Программа «Меркурий»

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 м³ 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.