Старт модуля «Наука» к МКС — без шуток эпохальное событие, мы ждем его больше 10 лет. Если все пройдет по плану, в составе российского сегмента появится третий большой модуль, новые места для жизни и работы космонавтов, дополнительная энергия. Однако старт — это только начало. Сам полет будет длиться восемь суток, а потом предстоит еще многое сделать, чтобы модуль смог начать полноценно работать. Рассказываем, как именно «Наука» будет лететь к МКС, как ее будут встречать, и чем пожертвует станция, чтобы принять в свой состав новый модуль.

«Наука», она же МЛМ-У, отправится к Международной космической станции с космодрома Байконур завтра вечером, 21 июля. Старт запланирован на 17:58:21 по московскому времени.

Сам модуль уже упаковали под обтекатель ракеты «Протон-М». Его масса — 20 302 килограмма, это близко к пределу возможностей ракеты, которая может выводить до 22,4 тонны на орбиту высотой 200 километров.

На внешней поверхности модуля установлен европейский манипулятор ERA. Внутри — баки с водой, элементы систем терморегуляции, поручни для выходов в открытый космос, кабели. Модуль отчасти играет роль грузового корабля — ту, для которой создавались предки МЛМа, корабли ТКС (о родословной «Науки» мы рассказывали в материале «Роковая стружка»).
   
«Наука» станет третьим — и предпоследним российским добавлением к МКС.

Два других больших модуля: «Заря» и «Звезда» улетели на орбиту еще в 1998 и 2000 году, для их доставки потребовались два пуска ракет «Протон». Два модуля поменьше, стыковочный «Пирс» и малый исследовательский модуль (МИМ) «Поиск» были запущены в 2001 и в 2009-м, их привезли модифицированные грузовые корабли «Прогресс». Наконец, пятый российский модуль, «Рассвет», добрался к МКС в грузовом отсеке шаттла «Атлантис» 11 лет назад.

В первоначальных планах МКС никакой «Науки» не предусматривалось. Предполагалось, что Россия установит два больших исследовательских модуля и научно-энергетическую платформу с большими солнечными батареями. Потом место двух научно-исследовательских модулей в планах занял один-единственный — собственно, «Наука», а место научно-энергетической платформы — два научно-энергетических модуля, НЭМ. Однако НЭМы к МКС, скорее всего, уже не полетят — недостроенный модуль теперь планируется сделать базовым элементом национальной российской станции (о ней подробнее в материале «Прекрасная РОСС будущего»).

Отчасти «Наука» уже давно на МКС: еще 11 лет назад на станцию доставили несколько ее элементов, в том числе шлюзовую камеру и радиатор системы охлаждения. В мае 2010 года их привез шаттл «Атлантис» вместе с «Рассветом». Сейчас и шлюз, и радиатор, а также запасной локоть манипулятора ERA и переносное рабочее место для работы снаружи станции ждут своего часа на внешней поверхности станции.

После «Науки» к станции отправится уже последний российский элемент — узловой модуль УМ, который полетит к МКС на «голове» модифицированного «Прогресса-М-УМ». Но сначала в октябре к надирному стыковочному узлу с МИМ-2 перестыкуется грузовой корабль «Прогресс МС-17». На пассивный гибридный стыковочный узел «Науки» установлен временный адаптер, позволяющий причаливать к модулю пилотируемым кораблям «Союз» и грузовым «Прогрессам» (диаметр шпангоута кораблей меньше чем у УМ). Перед прилетом узлового модуля «Причал» «Прогресс МС-17» отстыкуется вместе с адаптером.

МЛМ и УМ могут стать последними элементами МКС вообще — если не сбудутся планы компании Axiom Space добавить к станции четыре частных модуля, два из которых уже заказаны в Европе.

Как устроен полет

Путешествие «Науки» к станции будет долгим: оно начнется вечером в среду, 21 июля и продлится почти восемь суток. За это время произойдет множество событий, не о всех них у нас есть точная информация, поэтому в некоторых случаях мы будем использовать данные о полете близнеца МЛМа — модуля «Заря».

Запуск и вывод на орбиту: Трехступенчатая ракета «Протон-М» с модулем МЛМ под обтекателем стартует в 17:58:21 по московскому времени с 39-й пусковой установки 200-й площадки космодрома «Байконур». Отсюда же в свое время взлетели базовый блок станции «Мир» и три других ее модуля, советские «Венеры» и «Веги», зонды «Марс-96» и «ЭкзоМарс».
   
Первая ступень проработает примерно 120 секунд и отделится от носителя на высоте около 43-44 километров, после чего запустится вторая ступень. Ракета в этот момент наберет скорость 1,5 километра в секунду. Где-то на 180-й секунде полета на высоте 78 километров отделятся створки головного обтекателя.

Вторая ступень закончит работать на 330 секунде полета. Ракета в этот момент будет на высоте 138 километров, а скорость ее достигнет 4,4 километра в секунду.

Третья ступень проработает до 580-й секунды и выключится на высоте примерно 190 километров. Скорость ракеты достигнет 7,5 километра в секунду. На этом миссия «Протона» закончится, МЛМ отделится от него и отправится в самостоятельный полет. Примерно на 700-800 секунде полета, это было в случае с «Зарей», должны раскрыться солнечные батареи, включиться система управления и ориентации.

В этот момент модуль должен оказаться на эллиптической орбите с перигеем 190 километров, апогеем 350,1 километра и наклонением 51,6 градуса. После этого ему предстоит самостоятельно добраться до МКС, которая находится круговой орбите высотой 400 километров.

Путешествие на МКС: Дальше «Наука» полетит уже на своих маршевых двигателях — у модуля их два, они работают на топливной паре несимметричный диметилгидразин—тетраоксид азота.

Главная сложность на этом этапе полета состоит в том, что модулю нужно не только добраться до нужной орбиты, но еще и попасть в ту точку, где находится МКС.

Правила маневрирования на околоземной орбите крайне контринтуитивны: например, если вы попробуете догнать другой космический аппарат, который находится на той же орбите, привычным для земли методом — «выжав газ», то есть включив двигатель, то вы добьетесь прямо противоположного результата. После включения двигателя вы, во-первых, перейдете на более высокую орбиту — чем выше скорость аппарата, тем выше апогей орбиты. Во-вторых, вы начнете отставать от вашей цели, поскольку, чем выше орбита, тем длиннее период обращения.

Если же «тормозить», то ваша орбита, наоборот, снизится, но двигаться при этом вы будете быстрее, чем ваша цель, оставшаяся на более высокой орбите — поскольку на более низкой орбите период обращения короче. Когда корабли отходят от МКС и выдают тормозной импульс, они уходят ниже и при этом опережают станцию.

Задача свести в одной точке два объекта — МЛМ и МКС — крайне непроста, полет продлится больше недели. Причем это еще довольно быстро: «Звезда» в 2000 году летела к МКС две недели.

Для того, чтобы два корабля встретились на орбите, должны совпадать три параметра: их плоскость орбиты (одинаковый угол относительно экватора), высота и угол географической долготы. Как только это случится, их относительная скорость станет близка к нулю.

После выведения на орбиту высота апогея МЛМ будет 350,1 километра, перигея 190 километров, а наклонение к плоскости экватора 51,6 градуса — как у МКС. ЦУПу нужно будет не только поднять высоту орбиты модуля примерно до 420 километров, где находится станция, и сблизить «Науку» с МКС при помощи маневров.

МЛМ будет включать свои маршевые двигатели четыре раза. Первое включение поднимет апогей и сделает орбиту модуля эллиптической. Второе поднимет уже перигей, и снова сделает орбиту круговой. Это выведет «Науку» на временную фазирующую орбиту. На этой орбите модуль должен дождаться момента, когда фазовый угол — угол между модулем и МКС — достигнет нужного значения. После этого  двигатели включат еще дважды, чтобы вывести «Науку» точно к станции и перейти к стыковке.
   
Восемь суток на фазирование не только сэкономят топливо, но и позволят проверить бортовые системы МЛМ в автономном полете, чтобы гарантировать безопасность МКС и дать разрешение на отстыковку от станции «Прогресса» с «Пирсом» (о том, зачем это нужно, расскажем ниже).
Стыковка в автоматическом режиме запланирована на 29 июля 2021 года в 16:26 по московскому времени. Российские космонавты (Олег Новицкий и Пётр Дубров) будут контролировать этот процесс из служебного модуля «Звезда», чтобы в случае нештатной ситуации взять управление стыковкой на себя в телеоператорном режиме управления (ТОРУ).

Тем временем на МКС

Сейчас «Науке» некуда пристыковаться: предназначенный для него надирный стыковочный узел «Звезды» занят модулем «Пирс».

«Пирс» освободит это место через два дня после старта «Науки» с Земли. Его отстыкуют при помощи грузового корабля «Прогресс МС-16». Но прежде чем это произойдет, МЛМ должен успешно стартовать и пройти проверки в автономном полете. Только убедившись, что с модулем все в порядке, ЦУП даст команду на отсоединение «Пирса» (в противном случае, если МЛМ не пристыкуется, российский сегмент лишится стыковочного узла для транспортных кораблей). Примерно через четыре часа корабль и модуль (уже получившие прозвища «Герасим» и «Муму») сойдут с орбиты и рухнут в Тихий океан.

Так «Пирс» станет первым модулем МКС, вышедшим из состава станции.
   
В рамках подготовки к замене «Пирса» на «Науку» космонавтам пришлось переделать массу дел: два раза выйти в открытый космос, чтобы переключить кабели с «Пирса» на МИМ-1, вынести с модуля оборудование, перенастроить систему управления стыковкой, и отключить кабели и трубопроводы внутри станции. Также важно было убедиться, что копия «Пирса», модуль «Поиск», позволит выходить космонавтам в открытый космос без замечаний, чтобы работа на станции продолжалась в штатном режиме.
После отстыковки «Пирса» космонавтам предстоит убедиться, что стыковочный узел к прилету «Науки» готов, и, возможно, срочно выйти в открытый космос, если потребуется, например, его почистить.

Прибытие и обустройство

После стыковки новый модуль нужно будет подключить ко всем системам станции, разобрать и установить оборудование. Предполагается, что космонавтам потребуется примерно восемь раз выйти в открытый космос для того, чтобы подключить кабели систем электропитания и связи, «распаковать» и подготовить к работе европейский манипулятор ERA, установить телекамеры и поручни для работы на внешней поверхности модуля.
   
Самую заметную часть работы предстоит сделать с помощью ERA: манипулятор должен будет снять с «Рассвета» шлюзовую камеру, которая ждала этого момента 11 лет, и пристыковать ее к «Науке». В дальнейшем ERA и шлюзовая камера позволят сократить количество выходов космонавтов в открытый космос — научные приборы экипаж будет устанавливать снаружи МЛМ на специальные рабочие места манипулятром из ШК.
   
Кроме того, с помощью манипулятора предстоит снять с того же «Рассвета» панели системы охлаждения и установить его на корпус МЛМ. Все эти операции тоже потребуют выходов в открытый космос, многочисленных настроек и подключений.   

На летные испытания модуля отведено 12 месяцев с момента пуска — только год спустя МЛМ будет считаться официально введенным в эксплуатацию. «Наука» станет четвертым большим научным модулем МКС наравне с американским «Дестини», европейским «Коламбус» и японским «Кибо».