Бобков Валентин Николаевич

Сыромятников Bладимир Cергеевич

Космические корабли

Начало пилотируемых полетов

12 апреля 1961 г., стартовав в 9 ч 07 мин по московскому времени, космический корабль с человеком на борту впервые вышел на орбиту искусственного спутника Земли. После завершения одного витка вокруг Земли первый космонавт планеты Ю. А. Гагарин благополучно приземлился на территории Советского Союза.

Это событие оказало исключительное влияние на все дальнейшее развитие космической, да и не только космической техники. В конечном счете оно оказало воздействие на само человеческое сознание, на миропонимание и психологию людей. Но прежде всего полет человека в космосе означал, что впервые увидела свет техника пилотируемых космических полетов. Космический корабль «Восток», на котором Ю. А. Гагарин преодолел притяжение Земли и вырвался за пределы ее атмосферы, стал прообразом всех пилотируемых, а также и многих непилотируемых космических аппаратов.

С годами значительно росли и усложнялись задачи космических полетов, а вместе с ними более сложной и хитроумной становилась техника, однако состав основных систем и исходные принципы их построения во многом сохранились такими же, которые были задуманы и осуществлены коллективами конструкторов и ученых под руководством главных конструкторов С. П. Королева, В. П. Глушко, Н. А. Пилюгина, А. М. Исаева и др. О пилотируемых космических кораблях, начиная с корабля «Восток», и будет наш рассказ.

Полет человека в космос состоялся меньше чем через 4 года после запуска первого в мире искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.). Осуществить это удалось прежде всего благодаря тому, что к 1957 г. в СССР была создана и 21 августа 1957 г. совершила первый успешный полет мощная двухступенчатая ракета. Последующее ее усовершенствование до ракеты-носителя (РН) в трехступенчатом варианте позволили к началу 60-х годов не только достичь второй космической скорости, но и выводить на орбиту вокруг Земли космические аппараты массой почти 5 т. Такая мощная космическая «тройка» дала возможность осуществить первый пробный одновитковый рейс, а в дальнейшем создать и перспективный космический корабль, рассчитанный на проведение более продолжительных и групповых полетов, с решением широкого круга более сложных задач.

Космический аппарат, предназначенный для полета человека в космос, принято называть космическим кораблем (КК). При этом он должен вписываться в общую компоновку ракетно-космической системы и выдерживать все нагрузки и другие условия полета в составе этой системы. Причем условия полета должны удовлетворительно переноситься человеком, хотя и специально тренированным для этого. Далее, в корабле необходимо поддерживать, так сказать, нормальные человеческие условия: космонавту нужно дышать, ему должно быть тепло, а в достаточно продолжительном полете он должен пить, есть, спать, отправлять естественные потребности.

Кроме того, необходимо, чтобы космический корабль летал правильно, т. е. ориентировался и управлялся при своем движении в пространстве, имея надежную радиосвязь с Землей. И наконец, последнее — после выполнения программы полета космический корабль должен обеспечить возвращение космонавта на Землю.

Тогда, в конце 50-х годов, когда начали разрабатывать КК для полета человека в космос, многое оставалось неясным. Однако в главном разобрались быстро и, как позднее подтвердилось, правильно. Задачу создания первого КК решили профессионально, а сами его создатели стали первыми специалистами в этой новой области космической техники. Первый запуск КК в беспилотном варианте был осуществлен 15 мая 1960 г., а уже 20 августа 1960 г. впервые на Землю были возвращены с орбиты собаки Белка и Стрелка.

На рис. 1 показана общая компоновка КК «Восток». Корабль состоял из двух основных отсеков: спускаемого аппарата (СА) и приборного отсека. СА с кабиной космонавта — это единственная часть КК, возвращающаяся на Землю, приборный отсек КК отделялся от СА перед входом в атмосферу и сгорал в ее плотных слоях.

Рис. 1. Компоновка КК «Восток»: 1 — космонавт в катапультируемом кресле, 2 — антенны командной радиолинии, 3 — ручка управления ориентацией, 4 — пульт космонавта, 5 — СА, 6 — оборудование системы жизнеобеспечения, 7 — телевизионная камера, 8 — баллоны реактивной системы управления и системы вентиляции скафандра, 9 — визир ручной ориентации «Взор», 10 — антенны радиосвязи, 11 — антенны системы «Сигнал», 12 — тормозная двигательная установка, 13 — антенны радиотелеметрической системы, 14 — жалюзи системы терморегулирования, 15 — датчик ориентации на Солнце

Почему же была выбрана именно такая схема, ставшая в последующие годы классической?

При спуске КК на Землю используется, как известно, торможение КК в атмосфере. Практически вся энергия, которую сообщила РН кораблю, должна при торможении рассеяться в атмосфере. Определенная часть этой энергии идет на нагрев корабля при взаимодействии КК с атмосферой. Без хорошей тепловой защиты КК просто сгорит, как сгорает большая часть метеороидов и закончивших свое существование спутников. Но тепловая защита значительно увеличивает массу корабля, поэтому ею покрывают не весь корабль, а только СА. Например, КК «Восток» имел стартовую массу 4725 кг, при этом масса СА составляла 2460 кг.

Имеются и другие преимущества такой схемы КК, о которых пойдет речь дальше.

Торможение СА в атмосфере продолжается до тех пор пока сила сопротивления не сравняется с силой его веса. При этом скорость движения СА обычно равна 150–200 м/с, однако чтобы обеспечить безопасное приземление космонавтов, скорость снижения СА у поверхности Земли не должна превышать по крайней мере 10 м/с. Наиболее простым и эффективным способом достижения такой скорости является торможение при помощи парашютов. Именно такая схема спуска выбрана для СА корабля «Восток».

Развертывание парашютов при больших скоростях является непростой задачей. Введением сразу основного купола, например, ее не решить. В этом случае были бы слишком велики нагрузки — и для СА, и для самого парашюта. Да и для того чтобы вытянуть плотно уложенный парашют из контейнера, требуется сила не в одну сотню килограммов. Задачу приходится решать при помощи целой системы, состоящей из вытяжного, тормозного и основного парашютов. Масса парашютной системы также практически пропорциональна массе спускаемой части КК. Поэтому чем меньшая часть КК приземляется, тем меньше его суммарная масса.

СА совершал посадку на основном парашюте со скоростью около 10 м/с. Однако Ю. А. Гагарин и другие первые космонавты могли приземляться независимо от СА — на своем индивидуальном парашюте со скоростью 5–6 м/с. Это осуществлялось при помощи катапультируемого кресла, которое устанавливалось на специальных направляющих и выстреливалось из СА после отделения (по команде от барореле) крышки люка СА на высоте около 7 км при скорости 220 м/с. Затем раскрывался тормозной парашют кресла, а через несколько десятков секунд на высоте 4 км (при скорости 70–80 м/с) — и основной парашют космонавта.

Выбранная схема приземления позволила решать ряд задач в случае возникновения аварийной ситуации и обойти часть не до конца ясных (в то время) проблем. Например, катапультирование кресла с космонавтом предусмотрели также на случай аварии РН на старте и на начальном участке полета.

Итак, была выбрана схема приземления КК «Восток». Как очевидно, эта схема во многом определила компоновку и конструкцию СА и КК в целом. При ее выборе и, как мы увидим дальше, при решении других проблем руководствовались чаще всего двумя соображениями: во-первых, сделать все надежнее, а во-вторых, легче.

Одним из фундаментальных вопросов при проектировании КК является также выбор формы СА. Эта форма определяет ряд важнейших параметров полета при спуске в атмосфере (нагрузки, устойчивость, нагрев и т. д.). Для КК «Восток» выбрали СА, имеющий форму сферы диаметром 2,3 м. Такая форма наиболее проста, гарантировала устойчивость движения, не требовала управления. Масса необходимой теплозащиты сферического СА составила около 800 кг, перегрузки при неуправляемом, так называемом баллистическом спуске в атмосфере не превышали 9 — 10 единиц; значения этих параметров оказались приемлемыми для данного проекта.

При выбранном подходе стремились расположить в СА только те системы и приборы КК, которые необходимы в течение всего полета, в том числе и на участке спуска и приземления, или те, которые непосредственно используют космонавты. Все остальное оборудование размещалось в приборном отсеке. Свободный объем герметической кабины СА составлял 1,6 м^3.

Две основные системы поддерживают необходимые условия в кабине КК — система жизнеобеспечения и система терморегулирования. Как известно, человек потребляет кислород, выделяет углекислый газ, тепло и влагу. Эти две системы как раз и обеспечивают поглощение углекислого газа, пополнение кислородом, отбор из воздуха избыточной влаги и отвод тепла. В кабине КК «Восток» поддерживалась «земная» воздушная атмосфера с давлением 755–775 мм рт. ст. и 20–25 %-ным содержанием кислорода.

В некоторой части система терморегулирования (и частично система жизнеобеспечения) напоминала знакомый многим бытовой кондиционер. Система содержала воздушно-жидкостной теплообменник, по змеевику которого протекала охлажденная жидкость (хладоноситель). Вентилятор прогонял через теплообменник теплый и влажный воздух кабины, который охлаждался и на его холодных поверхностях конденсировалась влага. В кабине имелась также дополнительная резервная система охлаждения, действие которой основано на поглощении тепла при испарении жидкости (в данном случае воды).

Хладоноситель поступал в СА из приборного отсека КК. Поглотившая тепло жидкость принудительно, насосом, прогонялась через радиатор-излучатель, расположенный на нижней наружной конической оболочке приборного отсека. Температура хладоносителя автоматически поддерживалась в нужном диапазоне при помощи специальных жалюзи, закрывавших радиатор. Створки жалюзи могли открываться или закрываться, изменяя потоки тепла, излучаемые и поглощаемые радиатором. С помощью того же радиатора отводилось тепло из приборного отсека.

Чтобы поддерживать нужный состав воздуха, в кабине СА имелось регенерационное устройство. Воздух кабины при помощи вентилятора непрерывно прогонялся через специальные сменные патроны, содержавшие надперекиси щелочных металлов. Такие вещества (например, К_2О_4) способны эффективно поглощать углекислый газ и выделять при этом кислород. Установка содержала также фильтры для удаления нежелательных или вредных примесей из воздуха.

Системы жизнеобеспечения и терморегулирования включали в себя элементы автоматического и ручного регулирования, а также элементы контроля основных параметров, который осуществлялся на борту и на Земле.

Жизнь человека на Земле в наше время немыслима без электричества. В КК она практически и невозможна. Требуют электрической энергии элементы систем жизнеобеспечения, терморегулирования и всех других систем КК. На корабле «Восток» имелась система электропитания, основу которой составляли серебряно-цинковые аккумуляторы: основная батарея размещалась в приборном отсеке, а дополнительная, обеспечивающая электропитание на спуске и при приземлении, — в СА.

Подключение и отключение различных систем КК от источников электрического питания производились при помощи командно-логических и электрокоммутационных приборов. В последующих проектах эти приборы были объединены в систему, названную системой управления бортовым комплексом. По командам, выдаваемым космонавтом и с Земли, производилось включение различных систем и отдельных приборов. Иногда по одной команде необходимо было произвести сразу несколько действий, в том числе в определенной последовательности. Нередко на эти действия накладывался ряд условий и запретов, в этом случае требовалась логическая отработка нескольких управляющих команд и сигналов от датчиков состояния той или иной аппаратуры.

Для того чтобы осуществлять программное управление (с включением и выключением аппаратуры в заданные моменты времени), на КК имелось устройство, которое так и называлось — программно-временным. Таким образом, имелось, образно говоря, два пульта для общения с такого рода автоматическим диспетчером: один — бортовой, т. е. пульт космонавта, другой — наземный, в центре управления полетом.

Следующая важнейшая часть КК — это система ориентации и управления движением в пространстве: в нее входило несколько подсистем. Первая из них навигационная, состоявшая из ряда датчиков положения КК в пространстве и направления его полета: датчик Солнца, гироскопические датчики, оптическое устройство ручной ориентации, носившее название «Взор», и др. Сигналы от датчиков поступали в управляющую часть системы, которая могла работать в автоматическом режиме или с участием космонавта. На пульте космонавта имелась ручка управления ориентацией КК с тремя степенями свободы, а также другие управляющие и контрольные приборы.

Моменты для разворота КК в пространстве создавались с помощью так называемой системы исполнительных органов, представлявшей собой целый набор определенным образом расположенных небольших реактивных сопел. Сопла работали на «холодном» газе, поступавшем из баллонов со сжатым азотом. Всего на приборном отсеке (рис. 2) имелось два комплекта сопел (по 8 в каждом), которые могли подключаться к трем группам баллонов (двум основным и одной резервной). Система на холодном газе энергетически не очень эффективна, и ее применение оправдано только при ограниченности задачи полета. Ее же достоинством является простота, что положительно сказывается на надежности системы.

Рис. 2. Реактивная система управления КК «Восток»: 1 — датчик температуры, 2 — баллон первой основной секции, 3 — баллон резервной секции, 4 — баллон второй основной секции, 5 — датчик давления, 6 — клапан высокого давления, 7 — фильтр, 8 — редуктор, 9 — клапан резервной секции, 10 — пусковой клапан, 11 — сопла

Важнейшей задачей, которая решалась при помощи системы управления КК, была ориентация перед выдачей тормозного импульса для спуска на Землю. Требовалось сделать это в нужном направлении и в строго определенное время. При выполнении этой операции ошибки не допускались.

На корабле «Восток» имелся целый комплекс радиосредств. С помощью их на КК обычно решаются следующие основные задачи: 1) поддерживается двусторонняя голосовая связь экипажа с Землей; 2) осуществляется передача телевизионного изображения; 3) производятся телеметрические измерения параметров работы различных систем; 4) осуществляется дистанционное управление КК с Земли (командная радиолиния); 5) производятся замеры параметров траектории полета. Кроме того, в процессе приземления и после него используются дополнительные средства, облегчающие поиск и эвакуацию космонавта.

Все эти средства были созданы и установлены на КК «Восток». Выбор используемых радиодиапазонов определялся с учетом условий распространения радиоволн через земную атмосферу. Двусторонняя телефонная связь поддерживалась в УКВ- и КВ-диапазонах: для передачи телевизионного изображения космонавта с помощью телекамеры, установленной в кабине СА, имелся ТВ-передатчик. Корабль был снабжен двумя комплектами радиоаппаратуры для траекторных измерений, для командной радиолинии и для радиотелеметрии. С помощью КВ-передатчика «Сигнал» осуществлялся дополнительный контроль за самочувствием космонавта.

Имелись также радиопередатчики (КВ-диапазона) пеленгационных сигналов, которые включались после введения основных парашютов (СА и космонавта) и после приземления (УКВ-диапазона). На борту находился также широковещательный приемник. В целом, как видно, КК «Восток» имел довольно внушительный комплект приемной и передающей радиоаппаратуры.

Общая масса бортовой аппаратуры на КК «Восток» составляла 2350 кг.

Единственной задачей (но одной из важнейших вообще) реактивной двигательной установки КК является торможение, с которого начинается спуск с орбиты. Установка, названная тормозной, состояла у КК «Восток» из основного двигателя, развивавшего тягу 15,7 кН, топливных баков и системы подачи горючего и окислителя, запас которых равнялся 280 кг. Тормозная двигательная установка имела рулевые реактивные сопла в качестве исполнительных органов для стабилизации корабля при ее работе. Сама установка располагалась в специальной нише приборного отсека.

При создании КК «Восток» была разработана и применена схема начала спуска, названного сходом с орбиты. В результате сравнительно небольшого тормозного импульса, сообщенного тормозной двигательной установкой и уменьшавшего скорость КК всего на 150–200 м/с (при скорости КК 7,8 км/с), направление полета менялось так, что через некоторое время КК спускался ниже высоты 100 км над поверхностью Земли. На этой высоте плотность атмосферы такова, что начинается заметное торможение и скорость начинает еще более уменьшаться. Дальнейший полет проходит со всевозрастающим сопротивлением. Кабину СА от значительного нагрева предохранял слой специальной теплозащиты.

После катапультирования кресла с космонавтом начинался ввод парашютных систем как у космонавта, так и у СА (рис. 3). Кресло, содержавшее тормозной парашют, устройство для катапультирования и другие элементы, сбрасывалось, и космонавт приземлялся, но не как обычный парашютист, а с висевшим на 15-метровом фале неприкосновенным аварийным запасом (НАЗ). Управление этими средствами осуществлялось автоматически с помощью системы приземления. Электрические команды на срабатывание крышек, катапультирование, ввод парашютов и т. п. вырабатывались датчиками давления (барореле) и специальными программно-временными приборами.

Рис. 3. Схема приземления КК «Восток»: 1 — отстрел крышки люка и катапультирование космонавта, 2 — отстрел крышки люка и ввод тормозного парашюта вытяжным парашютом, 3 — отделение тормозного парашюта и ввод основного парашюта, 4 — посадка СА, 5 — ввод тормозного парашюта кресла, 6 — ввод основного парашюта и отделение космонавта от кресла, 7 — спуск космонавта на парашюте, 8 — приземление космонавта

Из изложенного краткого описания КК «Восток», в частности, следует, что очень большое внимание уделялось безопасности полета. Наряду с тем, что все системы КК тщательно отрабатывались и проверялись, многие приборы, агрегаты и устройства имели резервирование (ручной и автоматический контуры управления и т. п.). Кроме того, предусматривался еще ряд мер и средств, обеспечивающих безопасность на различных участках полета. Прежде всего, космонавт находился в кабине КК в герметичном скафандре. В случае внезапной разгерметизации кабины автоматически закрывался шлем скафандра, а запас кислорода обеспечивал дальнейший его полет, включая спуск на Землю.

Наиболее критичными участками полета являются так называемый активный участок полета, вместе с РН, и спуск с орбиты. На активном участке необходимо обеспечить безопасность космонавта даже в случае аварии РН. Причем такая возможность предусматривалась начиная с момента, когда РН находилась на стартовом столе: неподвижная, но уже заправленная ракета представляет собой взрыво- и пожароопасный объект.

Условия полета, его определяющие параметры (давление воздуха, скорость, ускорение, скоростной напор, высота и т. п.) меняются в очень широких пределах. Поэтому задача спасения является очень сложной. Предусматривался комплекс средств и различных схем их использования. Управление этими средствами производилось с помощью автоматической (или полуавтоматической) системы, которая в дальнейшем стала называться системой аварийного спасения (САС).

На основных участках полета КК «Восток» спасение космонавта предусматривалось при помощи катапультируемого кресла. Для увеличения скорости катапультирования при срабатывании САС на Земле (для увеличения высоты и дальности увода от РН) кресло космонавта имело два дополнительных пороховых ускорителя. При авариях на больших высотах предусматривалось сначала отделение СА от РН с последующей работой средств приземления в обычном (или несколько измененном) порядке.

При планировании полетов на КК «Восток» учитывался еще один критический вид отказов, относившийся уже к орбитальному участку полета. Речь идет о возможности несрабатывания тормозной двигательной установки для схода с орбиты. Никакого дополнительного резервного средства на этом КК не устанавливалось. Однако параметры орбиты (прежде всего ее высота) были выбраны такими, чтобы за счет естественного торможения КК вошел в атмосферу не позже чем через 10 сут (высота перигея 180 км, высота апогея 240 км).

Естественно, такой подход потребовал увеличения срока службы или, как говорят, ресурса работы основных систем (жизнеобеспечения, терморегулирования, электропитания и др.). Хотя фактически полет Ю. А. Гагарина продолжался менее 2 ч, на корабле имелись необходимые запасы кислорода, питьевой воды, пищи и др.

Работа по проектированию и подготовке полета человека в космос началась в 1958 г. Приблизительно за 3 года была проделана огромная работа по разработке КК, по изготовлению отдельных систем и проведению испытательных полетов. Но кроме самого корабля отлаживалась работа и взаимодействие всех многочисленных наземных средств и служб, занятых как при подготовке, так и при непосредственном осуществлении полета.

Стартовая масса всей ракетно-космической системы «Восток» равнялась 287 т.

Всего на КК «Восток» совершили полет шесть космонавтов, и все эти полеты были успешно выполнены.

Создание КК и РН «Восток» и полеты первых космонавтов заложили основы первой в мире техники, технологии и организации пилотируемых полетов в космос. Они стали основой дальнейшего развития этой техники в нашей стране.

Программа «Меркурий»

Практически в течение того же периода времени, начиная с 1958 г., в США также широким фронтом развернулись работы по осуществлению первой в этой стране пилотируемой космической программы «Меркурий». В конце 50-х годов в США не было достаточно мощной РН, и поэтому одновременно с работой над самим КК спешно на базе имевшейся ракеты создавалась и РН.

Испытания проводились в несколько этапов: вначале беспилотные отработочные полеты, затем два первых полета американских космонавтов (А. Шепард и В. Гриссом) по баллистической траектории на высоту до 190 км и полет КК с обезьяной на борту с выходом на орбиту искусственного спутника Земли. И, наконец, первый орбитальный 3-витковый полет совершил 20 февраля 1962 г. Дж. Гленн (КК «Френдшип-7»).

РН «Атлас-Ди», которая использовалась для орбитальных полетов, была способна выводить на низкую околоземную орбиту (с перигеем 160 км и апогеем 260 км) полезную нагрузку массой не более 1,35 т при стартовой массе 111,3 т. Поэтому КК «Меркурий» создавался при крайне жестких массогабаритных ограничениях, что наложило отпечаток на его компоновку, конструкцию и выбор основных систем.

Рис. 4. Компоновка КК «Меркурий»: 1 — космонавт, 2 — ферма двигательной установки САС, 3 — сбрасываемая связка двигателей тормозной двигательной установки, 4 — кресло космонавта, 5 — ручка включения САС, 6 — пульт космонавта, 7 — герметичная кабина, 8 — основной и запасной парашюты, 9 — сопла управления по тангажу, 10 — баки с перекисью водорода, 11 — вытяжной парашют, 12 — основной двигатель двигательной установки САС, 13 — двигатель сброса и увода двигательной установки САС, 14 — датчик инфракрасной вертикали, 15 — двигатели управления по рысканию (курсу), 16 — перископ, 17 — ручка управления ориентацией КК, 18 — двигатели управления по крену, 19 — теплозащитный экран

Основу КК «Меркурий» (рис. 4) составляла возвращаемая на Землю капсула (как ее назвали американские специалисты). В отличие от СА корабля «Восток» капсула имела форму усеченного конуса (со сферическим днищем) диаметром 1,89 м и цилиндрической верхней частью, в которой размещались парашюты. При возвращении на Землю капсула совершала неуправляемый баллистический спуск при торможении в атмосфере вперед днищем, которое испытывало при этом наибольший нагрев. Коническая и цилиндрическая поверхности капсулы подвергались гораздо меньшему нагреву. Поэтому тяжелый теплозащитный экран устанавливался только на днище (за счет этого удалось уменьшить общую массу теплозащиты до 380 кг).

В передней части КК располагались антенная и парашютная секции, а на заднем днище корабля устанавливался блок из трех тормозных двигателей.

Внутри герметичной кабины с внутренним свободным объемом 1,1 м^3 космонавт, одетый в герметичный; скафандр, размещался в кресле, перед ним находились иллюминатор и пульт управления. В случае аварии РН. на старте и в полете до отделения двигателей первой ступени предусматривался увод всего КК с помощью порохового двигателя САС, который размещался на ферме над кораблем (см. рис. 4) и мог включаться по командам автоматики с Земли или космонавтом.

Система жизнеобеспечения КК «Меркурий» существенно отличалась от аналогичной системы КК «Восток». Прежде всего, и это относится к последующим американским КК «Джемини» и «Аполлон», внутри кабины создавалась чисто кислородная атмосфера с давлением 228–289 мм рт. ст. Далее, по мере потребления, кислород, который на КК «Меркурий» хранился в газообразном состоянии в баллонах высокого давления, подавался в кабину и скафандр космонавта.

Для удаления углекислого газа использовалась система с гидроокисью лития. На случай возникновения пожара на орбите предусматривалась разгерметизация капсулы, жизнедеятельность космонавта в этом случае поддерживалась системой жизнеобеспечения скафандра. Скафандр охлаждался кислородом, который подавался к нижней части тела и использовался также для дыхания.

Температура и влажность воздуха поддерживались с помощью теплообменников испарительного типа. В первых образцах системы влага собиралась с помощью губки, которая периодически отжималась; однако в условиях невесомости такая система работала неудовлетворительно, вода скапливалась на стенках трубок. В последующих модификациях системы этого КК (а также позднее на КК «Джемини» и «Аполлон») применили фитильный способ сбора конденсата.

Система жизнеобеспечения и другие системы КК «Меркурий» были рассчитаны на полет до 1,5 сут. Самый длительный полет (Г. Купера в 1963 г.) продолжался 34 ч 20 мин.

Электропитание систем обеспечивалось аккумуляторными батареями (три основные, одна независимая для питания пиросредств и две резервные) с напряжением 24 В и суммарной емкостью 68,7 А.ч. Часть аппаратуры КК «Меркурий» требовала переменного тока, который получался при помощи статических преобразователей. Характерной особенностью конструкции КК «Меркурий» (а также КК «Джемини» и «Аполлон») являлась однопроводная система электропитания, подобная применяемой в большинстве самолетов и автомобилей. Такая система проще и легче двухпроводной, однако в принципе больше подвержена отказам.

Для повышения надежности широко использовалось дублирование и другие типы резервирования электрических и электронных элементов, а также защита от короткого замыкания в различных системах. КК «Меркурий» проектировался и испытывался как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. На начальной стадии работ у американских специалистов не было уверенности в том, сможет ли человек в условиях космического полета эффективно управлять кораблем, и поэтому основные системы имели как ручные, так и автоматические контуры управления.

Основной операцией, которая выполнялась системой навигации и ориентации КК «Меркурий», был разворот корабля в нужный момент в такое положение, при котором импульс тормозной двигательной установки обеспечивал спуск в атмосферу Земли. Эта задача решалась с помощью гиростабилизированной платформы. В процессе полета уходы платформы корректировались, величины коррекции вырабатывались посредством датчиков горизонта (по тангажу и крену) и гирокомпаса (по курсу).

Датчик горизонта (в отечественной технике его обычно называют инфракрасной вертикалью) представлял собой прибор (как правило, сканирующего типа), который воспринимал тепловой поток, излучаемый атмосферой Земли, и определял ось симметрии этого потока (иными словами, местную вертикаль).

Включение тормозной двигательной установки и других систем КК в автоматическом режиме осуществлялось от программно-временного устройства, проводившего отсчет времени начиная со старта РН. В пилотируемом полете космонавт мог производить все операции вручную; он ориентировал КК по всем углам, наблюдая Землю в иллюминатор.

Для управления ориентацией КК «Меркурий» было установлено 18 управляющих двигателей реактивной системы управления, работавших на однокомпонентном топливе (перекиси водорода). В присутствии катализатора перекись водорода разлагается с выделением большого количества тепла. За счет высокой температуры образующегося при этом парогаза удельные характеристики такого топлива значительно выше, чем у систем, работающих на холодном газе. Кроме того, масса и габариты баллонов для хранения перекиси также меньше.

Однако перекисная система гораздо сложнее воздушной. Разложение перекиси водорода происходит непосредственно в камерах двигателей, где для этого помещается специальный катализатор. Такие двигатели обладают рядом особенностей и недостатков (низкими динамическими характеристиками, большим импульсом последействия и т. д.). Поэтому, несмотря на сравнительно простую и непродолжительную программу полета на КК «Меркурий», пришлось установить два независимых комплекта управляющих двигателей. Причем в каждый комплект входили двигатели с большой и малой тягой. Первые (тяга 26 и 108 Н) использовались для разворота КК и стабилизации при работе тормозной двигательной установки, вторые (4,4 Н) — для поддержания заданной ориентации в орбитальном полете. При использовании двигателей малой тяги экономилось топливо и повышалась точность ориентации.

Управляющие двигатели были снабжены клапанами подачи перекиси водорода непосредственно от ручки управления (с приводом от механических тяг) и электроклапанами для дистанционного и автоматического управления. Система тяг усложнила и без того очень насыщенную компоновку кабины КК, а также очень затруднила ее наземное обслуживание и особенно, как отмечали американские специалисты, проведение работ по устранению неисправностей.

После срабатывания тормозной двигательной установки (при тяге 13,2 кН) и торможения в атмосфере спуск капсулы КК заканчивался на водной поверхности. На корабле «Меркурий» применялась система, состоявшая из тормозного и основного, а также и запасного парашютов. Тормозной парашют выполнял также функции вытяжного. Дополнительно для выталкивания парашютов из контейнера применялись пневматические баллоны. Для улучшения остойчивости в воде запасной парашют после раскрытия основного тоже выталкивался с помощью пневмобаллона.

Посадка на воду (приводнялись впоследствии и КК «Джемини» и «Аполлон») была выбрана в основном потому, что наиболее вероятным районом посадки был океан (при малых наклонениях плоскости орбиты) как при нормальном выполнении полета, так и в аварийной ситуации (при срабатывании САС) и экстренной посадке. Кроме того, учитывалось, что на водной поверхности отсутствуют различные препятствия (строения, деревья и т. д.), а вода неплохо гасит удар. В то же время при приводнении приходится учитывать волнение и другие морские факторы. Непросто было надежно обеспечивать и плавучесть капсулы; для этого принимался ряд специальных мер.

Тем не менее при завершении второго суборбитального пилотируемого полета КК «Меркурий» капсула затонула, но американскому космонавту, к счастью, удалось спастись.

В принципе конструкция КК мало зависит от того, выбирается ли в качестве основного варианта приводнение или приземление на сушу. В обоих вариантах необходимо обеспечить и ту и другую возможность. Однако при средних ожидаемых условиях посадки на данном КК при приводнении возникают меньшие перегрузки. В частности, поэтому вертикальная скорость спуска на парашюте у поверхности Земли для всех КК различается незначительно. Для КК «Меркурий» эта скорость равнялась около 9 м/с.

Для снижения перегрузок при ударе о воду после развертывания основного парашюта днище капсулы (передний теплозащитный экран) отделялось от основного корпуса и под действием силы веса выдвигалось на 1,2 м, растягивая амортизатор из прорезиненной ткани. При ударе этот амортизатор поглощал энергию. За время спуска на парашюте передний теплозащитный экран КК «Меркурий» и других кораблей не успевал полностью охлаждаться и при погружении в воду, по словам американских космонавтов, шипел, как раскаленная сковорода под струей холодной воды.

Для выхода из капсулы можно было воспользоваться двумя люками. Крышка первого бокового люка, служившего также для посадки в КК, крепилась болтами и для быстрого открытия снабжалась пиросредствами с возможностью их включения как изнутри, так и снаружи капсулы. После посадки на воду космонавт мог самостоятельно использовать второй люк в носовой части. Для этого требовалось сместить панель пульта, снять герметическую перегородку, вытолкнуть пустой парашютный контейнер, выползти наружу, развернуть надувной плот и спрыгнуть в него.

Благодаря выдвинутому вниз экрану капсула сохраняла остойчивость при всех этих операциях и различных погодных условиях.

При запуске, в орбитальном полете и при посадке КК «Меркурий» применялся комплекс радиосредств, который состоял из основного и наземного (работавшего после приводнения) УКВ- и КВ-приемопередатчиков, телеметрического передатчика, командного приемника и радиомаяков.

Много внимания было уделено средствам обнаружения КК после посадки. Кроме радиомаяков и приемопередатчиков использовались проблесковые огни, рассчитанные на 28 ч работы, и окрашивание водной поверхности, для того чтобы облегчить обнаружение капсулы как днем, так и ночью при различных условиях видимости. В дополнение к этим средствам при развертывании основного парашюта с КК сбрасывалась акустическая глубинная бомба. Ее взрыв пеленговался на кораблях поисково-спасательной службы.

Американские КК, совершавшие посадку на воду, не были рассчитаны на длительное поддержание плавучести. Поэтому спасательная служба стремилась как можно скорее обнаружить и закрепить на приводнившемся КК вспомогательное плавсредство, по форме напоминавшее спасательный круг.

Всего на КК «Меркурий» совершили полет 6 космонавтов.

Стартуют многоместные корабли

Как уже отмечалось, возможности РН «Восток» и технические решения, которые были заложены в КК «Восток», позволили сделать новые шаги в непосредственном освоении космоса человеком. В 1963–1964 гг. был создан КК «Восход» в двух модификациях: для полета сразу трех космонавтов и для осуществления первого выхода человека в открытое космическое пространство.

Для многоместного КК «Восход» потребовалось существенно изменить подход к размещению космонавтов на корабле и обеспечению спуска на Землю; в частности, необходимо было перекомпоновать кабину космонавтов и ввести новые средства приземления.

В кабине СА установили три кресла, в которых космонавты располагались без скафандров. Чтобы легче переносить перегрузки на активном участке полета и при приземлении, кресла имели индивидуальные ложементы, т. е. изготовленные по размерам и с учетом особенностей формы тела каждого космонавта. Для уменьшения перегрузок при посадке кресла также снабжались дополнительными амортизаторами.

Ряд новшеств и усовершенствований был внесен в различные системы КК. В орбитальном космическом полете не всегда просто оказывается определить направление полета. На КК «Восход» впервые установили так называемые ионные датчики, позволявшие измерять углы отклонения продольной оси КК относительно вектора скорости полета по орбите. На высоте несколько сот километров атмосфера Земли содержит большое количество положительно заряженных ионов, причем их естественная (тепловая) скорость существенно меньше скорости КК.

Если расположить определенным образом приемные трубки датчиков, захватывающие потоки ионов, то можно замерить угол отклонения от симметричного положения трубок по отношению к набегающему потоку ионов, т. е. к вектору скорости полета. Надо сказать, что на КК «Восход» впервые использовались ионные датчики.

В многоместном варианте КК уже нельзя было рассчитывать на аварийное увеличение продолжительности полета при несрабатывании тормозной двигательной установки. Поэтому на КК «Восход» (в верхней его части) установили дополнительную твердотопливную тормозную двигательную установку.

Космонавты В. М. Комаров, К. П. Феоктистов и Б. Б. Егоров, выполнившие программу односуточного полета 13 октября 1964 г., произвели посадку в кабине СА. Чтобы уменьшить перегрузки при ударе о землю, спуск СА проводился на двух парашютах, а непосредственно перед касанием Земли по сигналу от штыревого датчика сработал пороховой двигатель, закрепленный в стренгах парашютов (рис. 5). Так впервые была осуществлена мягкая посадка СА на Землю.

Рис. 5. Схема приземления КК «Восход»: 1 — механический высотомер, 2 — двигатель мягкой посадки, 3 — парашютная система, 4 — СА, 5 — пирозамок, 6 — стренги первого основного парашюта, 7 — стренги второго основного парашюта, 8 — корпус двигателя, 9 — соединительное звено

Для того чтобы осуществить выход в открытый космос, нужно было внести существенные изменения в конструкцию кабины КК. Прежде всего ввели шлюзовую камеру, которая при запуске находилась в сложенном положении на СА и разворачивалась путем наддува уже после выхода КК на орбиту. На КК «Восход-2» космонавты П. И. Беляев и А. А. Леонов находились в скафандрах.

Скафандр для выхода из КК существенно отличался от гермокостюмов, одеваемых на случай разгерметизации КК. При выполнении наружных работ вне корабля человек выделяет значительно больше тепла и потребляет больше кислорода. Значительно интенсивнее и внешние тепловые потоки. Сам гермокостюм должен быть более прочным, вся конструкция скафандра существенно более надежна, так как вне корабля только он защищает космонавта от вакуума, перегрева, переохлаждения и различных видов излучений. И последнее: все средства, обеспечивающие жизнедеятельность космонавта, или часть их должны располагаться на самом скафандре.

Созданная советскими специалистами конструкция скафандра обеспечила успешный выход в открытый космос, который осуществил А. А. Леонов 18 марта 1965 г. Этот скафандр для первого выхода человека в открытый космос стал прообразом будущих конструкций, разработанных позднее для выполнения более длительных и сложных работ в открытом космическом пространстве.

После выполнения программы полета П. И. Беляев вручную произвел ориентацию КК, и тот совершил приземление в запасном районе посадки. Поиск и эвакуация космонавта в условиях зимней тайги оказались непростым делом. Операцию выполнили успешно, что подтвердило правильность заложенных технических решений и организационных мероприятий.

На этом программа пилотируемых полетов многоместных КК «Восход» закончилась. Ее результаты продемонстрировали большие возможности созданной техники, открыли дальнейшие перспективы в освоении космоса.

Промежуточный шаг

В начале 60-х годов в США энергично начали работать над осуществлением второй пилотируемой космической программы (КК «Джемини»), которая в большей, своей части была подчинена решению основной задачи — высадке человека на Луну. После полета Ю. А. Гагарина в том же 1961 г. тогдашний президент США Дж. Кеннеди объявил эту задачу национальной.

Для создания ракетно-космической системы, предназначенной для полета на Луну и обратно, нужно было решить множество сложных технических задач, ряд которых представлялся в то время проблематичными и требовал экспериментальной проверки и отработки. Прежде всего к ним относились маневрирование, стыковка на орбите, управляемый спуск в атмосфере, продолжительное пребывание в невесомости и работа человека в открытом космическом пространстве.

Двухместный КК «Джемини» состоял уже из двух основных частей: приборно-агрегатного отсека (разделенного на две секции) и возвращаемой капсулы (отсека экипажа). При проектировании ставилась задача максимально использовать опыт, приобретенный при работах по программе «Меркурий». Однако основные разработчики этого КК, переместившиеся в Хьюстон (штат Техас) во вновь созданный там центр пилотируемых полетов, начали работать над КК «Аполлон». Поэтому общее проектирование КК «Джемини» выполняли другие специалисты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА).

Для вывода на орбиту КК массой до 3,8 т использовалась ракета «Титан-2» со стартовой массой 148,5 т, которая была доработана для пилотируемых полетов (увеличена надежность систем управления и электропитания и введены средства обнаружения неисправностей для САС). При отработке было произведено два беспилотных запуска РН с кораблем «Джемини».

Работы по модернизации ракеты «Титан-2» выполнялись фирмой «Мартин Мариетта». Головным подрядчиком НАСА по разработке и изготовлению корабля стала известная авиационная фирма «Макдонелл Дуглас». Центр пилотируемых полетов в Хьюстоне был также ответственным за подготовку космонавтов и управление их полетом.

Активное участие авиационных специалистов в разработке КК наложило определенный отпечаток на конструкцию корабля и его отдельных систем. Сама компоновка корабля напоминала часть фюзеляжа самолета с двухместной кабиной. Космонавты размещались в креслах, перед которыми были установлены два иллюминатора и пульт с органами управления и контроля. В левом кресле находился командир, который управлял ориентацией и поступательными перемещениями КК при маневрах и стыковке, контролировал работу РН, мог включать САС, а также управлял другими системами. Второй член экипажа обеспечивал навигацию, общение с бортовой вычислительной машиной, контролировал электроснабжение и другие системы.

Многие операции могли выполняться обоими космонавтами. Например, это касалось управления ориентацией при помощи ручки, находящейся между ними. У каждого космонавта имелась также ручка для катапультирования кресел. Причем катапультирование кресел предусматривалось при срабатывании САС на старте (осуществлялся увод на расстояние 300 м в сторону от РН и на 140 м вверх), на начальном участке полета (до высоты 21 км), а также в случае необходимости и на конечном участке приземления.

Кроме пульта в кабине были установлены только системы, необходимые для жизни и работы космонавтов (элементы системы жизнеобеспечения включали в себя два дополнительных баллона с кислородом и др.). Все остальные системы размещались или в других частях капсулы (приборной секции, секции локатора, РСУ и т. д.), или в приборно-агрегатном отсеке. Последний включал в себя отдельные модули (двигательный, баков, терморегулирования, электронного оборудования, электропитания и др.). По сравнению с КК «Меркурий» такое модульное построение значительно улучшало конструкцию, делало ее более технологичной, а главное — намного упрощало устранение неисправностей.

Вследствие увеличения состава экипажа и продолжительности полета по сравнению с КК «Меркурий» была разработана с целью экономии массы система хранения и подачи кислорода в жидком состоянии (эта система размещалась в приборно-агрегатном отсеке). Как уже отмечалось, на американских КК использовалась система жизнеобеспечения, предусматривающая постоянное пополнение кислорода. Это потребовало значительных запасов кислорода на борту, а для хранения газов под высоким давлением (300–500 атм) нужны были баллоны массой в 2–2,5 раза превышавшей массу самого кислорода.

Созданная для КК «Джемини» система с жидким кислородом, охлажденным до 155 К и находящимся под давлением 5 атм, и с устройством для его газификации явилась непростой конструкцией. С одной стороны, требовалась хорошая термоизоляция баллонов, а с другой, для получения газообразного кислорода необходимо было иметь регулируемый подогреватель. При помощи регулятора поддерживалось заданное внутреннее давление в баллонах, при этом требовалось непрерывно измерять количество расходуемого кислорода в жидкой фазе. Необходимость надежного функционирования в условиях невесомости усложняла как саму техническую задачу, так и отработку системы в наземных условиях.

Предварительный подогрев кислорода осуществлялся при помощи единой системы терморегулирования, основой которой был жидкостный контур с теплоносителем. Теплоноситель, циркулировавший в этом контуре, подводился ко всем элементам, к которым необходим был подвод тепла или от которых тепло требовалось отводить (например, от плит с приборами, потреблявшими значительную мощность). Охлаждение теплоносителя проводилось по-прежнему в наружных радиаторах, излучающей поверхностью которых являлась внешняя оболочка приборно-агрегатного отсека.

Хранение кислорода и водорода в жидком состоянии требовалось также для топливных элементов (в отечественной технике их чаще называют электрохимическими генераторами). Они составили основу системы электропитания. Источники электроэнергии, относящиеся к рассматриваемому типу, наиболее предпочтительны при средней продолжительности полета (1–2 недели). Топливные элементы эффективны, имеют высокий КПД, не накладывают ограничений на ориентацию КК (как это обычно требуется при использовании неподвижных солнечных батарей).

Дополнительно на КК «Джемини» было установлено несколько серебряно-цинковых аккумуляторов (четыре основные батареи и отдельная батарея для пиросредств в приборно-агрегатном отсеке) и три батареи в отсеке экипажа, а также статический преобразователь постоянного напряжения в переменное мощностью до 750 Вт. Общее количество аккумуляторов, которое можно было установить на этот КК, обеспечивало его полет до 4 сут (при среднем потреблении энергии 500 Вт).

При первых четырех полетах КК «Джемини» их продолжительность ограничивалась прежде всего запасом электроэнергии, что вызывалось значительной задержкой в отработке топливных элементов. Отказы происходили также и в полете с топливными элементами.

В топливных элементах происходит соединение водорода с кислородом, поэтому в качестве побочного продукта образуется вода. Вода эта в принципе вполне пригодна для питья и тем более для технических целей (для применения в дополнительном холодильнике системы терморегулирования испарительного типа).

В КК «Джемини» увеличились и усложнились задачи системы управления движением по сравнению с той же системой на КК «Меркурий». Первостепенной, жизненно важной задачей по-прежнему оставалась ориентация перед включением тормозной двигательной установки для схода с орбиты. Однако чтобы произвести сближение и стыковку, требовалось совершать значительно более сложные и точные маневры.

Например, для изменения параметров орбиты требовалось сначала очень точно сориентироваться в строго определенное время и на определенный интервал времени включить двигатели КК. На заключительном этапе сближения (причаливании) управление поступательным перемещением во всех направлениях нужно было обеспечивать без изменения ориентации КК.

Навигационные задачи решались при помощи гиростабилизированной платформы, датчиков инфракрасной вертикали, приборов визуальных наблюдений и бортовой цифровой вычислительной машины, а также с использованием передачи данных траекторных измерений с Земли. Можно было применять различные сочетания этих средств, что увеличивало надежность и гибкость в работе. Применение в гироплатформе четвертой (избыточной) рамки подвеса снимало ограничение по допустимым углам разворота КК в ряде режимов работы, а также упрощало управление. Позднее, при подготовке и полетах КК «Аполлон», на котором использовалась гироплатформа с тремя карданными рамками, американские космонавты с сожалением вспоминали о больших возможностях и удобствах системы с четырехрамочной гироплатформой.

В качестве исполнительных органов системы ориентации и управления поступательными перемещениями была применена реактивная система управления, которая состояла из нескольких групп двигателей, размещенных в обоих отсеках КК. Первая группа из 16 таких двигателей тягой 110 Н каждый была выполнена в виде единого модуля, включавшего в себя две автономные подсистемы. Все это размещалось в передней части капсулы и предназначалось в основном для управления КК при спуске.

Остальные 16 двигателей реактивной системы управления, скомпонованные в виде четырех блоков, находились в приборно-агрегатном отсеке (6 вблизи центра масс КК, 10 в хвостовой части). Два из этих двигателей (тягой по 377 Н) и еще два (тягой по 440 Н) использовались для коррекции орбиты, четыре двигателя тягой по 440 Н — для поступательных перемещений КК и восемь двигателей тягой по 110 Н — для ориентации КК.

Двигатели работали на двухкомпонентном топливе (монометилгидразин + четырехокись азота), существенно более эффективном по сравнению с однокомпонентным топливом КК «Меркурий». Его запас составлял от 180 до 427 кг.

Для схода с орбиты КК «Джемини» имел блок тормозной двигательной установки из четырех твердотопливных двигателей с суммарной тягой 45,6 кН. Предусматривалось также использование тормозной двигательной установки для отделения КК от РН во время некоторых аварийных ситуаций при срабатывании САС.

Следует сказать, что в некоторых полетах КК «Джемини» наблюдались отдельные отказы двигателей реактивной системы управления. В частности, после стыковки КК «Джемини-8» с ракетой «Аджена» один из этих двигателей из-за заедания клапана оставался включенным в течение длительного времени. В результате КК приобрел скорость вращения почти 1 об/с и фактически все топливо было израсходовано. Корабль, который удалось застабилизировать только с помощью двигателей реактивной системы управления, находившихся в капсуле, совершил экстренную аварийную посадку.

Для стыковки КК «Джемини» с ракетной ступенью «Аджена» был создан комплекс технических средств (часть которых располагалась на ракетной ступени), который включал в себя радиолокатор, стыковочное устройство, систему мишеней и индикаторов, командную радиолинию, в том числе между КК и ракетной ступенью, и т. д. Радиолокатор, установленный в носовой части КК, обеспечивал наведение на ракетную ступень «Аджена», измерял углы, дальность и относительную скорость при расстояниях от 460 км до нескольких метров от КК. Радиоканал локатора использовался также для передачи нескольких десятков команд с КК на ракетную ступень.

Для расчета корректирующих импульсов при выполнении маневров по сближению применялись несколько методов с использованием как наземных, так и автономных бортовых средств, в том числе бортовой цифровой вычислительной машины, в которую вводились данные по параметрам орбиты. Управление на участке причаливания космонавты проводили вручную с использованием индикаторов дальности и скорости.

Основная активная часть стыковочного устройства, с помощью которой производилось механическое соединение КК, размещалась на «Аджене». Носовая часть КК со штырем, служившим для выравнивания по крену, входила в приемный конус стыковочного устройства, подвешенный на гидравлических амортизаторах. После сцепки конус подтягивался электроприводом до упора — в неподвижный шпангоут, после чего допускалось совместное маневрирование состыкованных аппаратов, в том числе при включенном основном двигателе «Аджены». Штатная расстыковка выполнялась также механизмами активной части стыковочного устройства по радиокоманде с КК.

15 декабря 1965 г. КК «Джемини-6» и «Джемини-7» сблизились в космосе и осуществили групповой полет в течение 5,5 ч на расстоянии от 1 до 30 м. Первую стыковку в космосе с ракетной ступенью «Аджена» провели 16 марта 1966 г. космонавты Н. Армстронг и Д. Скотт на КК «Джемини-8», однако при этом возникла аварийная ситуация и космонавты совершили вынужденную посадку после 10,5 ч полета. Во время полета КК «Джемини-10» с состыкованной «Адженой» при помощи двигателя ракетной ступени был увеличен перигей орбиты (до 760 км) и оценивалась доза радиации, которую получили космонавты Дж. Янг и М. Коллинз при полете через радиационные пояса Земли (эта доза оказалась существенно меньше предсказываемой).

В ряде полетов КК «Джемини» проводились эксперименты с выходом космонавтов в открытый космос, при этом оценивались работоспособность и возможности человека в этих условиях. Перед выходом в космос кислород из кабины космонавтов полностью стравливался и открывалась крышка люка КК. Проведенные эксперименты продемонстрировали как возможности, так и трудности работы человека в безопорном пространстве, показали необходимость применять средства фиксации ног и других частей тела, а также проводить специальные наземные тренировки (например, в «бассейнах гидроневесомости»).

Форма капсулы КК «Джемини» была выбрана такой, чтобы при создании угла атаки, т. е. угла между направлением полета в атмосфере и продольной осью КК, могла создаваться подъемная сила (составляющая силы аэродинамического сопротивления, перпендикулярная направлению полета). Отношение подъемной силы к силе сопротивления принято называть аэродинамическим качеством. В отличие от самолетов это отношение для СА (капсул) невелико, 0,2–0,4, и поэтому СА относится к летательным аппаратам с малым аэродинамическим качеством.

Если центр масс капсулы (СА) находится на продольной оси, то угол атаки равен нулю, подъемной силы не возникает и спуск получается баллистическим (как в случае КК «Меркурий»). Если центр масс сместить, то возникает угол атаки и подъемная сила. В зависимости от того, куда смещен центр масс, определяется направление, в котором действует подъемная сила по отношению к траектории спуска. В принципе можно управлять положением СА по тангажу и курсу, однако при полете в атмосфере необходимые управляющие моменты оказываются неприемлемо большими: требуется компенсировать моменты, стремящиеся вернуть СА в устойчивое положение.

Направление действия подъемной силы можно изменять, если вращать СА относительно продольной оси (по крену). В таком случае управляющие моменты становятся существенно меньше. В этом и заключается основная идея управляемого спуска. Впервые системы управляемого спуска были разработаны для советского КК «Союз» и американского КК «Джемини».

Перед входом в атмосферу капсула КК «Джемини» ориентировалась по направлению полета теплозащитным экраном вперед при помощи двигателей реактивной системы управления капсулы. Эти же двигатели использовались для управления разворотом по крену и для стабилизации угловых колебаний капсулы по тангажу и курсу. За счет управления при спуске достигались два основных эффекта: максимальные перегрузки снижались до 3–4 единиц (по сравнению с 9 — 10 единицами при баллистическом спуске) и увеличивалась точность приземления (максимальное отклонение не превышало нескольких километров, тогда как при неуправляемом спуске оно достигало нескольких сот километров).

Одной из задач программы «Джемини» было создание для КК парапланера (надувного управляемого парашюта-крыла) в целях отработки посадки на сушу с возможностью некоторого маневрирования. Однако из-за значительных трудностей эту задачу выполнить не удалось, и спуск всех КК «Джемини» производился на воду.

Максимальная продолжительность полета, которая выбиралась исходя из продолжительности будущих полетов на Луну, составила около 14 сут (КК «Джемини-7»). Но двухнедельный полет двух космонавтов в кабине КК с внутренним объемом 1,6 м^3, практически не приспособленной для снятия скафандров, оказался на грани допустимых санитарных условий.

Всего на 10 КК «Джемини» совершили полет 16 различных американских космонавтов (в каждом полете находилось два космонавта).

Многоцелевой КК «Союз»

Конструкция КК, его размеры и масса, а также состав основных систем и их главные характеристики зависят от задач, решаемых в полете. Однако созданы и многоцелевые КК, обладающие широкими возможностями. К ним прежде всего относятся КК «Союз» и его модификации. Над разработкой этого КК начали работать еще в начале 60-х годов, вскоре после полета первых космонавтов на КК «Восток».

Новый КК существенно отличался по компоновке и составу от своих предшественников, а его основные системы были не только разработаны вновь, но и выполнены более универсальными. При последующих модификациях КК «Союз» эти системы подвергались дальнейшему усовершенствованию. Тем не менее основная компоновка КК «Союз» сохранилась в первоначальном варианте, и этот КК позволил решить ряд новых технических задач, причем как в автономном полете, так и в составе орбитальных комплексов.

Стартовая масса всей ракетно-космической системы «Союз» составила 310 т.

Первые полеты человека в космос показали, что для увеличения продолжительности пребывания человека на орбите необходимо улучшить условия внутри КК, прежде всего потребовалось более просторное помещение для космонавтов. Особенно это проявилось при длительных (до 2 недель) полетах американских космонавтов в кабине КК «Джемини». По отзывам этих космонавтов, кабина КК была меньше передней части салона миниатюрного автомобиля «Фольксваген», но с дополнительным пультом управления размером с большой цветной телевизор, втиснутым между сиденьями. На Земле в такой кабине было трудно пробыть и несколько часов (более длительному пребыванию в космосе помогала в некотором смысле невесомость).

Рис. 6. Компоновка КК «Союз»

Приступая к проектированию КК «Союз» (рис. 6), специалисты решили ввести в его состав дополнительный жилой отсек, который назвали бытовым (или орбитальным). Отсек служил космонавтам и рабочим помещением, и комнатой отдыха, и столовой, и лабораторией, и шлюзовой камерой. Такая компоновка является рациональной для многоцелевого КК одноразового использования. В частности, это позволило уменьшить габариты и массу СА, что, как известно, представляется рациональным для КК одноразового использования. В этом случае минимальными становятся и теплозащита, и парашютные системы, и двигатели мягкой посадки, и тормозная двигательная установка с запасом топлива для схода с орбиты.

Суммарный внутренний объем жилых отсеков КК «Союз» составил более 10 м^3, свободный объем — 6,5 м^3, в том числе 4 м^3 для бытового отсека. Помимо СА и бытового отсека в состав КК входил приборно-агрегатный отсек, в котором кроме двигательной установки размещались системы, используемые в орбитальном полете.

Принципиальным отличием нового КК от его предшественников стала прежде всего возможность широкого маневрирования на орбите. Сближающе-корректирующая двигательная установка включала в себя основной и запасной двигатели многократного запуска, которые развивали соответственно тягу около 4,1 и 4 кН, баки с двухкомпонентным топливом до 900 кг (азотная кислота + диметилгидразин), систему подачи топлива и элементы управления. Эта двигательная установка кроме схода с орбиты обеспечивала изменение параметров орбиты и маневрирование КК при сближении с другим космическим аппаратом.

Заключительные маневры при причаливании для осуществления стыковки требовали более тонкого управления скоростью КК. Для этого, а также для выполнения других режимов управления на различных участках полета КК «Союз» снабжался реактивной системой управления, состоящей из нескольких групп управляющих двигателей разной тяги (рис. 7).

Рис. 7. Реактивная система управления КК «Союз»: 1 — датчик температуры, 2 — резервный баллон с газом, 3 — основной баллон с газом, 4 — датчик давления, 5 — клапаны резервного наддува, 9 — клапаны основного наддува, 7 — газовый фильтр, 8 — редуктор, 9 — клапан объединения баков, 10 — резервный бак с топливом, 11 — основные баки с топливом, 12 — клапаны резервного бака, 13 — клапаны основных баков, 14 — клапан разделения магистралей, 15. 16 — клапаны подачи топлива, 17 — топливный фильтр, 18, 19 — коллекторы, 20 — пусковой клапан, 21 — пусковой клапан, 22 — двигатель малой тяги, 23 — двигатель большой тяги

Одна из этих групп, расположенная в районе центра масс КК в приборно-агрегатном отсеке и состоящая из 10 двигателей примерно по 100 Н каждый, применялась для изменения скорости поступательного движения. Для управления ориентацией с высокой точностью в экономичном режиме использовалась группа из 8 двигателей тягой по 10–15 Н, размещенная в хвостовой части этого же отсека. Там же имелось еще 4 двигателя тягой по 100 Н каждый для более эффективного набора угловой скорости при ориентации по тангажу и курсу.

Так же как и на первых советских КК, в жилых отсеках КК «Союз» поддерживалась нормальная воздушная атмосфера с давлением 760 ± 200 мм рт. ст. Система жизнеобеспечения была также построена на описанных ранее принципах с проведением ряда усовершенствований.

Для сведения к минимуму внешнего теплообмена все отсеки КК изолировались так называемой экрановакуумной теплоизоляцией. Дело в том, что из всех видов внешнего теплообмена на орбите имеет значение в условиях вакуума практически только лучистый теплообмен (нагрев за счет излучения Солнца и Земли и охлаждение за счет излучения поверхности самого КК), который зависит прежде всего от так называемых оптических свойств поверхности (степени ее черноты).

Каждый слой экрановакуумной теплоизоляции в некотором приближении отражает лучи хорошо, а многослойный пакет такой теплоизоляции практически исключает как поглощение, так и излучение тепла. Даже некоторые необходимые «окна» (например, сопло основного двигателя) были закрыты крышкой с экрановакуумной теплоизоляцией, снабженной автоматическим приводом для открытия и закрытия крышки.

Однако внутри КК тепло выделяется непрерывно: его выделяют сами космонавты, да и вся потребляемая электроэнергия в конце концов превращается практически в тепло. Поэтому необходим сброс этого тепла за борт КК. С этой целью над частью обшивки приборно-агрегатного отсека был закреплен внешний радиатор, поверхность которого отражала большую часть солнечных лучей и интенсивно излучала тепло в космическое пространство. В результате эта поверхность оказывалась всегда холодной, а циркулировавший по радиатору теплоноситель интенсивно охлаждался.

Количество теплоносителя, протекавшего через радиатор, менялось, и таким образом регулировался сброс тепла. С помощью же насосов теплоноситель через разветвленную систему теплообменников перекачивался во все отсеки КК.

На КК «Союз» совершались полеты (в том числе автономные) различной продолжительности вплоть до 18 сут (КК «Союз-9» с космонавтами А. Г. Николаевым и В. И. Севастьяновым). Большая продолжительность, обширная программа полета и, как следствие, большая сложность систем, потреблявших много электроэнергии, привели к созданию новой системы электропитания с солнечными батареями. Две панели солнечных батарей, раскрываемые после выхода КК на орбиту, обеспечивали электроэнергией все системы КК, в том числе зарядку аккумуляторной батареи, называемой буферной.

Для более эффективной работы солнечных батарей КК ориентируют (если это возможно) так, чтобы плоскости батарей были перпендикулярны солнечным лучам. Такая ориентация обычно поддерживается за счет того, что кораблю сообщается определенная, сравнительно небольшая скорость вращения (этот режим полета так и называется — закрутка на Солнце). При этом заряжаются буферные батареи, и снова можно менять ориентацию КК для выполнения других разделов программы полета.

Следует сказать несколько слов о некоторых преимуществах и недостатках системы электропитания с солнечными батареями. Прежде всего эта сравнительно простая и надежная система становится эффективной только при достаточно продолжительных полетах, поскольку ее масса не зависит от времени использования. В то же время такая система требует достаточно больших раскрываемых панелей, которые ограничивают маневренность КК, особенно в периоды ориентации на Солнце.

К наиболее сложным системам КК «Союз» относился комплекс средств управления маневрированием: коррекцией параметров орбиты, сближением и стыковкой. Эти средства с самого начала были построены так, что имелось несколько контуров управления и сложные маневры могли выполняться в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Команды на включение этих режимов могли выдаваться как космонавтами, так и с Земли по командной радиолинии.

Это, в частности, относилось к управлению и другими системами КК «Союз» (жизнеобеспечения, терморегулирования, электропитания и т. д.). Наличие автоматических контуров усложняло сами системы, однако расширяло возможности при выполнении различных программ и позволило впоследствии создать принципиально новые космические комплексы (орбитальные космические станции «Салют» с транспортной системой снабжения на базе беспилотного грузового корабля «Прогресс»).

Принципиально новыми и сложными оказались системы сближения и стыковки. При выполнении операций сближения и стыковки принимают участие многие, если не большая часть систем КК и наземных средств слежения, управления и контроля. Это, видимо, самые сложные операции комплексного типа, выполняемые на орбите. Чтобы произвести сближение, нужно сначала определить орбиты обоих космических аппаратов, непрерывно пересчитывать эти данные в процессе выполнения маневров КК (ведь каждое включение двигателя изменяет эти параметры).

Для решения этой задачи используются наземные и бортовые навигационные и вычислительные средства. Основным следствием этих вычислений является определение параметров корректирующего импульса. Причем включение двигателя, который обеспечивает этот импульс, должно производиться в строго определенной точке орбиты, в строго заданном направлении, в точно рассчитанное время, и, наконец, двигатель должен проработать вполне определенное время. Только в этом случае космические аппараты станут постепенно сближаться согласно законам небесной механики.

Обычно корректирующих импульсов в процессе сближения выдается несколько. И каждый раз на Земле производятся сложные вычисления на математической модели с учетом законов небесной механики, так чтобы каждый космический аппарат «знал» свой маневр, а для этого требуется скоординированная работа всех систем космических аппаратов. КК должен сориентироваться в расчетное положение в орбитальной системе координат, одна из осей которой направлена к центру Земли и которая непрерывно «вращается» вместе с КК по орбите, а другая ось направлена по вектору скорости КК.

После включения сближающе-корректирующей двигательной установки необходимо поддерживать и стабилизировать угловое положение КК. Само включение или выключение, а также работа основного двигателя и действие системы управления, двигателей реактивной системы управления и других средств требуют согласованной работы других систем (радиосредств управления и контроля, терморегулирования и др.). Естественно, все действия должны быть строго синхронизированы.

В результате всех маневров космические аппараты должны войти в расчетную точку встречи, а чтобы состыковаться, надо прийти туда не только в одно и то же время, как нужно приходить на каждое космическое «свидание» (американские специалисты его так и называют — «рандеву»), но и с небольшими относительными скоростями. Иначе говоря, к моменту выхода в расчетную точку все параметры орбит обоих космических аппаратов должны практически сравняться. После этого законы небесной механики как бы ослабляют свое действие, практически не сказываются на относительном движении, и остаток пути, последние километры, можно сближаться уже «по-самолетному», т. е. придерживаясь соосного положения при постепенном гашении остаточной скорости, бокового и вертикального сноса.

Существует несколько способов и средств, обеспечивающих прохождение последних нескольких километров этого длинного пути — наиболее сложного участка сближения на орбите. На КК «Союз» для этого использовалась специальная аппаратура радионаведения. Она позволяла определять расстояние между космическими аппаратами, скорость сближения и направление «друг на друга». Если относительная скорость вначале была не слишком велика, с помощью специального вычислительного устройства определялись параметры корректирующих импульсов, которые постепенно «загоняли» КК в «узкую трубку», ведущую к стыковке.

Процесс на этом участке полета обычно длится 15–20 мин, и он, пожалуй, самый напряженный на Земле и в космосе. За всеми работающими системами на многочисленных наземных и плавучих пунктах слежения следят сотни операторов и специалистов в центре управления полетом.

Таким образом, начав полет по орбите с относительной (т. е. относительно другого космического аппарата) скоростью в несколько сот метров в секунду, КК подходит к цели своего полета со скоростью меньше 0,5 м/с. Тем не менее нужна целая система амортизаторов, чтобы без повреждений соединить два космических аппарата, каждый из которых имеет массу в несколько тонн или даже десятков тонн. Эту и другие функции по соединению космических аппаратов в единую конструкцию выполняет система стыковки.

Для КК «Союз» было создано несколько вариантов стыковочного устройства. Первая разновидность стыковочных агрегатов, с помощью которых стыковались КК «Союз-4» и «Союз-5», производила лишь жесткое соединение КК. Космонавты А. С. Елисеев и Е. В. Хрунов совершили «пересадку» из одного КК в другой через открытый космос, воспользовавшись бытовым отсеком в качестве шлюзовой камеры.

Созданная позднее, в конце 60-х годов, конструкция обеспечивала уже герметичное соединение стыка с образованием переходного туннеля (рис. 8). Это стыковочное устройство, установленное впервые на орбитальной станции «Салют» и транспортном КК «Союз», успешно эксплуатируется в космосе второй десяток лет. Система стыковки (вся аппаратура управления, участвующая в непосредственном соединении космических аппаратов) может работать автоматически или управляться дистанционно. Такое построение также пригодилось при создании грузовых кораблей «Прогресс».

Рис. 8. Схема стыковки КК «Союз» со станцией «Салют»: а — образование первичной механической связи, б — образование вторичной механической связи, в — нарушение первичной механической связи, г — открытие переходных люков (1 — приемный конус, 2 — штанга, 3 — гнездо, 4 — головка штанги, 5 — замок стыковочного шпангоута, 6 — привод крышки люка, 7 — крышка люка, 8 — рычаг выравнивания)

Комплекс радиосредств КК «Союз» обеспечивает выполнение всех перечисленных ранее пяти основных функций (двусторонней связи, телевидения, траекторных измерений, дистанционного управления, телеметрического контроля) в орбитальном полете, при спуске с орбиты и после приземления. Часть этих средств, размещенная в СА, позволяет поддерживать почти непрерывную двустороннюю связь с космонавтами (кроме участка наиболее интенсивного торможения в атмосфере, когда СА окружен слоем электрически проводящей плазмы, непрозрачной в радиодиапазоне). При спуске на парашюте и после приземления осуществляется радиопеленг.

Как уже говорилось раньше, КК «Союз» стал первым отечественным кораблем, на котором выполнялся управляемый спуск в атмосфере. За счет этого значительно увеличилась точность приземления, упростился поиск и стала более оперативной помощь космонавтам, что особенно важно после длительных полетов, после воздействия при спуске больших физических и эмоциональных перегрузок на человеческий организм, который перед этим адаптировался к полному отсутствию перегрузок в условиях невесомости.

Последнюю точку в полете делает СА при касании о Землю. За счет усовершенствований в системе посадки последняя стала мягкой, что обеспечивается срабатыванием 4 пороховых двигателей, производимым по сигналу специального высотомера на высоте около 1 м. При взлете и посадке космонавты размещаются в КК в ложементах, вложенных в кресла и изготовленных по индивидуальному заказу — ложемент этого кресла делается по контурам тела космонавта. Кроме того, сами кресла имеют специальные амортизаторы. Все это помогает космонавтам переносить большие перегрузки.

Ракетно-космическая система «Союз» снабжена тщательно продуманной системой САС. Последняя обеспечивает отделение и увод от РН части КК в составе так называемого головного блока при возникновении угрожающей ситуации. Спасение экипажа в СА обеспечивается фактически от периода нахождения ракетно-космической системы на стартовом столе до выхода на орбиту. На начальных этапах увод осуществляется специальной твердотопливной двигательной установкой, которая размещена на головном обтекателе РН, предохраняющем КК от аэродинамических нагрузок.

Тяга основного двигателя САС составляет около 800 кН. В состав двигательной установки входит также двигатель бокового увода и двигатель штатного сброса САС тягой около 200 кН. После этого происходит сброс головного обтекателя РН (раскрыв створок при помощи твердотопливных двигателей). Затем КК может быть просто отделен от РН. Причем во всех случаях для приземления используются имеющиеся штатные средства системы приземления.

Программа пилотируемых полетов КК «Союз», начатая 23 апреля 1967 г. В. М. Комаровым на КК «Союз-1», включала в себя 39 полетов КК с космонавтами на борту (в том числе один суборбитальный) и 2 полета КК без космонавтов. Всего в программе участвовало 40 различных советских космонавтов и 9 зарубежных (по программе «Интеркосмос»)[1].

Программа «Аполлон»

Под этим названием в 60-х годах в США проводился огромный комплекс работ, основной задачей которого была высадка человека на Луну. Выполнение программы, престижное значение которой занимало далеко не последнее место, потребовало израсходования около 25 млрд. долл. В целом, однако, это достижение было итогом развития всей мировой науки и техники. Недаром американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин, первыми вступившие на Луну, оставили там вымпелы в честь первого космонавта планеты Ю. А. Гагарина и других советских и американских космонавтов, отдавших свою жизнь за дело освоения космоса.

Для осуществления всех предыдущих программ в США в качестве РН в той или иной мере использовались созданные ранее баллистические ракеты. Для вывода на трассу к Луне космического комплекса массой немногим меньше 50 т пришлось создать гигантскую трехступенчатую РН «Сатурн-5» длиной 110,7 м и стартовой массой (вместе с КК «Аполлон-11») 2905 т при тяге двигателей первой ступени 33 800 кН. Это само по себе представляло собой сложную задачу и требовало длительного времени, поэтому она выполнялась в несколько этапов. Вначале были созданы РН «Сатурн-1» и «Сатурн-1Би», которые применялись для отработочных полетов на околоземных орбитах.

Но даже такой огромной РН, как «Сатурн-5», оказалось недостаточно для прямого полета КК на Луну и возвращения его на Землю. Чтобы уложиться в «полезный груз», определяемый РН, специалисты рассмотрели несколько возможных схем полета со стыковкой в космосе. В принятом варианте космический комплекс состоял из двух частей: основного блока КК «Аполлон» (с маршевой двигательной установкой) массой 28,8 т и двухступенчатого лунного модуля (состоявшего из посадочной и взлетной ступеней) массой 15 т.

После повторного запуска третьей ступени РН «Сатурн-5» на орбите искусственного спутника Земли скорость всего космического комплекса доводилась до 10,83 км/с, достаточной для полета к Луне. Маршевый двигатель основного блока КК «Аполлон» включался в полете многократно. Наибольшее продолжительное время (около 6 мин) он работал для того, чтобы обеспечить выход КК с тремя космонавтами на борту на орбиту искусственного спутника Луны. Основной блок КК с одним космонавтом оставался на такой орбите, а на Луну спускался лунный модуль с двумя космонавтами. Для этого использовалась двигательная установка посадочной ступени, имевшая двигатель с регулируемой тягой.

Перед возвращением на Землю лунному модулю необходимо было вначале вновь попасть на орбиту искусственного спутника Луны и состыковаться с основным блоком КК. С этой целью использовалась взлетная ступень лунного модуля. Затем, для старта к Земле, снова включался (на 149 с) маршевый двигатель основного блока КК. Возвращаемая часть КК входила со второй космической скоростью в земную атмосферу и после торможения в ней совершала посадку на парашютах.

Общую разработку ракетно-космического комплекса в целом и самого КК осуществляли специалисты центра пилотируемых полетов в Хьюстоне. Многие из них участвовали ранее в создании КК «Меркурий», использовался также опыт, накопленный в процессе выполнения программы «Джемини». Ряд вопросов конструирования ракетно-космического комплекса, его отдельных частей и систем потребовал существенной модернизации конструкторских решений или даже нового подхода. Большое внимание уделялось надежности и особенно безопасности полета, однако полностью избежать серьезных аварий как при наземной отработке, так и в полете не удалось.

Рис. 9. Компоновка основного блока КК «Аполлон»: 1 — тормозные парашюты, 2,3 — двигатели управления по тангажу командного модуля, 4 — хранилища груза, 5 — двигатели управления по крену командного модуля, 6 — блок вспомогательных двигателей служебного модуля, 7 — топливные баки маршевого двигателя, 5 — маршевый двигатель, 9 — остронаправленная антенна, 10 — баки топливных элементов, 11 — топливные элементы, 12 — бачок с питьевой водой, 13 — двигатели управления по курсу командного модуля, 14 — огнетушитель, 15 — топливные баки системы ориентации командного модуля, 16 — хранилище пищи, 17 — командир. КК, 18 — основные парашюты, 19 — пилот основного блока, 20 — пилот лунного модуля, 21 — стыковочный механизм

Основной блок КК «Аполлон» состоял из двух модулей (рис. 9): командного, который возвращался на Землю, и служебного с маршевой двигательной установкой и другим оборудованием, использовавшимся при полете в космическом пространстве. Масса командного модуля после приводнения составляла 5,3 т.

Состав систем и их размещение в модулях основного блока примерно соответствовали другим КК, которые использовались для орбитальных полетов. В командном модуле находилось все, что нужно было для трех космонавтов при полете до 16 сут, вплоть до приводнения. Кроме того, в его передней части размещался активный стыковочный агрегат с переходным туннелем. Этот агрегат служил для стыковки с лунным модулем, причем использовался дважды — для перестыковки (рис. 10) и на участке полета к Луне. Необходимость в перестыковке заключалась в том, что лунный модуль находился под основным блоком КК внутри переходника РН. Такая компоновка обеспечивала рациональное построение САС и защищала лунный модуль при полете РН в атмосфере. Вторая стыковка выполнялась на орбите искусственного спутника Луны.

Рис. 10. Схема перестыковки КК «Аполлон»: 1 — основной блок, 2 — створки переходника, 3 — лунный модуль, 4 — третья ступень РН

В служебном модуле кроме маршевого двигателя тягой 91 кН, а также баков с запасом топлива до 18,5 т (аэрозин-50 + четырехокись азота) размещались двигатели реактивной системы управления в виде четырех блоков (четыре двигателя тягой по 450 Н). Эта система с запасом топлива 0,6 т (монометилгидразин + четырехокись азота) в автономных баках была полностью продублирована, в том числе по системе питания. Подобная же система, но из 12 двигателей тягой по 415 Н и запасом топлива 111 кг имелась также в командном модуле для управления КК при спуске в атмосферу.

Кроме того, в служебном модуле размещались топливные элементы системы электропитания (3 комплекта» в том числе запасной, мощностью по 1,4 кВт) с запасом жидкого кислорода и водорода в специальных баках. Имелись также отдельные баки с жидким кислородом для снабжения системы жизнеобеспечения КК при полете в космическом пространстве. Помимо этого в систему электропитания входили аккумуляторные батареи емкостью 400 А. ч и статические (на твердотельных элементах) преобразователи постоянного напряжения (28 В) в переменное (117 В, 400 Гц), необходимое для электропитания аппаратуры. Среднее потребление электроэнергии составляло по КК «Аполлон» приблизительно 2 кВт.

Надежность системы электропитания, основных потребителей и распределителей электроэнергии достигалась, в частности, тем, что на борту фактически имелись две электрические независимые системы (при помощи каждой из них можно было запитывать и управлять всеми основными системами КК). В командном модуле также размещались 3 батареи аккумуляторов емкостью 98 А. ч; две из них служили дополнительным источником электроэнергии в периоды потребления пиковой мощности, еще одна использовалась только для коммутации пиросредств.

Пиротехника нашла широкое применение в ракетно-космической технике. Она используется там, где необходимо одноразовое, очень быстрое срабатывание с высокой надежностью: пиросредства просты, компактны и обладают очень высокой удельной мощностью. С их помощью обычно происходит разделение ступеней РН, сброс обтекателей, элементов САС, разделение отсеков КК, раскрытие различных элементов конструкций, отстрел крышек, производится срабатывание многочисленных клапанов в двигательных установках и других системах. Для выполнения этих действий на КК «Аполлон», например, было установлено около 300 пироустройств.

В ракетно-космической технике нашли применение так называемые дискретные пиросредства (пироболты и пиропатроны) и непрерывные пирошнуры (вытянутые кумулятивные заряды). Примером использования второго типа является устройство для отделения стыковочного шпангоута от командного модуля перед спуском в атмосферу.

Операции, выполняемые с применением пиросредств, относятся обычно к разряду наиболее ответственных, обеспечивающих безопасность экипажа и выполнение основных задач полета. Их срабатывание должно происходить с очень большой надежностью, без осечки. С другой стороны, ни в коем случае не должно произойти их случайного или самопроизвольного срабатывания. Для того чтобы выполнить все эти требования, принимается ряд мер.

На КК «Аполлон» использовался один основной тип пиропатрона. Это позволяло быстро накопить статистические данные. Каждый из двух пиропатронов имел два независимых электрических воспламенителя. Чтобы практически исключить отказы пиросредств, каждый из них запитывался от независимой аккумуляторной батареи. Вся электрическая сеть пиротехники в отличие от остальных электрических цепей выполнялась двухпроводной. Провода каждой пары скручивались и экранировались, что существенно уменьшало электромагнитные наводки.

Для успешного полета на Луну и возвращения на Землю одними из самых критичных агрегатов являлись все три двигательные установки основного блока и лунного модуля (рис. 11).

Рис. 11. Компоновка лунного модуля КК «Аполлон»: 1 — антенна системы связи, 2 — антенна радиолокатора для сближения, 3 — верхний иллюминатор, 4 — выходной люк, 5 — направление полета при посадке; 6 — площадка у выходного люка, 7 — сопло посадочного двигателя, 8 — посадочная ступень, 9 — шасси, 10 — двигатели реактивной системы управления, 11 — отсек оборудования, 12 — стыковочная мишень, 13 — антенна для связи с космонавтом, 14 — люк стыковочного агрегата, 15 — антенна УКВ-приемопередатчика, 16 — взлетная ступень

Существует большое количество схем для ракетных двигательных установок. Наиболее эффективными являются обычно двигатели с турбонасосной подачей топлива. Однако, как показывает статистика, именно турбонасосные агрегаты больше всего подвержены отказам. Вытеснительная система подачи топлива путем заполнения баков газом под высоким давлением менее эффективна, поскольку приходится увеличивать прочность баков, имеющих большие размеры, а давление в камере сгорания при этом обычно уменьшается. Тем не менее, чтобы увеличить надежность полета, применялась вытеснительная система подачи топлива во всех трех двигательных установках. Дополнительно все критичные элементы (клапаны, регуляторы, фильтры и т. д.) были зарезервированы (последовательно и параллельно).

Луна, как известно, лишена атмосферы, поэтому мягкая посадка на ее поверхность зависит целиком от ракетного двигателя. Задача посадки на Луну и последующего взлета с ее поверхности облегчается лишь меньшим притяжением Луны. Первая космическая скорость для Луны равна 1,7 км/с, поэтому тяга обоих двигателей лунного модуля и запасы топлива были сравнительно невелики. Однако спуск с использованием реактивной тяги выдвинул дополнительную проблему — необходимость ее «глубокого» регулирования. Двигатель посадочной ступени лунного модуля мог изменять свою тягу от 4,6 до 28,0 кН и, кроме того, имел возможность увеличивать тягу до 46,5 кН. Это достигалось в первую очередь за счет применения форсунок изменяемого сечения. Запас топлива (аэрозин-50 + четырехокись азота) в баках составлял 8,2 т.

Подобно маршевому двигателю служебного модуля, двигатель посадочной ступени лунного модуля для управления по тангажу и курсу устанавливался в карданном подвесе и отклонялся при помощи рулевых приводов. Двигатель взлетной ступени лунного модуля, создаваемый более простым для обеспечения максимальной надежности, устанавливался неподвижно. Он имел тягу 15,6 кН и запас топлива в баках 2,36 т.

Такой же подход, с многократным резервированием, использовался и при проектировании трех систем двигателей реактивной системы управления (на командном модуле, служебном модуле и взлетной ступени лунного модуля). Причем на взлетной ступени лунного модуля было расположено 16 двигателей тягой по 450 Н, объединенных в 4 группы, а также баки с суммарным запасом топлива (аэрозин-50 + четырехокись азота) 266 кг.

Специфика полета на Луну вызвала повышенные требования к точности измерений и к характеристикам ряда систем. Например, очень точно приходилось решать навигационные задачи, особенно для определения корректирующих маневров на участках полета Земля — Луна и Луна — Земля. На первом участке это требовалось для обеспечения выхода на окололунную орбиту, а на втором — для попадания в узкий коридор входа в земную атмосферу. Ширина этого коридора, ограниченного с одной стороны «стеной» ее слишком плотных слоев, а с другой — «бездонной пропастью» космоса, не превышала 42 км.

Положение КК «Аполлон» определялось как наземными, так и бортовыми средствами. Данные, полученные американскими космонавтами при помощи секстанта, вводились в бортовую цифровую вычислительную машину. Причем обычно выполнялось несколько попыток со статистической оценкой результатов, производимой самой этой машиной. На окололунной орбите только комбинированное использование результатов бортовых и наземных измерений позволяло получать необходимые параметры с требуемой точностью.

При больших удалениях от Земли усложнялось выполнение всех функций радиотехнического комплекса. Для связи с КК была разработана и использовалась унифицированная радиосистема, работавшая в дециметровом диапазоне длин волн. С помощью этой радиосистемы обеспечивалось поддержание двухсторонней голосовой связи с космонавтами, передача с борта телевизионных изображений и телеметрической информации, траекторные измерения, передача на борт радиокоманд и уставок.

Прием и передача на основной блок КК «Апполон» осуществлялись через четыре всенаправленные и одну остронаправленную антенны. Остронаправленная антенна, установленная в хвостовой части служебного модуля, раскрывалась после старта к Луне на расстоянии 4500 км от Земли. Эта антенна, имевшая регулируемую диаграмму направленности, автоматически наводилась на Землю при помощи следящих приводов.

Приемопередатчик этой унифицированной системы устанавливался также и на лунном модуле. Связь поддерживалась через две всенаправленные и одну поворотную остронаправленную антенны. Для повышения качества телевизионного изображения космонавты после выхода на поверхность Луны разворачивали трехметровую антенну с параболическим отражателем.

На командном и лунном модулях имелись также приемопередатчики для поддержания прямой голосовой связи, работавшие в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах. Эта аппаратура, установленная на командном модуле, использовалась, кроме того, для обнаружения космонавтов и связи с ними после приводнения. Причем на случай приводнения на большом удалении от расчетной точки посадки предусматривалась связь через аппаратуру КВ-диапазона.

Активные операции по сближению для стыковки на селеноцентрической орбите при нормальном протекании полета выполнялись взлетной ступенью лунного модуля. Взаимное положение и относительная скорость (угловая и по дальности) определялись при помощи радиолокатора, работавшего в диапазоне от 15 м до 740 км. На основном блоке КК был установлен приемоответчик, однако на небольших расстояниях радиолокатор мог работать и без него. При сближении происходил непрерывный обмен информацией между радиолокатором и бортовой цифровой вычислительной машиной, которая вырабатывала команды управления радиолокатором и вычисляла величины корректирующих импульсов, обеспечивающих встречу на орбите.

В случае необходимости активную роль по сближению мог выполнять и основной блок КК. Для этой цели с использованием УКВ-приемопередатчика была предусмотрена возможность определения дальности до лунного модуля, на котором был установлен дополнительный приемоответчик. Для управления спуском на Луну предназначался отдельный радиолокатор, с помощью которого определялись высота и скорость спуска. Информация, которая вырабатывалась радиолокатором, поступала в бортовую цифровую машину и на индикаторы пульта космонавтов.

Уже говорилось, что во всех первых трех пилотируемых программах США создавалась чисто кислородная атмосфера в кабинах КК. Однако только в начале экспериментальной работы над КК «Аполлон» американские специалисты по-настоящему ощутили всю опасность такого подхода. Как известно, при подготовке первого пилотируемого КК «Аполлон» произошел пожар в командном модуле, в результате которого погибли космонавты В. Гриссом, Э. Уайт и Р. Чаффи. Причиной пожара стало возгорание элементов кабины в среде чистого кислорода в результате замыкания в электрической цепи.

Специальная комиссия в течение 2,5 мес проводила тщательное и всестороннее расследование причин аварии и выработку ряда рекомендаций по изменению конструкции, материалов, процедуры и условий испытаний. В результате было внесено большое число изменений в конструкцию, заменены многие материалы и детали кабины. В частности, был полностью переработан механизм входного люка командного модуля, после чего он мог открываться изнутри за 2 с (вместо 60–90 с, как было раньше). Оценивалось, что доработки удлинили сроки выполнения программы на 1,5 года.

После наземного пожара самой тяжелой была авария с КК «Аполлон-13», на котором произошел взрыв кислородного бака в служебном модуле. Характерна и поучительна причина этого взрыва — сочетание скрытого конструктивного дефекта и эксплуатационной ошибки. При наземных испытаниях через электрический нагреватель случайно прошел повышенный ток, расплавивший изоляцию; в полете нагреватель включился и возникло короткое замыкание. Аварии могло и не быть, если этот элемент не имел бы прямого контакта с кислородом. Чтобы вернуться на Землю, облетев Луну (только в этом случае космонавты могли вернуться на Землю), космонавты Дж. Ловелл, Дж. Суиджерт и Ф. Хейс воспользовались лунным модулем с его кислородом, электроэнергией, двигателями и другим оборудованием.

Эффективное управление обеспечивало вход КК «Аполлон» в земную атмосферу со второй космической скоростью и торможение в атмосфере. Приводнение командного модуля выполнялось на системе парашютов — три основных парашюта снижали скорость приводнения до 8 м/с. При отказе одного из парашютов эта скорость могла быть до 10,5 м/с, однако и при этом обеспечивалась безопасная посадка. Именно такой случай произошел при спуске на Землю КК «Аполлон-15».

Для того чтобы уменьшить нагрев боковой конической поверхности командного модуля в атмосфере при возвращении на Землю, конусность модуля увеличивали (до угла раскрыва 66°), когда величина суммарного теплового потока достигала 100 тыс. ккал/м^2. Но как нередко бывает, решение одной проблемы создало другую. При такой форме командный модуль имел в воде два устойчивых положения, и нередко после приводнения космонавты оказывались вниз головой в кабине, раскачивающейся на волнах. На возвращение в нормальное положение, а для этого надувались специальные баллоны, уходило несколько минут. Эти минуты были нелегкими дополнительными испытаниями для космонавтов, возвращавшихся на Землю после продолжительного пребывания в невесомости.

Ряд систем, которыми снабжался ракетно-космический комплекс на случай возникновения аварийных ситуаций, так и не был испытан в полете. К ним, например, относилась САС, которая была подобна созданной для КК «Меркурий». При возникновении аварии при спуске на Луну предусматривалось спасение космонавтов и возвращение их в основной блок КК «Аполлон». При отказах посадочной ступени или других систем лунного модуля предполагалось аварийное разделение ступеней и возвращение на орбиту с помощью двигательной установки взлетной ступени. В распоряжении космонавтов находилась резервная система управления, способная выполнить все необходимые операции.

Надо сказать, что характерной особенностью подготовки и проведения космических полетов является детальное планирование не только всех этапов основной программы, но и дополнительных резервных вариантов — так называемых нештатных ситуаций. И хотя на самом деле расчетные (т. е. заранее разработанные) нештатные ситуации, как правило, не происходят — не реализуются в полете (жизнь, как всегда, оказывается гораздо богаче любых моделей), тем не менее такой подход к проектированию ракетно-космической техники и соответствующая подготовка программы оказывают неоценимую услугу для обеспечения надежности и безопасности полетов.

11 КК «Аполлон» использовались при отработке и полетах к Луне (6 из 9 полетов к Луне включали в себя посадку лунного модуля на ее поверхность). Кроме того, основной блок КК «Аполлон» применялся для доставки трех экспедиций американских космонавтов на орбитальную станцию «Скайлэб» и при осуществлении программы ЭПАС (с помощью РН «Сатурн-1Би»). Всего в полетах на КК «Аполлон» приняли участие 39 различных американских космонавтов[2].

Программа ЭПАС

Около полутора десятилетий космическая техника в СССР и США развивалась относительно независимо. Одним из мотивов объединения усилий явилось стремление иметь возможность оказывать взаимную помощь в космосе. Для этого необходима была прежде всего техническая основа и нужны были совместимые КК, способные взаимодействовать и состыковываться. Но в первую очередь в подобных делах требовалась добрая воля, которая наметилась было во взаимоотношениях стран в начале 70-х годов. Таковы были предпосылки осуществления программы экспериментального полета «Аполлон» — «Союз» (ЭПАС).

В результате первых встреч специалисты обеих стран впервые воочию убедились в разнице систем КК «Союз» и «Аполлон». К этим системам, нуждающимся в совместимости при осуществлении программы ЭПАС, прежде всего относились системы сближения, стыковки, жизнеобеспечения и связи. Вначале были созданы 4 смешанные рабочие группы по этим системам, позже к ним присоединилась пятая, ответственная за общую увязку технических вопросов, организацию и планирование (эта группа получила порядковый № 1). Эти специалисты во главе с техническими директорами проекта (с советской стороны членом-корреспондентом АН СССР К. Д. Бушуевым, с американской — доктором Г. Ланни) преодолели все противоречия и подготовили экспериментальный полет КК «Союз» и «Аполлон».

КК «Союз-19» и «Аполлон», изготовленные и испытанные по программе ЭПАС независимо, стартовали 15 июля 1975 г. соответственно с космодрома Байконур и космодрома им. Кеннеди. Между КК была установлена двухсторонняя связь, они сблизились и произвели одну за другой две стыковки (17 и 19 июля). Общая масса состыкованных КК составила 20,97 т. Воспользовавшись переходным модулем, советские и американские космонавты совершили несколько взаимных визитов. После успешного выполнения программы КК «Союз-19» благополучно приземлился (а КК «Аполлон» приводнился) в расчетном районе.

Для обеспечения совместимости технических систем использовались различные методы. Совместимость, например, стыковочных агрегатов, непосредственно механически взаимодействующих и соединяемых частей КК, была обусловлена тем, что создали принципиально новое стыковочное устройство. Вместо стыковочного механизма с конусом и штырем, который служил рабочим элементом амортизатора и производил предварительные выравнивание и стягивание КК «Союз», в новой конструкции по периферии стыковочных шпангоутов размещались кольца с тремя лепестками.

При взгляде с торца оба агрегата выглядят одинаковыми, но тем не менее соединяются между собой; специалисты в этом случае их называют андрогинными (двуполыми в переводе с древнегреческого). Кроме того, каждый агрегат мог выполнять как активную роль (производить все операции при помощи расположенных на нем механизмов), так и пассивную роль. Андрогинные периферийные агрегаты стыковки (АПАС) незаменимы там, где требуется обеспечить возможность стыковки многих космических аппаратов между собой.

Специалисты каждой страны спроектировали и изготовили свой АПАС, который существенно отличался по принципиальной схеме и по конструкции отдельных элементов. Совместимость АПАС достигалась согласованием минимального числа размеров и характеристик. Такой подход существенно упростил всю работу. Совместимость была проверена при совместных испытаниях и контрольной проверке летных агрегатов.

Непросто оказалось совместить «земную» атмосферу КК «Союз» с чисто кислородной атмосферой КК «Аполлон». Было решено создать специальный переходный стыковочный модуль, который размещался при старте с Земли на РН «Сатурн-1Би» под КК «Аполлон» подобно тому, как лунный модуль на РН «Сатурн-5». После выхода на орбиту происходила перестыковка, и КК с переходным стыковочным модулем окончательно отделялся от РН. В этом модуле могла создаваться атмосфера как одного, так и другого КК.

Чтобы ускорить и облегчить для советских и американских космонавтов переходный процесс от кислородно-азотной атмосферы (КК «Союз») к чисто кислородной (КК «Аполлон»), общее давление в КК «Союз-19» было понижено до 520 мм рт. ст. Таким путем удалось избежать длительного процесса десатурации — постепенного удаления азота, растворенного в крови, при переходе в кислородную атмосферу.

Совместимость радиосвязи обеспечивалась сравнительно просто: на каждом КК установили по приемопередатчику, имевшему требуемые характеристики (частоту и т. п.). Потребовалось, однако, провести большой объем испытаний, подтвердивших совместимость новых радиолиний, включая испытания летной аппаратуры на космодромах. После стыковки космонавты соединяли электрические разъемы межкорабельной проводной связи (эти разъемы размещались в переходном тоннеле АПАС). Проводная линия использовалась для телефонной связи, а также для передачи телевизионных сигналов и подключения другой аппаратуры, которая применялась при переходах космонавтов из одного КК в другой.

Чтобы соответствующая радиоаппаратура КК «Аполлон» могла проводить необходимые для сближения измерения относительной дальности и скорости, еще один приемопередатчик установили на КК «Союз-19».

Были согласованы и установлены на обоих КК основные и резервные мишени, которые использовались для окончательного выравнивания при стыковке, а также импульсные световые и навигационные огни. Схема размещения совместимых средств сближения и стыковки на КК «Союз-19» показана на рис. 12. Регламентировались также некоторые режимы и процедуры управления КК на конечном участке причаливания и после стыковки. Наряду с проблемами обеспечения совместимости технических систем было решено огромное количество организационных, методологических и даже психологических проблем.

Рис. 12. Совместимые средства сближения и стыковки на КК «Союз-19»: 1 — бытовой отсек, 2 — СА, 3 — приборно-агрегатный отсек, 4 — солнечные батареи, 5 — АПАС, 6 — антенны УКВ-приемопередатчика КК «Аполлон», 7 — антенны УКВ-приемопередатчика КК «Союз-19», 8 — импульсные световые маяки, 9 — стыковочная мишень, 10 — навигационные бортовые огни, 11 — УКВ-радиоаппаратура, 12 — солнечный датчик

При подготовке и осуществлении экспериментального» полета удалось увязать такие комплексные организационно-технические вопросы, как подготовка космонавтов, планирование и управление полетом. В этом полете было проведено в общей сложности 22 научных эксперимента. В целом программа ЭПАС показала реальность преодоления всех проблем технической и человеческой совместимости, какими бы неразрешимыми они ни представлялись вначале.

КК многоразового использования

Все описанные ранее КК обладали общей характерной особенностью: они и их РН использовались только для одного полета. Более того, мягкую посадку на Землю совершал лишь один отсек КК, в котором находился экипаж. Естественно, с самого начала космических полетов конструкторы стали задумываться над тем, как создать КК и, возможно, РН пригодными для многократного использования. Задача оказалась непростой, первый многоразовый КК вышел на орбиту только через 20 лет после полета Ю. А. Гагарина. Но дело не только в этом, и сейчас далеко не очевидно, соответствует ли достигнутый эффект вложенным затратам в широком смысле этого слова.

Следует также отметить, что до последнего времени пилотируемые полеты использовались в подавляющем большинстве случаев в мирных целях, в интересах науки и для решения прикладных задач. К сожалению, однако, обострение международной напряженности меняет эту ситуацию. Агрессивные силы США, в руках которых находятся власть и огромные средства в стране, все больше склоняют космические программы, в том числе пилотируемые, в сторону их милитаризации. Сказанное относится и к программе создания многоразового транспортного КК (МТКК) «Спейс Шаттл».

Работы по созданию МТКК начались в США в конце 60-х годов. Было рассмотрено несколько вариантов. В начале 70-х годов остановились на промежуточном варианте — с частичной многоразовостью, получившем название «Спейс Шаттл» («Космический челнок»). Общий вид МТКК, который имеет стартовую массу 2100 т, показан на рис. 13.

Рис. 13. Компоновка МТКК: 1 — орбитальный корабль, 2 — под весной топливный бак, 3 — твердотопливные ускорители

В качестве первой ступени РН (точнее, ускорителей) используются два твердотопливных ракетных блока тягой по 13 000 кН, которые после отделения приводняются на парашютах (однако к настоящему времени ни один из них повторно не использовался). Три основных, жидкостных реактивных двигателя тягой по 1670 кН установлены на самом МТКК. Топливо для этих двигателей (700 т жидкого кислорода и водорода) находится в подвесном баке. После того как топливо полностью расходуется, бак сбрасывается и тормозится; он входит в атмосферу, разрушается, а его остатки тонут в океане. МТКК «дотягивает» до орбитальной скорости при помощи своей двигательной установки МТКК, работающей на двухкомпонентном топливе (аэрозин-50 + четырехокись азота) и состоящей из двух двигателей тягой по 26,5 кН (эта установка также используется для маневрирования на орбите). Для ориентации МТКК на орбите имеется реактивная система управления из 44 двигателей тягой от 3,9 до 0,11 кН. Эти двигатели объединены в 3 блока (один носовой и два хвостовых), суммарная масса топлива, сжигаемая системой на орбите, до 15 т.

В кабине МТКК, имеющей внутренний объем 78 м^3, помещается экипаж (2–4 космонавта) и «пассажиры» (до 6 человек). В центральной части фюзеляжа находится грузовой отсек, в котором на орбиту доставляется полезный груз (до 30 т) и спускается груз с орбиты (до 15 т). Разгрузка и загрузка производится при открытых створках грузового отсека при помощи специального манипулятора общей длиной 15 м.

После выполнения программы полета МТКК сходит с орбиты и тормозится в атмосфере. Поскольку МТКК, относится к летательным аппаратам с аэродинамическим качеством (1,1–4,5), он способен при спуске совершать маневр в боковом направлении до 2000 км. На МТКК нет воздушно-реактивного двигателя для полета в атмосфере, поэтому он совершает посадку, в сущности, как планер, — на специальную полосу длиной около 5 км.

Практически вся поверхность МТКК покрыта слоем теплозащиты разного состава и толщины, в целом она весит около 9 т. Общая масса МТКК с полезной нагрузкой составляет примерно 111 т.

В состав МТКК входят все системы, обеспечивающие полет на активном участке, в космосе и при спуске, подобные системам одноразовых КК. Дополнительно в его состав включены технические средства, используемые при полете на заключительном участке приземления, аналогичные системам современных самолетов. МТКК снабжен средствами диагностики состояния многочисленных систем. Подобный технический комплекс, отличающийся многообразием внутренних связей и централизованностью управления, оказался чрезвычайно» сложным по структуре, программированию работ, отладке и профилактическому обслуживанию.

Разработка МТКК длилась более 10 лет, и сумма затрат оценивается некоторыми специалистами в 20 млрд. долл. с учетом всех дополнительных расходов на устранение многочисленных неполадок, возникших уже при эксплуатации.

Помимо многоразовости, существенными особенностями МТКК являются возможность возвращения ценного оборудования с орбиты на Землю, большая маневренность на орбите и особенно в атмосфере, выполнение профилактических и ремонтных работ на космических аппаратах непосредственно на орбите, посадка в условиях космодрома, а не в безбрежных просторах океана, в пустыне или полупустыне. Перспективным представляется создание на базе МТКК орбитальных комплексов по сборке под наблюдением и с участием человека крупногабаритных конструкций для строительства больших антенн, солнечных отражателей и т. п.

Учитывая универсальность, большие технические возможности и гибкость созданной системы, вполне вероятно, что в процессе использования МТКК выявятся дополнительные возможности, которые в настоящее время с трудом поддаются прогнозированию. С другой стороны, видны и недостатки, присущие уже сейчас осуществленному варианту многоразовой транспортной системы. Если рассматривать МТКК просто как средство доставки полезного груза на орбиту, то эта система нерациональна. Подобная РН, израсходовав такое же количество топлива, может вывести в космос в 3–4 раза более массивный груз. Напомним, что РН «Сатурн-5» (со стартовой массой 2900 т) выводила на околоземную орбиту космические аппараты массой 140 т. Или другой пример — орбитальная советская станция «Салют» массой около 20 т запускается в космос с помощью в несколько раз более легкой РН «Протон».

Следовательно, такая нерациональность должна по крайней мере компенсироваться другими факторами. Ряд из них, о которых шла речь раньше, очевиден. Но достаточно ли этого?

Таким образом, созданный МТКК в целом в настоящее время вряд ли поддается окончательной оценке. Аналогичная ситуация нередко возникает при разработке теории сложных физических явлений, в которых действуют много факторов, в том числе в противоположных направлениях. Только детальное и глубокое исследование и анализ результатов может дать определенный отрет на этот вопрос. В данном случае многое будет зависеть еще и от того, в каком направлении и какими темпами будет развиваться космическая техника в целом.

В принципе проработаны и в настоящее время рассматриваются несколько направлений создания или усовершенствования МТКК. В частности, изучаются варианты с возможностью повторного использования всех составных частей. К ним относится, например, разработанный в конце 60-х годов проект двухступенчатого «самолета», второй ступенью которого является МТКК, аналогичный созданному в США. Возможны варианты как двухступенчатого, так и одноступенчатого воздушно-космического самолета, стартующего горизонтально со взлетно-посадочной полосы.

Вторым направлением в создании МТКК является разработка одноступенчатой (или двухступенчатой) многоразовой РН, по форме напоминающей СА одноразового КК, но существенно большей массы и габаритов, с полезной нагрузкой, составляющей несколько сотен тонн. Наряду с «большими» КК внимание специалистов в последнее время привлекает идея создания легких крылатых МТКК, стартующих или на одноразовых РН, или: с самолетов-носителей. В последнем случае самолеты-носители становятся летающей «стартовой площадкой» для МТКК.

Транспортный КК «Союз Т»

С начала проектирования КК «Союз» прошло уже более 20 лет. Естественно, за это время техника в целом и космическая техника, в частности, как ее ведущая отрасль шагнули далеко вперед. На космических аппаратах стали широко применяться бортовые вычислительные машины, появились новые материалы и элементы, созданы усовершенствованные технические средства, бортовые и наземные системы, в производство внедрилась более прогрессивная технология.

С другой стороны, принципиальная схема и конфигурация КК «Союз» оказались удачными для многоцелевого корабля, в первую очередь как транспортного космического средства. Кроме того, для полета человека в космос целесообразно было сохранить РН, отработанную, надежную, создавшую целую эпоху в освоении космического пространства. Эти соображения легли в основу работы по модернизации КК, в результате которой» появился новый, более совершенный КК «Союз Т», первый полет которого («Союз Т-2») с космонавтами Ю. В. Малышевым и В. В. Аксеновым был выполнен 5–9 июня 1980 г.

Современный летательный аппарат — это прежде всего комплекс средств управления. Наряду с энерговооруженностью этот комплекс определяет возможности КК. Поэтому переработке в первую очередь подверглась система управления. В состав КК включили бортовую цифровую вычислительную машину. Ее введение коренным образом повлияло на многие принципы управления в целом, на управление и контроль отдельных систем КК, расширило его функциональные возможности.

Система управления движением стала более точной, гибкой в эксплуатации и надежной. Это было достигнуто прежде всего за счет того, что исключили гироскопическую платформу (систему так и стали называть — бесплатформенной). В результате стали более эффективными процессы ориентации, маневрирования и сближения в орбитальном полете и спуска на Землю.

Особенно наглядно преимущества новой системы управления движением КК проявляются на самом напряженном участке полета — при сближении с орбитальной космической станцией. Бортовая вычислительная машина не только координирует и управляет, помимо прочего, другими системами, она позволяет оптимизировать процесс (например, одни и те же маневры в принципе можно выполнять с использованием различных двигателей). Появилась возможность быстро, как это умеет делать только вычислительная машина, просчитывать несколько возможных вариантов и выбирать самый экономичный. При этом сохраняется возможность космонавту, контролирующему процесс, вмешиваться в этот процесс или полностью брать управление на себя.

Бортовая цифровая вычислительная машина координирует и контролирует работу других систем КК. Управление этими системами также может осуществляться в одном из режимов — автоматическом, ручном и дистанционном (с Земли), а также в комбинированном режиме. Причем бортовая вычислительная машина не только берет на себя рутинные функции, освобождает космонавтов от многих обязанностей, но и может «советоваться» с космонавтом, подсказывать ему более оптимальные решения.

Последнее осуществляется посредством так называемого дисплея, введенного в пульт КК, — электронного экрана, на котором высвечивается необходимая информация. Та появляется на дисплее в виде слов, цифр, графиков и изображений, передаваемых наружной телекамерой (например, изображение приближающейся орбитальной станции). «Картинка», высвечиваемая на экране, одновременно при помощи телевизионного радиоканала может передаваться на Землю и появляться на мониторах центра управления полетом. Все это значительно расширяет возможности управления КК.

Было модернизировано большинство бортовых систем КК. Так, на первых модификациях КК «Союз» реактивные системы управления работали на однокомпонентном топливе (перекись водорода), на КК «Союз Т» управляющие двигатели, размещенные на приборно-агрегатном отсеке, объединились по системе питания с основной сближающе-корректирующей двигательной установкой. Эта объединенная система, которая стала называться комбинированной, работает на более эффективном двухкомпонентном топливе.

Основной двигатель сближающе-корректирующей установки, также созданный вновь, установлен на карданном подвесе и может отклоняться при помощи рулевых приводов для стабилизации КК. В целом объединенная система позволяет более гибко использовать бортовые запасы топлива, особенно в нештатных ситуациях. Так, при отказе основного двигателя можно для схода с орбиты воспользоваться управляющими двигателями.

Повышена мощность и увеличены запасы и ресурс ряда систем и агрегатов: солнечной и буферной батарей системы электропитания, а также системы жизнеобеспечения (за счет введения дополнительных баллонов со сжатым кислородом и других усовершенствований), насосов и вентиляторов системы терморегулирования с бесколлекторными двигателями. Новая парашютная система, более мощные двигатели мягкой посадки увеличили комфорт и безопасность приземления. Модернизация твердотопливных двигателей и других элементов САС также повысила безопасность на случай возникновения различных аварийных ситуаций.

Значительной переработке подвергли комплекс радиосредств. Так, бортовые антенны системы командной радиолинии выполнили в виде антенной решетки и расположили их на концах солнечных батарей и корпусе КК. В результате всех модификаций повысилась эффективность передачи информации на борт КК (по командной радиолинии) и с борта (по телеметрической системе и телевизионному каналу).

В заключение отметим, что дальнейшие перспективы пилотируемой программы освоения космоса в первую очередь зависят от целей и задач этого освоения. В этом плане особое значение приобретает Заявлений Советского правительства по широкому кругу вопросов, реализация которых обеспечила бы предотвращение милитаризации космического пространства. Предложение СССР правительству США приступить к переговорам по этим вопросам вызывает самый широкий и позитивный отклик со стороны миролюбивых сил всех стран.

Примечания

1

См. приложение «От Гагарина до наших дней», помещенное в брошюре «Ю. А. Гагарин (к 50-летию со дня рождения)». М., Знание, 1984.

2

См. приложение «От Гагарина до наших дней», помещенное в брошюре «Ю. А. Гагарин (к 50-летию со дня рождения)». М., Знание, 1984.

Content

Бобков Валентин Николаевич и др Космические корабли

Начало пилотируемых полетов

Программа «Меркурий»

Стартуют многоместные корабли

Промежуточный шаг

Многоцелевой КК «Союз»

Программа «Аполлон»

Программа ЭПАС

КК многоразового использования

Транспортный КК «Союз Т»

Примечания