РАЗВИТИЕ СОВЕТСКИХ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ (до начала 70-х годов). К.П. ФЕОКТИСТОВ

УДК 629.785(091)

12 апреля 1961 г. полетом Юрия Гагарина было положено начало процессу непосредственного проникновения человека в космическое пространство.

Этот первый полет человека в космос и последующие полеты советских и американских космонавтов показали, что человек может успешно жить и работать в условиях космического полета. Человечество в виде пилотируемых космических кораблей получило средство для увеличения сферы жизни и сферы исследований.

К 1958 г. советская ракетная техника пришла с большими достижениями - была создана первая ракета-носитель и запущены первые искусственные спутники Земли. К этому же времени был накоплен опыт ракетных полетов аппаратов с животными на высоту 100 - 200 км с последующим возвращением на Землю. К этому же времени была выявлена возможность создания трехступенчатых ракет, способных выводить на орбиту спутника Земли аппараты весом 4 - 4,5 т.

Эти достижения создали предпосылки для подготовки и осуществления первого полета человека в космическое пространство. Было решено начать разработку аппарата для полета человека в космос. Работы по созданию такого аппарата велись в конструкторском бюро, которое возглавлял главный конструктор первых советских ракетно-космических систем Сергей Павлович Королев.

Проектанты этого аппарата следующим образом формулировали задачу: аппарат должен обеспечить возможность осуществления первых полетов человека в космос; аппарат должен быть таким, чтобы в первых же полетах человека можно было бы проверить и исследовать самочувствие и работоспособность человека в условиях космического полета.

Первый вопрос, который надо было решить, - создавать ли вначале аппарат для полета человека на ракете по баллистической траектории, а затем создавать спутник Земли с человеком на борту (по этому пути пошли инженеры США) или сразу приступить к созданию спутника Земли с человеком на борту.

Был выбран путь создания корабля-спутника. Это было сделано по следующим соображениям.

Главное неизвестное (тогда) в космическом полете - влияние невесомости на организм человека. В полетах на современных специально оборудованных самолетах можно создавать невесомость на время порядка 0,5 мин. Было известно, что человек нормально переносит невесомость в течение такого промежутка времени. В полетах на ракете по баллистической траектории можно создать невесомость продолжительностью 2 - 4 мин. Ясно, что по сравнению с полетами на невесомость на самолетах полет на ракете по баллистической траектории не может дать сколь-нибудь существенно новый результат. Слишком мало время полета по баллистической траектории в условиях космоса. Можно сказать, что полет по баллистической траектории не является в этом смысле космическим полетом. Минимальное же время полета по орбите спутника Земли (полет на один виток) в условиях невесомости составляет 80 - 85 мин.

Важно было далее выбрать такую схему аппаратов, которая позволила бы первый полет человека совершить на один виток, а на следующем же полете увеличивать его продолжительность, если первый полет не выявит каких-либо непредвиденных опасностей, связанных с длительным пребыванием человека в условиях невесомости, в условиях космического полета.

Это означало, что схема полета корабля должна была включать этапы:

• - выведения на орбиту,
• - полета по орбите в течение достаточно длительного времени (желательно несколько суток),
• - перевода корабля на траекторию спуска (при принятии решения о спуске),
• - возвращения в атмосферу Земли и посадки (рис. 1).

Вопрос о способе выведения на орбиту решался однозначно тем, что существовала реальная возможность создания ракеты-носителя, обеспечивающего выведение на околоземную орбиту высотой около 200 км корабля весом около 4,5 т.

Вопрос о переводе корабля на траекторию спуска также мог быть решен достаточно просто - нужно было в заданный момент за счет работы ракетной двигательной установки корабля изменить вектор скорости его таким образом, чтобы перевести корабль с орбиты спутника Земли на траекторию, пересекающую плотные слои атмосферы. А дальше при движении корабля в атмосфере за счет сил аэродинамического сопротивления скорость корабля может быть погашена дозвуковой и корабль сможет перейти в режим «приземления». Расчеты показали, что если импульс ракетной двигательной установки обеспечит изменение скорости корабля на величину 100 - 140 м/с, то этого будет достаточно для перевода корабля на траекторию спуска (конечно, при нужной ориентации импульса в пространстве).

Несколько более сложным представлялся вопрос о выборе схемы спуска в атмосфере. Можно было выбрать схему с использованием аэродинамической подъемной силы (так называемая схема спуска с качеством) либо баллистическую схему спуска - с использованием только силы лобового сопротивления.

Расчеты показали, что при баллистической схеме спуска выбором параметров траектории можно ограничить максимальные перегрузки, действующие от аэродинамических сил сопротивления на аппарат (а следовательно, и на организм человека, находящегося в аппарате) величиной 8 - 10 ед. при времени действия перегрузок, больших 5g, порядка 100 с.

К этому времени уже было известно, что организм человека способен выдержать такие перегрузки. Кроме того, расчетами было показано, что для аппарата баллистического спуска можно создать надежную тепловую защиту.

Рис. 1. Схема полета корабля «Восток-1»

1 - участок выведения; 2 - включение тормозной двигательной установки; 3 - участок спуска

При реализации схемы спуска с качеством можно было бы существенно снизить максимальные перегрузки, действующие на аппарат, за счет более пологой траектории спуска и растягивания общего времени движения аппарата в атмосфере (т. е. за счет увеличения времени действия перегрузок). Однако для реализации схемы спуска с качеством нужно было решать значительно более сложные задачи:

• - выбор формы аппарата, позволяющей получить подъемную силу при движении в атмосфере,
• - исследования в аэродинамических трубах и на летающих моделях с целью определения аэродинамических характеристик выбранной формы,
• - ориентация и стабилизация аппарата перед входом его в плотные слои атмосферы, при движении в атмосфере при гиперзвуковых скоростях и на трансзвуке,
• - создание его тепловой защиты.

По этим соображениям для первого корабля-спутника была принята баллистическая схема спуска, позволяющая более просто и более надежно решить задачу движения и торможения корабля в плотных слоях атмосферы.

Необходимость создания кабины с нормальными условиями для жизни пилота и отсутствие достаточного опыта эксплуатации в вакууме выдвинули требование герметичности отсеков корабля.

Поскольку вес тепловой защиты аппарата, спускавшегося в атмосфере, определяется его размерами, что, в свою очередь, определяется количеством приборов и оборудования, размещаемых в нем, было решено корабль делать из двух основных частей (рис. 2):

• - спускаемого аппарата, в котором должны размещаться космонавт и оборудование, обеспечивающее жизнедеятельность его организма в полете, приборы управления, связи, контроля и системы, обеспечивающие приземление,
• - приборного отсека, в котором должны размещаться приборы, обеспечивающие управление кораблем при его полете по орбите, связь, телеметрические измерения, контроль орбиты, энергопитание аппаратуры и т. п. (т. е. все то, что нужно только при орбитальном полете).

Ракетная двигательная установка могла размещаться вне герметичных отсеков, так как, с одной стороны, ее работоспособность в вакууме могла быть обеспечена и, с другой стороны, она не нужна на участке спуска (после ее срабатывания).

Естественно, после перехода корабля на траекторию спуска отсеки должны были разделяться и спускаемый аппарат один проходить сквозь плотные слои атмосферы. Приборный отсек с отработавшей двигательной установкой при этом двигается на участке спуска отдельно и сгорает в плотных слоях атмосферы.

Определяющим для компоновки спускаемого аппарата и для корабля в целом является выбор формы спускаемого аппарата.

Было рассмотрено несколько возможных форм спускаемого аппарата для баллистического спуска:

• - конусы с различными притуплениями в носовой части,
• - зонтичная схема (с искусственным увеличением площади миделя спускаемого аппарата с целью снижения нагрузки на мидель и уменьшения температур на поверхности аппарата),
• - конические формы (лобовой частью является основание конуса).
• - сфера.

Был выбран спускаемый аппарат сферической формы. Это было сделано по следующим соображениям.

а) Аэродинамические характеристики сферы, коэффициент сопротивления, положение центра давления (всегда находится в центре сферы) хорошо известны во всем диапазоне скоростей, который проходит аппарат (от первой космической до дозвуковой скорости).

б) Очень просто и надежно можно обеспечить устойчивость движения сферического аппарата в атмосфере. Для этого достаточно сместить центр тяжести аппарата из центра сферы. Это обеспечивает и статическую устойчивость и, как показывали расчеты, хорошую динамику движения аппарата вокруг центра масс даже при произвольной ориентации спускаемого аппарата перед входом в атмосферу и при отсутствии управляющих органов на участке спуска.

Дело в том, что такое симметричное и статически устойчивое тело, как сфера (со смещенным из центра сферы центром тяжести), при входе в плотные слои атмосферы автоматически стабилизируется, а его угловые колебания вокруг центра тяжести демпфируются за счет роста аэродинамического скоростного напора по мере снижения. Опыт эксплуатации космических кораблей «Восток» полностью подтвердил эти расчеты.

в) Сферическая форма близка к наиболее оптимальной с точки зрения веса тепловой защиты спускаемого аппарата при данном миделе.

Все эти проектные решения, определившие направление работ и облик первого космического корабля, были приняты в 1958 г. Конечно, предварительные проектные проработки по космическому кораблю, которые позволили обоснованно принять эти решения, включали в себя и анализ потребных характеристик и состава бортовой аппаратуры и систем.

На следующем этапе в 1959 г. были выбраны состав и основные параметры систем и аппаратуры корабля, осуществлены работы по проектированию систем, отдельных агрегатов и корабля в целом, разработаны чертежи, схемы и другая техническая документация на корабли для беспилотных полетов.

В 1960 г. были осуществлены первые беспилотные полеты кораблей-спутников, задачей которых являлась проверка правильности главных теоретических решений, отработка в натурных условиях тепловой защиты спускаемого аппарата, конструкции, основных систем будущего пилотируемого корабля. По результатам этих полетов в сентябре - ноябре 1960 г. проект корабля был существенно доработан, уточнен состав и основные параметры систем, усовершенствована конструкция.

Сведения о выборе основных параметров и систем корабля излагаются уже с учетом тех изменений, которые были внесены при разработке пилотируемого варианта корабля в 1960 г.

Для выполнения принятой схемы полета, а также для обеспечения возможности беспилотных полетов, в которых необходимо было отрабатывать корабль, системы связи и аппаратура корабля должны были обеспечивать следующие функции (рис. 3).

а) Управление с Земли работой бортовой аппаратуры корабля, в том числе и в процессе подготовки к спуску корабля на Землю. Это было необходимо и для обеспечения беспилотных полетов, и для первых полетов человека - на случай его неудовлетворительного состояния.

б) Телеметрический контроль состояния пилота и работы бортовой аппаратуры - для оперативного управления полетом, для объективного исследования состояния космонавта, для исследования работы аппаратуры в условиях полета.

Рис. 2. Схема корабля «Восток»

1 - пилот в катапультном кресле; 2 - антенны командной радиолинии; 3 - рукоятка управления ориентацией; 4 - приборная доска; 5 - спускаемый аппарат; 6 - аппаратура обеспечения жизнедеятельности; 7 - телевизионная камера; 8 - баллоны системы ориентации и системы вентиляции скафандра; 9 - система оптической ориентации «Взор»; 10 - антенна переговорной радиолинии; 11 - антенны системы «Сигнал»; 12 - тормозная двигательная установка; 13 - антенны телеметрических систем; 14 - жалюзи системы терморегулирования; 15 - датчик ориентации по Солнцу

в) Контроль орбиты корабля для определения нужного момента включения ракетной двигательной установки на спуск, для контроля выведения корабля на заданную орбиту, что может быть существенным для определения допустимого времени полета. Например, при более низкой, чем расчетная, орбите необходим более ранний спуск, если время существования корабля на орбите (уменьшающееся на низких орбитах за счет постепенного торможения корабля атмосферой) окажется менее или близким к времени, заданному программой полета.

г) Радиотелефонная связь космонавта с наземными пунктами.

д) Передача телевизионного изображения из кабины корабля на Землю для визуального контроля состояния космонавта в полете.

е) Автоматическое управление работой бортовой аппаратуры. Включение аппаратуры контроля орбиты, телеметрии, телевидения над нашей территорией и ее выключение при уходе корабля из зоны радиовидимости наших наземных пунктов (для экономии запасов электроэнергии), последовательное включение аппаратуры при подготовке корабля к спуску (включение системы ориентации, ориентация корабля, раскрутка гироприборов, включение измерительной аппаратуры, включение двигателя, разделение отсеков и т. п.).

ж) Возможность космонавту управлять ориентацией корабля и в случае необходимости осуществлять спуск с использованием ручного управления (с целью увеличения безопасности полета).

з) Автоматическая ориентация корабля в нужном направлении перед включением ракетной двигательной установки.

и) Стабилизация корабля относительно заданного направления при работе двигательной установки и обеспечение выключения двигателя после отработки заданного значения величины импульса.

к) Энергопитание аппаратуры и систем на участках выведения, орбитального полета и при спуске.

л) Приземление спускаемого аппарата и космонавта после торможения его в атмосфере до дозвуковой скорости (т. е. дальнейшее снижение скорости от 200 - 220 м/с до скорости, обеспечивающей безопасное приземление).

м) Спасение космонавта в случае аварии носителя на участке выведения на орбиту.

н) Поиск космонавта и корабля наземными средствами после их приземления (практически - обеспечение возможности их радиопеленгации).

о) Обеспечение теплового режима кабины космонавта, приборов в кабине и в приборном отсеке, ракетной двигательной установки, приборов и оборудования, устанавливаемых на внешних поверхностях корабля.

Рис. 3. Схема радиосвязи корабля «Восток» с Землей

1 - передача оперативной телеметрической информации с борта объекта («Сигнал»); 2 - прием широковещательных радиостанций (ШВР); 3 - передача телеметрической информации и телевизионного изображения с борта объекта; 4 - радиоконтроль орбиты объекта; 5 - двухсторонняя телефонная и телеграфная КВ-связь; 6 - прием команд управления объектом (КРЛ); 7 - двухсторонняя телефонная УКВ-связь; 8 - передача оперативной телеметрической и телеграфной информации на участке спуска («Сигнал»)

п) Поддержание нормального газового состава атмосферы кабины в полете (т. е. поглощение влаги, углекислого газа и вредных газовых примесей и выделение кислорода для дыхания космонавта). Контроль газового состава атмосферы во время полета.

р) Поддержание нормального давления в кабине,

с) Обеспечение космонавта водой и пищей.

т) Обеспечение космонавта необходимыми средствами после его приводнения или приземления (запасы воды и пищи, аппаратура связи, теплая одежда, надувная лодка, оружие, лагерное снаряжение, аптечка и т. п.).

у) Обеспечение сбора естественных выделений человека во время полета.

ф) Обеспечение возможности космонавту знать свое местонахождение относительно поверхности Земли, контролировать параметры атмосферы кабины, работу наиболее важных систем корабля.

х) Осуществление автономных измерений (и их регистрацию) наиболее важных параметров работы аппаратуры и состояния космонавта на участке спуска, когда отсутствует возможность осуществления телеизмерений вследствие прекращения радиосвязи (из-за облака плазмы, окружающей спускаемый аппарат при его движении в атмосфере).

При выборе параметров систем и аппаратуры, при принятии решений по отдельным вопросам учитывалась прежде всего необходимость обеспечения высокой надежности и безопасности полета.

Для обеспечения высокой надежности систем, приборов, агрегатов было важно предъявить специальные жесткие требования к их качеству, к их надежности (за счет внутреннего дублирования элементов, их высокого качества и т. п.), дублировать там, где это возможно, приборы, агрегаты и даже системы, создавать так называемый холодный резерв, чтобы в случае необходимости включать этот резерв в работу.

Исходя из этих соображений и опираясь на опыт создания систем, приборов и агрегатов, имеющих те же или подобные функции, были приняты решения, определившие состав и характеристики систем кораблей «Восток».

Для управления работой бортовой аппаратуры и систем с Земли была использована следующая схема построения автоматики: передача команд с Земли на борт, далее на программно-временное устройство, на бортовое коммутационное устройство и от него - на системы корабля.

Для приема команд с Земли на борту корабля устанавливались два комплекта приемных и дешифрирующих устройств, обеспечивающих прием 63 различных команд с Земли. Часть команд должна была проходить на программно-временное устройство, часть - непосредственно на бортовое коммутационное устройство.

Программно-временное устройство должно было обеспечивать выдачу команд на бортовое коммутационное устройство в определенной последовательности с тем, чтобы обеспечить работу бортовой аппаратуры по автоматическим «циклам».

Три цикла (циклы «орбительных измерений») были предназначены для обеспечения включения бортовой аппаратуры телеизмерений и изменений параметров орбиты при подходе корабля к территории СССР и для выключения аппаратуры при уходе с территории СССР. Продолжительность двух из этих циклов соответствовала продолжительности одного оборота корабля вокруг Земли (для работы на «витках», проходящих над территорией СССР), продолжительность третьего цикла соответствовала шести оборотам вокруг Земли (для работы на витках, не проходящих над территорией СССР).

Два цикла (циклы «спуска») были предназначены для выдачи команд на аппаратуру, обеспечивающую подготовку к спуску и спуск корабля с орбиты при полностью автоматическом (без вмешательства космонавта) осуществлении процесса спуска. Один цикл был предназначен для выдачи команд на аппаратуру, обеспечивающую подготовку к спуску и спуск при использовании космонавтом ручного управления (цикл ручного спуска).

Выбор цикла работы программно-временного устройства осуществлялся с Земли передачей на борт соответствующей команды управления. Причем команды на включение автоматических циклов спуска могли подаваться по обоим комплектам аппаратуры командной радиолинии. Цикл ручного спуска и один из циклов орбитальных измерений могли быть включены космонавтом с пульта. Для надежного выполнения этих задач на борту были поставлены два внутренне дублированных комплекта электронных программно-временных устройств, один из которых находился в «холодном» резерве (т. е. при нормальной работе первого не включался).

Команды с программно-временного устройства поступали в бортовое коммутационное устройство, которое и обеспечивало включение и выключение соответствующих систем и приборов.

Такая схема управления полностью оправдала себя во всех полетах космических кораблей типа «Восток» - как в отработочных беспилотных полетах, так и в полетах с космонавтами.

Для контроля состояния космонавта и работы бортовой аппаратуры на участках выведения и орбитального полета было принято решение об установке на борту двух комплектов-радиотелеметрической системы, работающей в УКВ-диапазоне. Прием сигналов этой аппаратуры должен был осуществляться при пролете корабля над территорией СССР.

Кроме того, была установлена коротковолновая радиопередающая система «Сигнал» для передачи пульса космонавта на Землю в течение всего полета. Прием излучения этой системы мог осуществляться и в тех случаях, когда корабль не находился над территорией СССР. Для регистрации состояния космонавта и работы аппаратуры при подготовке к спуску, а главное, на участке движения в атмосфере, когда облако плазмы не позволяет поддерживать радиосвязь с бортом, в спускаемом аппарате устанавливалась автономная регистрирующая система с записью результатов измерений на магнитную ленту.

Контроль орбиты кораблей должен был осуществляться с Земли с помощью наземных средств и двух бортовых комплектов радиосистемы, работающей в сантиметровом диапазоне.

Для обеспечения надежной телефонной связи на борту устанавливались: радиолиния в УКВ-диапазоне - для двухсторонней связи с кораблем, когда он находится над территорией СССР; две радиолинии в КВ-диапазоне - для двухсторонней связи с кораблем, когда он находится не над территорией СССР. Соответствующие передатчики и приемники работали на фиксированных частотах. Кроме того, предусматривалась возможность телеграфной передачи с борта через КВ-радиопередатчик и прием на борту через широковещательный приемник, работающий в диапазоне коротких и средних волн.

Передачи на Землю телевизионного изображения (с целью объективного визуального контроля состояния космонавта на участках выведения и орбитального полета) осуществлялись с помощью радиотелевизионной линии с двумя телекамерами.

Как уже было сказано, автоматика корабля была построена таким образом, чтобы можно было полностью управлять полетом корабля с Земли и обеспечить его возвращение на Землю при полностью автоматическом управлении. Но присутствие на борту космонавта существенно повышает надежность и безопасность полета, если космонавт имеет возможность контроля работы бортовых систем, возможность вмешиваться в их работу и выполнять ручное управление кораблем. Кроме того, ручное управление целесообразно было ввести для того, чтобы уже в первых полетах проверить работоспособность космонавта в условиях невесомости не только по его медико-биологическим параметрам, а и по качеству управления кораблем.

Для выполнения этих задач на борту была установлена система индикации, позволявшая космонавту контролировать работу ряда важных систем, определять свое местоположение, контролировать параметры атмосферы кабины и т. д. Чтобы космонавт мог управлять аппаратурой связи, регулировать параметры атмосферы кабины, брать на себя в случае необходмости управление ориентацией корабля и управление процессом спуска с орбиты, на корабле были установлены пульт и рукоятка управления.

На корабле была установлена система автоматической ориентации продольной оси корабля в направлении на Солнце. Назначением этой системы было ориентирование корабля перед включением ракетной двигательной установки для осуществления спуска с орбиты. Момент старта корабля, определявший положение плоскости его орбиты относительно Солнца (так как азимут участка выведения не изменялся), и момент включения ракетной двигательной установки выбирались так, чтобы после срабатывания двигательной установки скорость кораблей изменялась на 120 - 140 м/с и вектор скорости корабля изменялся таким образом, чтобы корабль переходил с орбиты спутника на траекторию спуска, пересекающую плотные слои атмосферы. Для надежности устанавливался строенный комплект аппаратуры ориентации, работавший по схеме голосования.

Эта система подстраховывалась возможностью ручной ориентации.

Для этого в расположении космонавта, помимо ручки управления ориентацией (с соответствующей автоматикой), представлялся «оптический ориентатор», который позволял космонавту при правильной ориентации по местной вертикали видеть горизонт Земли в виде кольца, а по направлению «бега» видимой поверхности Земли в центральной своей части ориентировать корабль по направлению (относительно плоскости орбиты). Таким образом, космонавт с помощью оптического ориентатора мог сориентировать корабль в орбитальной системе координат.

Для создания необходимых для ориентации управляющих моментов на корабле устанавливались две системы микроракетных двигателей (всего 16 двигателей), работающих на сжатом азоте. Питание этих управляющих двигателей осуществлялось от трех независимых пневмосистем со сжатым азотом, которые могли подключаться к обеим системам двигателей. Две из них обеспечивали работу при автоматической ориентации, одна - при ручной.

В качестве двигательной установки корабля было решено использовать жидкостную ракетную установку, работающую на высококипящих компонентах, с турбонасосной системой подачи. Для обеспечения запуска двигательной установки в условиях невесомости газовые компенсирующие «подушки» в баках с топливом помещались внутри специальных «мешков» и начальный (при запуске двигателя) наддув баков осуществлялся через «мешки». Такая схема двигательной установки полностью оправдывала себя во всех полетах кораблей «Восток» и показала высокую надежность. Тяга двигательной установки была выбрана равной 1600 кгс.

Стабилизация корабля при работе двигателя обеспечивалась автоматической системой управления с гироскопами в качестве чувствительных элементов. При этом для создания управляющих моментов использовались реактивные сопла, через которые выпускался газ, проходящий через турбину двигателя. Распределение расхода газа через сопла (с помощью дроссельных заслонок) и создавало управляющие моменты.

Электропитание бортовой аппаратуры осуществлялось за счет использования автономных химических источников тока (аккумуляторных батарей), отдельных для различных систем. Такое решение не является оптимальным по весовым характеристикам, однако оно обеспечило высокую надежность работы всей бортовой аппаратуры. Создание автономных электрических схем систем существенно ускорило отработку систем и комплекса бортовой автоматики в целом.

Приземление при возвращении из полета обеспечивалось комплексом парашютных систем спускаемого аппарата и космонавта (рис. 4). Приземление осуществлялось следующим образом. На высоте 7 км (при скорости движения аппарата около 220 м/с) по команде от барореле производился отстрел люка и космонавт катапультировался в кресле из спускаемого аппарата. После выхода кресла из аппарата раскрывался тормозной парашют кресла, и через несколько десятков секунд (после снижения скорости движения до 70 - 80 м/с) по команде от временного механизма раскрывался основной парашют, космонавт отделялся от кресла и приземлялся со скоростью 5 - 6 м/с. На случай нераскрытия основного парашюта космонавт был снабжен запасным. После катапультирования космонавта спускаемый аппарат продолжал снижение, и на высоте 4 - 5 км вводилась парашютная система спускаемого аппарата, обеспечивающая снижение скорости его движения к моменту приземления до 10 м/с. В принципе, космонавт мог спускаться и внутри спускаемого аппарата, например в случае, если бы отказала система катапультирования.

После введения основных парашютов космонавта и спускаемого аппарата начинали работать пеленгационные радиопередатчики КВ-диапазона. После приземления космонавта и спускаемого аппарата начинали работать пеленгационные радиопередатчики УКВ-диапазона. Пеленгация КВ-передатчиков наземными радиосредствами позволяла определять их положение с больших расстояний (несколько тысяч километров), а пеленгация УКВ-передатчиков с борта поисковых самолетов позволяла выводить самолеты прямо на космонавта и корабль.

Спасение космонавта в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения могло осуществляться за счет катапультирования космонавта (на старте или на начальном участке полета) или за счет отделения спускаемого аппарата от носителя и приземления по нормальной схеме (в случае аварии на остальных участках полета). Надо сказать, что при всех полетах космонавтов на кораблях «Восток» ни одной аварии носителя не было.

Система терморегулирования корабля предназначалась для поддержания заданной температуры воздуха в кабине корабля и теплового режима приборов и агрегатов корабля при нормальном полете корабля и на аварийный случай спуска за счет так называемого естественного торможения в атмосфере. В состав системы терморегулирования входили следующие основные элементы: радиатор, воздушно-жидкостный теплообменник, гидравлический контур системы, элементы автоматики управления, испарительный радиатор. Радиатор, располагавшийся на коническом днище приборного отсека, был снабжен створчатыми жалюзи, открытие и закрытие которых обеспечивало регулирование количества тепла, излучаемого в пространство, и, следовательно, позволяло поддерживать тепловой баланс (т. е. излучать в пространство в среднем именно то количество энергии, которое получалось кораблем за счет поглощения радиационных потоков от Солнца и от Земли, тепла от воздействия на корабль молекулярного потока, остатков атмосферы, выделения тепла экипажем и работающей бортовой аппаратурой).

Регулируемый воздушно-жидкостный теплообменник обеспечивал передачу тепла, выделяемого космонавтом и аппаратурой, от воздуха кабины к теплоносителю гидравлического контура системы. Гидравлический контур системы обеспечивал перенос тепла из спускаемого аппарата на лучистый радиатор. Отвод тепла, выделяющегося аппаратурой приборного отсека, осуществлялся за счет передачи тепла от газа приборного отсека непосредственно на стенки лучистого радиатора (для этого газ продувался через щель между дефлектором и внутренней поверхностью радиатора). Элементы автоматики обеспечивали поддержание температуры воздуха в кабине в пределах от 12 до 25⁰ С (причем выбор подходящей температуры в этих пределах осуществлялся космонавтом) и на стенке лучистого радиатора около +5⁰ С.

Испарительный радиатор системы мог вступать в работу только в случае спуска за счет естественного торможения, так как в этом случае лучистый радиатор корабля на последних витках полета оказывался неэффективным. Испарительный радиатор, как следует из названия, мог отводить тепло от корабля за счет испарения воды в пространство.

Возможность спуска за счет естественного торможения в атмосфере предусматривалась на случай выхода из строя одной из систем, обеспечивающих перевод корабля с орбиты спутника на траекторию спуска (тормозная двигательная установка, система ориентации, система управления на участке работы двигателя и т. д.). Для обеспечения спуска и возвращения космонавта в этом случае орбита корабля выбиралась такой, чтобы время существования корабля на орбите (определяемое сопротивлением верхних слоев атмосферы) было не более 10 сут, и соответственно на борт корабля брались необходимые запасы для обеспечения жизнедеятельности космонавта и энергопитания бортовой аппаратуры в течение этого времени.

Существенным был вопрос о выборе атмосферы кабины. Рассматривались два варианта: чисто кислородная атмосфера (что позволило бы снизить давление в кабине до 0,3 - 0,4 ата) или нормальная, соответствующая обычной земной. Было принято решение о выборе обычного состава и плотности атмосферы (около 21% кислорода и 79% азота), исходя из следующих основных соображений:

• - снижение давления в кабине не приведет к сколько-нибудь заметному выигрышу в весе конструкции,
• - давление в кабине, равное одной атмосфере, сильно упрощает процесс отработки системы обеспечения газового состава,
• - атмосфера обычного состава существенно лучше с точки зрения пожарной безопасности, чем чисто кислородная.

Поддержание нормального газового состава в кабине осуществлялось системой регенерации, работавшей на химических поглотителях водяного пара, углекислого газа и других газовых примесей и обеспечивавшей выделение необходимого количества кислорода. Регулирование работы системы осуществлялось по давлению в кабине и влажности. Для контроля состава атмосферы использовался газоанализатор, результаты измерений которого выводились на приборную доску и на телеметрию. Кроме того, в кабине устанавливалась аппаратура, обеспечивавшая сброс воздуха наружу при давлении, большем 1,2 ата, и наддув кабины в случае снижения давления.

Космонавт совершал полет одетым в скафандр. На борту устанавливались запасы пищи, воды, устройства для сбора естественных отправлений, медицинская исследовательская аппаратура, кинокамера, фотоаппарат, аппаратура для научных исследований, запасы пищи, воды и снаряжения, предназначавшиеся для использования в случае приземления в нерасчетном районе, и т. п.

Помимо разработки и создания самого корабля и его ракеты-носителя, необходимое внимание было уделено наземным средствам обеспечения полета пилотируемых кораблей.

Для контроля работы бортовой аппаратуры корабля в полете, контроля состояния космонавта, контроля параметров его орбиты, для связи с космонавтом и для управления полетом с Земли был разработан и проверен при беспилотных полетах кораблей-спутников наземный командно-измерительный комплекс. В состав комплекса входил ряд наземных пунктов, оборудованных радиоаппаратурой приема телеметрической и телевизионной информации с борта корабля, аппаратурой радиоконтроля орбиты, передачи с Земли на борт команд управления и аппаратурой радиосвязи. Кроме наземных пунктов, использовались специальные морские корабли, оборудованные радиоаппаратурой для приема телеметрической информации. Было организовано централизованное управление всеми наземными средствами, участвующими в работе во время полета. Координационно-вычислительный центр получал со всех наземных пунктов результаты радиоизмерений параметров движения корабля, с помощью электронных вычислительных машин обрабатывал эти результаты, вычислял параметры орбиты и выдавал целеуказания наземным пунктам управления и связи (данные о времени появления корабля в зонах радиовидимости наземных пунктов, программы движения наземных антенн и т. д.).

Поиск космонавта и спускаемого аппарата после возвращения на Землю осуществлялись с помощью централизованной службы поиска и эвакуации, в состав которой входили самолеты и вертолеты, оборудованные средствами радиопеленгации, отряды десантников-парашютистов, группы технического персонала, доставляемые к месту приземления самолетами и вертолетами.

Большое место в работах по осуществлению первых полетов человека в космос занимали медико-биологические исследования на животных при беспилотных полетах на кораблях-спутниках и подготовка космонавтов к полету. Эксперименты на животных подтвердили, что живой организм может перенести воздействие факторов космического полета.

При подготовке космонавтов к первым полетам исходили из необходимости обеспечения их хорошего физического состояния, вестибулярной устойчивости (в данном случае устойчивости к воздействию фактора невесомости), знания условий полета, материальной части корабля и необходимых навыков в управлении кораблем.

Конечно, успех в осуществлении первых полетов человека в космос объясняется не только удачными и грамотными техническими решениями, принятыми при проектировании корабля. Громадное значение имела работа по тщательной разработке технической документации на конструкцию корабля, его приборное и агрегатное оборудование, на схемы управления, на сборку и юстировку приборов, агрегатов и корабля в целом, на подготовку и испытания корабля в условиях завода, на космодроме и на старте. Созданию и полетам кораблей предшествовала действительно огромная работа по наземной отработке основных систем и агрегатов корабля, по подготовке космонавтов.

Техническая документация на беспилотные корабли и на соответствующие экспериментальные установки была в основном разработана летом 1959 г. (чертежи корпуса отсеков корабля были выпущены раньше - весной и в начале лета), и к осени 1959 г. уже началась сборка экспериментальных установок для наземной отработки отдельных механизмов, агрегатов, двигательной установки, конструкции и компоновки корабля, тепловой защиты, для самолетных испытаний системы приземления, для отработки всех бортовых приборов и систем на комплексном электрическом стенде корабля, для отработки теплового режима и т. п.

Основной объем наземной экспериментальной отработки был выполнен в конце 1959 - первой половине 1960 г.

Одновременно велись работы по созданию ракеты-носителя для космического корабля, отработка ее систем и двигателей на стендах и, наконец, отработка ракеты в полетах.

Успешно проходившие наземная отработка корабля и отработка ракеты-носителя в полетах позволили перейти к выполнению запусков кораблей без экипажа. В мае 1960 г. был запущен первый корабль-спутник (без тепловой защиты спускаемого аппарата, не предназначенный для посадки на Землю), а 19 августа был успешно запущен корабль с животными на борту, который был благополучно возвращен на Землю 20 августа 1960 г.

После внесения изменений в проект корабля по результатам запусков техническая документация на корабль в пилотируемом варианте в сентябре - ноябре 1960 г. была значительно доработана, были проведены дополнительные наземные экспериментальные работы, необходимые для перехода к пилотируемым полетам (в том числе отработка систем обеспечения жизнедеятельности, скафандров, катапультируемых кресел, парашютных систем космонавтов, системы ориентации, двигательной установки и т. д.).

В конце 1960 - начале 1961 г. по доработанной технической документации были изготовлены корабли, они прошли цикл отработки и электрических испытаний на заводе и на космодроме (рис 4).

Рис. 4. Сборка беспилотного корабля-спутника на космодроме (1960)

Эти корабли стали впоследствии известны как корабли «Восток» (рис. 5).

Рис. 5. Корабль «Восток»

В марте 1961 г. были осуществлены два запуска беспилотных кораблей по программе, полностью совпадающей с программой подготавливавшегося первого пилотируемого полета. Задачей этих беспилотных полетов была полная проверка всех бортовых систем и конструкции корабля. Оба полета прошли успешно без сколько-нибудь существенных замечаний. Спускаемые аппараты и манекены (которые устанавливались на месте пилота) благополучно приземлились после возвращения из полета (рис. 6).

Рис. 6. Схема спуска корабля «Восток»

1 - отстрел люка и катапультирование пилота в кресле; 2 - введение тормозного парашюта; 3 - стабилизация и спуск на тормозном парашюте; 4 - отстрел люка и введение вытяжного парашюта; 5 - введение основного парашюта пилота; 6 - введение тормозного парашюта; 7 - отделение кресла; 8 - спуск на тормозном парашюте; 9 - введение основного парашюта (скорость приземления 10 м/с); 10 - отделение НАЗа, автоматическое наполнение лодки (скорость приземления 6 м/с)

Все это позволило перейти к решающему этапу - выполнению первого полета человека в космическое пространство.

12 апреля 1961 г. ракетой-носителем был выведен на орбиту космический корабль «Восток-1» с первым космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным. Полет Ю. А. Гагарина был запланирован на 1 оборот вокруг Земли, т. е. на минимальное время полета при условии возвращения на территорию Советского Союза. Во время полета Ю. А. Гагарин чувствовал себя нормально. Все системы корабля работали практически без замечаний. Корабль и космонавт приземлились в расчетном районе.

Естественно, встал вопрос о подготовке следующего шага в осуществлении пилотируемых полетов.

Некоторые медики, отвечавшие за медико-биологическую сторону подготовки пилотируемых полетов, предлагали осуществить следующий полет на 3 - 4 оборота вокруг Земли с тем, чтобы возможно постепенное увеличивать время пребывания человека в условиях невесомости. Однако большинство специалистов и прежде всех Сергей Павлович Королев высказались за полет на одни сутки с тем, чтобы сделать существенный шаг в увеличении времени космического полета.

6 августа 1961 г. был выведен на орбиту второй советский космический корабль «Восток-2» с космонавтом Германом Степановичем Титовым.

Этот полет продолжался одни сутки. Во время полета Г. С. Титов чувствовал себя нормально, сохранил хорошую работоспособность, проводил эксперименты, медицинские тесты, поддерживал связь с наземными пунктами управления, управлял бортовой аппаратурой. Этот полет также закончился успешно. Правдивая и объективная информация, привезенная из полета Германом Титовым, оказалась весьма важной для подготовки космонавтов к следующим космическим полетам, особенно в части улучшения тренировки вестибулярного аппарата космонавтов.

Одновременно шло изготовление и подготовка космических кораблей для следующих полетов.

В августе 1962 г. был успешно осуществлен первый полет одновременно двух космических кораблей с космонавтами А. Г. Николаевым и П. Р. Поповичем. А. Г. Николаев провел в полете 4 сут, а П. Р. Попович - 3 сут. Оба космонавта чувствовали себя вполне нормально, выполнили большой объем работ.

Полеты А. Н.Николаева и П. Р. Поповича показали, что человек может успешно приспособиться к условиям невесомости и выполнять многосуточный космический полет.

В июне 1963 г. были подготовлены к очередному парному полету еще два космических корабля «Восток». Сначала был осуществлен старт корабля «Восток-5» с космонавтом В. Ф. Быковским. Через два дня был осуществлен старт корабля «Восток-6» с первой в мире женщиной-космонавтом В. В. Терешковой.

Полет В. Ф. Быковского продолжался 5 сут, а В. В. Терешковой - 3 сут. Успешным полетом В. Ф. Быковского и В. В. Терешковой были закончены пилотируемые полеты на кораблях «Восток».

Создание кораблей «Восток» и успешное выполнение первых полетов в космическое пространство создали необходимую базу для дальнейшего развития техники пилотируемых космических кораблей в Советском Союзе.

Рис. 7. Схема приземления корабля «Восход»

1 - отстрел крышки парашютного люка на высоте 5000±500 м; 2 - крышка парашютного люка и чехол вытяжного парашюта; 3 - вытяжной парашют; 4 - тормозной парашют; 5 - высота 3100±500 м. Через 18 с после отстрела крышки парашютного люка производится отцепка тормозного парашюта и ввод основных парашютов; 6 - тормозной реактивный двигатель твердого топлива; 7 - через 12±0,5 с после отстрела тормозного парашюта производится раскрытие щупа дистанционного контактного устройства (ДКУ). Через 5±0,5 с после ввода щупа подается питание на ДКУ. Вертикальная скорость снижения V = 7,4 ± 0,3 м/с (у Земли); 8 - щуп ДКУ; 9 - срабатывание ДКУ и запуск двигателя. Разблокировка цепей отстрела основных парашютов. Скорость приземления 0,2 м/с; 10 - приземление. Отстрел по одной стенге основных парашютов; 11 - ввод антенны; 12 - отстрел всех четырех стенг основных парашютов. Посадка на воду.

Следующим шагом в развитии пилотируемых полетов было осуществление полетов кораблей с экипажем, состоящим из нескольких человек, осуществление полета с выходом человека из корабля во время полета. Для этого на базе конструкции и систем корабля «Восток» был создан многоместный корабль «Восход». Его главные отличия от корабля «Восток» - введение дублирующей тормозной двигательной установки (так как полеты кораблей «Восход» планировались по более высоким орбитам и спуск за счет естественного торможения в атмосфере практически исключался, (рис. 7) установка в кабине трех кресел на корабле «Восход-1» и двух кресел на корабле «Восход-2», установка шлюза для выхода на корабле «Восход-2», введение системы мягкой посадки, соответствующие изменения в бортовых системах, автоматике и в конструкции корабля. Разработка проекта и технической документации на корабль «Восход» была проведена в 1964 г. В этом же году был выполнен большой объем экспериментальных работ по отработке двигателей, системы приземления, систем обеспечения жизнедеятельности, скафандров для корабля «Восход-2», системы шлюзования, бортовой аппаратуры и агрегатов корабля.

Полетам пилотируемых кораблей «Восход» предшествовали два запуска беспилотных кораблей, во время которых были проверены конструкция и оборудование корабля.

В октябре 1964 г. был впервые осуществлен полет корабля «Восход-1» с экипажем из трех человек. Во время этого полета экипаж корабля в составе космонавтов В. М. Комарова, Б. Б. Егорова и К. П. Феоктистова чувствовал себя нормально и выполнил ряд важных научных и технических экспериментов. В марте 1965 г. был осуществлен полет корабля «Восход-2» с экипажем в составе П. И. Беляева и А. А. Леонова. В этом полете впервые был осуществлен выход человека из корабля в космическое пространство. Этот важный эксперимент явился новым существенным этапом в развитии техники пилотируемых космических кораблей, так как дальнейшее развитие космических кораблей, орбитальных станций, осуществление экспедиций на другие планеты немыслимы без выхода космонавтов из корабля в пространство.

В 1962 г. были начаты проектные работы по новому космическому кораблю, который впоследствии стал известен как корабль «Союз». Этот корабль должен был представить более широкие возможности для проведения научных и технических исследований в полетах по орбите спутника Земли. Он также предназначался для отработки ряда новых технических средств, которые необходимы для дальнейшего развития космической техники, для создания пилотируемых орбитальных станций (рис. 8).

Ставилась задача создания и отработки на этом корабле средств измерения параметров движения двух кораблей относительно друг друга, управления процессом сближения и причаливания, механической и электрической стыковки двух кораблей, маршевых и координатных двигателей, обеспечивающих процессы сближения и причаливания, новых систем ориентации и управления средств спуска корабля на Землю с использованием аэродинамической Подъемной силы при движении спускаемого аппарата в атмосфере, новой системы приземления, с резервированием парашютной системы и т. д.

Рис. 8. Космический корабль «Союз» на стартовом устройстве

Эти задачи и определили конструкцию корабля, состав и конструкцию основных систем и агрегатов корабля.

Корабль «Союз» состоит из орбитального отсека, где экипаж проводит научные исследования и отдыхает, спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека (рис. 9).

Орбитальный отсек находится в передней части корабля и сообщается с расположенным за ним спускаемым аппаратом герметичным люком.

Рис. 9. Космический корабль «Союз»

Суммарный внутренний объем спускаемого аппарата и орбитального отсека составляет около 9 м³.

Давление и состав газа в обоих жилых отсеках корабля соответствуют давлению и составу атмосферы на поверхности Земли и поддерживаются практически неизменными на всех участках полета за счет работы системы регенерации.

Продолжительность полета корабля «Союз» определяется программой каждого полета и соответствующими запасами пищи, воды и рабочего тела в системе регенерации. На корабле «Союз» возможно осуществление полетов продолжительностью до 30 сут. Во время полета на корабле можно находиться в обычной одежде без скафандров.

В орбитальном отсеке размещается научная аппаратура, частично аппаратура управления и связи, переносная телевизионная камера и т. п. Орбитальный отсек имеет до четырех иллюминаторов.

Спускаемый аппарат предназначен для размещения экипажа при выведении корабля на орбиту, при маневрировании на орбите и спуске на Землю. Снаружи на корпус наноситься специальное теплозащитное покрытие для предохранения от аэродинамического нагрева при спуске на Землю. Благодаря наружному теплозащитному покрытию корпуса спускаемого аппарата и внутреннему слою теплоизоляции кабины, играющей одновременно роль звукоизоляции, температура в кабине к моменту посадки не превышает 25 - 30⁰ С. Внутри аппарата монтируется аппаратура управления спуском, радиоаппаратура связи и оборудование обеспечения жизнедеятельности. В специальных контейнерах размещаются парашюты. На корпусе установлены реактивные двигатели системы управления спуском и двигатели мягкой посадки. Непосредственно перед пилотом установлен пульт управления космическим кораблем. В корпусе спускаемого аппарата имеются три иллюминатора. Форма спускаемого аппарата корабля «Союз» выбрана такой, что при его движении в атмосфере возникает не только сила лобового сопротивления, но и подъемная сила. Использование принципа спуска с аэродинамическим качеством позволяет снизить перегрузки, действующие на экипаж на участке спуска в атмосфере до 3 - 4 ед. (по сравнению с 8 - 10 ед. при баллистическом спуске). Благодаря управляемому спуску с аэродинамическим качеством наряду с уменьшением перегрузок существенно повышается точность приземления аппарата. В случае необходимости возможен спуск и по баллистической траектории.

При спуске с орбиты после торможения аппарата в атмосфере на высоте около 9 км раскрывается тормозной и затем основной парашют, на котором и осуществляется приземление. Непосредственно перед приземлением на высоте около 1 м срабатывают тормозные ракетные двигатели мягкой посадки. Кроме основной парашютной системы, спускаемый аппарат снабжен запасной парашютной системой, которая вступает в действие в случае каких-либо нарушений в работе основной системы. Управление работой комплекса средств приземления осуществляется специальной автоматикой. Для обеспечения поиска после приземления спускаемый аппарат оборудован радиосистемами, позволяющими осуществлять его пеленгацию на участке парашютирования и после приземления или приводнения.

Приборно-агрегатный отсек предназначен для размещения в нем основной бортовой аппаратуры, работающей в орбитальном полете, и двигательных установок корабля. Аппаратура размещается в герметичной части отсека. В негерметичной части установлена жидкостная реактивная двигательная установка, которая используется для выполнения маневров на орбите, а также для спуска корабля на Землю. Двигатель задублирован. Тяга обоих двигателей по 400 кгс.

Для выполнения разворотов при ориентации и для координатных перемещений корабля используется система реактивных двигателей малой тяги.

Снаружи агрегатного отсека размещены датчики системы ориентации, солнечные батареи и основные антенно-фидерные устройства бортовых радиосистем корабля. Панели солнечных батарей при выведении корабля на орбиту находятся в сложенном положении. После отделения корабля от последней ступени ракеты-носителя производится их раскрытие. Площадь солнечных батарей около 14 м² (В последующем в основном транспортном варианте кораблей «Союз» солнечные батареи уже не устанавливались. - Прим. ред.).

Бортовые системы и автоматика корабля «Союз» построены исходя из следующих двух принципиальных соображений.

1) Основная задача экипажа - проведение научных и технических исследований в орбитальном полете. Поэтому все процессы ориентации, управления двигателями, управления работой систем терморегулирования, жизнеобеспечения, радиосвязи, телеметрии, контроля орбиты, энергопитания максимально автоматизированы, так что полет корабля может быть выполнен без участия экипажа в управлении.

2) Наличие экипажа на борту корабля позволяет увеличить надежность и безопасность полета за счет вмешательства экипажа в работе систем в случае необходимости.

Исходя из этих соображений, корабль снабжен комплексом автоматических систем и пультом для ручного управления. В комплекс автоматических систем входят система автоматического управления процессами сближения и стыковки, которая была проверена при запусках спутников «Космос» № 186, 188, 212, 213, автоматические системы ориентации, энергопитания и т. д.

Пульт корабля позволяет экипажу контролировать в полете работу бортовых систем и агрегатов, и в случае необходимости взять на себя ручное управление ориентацией корабля, включать и выключать аппаратуру, переходить на резервные приборы и агрегаты, регулировать температуру, газовый состав и давление в жилых отсеках корабля, включать и выключать двигатели и т. д.

Первый пилотируемый полет корабля «Союз-1» в апреле 1967 г. закончился трагически - при посадке корабля погиб пилот корабля - космонавт В. М. Комаров. Причиной этой аварии явилось нарушение в работе парашютной системы приземления. В 1967 - 1968 гг. были проведены некоторые доработки в конструкции корабля, проведен большой объем дополнительных самолетных испытаний системы приземления. В дополнительных беспилотных полетах были проверены вновь все системы корабля и в том числе система приземления. 26 - 31 октября 1968 г. был осуществлен полет корабля «Союз-3» с космонавтом Г. Т. Береговым. За одни сутки до старта корабля «Союз-3» на орбиту был выведен беспилотный корабль «Союз-2». В задачи полета кораблей «Союз-2» входили: отработка автоматических режимов работы системы и оборудования корабля, отработка ряда основных режимов ручного управления кораблем, а также проведение научных и технических экспериментов.

14 - 18 января 1969 г. был совершен парный запуск кораблей «Союз-4» и «Союз-5», на которых совершили полет космонавты В. А. Шаталов, Б. А. Волынов, А. С. Елисеев, Е. В. Хрунов. Во время этого полета был проведен процесс автоматического сближения кораблей до расстояния около 200 м, причаливание кораблей при ручном управлении, стыковка и совершен переход А. С. Елисеевым и Е. В. Хруновым из корабля «Союз-5» в корабль «Союз-4» через открытое пространство.

Этот полет продемонстрировал, что созданы и проверены в полете средства сближения и стыковки космических кораблей, что проверена в полете база для разработки орбитальных станций и что практически создан транспортный корабль, на котором можно доставить экипаж и грузы на орбитальные станции.

11 - 18 ноября этого же года был осуществлен сложный групповой полет трех кораблей «Союз» с экипажем в составе: В. А. Шаталов, А. С. Елисеев, Г. И. Шонин, В. Н. Кубасов, А. В. Филипченко, В. Н. Волынов и В. В. Горбатко.

1 - 19 июня 1970 г. был осуществлен длительный полет корабля «Союз-9» с экипажем в составе А. Г. Николаева и В. И. Севастьянова. Этот полет имел важное значение как начало нового наступления в решении задачи постепенного увеличения длительности космических полетов, разработки и проверки в полете средств, позволяющих осуществлять длительные космические полеты без искусственной тяжести.

Решения основных проблем, принятые при создании первых космических кораблей, были достаточно просты. При усложнении целей создания кораблей приходится пересматривать эти решения и находить новые, более эффективные. К тому же по мере изменения целей к этим проблемам прибавятся новые.

Наиболее перспективным направлением развития на ближайшие годы в области пилотируемых космических систем являются работы по созданию орбитальных станций. Орбитальные станции с полезным грузом аппаратуры и оборудования исследований и наблюдений весом порядка тонны и даже десятков тонн позволят совершить новый шаг в освоении космического пространства человеком. Большое количество атмосферы, научных инструментов и длительное время эксплуатации позволят резко расширить фронт исследований в интересах народного хозяйства (картографирование, геология, рыбный промысел, контроль состояния природных ресурсов), астрофизики (космические исследования за атмосферой Земли во всем диапазоне длин волн), технологии, медицины и биологии, провести отработку систем будущих межпланетных кораблей. При работах над орбитальными станциями основными проблемами являются:

• - создание комплексов аппаратуры и инструментов для исследований, телескопов с диаметрами зеркала порядка 1 - 5 м, спектрометрической, фототелевизионной аппаратуры, антенн радиотелескопов и т. п.),
• - обеспечение достаточно длительного пребывания экипажа в условиях невесомости (чтобы не слишком часто менялся экипаж) с обеспечением безопасного возвращения на Землю,
• - обеспечение длительной работы бортовой аппаратуры (порядка нескольких лет),
• - обеспечение точной ориентации астрономических инструментов (порядка долей угловой секунды).

Решения характерных для космических кораблей проблем, использованных при создании кораблей «Восток», останутся как классический пример простоты и соответствия имеющемуся уровню техники. Но сами эти решения едва ли сохранятся как типовые для будущих кораблей - дальнейшее развитие техники космических кораблей, накопление опыта, прогресс в других областях науки и техники позволят найти более оптимальные и, может быть, более надежные решения. Приведем несколько примеров возможных направлений в решении характерных проблем.

Возвращение на Землю. Здесь прогресс будет, очевидно, развиваться в направлении создания аппаратов для управляемого (а не баллистического) спуска с использованием аэродинамической подъемной силы. Работы в этом направлении начаты созданием спускаемых аппаратов кораблей «Союз» и «Аполлон».

Энергопитание. Снижение весовых характеристик, увеличение ресурса работы, увеличение мощности - таковы главные задачи развития в этой области. Помимо систем энергопитаия с использованием солнечных батарей, топливных элементов, изотопных термогенераторов, по-видимому, в будущем могут развиваться ядерные термогенераторы и более сложные ядерные энергетические установки.

Контроль траектории движения. Здесь следует ожидать развития автономных корабельных средств измерения и обработки, использующих для измерения оптические, телевизионные и радиосредства, в качестве опорных тел - звезды и планеты и для обработки измерений - бортовые электронные вычислительные машины.

Обеспечение теплового режима. Задачей развития в этом вопросе является уменьшение диапазона колебаний температуры в отсеках корабля; это позволит применять в аппаратуре кораблей более сложные, легкие и компактные элементы аппаратуры и повысить надежность их работы. Перспективным для систем обеспечения теплового режима может быть использование жидкостных контуров для выравнивания поля температур по оболочкам (как это сделано на станциях «Салют») и другим элементам конструкции кораблей, регулирование оптических коэффициентов радиационных поверхностей, использование нескольких радиаторов, входящих в «горячие» и «холодные» контуры систем терморегулирования.

Обеспечение жизнедеятельности экипажей. Особенно острой эта проблема является для длительных полетов. Если при осуществлении экспедиции на Марс пытаться решать эту проблему за счет запасов пищи, воды и кислорода, то для экспедиции из 40 человек потребовалось бы взять с собой запасы пищи, воды и кислорода общим весом около 70 тс (даже без учета возможности задержки экспедиции, а эту возможность для дальних экспедиций, по-видимому, исключать нельзя).

Пути решения этих проблем в регенерации, восстановлении используемых запасов. Сравнительно простой является задача регенерации воды - это задача на уровне современной техники; уже существует несколько физико-химических способов регенерации воды (некоторые из них уже используются на станциях «Салют»). Более сложной, но также вполне решимой, является задача регенерации кислорода; здесь вполне реальным может оказаться путь биологической регенерации кислорода (за счет использования простейших водорослей). Обеспечение пищей возможно решить за счет использования обезвоженных запасов пищи (при одновременном использовании регенерации воды).

Более радикальным путем обеспечения жизнедеятельности экипажа в дальних полетах явится, по-видимому, создание на борту замкнутого экологического цикла, обеспечивающего в процессе полета круговорот веществ, т. е. практически полную регенерацию пищи, воды и кислорода.

Проблема выведения или более общая - проблема энергетики движения космических кораблей. Уже современные ракетно-космические комплексы существенно меняются за время своего полета от старта с Земли до возвращения: на участке выведения на орбиту спутника Земли последовательно отделяются ступени ракеты-носителя, а затем и корабль отделяется от последней отработавшей ракетной ступени. При возвращении на Землю перед входом в атмосферу уже сам космический корабль разделяется на две или более части, из которых только одна кабина с экипажем достигает поверхности Земли, перед приземлением сбрасывая еще ряд элементов конструкции. Таким образом, если от поверхности Земли отрывается система весом 100 тс, то возвращается спускаемый аппарат весом около 1 тс. 1 : 100 - это соотношение наиболее ярко показывает, насколько сильно изменяется система от взлета до возвращения. А ведь для лунных и марсианских кораблей при использовании химических ракет эти соотношения могут вырасти до 1 : 1000 и даже до 1 : 10 000.

К тому же надо сказать, что в современных ракетно-космических системах упомянутые переходы (от работы одной ракеты ступени к другой) обладают пониженной надежностью, что объясняется сложностью, нестационарностью и необратимостью процессов, идущих во время этих переходов.

Как избежать этих недостатков, как избежать необходимости создания сверхгигантских ракетных систем? Здесь возможны два пути развития. Первый путь использует решение, делящее задачу на две части: создание орбитальных кораблей (для полетов по орбитам спутников планет и для перелетов между орбитами спутников планет, например для перелета с орбиты спутника Земли на орбиту спутника Марса) и создание транспортных многоразовых кораблей для операций на трассе Земля - орбита спутника - Земля. В этом случае межорбитальные корабли должны быть снабжены электрореактивными двигателями (плазменными или ионными) с очень высокими удельными параметрами - с удельной тягой (т. е. с отношением тяги движителя к расходу рабочего тела в секунду) порядка 10000 - 15000 с. В качестве источника энергии такие двигатели, по-видимому, будут использовать солнечные батареи или ядерные реакторы. У электрореактивных двигателей с такими параметрами будут очень небольшие тяги - порядка килограммов или десятка килограммов, и потому они могут использоваться только при движении на орбитах. Характерной особенностью полета таких орбитальных кораблей будут очень протяженные участки работы двигателей. Например, время работы электрореактивного двигателя при разгоне корабля с орбиты спутника Земли к Марсу или Венере будет исчисляться неделями. Соответственно едва ли не главной проблемой создания таких двигателей является ресурс их работы. Орбитальные корабли с электрореакивными двигателями практически не будут изменяться в полете, и в принципе при заправке топливом они смогут использоваться неоднократно.

Второй путь развития - создание космических кораблей, слабо изменяющихся за все время полета - от старта с Земли до возвращения. Такие корабли, возможно, могут быть созданы на базе будущего развития газовых ядерных реакторов при условии создания ядерно-реактивных двигателей, использующих на участках полета, где требуются высокие тяги (взлет с поверхности планеты), всю мощность бортовых реакторов и водород в качестве рабочего тела. Удельные тяги таких двигателей должны быть порядка 3 000 ед. Для движения между орбитами спутников планет на таких кораблях можно использовать более эффективные электрореактивные двигатели. Однако, возможно, окажется целесообразным и для движения между планетами использовать высокие тяги - если удастся создать двигатели с более высокими удельными параметрами.

Общая проблема управления. Уже говорилось, что основными функциями управления на космическом корабле являются: координация и контроль работы бортовой аппаратуры, переключение бортовых систем в различные режимы работы, регулирование ритма работы, введение резерва аппаратуры в случае необходимости, угловая ориентация корабля, контроль положения и управления его движением.

Уже в настоящее время созданы средства, почти полностью автоматизирующие процессы контроля и управления на кораблях (иначе нельзя было бы посылать автоматические межпланетные станции к Марсу и Венере, нельзя было бы испытывать первые космические корабли в беспилотных полетах). Правда, следует отметить, что серьезный анализ состояния корабля и его систем производится пока только на Земле специалистами на основе радиотелеметрических измерений. Не вызывает сомнения возможность полной и достаточно надежной автоматизации всех процессов управления на космическом корабле, включая и вопросы контроля и анализа состояния корабля и его систем.

При этом представляется логичным следующее распределение обязанностей по управлению между экипажем и автоматикой.

Автоматические устройства должны обеспечивать измерения, регулирование динамических процессов и ритма работы, первичный и обобщающий контроль состояния корабля и его систем и выдачу экипажу обработанной информации в виде последовательных порций: «все хорошо» (или «все хорошо, кроме...»), контроль состояния отдельных систем с оценкой «хорошо-плохо», контроль состояния параметров и функционирования отдельных приборов (по требованию экипажа), рекомендации по действиям экипажа, прогноз работы и состояния систем и т. п.

Экипаж должен осуществлять выбор и принятие решений о дальнейшем ходе работ, полета, о необходимых профилактических мероприятиях и т. п. - одним словом, за экипажем должно остаться «право выбора». Конечно, экипаж в случае необходимости должен иметь возможность получения первичной информации. Но ее обработка не регулярная функция, а дело исключительное.

Человек должен вмешиваться в процессы управления и контроля только в случае необходимости, с целью устранения неисправностей или выхода из строя каких-либо систем, когда требуется переход на ручное управление.

Больших задач по управлению на экипаж, по-видимому, возлагать нецелесообразно, иначе ни на что другое у него не хватит времени, в том числе и на выполнение своих основных задач. Пилотируемый корабль отличается от автоматического тем, что экипаж способен принять новую (и даже неожиданную) информацию, переработать ее и затем здесь же увеличить возможности приема дополнительной информации, скорректировав метод приема, получения информации (например, уточняя или меняя методику проведения экспериментов или исследований). Поэтому следует ожидать, что основным в деятельности экипажей космических кораблей будет не управление кораблем, а выполнение поставленных в данном полете задач (например, проведение исследований планеты, области пространства, определенных наблюдений, монтаж или строительство станций, обсерваторий, наладка работы, постройка, регулировка специальных автоматических приборов и т.д.).

Все эти соображения исходят из того, что исследование и освоение околосолнечного пространства и Вселенной являются главной целью, ради которой будут и дальше создаваться и посылаться в полеты пилотируемые космические корабли и орбитальные станции.