Многоцелевой КК «Союз»

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 м³, свободный объем — 6,5 м³, в том числе 4 м³ 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].