Пилотирование ракеты

1001175_ph08568 Статьи

КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ. Пилотируемый космический полет – это передвижение людей в летательном аппарате за пределами земной атмосферы по орбите вокруг Земли или по траектории между Землей и другими небесными телами с целью исследования космического пространства или проведения экспериментов. В Советском Союзе космических путешественников назвали космонавтами; в США их называют астронавтами.

В этой статье обсуждаются первые американские и советские пилотируемые полеты, включая программы высадки на Луну и экспериментальный полет «Аполлон» – «Союз». также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ»; КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ.

ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

Три основные системы необходимы для осуществления продолжительного полета космического корабля за пределами атмосферы и безопасного возвращения на Землю: 1) достаточно мощная ракета для выведения КК на орбиту вокруг Земли или траекторию полета к другим небесным телам; 2) тепловая защита корабля от аэродинамического нагрева во время возвращения на Землю; 3) система наведения и управления для обеспечения нужной траектории движения корабля.

При разработке оружия в ходе Второй мировой войны были созданы необходимые технологии, а гонка ядерных вооружений в 1950-х годах способствовала их дальнейшему совершенствованию. Появление космических ракет-носителей было связано с разработкой межконтинентальных баллистических ракет (МБР) с достаточно большой забрасываемой массой, которые позволили выводить аппараты массой 1–2 т на низкую околоземную орбиту. Создание системы теплозащиты стало возможным после разработки абляционных материалов, которые испаряются вследствие трения о воздух при прохождении с высокой скоростью через атмосферу. И наконец, высокоточные и компактные инерциальные системы наведения были разработаны для баллистических ракет с мобильным стартом. Точность попадания этих ракет в цель с расстояния в несколько тысяч километров составляет всего несколько сотен метров. также ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ; ВОЙНА ЯДЕРНАЯ.

Основной блок КК «Аполлон».

Как у кораблей «Меркурий» и «Джемини», отсек экипажа КК «Аполлон» имеет форму конуса с теплозащитным экраном из абляционного материала. Парашюты и оборудование для посадки располагаются в носовой части конуса. Три космонавта занимают места рядом друг с другом в специальных креслах, прикрепленных к основанию капсулы. Перед ними находится панель управления. В вершине конуса предусмотрен небольшой тоннель к выходному люку. На противоположной стороне имеется штырь стыковочного узла, который входит в стыковочное отверстие лунной кабины и плотно стягивает их так, чтобы захваты могли обеспечить герметичное соединение двух кораблей. На самом верху корабля установлена система аварийного спасения (более мощная, чем на ракете «Редстоун»), с помощью которой отсек экипажа может быть уведен на безопасное расстояние в случае аварии на старте.

27 января 1967 во время имитационного отсчета времени перед первым пилотируемым полетом случился пожар, в котором погибли три космонавта (В. Гриссом, Э. Уайт и Р. Чаффи).

Основные изменения в конструкции отсека экипажа после пожара заключались в следующем: 1) были введены ограничения на использование горючих материалов; 2) изменен состав атмосферы внутри отсека перед стартом на смесь 60% кислорода и 40% азота (в воздухе при нормальных условиях 20% кислорода и 80% азота), после запуска кабина продувалась, и атмосфера в ней заменялась на чисто кислородную при пониженном давлении (экипаж при этом, находясь в скафандрах, все время пользовался чистым кислородом); 3) добавлен быстро открывающийся аварийный люк, который позволял экипажу покинуть корабль менее чем за 30 с.

Отсек экипажа соединен с цилиндрическим двигательным отсеком, в котором находится маршевая двигательная установка (ДУ), двигатели системы ориентации (СО) и система электропитания (СЭП). ДУ состоит из маршевого ракетного двигателя, двух пар баков горючего и окислителя. Этот двигатель должен использоваться для торможения корабля при переходе на окололунную орбиту и разгона для возвращения на Землю; кроме того, он включается для промежуточных коррекций траектории полета. СО позволяет контролировать положение корабля и маневрировать при стыковке. СЭП обеспечивает корабль электроэнергией и водой (которая образуется при химической реакции между водородом и кислородом в топливных элементах).

Общая схема полета.

КК «Аполлон» запускался с космодрома им. Кеннеди, расположенного на о. Мерритт (шт. Флорида). Лунная кабина при этом располагалась внутри специального кожуха над третьей ступенью ракеты «Сатурн-5», а основной блок крепился к верхней части кожуха. Три ступени ракеты «Сатурн» выводили космический корабль на низкую околоземную орбиту, где экипаж в течение трех витков проверял все системы перед повторным включением двигателей третьей ступени для выведения корабля на траекторию полета к Луне. Вскоре после выключения двигателей третьей ступени экипаж отстыковывал основной блок, разворачивал его и пристыковывал к лунной кабине. После этого связка основного блока и лунной кабины отделялась от третьей ступени и корабль в течение следующих 60 ч совершал полет к Луне.

Вблизи Луны связка основной блок – лунная кабина описывала напоминающую восьмерку траекторию. Находясь над обратной стороной Луны, космонавты включали маршевый двигатель основного блока для торможения и перевода корабля на окололунную орбиту. На следующий день два космонавта переходили в лунную кабину и начинали пологий спуск к поверхности Луны. Сначала аппарат летит посадочными стойками вперед, а двигатель посадочной ступени тормозит его движение. При приближении к месту посадки кабина разворачивается вертикально (посадочными стойками вниз), чтобы космонавты могли видеть поверхность Луны и осуществлять ручное управление процессом посадки.

Для исследования Луны космонавты, находясь в скафандрах, должны были разгерметизировать кабину, открыть люк и спуститься на поверхность по лестнице, расположенной на передней стойке посадочного шасси. Их скафандры обеспечивали автономную жизнедеятельность и связь на поверхности продолжительностью до 8 ч.

После окончания исследований космонавты поднимались во взлетную ступень и, стартуя с посадочной ступени, возвращались на окололунную орбиту. Затем они должны были сблизиться и состыковаться с основным блоком, покинуть взлетную ступень и присоединиться к третьему космонавту, дожидавшемуся их в отсеке экипажа. Во время последнего витка, находясь с обратной стороны Луны, они включали маршевый двигатель, чтобы завершить восьмерку и вернуться на Землю. Обратное путешествие (также продолжительностью около 60 ч) заканчивалось огненным прохождением через земную атмосферу, плавным спуском на парашютах и приводнением в Тихом океане.

Строительство и эксплуатация ракет-носителей — это своеобразная «черная команда» космонавтики. Большая и сложная работа делается незаметно, а большинство лавров достаются разработчикам полезной нагрузки. Мы забыли о сложности задач, которые решаются при проектировании и производстве ракет-носителей. Эта статья призвана показать важность темы и представить небольшой ликбез тем, кто хотел бы узнать, «как оно летает».

Введение

Уже семьдесят лет, отсчет которых начался с первых пусков «Фау-2», ракеты так и норовят упасть. Конечно, сейчас им это сделать сложнее, и количество аварий измеряется процентами, а не десятками процентов, но сложность отрасли им подыгрывает.

Двигатель

Даже на простой научно-популярной схеме двигатель ракеты-носителя выглядит достаточно сложно. Что уж говорить о реальных схемах?

Откуда такая сложность? Дело в том, что всякие хитрые турбонасосы, регенеративное охлаждение, закрытый цикл и прочее применяются для того, чтобы повысить эффективность двигателя. Простейший ЖРД можно сделать практически в гаражных условиях (однокомпонентный МосГИРДа или с использованием 3D-принтера), но дальше хобби такой двигатель не улетит.

Турбонасосный агрегат

Главная задача турбонасосного агрегата — подавать горючее и окислитель. На это приходится расходовать часть энергии топлива, сжигая его в небольшой камере сгорания газогенератора. Слева — схема ТНА РД-107/108 для семейства Р-7, справа — фото ТНА для РД-180 («Атлас-V»)
Турбонасосный агрегат работает в весьма жестких условиях. Например, взрывное разрушение ТНА привело к двум авариям советской «лунной» ракеты Н-1.

Камера сгорания

В камере сгорания расположены форсунки, через которые впрыскиваются горючее и окислитель. Одна из главных проблем, с которой столкнулись инженеры, — это неустойчивость горения. Любое случайное изменение потока через форсунки может породить скачок давления, который вызовет детонацию компонентов вместо равномерного горения и создаст проблемы вплоть до разрушения двигателя. Единственным рабочим решением оказалось разделение камеры сгорания на отсеки, изолированные друг от друга выдвинутыми форсунками или перегородками:

Слева — РД-107/108, в центре — РД-180, справа — F-1 (первая ступень «Сатурна-V»)

Сопло

А здесь главная проблема — отведение тепла. Температура в камере сгорания может достигать 2000 градусов Цельсия, а плотность теплового потока — 1-20 МВт/м^2, это сравнимо с годовой энергией от Солнца на м^2 в районе экватора. Самым эффективным решением оказалось т. регенеративное охлаждение. Компонент топлива (обычно горючее) прокачивается в охлаждающей рубашке с внешней стороны сопла. Для этого в США придумали систему трубок, а в СССР — гофрированную проставку и фрезерованные ребра:

Слева — РД-10, 1933 год, первые эксперименты, по центру — схема ребер на РД-107/108, справа — LR-87, «Титан-2»
Кроме этого, около стенок ставят форсунки, которые выбрасывают топливо, создавая завесу от пламени. Таких завес может быть много (например, на двигателе Фау-2 было четыре пояса завесы). Вот пример завесы на схеме двигателя — три пояса завесы на РД-170:

Эффективность

Говорить об эффективности двигателя как интегральном параметре фактически невозможно. Потому что двигатель и ступень, на которой он стоит, — это сложный компромисс из множества параметров: технической сложности создания/доработки/производства, стоимости создания/доработки/производства, тяги, удельного импульса, давления в камере сгорания, наработанной в эксплуатации надежности и многих других. И эти параметры находятся в противоречии друг с другом. Простой в производстве и дешевый ненагруженный двигатель будет иметь посредственную тягу или удельный импульс, а двигатель с очень высоким удельным импульсом окажется сложным, ненадежным или слишком дорогим, достаточно часто встречается ситуация, когда проще поставить существующий двигатель с неоптимальными параметрами, потому что он уже есть и не требует вложений в разработку нового. Например, ракету «Космос-2» приходилось заправлять шестью разными жидкостями из-за того, что первая ступень была ракетой средней дальности, а вторую ступень разрабатывали позже и использовали другие компоненты топлива. Ситуация осложняется тем, что на сегодняшний день технологии подобрались к физическому пределу эффективности топлива, и новый двигатель на известных принципах не будет качественно лучше старых.

Система управления

Система управления решает две сложные задачи: поддержание устойчивого полета и выведение полезного груза в требуемую точку пространства.

Поддержание устойчивого полёта

Почти все ракеты-носители в полете аэродинамически неустойчивы:

Другое название этой проблемы — «обратный маятник». И система управления поддерживает неустойчивое равновесие, обеспечивая нормальный полёт, парируя различные возмущающие воздействия.

Точность выведения

Современный цифровой «Протон-М» имеет следующие параметры точности выведения:

  • Перигей ± 2 км
  • Апогей ± 4 км
  • Наклонение ± 1.8 угл.мин
  • Время выведения ± 3 с

Если вы не играли в Orbiter или Kerbal Space Program, то очень сложно объяснить, насколько это высокая точность. Попробуйте представить, что вы девять минут, закрыв глаза, едете на машине, и с точностью ± 3 секунды заезжаете в гараж, который длиннее вашей машины на 8 сантиметров и шире на 2 сантиметра.

А как она работает?

Почему в примере с машиной из предыдущего абзаца надо было закрыть глаза? Потому что в космосе нет дорожной разметки, и современные системы не используют какие-либо внешние источники, а работают автономно. Инерциальная система навигации фиксирует изменения положения ракеты и ускорения, которые с ней происходят, вырабатывая управляющие сигналы на исполнительные механизмы. В системе управления есть т. гиростабилизированная платформа, на которой расположены гироскопы, фиксирующие положение, и акселерометры, фиксирующие ускорения. Сама платформа подвешена так, чтобы сохранять свое положение:

А выглядят они примерно вот так:

Слева — компьютерная модель платформы, которую делает центр им. Пилюгина, по центру платформа ракетного комплекса «Ока», справа — платформа американской МБР «Peacekeeper» на воздушном подвесе
Сейчас, благодаря развитию ЭВМ и техники на новых принципах, гиростабилизированные платформы постепенно уходят в прошлое. Традиционные гироскопы уже практически заменились на лазерные, а поворачивающиеся платформы заменяются на бесплатформенные системы, где гироскопы и акселерометры жестко закреплены на корпусе, а их данные обрабатывает компьютер. Кстати, гироскопы в бытовой электронике не вращающиеся и не лазерные — они вибрационные. Точность так себе, зато маленькие и дешевые.

Меры обеспечения надежности

В нашем несовершенном мире отказать норовит не только сложный двигатель, но и простой провод, датчик или клапан. Поэтому принимаются специальные меры:

  • Исполнительные механизмы по возможности дублируются: при отказе одного элемента срабатывает запасной. Миссия Спейс-шаттла STS-112 чуть не окончилась катастрофой на старте, когда отказали основные детонаторы пироболтов, удерживающих боковые твердотопливные ускорители. К счастью, сработали дублирующие детонаторы, и пироболты разорвались все и в нужное время.
  • Измерительные приборы троируются: ставится три комплекта датчиков, они «голосуют» и, в случае отказа одного из датчиков, два «здоровых» продолжают давать верную информацию. В авиации было происшествие, когда отказали два гирогоризонта из трех, и автопилот завел машину в пике. К счастью, вмешались пилоты, и катастрофы не случилось. С распространением компьютеров иногда добавляется четвертый «голос» (или третий вместо одного из датчиков) — математическая модель «как оно должно быть».
Заключение

Надеюсь, вам стала более знакома привычная и незаметная сложность ракетной техники, чтобы, после успешного выведения полезной нагрузки, порадоваться не только за неё, но и за ракету.

Экспедиции на Луну.

Успех подготовительных полетов по программе «Аполлон» («Аполлон» 7–10) позволил кораблю «Аполлон»11 (Н. Армстронг, Э. Олдрин и М. Коллинз, 16–24 июля 1969) совершить исторический первый полет с высадкой человека на Луне. Полет проходил исключительно успешно в почти поминутном соответствии с программой.

Однако три существенных события во время спуска Армстронга и Олдрина в лунной кабине «Игл» («Орел») 20 июля подтвердили важную роль присутствия человека и выдвинутого первыми американскими космонавтами требования, чтобы они имели возможность управлять кораблем. На высоте ок. 12 000 м компьютер «Игл» начал выдавать звуковой сигнал тревоги (как впоследствии выяснилось, в результате работы посадочного радара). Олдрин решил, что это результат перегрузки компьютера, и экипаж проигнорировал сигнал тревоги. Затем в последние минуты спуска, после того как «Игл» развернулся в вертикальное положение, Армстронг и Олдрин увидели, что кабина приземляется прямо в нагромождение каменных глыб – небольшие аномалии гравитационного поля Луны отклонили их от курса. Армстронг взял управление кабиной на себя и пролетел несколько дальше к более ровной площадке. В это же время бульканье топлива в баках показало, что топлива осталось мало. Центр управления полетом сообщил экипажу, что у них есть запас времени, однако Армстронг осуществил мягкую посадку на четыре опоры стоек шасси приблизительно в 6,4 км от намеченной точки, причем топлива оставалось еще лишь на 20 с полета.

Несколько часов спустя Армстронг вышел из кабины и спустился на лунную поверхность. В соответствии с планом полета, предусматривавшим максимальную осторожность, они вместе с Олдрином провели всего лишь 2 ч 31 мин вне кабины на поверхности Луны. На следующий день после 21 ч 36 мин пребывания на Луне они стартовали с ее поверхности и присоединились к Коллинзу, находившемуся в основном блоке «Колумбия», в котором и возвратились на Землю.

Следующие полеты по программе «Аполлон» значительно расширили знания человека о Луне. Во время полета КК «Аполлон» 12 (Ч. Конрад, А. Бин и Р. Гордон, 14–24 ноября 1969) Гордон и Бин посадили свою лунную кабину «Интрепид» («Отважный») в 180 м от автоматического космического зонда «Сервейор-3» и забрали его узлы для возвращения на Землю во время одного из двух своих выходов на поверхность, каждый из которых продолжался около четырех часов.

Запуск и переход на траекторию полета к Луне корабля «Аполлон» 13 (11–17 апреля 1970) прошли нормально. Однако приблизительно через 56 ч после старта центр управления полетом попросил экипаж (Дж. Ловелл, Ф. Хейзе-мл. и Дж. Швайгерт-мл. ) включить все мешалки и нагреватели баков, после чего последовал громкий хлопок, полная потеря кислорода из одного бака и утечка из другого. (Как было позже выяснено аварийной комиссией НАСА, взрыв бака произошел в результате производственных дефектов и повреждений, полученных в предстартовых испытаниях. ) Через несколько минут экипаж и центр управления полетом поняли, что основной блок «Одиссей» вскоре потеряет весь кислород и останется без электроэнергии и что лунную кабину «Аквариус» («Водолей») придется использовать как спасательную шлюпку при облете космического корабля вокруг Луны и на обратном пути к Земле. В течение почти пяти с половиной суток экипаж вынужден был находиться при температуре, близкой к нулевой, обходясь ограниченным запасом воды и отключив почти все служебные системы корабля для экономии электроэнергии. Космонавты трижды включали двигатели «Аквариуса» для коррекции траектории. Перед входом в атмосферу Земли экипаж включил системы корабля «Одиссей», используя предназначенные для посадки химические источники тока, и отделился от «Аквариуса». После нормального спуска в атмосфере «Одиссей» благополучно приводнился в Тихом океане.

После этой аварии специалисты НАСА установили дополнительные аварийные химические батареи и кислородный бак в отдельный отсек основного блока и изменили конструкцию кислородных баков. Пилотируемые лунные экспедиции возобновились с полетом КК «Аполлон» 14 (А. Шепард, Э. Митчелл и С. Руза, 31 января – 9 февраля 1971). Шепард и Митчелл пробыли на поверхности Луны 33 ч и совершили два выхода на поверхность. Последние три экспедиции КК «Аполлон» 15 (Д. Скотт, Дж. Ирвин и А. Уорден, 26 июля – 7 августа 1971), 16 (Дж. Янг, Ч. Дьюк-мл. и К. Маттингли II, 16–27 апреля 1972) и 17 (Ю. Сернан, Г. Шмитт и Р. Эванс, 1–19 декабря 1972) были наиболее плодотворными с научной точки зрения. Каждая лунная кабина имела в своем составе лунный вездеход (луноход) на электрических батареях, который позволял космонавтам удаляться на расстояние до 8 км от кабины в каждом из трех выходов на поверхность; кроме того, каждый основной блок имел телевизионные камеры и другие измерительные инструменты в одном из отсеков оборудования.

1001175_ph08568-6403261

Доставленные экспедициями «Аполлон» образцы для научных исследований составили более 379,5 кг камней и грунта, которые изменили и расширили представление человека о происхождении Солнечной системы.

«Восток».

После запуска первого спутника Советский Союз начал разрабатывать программу пилотируемых космических полетов. Советское правительство давало скупую информацию о планируемых полетах. Немногие на Западе воспринимали эти сообщения всерьез, пока 12 апреля 1961 не было объявлено о полете Юрия Гагарина вскоре после того, как он совершил один виток вокруг земного шара и возвратился на Землю.

Гагарин совершил свой полет на корабле «Восток-1» – сферической капсуле диаметром 2,3 м, которая устанавливалась на трехступенчатую ракету А-1 (созданную на базе МБР СС-6), подобную той, которая выводила на орбиту «Спутник-1». В качестве теплозащитного материала использовался асботекстолит. Гагарин летал в катапультируемом кресле, которое должно было выстреливаться в случае аварии ракеты-носителя.

1001175_1175_401-8530822

Корабль «Восток-2» (Г. Титов, 6–7 августа 1961) совершил 17 витков вокруг Земли (25,3 ч); за ним последовало два полета спаренных кораблей. «Восток-3» (А. Николаев, 11–15 августа 1962) и «Восток-4» (П. Попович, 12–15 августа 1962) летали в 5,0 км друг от друга на почти параллельных орбитах. «Восток-5» (В. Быковский, 14–19 июня 1963) и «Восток-6» (В. Терешкова, первая женщина в космосе, 16–19 июня 1963) повторили предыдущий полет.

1001175_1175_402-3110932

1001175_1175_403-7425743

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Конструкция, запуск и эксплуатация пилотируемых космических летательных аппаратов, называемых космическими кораблями, намного сложнее, чем беспилотных. Кроме двигательной установки, систем наведения, энергоснабжения и других, имеющихся на автоматических КА, для пилотируемых необходимы дополнительные системы – жизнеобеспечения, ручного управления полетом, бытовые помещения для экипажа и специальное оборудование – для обеспечения возможности нахождения экипажа в космосе и выполнения им необходимой работы. С помощью системы жизнеобеспечения внутри корабля создаются условия, подобные земным: атмосфера, пресная вода для питья, пища, утилизация отходов и комфортный тепло-влажностный режим. Помещения для экипажа требуют специальной планировки и оборудования, поскольку на корабле сохраняются условия невесомости, в которых предметы не удерживаются на своих местах силой тяжести, как это происходит в земных условиях. Все предметы на космическом корабле притягиваются друг к другу, поэтому должны быть предусмотрены специальные устройства крепления и тщательно продуманы правила обращения с жидкостями, начиная от пищевой воды и кончая отходами жизнедеятельности.

Для обеспечения безопасности человека все системы КК должны обладать высокой надежностью. Обычно каждая система дублируется или выполняется в виде двух одинаковых подсистем, с тем чтобы выход из строя одной из них не угрожал жизни экипажа. Электронное оборудование корабля выполняется в виде двух или более комплектов или независимых наборов электронных блоков (модульное резервирование) для обеспечения безопасного возвращения экипажа в случае самых непредвиденных аварийных ситуаций.

1001175_1175_405-3974382

Подготовительные полеты.

Чрезвычайная сложность высадки на Луну вынудила НАСА перед первой посадкой совершить серию из четырех предварительных полетов. Кроме того, НАСА решилось на два весьма рискованных мероприятия, которые сделали возможной высадку в 1969. Первым из них было решение провести два испытательных полета (9 ноября 1967 и 8 апреля 1968) ракеты «Сатурн-5» как общие приемо-сдаточные испытания. Вместо того чтобы проводить отдельные приемочные полеты каждой ступени, инженеры НАСА испытали сразу три ступени вместе с переделанным кораблем «Аполлон».

Другое рискованное мероприятие явилось результатом задержек в изготовлении лунной кабины. Первый пилотируемый полет основного блока КК «Аполлон» («Аполлон» 7, У. Ширра, Д. Эйзеле и У. Каннингем, 11–22 октября 1968), запущенного ракетой «Сатурн-1В» на околоземную орбиту, показал, что основной блок готов к полету к Луне. Далее следовало испытать основной блок с лунной кабиной на околоземной орбите. Однако в связи с задержкой изготовления лунной кабины и слухами, что Советский Союз может попытаться отправить человека в полет вокруг Луны и одержать победу в космической гонке, руководство НАСА решило, что «Аполлон» 8 (Ф. Борман, Дж. Ловелл и У. Андерс, 21–27 декабря 1968) совершит полет к Луне в основном блоке, проведет сутки на окололунной орбите и затем вернется на Землю. Полет прошел успешно; экипаж передавал на Землю захватывающие видеорепортажи с лунной орбиты в канун Рождества.

В полете «Аполлон» 9 (Дж. Макдивитт, Д. Скотт и Р. Швейкарт, 3–13 марта 1969) основной блок и лунная кабина испытывались на околоземной орбите. Полет «Аполлон» 10 (Т. Стаффорд, Дж. Янг и Ю. Сернан, 18–26 мая 1969) проходил почти по полной программе, за исключением посадки лунной кабины.

«Дайна-Сор» и MOL.

В то время как НАСА реализовывало проекты «Меркурий» и «Джемини», ВВС США занимались проектами воздушно-космического самолета X-20 «Дайна-Сор» и пилотируемой орбитальной лаборатории MOL в рамках более обширной программы создания пилотируемого космического корабля. Эти проекты были в конце концов отменены (не по техническим причинам, а из-за изменения требований к космическим полетам).

Корабль «Восход».

Однако еще до начала полетов «Джемини» Советский Союз осуществил два довольно рискованных полета. Не желая уступать США приоритет запуска первого многоместного космического корабля, Хрущев распорядился срочно подготовить к полету трехместный корабль «Восход-1». Выполняя распоряжение Хрущева, советские конструкторы модифицировали «Восток», чтобы он мог нести трех космонавтов. Инженеры отказались от катапультируемых кресел, которые спасали экипаж в случае неудачного запуска, и расположили центральное кресло немного впереди двух других. Корабль «Восход-1» с экипажем в составе В. Комарова, К. Феоктистова и Б. Егорова (первый врач в космосе) совершил 16-витковый полет 12–13 октября 1964.

Советский Союз осуществил и другой приоритетный полет на корабле «Восход-2» (18–19 марта 1965), в котором левое кресло было снято, чтобы освободить место для надувной шлюзовой камеры. В то время как П. Беляев оставался внутри корабля, А. Леонов вышел из корабля через этот шлюз на 20 мин и стал первым человеком, осуществившим выход в открытый космос.

1001175_1175_404-8700549

1001175_1175_406-4078232

Лунная кабина.

В то время как основной блок корабля спроектирован с расчетом на вход в атмосферу, лунная кабина рассчитана только на полет в безвоздушном пространстве. Поскольку на Луне нет атмосферы и ускорение силы тяжести на ее поверхности в шесть раз меньше земного, посадка и взлет на Луне требуют значительно меньше энергетических затрат, чем на Земле.

Посадочная ступень лунной кабины имеет форму восьмигранника, внутри которого располагаются четыре бака с топливом и двигатель с регулируемой тягой. Четыре телескопические стойки посадочного шасси оканчиваются тарельчатыми опорами, чтобы кабина не провалилась в лунную пыль. Для амортизации удара при прилунении стойки посадочного шасси заполнены сминаемым сотовым заполнителем из алюминия. Экспериментальное оборудование размещается в специальных отсеках между стойками.

Взлетная ступень снабжена небольшим двигателем и двумя топливными баками. Из-за того что испытываемые космонавтами перегрузки сравнительно невелики (одно лунное g при работе двигателя и около пяти g при посадке), а ноги человека хорошо амортизируют умеренные ударные нагрузки, конструкторы лунной кабины не стали ставить кресла для космонавтов. Стоя в кабине, космонавты находятся близко к иллюминаторам и имеют хороший обзор; поэтому отпала необходимость в больших и тяжелых иллюминаторах. Иллюминаторы лунной кабины немногим больше размеров человеческого лица.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОЛЕТ «АПОЛЛОН» – «СОЮЗ»

То, что началось как соперничество, закончилось совместной программой экспериментального полета «Аполлон»–«Союз» (ЭПАС). В этом полете участвовали Д. Слейтон, Т. Стаффорд и В. Брандт в основном блоке корабля «Аполлон» (15–24 июля 1975) и А. Леонов и В. Кубасов на корабле «Союз-19» (15–21 июля 1975). Программа возникла из желания двух государств разработать совместные спасательные процедуры и технические средства на тот случай, если какой-либо космический экипаж окажется на орбите в безвыходном положении. Поскольку атмосфера кораблей была совершенно различна, НАСА создало специальный стыковочный отсек, который использовался как декомпрессионная камера. Несколько маневров сближения и стыковочных операций были успешно выполнены, после чего корабли разделились и летали автономно вплоть до возвращения на Землю.

Последние полеты советской программы пилотируемых полетов к Луне.

После успеха первых полетов по программе «Аполлон» Советский Союз произвел лишь несколько запусков кораблей «Союз», космических аппаратов «Зонд» и ракеты-носителя Н-1 в рамках программы пилотируемых полетов к Луне и высадки на Луну. Космический корабль «Союз» с 1971 использовался как транспортный корабль в рамках программы полетов космических станций «Салют» и «Мир».

1001175_1172_401-1975284

Полеты по программе «Джемини».

Проект «Джемини» можно разделить на три основных этапа: летно-конструкторские испытания, длительный полет и полет со сближением и стыковкой с кораблем-мишенью. Первый этап начался с беспилотных полетов «Джемини» 1 и 2 (8 апреля 1964 и 19 января 1965) и трехвиткового полета В. Гриссома и Дж. Янга на борту «Джемини» 3 (23 марта 1965). В полетах «Джемини» 4 (Дж. Макдивитт и Э. Уайт мл. , 3–7 июня 1965), 5 (Л. Купер и Ч. Конрад-мл. , 21–29 августа 1965) и 7 (Ф. Борман и Дж. Ловелл-мл. , 4–18 декабря 1965) исследовалась возможность длительного пребывания человека в космосе путем постепенного увеличения продолжительности полета до двух недель – максимальной длительности полета к Луне по программе «Аполлон». Полеты «Джемини» 6 (У. Ширра и Т. Стаффорд, 15–16 декабря 1965), 8 (Н. Армстронг и Д. Скотт, 16 марта 1966), 9 (Т. Стаффорд и Ю. Сернан, 3–6 июня 1966), 10 (Дж. Янг и М. Коллинз, 18–21 июля 1966), 11 (Ч. Конрад и Р. Гордон-мл. , 12–15 сентября 1966) и 12 (Дж. Ловелл и Э. Олдрин-мл. , 11–15 ноября 1966) первоначально планировались для стыковки с кораблем-мишенью «Аджена».

Частная неудача вынудила НАСА осуществить один из наиболее драматических орбитальных экспериментов 1960-х годов. Когда ракета «Аджена», корабль-мишень для КК «Джемини» 6, взорвалась на старте 25 октября 1965, он остался без мишени. Тогда руководство НАСА решило вместо этого осуществить сближение в космосе двух кораблей «Джемини». По этому плану нужно было сначала запустить «Джемини» 7 (в его двухнедельный полет), а затем, быстро проведя ремонт стартового стола, запустить «Джемини» 6. В ходе совместного полета был снят красочный фильм, показывающий сближение кораблей вплоть до касания и их совместное маневрирование.

«Джемини» 8 осуществил стыковку с кораблем-мишенью «Аджена». Это была первая успешная стыковка двух кораблей на орбите, но полет был прерван менее чем через сутки, когда не выключился один из двигателей системы ориентации, в результате чего корабль получил такое быстрое вращение, что экипаж едва не потерял контроль над ситуацией. Однако, используя тормозной двигатель, Н. Армстронг и Д. Скотт восстановили контроль и осуществили экстренное приводнение в Тихом океане.

Когда его мишень «Аджена» не вышла на орбиту, корабль «Джемини» 9 попытался осуществить стыковку с дооборудованным стыковочным агрегатом мишени (стыковочной мишенью «Аджены», установленной на небольшом спутнике, запущенном ракетой «Атлас»). Однако, поскольку используемый при выведении обтекатель не раскрылся, его не удалось сбросить, что сделало стыковку невозможной. В последних трех полетах корабли «Джемини» успешно стыковались со своими мишенями.

Во время полета «Джемини» 4 Э. Уайт стал первым американцем, осуществившим выход в открытый космос. Следующие выходы в открытый космос (Ю. Сернан, М. Коллинз, Р. Гордон и Э. Олдрин, «Джемини» 9–12) показали, что космонавты должны тщательно продумывать и контролировать свои движения. Вследствие невесомости отсутствует сила трения, которая дает точку опоры; даже просто стоять становится трудной задачей. При осуществлении программы «Джемини» было проверено также новое оборудование (например, топливные элементы для получения электричества за счет химической реакции между водородом и кислородом), которое впоследствии сыграло важную роль при выполнении программы «Аполлон».

Встреча на окололунной орбите.

Чтобы достичь поставленной Кеннеди цели – полета человека на Луну и обратно, – руководству и специалистам НАСА необходимо было выбрать способ осуществления такого полета. Группа предварительного проектирования рассмотрела два варианта – прямой перелет с поверхности Земли на поверхность Луны и полет с промежуточной стыковкой на околоземной орбите. Прямой перелет потребовал бы разработки огромной ракеты, получившей предварительное название «Нова», для выведения лунного корабля на траекторию прямого перелета к Луне. Промежуточная стыковка на околоземной орбите потребовала бы запуска двух ракет меньшего масштаба («Сатурн-5») – одной для выведения космического корабля на околоземную орбиту и другой для дозаправки его топливом перед полетом с орбиты к Луне.

В обоих этих вариантах предусматривалась посадка 18-метрового космического корабля сразу на Луну. Поскольку руководство и специалисты НАСА считали эту задачу слишком рискованной, они в 1961–1962 разработали третий вариант – со встречей на окололунной орбите. При таком подходе ракета «Сатурн-5» выводила на орбиту два космических аппарата меньших размеров: основной блок, который должен был доставить трех космонавтов на окололунную орбиту и обратно, и двухступенчатую лунную кабину, которая должна была доставить двух из них с орбиты на поверхность Луны и обратно для встречи и стыковки с остающимся на окололунной орбите основным блоком. Этот вариант был выбран в конце 1962.

«Меркурий».

В августе 1958 президент Д. Эйзенхауэр возложил ответственность за осуществление пилотируемого полета на только что образованное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которое в качестве первой программы пилотируемого полета выбрало проект «Меркурий» – баллистическую капсулу. Были осуществлены два 15-минутных суборбитальных полета космонавтов в капсуле, выводимой баллистической ракетой средней дальности «Редстоун». Шепард и В. Гриссом совершили эти полеты 5 мая и 21 июля в капсулах типа «Меркурий», названных «Фридом-7» и «Либерти Белл-7». Оба полета прошли успешно, хотя неисправность привела к преждевременному отстрелу крышки люка на «Либерти Белл-7», из-за чего Гриссом едва не утонул.

Вслед за этими двумя успешными суборбитальными полетами «Меркурий» – «Редстоун» НАСА провело четыре орбитальных полета корабля «Меркурий», выведенных более мощной МБР «Атлас». Первые два трехвитковых полета (Дж. Гленн, «Френдшип-7», 20 февраля 1962; и М. Карпентер, «Аврора-7», 24 мая 1962) длились около 4,9 ч. Третий полет (У. Ширра, «Сигма-7», 3 октября 1962) продолжался 6 витков (9,2 ч), а четвертый (Купер, «Фейт-7», 15–16 мая 1963) – 34,3 ч (22,9 витков). В ходе этих полетов был получен большой объем ценной информации, в том числе вывод, что члены экипажа должны быть пилотами, а не просто пассажирами. Несколько небольших неисправностей, случившихся в ходе полетов, в отсутствие специалиста на борту могли вызвать преждевременное прекращение полета или выход корабля из строя.

Проект «Джемини».

НАСА опробовало различные способы встречи и стыковки, которые предполагалось использовать на окололунной орбите, в ходе осуществления программы «Джемини» («Близнецы») – серии полетов возрастающей сложности на двухместных космических кораблях, оборудованных для сближения с КА-мишенью (беспилотная верхняя ступень ракеты «Аджена») на околоземной орбите. КК «Джемини» состоял из трех конструктивных блоков: спускаемого модуля (отсека экипажа), рассчитанного на двух космонавтов и напоминающего капсулу «Меркурия», тормозной двигательной установки и агрегатного отсека, в котором располагались источники электроэнергии и топливные баки. Поскольку «Джемини» должен был запускаться ракетой «Титан-2», в которой использовалось менее взрывоопасное топливо, чем в ракете «Атлас», на корабле отсутствовала система аварийного спасения, имевшаяся на «Меркурии». В случае возникновения аварийной ситуации спасение экипажа обеспечивалось катапультируемыми креслами.

1001175_ph04021-1919022

Ракета-носитель «Сатурн-5».

КК «Аполлон» запускался ракетой «Сатурн-5», самой большой и мощной из успешно испытанных в полете. Она построена на основе проекта, разрабатанного группой В. фон Брауна в управлении баллистических ракет армии США в Хантсвилле (шт. Алабама). Были построены и летали три модификации ракеты – «Сатурн-1», «Сатурн-1В» и «Сатурн-5». Первые две ракеты были построены для проверки совместной работы нескольких двигателей в космосе и для экспериментальных запусков корабля «Аполлон» (одного беспилотного и одного пилотируемого) на околоземную орбиту.

Самая мощная из них – ракета-носитель «Сатурн-5» – имеет три ступени S-IC, S-II и S-IVB и приборный отсек, к которому крепится КК «Аполлон». На первой ступени S-IC установлено пять двигателей F-1, работающих на жидком кислороде и керосине. Каждый двигатель во время старта развивает тягу 6,67 МН. Вторая ступень S-II имеет пять кислородо-водородных двигателей J-2 тягой 1 МН каждый; на третьей ступени S-IVB установлен один такой двигатель. В приборном отсеке находится оборудование системы наведения, обеспечивающей навигацию и управление полетом вплоть до отделения корабля «Аполлон».

Советская программа пилотируемых полетов на Луну.

Вслед за «Востоком» советские ученые и инженеры создали «Союз» – космический корабль, который занимает промежуточное место между «Джемини» и «Аполлоном» по своей сложности и возможностям. Спускаемый отсек располагается над агрегатным отсеком, а над ним находится бытовой отсек. Во время старта или спуска в спускаемом отсеке могут находится два или три космонавта. Двигательная установка, системы электроснабжения и связи находятся в агрегатном отсеке. «Союз» выводился на орбиту ракетой-носителем А-2, которая была разработана на смену носителю А-1, использовавшемуся для вывода кораблей «Восток».

Согласно первоначальному плану полета человека вокруг Луны, сначала должен был запускаться беспилотный разгонный блок «Союз-Б», а затем – четыре грузовых корабля «Союз-А» для заправки его топливом. После этого спускаемый отсек «Союза-А» с экипажем из трех человек стыковался с разгонным блоком и направлялся к Луне. Вместо этого довольно сложного плана в конце концов было решено использовать более мощную ракету «Протон» для запуска к Луне модифицированного «Союза», названного «Зонд». Состоялись два беспилотных полета к Луне («Зонд» 5 и 6, 15–21 сентября и 10–17 ноября 1968), которые включали возвращение аппаратов на Землю, однако запуск 8 января внепланового «Зонда» оказался неудачным (вторая ступень ракеты-носителя взорвалась).

Схема полета к Луне была примерно такой же, как в программе «Аполлон». Трехместный корабль «Союз» и одноместный спускаемый аппарат должны были выводиться на траекторию полета к Луне ракетой-носителем Н-1, имевшей несколько большие размеры и мощность, чем «Сатурн-5». Специальная двигательная установка должна была затормозить связку для перехода на окололунную орбиту и обеспечить торможение спускаемого аппарата. Заключительный этап посадки спускаемый аппарат должен был осуществлять самостоятельно. Слабым местом этого проекта было то, что лунный модуль имел один двигатель, который использовался и для спуска, и для взлета (баки с топливом для каждого этапа были раздельными), поэтому положение космонавтов становилось безвыходным в случае отказа двигателя на спуске. После кратковременного пребывания на поверхности Луны космонавты возвращались на окололунную орбиту и присоединялись к своему товарищу. Возвращение на Землю в корабле «Союз» происходило подобно тому, как было описано выше для КК «Аполлон».

Однако проблемы – как с кораблем «Союз», так и с носителем Н-1 – не позволили Советскому Союзу осуществить программу высадки человека на Луну. Первый полет корабля «Союз» (В. Комаров, 23–24 апреля 1967) закончился гибелью космонавта. При полете «Союза-1» появились проблемы с солнечными батареями и системой ориентации, поэтому полет было решено прервать. После первоначально нормального спуска капсула начала кувыркаться и запуталась в стропах тормозного парашюта, спускаемый аппарат с большой скоростью врезался в землю, и Комаров погиб.

После 18-месячного перерыва запуски по программе «Союз» возобновились полетами кораблей «Союз-2» (беспилотный, 25–28 октября 1968) и «Союз-3» (Г. Береговой, 26–30 октября 1968). Береговой осуществлял маневры и сближался с кораблем «Союз-2» до расстояния 200 м. В полетах «Союза-4» (В. Шаталов, 14–17 января 1969) и «Союза-5» (Б. Волынов, Е. Хрунов и А. Елисеев, 15–18 января 1969) был достигнут дальнейший прогресс; Хрунов и Елисеев перешли в «Союз-4» через открытый космос после стыковки кораблей. (Стыковочный механизм советских кораблей не позволял переходить из корабля в корабль непосредственно

Кроме того, между различными конструкторскими бюро существовало острое соперничество, которое не позволяло многим талантливым ученым и инженерам не только работать над лунной программой, но даже использовать необходимое оборудование. В результате на первой ступени ракеты Н-1 было установлено 30 двигателей (24 по периметру и 6 в центре) средней мощности, а не пять больших двигателей, как на первой ступени ракеты «Сатурн-5» (такие двигатели в стране имелись), и ступени не проходили огневых испытаний перед полетом. Первая ракета Н-1, запущенная 20 февраля 1969, загорелась на 55-й секунде после старта и упала в 50 км от места запуска. Вторая ракета Н-1 взорвалась на стартовом столе 3 июля 1969.

РЕШЕНИЕ ЛЕТЕТЬ НА ЛУНУ

«Меркурий» еще только готовился к своему первому полету, а руководство и специалисты НАСА планировали будущие космические программы. В 1960 они объявили о своих планах создания трехместного космического корабля «Аполлон», который мог бы совершать пилотируемые полеты продолжительностью до двух недель на околоземной орбите, а в 1970-х годах совершить облет Луны.

Однако по политическим соображениям программу «Аполлон» пришлось радикально изменить еще до окончания этапа предварительного проектирования в 1961. Полет Гагарина произвел огромное впечатление во всем мире и дал Советскому Союзу преимущество в космической гонке. Президент Дж. Кеннеди поручил своим советникам определить такие области космической деятельности, в которых США смогут превзойти Советский Союз.

Было решено, что только один проект – высадка человека на Луну – будет иметь более грандиозное значение, чем полет Гагарина. Этот полет, очевидно, был за пределами имевшихся на то время возможностей обеих стран, однако американские специалисты и военные считали, что задача может быть решена, если направить всю промышленную мощь страны на достижение такой цели. Кроме того, советники Кеннеди убедили его, что США обладают некоторыми ключевыми технологиями, которые могут быть использованы для осуществления полета. К этим технологиям относились система наведения баллистических ракет «Поларис», криогенная ракетная технология и большой опыт реализации крупномасштабных проектов. В силу этих причин, несмотря на то, что США имели на этот момент всего 15 минут опыта пилотируемых космических полетов, Кеннеди 25 мая 1961 заявил в Конгрессе, что Соединенные Штаты поставили цель полета человека на Луну в течение ближайших десяти лет.

Из-за различия политических систем Советский Союз сначала не отнесся серьезно к этому заявлению Кеннеди. Советский премьер Н. Хрущев рассматривал космическую программу главным образом как важный пропагандистский ресурс, хотя квалификация и энтузиазм советских инженеров и ученых были не ниже, чем у их американских соперников. Лишь 3 августа 1964 ЦК КПСС утвердил план пилотируемого облета Луны. Отдельная программа посадки на Луну была одобрена 25 декабря 1964 – с отставанием более чем на три года от Соединенных Штатов.

Оцените статью
RusPilot.com