3.4. КОМПОНОВКА

В ракетно-космической технике для получения больших конечных скоростей при минимальной стартовой массе широко используют многоступенчатые РН, а для улучшения массовых характеристик КК - сброс на участке выведения уже не нужного оборудования (ДУ САС, ГО и т. п.). При проектировании КК используют схему его построения из изолированных отсеков (модульный принцип), что позволяет получить выигрыш за счет специализации отсеков и их отделения на определенном этапе полета. Так, средствами возвращения обычно оснащается не весь КК, а только его СА, что уменьшает массу этих средств; отсек, оставляемый на Луне, снижает массу топлива, требуемого для возвращения к Земле, и т. д. Специализация отсеков во многих случайх позволяет упростить компоновку и конструкцию КК, например отсутствие тепловой защиты на поверхности его орбитальных отсеков облегчает установку антенн, радиаторов и им подобных элементов. Вместе с тем, если КК разработан по модульному принципу, его доработка при изменении целей полетов возможна путем замены или модификации отдельных отсеков.

В компоновочной схеме пилотируемого КК могут быть предусмотрены следующие основные отсеки:

спускаемый аппарат (СА) для размещения экипажа при выведении КК на орбиту, при возвращении его на Землю, а также при выполнении некоторых операций в ходе орбитального полета; после отделения СА становится самостоятельным атмосферным летательным аппаратом;

орбитальный отсек для работы экипажа на орбите и установки необходимого для выполнения программы полета оборудования и систем, требующих доступа экипажа; это второй (после СА) обитаемый отсек КК, обеспечивающий увеличение жилого объема; его внешняя поверхность удобна для размещения наружных систем и механизмов, в том числе антенн и стыковочного агрегата;

приборный отсек для установки не требующих доступа экипажа систем; его объем герметичен и изолирован от жилых отсеков;

агрегатный отсек (отсек оборудования) для размещения основных агрегатов КК (маршевого реактивного двигателя, сопло которого выходит через донный экран, баков с топливом, баллонов с газом наддува, блоков системы электропитания и агрегатов системы терморегулирования - внутри отсека; радиаторов системы терморегулирования, солнечных батарей, блоков микрореактивных двигателей причаливания и ориентации, антенн и других элементов - снаружи отсека), как правило, имеет цилиндрическую негерметичную оболочку с донным экраном;

приборно-агрегатный отсек, если приборный и агрегатный отсеки соединены в один;

переходной отсек для перехода от ограниченного числа (обычно 3 - 6) силовых точек крепления СА к фланцевым соединениям, типичным для других стыков; имеет вид фермы или обечайки и создает дополнительный объем для размещения оборудования;

навесной отсек - вводится в состав КК при сбросе части аппаратуры на каком-то промежуточном этапе полета;

специализированные отсеки для выполнения определенных операций; эти отсеки в процессе выполнения операций или после них могут быть отделены от КК (это, например, капсулы для доставки материалов наблюдений на Землю или зонды для проведения исследований).

Компоновочные схемы КК, разработанных в СССР и США, имеют определенные тенденции.

В проекте «Меркурий» все бортовое оборудование КК, кроме тормозных пороховых двигателей, установленных снаружи на лобовом теплозащитном экране (рис. 3.7, г), было сосредоточено в СА. Разработка пилотируемого КК «Джемини» велась по линии логического развития проекта «Меркурий» с учетом новой постановки задачи орбитального полета (маневрирование со сближением, большая длительность полета, выход человека в космос), в результате чего в составе КК «Джемини» появился отсек оборудования (рис. 3.7,5). В проекте «Аполлон» компоновочная схема орбитального корабля сохранила два отсека, аналогичных по назначению отсекам КК «Джемини» (рис. 3.7, е).

В отечественных проектах компоновочная схема из одного отсека не использовалась. Уже на первых КК был применен модульный принцип с двумя отсеками: спускаемым аппаратом и приборно-агрегатным отсеком (рис. 3.7, а, б).

В компоновочной схеме КК «Восход» для решения задачи выхода человека в космос была предусмотрена надувная шлюзовая камера, которая была сложена на участке выведения, развертывалась и приводилась в рабочее состояние в орбитальном полете и отделялась перед спуском. На КК «Союз» использовалась еще более развитая модульная схема: кроме двух названных отсеков был введен третий - орбитальный отсек (рис. 3.7, в).

Выбор компоновочной схемы так же, как и разработка конструкции, из-за большого числа различных и во многом противоречивых требований обычно не имеет однозначного решения и практически состоит в определении наиболее рационального варианта из многих возможных. Однако и здесь могут быть отмечены некоторые достаточно очевидные мотивы и тенденции.

Рис. 3.7. Компоновочные схемы космических кораблей: а - «Восток» ; б - «Восход» ; в - «Союз.»; г - «Меркурий»; д - «Джемини»; е - «Аполлон»; 1 - СА (возвращаемая капсула, командный модуль); 2 - приборно-агрегатный отсек (отсек оборудования); 3- шлюзовая камера; 4 - орбитальный отсек; 5 - пороховая тормозная ДУ

Если компоновочная схема КК включает в себя спускаемый аппарат и агрегатный отсек, а другие отсеки не предусматриваются, то из соображений компоновки на РН и организации спасения экипажа при авариях на участке выведения СА должен занимать верхнее по отношению к агрегатному отсеку положение. Такая компоновочная схема проста и не имеет внутренних противоречий.

Для увеличения жилого объема КК возможны два пути: увеличение размеров СА с неизбежным возрастанием массы тепловой защиты или использование СА минимальных размеров с дополнительным обитаемым отсеком. При объемах более 8 - 9 м3 второй путь предпочтительнее в отношении снижения затрат массы. С учетом целесообразности специализации отсеков и создания комфортных условий экипажу для КК «Союз» была принята схема с двумя жилыми отсеками (общий объем около 11 м3). Подобная схема имеет противоречие с точки зрения выбора места отсеков и их сопряжения: люк переходов между отсеками на СА было бы рационально разместить на его поверхности, затененной при спуске в атмосфере, что приводит к установке СА под орбитальным отсеком, но в то же время СА целесообразно устанавливать в верхней части КК над орбитальным отсеком в интересах организации спасения экипажа при авариях РН, а люк переходов размещать на лобовой теплонапряженной поверхности СА (рис. 3.8). Возможна также компромиссная схема с разворотом отсеков.

Окончательно с учетом готовности КК к работе сразу же после его отделения от РН, исключения размещения люка в наиболее теплонапряженной части СА, а также преимуществ по размещению стыковочного агрегата и антенн для КК «Союз» была принята схема с верхним расположением орбитального отсека, хотя это и привело к некоторому усложнению решений аварийного спасения, в частности, конструкции головного блока РН.

Головной блок (ГБ) ракеты-носителя - это конструкция, устанавливаемая на последнюю ступень РН и состоящая из КК, элементов его сопряжения с РН и агрегатов САС. ГБ может быть выполнен по одной из двух основных схем: с головным обтекателем (ГО) и без него. Схема с ГО традиционна для отечественных проектов, схема без ГО - для американских.

В принятой для головного блока КК «Союз» схеме (рис. 3.9) сам корабль и ГО устанавливаются на верхнем шпангоуте переходного отсека, крепящегося к III ступени РН. В нормальном полете опоры САС, охватывая СА, свободно перемещаются относительно ГО и стопорятся только в момент аварии. Сброс ГО по штатной схеме происходит в два этапа: сначала сбрасывается двигательная установка, затем, после раскрытия стыков ГО, его створки с помощью небольших пороховых двигателей разворачиваются вокруг осей разворота и отбрасываются в стороны.

Рис. 3.8. Компоновочные схемы КК с двумя жилыми отсеками: а - с передним расположением орбитального отсека; б - с люком в теплозащитном экране СА; в - с разворотом орбитального отсека; 1 - СА; 2 - орбитальный отсек; 3 - стыковочный агрегат; 4 - переходной отсек; 5 - приборный отсек; 6 - агрегатный отсек; 7 - штанги разворота

Рис 3.9. Головной блок и схема сброса обтекателя: 1 - ДУ САС; 2 - двигатели сброса створок; 3 - КК; 4 - плавающие опоры САС; 5 - аварийный стык; 6 - узлы разворота створок обтекателя; 7 - переходной отсек РН; 8 - сброс ДУ САС; 9 - продольный стык ГО; 10 - решетчатые стабилизаторы САС (сложены); 11 - поперечный стык; 12 - сброс створок

Компоновочные схемы КК и ГБ взаимосвязаны через требования нормального выведения КК на орбиту и обеспечения аварийного спасения экипажа (см. главу 10). Практически компоновочная схема выбирается параллельно с разработкой ГБ и выбором схемы функционирования системы аварийного спасения.