Читаем Космические корабли онлайн бесплатно

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.

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.

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.