Энциклопедия Кольера - космические полеты пилотируемые

См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ"; Космическая Станция.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Конструкция, запуск и эксплуатация пилотируемых космических летательных аппаратов, называемых космическими кораблями, намного сложнее, чем беспилотных. Кроме двигательной установки, систем наведения, энергоснабжения и других, имеющихся на автоматических КА, для пилотируемых необходимы дополнительные системы жизнеобеспечения, ручного управления полетом, бытовые помещения для экипажа и специальное оборудование для обеспечения возможности нахождения экипажа в космосе и выполнения им необходимой работы. С помощью системы жизнеобеспечения внутри корабля создаются условия, подобные земным: атмосфера, пресная вода для питья, пища, утилизация отходов и комфортный тепло-влажностный режим. Помещения для экипажа требуют специальной планировки и оборудования, поскольку на корабле сохраняются условия невесомости, в которых предметы не удерживаются на своих местах силой тяжести, как это происходит в земных условиях. Все предметы на космическом корабле притягиваются друг к другу, поэтому должны быть предусмотрены специальные устройства крепления и тщательно продуманы правила обращения с жидкостями, начиная от пищевой воды и кончая отходами жизнедеятельности. Для обеспечения безопасности человека все системы КК должны обладать высокой надежностью. Обычно каждая система дублируется или выполняется в виде двух одинаковых подсистем, с тем чтобы выход из строя одной из них не угрожал жизни экипажа. Электронное оборудование корабля выполняется в виде двух или более комплектов или независимых наборов электронных блоков (модульное резервирование) для обеспечения безопасного возвращения экипажа в случае самых непредвиденных аварийных ситуаций.

ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

Три основные системы необходимы для осуществления продолжительного полета космического корабля за пределами атмосферы и безопасного возвращения на Землю: 1) достаточно мощная ракета для выведения КК на орбиту вокруг Земли или траекторию полета к другим небесным телам; 2) тепловая защита корабля от аэродинамического нагрева во время возвращения на Землю; 3) система наведения и управления для обеспечения нужной траектории движения корабля. При разработке оружия в ходе Второй мировой войны были созданы необходимые технологии, а гонка ядерных вооружений в 1950-х годах способствовала их дальнейшему совершенствованию. Появление космических ракет-носителей было связано с разработкой межконтинентальных баллистических ракет (МБР) с достаточно большой забрасываемой массой, которые позволили выводить аппараты массой 1-2 т на низкую околоземную орбиту. Создание системы теплозащиты стало возможным после разработки абляционных материалов, которые испаряются вследствие трения о воздух при прохождении с высокой скоростью через атмосферу. И наконец, высокоточные и компактные инерциальные системы наведения были разработаны для баллистических ракет с мобильным стартом. Точность попадания этих ракет в цель с расстояния в несколько тысяч километров составляет всего несколько сотен метров.

См. также Инерциальная Навигация; Война Ядерная.

ПЕРВЫЕ ПОЛЕТЫ

"Восток". После запуска первого спутника Советский Союз начал разрабатывать программу пилотируемых космических полетов. Советское правительство давало скупую информацию о планируемых полетах. Немногие на Западе воспринимали эти сообщения всерьез, пока 12 апреля 1961 не было объявлено о полете Юрия Гагарина вскоре после того, как он совершил один виток вокруг земного шара и возвратился на Землю. Гагарин совершил свой полет на корабле "Восток-1" сферической капсуле диаметром 2,3 м, которая устанавливалась на трехступенчатую ракету А-1 (созданную на базе МБР СС-6), подобную той, которая выводила на орбиту "Спутник-1". В качестве теплозащитного материала использовался асботекстолит. Гагарин летал в катапультируемом кресле, которое должно было выстреливаться в случае аварии ракеты-носителя.

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

"Меркурий". В августе 1958 президент Д.Эйзенхауэр возложил ответственность за осуществление пилотируемого полета на только что образованное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которое в качестве первой программы пилотируемого полета выбрало проект "Меркурий" баллистическую капсулу. Были осуществлены два 15-минутных суборбитальных полета космонавтов в капсуле, выводимой баллистической ракетой средней дальности "Редстоун". А.Шепард и В.Гриссом совершили эти полеты 5 мая и 21 июля в капсулах типа "Меркурий", названных "Фридом-7" и "Либерти Белл-7". Оба полета прошли успешно, хотя неисправность привела к преждевременному отстрелу крышки люка на "Либерти Белл-7", из-за чего Гриссом едва не утонул. Вслед за этими двумя успешными суборбитальными полетами "Меркурий" "Редстоун" НАСА провело четыре орбитальных полета корабля "Меркурий", выведенных более мощной МБР "Атлас". Первые два трехвитковых полета (Дж.Гленн, "Френдшип-7", 20 февраля 1962; и М.Карпентер, "Аврора-7", 24 мая 1962) длились около 4,9 ч. Третий полет (У.Ширра, "Сигма-7", 3 октября 1962) продолжался 6 витков (9,2 ч), а четвертый (Купер, "Фейт-7", 15-16 мая 1963) 34,3 ч (22,9 витков). В ходе этих полетов был получен большой объем ценной информации, в том числе вывод, что члены экипажа должны быть пилотами, а не просто пассажирами. Несколько небольших неисправностей, случившихся в ходе полетов, в отсутствие специалиста на борту могли вызвать преждевременное прекращение полета или выход корабля из строя.

РЕШЕНИЕ ЛЕТЕТЬ НА ЛУНУ

"Меркурий" еще только готовился к своему первому полету, а руководство и специалисты НАСА планировали будущие космические программы. В 1960 они объявили о своих планах создания трехместного космического корабля "Аполлон", который мог бы совершать пилотируемые полеты продолжительностью до двух недель на околоземной орбите, а в 1970-х годах совершить облет Луны. Однако по политическим соображениям программу "Аполлон" пришлось радикально изменить еще до окончания этапа предварительного проектирования в 1961. Полет Гагарина произвел огромное впечатление во всем мире и дал Советскому Союзу преимущество в космической гонке. Президент Дж.Кеннеди поручил своим советникам определить такие области космической деятельности, в которых США смогут превзойти Советский Союз. Было решено, что только один проект высадка человека на Луну будет иметь более грандиозное значение, чем полет Гагарина. Этот полет, очевидно, был за пределами имевшихся на то время возможностей обеих стран, однако американские специалисты и военные считали, что задача может быть решена, если направить всю промышленную мощь страны на достижение такой цели. Кроме того, советники Кеннеди убедили его, что США обладают некоторыми ключевыми технологиями, которые могут быть использованы для осуществления полета. К этим технологиям относились система наведения баллистических ракет "Поларис", криогенная ракетная технология и большой опыт реализации крупномасштабных проектов. В силу этих причин, несмотря на то, что США имели на этот момент всего 15 минут опыта пилотируемых космических полетов, Кеннеди 25 мая 1961 заявил в Конгрессе, что Соединенные Штаты поставили цель полета человека на Луну в течение ближайших десяти лет. Из-за различия политических систем Советский Союз сначала не отнесся серьезно к этому заявлению Кеннеди. Советский премьер Н. С. Хрущев рассматривал космическую программу главным образом как важный пропагандистский ресурс, хотя квалификация и энтузиазм советских инженеров и ученых были не ниже, чем у их американских соперников. Лишь 3 августа 1964 ЦК КПСС утвердил план пилотируемого облета Луны. Отдельная программа посадки на Луну была одобрена 25 декабря 1964 с отставанием более чем на три года от Соединенных Штатов.

ПОДГОТОВКА К ПОЛЕТУ НА ЛУНУ

Встреча на окололунной орбите. Чтобы достичь поставленной Кеннеди цели полета человека на Луну и обратно, руководству и специалистам НАСА необходимо было выбрать способ осуществления такого полета. Группа предварительного проектирования рассмотрела два варианта прямой перелет с поверхности Земли на поверхность Луны и полет с промежуточной стыковкой на околоземной орбите. Прямой перелет потребовал бы разработки огромной ракеты, получившей предварительное название "Нова", для выведения лунного корабля на траекторию прямого перелета к Луне. Промежуточная стыковка на околоземной орбите потребовала бы запуска двух ракет меньшего масштаба ("Сатурн-5") одной для выведения космического корабля на околоземную орбиту и другой для дозаправки его топливом перед полетом с орбиты к Луне. В обоих этих вариантах предусматривалась посадка 18-метрового космического корабля сразу на Луну. Поскольку руководство и специалисты НАСА считали эту задачу слишком рискованной, они в 1961-1962 разработали третий вариант со встречей на окололунной орбите. При таком подходе ракета "Сатурн-5" выводила на орбиту два космических аппарата меньших размеров: основной блок, который должен был доставить трех космонавтов на окололунную орбиту и обратно, и двухступенчатую лунную кабину, которая должна была доставить двух из них с орбиты на поверхность Луны и обратно для встречи и стыковки с остающимся на окололунной орбите основным блоком. Этот вариант был выбран в конце 1962.

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

"ДЖЕМИНИ-10" на околоземной орбите (июль 1966).Корабль "Восход". Однако еще до начала полетов "Джемини" Советский Союз осуществил два довольно рискованных полета. Не желая уступать США приоритет запуска первого многоместного космического корабля, Хрущев распорядился срочно подготовить к полету трехместный корабль "Восход-1". Выполняя распоряжение Хрущева, советские конструкторы модифицировали "Восток", чтобы он мог нести трех космонавтов. Инженеры отказались от катапультируемых кресел, которые спасали экипаж в случае неудачного запуска, и расположили центральное кресло немного впереди двух других. Корабль "Восход-1" с экипажем в составе В.М.Комарова, К.П.Феоктистова и Б.Б.Егорова (первый врач в космосе) совершил 16-витковый полет 12-13 октября 1964. Советский Союз осуществил и другой приоритетный полет на корабле "Восход-2" (18-19 марта 1965), в котором левое кресло было снято, чтобы освободить место для надувной шлюзовой камеры. В то время как П.И.Беляев оставался внутри корабля, А.А.Леонов вышел из корабля через этот шлюз на 20 мин и стал первым человеком, осуществившим выход в открытый космос.

Полеты по программе "Джемини". Проект "Джемини" можно разделить на три основных этапа: летно-конструкторские испытания, длительный полет и полет со сближением и стыковкой с кораблем-мишенью. Первый этап начался с беспилотных полетов "Джемини" 1 и 2 (8 апреля 1964 и 19 января 1965) и трехвиткового полета В.Гриссома и Дж.Янга на борту "Джемини" 3 (23 марта 1965). В полетах "Джемини" 4 (Дж.Макдивитт и Э.Уайт мл., 3-7 июня 1965), 5 (Л.Купер и Ч.Конрад-мл., 21-29 августа 1965) и 7 (Ф.Борман и Дж.Ловелл-мл., 4-18 декабря 1965) исследовалась возможность длительного пребывания человека в космосе путем постепенного увеличения продолжительности полета до двух недель максимальной длительности полета к Луне по программе "Аполлон". Полеты "Джемини" 6 (У.Ширра и Т.Стаффорд, 15-16 декабря 1965), 8 (Н.Армстронг и Д.Скотт, 16 марта 1966), 9 (Т.Стаффорд и Ю.Сернан, 3-6 июня 1966), 10 (Дж.Янг и М.Коллинз, 18-21 июля 1966), 11 (Ч.Конрад и Р.Гордон-мл., 12-15 сентября 1966) и 12 (Дж.Ловелл и Э.Олдрин-мл., 11-15 ноября 1966) первоначально планировались для стыковки с кораблем-мишенью "Аджена". Частная неудача вынудила НАСА осуществить один из наиболее драматических орбитальных экспериментов 1960-х годов. Когда ракета "Аджена", корабль-мишень для КК "Джемини" 6, взорвалась на старте 25 октября 1965, он остался без мишени. Тогда руководство НАСА решило вместо этого осуществить сближение в космосе двух кораблей "Джемини". По этому плану нужно было сначала запустить "Джемини" 7 (в его двухнедельный полет), а затем, быстро проведя ремонт стартового стола, запустить "Джемини" 6. В ходе совместного полета был снят красочный фильм, показывающий сближение кораблей вплоть до касания и их совместное маневрирование. "Джемини" 8 осуществил стыковку с кораблем-мишенью "Аджена". Это была первая успешная стыковка двух кораблей на орбите, но полет был прерван менее чем через сутки, когда не выключился один из двигателей системы ориентации, в результате чего корабль получил такое быстрое вращение, что экипаж едва не потерял контроль над ситуацией. Однако, используя тормозной двигатель, Н.Армстронг и Д.Скотт восстановили контроль и осуществили экстренное приводнение в Тихом океане. Когда его мишень "Аджена" не вышла на орбиту, корабль "Джемини" 9 попытался осуществить стыковку с дооборудованным стыковочным агрегатом мишени (стыковочной мишенью "Аджены", установленной на небольшом спутнике, запущенном ракетой "Атлас"). Однако, поскольку используемый при выведении обтекатель не раскрылся, его не удалось сбросить, что сделало стыковку невозможной. В последних трех полетах корабли "Джемини" успешно стыковались со своими мишенями. Во время полета "Джемини" 4 Э.Уайт стал первым американцем, осуществившим выход в открытый космос. Следующие выходы в открытый космос (Ю. Сернан, М. Коллинз, Р. Гордон и Э. Олдрин, "Джемини" 9-12) показали, что космонавты должны тщательно продумывать и контролировать свои движения. Вследствие невесомости отсутствует сила трения, которая дает точку опоры; даже просто стоять становится трудной задачей. При осуществлении программы "Джемини" было проверено также новое оборудование (например, топливные элементы для получения электричества за счет химической реакции между водородом и кислородом), которое впоследствии сыграло важную роль при выполнении программы "Аполлон".

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

ПОЛЕТ НА ЛУНУ

Основной блок КК "Аполлон". Как у кораблей "Меркурий" и "Джемини", отсек экипажа КК "Аполлон" имеет форму конуса с теплозащитным экраном из абляционного материала. Парашюты и оборудование для посадки располагаются в носовой части конуса. Три космонавта занимают места рядом друг с другом в специальных креслах, прикрепленных к основанию капсулы. Перед ними находится панель управления. В вершине конуса предусмотрен небольшой тоннель к выходному люку. На противоположной стороне имеется штырь стыковочного узла, который входит в стыковочное отверстие лунной кабины и плотно стягивает их так, чтобы захваты могли обеспечить герметичное соединение двух кораблей. На самом верху корабля установлена система аварийного спасения (более мощная, чем на ракете "Редстоун"), с помощью которой отсек экипажа может быть уведен на безопасное расстояние в случае аварии на старте. 27 января 1967 во время имитационного отсчета времени перед первым пилотируемым полетом случился пожар, в котором погибли три космонавта (В. Гриссом, Э. Уайт и Р. Чаффи). Основные изменения в конструкции отсека экипажа после пожара заключались в следующем: 1) были введены ограничения на использование горючих материалов; 2) изменен состав атмосферы внутри отсека перед стартом на смесь 60% кислорода и 40% азота (в воздухе при нормальных условиях 20% кислорода и 80% азота), после запуска кабина продувалась, и атмосфера в ней заменялась на чисто кислородную при пониженном давлении (экипаж при этом, находясь в скафандрах, все время пользовался чистым кислородом); 3) добавлен быстро открывающийся аварийный люк, который позволял экипажу покинуть корабль менее чем за 30 с. Отсек экипажа соединен с цилиндрическим двигательным отсеком, в котором находится маршевая двигательная установка (ДУ), двигатели системы ориентации (СО) и система электропитания (СЭП). ДУ состоит из маршевого ракетного двигателя, двух пар баков горючего и окислителя. Этот двигатель должен использоваться для торможения корабля при переходе на окололунную орбиту и разгона для возвращения на Землю; кроме того, он включается для промежуточных коррекций траектории полета. СО позволяет контролировать положение корабля и маневрировать при стыковке. СЭП обеспечивает корабль электроэнергией и водой (которая образуется при химической реакции между водородом и кислородом в топливных элементах).

Лунная кабина. В то время как основной блок корабля спроектирован с расчетом на вход в атмосферу, лунная кабина рассчитана только на полет в безвоздушном пространстве. Поскольку на Луне нет атмосферы и ускорение силы тяжести на ее поверхности в шесть раз меньше земного, посадка и взлет на Луне требуют значительно меньше энергетических затрат, чем на Земле. Посадочная ступень лунной кабины имеет форму восьмигранника, внутри которого располагаются четыре бака с топливом и двигатель с регулируемой тягой. Четыре телескопические стойки посадочного шасси оканчиваются тарельчатыми опорами, чтобы кабина не провалилась в лунную пыль. Для амортизации удара при прилунении стойки посадочного шасси заполнены сминаемым сотовым заполнителем из алюминия. Экспериментальное оборудование размещается в специальных отсеках между стойками. Взлетная ступень снабжена небольшим двигателем и двумя топливными баками. Из-за того что испытываемые космонавтами перегрузки сравнительно невелики (одно лунное g при работе двигателя и около пяти g при посадке), а ноги человека хорошо амортизируют умеренные ударные нагрузки, конструкторы лунной кабины не стали ставить кресла для космонавтов. Стоя в кабине, космонавты находятся близко к иллюминаторам и имеют хороший обзор; поэтому отпала необходимость в больших и тяжелых иллюминаторах. Иллюминаторы лунной кабины немногим больше размеров человеческого лица.

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