Глава 3. ПИЛОТИРУЕМЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ

Пилотируемый космический корабль - это космический аппарат, предназначенный для полета людей и имеющий все необходимые средства для работы при выведении на орбиту (с помощью РН), выполнения задач полета в космосе и возвращения экипажа на Землю. Обязательными признаками пилотируемого космического корабля (КК) являются наличие на борту экипажа и способность осуществлять полет по замкнутому циклу: Земля - космос - Земля.

Задачи полетов и направления использования

Первые космические корабли - советский «Восток» и американский «Меркурий» - предназначались для первых полетов человека в космос и были относительно просты по конструкции и используемым системам.

Разработка КК «Восход» и «Джемини» позволила провести серию технических экспериментов, а создание и эксплуатация КК «Союз» и «Аполлон», включая их совместный полет, положили начало использованию пилотируемых КК в транспортных полетах к долговременным орбитальным станциям, в дальних космических полетах, в операциях по спасению в космосе и т. п. Таким образом, на первый план вышла практическая направленность космических полетов, а решаемые при этом задачи стали определяющим фактором в разработке пилотируемых КК.

Космическая техника является относительно молодой и бурно развивающейся отраслью промышленности, а фундаментальные задачи освоения космоса находятся в стадии становления. Это затрудняет четкую классификацию пилотируемых КК, однако одним из признаков классификации можно считать уже сложившиеся или прогнозируемые на будущее основные направления использования КК: полеты одиночных кораблей; экспериментальные орбитальные полеты; транспортные полеты пилотируемых КК; дальние полеты КК; полеты космических кораблей - спасателей; полеты пилотируемых КК для ремонта или сборки на орбите.

Полеты одиночных кораблей (автономные полеты) по орбитам искусственного спутника Земли начинали освоение космического пространства. КК «Восток» и «Меркурий» были специально разработаны для таких полетов. В настоящее время для автономных полетов используются КК, созданные в других целях и доработанные для выполнения конкретной задачи полета. Так, при полете доработанного корабля «Союз-13» (1973 г.) был проведен ряд исследований, включая астрофизические, а при полете КК «Союз-22» (1976 г.) - фотографирование территории СССР в интересах народного хозяйства.

Экспериментальные орбитальные полеты имеют целью проведение технических экспериментов. Например, на КК «Восход» и «Джемини» отрабатывались средства выхода человека в космическое пространство (1965 г.), а на КК «Джемини-8» совместно с ракетной ступенью - методы сближения и стыковки (1966 г.). Большое значение имел полет КК «Союз-4» и «Союз-5» (1969 г.), в котором была выполнена их стыковка и переход двух космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.

Транспортные полеты пилотируемых КК к долговременным станциям предназначены для доставки на борт станций экипажа и. его возвращения на Землю, а также транспортирования небольшого груза. Такими были полеты КК «Союз» к станциям «Салют» и транспортного варианта КК «Аполлон» к станции «Скайлэб».

Дальние полеты КК проводились по американской программе «Аполлон», в ходе которой была осуществлена первая посадка на Луну пилотируемого КА (20 июля 1969 г.). В Советском Союзе был разработан КК-станция «Зонд», который впервые совершил после облета Луны вход в атмосферу Земли со второй космической скоростью сначала по баллистической траектории с посадкой в Индийский океан («Зонд-5», сентябрь 1968 г.) и затем по траектории управляемого спуска с приземлением на территории СССР («Зонд-6», ноябрь 1968 г.). Этот экспериментальный корабль мог быть оборудован и как пилотируемый.

Космические корабли-спасатели предназначены для спасения экипажей терпящих бедствие пилотируемых КК и станций и представляют новое возможное направление использования. В задачи программы «Союз» - «Аполлон» входила разработка и проверка в полете экспериментальных совместимых средств сближения и стыковки, необходимых не только для совместных полетов, но и для операций по спасению.

Полеты пилотируемых кораблей для ремонта или сборки на орбите - обязательный компонент будущих программ. Создание больших конструкций на орбите (например, электростанций или антенн) может потребовать прямого участия человека в операциях сборки или ремонта.

Особенности пилотируемых КК

Появление человека на борту существенно изменяет облик космического аппарата, его характеристики, подход к проектированию и разработке. Это связано не только с необходимостью обеспечения человека всем необходимым для жизни в необычных для него условиях космического полета, но и с возможностью организации ручного управления полетом космического корабля (КК) и работой его систем. Иные основы лежат в подходе к постановке и реализации целей полета, так как необходимо учитывать различные аспекты деятельности экипажа и его безопасность. Особенности пилотируемых КК определяются, в частности, следующими основными факторами: возвращением на Землю; условиями жизни и деятельности экипажа; безопасностью полета.

Возвращение на Землю является обязательной операцией для каждого пилотируемого КК. При выполнении орбитального полета в этих целях осуществляется торможение КК для перехода на траекторию спуска. Для дальних полетов необходимы коррекции траектории возвращения. Это требует наличия у КК силовой установки для изменения траектории движения и ряда других систем (например, системы ориентации и управления движением, системы ее исполнительных органов, системы электропитания).

Для возвращения на Землю пилотируемый КК должен иметь средства защиты от аэродинамического нагрева и средства посадки. Обычно спуск и приземление экипажа осуществляются в специализированном отсеке - спускаемом аппарате (СА). При его разработке должны быть обеспечены устойчивость его движения, достаточная точность посадки и переносимость экипажем перегрузок (см. раздел 3.5).

Условия жизни экипажа в космическом полете могут быть обеспечены только внутри герметичной оболочки, для чего каждый пилотируемый КК имеет герметичный отсек с атмосферой, пригодной для дыхания и постоянно обновляемой. Наилучшими являются давление и состав газа, естественные для человека и соответствующие земным на уровне моря. Такие условия выдерживаются на КК «Союз» и «Союз Т» и станции «Салют», на КК «Аполлон» принята чисто кислородная атмосфера с пониженным давлением.

Объем и размеры жилого отсека должны позволять человеку делать привычные движения (например, распрямляться в полный рост) и соответствовать задачам и длительности полетов. Первые космические корабли «Восток», «Меркурий», «Восход» и «Джемини» из-за жестких требований по снижению их массы имели тесные кабины, кабины КК «Союз» и «Аполлон» были существенно увеличены. В жилом отсеке должны поддерживаться нормальные условия по температуре, что приводит к необходимости разработки систем терморегулирования.

Жизнь человека связана с питанием, отправлением естественных нужд, личной гигиеной и сном. Это предопределяет наличие на борту достаточных запасов пищи и воды, средств санитарно-гигиенического обеспечения, различных предметов туалета и гигиены, а также соответствующих принадлежностей и приспособлений для сна. Причем все это должно быть рассчитано на использование в условиях замкнутого объема и невесомости.

В полете экипаж подвергается различным воздействиям, изменяющимся по этапам полета. Одной из главных задач при проектировании пилотируемого КК является защита экипажа от этих воздействий и снижение их уровня, т. е. обеспечение переносимости условий космического полета.

Деятельность экипажа, связанная с управлением полетом КК и выполнением ручных операций, существенно влияет на конструкцию и системы КК. Управление полетом требует наличия рабочих мест, рационально организованных и позволяющих наблюдать внешнюю обстановку, получать информацию о работе систем КК, вести радиосвязь с Землей и другими пилотируемыми КА, пользоваться бортовой документацией, выбирать режимы работы систем КК, включать и выключать их, осуществлять ориентацию и маневрирование на орбите, сближение и стыковку, а при наличии на борту вычислительных машин - управлять их работой. Традиционно рабочее место состоит из кресла, пульта и ручек управления, иллюминаторов и оптических приборов для наблюдения.

В полете экипаж работает со многими элементами бортового оборудования, расположенными в объеме кабины экипажа (некоторые агрегаты системы обеспечения жизнедеятельности, снаряжение экипажа, ручные механизмы, научная аппаратура и т. п.).

В транспортных полетах (например, полет КК «Союз» к станции «Салют») с переходом экипажа необходимы стыковочные агрегаты с жестким соединением КК и станции и с герметизацией образующегося переходного туннеля, люк в стыковочном агрегате и система контроля герметичности стыка. Эти же особенности присущи КК «Аполлон», где предусмотрен переход из орбитального корабля в экспедиционный модуль и обратно. В экспериментальной программе «Союз»-«Аполлон» американской стороной был разработан специальный стыковочный модуль для перехода экипажей при несовместимых атмосферах внутри космических кораблей.

Если предусматривается выход человека в открытый космос, на борту корабля должны быть скафандры с соответствующей системой обслуживания, а сам корабль должен иметь шлюзовую камеру (КК «Восход»). В качестве шлюзовой камеры может использоваться один из отсеков корабля или станции (КК «Союз», станция «Салют»); выход может осуществляться и непосредственно из кабины экипажа (КК «Джемини»); в этом случае должна иметься система сброса и восстановления атмосферы и открываемый в космосе люк.

Безопасность полета имеет принципиальное значение при создании пилотируемого КК и обеспечении его высокой надежности. Для любого КА в начале разработки задается и затем подтверждается вероятность успешного выполнения задачи, или надежность выполнения программы полета, а для пилотируемых КК в дополнение к этому - вероятность обеспечения безопасности экипажа, или степень безопасности полета. Оба критерия определяются некоторыми контрольными значениями и обычно задаются - первый - на уровне 95 - 98%, второй - 99% и выше. Эти значения, не выражая степень действительного риска, являются расчетной оценкой эффективности комплекса мероприятий, проводимого в процессе разработки КК, их экспериментальной отработки и эксплуатации ради успешного выполнения программы полета и максимального исключения влияния опасных для жизни человека происшествий и условий.

Требования по безопасности влияют на облик корабля, характеристики его систем, на ракетно-космическую систему в целом и на схему полета. Помимо обеспечения надежности систем проводится их функциональное резервирование, автоматические режимы работы дополняются ручными, вводятся специальные средства спасения экипажа при авариях, устанавливаются дублирующие приборы, механизмы и т. д. Так, особенностями КК «Союз» по сравнению с беспилотными КА являются резервирование парашютной системы, ручные режимы ориентации, комплекс средств спасения при разгерметизации жилых отсеков и т. п.

При создании пилотируемого КК большое внимание уделяют анализу нештатных ситуаций (отказы, отклонения от заданных режимов или аварии) и путей выхода из них. В процессе разработки такой анализ позволяет обосновать выбор решений по резервированию и необходимым дополнительным энергетическим запасам (топливо, электроэнергия), а при подготовке полета - разработку планов действий в нештатных ситуациях (см. главу 11).

Космический корабль и ракетно-космический комплекс

Пилотируемый КК существенно влияет на весь ракетно-космический комплекс (РКК), вызывая определенные изменения в его структурных элементах по сравнению с беспилотными КА. Эти изменения связаны с установкой систем, характерных для пилотируемого полета, необходимостью работ по обслуживанию экипажа, повышенными требованиями по оперативному контролю и планированию полета и с обеспечением деятельности и безопасности экипажа на всех этапах полета.

Ракета-носитель пилотируемого КК оснащается специальными элементами для распознавания отказов и отклонений от нормальных режимов работы. Для спасения экипажа в случаях, когда необходимо своевременное прекращение полета при возникновении опасных ситуаций или выведение становится невозможным, устанавливается система аварийного спасения (подробнее см. главу 10). Эти особенности заметно влияют на конструкцию РН и решение таких вопросов, как расчетные нормы нагружения, прочность, аэродинамические характеристики, параметры траектории выведения, зоны падения отделяемых элементов и т. д. К РН предъявляются высокие требования по надежности как в целях повышения вероятности выведения КК на орбиту, так и по соображениям безопасности экипажа. Кроме мер технологического характера при изготовлении и сборке вводится резервирование систем и агрегатов, например систем управления и электропитания. На ступенях РН, имеющих несколько двигателей, могут устанавливаться системы диагностики, способные обнаружить отказ двигателя и обеспечить его выключение. Дальнейший полет в этом случае продолжается на пониженной общей тяге.

Немалое значение имеет вид применяемого на РН топлива. Известно, что двухкомпонентные высококипящие топлива типа «азотная кислота - диметилгидразин» обладают высокой токсичностью, которая при авариях на старте, а также па участке выведения в случае посадки СА в районе падения ракетного блока создает повышенную опасность для экипажа и обслуживающего персонала. Поэтому для пилотируемых РКС используются «благородные» компоненты топлива: «керосин - кислород» или «водород - кислород», обеспечивающие в то же время высокий удельный импульс двигателей.

Техническая позиция пилотируемых КК оснащена большим количеством контрольно-испытательной аппаратуры и монтажно-стыковочного оборудования, комплектуемого с учетом особенностей КК, и отличается повышенными требованиями по чистоте. В монтажно-испытательном корпусе или отдельном здании предусматривается помещение для подготовки экипажей. Для доставки экипажей на стартовую позицию используется специальный автотранспорт.

Стартовая позиция так же, как и техническая, оборудуется с учетом особенностей конструкции и подготовки пилотируемого КК к пуску. В частности, такими особенностями являются подъем экипажа на уровень КК с помощью лифтов, его посадка в КК со специальной площадки, выполнение обслуживающим персоналом заключительных операций, включая контроль герметичности, и подготовка системы аварийного спасения.

Для срочной эвакуации экипажа и персонала с верхних уровней стартового сооружения предусматриваются специальные средства (подробнее см. книгу «Космодром»).

Для командно-измерительного комплекса во время пилотируемого полета характерно максимальное использование наземных пунктов, плавучих командно-измерительных средств и связи через спутники-ретрансляторы. Работу Центра управления полетом отличает ведение радиосвязи с экипажем, контроль и планирование его деятельности и отдыха и обязательный круглосуточный посменный режим работы персонала.

Поисково-спасательный комплекс приводится в готовность еще до старта пилотируемого КК, исходя из необходимости поиска СА и эвакуации экипажа при возможных авариях РН. Особенностью работы комплекса по сравнению с обслуживанием беспилотных КА является резкое увеличение привлекаемых средств (самолеты, вертолеты, плавсредства и др.), организация радиосвязи с экипажем, его медицинское обеспечение и эвакуация.