Пілотований космічний політ

Ніл Армстронг став першою людиною, яка приземлилася та прогулялася Місяцем, у липні 1969 року.

Аполлон-11, Базз Олдрін на Місяці, 1969 рік

США вдалося розробити ракету «Saturn V», здатну доставити космічний корабель «Аполлон» на Місяць, і у грудні 1968 року доправити Френка Бормана, Джеймса Ловелла і Вільяма Андерса на орбіту навколо Місяця, де вони зробили 10 обертів на кораблі «Аполлон-8». У липні 1969 року, «Аполлон-11», досяг мети президента Кеннеді, висадивши Ніла Армстронга і Базза Олдріна, на Місяць 21 липня, і успішно повернувши їх 24 липня, разом із пілотом командного модулю, Майклом Коллінзом. Загалом, упродовж шести місій «Аполлон», до 1972 року, на Місяць висадилося 12 осіб, щоби пройтися по ньому (ці події ретельно приховувалися радянською владою десятки років).

СРСР таємно працював над програмами обльоту Місяця і висадки людини на супутник Землі. Радянські конструктори успішно розробили тримісний космічний корабель «Союз» для використання у Місячних програмах, але не змогли розробити ракету Н-1, необхідну для висадки людини, 1974 року здійснення Місячних програм було припинено.

З програшем перегонів за Місяць, радянські фахівці, зосередилися на розвитку космічних станцій, та використали Союз як пором для доправляння космонавтів на станції та повернення з них. Серія космічних станцій «Салют» запускалася з 1971 по 1986 роки. З 1973 по 1977 рік у СРСР було запущено три військові станції «Алмаз», замасковані під наукові станції «Салют».

1973 року, після програми «Аполлон», США запустили космічну станцію «Скайлеб», три екіпажі доставлялися космічними кораблями «Аполлон» і перебували на борту загалом 171 добу. Президент Річард Ніксон і генеральний секретар ЦК КПРС Леонід Брежнєв вели переговори щодо поліпшення стосунків, відомих як «розрядка напруженості» у холодній війні. У рамках цього вони домовилися про випробувальний проєкт «Аполлон-Союз», за яким 1975 року космічний корабель «Аполлон» зі спеціальним стикувальним модулем, зблизився і зістикувався зі кораблем «Союз-19». Американські і радянські екіпажі, обмінялися рукостисканням у космосі, але мета польоту була суто дипломатичною та символічною.

На базі «Салюту» було створено першу модульну напівпостійну космічну станцію «Мир», будівництво якої відбувалося з 1986 по 1996 рік. Станція оберталася на орбіті висотою 354 км з нахилом 51,6 °. Екіпажі на борту перебували загалом 4592 днів, 2001 року станція здійснила контрольований схід з орбіти.

Space Task Group (Група космічних завдань) США 1969 року запропонувала програму «Система космічного транспорту», засновану на багаторазовому космічному кораблі, який складався з крилатого орбітального апарату, що спалював рідкий водень, та потужної ракети-носія з гасом. Інші складові системи: постійна модульна космічна станція, багаторазовий космічний буксир та ядерний міжпланетний пором, що дозволило би доставити людей на Марс у проміжку з 1986 по 2000 роки, залежно від рівня виділеного фінансування. Конгрес США не підтримав фінансування такого значного проєкту, і виділив кошти лише на «Шаттл». Плани було скорочено, щоби зменшити ризик, вартість і час, пілотований розгінний апарат замінили двома повторно застосовуваними, твердопаливними прискорювачами, а менший орбітальний корабель мав би використовувати зовнішній паливний бак для живлення власних основних двигунів, що працюють на водні.

Дві країни (СРСР та США), продовжували змагатися, а не співпрацювати у космосі, США зосередилися на розробці космічного корабля і проєктуванні космічної станції, що отримала назву «Freedom».

«Спейс Шаттл» почав літати 1981 року, але Конгрес США не зміг затвердити достатні кошти, щоби перетворити Freedom на реальність. Було побудовано флот з чотирьох човників: «Колумбія», «Челленджер», «Діскавері» і «Атлантіс». П'ятий шаттл «Індевор» був виготовлений, замість «Челленджера», який було втрачено через аварію під час запуску 28 січня 1986 року, коли загинуло 7 астронавтів.

«Шаттли» з 1983 по 1998 рік здійснили двадцять два рейси з космічною лабораторією європейського космічного агентства «Спейслеб». Задля розміщення та налагодження космічного телескопа Габбла два Шаттли досягли висоти понад 600 кілометрів.

Ан-225 «Мрія» і «Буран». 38-й авіасалон в Ле-Бурже 1989 рік.

СРСР скопіював багаторазовий орбітальний корабель «Шаттл», який назвали «Буран». Його було спроєктовано для виведення на орбіту ракетою-носієм «Енергія», зі здатністю здійснювати роботизований орбітальний політ і посадку. На відміну від американського човника, у Бурана не було основних ракетних двигунів, хоча як і «Шаттл» він використовував власні орбітальні маневрові двигуни для корекції своєї остаточної орбіти. У листопаді 1988 року було успішно виконано єдиний безпілотний орбітальний випробувальний політ. Другий пробний політ був запланований 1993 року, але програму було скасовано через відсутність фінансування та розпад Радянського Союзу 1991 року. Ще два орбітальні апарати не було добудовано, а сам Буран був зруйнований через обвалення даху ангару у травні 2002 року.

Літак Мрія, який було виготовлено Серійним заводом «Антонов» у Києві для програми Буран, був відновлений українськими фахівцями, і станом на 2020 рік успішно виконує комерційні польоти з перевезення дуже великих вантажів.

Розпад Радянського Союзу 1991 року закінчив холодну війну та відкрив двері для справжньої співпраці між США, Україною та РФ. Радянські програми «Союз» і «Мир» було передано Федеральному космічному агентству Російської Федерації, на базі якого 28 грудня 2015 року було створено Державну корпорацію «Роскосмос».

За програмою «Шаттл-Мир» американські космічні човники відвідували космічну станцію «Мир», російські космонавти літали на «Шаттлі», американські астронавти прилітали на борту космічного корабля «Союз» для тривалого перебування на космічній станції «Мир».

Міжнародна космічна станція, зібрана на орбіті США і Російською федерацією

1993 року президент Білл Клінтон заручився підтримкою Російської федерації у перетворенні запланованої Космічної станції Freedom, на Міжнародну космічну станцію (МКС). Будівництво станції почалося 1998 року. Орбіта станції висотою 409 км має нахил 51,65 °.

Програму «Спейс Шаттл» було завершено 2011 року після 135 орбітальних польотів, деякі з котрих допомагали збирати, забезпечувати МКС і доправляти на неї екіпажі. Корабель Колумбія було втрачено через аварію під час спуску, 1 лютого 2003 року — загинуло 7 астронавтів.

22 квітня 2017 року приватний космічний корабель Cygnus, який було запущено 18 квітня з американської бази ВПС на мисі Канаверал, усьоме доправив на Міжнародну космічну станцію наукові прилади та їжу. Доправлення припасів забезпечила компанія Orbital ATK, з якою у НАСА є угода. Оскільки маса вантажу виявилася завеликою — понад 3,5 тонни, було використано ракету-носій Atlas V (раніше, наприклад у жовтні 2016 року, задля доправлення вантажів на МКС, використовували ракету Antares з першим ступенем українського виробництва). Ракету «спіймала» та встановила на модуль «Юніті» роботизована рука. Космічний корабель не призначений для повернення на Землю, тому після його розвантаження, в нього помістили сміття і відправили у контрольоване падіння, під час якого він згорів в атмосфері.

20 квітня 2017 року з космодрому Байконур на МКС вилетів та успішно пристикувався космічний корабель «Союз МС-04» з російським космонавтом — командиром, та американським астронавтом — бортінженером.

Останній успішний запуск на МКС американсько-української ракети Antares з близько 3,6 тоннами вантажу, відбувся 03 жовтня 2020 року о 05:44 за київським часом (о 21:16 за Вашингтоном).

Після запуску Радянським Союзом супутника № 1 1957 року голова Китайської народної республіки Мао Цзедун мав намір до 1959 року розмістити на орбіті китайський супутник, щоби цим відзначити 10-річчя з дня заснування КНР. Цього зробити не вдалося, і 14 липня 1967 року Мао та прем'єр-міністр Чжоу Еньлай вирішили, що КНР не слід залишатися позаду, та запустили власну програму космічних польотів — космічний корабель Шуґуан, копія американського Джеміні. З фінансових і політичних причин програму скасували 13 травня 1972 року.

Пізніше Китайська народна республіка розробила космічний корабель «Шеньчжоу», схожий на радянський «Союз», і стала третьою державою, що здійснила самостійно політ людини у космос, запустивши Ян Лівей у 21-годинний політ на борту «Шеньчжоу-5» 15 жовтня 2003 року.

29 вересня 2011 року Китай запустив космічну станцію «Тяньгун-1» (небесна світлиця) та дві місії космонавтів: «Шеньчжоу-9», 16-29 червня 2012 року, з першою жінкою-космонавтом Китаю, Лю Янь і «Шеньчжоу-10», 13-26 червня 2013 року. Орбітальну станцію, було виведено з експлуатації 21 березня 2016 року та залишено на 363-кілометровій орбіті, з нахилом 42,77 °. В ніч на 2 квітня 2018 року космічна станція Тяньгун-1 увійшла до атмосфери Землі та згоріла над Тихим океаном.

15 вересня 2016 року Китай вивів на орбіту Землі космічну лабораторію «Тяньгун-2».

20 квітня 2017 року КНР запустила перший безпілотний вантажний космічний корабель «Тяньчжоу-1» («Небесний корабель»). Орбітальна вантажівка мала стикуватися з пілотованою орбітальною станцією «Тяньгун-2» («Небесний палац»), де торік два китайські космонавти провели місяць — це був найдовший для китайської космонавтики пілотований політ[2]. На 2019 рік було заплановано запуск центрального модуля Китайської космічної станції.

1987 року Європейське космічне агентство почало розробку космічного корабля «Гермес», який мав запускатися одноразовою ракетою-носієм «Аріан-5». Проєкт було скасовано 1992 року після скорочення фінансування.

У 1980-х роках Японія почала розробку випробувального космічного літака HOPE-X, який мав бути запущеним одноразовою ракетою-носієм H-IIA. Але низка невдач 1998 року призвела до скорочення фінансування, а відтак, і скасування проєкту 2003 року.

Синє — на 2016 рік існували програми космічних польотів людини. Блакитне — затверджено та датовано плани програм з космічних польотів людини. Зелене — плани польоту людини до космосу за простою формою (суборбітальний космічний політ та інше). Коричневе — плани польоту людини за екстремальною формою (космічні станції тощо). Чорне — скасовані офіційні плани щодо космічних польотів людини.

Програма «Сузір'я» адміністрації Буша містила плани виходу з програми Шаттла, та заміни її іншими можливостями космічного польоту за межі низької навколоземної орбіти. Адміністрація Обами у федеральному бюджеті Сполучених Штатів Америки 2011 року скасувала «Сузір'я» за перевищення бюджету та відставання від графіку, що не дозволило впроваджувати інновації та вкладати кошти у найважливіші нові технології. Станом на 2016, НАСА розробляло космічний корабель «Оріон», який мав запускатися космічною ракетою-носієм. Згідно з планом Commercial Crew Development, НАСА покладатиметься на транспортні послуги, що надаються приватними компаніями для досягнення низької навколоземної орбіти, такими як: Falcon, Falcon 9 / Dragon V2, Dream Chaser від Sierra Nevada, або Boeing CST-100.

30 травня 2020 року о 22:22 за київським часом з космодрому на мисі Канаверал в штаті Флорида відбувся запуск на станцію МКС ракети Falcon 9 з частково багаторазовим пілотованим кораблем Crew Dragon. Отже стався перший в історії пілотований політ приватної компанії і перший американський пілотований політ з 2011 року, який перервав багаторічне монопольне становище Російської Федерації з доправлення екіпажів на міжнародну космічну станцію.

З початку 2000-х років було здійснено різні приватні космічні польоти. Деякі з компаній, зокрема Blue Origin, SpaceX, Virgin Galactic і Sierra Nevada, мають чіткі плани просування космічних польотів людини. На 2016 рік, усі ці чотири компанії мали програми розвитку комерційних польотів з пасажирами.

Комерційний суборбітальний космічний апарат, призначений для ринку космічного туризму, розробляється Virgin Galactic під назвою SpaceshipTwo і мав злетіти у космос приблизно 2018 року. Blue Origin почала багаторічну тестову програму власного нового транспортного засобу Shepard, і провела шість успішних безпілотних випробувальних польотів у 2015—2016 роках. Blue Origin планував запустити «випробувальних пасажирів» у другому кварталі 2017 року, та розпочати комерційні рейси 2018 року.

SpaceX і Boeing розробляють пасажирські орбітальні космічні капсули з 2015 року, та планували польоти астронавтів НАСА на Міжнародну космічну станцію до 2017/2018 років. SpaceX буде перевозити пасажирів на Dragon 2, запущених ракетою Falcon 9. Boeing буде робити це зі своїм CST-100, який запускатиметься ракетою Atlas V. Фінансування розвитку цих технологій забезпечувалося поєднанням державних і приватних фондів, SpaceX надавала більшу частину загального фінансування. У розкладі польотів до МКС перші випробувальні пілотовані польоти вищезазначених кораблів значилися на грудень 2018 року[3]. У той же період SpaceX, планує здійснити туристичний політ навколо Місяця SpaceX lunar tourism mission.

Безпосередні потреби у дихальному повітрі та питній воді вирішуюють системи життєзабезпечення космічного корабля.

31 грудня 2012 року дослідження, проведене за підтримки НАСА, показало, що космічний політ може завдати шкоди головному мозку космонавтів і прискорити початок хвороби Альцгеймера.

У жовтні 2015 року Управління Генерального інспектора НАСА оприлюднило звіт про шкоду для здоров'я, пов'язану з дослідженням космосу, в тому числі з польотом людини на Марс.

• система життєзабезпечення — 5...7
• освітлення — 1,4
• терморегулювання — 1,2
• системи орієнтації та корекції орбіти — 1...3,5
• обладнання та засоби зв'язку — 1…3
• засоби експлуатації, контролю та ремонту — 1
• засоби підтримання нормального тиску — 1…2
• обладнання для проведення дослідів — 2
• системи стикування та розстикування — 1…3
• загальний мінімальний рівень потужності — 15,6…26,1
• запас потужності (10 %) — 1,6…2,6
• загалом — 17,2…28,7

Вплив мікрогравітації на розподіл рідини по всьому тілу

Медичні дані космонавтів, які перебували на низьких навколоземних орбітах протягом тривалих періодів у 1970-х роках, показали кілька негативних наслідків середовища мікрогравітації: втрата щільності кісток, зниження м'язової сили та витривалості, постуральна нестабільність і зниження аеробної здатності. Згодом ці ефекти декондиціонування можуть погіршити діяльність космонавтів або збільшити ризик отримання ними травм.

У невагомому становищі, космонавти практично не навантажують сідничні м'язи, чи м'язи ніг, використовувані задля вставання, що призводить до їхнього ослаблення та зменшення. У космічних польотах тривалістю від п'яти до одинадцяти діб астронавти можуть втратити до 20 відсотків власної м'язової маси. Подальша втрата міцності може стати значною перешкодою у разі аварійної посадки. Після повернення на Землю з тривалих польотів астронавти значно ослаблені, і у США їм не дозволяють водити машину протягом двадцяти одного дня.

Астронавти у космосі, коли тіла намагаються звикнути до невагомості, часто втрачають орієнтацію, отримують морську хворобу та втрачають відчуття напрямку. Коли вони повертаються на Землю з тяжінням, їм доводиться пристосовуватися до гравітації, і у них можуть виникнути складнощі: у стоянні, зосередженні погляду, ходьбі та повертанні. Важливо відзначити, що ці порушення моторики, після зміни різних сил тяжіння, поглиблюються залежно від тривалості впливу невагомості. Ці зміни будуть впливати на оперативні дії, зокрема, з заходом на посадку та посадкою, стикуванням, дистанційним керуванням і під час надзвичайних пригод, які можуть статися впродовж посадки. Це може бути серйозною перешкодою для успіху місії.

Крім того, у тривалих польотах у космос космонавти-чоловіки можуть відчути негаразди із зором. Такі ускладнення з зором можуть стати серйозною вадою для майбутніх польотів до космосу, разом з відрядженням на планету Марс.

Порівняння доз радіації — зокрема кількість, очікувана під час польоту з Землі на Марс по RAD та MSL (2011—2013).

Без належного захисту екіпажі місій за межами навколоземної орбіти можуть опинитися під загрозою через протони високих енергій, які випускаються під час сонячних спалахів. Лоуренс Таунсенд з Університету Теннессі й інші, досліджували найпотужніший сонячний спалах, з усіх записаних. Цей спалах було помічено британським астрономом Річардом Керрінгтоном у вересні 1859 року. Променеві дози, які астронавти отримали б від спалаху на зразок Керрінгтона, можуть викликати гостру променеву хворобу і, можливо, навіть смерть.

Інший вид випромінення, галактичні космічні промені, створюють додаткові перешкоди для космічних польотів людини за межі низької навколоземної орбіти.

Існує також наукова стурбованість, що тривалий космічний політ може сповільнити здатність організму захищатися від хвороб. Деякі з негараздів — ослаблена імунна система і пробудження сплячих вірусів в організмі. Радіація може викликати як короткострокові, так і довгострокові наслідки для стовбурових клітин кісткового мозку, які утворюють кров та імунну систему. Оскільки обсяг космічного апарату дуже малий, ослаблена імунна система і більш дієві віруси в організмі можуть призвести до швидкого поширення інфекцій.

Під час тривалих місій астронавтів відокремлено й обмежено невеликими просторами. Депресія, самотність у кабіні й інші психологічні проблеми можуть вплинути на безпеку і успіх польоту.

Космонавти не можуть швидко повернутися на Землю, або отримати медичне приладдя, обладнання чи послуги лікарів у разі виникнення надзвичайної події. Космонавтам, можливо, доведеться довгий час покладатися на власні обмежені сили та медичні консультації з Землі.

Космічний політ вимагає набагато більш високих швидкостей, ніж має наземний або повітряний транспорт, до того ж це потребує використання високоенергетичного ракетного пального задля запуску та безпечного повернення крізь атмосферу Землі, що у свою чергу спричиняє розсіювання великої кількості енергії, зазвичай, у вигляді тепла.

Оскільки ракети мають високий рівень вогненебезпеки, або вибухонебезпечних руйнувань, космічні капсули зазвичай, використовують якусь систему швидкого залишення корабля, що складається, наприклад, з посадкових місць, обладнаних катапультою, для швидкого вилучення астронавтів з космічного апарату назовні й самостійної посадки з парашутом.

Один з нещасних випадків з екіпажем, стався під час запуску Спейс Шаттла Челленджер, 28 січня 1986 року, коли човник зруйнувався за 73 секунди після старту через пошкодження твердого ущільнення ракети-носія, та вибуху палива. Усі сім членів екіпажу загинули.

24 квітня 1967 року космонавт «Союзу-1» Володимир Комаров загинув, коли його посадкові парашути невдало розкрилися під час дострокового приземлення, через що спускний апарат розбився.

Екіпаж з семи осіб, що знаходилися на борту космічного корабля «Колумбія», загинув під час повернення, після завершення успішного польоту до космосу, 1 лютого 2003 року. Посилений передній край вуглецевого теплозахисного шару було пошкоджено шматком замерзлої зовнішньої ізоляції кисневого баку, яка вдарила крило під час запуску. Гарячі гази зруйнували будову крила, що призвело до руйнування орбітального транспортного засобу.

Є два основні способи створення штучної атмосфери: або подібна на земну суміш кисню з благородним газом, таким як азот чи гелій, або чистий кисень, який можна використовувати за тиску нижче звичного атмосферного. Азотно-киснева суміш використовується на Міжнародній космічній станції і космічному кораблі «Союз», а чистий кисень низького тиску зазвичай застосовується у скафандрах під час дій ззовні корабля.

Використання газової суміші несе ризик декомпресійної хвороби (яку часто називають «вигинами») під час переходу у навколишнє середовище з чистого кисню. Були також випадки травм і смертей, викликаних задухою за присутності занадто великої кількості азоту і недостатньої кількості кисню.

Атмосфера чистого кисню несе ризик пожежі. Це змусило НАСА використовувати суміш азоту і кисню перед запуском, а чистий кисень низького тиску — лише у космосі.

Березневу місію Джеміні, 8 березня 1966 року, було перервано на орбіті, коли система керування орієнтацією застрягла у положенні «увімкнено» і спричинила небезпечне обертання корабля, яке загрожувало життю Нейла Армстронга і Девіда Скотта. Армстронг змушений був вимкнути систему керування та використовувати систему повторного контролю, щоби зупинити обертання. Апарат здійснив аварійний спуск, і космонавти успішно приземлилися. Найбільш ймовірною причиною було визначено утворення електричного з'єднання через розряд статичної електрики, яке примушувало двигун працювати навіть за режиму «вимкнено». Систему керування пізніше було змінено, щоби кожен двигун запускався в окремому замкненому електричному колі.

Третя місячна посадкова експедиція Аполлон-13 у квітні 1970 року була припинена через вихід з ладу кріогенного балона з рідким киснем на шляху до Місяця і життя екіпажу, Джеймса Ловелла, Джека Свіглера і Фреда Хайзе, опинилося під загрозою. Резервуар вибухнув, щойно до внутрішніх перемішувальних вентиляторів у ньому було подано електричну напругу, що призвело до негайної втрати всього вмісту баку, а також до пошкодження другого вмістища та втрати залишків кисню упродовж наступних 130 хвилин. Це, зрештою, викликало вимкнення електроенергії, яка подається паливними елементами на командний космічний модуль. Екіпажу вдалося безпечно повернутися на Землю за допомогою місячного модуля, як «рятувального судна». Було встановлено, що відмову баків викликали дві помилки. Дренажний фітинг резервуара було пошкоджено під час заводських випробувань. Це спричинило використання його внутрішніх нагрівачів, для википання кисню після випробування перед запуском, що призвело до пошкодження електричної ізоляції проводки вентилятора, бо термостати на нагрівачах не відповідали потрібному рівню напруги, через непорозуміння з постачальником.