НАСТОЯЩИЙ КОСМОЛЕТ
НАСТОЯЩИЙ КОСМОЛЕТ
Более четырех десятков космических кораблей семейства «Союз» стартовали с космонавтами на орбиту. Заметим, что пилотируемых «Востоков» и «Восходов» было лишь 8, «Меркуриев» — 4, «Джемини» — 10, «Аполлонов» — 15.
Таким образом, «Союзы» составляют больше половины всех космических кораблей, на которых летали космонавты. Если к этим цифрам добавить беспилотные модификации всех этих машин, то соотношение это еще больше возрастет в пользу «Союза». Факт совершенно удивительный в условиях быстрого прогресса космонавтики.
Эта конструкция начала создаваться летом 1959 года. В разгаре еще были работы по «Востоку», в цехах шел первый «металл» спускаемых аппаратов, на полный ход работали конструкторские отделы, готовилась техническая документация, электрики заканчивали выпуск схем… Уже в это время в КБ возникли споры: куда идти дальше? Одни считали — нужно создавать большие орбитальные корабли и станции, другие — готовить лунную экспедицию, третьи вообще замахивались на Марс.
Всем, однако, было ясно, что, прежде чем решать любую из этих задач, нужно научить орбитальные корабли встречаться и соединяться в космосе. Без этого бессмысленно даже задумывать сколь-либо сложные космические предприятия. Исходя из этого, в секторе К. П. Феоктистова была сформирована группа для исследования проблемы сближения и стыковки. Она должна была выявить технические сложности этой проблемы, наметить варианты ее решения, найти организации, которые смогли бы разработать нужную аппаратуру.
— Задача была очень непростой. Как сближаться? Как измерять параметры сближающихся объектов? Какое необходимо иметь оборудование? Как осуществлять причаливание и соединение кораблей и их коммуникаций? Вот далеко не полный перечень поставленных тогда вопросов. К началу 1962 года был получен основной теоретический задел, и на его базе мы приступили к проектированию. Многим у нас эта тема казалась не очень перспективной. Кое-кто был даже обижен, что пришлось отойти от непосредственной работы по «Востоку» и заняться задачей встречи.
— Почему было не попробовать создать новые средства для «Востоков»?
— Поначалу вопрос так и ставился. Мы, проектанты, считали, что важно решить проблему — научиться сближаться и стыковаться. Быстрее это можно было сделать, используя модификацию «Востока». Но Бушуев на одном из совещаний, посоветовавшись, очевидно, с Королевым, выступил с предложением — решать эту проблему сразу на новом, специально спроектированном корабле. Мы сначала оспаривали эту идею, нам казалась она преждевременной. Не хотелось терять, как минимум, два-три года на новый проект, за это время, как нам казалось, можно было бы вполне решить задачу встречи на «Востоках». Но СП высказался за новую разработку, и решение было принято.
— Вы считали возможности «Востока» по усовершенствованию достаточными? Ведь он проектировался как самый первый в мире корабль и делался очень быстро.
— Это верно: мы действительно сделали его за два года и на далекую перспективу не рассчитывали. Новый же корабль решили делать универсальным, предназначенным для решения самых различных космических задач. Хотя, конечно, очень скоро выяснилось, что сложность его на порядок, а то и два выше «Востока» и времени на создание и отработку уйдет намного больше. Только к 1969 году «Союз» был полностью отработан.
— Сближение кораблей на орбите — это прежде всего задача баллистики. Наверное, в вас заговорила ваша прежняя специальность?
— Хотя я отвечал за общее проектирование, компоновку, весовые расчеты, состав оборудования, сама задача сближения и стыковки очень привлекла меня. Трудились над ней в тесном содружестве, взаимно дополняя и критикуя друг друга, самые разные специалисты: баллистики, управленцы, «логики», компоновщики. Разумеется, и я и как проектант, и как бывший баллистик попытался внести свой вклад в «идеологию» решения этой задачи.
Я не буду здесь подробно рассматривать все те методы сближения космических объектов, которые были тогда известны и прорабатывались теоретиками. Задача эта непростая не только сама по себе (корабли на орбитах в отличие, скажем, от самолетов не могут сколь угодно круто менять направление и скорость своего полета — на них действуют неумолимые законы движения в поле тяготения при существенных ограничениях по энергетике), но и с точки зрения обеспечения оптимального расходования бортовых запасов топлива, а также приемлемых средств и методов управления процессом сближения. Между теоретически наилучшим решением всех вопросов и проектным решением была здесь изрядная дистанция.
Итак, нужно было выбрать метод сближения, то есть те параметры относительного положения и сближения объектов, которые нужно было измерять и корректировать, и последовательность включения двигателей коррекции.
Наиболее выгодным представлялся метод «свободных траекторий». При использовании этого метода измеряются параметры относительного движения объектов, по которым, в свою очередь, вычисляется по величине и направлению скорость, необходимая для прямого попадания одного объекта («активного») в другой («пассивный»). Конечно, с одного раза попасть не удастся — вследствие неточностей в измерениях, ориентации и отработке двигательного импульса. Поэтому необходимо эту операцию повторить два-четыре раза. В результате можно сблизиться настолько, что останется произвести лишь причаливание одного объекта к другому.
Метод этот казался чуть ли не идеальным, если бы не одно важное условие: необходимые вычисления в ходе сближения очень сложны, и без ЭВМ на борту их провести практически невозможно. Но в те годы малогабаритной легкой и надежной ЭВМ еще не было. Пришлось применить другой метод — «параллельного сближения», известный из теории зенитных управляемых ракет.
Суть метода в том, что двигатель «активного» объекта при своих включениях гасит, сводит к нулю угловую скорость «линии визирования», связывающую два объекта. Замерить составляющие относительной скорости (одна перепендикулярна «линии визирования», другая — вдоль нее), как и расстояние между объектами, сравнительно нетрудно с помощью радиолокатора. Вычисления при этом оказываются также достаточно просты, с ними могли справиться небольшие аналоговые счетно-решающие устройства.
Метод «параллельного сближения» решено было применить, начиная с расстояния между кораблями около 20 километров, а до этого осуществлять сближение на основе наземных радиоизмерений. Прежде всего предстояло создать устройство, которое бы замеряло все нужные параметры: угловую скорость линии визирования, дальность и радиальную скорость, а также выдавало сигналы на взаимную ориентацию сближающихся объектов. Причем сразу было решено автоматизировать весь процесс сближения и стыковки и в то же время предусмотреть возможность ручного управления на расстоянии менее 200–300 метров.
Далее предстояло решить задачу причаливания а создать стыковочный узел. И здесь было много вариантов, вплоть до самых фантастических. Специалисты по системам управления во главе с Виктором Павловичем Легостаевым предложили, например, установить на одном из кораблей («пассивном») большую петлю, а на другом крючок, который бы цеплял за петлю и подтягивал корабль. Точность сближения действительно требовалась при этом небольшая (и это нравилось самим управленцам), но проектанты это посчитали не просто технически неубедительным, но даже несерьезным.
Однако легостаевцы настаивали на своей идее. Обсуждалась она едва ли не на каждом совещании по проблеме стыковки. Проектанты же называли эту петлю «удавкой» и доказывали, что захват и стягивание таким способом очень сложная конструкторская задача. Нужно придумать механизм раскрытия петли, создать специальные лебедки для стягивания объектов и в конце концов все равно сделать стыковочный узел для обеспечения жесткого контакта. К тому же реализация этой идеи непроста с точки зрения динамики: нужно демпфирование объектов после сцепления тросом и стабилизация их вокруг него.
Значительно проще и надежнее, считали проектанты, осуществить сближение объектов до контакта, а затем жесткую стыковку. Необходимой точности сближения вполне можно было достигнуть. Споры между проектантами и управленцами по этому поводу шли долго и иногда были очень острыми.
Еще в 1961 году проектантами прорабатывался узел жесткой стыковки по схеме «штырь — конус» с винтовой системой стяжки. Конкретный вариант конструкции позже предложил ветеран КБ Александр Михайлович Коновалов. Это был очень изобретательный человек, не имевший, кстати, даже инженерного диплома. После того как эту схему исследовали специалисты по механизмам, к ее окончательной разработке приступила группа конструкторов во главе с В. С. Сыромятниковым.
Намного труднее на этот раз было с весами, хотя теперь проектанты исходили из существенно большей грузоподъемности ракеты-носителя — 6,5 тонны вместо 4,5 (была создана более мощная третья ступень). Ведь решено было создать принципиально новый корабль, на котором можно было бы не только осуществлять сближение и стыковку, но летать двум-трем космонавтам в течение нескольких недель (если помните, предел «Востока» был 10 дней), а в условиях совместной работы со станцией (подразумевалось, что на базе этого корабля позже будет создано транспортное средство для обслуживания долговременных орбитальных станций) до нескольких месяцев.
Существенно должны были быть лучше условия жизни и работы экипажа, значительно больше возможности для проведения исследований и экспериментов, а также улучшены условия возвращения и посадки на Землю — снижены перегрузки, повышена точность приземления и т. д.
Задача на проектирование будущего «Союза» была поставлена в самых общих чертах Королевым и Бушуевым, а в деталях прорабатывалась проектантами при постоянном контроле и уточнениях со стороны руководства. Важнейшей задачей было создание и отработка средств измерения параметров движения двух космических аппаратов относительно друг друга, управления процессом сближения и причаливания, механической и электрической стыковки двух кораблей, создание маршевых и координатных двигателей, обеспечивающих процессы сближения и стыковки, а также систем ориентации и управления, спуска на Землю с использованием подъемной силы и мягкой посадки.
На «Востоке» спускаемый аппарат имел форму сферы, которая при движении в атмосфере не имеет подъемной силы, и поэтому спуск его идет по довольно крутой, баллистической траектории. В результате при входе в плотные слои атмосферы возникают большие перегрузки — до 8—10 единиц. Для космонавтов, недолго пробывших на орбите, это не страшно. Но при длительных полетах ослабленному невесомостью организму космонавта большие перегрузки противопоказаны.
Если у корабля есть хотя бы небольшая подъемная сила, еще лучше регулируемая, корабль идет в атмосфере по более пологой траектории, тормозится медленнее, перегрузки снижаются. Кроме того, регулирование подъемной силы позволяет менять по необходимости точку приземления в диапазоне плюс-минус несколько сот километров с точностью до нескольких километров.
Для возвращаемых космических аппаратов возможно несколько способов получения подъемной силы: жесткое крыло, крылоподобная форма самого аппарата, авторотирующие винты, надувное крыло типа дельтаплана, специальные реактивные двигатели. Нужно было выбрать наиболее выгодный, исходя из условий выведения, полета и возвращения корабля, а также его компоновки.
Изучив все известные методы, специалисты по аэродинамике и проектанты пришли к выводу, что наиболее выгодно… не применять никаких средств, а использовать способность любого несферического тела развивать подъемную силу при определенных углах атаки. Говоря о «Востоке», мы упоминали различные формы тел, оптимальных с точки зрения объема, веса, теплозащиты и подъемной силы. На этот раз все эти формы были исследованы заново и выбор пал на бочкообразный усеченный конус с небольшим, в несколько градусов, углом раскрытия. Подобную форму имеет автомобильная фара. Такая форма при смещении центра тяжести от оси симметрии позволяет при движении в атмосфере получить подъемную силу. Вообще-то спускаемый аппарат с подъемной силой прорабатывался на предприятии еще с 1960 года и проектанты имели в своем распоряжении результаты обширного анализа.
— Спускаемые аппараты всех американских кораблей имели форму конуса — «Меркурий» и «Джемини» с углом около 55 градусов, а «Аполлон» — более 60 градусов. У «Союза» форма иная, это дало какие-нибудь преимущества?
— В целом, мне кажется, да. У «Аполлона» было несколько выше аэродинамическое качество. Но, с другой стороны, у «Союза» лучше использовался объем, меньше потребный запас топлива на ориентацию при спуске, проще задача размещения оборудования.
— У «Востока» и всех американских космических кораблей спускаемые аппараты перед стартом располагались в головной части комплекса носитель — корабль. И это понятно. На случай аварийной ситуации так легче отделить аппарат с космонавтами и увести его в сторону. Почему у «Союза» впереди спускаемого аппарата располагается еще орбитальный отсек? Чем это вызвано и как при этом решается задача аварийного спасения?
— В свое время мы очень много думали над этим. И вот какие у нас возникли доводы в пользу такой, в общем, вы правы, не очень удобной с точки зрения аварийного спасения компоновки. Все корабли, созданные до «Союза», были рассчитаны на сравнительно кратковременные полеты — до двух недель. В этом случае космонавты, когда их два-три человека, вполне могут потерпеть друг друга в одном объеме, однако комфорта при этом немного. Попробуйте втроем сесть в «рафик» и провести в нем безвыходно даже недельку — и работать, и есть, и спать все время в маленьком салоне. Здесь же, разумеется, должен быть и туалет. Мы решили сделать «Союз» «двухкомнатным». Один отсек — спускаемый аппарат — для выведения и возвращения космонавтов, другой — орбитальный отсек — для научной работы. Здесь же туалет. Естественно, орбитальному отсеку не нужна теплозащита — он будет отделяться после входа в атмосферу вместе с приборно-агрегатным отсеком.
— Конечно, «двухкомнатная квартира» удобнее, это понятно. Но ведь так сложнее устроить аварийное спасение. Я говорю уже не о «рафике», а о космическом корабле. Почему бы орбитальный отсек не разместить между спускаемым аппаратом и приборно-агрегатным отсеком? Ведь если спускаемый аппарат разместить впереди, система аварийного спасения легко устанавливается прямо на спускаемый аппарат.
— Думали мы об этом варианте. Но в этом случае возникает необходимость сделать переходной люк-лаз в теплозащитном экране, а это приводит к всевозможным техническим и технологическим сложностям. Например, космонавтам пришлось бы лазать под креслами.
— Кресла можно сделать сдвижными, как в «Жигулях».
— Но дело в том, что именно здесь, возле экрана, в целях обеспечения центровки аппарата должна располагаться основная масса оборудования.
— А перевернуть спускаемый аппарат было нельзя?
— А где тогда будет стыковочное устройство? Опять же в теплозащитном экране?
— Сделать его сбоку того или другого отсека!
— Опять не годится. Стыковочный узел можно было бы поставить только на боковую стенку орбитального отсека (у спускаемого аппарата это резко бы нарушило аэродинамику), но тогда очень усложнилось бы оборудование сближения и причаливания и совсем неудачным оказался бы с точки зрения динамики конструкции весь комплекс из двух состыкованных кораблей. И потом, если спускаемый аппарат перевернуть, космонавты на старте будут не лежать в креслах, а висеть на ремнях и перегрузки будут действовать не в самом благоприятном направлении: спина — грудь.
— Сделать поворотные кресла очень сложно?
— Да, это усложнение чрезмерное — понадобится специальный механизм, да и дополнительное пространство. Можно было бы просто не «сажать» космонавтов в кресла вниз животом, а подвесить в специальных ложементах. Но некомфортно все это, и вообще не годится. Одним словом, только экраном вниз и только в середине между двумя блоками.
— Еще вопрос бывшего конструктора: разве вас не смутило, что космонавтам будет трудно наблюдать визуально за сближением и причаливанием кораблей — ведь впереди орбитальный отсек?
— Смущало, конечно. Но во-первых, наблюдение можно было бы вести и из орбитального отсека, а во-вторых, мы решили применить перископическую систему. Обзор через нее несколько хуже, но работа с ней сложности не представляет. Каждая проектная задача — это выбор оптимального решения. Хочешь иметь преимущества — «плати» какими-то недостатками. Без этого не бывает.
— Ну и наконец, как вы все-таки решили спасать космонавтов при аварии на начальном участке — отрывать спускаемый аппарат вместе с орбитальным блоком?
— В общем, решили именно так, с последующим их разделением. Но в этом решении есть одна тонкость. «Тянуть» корабль за орбитальный отсек нехорошо, тогда нужно делать его очень прочным. И мы смонтировали стойку с двигателями системы спасения на головном обтекателе, который крепится к месту соединения орбитального отсека со спускаемым аппаратом и при аварии тянет их оба.
— Ага! Корабль как бы подхватывался под мышки. Красивое решение! А кстати, как все же было с весами?
— Очень быстро мы в наших проектных прикидках добрались до предела. Так уж получалось — тому накинешь с десяток килограммов, другому чуть уступишь…
— Речь идет о смежниках, делающих оборудование?
— Да. Теперь мы уже в отличие от «Востока» стремились к установке самой современной аппаратуры. И, требуя лучших характеристик, вынуждены были уступать в весах. В результате регулярно возникали проблемы. Однажды один из моих сотрудников вдруг заявил: «У нас ничего не получится, нет никакого резерва весов, и нам не выпутаться; это все вы (я то есть) виноваты, добренький очень, всем уступаете». И так далее и тому подобное. В общем, на мой взгляд, сдался. А был хороший, толковый проектант. Мне пришлось его перевести с работ по «Союзу» на текущие работы по «Востоку» — «Восходу». Но он, этот сотрудник, был не одинок в своем скепсисе. Многие тогда считали, что «Союз» не получится. Я же и многие наши ребята верили: справимся. Верили в это дело и Сергей Павлович и Константин Давыдович, которые занимались «Союзом» очень активно.
Уже в середине 62-го были подготовлены первые исходные данные на разработку технической документации и началась работа над эскизным проектом. Трудности сразу возникли очень большие. Особенно при разработке системы определения параметров относительного движения двух кораблей при сближении и средств наземного контроля работы этой системы (как, впрочем, и всех других систем корабля). Непросто далось макетирование внутренней компоновки отсеков.
Но больше трудов было положено на обеспечение возвращения и посадки корабля. Детально исследовались аэродинамические и тепловые характеристики, как и характеристики устойчивости и управляемости спускаемого аппарата. Много хлопот доставило теплозащитное покрытие, оно тоже теперь было другое по составу и конструкции. А следовательно, нужны были новая технология и оснастка для нанесения теплозащиты и проверки ее работоспособности. Работы по новой системе приземления потребовали создания специальных макетов спускаемого аппарата, сбрасываемых с самолетов. Пришлось заказать новую двигательную установку, систему управляющих двигателей и массу других новых агрегатов. Нелегко было добиться нужной надежности и точности от всей этой аппаратуры.
Мы уже говорили о сложности электрических цепей «Востока», которая открылась, когда их впервые разложили на столах. Здесь же создателей корабля охватил просто ужас: сотни приборов, тысячи деталей, десятки километров кабелей. И все это должно быть воссоединено в работающее целое. Только описание логики работы, программ автоматики составило целый том. И это при том, что эту логику старались сделать максимально простой и надежной.
Кое-кто опять засомневался: удастся ли вытянуть всю эту автоматику? Занимался ею Шустин со своими товарищами, проявили они буквально виртуозность, ведь дорабатывать логику им пришлось множество раз.
Все было выверено, казалось, предельно, но все же на первом летном испытании системы объявились три «креста». То есть в трех случаях команды сработали наоборот. Правда, в двух из них команды компенсировали друг друга, так что остался один «крест». Для первого раза это было совсем неплохо.
Объем работ был огромным. Только конструкторская документация составила несколько тысяч листов чертежей, схем и инструкций. Постепенно испытатели начали включать аппаратуру. Оказалось, работает! И постепенно, шаг за шагом пришли к тому, что все стало включаться и выключаться, когда надо.
Почти пять лет шли проектирование, разработка, постройка и испытания систем. Все чувствовали, что корабль получился очень сложный. Не так уж много людей знали все особенности его работы. Подготовка космонавтов к его пилотированию была очень напряженной.
Первый пилотируемый полет состоялся в апреле 1967 года. Первым космонавтом-испытателем «Союза» был командир «Восхода» Владимир Комаров, и полет его, как известно, закончился трагически.
Вспоминать лишний раз об этом очень тяжело. Но иногда надо. Наверняка каждому, кто причастен к созданию и полетам космических кораблей, это служит нелишним подтверждением необходимости постоянней и предельной тщательности в работе над техникой пилотируемых полетов. Хотя в этом случае, как и в другой трагедии — гибели экипажа корабля «Союза-11», невозможно кого-либо винить за нерадивость, беспечность или низкий профессионализм.
Полет должен был завершиться через сутки после старта. Перед возвращением было решено перейти на ручную систему ориентации. Комаров отлично сориентировал корабль, включил двигатель, все прошло штатно. Разделились отсеки, спускаемый аппарат пошел к Земле. Все было в норме. Но нервы у всех на Земле были напряжены до предела — все-таки первый «Союз» с человеком садится. Потом какое-то время в центре управления не было никакой информации — и вдруг это сообщение…
Что же произошло? Из контейнера не вышел основной парашют. Из-за этого не отделился тормозной парашют, и началось вращение аппарата. Когда же по сигналу автоматики был выпущен запасной парашют, он закрутился вокруг строп тормозного.
Почему не вышел основной парашют? Однозначно ответить на этот вопрос трудно. На испытаниях системы приземления, предшествующих полету Комарова — самолетных и беспилотных космических, — все работало нормально. Возможно, каким-то образом в контейнере образовалось разрежение и парашют был в нем зажат. Во всяком случае, при доработках контейнер расширили и усилили его стенки, доработали также систему запасного парашюта.
К сожалению, мы ничего не знаем и никогда не узнаем, как провел последние секунды жизни Владимир Комаров, что он успел почувствовать и подумать. Обычно космонавт при спуске ожидает резкого рывка и замедления полета, когда раскрывается купол парашюта. Рывка этого не последовало, и падение продолжалось около минуты. Наверное, это слишком мало, чтобы успеть понять, что произошло и что тебя ждет…
Полтора года после этого шли доработки и дополнительные испытания всех систем «Союза». В октябре 1968 года вновь начались пилотируемые полеты корабля.
Первым, кто испытывал доработанный корабль, был летчик-испытатель Георгий Тимофеевич Береговой. Звание Героя Советского Союза он заслужил, совершив 185 боевых вылетов на штурмовике. Войну закончил командиром эскадрильи. Он же был первым космонавтом, пришедшим в отряд с летной испытательной работы, имея к тому же звание заслуженного летчика-испытателя.
К концу 1969 года корабль можно было считать отработанным, а проблему сближения и стыковки на орбите практически решенной. По своим возможностям, насыщенности оборудованием и характеристикам корабль отвечал современным требованиям. Так, спуск корабля был управляемым и разброс точек приземления не превышал нескольких десятков километров и мог быть в принципе снижен до нескольких километров (у «Востока» рассеяние достигало 250–300 километров). Управление достигалось изменением вертикальной составляющей подъемной силы спускаемого аппарата за счет поворота его вокруг продольной оси. Перегрузки при спуске были 3–4 единицы (у «Востока» — 8—10). Система посадки включала парашют и твердотопливные двигатели, которые, включаясь на высоте 1–2 метра, гасилн скорость до 2–4 метров в секунду.
Оборудование корабля обеспечивало возможность проведения полностью автономного полета без участия наземного командного комплекса. Для обеспечения сближения и стыковки с другими объектами на орбите корабль был снабжен разнообразным радиотехническим оборудованием, а также оптическим визиром-ориентатором.
Приборно-агрегатный отсек на этот раз был сделан из двух частей — герметичной, с различной аппаратурой, и негермегичной, с двигательной установкой, предназначенной как для маневрирования на орбите, так и для торможения перед возвращением на Землю. Было решено установить два двигателя — основной и дублирующий, а в системе управления ориентацией — группы двигателей малой тяги со своими топливными баками и прочей аппаратурой.
В цикл создания новой техники входят, как известно, кроме проектирования и разработок, испытания корабля и его систем. Блоки корабля с установленным на нем оборудованием испытывались в барокамерах — на вакуум и герметичность, при перепадах давлений, на вибростендах, в лабораториях прочности. На специальных наземных стендах многократно проверялись системы разделения блоков корабля, механизмы раскрытия антенн и солнечных батарей, система сброса головного обтекателя и другое. Специальные стенды были созданы для отработки и проверки функционирования системы сближения и стыковки.
Наиболее сложные и волнующие испытания систем корабля те, которые проходят в натурных условиях. Так, работа системы приземления проверялась при сбросах экспериментальных объектов с самолета, плавучесть спускаемого аппарата — на водных акваториях, система аварийного спасения — на специальных установках. Каждое из этих испытаний приводило к необходимости уточнений в конструкции и доработкам.
В итоге всей этой огромной работы была получена возможность использовать новый корабль как в автономных многодневных полетах, так и в качестве транспортного средства для снабжения орбитальных станций.
Проектные работы над такой станцией были начаты еще в конце 1969 года. В 1970 году началось изготовление первого летного образца, а также наземные испытания отдельных систем. Неоценимые данные для этой работы были получены в результате рекордного тогда по длительности полета — в течение 18 суток — Андрияна Николаева и Виталия Севастьянова на «Союзе-9» в июне 1970 года.