Первый полет «Союз МС»: полвека эволюции

⇡#Цифровой «Союз»

С начала нового тысячелетия основные усилия специалистов РКК «Энергия» были направлены на совершенствовании бортовых систем кораблей путём замены аналогового оборудования цифровым, выполненным на современной компонентной базе. Предпосылками к этому стало моральное старение аппаратуры и технологии изготовления, а также прекращение выпуска ряда комплектующих.

С 2005 года предприятие вело работы по модернизации «Союза ТМА» для того, чтобы обеспечить выполнение современных требований к надёжности пилотируемых кораблей и безопасности экипажа. Основным изменениям подверглись системы управления движением, навигации и бортовых измерений — замена этого оборудования современными приборами на основе вычислительных средств с развитым программным обеспечением позволила улучшить эксплуатационные характеристики корабля, решить проблему обеспечения гарантированных поставок ключевых служебных систем, уменьшить массу и занимаемый объём.

Размещение вновь вводимой аппаратуры на корабле «Союз ТМА-М»

Всего в системе управления движением и навигации корабля новой модификации вместо шести старых приборов общей массой 101 кг установили пять новых массой около 42 кг. Потребление электроэнергии снизилось с 402 до 105 Вт, а производительность и надёжность центральной вычислительной машины выросла. В системе бортовых измерений 30 старых приборов общей массой около 70 кг заменили 14 новыми общей массой примерно 28 кг при той же информативности.

Для того чтобы организовать управление, электропитание и термостатирование новой аппаратуры, соответственно доработали системы управления бортовым комплексом и обеспечения теплового режима, выполнив дополнительные усовершенствования конструкции корабля (улучшена технологичность его изготовления), а также доработав интерфейсы связи с МКС. В результате удалось облегчить корабль примерно на 70 кг, что позволило увеличить возможности по доставке полезного груза, а также и далее повышать надёжность «Союза».

Один из этапов модернизации был отработан на «грузовике» «Прогресс М-01М» в 2008 году. На беспилотном аппарате, являющемся во многом аналогом пилотируемого корабля, устаревший бортовой «Аргон-16» заменили современной цифровой вычислительной машиной ЦВМ101 с тройным резервированием, производительностью 8 млн операций в секунду и ресурсом работы 35 тыс. часов, которая была разработана НИИ «Субмикрон» (Зеленоград, Москва). В новом компьютере используется RISC-процессор 3081 (с 2011 года ЦВМ101 комплектуется отечественным процессором 1890BM1T). Также на борту была установлена новая цифровая телеметрия, новая система наведения и экспериментальным программным обеспечением.

Старая и новая бортовые ЦВМ

Первый старт пилотируемого космического корабля «Союз ТМА-01М» состоялся 8 октября 2010 года. В его кабине стоял модернизированный пульт «Нептун», сделанный с использованием современных вычислительных средств и устройств отображения информации, отличающийся новыми интерфейсами и программным обеспечением. Все компьютеры корабля (ЦВМ101, КС020-M, компьютеры пульта) объединены в общую вычислительную сеть — бортовой цифровой вычислительный комплекс, интегрируемый в вычислительную систему российского сегмента МКС после стыковки корабля со станцией. В результате вся бортовая информация «Союза» может попасть в систему управления станции для контроля, и наоборот. Такая возможность позволяет оперативно изменять навигационные данные в системе управления корабля в случае необходимости выполнения штатного или срочного спуска с орбиты.

Европейские астронавты Андреас Могенсен и Тома Песке отрабатывают на тренажёре управление движением корабля «Союз ТМА-М». Скриншот с видео ЕКА

Первый цифровой «Союз» ещё не отправился в свой пилотируемый полет, а в 2009 году РКК «Энергия» обратилась в Роскосмос с предложением рассмотреть возможность дальнейшей модернизации кораблей типа «Прогресс М-М» и «Союз ТМА-М». Необходимость в этом вызвана тем, что в наземном автоматизированном комплексе управления выводились из эксплуатации морально устаревшие станции «Квант» и «Кама». Первые обеспечивают основной контур управления полётом кораблей с Земли через бортовой радиотехнический комплекс «Квант-В», производимый на Украине, вторые — измерение параметров орбиты корабля.

Современные «Союзы» управляются по трём контурам. Первый — автоматический: бортовая система решает задачу управления без вмешательства извне. Второй контур обеспечивается Землёй с привлечением радиотехнических средств. Наконец, третий — ручное управление экипажем. Предыдущие модернизации обеспечили обновление автоматического и ручного контура. Самый последний этап затронул радиотехнические средства.

Бортовая командная система «Квант-В» меняется на единую командно-телеметрическую систему, оснащённую дополнительным телеметрическим каналом. Последняя резко повысит независимость космических кораблей от наземных пунктов управления: командная радиолиния обеспечит работу через спутники-ретрансляторы «Луч-5», расширив зону радиовидимости до 70% длительности витка. На борту появится новая радиотехническая система сближения «Курс-НА», уже прошедшая лётные испытания на «Прогрессах М-М». По сравнению с прежним «Курсом-А» она легче, компактнее (в том числе за счёт исключения одной из трёх сложных радиоантенн) и энергоэкономичнее. «Курс-НА» производится в России и выполнен на новой элементной базе.

Система сближения «Курс-НА» была проверена в полётах грузовых кораблей «Прогресс М» новых модификаций. Фото Роскосмоса

В состав системы введена аппаратура спутниковой навигации АСН-КС, способная работать как с отечественной ГЛОНАСС, так и с американской GPS, что обеспечит высокую точность определения скоростей и координат корабля на орбите без привлечения наземных измерительных систем.

Передатчик бортовой телевизионной системы «Клёст-М» ранее был аналоговым, теперь его заменили цифровым, с кодированием видео в формате MPEG-2. Как следствие, снизилось влияние индустриальных помех на качество изображения.

В системе бортовых измерений применён модернизированный блок записи информации, выполненный на современной отечественной элементной базе. Существенно изменена система электропитания: более чем на один квадратный метр выросла площадь фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, а их КПД увеличился с 12 до 14%, установлен дополнительный буферный аккумулятор. В результате мощность системы выросла и обеспечивает гарантированное электропитание аппаратуры при стыковке корабля с МКС даже на случай нераскрытия одной из панелей солнечных батарей.

Изменено размещение двигателей причаливания и ориентации комбинированной двигательной установки: теперь программа полета сможет выполняться при отказе одного любого двигателя, а безопасность экипажа будет обеспечена даже при двух отказах в подсистеме двигателей причаливания и ориентации.

В очередной раз повышена точность радиоизотопного высотомера, включающего двигатели мягкой посадки. Доработки системы обеспечения теплового режима позволили исключить нештатное функционирование расхода теплоносителя.

Модернизирована система связи и пеленгации, позволяющая с помощью приёмника ГЛОНАСС/GPS определять координаты места посадки спускаемого аппарата и передавать их поисково-спасательной команде, а также в подмосковный ЦУП по спутниковой системе КОСПАС-SARSAT.

В наименьшей степени изменения затронули конструктив корабля: на корпусе бытового отсека установлена дополнительная защита от микрометеоритов и космического мусора.

Отработка модернизированных систем уже традиционно выполнялась на грузовом корабле — на этот раз на Прогрессе МС, который стартовал к МКС 21 декабря 2015 года. В ходе миссии впервые за время эксплуатации «Союзов» и «Прогрессов» был осуществлён сеанс связи через спутник-ретранслятор «Луч-5Б». Штатный полёт «грузовика» открыл путь к миссии пилотируемого «Союза МС». Кстати, старт «Союза ТМ-20АМ» 16 марта 2016 года завершил данную серию: на корабле был установлен последний комплект системы «Курс-А».

Ролик телестудии «Роскосмос», описывающий модернизации систем корабля «Союз МС».

⇡#Подготовка к полёту и старт

Конструкторская документация на монтаж приборов и оборудования Союза МС выпускалась в РКК «Энергия» с 2013 года. Тогда же началось изготовление корпусных деталей. Цикл изготовления кораблей в корпорации составляет примерно два года, поэтому начало лётной эксплуатации нового «Союза» относилось на 2016 год.

После того как первый корабль поступил на заводскую контрольно-испытательную станцию, некоторое время его старт планировали на март 2016 года, но в декабре 2015 года перенесли на 21 июня. В конце апреля запуск сдвинули на три дня. СМИ сообщили, что одной из причин переноса стало желание сократить промежуток между приземлением «Союза ТМА-19М» и запуском «Союза МС-01» «в целях более эффективной работы экипажа МКС». Соответственно, дату посадки «Союза ТМА-19М» сдвинули с 5 на 18 июня.

13 января на Байконуре началась подготовка ракеты «Союз-ФГ»: блоки носителя прошли необходимую проверку, и специалисты приступили к сборке «пакета» (связка из четырёх боковых блоков первой и центрального блока второй ступеней), к которому была присоединена третья ступень.

Сборка ракеты-носителя для корабля новой серии. Фото Роскосмоса

14 мая на космодром прибыл корабль, и началась его подготовка к пуску. Уже 17 мая прошло сообщение о проверке автоматической системы управления двигателями ориентации и причаливания. В конце мая «Союз МС-01» испытали на герметичность. В это же время на Байконур доставили двигательную установку системы аварийного спасения.

С 20 по 25 мая корабля тестировался на герметичность в вакуумной камере, после чего был перевезён в монтажно-испытательный корпус (МИК) площадки 254 для дальнейших проверок и испытаний. В процессе подготовки в системе управления обнаружились неполадки, которые могли привести к закрутке корабля при стыковке с МКС. Первоначально выдвинутая версия о сбое программного обеспечения не подтвердилась при испытаниях на стенде аппаратуры системы управления. «Специалисты обновили программное обеспечение, проверили его на наземном тренажёре, однако и после этого ситуация не изменилась», — сообщил анонимный источник в отрасли.

Первый «Союз МС» перед испытаниями в вакуумной камере. Фото Роскосмоса

1 июня специалисты рекомендовали перенести запуск «Союза МС». 6 июня состоялось заседание Государственной комиссии Роскосмоса под председательством первого заместителя главы Госкорпорации Александра Иванова, которое приняло решение перенести старт на 7 июля. Соответственно сдвинулся (с 7 на 19 июля) и запуск грузового «Прогресса МС-03».

Блок управления резервным контуром сняли с «Союза МС-01» и отправили в Москву для перепрошивки программного обеспечения.

Параллельно с техникой готовились и экипажи — основной и дублирующий. В середине мая российский космонавт Анатолий Иванишин и японский астронавт Такуя Ониси, так же как и их дублёры — космонавт Роскосмоса Олег Новицкий и астронавт ЕКА Тома Песке, успешно прошли испытания на специализированном тренажёре на базе центрифуги ЦФ-7: проверялась возможность ручного управления спуском корабля при имитации перегрузок, возникающих при входе в атмосферу. Космонавты и астронавты успешно справились с поставленной задачей, «приземлившись» максимально близко к расчётной точке посадки с минимальными перегрузками. Затем продолжились плановые тренировки на тренажёрах «Союза МС» и российского сегмента МКС, а также занятия по проведению научных и медицинских экспериментов, физическая и медицинская подготовка к воздействию факторов космического полёта и экзамены.

31 мая в Звёздном городке было принято окончательное решение об основном и дублирующем экипажах: Анатолий Иванишин — командир, Кэтлин Рубенс — бортинженер №1 и Такуя Ониси — бортинженер №2. В состав дублирующего экипажа вошли Олег Новицкий — командир, Пегги Уитсон — бортинженер №1 и Тома Песке — бортинженер №2.

24 июня основной и дублирующий экипажи прибыли на космодром, уже на следующий день осмотрели «Союз МС» в МИКе площадки 254, а затем приступили к тренировкам в Испытательном учебно-тренировочном комплексе.

Экипаж корабля «Союз МС-01» Кэтлин Рубенс, Анатолий Иванишин и Такуя Ониси представляют эмблему полёта

Интересна эмблема миссии, созданная испанским дизайнером Хорхе Картесом (Jorge Cartes): на ней изображён «Союз МС-01», сближающийся с МКС, а также указаны название корабля и фамилии членов экипажа на языках их родных стран. Номер корабля — «01» — выделен крупным шрифтом, причём внутри нуля изображён крохотный Марс, как намёк на глобальную цель пилотируемой космонавтики на ближайшие десятилетия.

4 июля ракету с пристыкованным кораблем вывезли из МИКа и установили на первую площадку («Гагаринский старт») космодрома Байконур. При скорости движения 3-4 км/ч процедура вывоза занимает около полутора. Служба безопасности пресекала попытки гостей, присутствовавших на вывозе, расплющить «на счастье» монетки под колесами тепловоза, тянущего платформу с уложенной на установщик ракетой-носителем.

6 июля Госкомиссия окончательно утвердила уже намеченный ранее основной экипаж 48-49-й экспедиции на МКС.

7 июля в 01:30 мск началась подготовка ракеты-носителя «Союз-ФГ» к пуску. В 02:15 мск космонавты, одетые в скафандры, заняли свои кресла в кабине «Союза МС-01».

В 03:59 объявлена 30-минутная готовность к пуску, начался перевод колонн обслуживания в горизонтальное положение. В 04:03 мск взведена система аварийного спасения. В 04:08 прошел доклад о выполнении предстартовых операций в полном объёме и эвакуации стартового расчета в безопасную зону.

За 15 минут до старта для поднятия духа «Иркутам» начали транслировать лёгкую музыку и песни на японском и английском языках.

В 04:36:40 ракета стартовала! Через 120 секунд сбросилась двигательная установка системы аварийного спасения и отошли боковые блоки первой ступени. На 295 секунде полёта отошла вторая ступень. На 530 секунде закончила работу третья ступень и «Союз МС» был выведен на орбиту. Новая модификация корабля-ветерана устремилась в космос. Экспедиция 48-49 на МКС началась.

⇡#Перспективы «Союза»

В этом году должны быть запущены ещё два корабля (23 сентября летит «Союз МС-02» и 6 ноября — «Союз МС-03») и два «грузовика», которые по системе управления во многом являются беспилотными аналогами пилотируемых аппаратов (17 июля — «Прогресс МС-03» и 23 октября — «Прогресс МС-04»). В следующем году ожидаются запуски трёх «Союзов МС» и трёх «Прогрессов МС». Примерно так же выглядят планы на 2018 год.

30 марта 2016 года, во время пресс-конференции руководителя Госкорпорации «Роскосмос» И. В. Комарова, посвящённой Федеральной космической программе на 2016—2025 годы (ФКП-2025), был показан слайд, демонстрирующий предложения по запуску к МКС в указанный период в общей сложности 16 Союзов МС и 27 «Прогрессов МС». С учётом уже опубликованных российских планов с конкретным указанием даты запусков до 2019 года табличка в общем согласуется с реалиями: в 2018-2019 годах NASA надеется начать полёты коммерческих пилотируемых кораблей, которые будут доставлять американских астронавтов на МКС, из-за чего отпадёт необходимость в столь значительном числе запусков «Союзов», как сейчас.

План запусков космических кораблей в рамках Федеральной космической программы на 2016—2025 годы, представленный руководителем Госкорпорации «Роскосмос» И. В. Комаровым. Иллюстрация с форума журнала «Новости космонавтики»

Корпорация «Энергия» по контракту с Объединённой ракетно-космической корпорацией (ОРКК) дооснастит пилотируемые корабли «Союз МС» индивидуальным снаряжением для отправки на МКС и возвращения на землю шести астронавтов по договору с NASA, срок окончания действия которого — декабрь 2019 года.

Запуски кораблей будут осуществляться ракетами-носителями «Союз-ФГ» и «Союз-2.1А» (с 2021 года). 23 июня агентство «РИА Новости» сообщило, что Госкорпорация «Роскосмос» объявила два открытых конкурса на изготовление и поставку трёх ракет «Союз-2.1А» для выведения грузовых кораблей «Прогресс МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2017 года, начальная цена контракта — более 3,3 млрд рублей) и двух «Союз-ФГ» для пилотируемых кораблей «Союз МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2018 года, максимальная цена на изготовление и поставку — более 1,6 млрд рублей).

Таким образом, начиная с только что проведённого запуска, «Союз МС» становится единственным российским средством доставки на МКС и возвращения космонавтов на Землю.

Варианты корабля для околоземных орбитальных полётов

Название	«Союз» 7К-ОК	«Союз» 7К-Т	«Союз» 7К-ТМ	«Союз Т»	«Союз ТМ»	«Союз ТМА»	«Союз ТМА-М»	«Союз МС»
Годы эксплуатации	1967-1971	1973-1981	1975	1976-1986	1986-2002	2003-2012	2010-2016	2016-…
Общие характеристики
Стартовая масса, кг	6560	6800	6680	6850	7250	7220	7150	-
Длина, м	7,48
Максимальный диаметр, м	2,72
Размах солнечных батарей, м	9,80	9,80	8,37	10,6	10,6	10,7	10,7	-
Бытовой отсек
Масса, кг	1100	1350	1224	1100	1450	1370	?	?
Длина, м	3,45	2,98	310	2,98	2,98	2,98	2,98	2,98
Диаметр, м	2,26
Свободный объём, м3	5,00
Спускаемый аппарат
Масса, кг	2810	2850	2802	3000	2850	2950	?	?
Длина, м	2,24
Диаметр, м	2,2
Свободный объём, м3	4,00	3,50	4,00	4,00	3,50	3,50	?	?
Приборно-агрегатный отсек
Масса, кг	2650	2700	2654	2750	2950	2900	?	?
Запас топлива, кг	500	500	500	700	880	880	?	?
Длина, м	2,26
Диаметр м	2,72

Если проследить всю пятидесятилетнюю эволюцию «Союзов», можно заметить, что все изменения, не связанные со сменой «рода деятельности», в основном касались бортовых систем корабля и сравнительно мало отражались на его внешности и внутренней компоновке. А ведь попытки «революций» предпринимались, и не раз, но неизменно натыкались на тот факт, что такие модификации конструкции (связанные, например, с увеличением размеров бытового отсека или спускаемого аппарата) вели к резкому нарастанию сопутствующих проблем: изменение масс, моментов инерции и центровки, а также аэродинамических характеристик отсеков корабля влекло за собой необходимость проведения комплекса дорогостоящих испытаний и ломки всего технологического процесса, в который с конца 1960-х годов было вовлечено несколько десятков (если не сотен) предприятий-смежников первого уровня кооперации (поставщиков приборов, систем, ракет-носителей), вызывая лавинообразный рост затрат времени и денег, которые могли и вовсе не окупиться полученными выгодами. И даже изменения, не влияющие на компоновку и внешний вид «Союза», вносились в конструкцию лишь при возникновении реальной проблемы, которую не мог решить имеющийся вариант корабля.

Конфигурация уводимой части головного блока с двигательной установкой системы аварийного спасения менялась в зависимости от модификаций «Союза». Графика А. Шлядинского

Союз МС станет вершиной эволюции и последней крупной модернизацией корабля-ветерана. В дальнейшем он будет подвергаться лишь незначительным доработкам, связанным со снятием с производства отдельных приборов, обновлением элементной базы и ракет-носителей. Например, планируется замена ряда электронных блоков в системе аварийного спасения, а также адаптация «Союза МС» под ракету-носитель «Союз-2.1А».

По мнению ряда экспертов, корабли типа «Союз» пригодны для выполнения ряда задач и за пределами околоземной орбиты. К примеру, несколько лет назад компания Space Adventures (выполняла маркетинг посещения МКС космическими туристами) совместно с РКК «Энергия» предлагала туристические полёты по траектории облёта Луны. Схема предусматривала два пуска ракет-носителей. Первым стартовал «Протон-М» с разгонным блоком, оснащённым дополнительным жилым модулем и стыковочным узлом. Вторым — «Союз-ФГ» с «лунной» модификацией корабля «Союз ТМА-М» с экипажем на борту. Обе сборки стыковались на околоземной орбите, а затем разгонный блок отправлял комплекс к цели. Запас топлива корабля был достаточен для выполнения коррекций траектории. По планам путешествие занимало в общей сложности около недели, давая туристам уже через двое-трое суток после старта возможность насладиться видами Луны с расстояния в пару сотен километров.

Разгонный блок с дополнительным жилым модулем и корабль «Союз ТМА-М» перед стартом к Луне. Графика Space Adventures

Доработка собственно корабля заключалась в первую очередь в усилении теплозащиты спускаемого корабля для обеспечения безопасного входа в атмосферу со второй космической скоростью, а также доработки систем жизнеобеспечения под недельный полет. Экипаж должен был состоять из трёх человек — профессионального космонавта и двух туристов. Стоимость «билета» оценивалась в $ 150 млн. Желающих пока не нашлось…

Между тем, как мы помним, «лунные корни» «Союза» говорят об отсутствии технических препятствий к осуществлению подобной экспедиции на доработанном корабле. Вопрос упирается лишь в деньги. Возможно, миссию можно упростить, отправляя «Союз» к Луне с помощью ракеты-носителя «Ангара-А5», стартующей, например, с космодрома Восточный.

Однако в настоящее время представляется маловероятным, что «лунные» «Союзы» когда-нибудь появятся: слишком мал платёжеспособный спрос на такие путешествия и слишком велики затраты на доработку корабля под крайне редкие миссии. Тем более что на смену «Союзам» должна прийти «Федерация» — пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП), который разрабатывается в РКК «Энергия». Новый корабль вмещает больший экипаж — четыре человека (а при аварийном спасении с орбитальной станции — и до шести) против трёх у «Союза». Ресурс систем и энергетические возможности позволяют ему (не в принципе, а в реалиях жизни) решать гораздо более сложные задачи, в том числе совершать полёты в окололунное пространство. Конструкция ПТК НП «заточена» под гибкое использование: корабль для полётов за пределы низкой околоземной орбиты, транспорт для снабжения космической станции, спасатель, туристический аппарат либо система для возврата грузов.

Сравнение масс, размеров и объёмов космических кораблей «Союз МС» (Россия), «Шэнь Чжоу» (Китай), CST-100 Starliner (США), Dragon-2 (США), Orion (США) и ПТК НП «Федерация» (Россия). Графика с сайта

Отметим, что последняя модернизация «Союзов МС» и «Прогрессов МС» позволяет уже сейчас использовать корабли в качестве «летающих испытательных стендов» для отработки решений и систем при создании «Федерации». Так оно и есть: проведённые доработки стоят в ряду мероприятий, направленных на создание ПТК НП. Лётная сертификация новых приборов и оборудования, установленных на «Союз ТМА-М», позволит принять соответствующие решения применительно к «Федерации».