Начало пилотируемых полетов
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 м3.
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, К2О4) 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.