Промежуточный шаг

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 м³, 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).