«Тяньхэ» + «Вэньтянь» + «Мэнтянь»

31 октября 2022 г. в 15:37:23.191 пекинского времени (07:37:23.131 UTC) с пусковой установки №101 был выполнен пуск РН «Чанчжэн-5B» (CZ-5B №Y4) с исследовательским модулем «Мэнтянь» Китайской космической станции «Тяньгун». Старт и выведение прошли успешно, и на 492-й секунде полета изделие было выведено на близкую к расчетной орбиту с параметрами:

* наклонение – 41.5°;

* минимальная высота – 170 км;

* максимальная высота – 339 км.

Это был 25-й пуск в истории пилотируемой программы Китая и 446-й для ракет-носителей семейства «Великий поход» («Чанчжэн»).

 

Станция

Официально модуль «Вэньтянь», запущенный 24 июля 2022 г. ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/84398.html ), считается Исследовательским модулем №1 Китайской космической станции, а модуль «Мэнтянь» – Исследовательским модулем №2. Оба они будут пристыкованы к Базовому блоку «Тяньхэ», образовав станцию «Тяньгун» первого этапа.

Фактически станция «Тяньгун» спроектирована и строится на основе опыта создания и эксплуатации советского орбитального комплекса «Мир» (1986–2001) и с использованием некоторых технических решений, отработанных позднее на Международной космической станции. Базовый блок, запущенный 29 апреля 2021 г. ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/79873.html ), очень похож на аналогичный компонент станции «Мир» как внешне, так и функционально. Два первых китайских модуля идеологически, то есть по выполняемым функциям, соответствуют двум советским, а именно – модулю дооснащения ЦМ-Д «Квант-2» и стыковочно-технологическому модулю ЦМ-Т «Кристалл», но отличаются от них компоновочно и по приборному составу.

Как и прототипы, два китайских исследовательских модуля являются «самоходными», то есть самостоятельно осуществляют сближение и стыковку с Базовым блоком, а затем переставляются на штатные места. Для «Вэньтяня» таковым является правый боковой узел (по IV плоскости Базового блока), а для «Мэнтяня» – левый (по II плоскости).

Их советские аналоги изначально стояли иначе: «Квант-2» – на верхнем узле Базового блока, а «Кристалл» – на нижнем. Повторить такое размещение на китайской станции невозможно, так как верхнего узла на стыковочном отсеке Базового блока «Тяньхэ» просто нет, его место занимает люк для выхода в открытый космос, а нижний узел предназначен только для стыковки транспортных кораблей «Шэньчжоу». Китайские проектанты иначе видели второй этап развития станции – и теперь планируется пристыковать по оси к существующему Базовому блоку «Тяньхэ» его изготовленный, но не запущенный дублер, и уже к его боковым узлам подстыковать два дополнительных научно-исследовательских модуля.

Если все пойдет по плану, то трехмодульная Китайская космическая станция (中国空间站, чжунго кунцзянь чжань) первого этапа массой около 66 т будет собрана к концу 2022 г. В 2023 или 2024 г. ее должен дополнить автономный астрономический модуль «Сюньтянь» — большой космический телескоп, способный стыковаться к станции для обслуживания и дооснащения.

Модуль

Второй экспериментальный модуль «Мэнтянь» (梦天实验舱, мэнтянь шиянь цан, Mengtian; его название переводится как «Небо мечты») является основной научной лабораторией китайской станции для фундаментальных исследований в условиях микрогравитации и прикладных экспериментов в области материаловедения. Модуль оснащен двумя солнечными батареями и большой шлюзовой камерой для выноса в открытый космос крупногабаритной аппаратуры.

Основные данные второго модуля в сопоставлении с Базовым блоком и первым модулем приведены в таблице.

 

Базовый блок и исследовательские модули станции «Тяньгун»

Параметр	Тяньхэ	Вэньтянь	Мэнтянь
Длина, м	16.6	17.9	17.9
Максимальный диаметр, м	4.2	4.2	4.2
Обитаемый объем, м3	50	39	32
Площадь СБ, м2	2×67	2×138	2×138
Мощность, Вт	9000	7300	6750
Масса сухая, кг	21100	21500
Заправка, кг	1400	1550	1737

 

Экспериментальный модуль «Мэнтянь» имеет 17.88 м в длину при максимальном диаметре 4.2 м, его внутренний герметичный объем составляет 110 м³, в том числе 32 м³ свободного (жилого) объема. Две солнечные батареи имеют 55.7 м в размахе, площадь каждой составляет 138 м², в том числе 110 м² рабочей поверхности, а вырабатываемая мощность – 6750 Вт (вероятно, в среднем, так как для максимальной мощности называется величина 18 кВт).

Конструкция модуля со служебными системами имеет массу около 17000 кг, а полная стартовая масса с установленной научной аппаратурой и с заправкой топливом близка к 23000 кг.

«Мэнтянь» имеет в своем составе рабочий отсек (工作舱, гунцзо цан), грузовой отсек (载荷舱, цзайхэ цан), грузовую шлюзовую камеру (货物气闸舱, хоу цичжа цан) и ресурсный отсек (资源舱, цзыюань цан). Модуль стыкуется к станции с помощью устройства андрогинно-периферийного типа, расположенного в носовой части рабочего отсека. Как и на «Мире», за перестыковку модуля с носового на боковой узел Базового блока отвечает специальный манипулятор.

Герметичный рабочий отсек длиной около 10 м имеет в своем составе рабочую зону экипажа, секцию со стойками научной аппаратуры и секцию служебных систем. В рабочей зоне экипажа находится, в частности, тренажер для физических упражнений с нагрузкой – так называемый гребной тренажер. 

По четырем плоскостям модуля (I снизу, II слева, III сверху, IV справа) имеется 16 мест для стандартных стоек научной и обеспечивающей аппаратуры, каждая из которых имеет 1.8 м в высоту, 1.0 м в ширину и 0.8 м в глубину; 13 мест отведено под «науку».

«Мэнтянь» запущен с 11 стойками научной аппаратуры, в число которых вошли:

* Стойка для экспериментов в области физики жидкости;

* Стойка для экспериментов с двухфазными системами;

* Стойка для исследований процесса горения;

* Стойка для высокотемпературных экспериментов в области материаловедения;

* Стойка для экспериментов с ультрахолодными атомами;

* Стойки для высокоточных систем времени и частоты №1 и №2;

* Ремонтно-профилактическая платформа;

* Три пустых стойки с местами для контрактных экспериментов.

Для сравнения: на «Тяньхэ» было запущено две оборудованные и готовые к работе научные стойки, на «Вэнтяне» – четыре, на «Мэнтяне» – восемь. Основной специализацией первого модуля являются медико-биологические исследования, а второго – технологические и физические.

Четыре первых лаборатории модуля явно сделаны «по мотивам» соответствующих стоек на американском сегменте МКС, однако изюминкой стойки для высокотемпературных исследований является возможности рентгеноскопии образцов для отслеживания изменения их структуры.

Эксперименты по созданию ультрахолодного квантового газа были начаты в 2016 г. на космической лаборатории «Тяньгун-2» и будут теперь продолжены на «Мэнтяне».

Комплекс аппаратуры для исследований в области высокоточных систем времени и частоты наиболее объемен и включает две стойки в гермообъеме «Мэнтяня» и четыре внешние полезные нагрузки. Программа включают эксперименты с наиболее точными атомными «часами» в мире – водородными, рубидиевыми и оптическими. Как сообщил главный конструктор этой аппаратуры, директор Национального центра службы времени Китайской АН Чжан Шоуган (张首刚), с их помощью будет измеряться гравитационное красное смещение и проверяться постоянство скорости света. Предусмотрено и прикладное использование в виде синхронизации отсчета времени на ведущих научных установках мира, таких как системы радиотелескопов и ускорители частиц.

Ремонтно-профилактическая платформа имеет в своем составе высокоточный манипулятор и «умные» очки дополненной реальности, которые помогут экипажу в обслуживании и ремонте бортовой аппаратуры. Манипулятор, кстати, тоже впервые был опробован на «Тяньгуне-2».

Внутри отсека перед запуском были закреплены несколько укладок с грузами для станции.

Внешняя поверхность рабочего отсека прикрыта стационарными панелями микрометеоритной защиты. На зенитной стороне имеется такелажный узел для основного манипулятора станции. На модуле установлены два светодиодных светильника для обеспечения сближения и стыковки и четыре ориентируемые камеры высокого разрешения.

Визуально «Мэнтянь» выглядит больше первого модуля, но его гермообъем меньше – значительную долю общей длины составляет грузовой отсек диаметром 4 м. Он предназначен для выноса на внешнюю поверхность станции и возвращения обратно крупногабаритной научной аппаратуры.

Сам отсек является по существу негерметичной силовой конструкцией. Внутри его по оси располагается грузовая шлюзовая камера длиной 2.3 м, диаметром 2.2 м и объемом 8 м³ с устройством фиксации и выдвижения грузов. Камера имеет герметичный люк квадратного сечения со стороной 1.20 м со стороны рабочего отсека модуля и второй люк такого же размера с прислонно-сдвижной крышкой в зенитной части. Напротив него в корпусе грузового отсека имеется большая откидная крышка.

Устройство фиксации и выдвижения может поворачиваться на поперечной оси в сторону любого из люков и позволяет перемещать объекты размером до 1.15×1.20×0.90 м и массой до 400 кг. Последовательность операций в направлении «наружу» выглядит так: устройство загружается со стороны основного гермообъема и убирается в камеру, люк герметизируется, воздух стравливается, устройство разворачивается в направлении «вверх», открывается внешняя крышка отсека и зенитная крышка камеры, груз поднимается до границы цилиндрической части модуля, где его принимает малый манипулятор станции. При необходимости операции могут быть проделаны в обратном порядке.

Этот же механизм может использоваться для выноса пускового устройства микроспутников массой до 100 кг или пусковых контейнеров наноспутников класса «кубсат». В этом случае космонавт монтирует соответствующие объекты на устройство фиксации и выдвижения, а манипулятор принимает пусковое устройство на обрезе внешнего люка и выносит в заданную точку, где и выполняется отделение спутников.

Сами китайцы сравнивают комбинацию из грузового отсека и шлюзовой камеры с матрешкой и явно гордятся ею, но вообще-то нечто подобное по конструктивному решению (но не по назначению) было еще у американцев на «Скайлэбе».

На внешней поверхности модуля имеется 37 посадочных мест для размещения научной аппаратуры с соответствующими механическими, электрическими и информационными интерфейсами. Восемь из них устроены в нише на надирной стороне грузового отсека, а еще восемь – на ее откидной крышке.

Ресурсный (агрегатный) отсек состоит из конической части с двигательной установкой модуля и кубоида с приводами солнечных батарей. На конической части есть два узла фиксации малого «умного» манипулятора, доставленного с модулем «Вэньтянь».

В конической части в четырех сферических баках емкостью по 400 л находятся 1737 кг компонентов топлива (НДМГ и четырехокись азота) для ориентации и коррекций орбиты модуля по пути к космической станции. Для наддува баков используется газ в четырех композитных баллонах емкостью по 40 л.

Четыре двигателя направленного перемещения тягой по 490 Н смонтированы на кронштейнах и смотрят «вверх» в стартовом положении модуля и «назад» в стыковочном. Еще 32 двигателя ориентации, объединенные в 20 блоков, размещены в различных точках на внешней поверхности модуля; 8 из них имеют тягу 120 Н, а 24 – по 150 Н.

Солнечные батареи «Мэнтяня» аналогичны по конструкции батареям первого модуля. Они располагаются на концах поперечной оси станции и имеют приводы для вращения в двух направлениях: вокруг этой оси по углу α для отслеживания Солнца в течение витка вокруг Земли и по углу β для подстройки к его текущему боковому положению, которое постоянно, но медленно изменяется вследствие обращения Земли вокруг Солнца и прецессии плоскости орбиты. Поворот по углу α обеспечивается вращением вокруг оси модуля всей его конечной кубической части, а по углу β – самих штанг с солнечными батареями. Передача зарядного тока в энергосистему станции идет через кольцевые скользящие контакты.

«Кубоид» с механизмами ориентации на Солнце имеет массу около 1000 кг. Каждое из двух «крыльев» солнечной батареи массой примерно 600 кг состоит из штанги, развертываемой ферменной конструкции и двух контейнеров, в которых «полотно» батареи сложено на время старта. В транспортном положении штанги с солнечными батареями сложены вдоль корпуса. На орбите штанги разворачиваются перпендикулярно к продольной оси модуля, а контейнеры – перпендикулярно штангам. Устройство развертывания на конце каждой штанги начинает собирать и выдвигать опорную ферму, которая тянет за собой верхние части двух панелей солнечной батареи. Первый этап выдвижения на длину 6.5 м выполняется после запуска, а второй, на полную длину 23 м, после стыковки с орбитальным комплексом. Крыло вместе со штангой имеет в длину 27.1 м.

На зенитной стороне конической части ресурсного отсека смонтирована ориентируемая антенна для связи через спутник-ретранслятор. Антенну, коммуникационный терминал и прикладное программное обеспечение разработали в Сианьском филиале CAST. Помимо этого высокоскоростного канала, модуль имеет стандартную систему командно-телеметрического радиообмена с наземными станциями и резервную систему передачи информации через короткие сообщения китайской спутниковой навигационно-связной системы «Бэйдоу».

За создание модуля «Вэньтянь» в целом отвечала Шанхайская исследовательская академия космической техники SAST («8-я академия»), менеджером проекта был Лю Хуэйин (刘慧颖). Системы электропитания, навигации и управления разработали в Пекинской исследовательской академии космической техники CAST («5-я академия»). Двигательная установка модуля была создана в 801-м институте 6-й академии. 

Расчетный срок службы модуля составляет 10 лет и может быть продлен после анализа его фактического состояния.

 

Старт

Последней заводской операцией с модулем «Мэнтянь» стали термовакуумные испытания, проведенные в июле 2022 г. в Тяньцзине. После этого модуль, разделенный на отсеки, был погружен на корабль для доставки на космодром морским путем. 9 августа Канцелярия программы пилотируемой космонавтики Китая объявила, что модуль был доставлен в порт Цинлань и оттуда перевезен в МИК космических объектов на космодроме Вэньчан.

12 августа прошла выходной контроль на заводе-изготовителе ракета CZ-5B №Y4; по такому случаю была опубликована эмблема запуска. 16 августа за нею в Тяньцзинь вышел специализированный корабль «Юаньван-21», а за ним и «Юаньван-22». 31 августа грузовые суда прибыли на Хайнань, а 3 сентября вышло официальное сообщение о доставке ракеты для пуска в октябре.

Тяжелый носитель CZ-5B – полутораступенчатая версия базовой ракеты CZ-5 – был заказан Канцелярией программы пилотируемой космонавтики Китая специально для запуска тяжелых модулей космической станции. Проект носителя с грузоподъемностью до 25 тонн на низкую околоземную орбиту был принят к реализации в ноябре 2011 г., а семь лет спустя началось изготовление первого летного изделия. Ракета с номером Y1 была закончена изготовлением в январе и запущена 5 мая 2020 г. с космическим кораблем нового поколения в беспилотном варианте. Изделие Y2 было использовано для запуска Базового блока «Тяньхэ», а Y3 стартовала с модулем «Вэньтянь».

Центральный блок ракеты диаметром 5.0 м оснащен двумя кислородно-водородными двигателями YF-77 тягой по 518 кН на уровне моря и 700 кН в вакууме. Четыре стартовых ускорителя выполнены в диаметре 3.35 м и несут по два кислородно-керосиновых двигателя YF-100 тягой по 1200 кН. Для установки полезного груза на центральный блок служит интерфейс диаметром более 4 м.

Головной обтекатель диаметром 5.2 м и высотой 20.5 м состоит из двух створок и имеет внутренний объем 345 м³. В этот объем «впритирку» вписываются исследовательские модули со сложенными вдоль корпуса контейнерами солнечных батарей. Обтекатель изготовлен по индивидуальному проекту с люками для обслуживания систем модуля «Мэнтянь» и с радиопрозрачными «окнами» для радиообмена с бортом на этапе выведения.

Испытания модуля «Мэнтянь» на полигоне продолжались около двух месяцев. 10 октября Канцелярия программы пилотируемой космонавтики сообщила, что накануне завершилась заправка двигательной установки модуля, после чего он был доставлен в здание вертикальной сборки носителя для стыковки с ракетой.

Утром 25 октября носитель вывезли на стартовый комплекс №101 и объявили, что пуск состоится «в ближайшие дни». 29 октября состоялась генеральная репетиция пуска с участием центров управления в Пекине и Сиане. 31 октября Канцелярия объявила, что старт состоится в этот день в 15:37 по пекинскому времени.

Дата запуска, впрочем, была известна с 30 сентября, когда орган управления воздушным движением Филиппин объявил две запретные для авиации зоны под падение боковых блоков и створок головного обтекателя. 24 октября ее фактически подтвердила китайская сторона, закрыв 10-километровую зону вокруг стартового комплекса.

Руководителем пуска с позывным «01-й» был Ляо Гожуй (廖国瑞). Внутреннее обозначение старта было «TG/MT». Стартовое окно имело продолжительность 2.5 минуты и определялось требованиями попадания в заданную плоскость орбиты и в пределах допустимого диапазона фазовых углов, позволяющих осуществить сближение и стыковку по быстрой схеме.

Кнопка «Пуск» была нажата 31 октября в расчетное время – 15:37:13. Через десять секунд, за которые автоматика запустила, проверила и вывела на режим двигатели четырех ускорителей и центрального блока, прошел контакт подъема.

Контроль выведения на орбиту помимо наземных станций по трассе полета обеспечивали корабль «Юаньван-6» и спутники-ретрансляторы системы «Тяньлянь».

Скорость при выходе на орбиту составила 7890 м/с. Через несколько минут после этого прошла расчековка, а до конца первого часа полета – частичное развертывание солнечных батарей объекта, после чего запуск был признан полностью успешным.

В американский космический каталог модуль «Мэнтянь» был внесен под номером 54216 и международным обозначением 2022-143A. Американцы намерили ему начальную орбиту наклонением 41.46° и высотой 178×320 км. Центральный блок носителя сухой массой 17 т также вышел на орбиту и получил номер 54217.

Орбита станции после прибытия первого модуля многократно корректировалась. Только в октябре было выполнено четыре подъема орбиты станции, каждый раз до высоты 384 км. По состоянию на утро 31 октября «Тяньгун» обращался по орбите наклонением 41.47° и высотой 380.2×387.0 км (в американской системе расчетов).

Начальный фазовый угол между станцией и модулем составлял 34°. Двигаясь по более низкой орбите, «Мэнтянь» наверстывал отставание, параллельно поднимаясь до высоты 383.6 км. На сей раз сближение проводилось по полуавтономной схеме.

С приближением «гостя» орбитальный комплекс выполнил разворот на 180°, кораблем «Тяньчжоу-4» вперед, чтобы «Мэнтяна» мог подойти сзади. Ограничения на мощность электропитания от солнечных батарей модуля из-за неблагоприятного угла Солнца и особенности конфигурации станции усложнили стыковку по сравнению с июльской. Центр тяжести комплекса был смещен относительно продольной оси из-за несимметричной L-образной формы «Тяньгуна» с одним модулем сбоку, так что динамические характеристики были нестандартными. И если бы в ходе сближения возникла задержка, стыковку пришлось бы отложить дополнительно на время наведения солнечных батарей на светило и подзарядки аккумуляторов.

Однако этого не понадобилось. 1 ноября в 03:27 по пекинскому времени, через 13 часов после старта, «Мэнтянь» благополучно пристыковаться к носовому узлу модуля «Тяньхэ». Перестыковка на левый боковой узел запланирована на 3 ноября. 

Модуль должен принять и освоить экипаж 3-й основной экспедиции.Командир Чэнь Дун, Лю Ян и Сюй Цайчжэ прибыли на станцию на корабле «Шэньчжоу-14» 6 июня 2022 г. ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/83837.html ) и живут на ней уже почти пять месяцев. Именно они обеспечили ввод в строй модуля «Вэньтянь», который состыковался с «Тяньхэ» в ночь на 25 июля и был перестыкован на правый боковой узел 30 сентября 2022 г.

Запуск к станции грузового корабля «Тяньчжоу-5» назначен на 12 ноября.

Автор: Liss