалов (ХРМ). По опыту эксплуатации ОС «Мир» и МКС [53] в ХРМ постепенно превращаются все ОПО. Та же картина наблюдается на полярных станциях, в дальних полётах, походах АПЛ [54]. Это приводит к загромождению ОПО, нарушению требований пожарной безопасности (И, по мнению, доказываемому в указанном источнике, стало одной из причин гибели АПЛ пр.685 “Комсомолец” 7 апреля 1989 г.), крайнему усложнению использования имеющихся запасов. Таким образом, размеры и форма помещения ХРМ определяются не только объёмами запасов, но и организацией системы их хранения и использования.
     Параметры сечения транспортных переходов определяются исходя из размеров того, что должно в них перемещаться. Поскольку часть полёта НКК проходит в условиях постоянных ускорений, и исходя из необходимости перемещаться по НКК, севшему на планету земной группы, сечения транспортных переходов должны обеспечивать как минимум проход человека в спасательном скафандре (типа «Сокол»). Однако, учитывая необходимость проведения спасательных операций, следует предусмотреть возможность транспортировки носилок космонавтами в скафандрах "Сокол". Предполагая возможность аварийной разгерметизации ОПО, необходимо предусмотреть возможность работы внутри отсеков в скафандрах типа "Кречет" – "Орлан-ДМА".
     Приводимые размеры могут показаться слишком “круглыми”, особенно принимая во внимание, что, всё-таки, рост человека может быть и ниже среднего, а требования к геометрии тела космонавта всё равно существуют (хотя сейчас они гораздо менее жёсткие, чем во времена “Востоков” и “Merqury”). Разумеется, мы не предполагаем, что приводимые величины станут жёсткими стандартами, однако к их “уточнению” нужно относиться осторожно. В подтверждение последнего приведём пример из истории советской космонавтики.
     Каждому человеку, хоть сколько-то интересующемуся практической космонавтикой, известно, что СА «Союза» предельно тесен. Обычно это связывают с ограниченными возможностями ракеты-носителя. Однако на самом деле размеры зоны полезного груза позволяют сделать СА несколько большего размера, что не привело бы к существенному росту массы, зато существенно облегчило бы жизнь как конструкторов, вынужденных плотно «упаковывать» все необходимое, так и космонавтов. Однако в процессе разработки руководитель конструкторской группы К.П. Феоктистов (тогда ещё - будущий космонавт) для экономии массы предложил сократить диаметр корпуса СА с 2200 до 2000 мм. Это было сделано, хотя сэкономленные килограммы в дальнейшем «съел» балансировочный груз [14] (Учитывая отношения К.П. Феоктистова и руководителей РКК «Энергия» в момент написания цитируемого источника, мы обязаны предположить, что на самом деле всё могло быть наоборот…). 20 см диаметра – достаточно много. В результате через 35 лет, при очередной модернизации «Союза», в стенках СА пришлось делать специальные выштамповки для ног космонавтов…
     Таким образом, на каждого члена экипажа или расчётного пассажира НКК должно приходиться не менее 20 м³ только личного объёма, не связанного с управлением НКК, обслуживанием его систем и внекорабельной деятельностью.

6.5.ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЕ.

    Для НКК, рассчитанных на маневрирование в атмосферах планет, к форме внешнего корпуса предъявляется требование минимизации ветровых нагрузок и аэродинамического сопротивления. Как известно, минимальное лобовое сопротивление имеет сигара с удлинением более 6; если же нужно минимальное сопротивление горизонтальным воздушным потокам с любой стороны, оптимальная форма такого корабля будет сплюснутой (самолёт-бесхвостка, "классическая летающая тарелка"). Кроме того, такая форма обладает аэродинамическим качеством, т.е. при горизонтальном движении в атмосфере будет создавать аэродинамичекую подъёмную силу, что может оказаться критически важным в аварийных ситуациях. Это тоже способствует "лежачему" размещению гермоотсеков.
     Горизонтальная "распластанность" обусловлена, кроме того, необходимостью размещения не одного, но нескольких ПД. Так как только тяга ПД поддерживает НКК «в воздухе» - в полёте по небаллистической траектории вблизи поверхности Земли (планеты земной группы), невредно вспомнить требование ИКАО для двухмоторных лайнеров о продолжении взлёта с одним отказавшим двигателем. Правда, в случае НКК аналогом будет, скорее, "Луноход" или отечественные бронетранспортеры БТР-60/70/80/90, способные продолжать движение при потере двух любых колес из восьми.
     Ещё одно требование касается взаимного расположения ПД и ГО или отделяемой полезной нагрузки (ОПН). При полёте вблизи поверхности небесного тела НКК можно рассматривать как самолёт вертикального взлёта или вертолёт. Эти ЛА крайне чувствительны к смещению ЦМ, а избежать изменения центровки при разгрузке ГО или отделении ОПН невозможно. Следовательно, проекция ЦМ на плоскость, перпендикулярную к вектору тяги ПД должна лежать в проекции ГО (ОПН), а ПД, в свою очередь, разнесены настолько, чтобы компенсировать дифференциальным изменением тяги расчётные нарушения балансировки.