Как садится космический корабль, спускаясь с орбиты и насколько точно он может приземляться. Торможение в атмосфере. Спуск с помощью парашютов

Спуска́емый аппара́т (СА) - космический аппарат или часть космического аппарата, предназначенный для спуска полезной нагрузки с орбиты искусственного спутника или с межпланетной траектории и мягкой посадки на поверхность Земли либо другого небесного тела.

СА может являться частью космического аппарата, совершающего полёт на орбите искусственного спутника небесного тела (например, орбитального аппарата или орбитальной станции , от которого СА отделяется перед спуском) либо космического аппарата, совершающего межпланетный полёт (например, автоматической межпланетной станции от перелётного модуля которой СА отделяется перед спуском).

Полезной нагрузкой являются люди, подопытные животные, стационарные исследовательские станции, планетоходы и т.д.

Главная техническая задача мягкой посадки состоит в том, чтобы уменьшить скорость движения аппарата от космической (иногда, десятки километров в секунду) практически до нуля. Эта задача решается разными способами, причём часто для одного и того же аппарата на разных участках спуска последовательно используются разные способы.

Спуск с помощью ракетного двигателя

Также применяется термин «моторная посадка». Для обеспечения торможения и спуска этот способ требует наличия на борту аппарата примерно такого же запаса топлива, как для вывода на орбиту этого аппарата с поверхности планеты. Поэтому этот способ используется на всей траектории спуска (как единственно возможный) лишь при посадке на поверхность небесного тела, лишённого атмосферы, (например, Луны). При наличии на планете атмосферы ракетные двигатели используются только на начальной стадии спуска - для перехода с космической орбиты (траектории) на траекторию спуска, до входа в атмосферу, а также на заключительном этапе, перед самым касанием поверхности, для гашения остаточной скорости падения.

Аэродинамическое торможение

При быстром движении аппарата в атмосфере возникает сила сопротивления среды - аэродинамическая, которая используется для его торможения.

Поскольку аэродинамическое торможение не требует затрат топлива, этот способ используется всегда при спуске на планету, обладающую атмосферой. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло , сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Бо́льшая часть этой теплоты уносится потоком воздуха, но и лобовая поверхность СА может нагреваться до температуры в несколько тысяч градусов, поэтому он должен иметь соответствующую тепловую защиту.

Аэродинамическое торможение особенно эффективно на сверхзвуковых скоростях, поэтому используется для торможения от космических до скоростей порядка сотен м/с. На более низких скоростях используются парашюты.

Возможны разные траектории снижения аппарата при аэродинамическом торможении. Рассматриваются обычно два случая: баллистический спуск и планирование .

Баллистический спуск

При баллистическом спуске вектор равнодействующей аэродинамических сил направлен прямо противоположно вектору скорости движения аппарата. Спуск по баллистической траектории не требует управления и потому применялся на первых космических кораблях Восток, Восход и Меркурий.

СА Восток и Восход имели шарообразную форму и центр тяжести, смещённый вниз к более теплозащищённому днищу. При входе в атмосферу такой аппарат автоматически без применения рулей занимает положение днищем к потоку и космонавт переносит перегрузки в наиболее удобном положении спиной вниз.

Недостатком этого способа является большая крутизна траектории, и, как следствие, вхождение аппарата в плотные слои атмосферы на большой скорости, что приводит к сильному аэродинамическому нагреву аппарата и к перегрузке, иногда превышающей 10g - близкой к предельно допустимой для человека.

Планирование

Альтернативой баллистическому спуску является планирование. Внешний корпус аппарата в этом случае имеет, как правило, коническую форму и закруглённое днище, причём ось конуса составляет некоторый угол (угол атаки) с вектором скорости аппарата, за счёт чего равнодействующая аэродинамических сил имеет составляющую, перпендикулярную к вектору скорости аппарата - подъёмную силу . За счёт работы газовых рулей аппарат поворачивается нужной стороной и начинает как бы взлетать по отношению к набегающему потоку. Благодаря этому аппарат снижается медленнее, траектория его спуска становится более пологой и длинной. Участок торможения растягивается и по длине и во времени, а максимальные перегрузки и интенсивность аэродинамического нагрева могут быть снижены в несколько раз, по сравнению с баллистическим торможением, что делает планирующий спуск более безопасным и комфортным для людей.

Угол атаки при спуске меняется в зависимости от скорости полёта и текущей плотности воздуха. В верхних, разреженных слоях атмосферы он может достигать 40°, постепенно уменьшаясь со снижением аппарата. Это требует наличия на СА системы управления планирующим полётом, что усложняет и утяжеляет аппарат, и в случаях, когда он служит для спуска только аппаратуры, которая способна выдерживать более высокие перегрузки, чем человек, используется, как правило, баллистическое торможение.

Орбитальная ступень космической системы Спейс Шаттл , при возврате на Землю выполняющая функцию спускаемого аппарата, планирует на всём участке спуска от входа в атмосферу до касания шасси посадочной полосы, после чего выпускается тормозной парашют.

Спуск с помощью парашютов

Этот способ используется после того, как на участке аэродинамического торможения скорость аппарата снизится до величины порядка сотен м/с. Парашют в плотной атмосфере гасит скорость аппарата почти до нуля и обеспечивает мягкую посадку его на поверхность планеты.

В разреженной атмосфере Марса парашюты эффективно уменьшают скорость полета только до приблизительно 100 м/с. Погасить скорость до примерно 10 м/с, парашют разумных размеров в атмосфере Марса не может. Поэтому используется комбинированная система: после аэродинамического торможения задействуют парашют, а на заключительном этапе двигательную установку для мягкой посадки на поверхность.

Спускаемые пилотируемые аппараты космических кораблей серии «Союз» , предназначенные для приземления на сушу, также имеют твердотопливные тормозные двигатели, включающиеся за несколько секунд до касания земли, чтобы обеспечить более безопасную и комфортную посадку.

Спускаемый аппарат станции Венера-13 после спуска на парашюте до высоты 47 км сбросил его и возобновил аэродинамическое торможение. Такая программа спуска была продиктована особенностями атмосферы Венеры, нижние слои которой очень плотные и горячие (до 500° С).

Конструктивно спускаемые аппараты могут существенно отличаться друг от друга в зависимости от характера полезной нагрузки и от физических условий на поверхности планеты, на которую производится посадка.

Состоявшиеся пилотируемые спускаемые аппараты

В СА «Меркурий » свободного места не больше, чем в маленьком самолёте (США, 1961-62).	В двухместном СА «Джемини » космонавты летали до двух недель (США, 1964-66)	В СА «Союз ТМА » диаметром 2,2 м взлетают и садятся три человека (Россия).	Самый крупный из всех бескрылых СА «Аполлон» тоже был довольно тесен (США, 1967-75)	Спускаемый аппарат Шэньчжоу-5 (КНР) формой и размерами похож на «Союз».

Некоторые разрабатывавшиеся, но не летавшие пилотируемые спускаемые аппараты

Капсульные аппараты

Спускаемый аппарат «Blue Gemini » (США, 1962).	Многоместный СА «Big Gemini » (США, 1969)	Конусообразный трёхместный СА «ТКС » (СССР, 1970-1991).	Проект СА лунного и марсианского космического корабля Орион (США).

Крылатые аппараты

Крылатый одноместный СА «Дайна-Сор » (США, 1957-63).	Крылатый одноместный СА «Спираль » (СССР, 1966-78).	Космический самолёт «Гермес » (ЕКА , 1970-80-е гг.)	Многоразовый СА «VentureStar » (США, 1992-2001)	Космический корабль «Буран » (СССР, 1970-80-е гг.)

Перспективные пилотируемые спускаемые аппараты

Крылатый СА МАКС (СССР-Россия)	Перспективная пилотируемая транспортная система в сравнении с КК «Союз» (Россия).	Капсула частного транспортного космического корабля Dragon SpaceX (США).	Спускаемый аппарат пилотируемого транспортного корабля CST-100 (США).

Беспилотные спускаемые аппараты

Автоматическая лунная станция доставленная Луной-9 3 февраля 1966 г. Первая мягкая посадка на Луну. (Музейная копия)	Лунный зонд Сервейер-3 (NASА), опустившийся на поверхность Луны 20 апреля 1967 г. Снимок сделан членом экспедиции Аполлон-12 Алланом Бином 24 ноября 1969 г.	Экспозиция советских «лунников» на выставке в Париже 2007. На переднем плане - СА Луна-20 . В его составе - СА, доставивший на Землю образцы лунного грунта (верхняя сфера).

См. также

Напишите отзыв о статье "Спускаемый аппарат"

Ссылки

• (рус.)

Отрывок, характеризующий Спускаемый аппарат

Но ах! твой друг не доживет!
И он не допел еще последних слов, когда в зале молодежь приготовилась к танцам и на хорах застучали ногами и закашляли музыканты.

Пьер сидел в гостиной, где Шиншин, как с приезжим из за границы, завел с ним скучный для Пьера политический разговор, к которому присоединились и другие. Когда заиграла музыка, Наташа вошла в гостиную и, подойдя прямо к Пьеру, смеясь и краснея, сказала:
– Мама велела вас просить танцовать.
– Я боюсь спутать фигуры, – сказал Пьер, – но ежели вы хотите быть моим учителем…
И он подал свою толстую руку, низко опуская ее, тоненькой девочке.
Пока расстанавливались пары и строили музыканты, Пьер сел с своей маленькой дамой. Наташа была совершенно счастлива; она танцовала с большим, с приехавшим из за границы. Она сидела на виду у всех и разговаривала с ним, как большая. У нее в руке был веер, который ей дала подержать одна барышня. И, приняв самую светскую позу (Бог знает, где и когда она этому научилась), она, обмахиваясь веером и улыбаясь через веер, говорила с своим кавалером.
– Какова, какова? Смотрите, смотрите, – сказала старая графиня, проходя через залу и указывая на Наташу.
Наташа покраснела и засмеялась.
– Ну, что вы, мама? Ну, что вам за охота? Что ж тут удивительного?

В середине третьего экосеза зашевелились стулья в гостиной, где играли граф и Марья Дмитриевна, и большая часть почетных гостей и старички, потягиваясь после долгого сиденья и укладывая в карманы бумажники и кошельки, выходили в двери залы. Впереди шла Марья Дмитриевна с графом – оба с веселыми лицами. Граф с шутливою вежливостью, как то по балетному, подал округленную руку Марье Дмитриевне. Он выпрямился, и лицо его озарилось особенною молодецки хитрою улыбкой, и как только дотанцовали последнюю фигуру экосеза, он ударил в ладоши музыкантам и закричал на хоры, обращаясь к первой скрипке:
– Семен! Данилу Купора знаешь?
Это был любимый танец графа, танцованный им еще в молодости. (Данило Купор была собственно одна фигура англеза.)
– Смотрите на папа, – закричала на всю залу Наташа (совершенно забыв, что она танцует с большим), пригибая к коленам свою кудрявую головку и заливаясь своим звонким смехом по всей зале.
Действительно, всё, что только было в зале, с улыбкою радости смотрело на веселого старичка, который рядом с своею сановитою дамой, Марьей Дмитриевной, бывшей выше его ростом, округлял руки, в такт потряхивая ими, расправлял плечи, вывертывал ноги, слегка притопывая, и всё более и более распускавшеюся улыбкой на своем круглом лице приготовлял зрителей к тому, что будет. Как только заслышались веселые, вызывающие звуки Данилы Купора, похожие на развеселого трепачка, все двери залы вдруг заставились с одной стороны мужскими, с другой – женскими улыбающимися лицами дворовых, вышедших посмотреть на веселящегося барина.
– Батюшка то наш! Орел! – проговорила громко няня из одной двери.
Граф танцовал хорошо и знал это, но его дама вовсе не умела и не хотела хорошо танцовать. Ее огромное тело стояло прямо с опущенными вниз мощными руками (она передала ридикюль графине); только одно строгое, но красивое лицо ее танцовало. Что выражалось во всей круглой фигуре графа, у Марьи Дмитриевны выражалось лишь в более и более улыбающемся лице и вздергивающемся носе. Но зато, ежели граф, всё более и более расходясь, пленял зрителей неожиданностью ловких выверток и легких прыжков своих мягких ног, Марья Дмитриевна малейшим усердием при движении плеч или округлении рук в поворотах и притопываньях, производила не меньшее впечатление по заслуге, которую ценил всякий при ее тучности и всегдашней суровости. Пляска оживлялась всё более и более. Визави не могли ни на минуту обратить на себя внимания и даже не старались о том. Всё было занято графом и Марьею Дмитриевной. Наташа дергала за рукава и платье всех присутствовавших, которые и без того не спускали глаз с танцующих, и требовала, чтоб смотрели на папеньку. Граф в промежутках танца тяжело переводил дух, махал и кричал музыкантам, чтоб они играли скорее. Скорее, скорее и скорее, лише, лише и лише развертывался граф, то на цыпочках, то на каблуках, носясь вокруг Марьи Дмитриевны и, наконец, повернув свою даму к ее месту, сделал последнее па, подняв сзади кверху свою мягкую ногу, склонив вспотевшую голову с улыбающимся лицом и округло размахнув правою рукой среди грохота рукоплесканий и хохота, особенно Наташи. Оба танцующие остановились, тяжело переводя дыхание и утираясь батистовыми платками.
– Вот как в наше время танцовывали, ma chere, – сказал граф.
– Ай да Данила Купор! – тяжело и продолжительно выпуская дух и засучивая рукава, сказала Марья Дмитриевна.

В то время как у Ростовых танцовали в зале шестой англез под звуки от усталости фальшививших музыкантов, и усталые официанты и повара готовили ужин, с графом Безухим сделался шестой удар. Доктора объявили, что надежды к выздоровлению нет; больному дана была глухая исповедь и причастие; делали приготовления для соборования, и в доме была суетня и тревога ожидания, обыкновенные в такие минуты. Вне дома, за воротами толпились, скрываясь от подъезжавших экипажей, гробовщики, ожидая богатого заказа на похороны графа. Главнокомандующий Москвы, который беспрестанно присылал адъютантов узнавать о положении графа, в этот вечер сам приезжал проститься с знаменитым Екатерининским вельможей, графом Безухим.
Великолепная приемная комната была полна. Все почтительно встали, когда главнокомандующий, пробыв около получаса наедине с больным, вышел оттуда, слегка отвечая на поклоны и стараясь как можно скорее пройти мимо устремленных на него взглядов докторов, духовных лиц и родственников. Князь Василий, похудевший и побледневший за эти дни, провожал главнокомандующего и что то несколько раз тихо повторил ему.
Проводив главнокомандующего, князь Василий сел в зале один на стул, закинув высоко ногу на ногу, на коленку упирая локоть и рукою закрыв глаза. Посидев так несколько времени, он встал и непривычно поспешными шагами, оглядываясь кругом испуганными глазами, пошел чрез длинный коридор на заднюю половину дома, к старшей княжне.
Находившиеся в слабо освещенной комнате неровным шопотом говорили между собой и замолкали каждый раз и полными вопроса и ожидания глазами оглядывались на дверь, которая вела в покои умирающего и издавала слабый звук, когда кто нибудь выходил из нее или входил в нее.
– Предел человеческий, – говорил старичок, духовное лицо, даме, подсевшей к нему и наивно слушавшей его, – предел положен, его же не прейдеши.
– Я думаю, не поздно ли соборовать? – прибавляя духовный титул, спрашивала дама, как будто не имея на этот счет никакого своего мнения.
– Таинство, матушка, великое, – отвечало духовное лицо, проводя рукою по лысине, по которой пролегало несколько прядей зачесанных полуседых волос.
– Это кто же? сам главнокомандующий был? – спрашивали в другом конце комнаты. – Какой моложавый!…
– А седьмой десяток! Что, говорят, граф то не узнает уж? Хотели соборовать?
– Я одного знал: семь раз соборовался.
Вторая княжна только вышла из комнаты больного с заплаканными глазами и села подле доктора Лоррена, который в грациозной позе сидел под портретом Екатерины, облокотившись на стол.
– Tres beau, – говорил доктор, отвечая на вопрос о погоде, – tres beau, princesse, et puis, a Moscou on se croit a la campagne. [прекрасная погода, княжна, и потом Москва так похожа на деревню.]
– N"est ce pas? [Не правда ли?] – сказала княжна, вздыхая. – Так можно ему пить?
Лоррен задумался.
– Он принял лекарство?
– Да.
Доктор посмотрел на брегет.
– Возьмите стакан отварной воды и положите une pincee (он своими тонкими пальцами показал, что значит une pincee) de cremortartari… [щепотку кремортартара…]
– Не пило слушай, – говорил немец доктор адъютанту, – чтопи с третий удар шивь оставался.
– А какой свежий был мужчина! – говорил адъютант. – И кому пойдет это богатство? – прибавил он шопотом.
– Окотник найдутся, – улыбаясь, отвечал немец.
Все опять оглянулись на дверь: она скрипнула, и вторая княжна, сделав питье, показанное Лорреном, понесла его больному. Немец доктор подошел к Лоррену.
– Еще, может, дотянется до завтрашнего утра? – спросил немец, дурно выговаривая по французски.
Лоррен, поджав губы, строго и отрицательно помахал пальцем перед своим носом.
– Сегодня ночью, не позже, – сказал он тихо, с приличною улыбкой самодовольства в том, что ясно умеет понимать и выражать положение больного, и отошел.

Между тем князь Василий отворил дверь в комнату княжны.
В комнате было полутемно; только две лампадки горели перед образами, и хорошо пахло куреньем и цветами. Вся комната была установлена мелкою мебелью шифоньерок, шкапчиков, столиков. Из за ширм виднелись белые покрывала высокой пуховой кровати. Собачка залаяла.
– Ах, это вы, mon cousin?
Она встала и оправила волосы, которые у нее всегда, даже и теперь, были так необыкновенно гладки, как будто они были сделаны из одного куска с головой и покрыты лаком.
– Что, случилось что нибудь? – спросила она. – Я уже так напугалась.
– Ничего, всё то же; я только пришел поговорить с тобой, Катишь, о деле, – проговорил князь, устало садясь на кресло, с которого она встала. – Как ты нагрела, однако, – сказал он, – ну, садись сюда, causons. [поговорим.]
– Я думала, не случилось ли что? – сказала княжна и с своим неизменным, каменно строгим выражением лица села против князя, готовясь слушать.
– Хотела уснуть, mon cousin, и не могу.
– Ну, что, моя милая? – сказал князь Василий, взяв руку княжны и пригибая ее по своей привычке книзу.
Видно было, что это «ну, что» относилось ко многому такому, что, не называя, они понимали оба.
Княжна, с своею несообразно длинною по ногам, сухою и прямою талией, прямо и бесстрастно смотрела на князя выпуклыми серыми глазами. Она покачала головой и, вздохнув, посмотрела на образа. Жест ее можно было объяснить и как выражение печали и преданности, и как выражение усталости и надежды на скорый отдых. Князь Василий объяснил этот жест как выражение усталости.
– А мне то, – сказал он, – ты думаешь, легче? Je suis ereinte, comme un cheval de poste; [Я заморен, как почтовая лошадь;] а всё таки мне надо с тобой поговорить, Катишь, и очень серьезно.
Князь Василий замолчал, и щеки его начинали нервически подергиваться то на одну, то на другую сторону, придавая его лицу неприятное выражение, какое никогда не показывалось на лице князя Василия, когда он бывал в гостиных. Глаза его тоже были не такие, как всегда: то они смотрели нагло шутливо, то испуганно оглядывались.
Княжна, своими сухими, худыми руками придерживая на коленях собачку, внимательно смотрела в глаза князю Василию; но видно было, что она не прервет молчания вопросом, хотя бы ей пришлось молчать до утра.
– Вот видите ли, моя милая княжна и кузина, Катерина Семеновна, – продолжал князь Василий, видимо, не без внутренней борьбы приступая к продолжению своей речи, – в такие минуты, как теперь, обо всём надо подумать. Надо подумать о будущем, о вас… Я вас всех люблю, как своих детей, ты это знаешь.

Движение космического корабля в плотных слоях атмосферы Земли, подлетающего к Земле из межпланетного пространства со второй космической скоростью, создает свои проблемы. Это прежде всего недопустимые для членов экипажа перегрузки. Защитить такой корабль от тепловой нагрузки также непросто.

Торможение советских межпланетных автоматических станций серии «Зонд» и «Луна», а также американских обитаемых космических кораблей «Аполлон» при возвращении их из дальнего космоса и спуске на Землю оказалось возможным производить без опасности перегрева и без больших перегрузок при двукратном их нырянии в атмосферу Земли. Воздушный океан, окружающий нашу планету, в какой-то мере похож на водный океан, поэтому и применяют такой термин, как «ныряние», что означает вход космического корабля в атмосферу. В первом нырянии корабль входит на какую-то глубину в атмосферу, а затем опять выходит из нее в космическое безвоздушное пространство.

Разберемся, почему космический корабль при подлете к Земле со второй космической скоростью должен делать два ныряния в воздушный океан. Если бы космический корабль, имея скорость 11,2 км/сек, сразу вошел в атмосферу и двигался в ней по крутой траектории, он бы сильно нагрелся и в нем возникли бы большие перегрузки. При крутой траектории корабль быстро бы достиг нижних, плотных слоев атмосферы, где разогревание происходит очень быстро. Если же траекторию полета корабля выбрать очень пологой, так, чтобы он длительное время двигался в разреженных слоях атмосферы, т. е. высоко над Землей, он, возможно бы, и не сгорел, но зато воздух внутри кабины сильно перегрелся бы. Температура в кабине стала бы настолько большой, что не только для экипажа, но и для приборов, установленных на корабле, она была бы неприемлемой.

Рис. 18. Посадка космического корабля, подлетающего к Земле со второй космической скоростью, с использованием тормозящего действия атмосферы Земли.

Тогда и родилось такое решение - космический корабль входит в атмосферу, пронизывает ее (см. рис. 18) и снова выходит в космическое пространство, т. е. в пространство, где нет воздуха. Пролетев какое-то время в атмосфере, корабль, конечно, уменьшит скорость. Путь корабля в воздухе в первом его нырянии делают таким, чтобы корабль, вылетев обратно в космос, имел скорость несколько меньшую первой космической. Снова попав в космическое пространство, корабль будет охлаждаться, так как его раскаленная наружная поверхность будет излучать тепло. Затем он снова входит в атмосферу, т. е. делает второе ныряние, но уже со скоростью меньшей, чем первая космическая. После второго входа в атмосферу корабль будет двигаться к Земле так же, как при возвращении из орбитального полета вокруг Земли.

Рис. 19. «Коридор торможения» космического корабля в атмосфере.

Как космический корабль, имеющий вторую космическую скорость, должен входить в атмосферу, т. е. выполнять первый нырок, чтобы не сгореть, и в то же время уменьшить скорость движения с 11,2 км/сек до первой космической? Полеты обитаемых космических кораблей показали, что вход в атмосферу со второй космической скоростью будет безопасным при условии, если космический корабль пройдет в атмосфере по очень узкому коридору, не отклоняясь ни в ту, ни в другую сторону (см. рис. 19). Для кораблей серии «Аполлон» этот коридор имеет ширину всего лишь 40 км. Это очень узкий коридор, если учесть, что к нему приближается космический корабль со скоростью 46 320 км/ч, с расстояния примерно 300 000 км. Ну, а если космический корабль пройдет ниже границы этого коридора или выше, что можно ожидать в таком случае?

Если корабль пройдет ниже установленной границы коридора входа, он слишком глубоко войдет в плотные слои атмосферы. Двигаясь длительно в плотных слоях воздушной оболочки Земли, он перегреется и может сгореть. Пройдя над верхней границей коридора, космический корабль пронижет слишком малый слой атмосферы, к тому же и сильно разреженный, поэтому затормозится меньше, чем следует. После вылета в безвоздушное пространство корабль будет иметь скорость меньшую, чем вторая космическая, но большую, чем первая космическая. В этом случае, как мы уже говорили, траекторией движения корабля будет сильно вытянутый эллипс. Опасно войти в коридор ниже допустимой границы, но и вход выше границы также небезопасен. Ведь, перед тем как корабль входит в атмосферу, от него с целью уменьшения веса отбрасывается почти все, остается только спускаемый аппарат, в котором имеется лишь самое необходимое для поддержания жизнедеятельности экипажа на время, в течение которого продолжается спуск корабля на Землю. А сколько времени может летать космический корабль по вытянутому эллипсу вокруг Земли? Ведь тормозить его теперь, чтобы заставить вновь войти в плотные слои атмосферы, нечем, топливо израсходовано, двигатель отброшен. Корабль может двигаться по такой траектории неопределенно долгое время. А на его борту очень ограниченные запасы кислорода, необходимого для дыхания, воды для питья, пищи, источников электроэнергии.

Итак, после того как космический корабль затормозится до скорости, несколько меньшей первой космической, он начинает снижаться, падая на Землю. Выбором соответствующей траектории полета в атмосфере можно обеспечить возникновение перегрузок не выше допустимой величины. Однако при спуске стенки корабля могут и должны разогреваться до очень высокой температуры. Поэтому безопасный спуск в атмосфере Земли возможен лишь при наличии на наружной обшивке спускаемого аппарата специальной теплозащиты. Как предупредить нагревание тела выше допустимой величины, если оно находится под воздействием очень мощного источника тепла?

Если поставить на газовую плиту чугунную сковороду и нагревать ее, она накалится до очень высокой температуры, может стать красной или даже белой, излучая при этом тепло и свет. Но попробуйте нагреть сковороду еще больше. Сколько бы ни держали сковороду на газовой плите, поднять ее температуру выше определенной не удастся. Наступит такое состояние, при котором тепло, поступающее от газовой плиты к сковороде, уже не сможет изменить температуру последней. Почему? Ведь и сковороде непрерывно подводится тепло, и она должна бы нагреться до более высокой температуры и в конце концов расплавиться. Однако этого не происходит по следующей причине. Нагретый металл не только получает тепло от газовой плиты, но, нагревшись до высокой температуры и раскалившись до красного или белого цвета, он и сам путем лучеиспускания отдает тепло окружающему воздуху. При определенной температуре металла наступает равновесие между количеством тепла, передаваемого металлу, и тем теплом, которое он излучает в окружающее пространство. Металл как бы сам создает теплозащиту для себя, благодаря которой он не нагревается выше определенной температуры при данном источнике тепла.

Подобный тип теплозащиты принципиально можно применить и в космических кораблях. На лобовой части спускаемого аппарата можно установить тепловой экран из очень тугоплавкого металла, который не теряет механической прочности при нагревании до высоких температур. Раскаленная металлическая плита (тепловой экран) и будет служить теплозащитой спускаемого аппарата от воздействия раскаленных газов атмосферы.

Другой способ теплозащиты спускаемых аппаратов состоит в применении так называемых экранов с отпотеванием. В жаркую погоду человек сильно потеет. Почему?

Потому что организм для защиты от перегрева применяет очень эффективный способ - он выделяет через поры кожи влагу. Влага с поверхности кожи испаряется, на что требуется затрата тепла (напомним, испарение 1 кг воды требует затраты 560 ккал тепла). Таким образом, все излишнее тепло, которое в жаркую погоду подводится к нашему телу, затрачивается не на нагревание организма, а на испарение с поверхности кожи влаги, выделяющейся в виде пота. Насколько такой способ отвода излишков тепла эффективен, можно судить по тому, что температура тела человека практически остается постоянной (36,5°С) при изменении окружающей температуры воздуха в широком интервале (вплоть до 60°С).

По такому же принципу может работать теплозащитное устройство спускаемого аппарата, представляющее собой экран с отпотеванием. На лобовой части можно установить толстый металлический лист, имеющий множество мелких отверстий, через которые на поверхность листа подается какая-либо жидкость. Лучше всего для этой цели использовать воду, так как она обладает высокой теплотой испарения. Поступающая через поры-отверстия влага будет испаряться, на что расходуется тепло, поступающее от раскаленных газов атмосферы.

Тепловые экраны и экраны с отпотеванием пока не используются. Во всех аппаратах, возвращающихся на Землю после космического полета, применяется другой способ защиты от тепловых потоков, который называется абляционным. Он оказался наиболее простым, надежным и эффективным. Давайте выясним, что означает его название - абляционный. В одном слове - абляция, объединяются названия сразу нескольких процессов. Какие же это процессы? Мы знаем, что плавление твердого тела сопряжено с поглощением тепла. Всем хорошо известно, что если кастрюлю со снегом поставить на огонь и в снег поместить термометр, то он будет показывать, что температура образующейся от плавления снега воды будет около 0° С до тех пор, пока весь снег не растает (не расплавится). В этом процессе все тепло затрачивается на расплавление снега. Известно, что испарение жидкости также сопряжено с поглощением тепла. Опустите термометр в кипящую воду, он покажет температуру 100°С. Как бы долго ни нагревать кипящую воду, температура ее будет оставаться 100°С, пока вся вода не выкипит.

Вам, конечно, приходилось покупать мороженое. Не только зимой, но и летом оно бывает твердым и холодным, сильно замороженным. Замораживают его с помощью так называемого сухого льда. Сухим его называют потому, что при его нагревании не образуется жидкости, как при нагревании обычного льда. Сухой лед - это углекислый газ, который довели до твердого состояния, охладив до температуры - 78° С. Твердый углекислый газ обладает замечательным свойством: при нагревании он не тает, а испаряется, т. е. переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс, при котором вещество из твердого состояния переходит сразу в газообразное, называют сублимацией. Свойством сублимировать обладает не только твердый углекислый газ, но и целый ряд других веществ.

Есть ли что-нибудь похожее в процессах плавления и кипения, с одной стороны, и в процессе сублимации - с другой? Есть. Характерным для процессов кипения и плавления является постоянство температуры. Сублимация также происходит при неизменной температуре. Твердый сухой лед, как его ни нагревай, всегда будет иметь температуру - 78°С. Все тепло, которое будет к нему подводиться, затрачивается на его сублимирование, т. е. образование паров из твердого вещества. Очевидно, если твердый углекислый газ вначале расплавить, т. е. перевести в жидкое состояние (а это можно сделать при определенных условиях), а затем жидкость испарить, то общее количество тепла, которое затрачивается на плавление, а затем на испарение, будет равно теплу, которое пришлось бы затратить, превращая твердый углекислый газ непосредственно в газообразное состояние. Другими словами, теплота сублимации для данного вещества равна сумме теплот испарения и плавления. Следовательно, теплота сублимации вещества всегда больше теплоты его плавления или испарения, взятых отдельно. Мы уже подошли к тому, чтобы дать определение термину «абляция».

Если на наружную поверхность спускаемого аппарата нанести слой какого-либо вещества, которое при нагревании его в процессе спуска аппарата в плотных слоях атмосферы будет плавиться, или испаряться, или сублимировать, или, наконец, сильно разогреваться, то оно потеряет механическую прочность и потоком воздуха небольшими кусочками будет сноситься с поверхности космического объекта. Эти процессы сопровождаются поглощением тепла, которое отнимается от поверхности спускаемого аппарата. Абляцией и называют этот процесс уноса вещества в твердом, жидком или газообразном виде с поверхности какого-либо тела, подвергающегося нагреванию.

Каким же основным требованиям должны удовлетворять абляционные материалы? Требования к абляционным теплозащитным материалам определяются, во-первых, их назначением - отводить как можно больше тепла при минимальном расходе массы вещества, а во-вторых, теми условиями, в которых находится теплозащитный материал перед тем, как он начинает выполнять свое основное назначение.

Спускаемый аппарат.до начала спуска на Землю находится в космическом пространстве. При орбитальном полете температура наружной оболочки космического корабля может меняться в пределах от +95° С на стороне, освещенной Солнцем, до - 180°С на теневой стороне. Совершая полет в космическом пространстве, корабль неоднократно меняет свое положение относительно Солнца, поэтому его стенки то нагреваются, то охлаждаются. К чему это может привести? Попробуйте налить в обычный стакан кипяток. Стакан треснет. Резкое изменение температуры тела, обладающего большим коэффициентом термического расширения и малой теплопроводностью, приводит обычно к такому явлению. Следовательно, для того чтобы теплозащитное покрытие, находясь в космосе, не растрескивалось от резкого перепада температур, оно должно обладать минимальным термическим коэффициентом расширения, т. е. при нагревании не сильно увеличиваться в размерах, а при охлаждении, наоборот, не сильно уменьшаться.

Мы уже говорили, что космическое пространство - это чрезвычайно глубокий вакуум (практически абсолютный). Вакуум способствует выделению из вещества летучих составляющих. В теплозащитном покрытии летучие вещества должны отсутствовать, иначе при длительном нахождении в космическом пространстве теплозащитное покрытие может изменить свой состав, а следовательно, механические и другие свойства.

В космосе кораблю довольно часто приходится встречаться с роями мельчайших частиц - метеорной пылью. Удары этих мельчайших частиц не могут вызвать механическое разрушение теплозащитного покрытия, однако материал покрытия может получить повреждения от трения таких частиц. Поэтому он должен обладать высокой износоустойчивостью, т. е. быть мало чувствительным к абразивному действию метеорного вещества. В космическом пространстве теплозащитное покрытие будет подвергаться также действию и космических лучей, и радиации, и ряда других факторов.

Воздействие всех факторов космического пространства на теплозащитное покрытие в течение запланированного времени полета корабля не должно сильно изменить его свойства. Во всяком случае теплозащитный материал должен сохранять свои свойства в такой мере, чтобы выполнить свое назначение - обеспечить безопасный спуск спускаемого аппарата на Землю. Основные требования к теплозащитным материалам, конечно, обуславливаются условиями их работы во время спуска при прохождении спускаемым аппаратом плотных слоев атмосферы, где он подвергается как механическому, так и тепловому воздействию. В первую очередь теплозащитные материалы должны обладать большой теплотой уноса (ее называют эффективной энтальпией). Это значит, что с поверхности теплозащитного покрытия масса веществ уносится при подводе к нему большого количества тепла. Ценность теплозащитных материалов главным образом и определяется величиной эффективной энтальпии. Чем больше величина эффективной энтальпии, тем лучше теплозащитный материал.

Понятно, конечно, почему эта величина так важна. Ведь чем выше эффективная энтальпия вещества, из которого изготовлено теплозащитное покрытие, тем меньше по массе при прочих равных условиях его потребуется нанести на поверхность спускаемого аппарата. А какое имеет значение масса для объектов, поднимаемых в космос, мы уже видели. К тому же следует иметь в виду и то обстоятельство, что теплозащитное покрытие по массе составляет иногда до 50% всей массы спускаемого аппарата.

Эффективная энтальпия - главный показатель качества теплозащитного материала, но не единственный. Теплозащитное покрытие должно выдерживать большие механические нагрузки, иначе оно может разрушиться под действием набегающего на аппарат потока воздуха. Наконец, теплозащитные материалы должны обладать малой теплопроводностью. Тепло от спускаемого аппарата необходимо отводить для того, чтобы внутри его, где находится экипаж и необходимые приборы, температура не повышалась выше допустимой величины. Температура же внутри спускаемого аппарата определяется тем количеством тепла, которое пройдет извне, через его оболочку, т. е. теплопроводностью стенки аппарата и, в частности, покрытия, наносимого на него. Очевидно, чем меньше теплопроводность теплозащитного покрытия, тем меньше тепла поступит внутрь аппарата.

Совместить в одном материале большую эффективную энтальпию, высокую прочность и малую теплопроводность, как показывает практика, невозможно. Чтобы получить теплозащитное покрытие с требуемыми свойствами, его приходится изготавливать из нескольких слоев различных материалов. Наружный слой выполняют из материала, обладающего высоким значением эффективной энтальпии и достаточно высокой механической прочностью. Второй слой изготавливают из материала, обладающего небольшой механической прочностью и относительно небольшим значением энтальпии, но зато малой теплопроводностью. Второй слой покрытия защищен от воздействия горячих газов атмосферы и их давления наружным слоем. Материал второго слон покрытия является главным препятствием для проникновения тепла от внешнего слоя теплозащитного покрытия, имеющего очень высокую температуру, к металлическому корпусу спускаемого аппарата.

Какую температуру может иметь наружный слой теплозащитного покрытия? Мы уже говорили, что температура газов, образующихся в раскаленном слое воздуха, сжатого летящим к Земле спускаемым аппаратом, достигает 8000°К. Теплозащитное покрытие, нанесенное на лобовую часть спускаемого аппарата, непосредственно соприкасается с этим слоем и нагревается. Однако температура поверхности абляционного материала, из которого изготовлено теплозащитное покрытие, всегда бывает значительно меньше температуры газов, с которыми оно соприкасается. Более того, она в известной степени не зависит от величины температуры раскаленных газов атмосферы. Температура поверхности теплозащитного покрытия определяется в основном свойствами материала, из которого оно изготовлено. Поясним это. Температура пламени газовой горелки = 800°С. Поставьте на горелку пустой чайник. Через некоторое время он нагреется до температуры, почти равной температуре пламени горелки. Теперь наполним чайник водой и также будем греть. Температура чайника, как бы долго ни держать его на огне, выше 100°С не поднимется. А если налить в чайник спирт, имеющий температуру кипения 76°С, то стенки чайника не удастся нагреть и выше 76°С, хотя температура пламени горелки останется прежней - 800° С.

Испарение в процессе кипения - это по существу один из видов абляции, при котором уносится вещество с поглощением тепла. Ведь и защита корпуса спускаемого аппарата абляционным теплозащитным покрытием от перегрева происходит так же, как и защита стенок чайника от перегрева испаряющейся в нем жидкостью. Максимальная температура, до которой можно нагреть стенки чайника, зависит от температуры кипения находящейся в нем жидкости. Температура поверхности теплозащитного покрытия, которая имеет контакт с раскаленными до 8000° К газами, будет определяться температурой, при которой теплозащитный материал из твердого состояния превращается в газообразное. Можно изготавливать теплозащитные материалы с различными температурами превращения в газообразное состояние (температурами сублимации). В практике строительства космических аппаратов наибольшее распространение получили материалы с температурами сублимации 2500 - 3500° С. Основу этих материалов составляют так называемые эпоксидные или формальдегидные смолы. Смолы для придания им механической прочности смешивают со стеклянными нитями, стеклотканью, асбестом или другими тугоплавкими веществами.

В нормальных условиях такие смешанные материалы имеют большую твердость и прочность. При нагревании до температуры сублимации (2500 - 3500° С) они переходят в газообразное состояние, частично обугливаются. Температуру нагрева наружной поверхности теплозащитного покрытия можно менять (в известных пределах), изменяя состав теплозащитного материала. Возникает вопрос, почему в практике нашли применение абляционные материалы, превращающиеся из твердого состояния в газообразное при температурах порядка 3000°С? Не опасно ли допускать нагрев наружной стенки спускаемого аппарата до столь высокой температуры? Казалось бы, чем ниже температура оболочки спускаемого аппарата, тем безопаснее будет спуск. В действительности получается наоборот - применение теплозащитных материалов с меньшей температурой сублимации, чем имеют ныне применяемые материалы, невыгодно. Ведь чем ниже будет температура газообразования, тем больший слой теплозащитного покрытия за время спуска должен испариться. Следовательно, слой теплозащитного покрытия нужно будет делать большим по массе, а это ведет к увеличению веса, что, как мы знаем, нежелательно.

Применять теплозащитные материалы с более высокой температурой сублимации (т. е. выше 2500 - 3500°С) также невыгодно. Применение теплозащитных материалов с повышенной температурой сублимации означает нагревание верхних слоев теплозащитного покрытия до более высоких температур. А известно, что при данной теплоизоляции количество тепла, проходимое через нее, будет тем больше, чем значительнее разница температур между ее наружной и внутренней частями. Следовательно, к металлической обшивке спускаемого аппарата при таком теплозащитном покрытии станет поступать больше тепла, что приведет к большому нагреву всего, что находится внутри его. Чтобы предупредить перегрев отсека, где помещается экипаж, потребуется увеличить толщину теплоизолирующего слоя, что также скажется на весе корабля.

Расчет и практика показали, что наименьший вес спускаемого аппарата при прочих равных условиях получается, если применять теплозащитное покрытие с температурой сублимации не выше 3500° С и не ниже 2500° С. Теплозащитное покрытие спускаемого аппарата космического корабля «Аполлон», на котором американские космонавты, возвращаясь с Луны, подлетают к Земле со второй космической скоростью, изготовлено из материала на основе эпоксидной смолы. Толщина теплозащитного слоя, наносимого на поверхность спускаемого аппарата, не везде одинакова. Наибольшая толщина делается на лобовой поверхности, где она достигает 66 мм, а наименьшая - на донной части (23 мм). Это лишь толщина материала, который может подвергаться уносу (абляции) в процессе нагрева. Общая же толщина теплозащитного покрытия, защищающего металлический корпус от нагрева на лобовой части спускаемого аппарата космического корабля «Аполлон», составляет 450 мм, т. е. почти полметра.

Вот какую толщу теплозащитного материала должно пройти тепло, поступающее от раскаленных газов атмосферы, чтобы достигнуть металлической оболочки аппарата и нагреть воздух, находящийся в нем. Нагревание - главная опасность при спуске корабля в атмосфере. Несмотря на огромную толщину теплозащитного и теплоизолирующего слоя, часть тепла все-таки проходит внутрь спускаемого аппарата. Кроме того, внутри аппарата происходит выделение тепла в результате жизнедеятельности членов экипажа и работы аппаратуры. При полете корабля в космическом пространстве излишки тепла, как мы видели, отводятся системой терморегулирования. Отвод производится путем охлаждения воздуха жидкостью, которая в свою очередь охлаждается в змеевике, помещенном в космосе.

В период спуска на Землю, когда аппарат находится в атмосфере, такой способ отвода излишков тепла из него исключается. За бортом спускаемого аппарата не вакуум, как в космическом пространстве, а поток раскаленного до огромной температуры газа. Специальными исследованиями установлено, что человек может выдерживать температуру 71°С в течение 67 мин без особого вреда для организма. А если тело человека предварительно переохладить всего на 1° С, указанную температуру он сможет выдерживать 114 мин. Время спуска с орбиты на Землю в среднем составляет 20 - 25 мин, т. е. оно гораздо меньше того времени, в течение которого человек может выдерживать температуру 71° С.

Однако температура атмосферы внутри спускаемого аппарата за счет внешнего нагревания и выделения тепла приборами может оказаться и больше, чем 70° С, и это уже будет опасно для здоровья и жизни членов экипажа. Поэтому все спускаемые аппараты снабжены системами регулирования температуры, которые могут работать и в условиях спуска аппарата в плотных слоях атмосферы Земли. Система терморегулирования, работающая во время снижения спускаемого аппарата, принципиально отличается от системы терморегулирования, работающей во время нахождения космического корабля в безвоздушном пространстве. Принцип ее работы заключается в отводе тепла путем испарения жидкости. Испарение жидкости происходит за счет тепла, содержащегося в отсеке спускаемого аппарата. Образующиеся при этом пары отводятся за борт аппарата. Жидкость, применяющаяся в системе терморегулирования спускаемого аппарата, должна обладать следующими свойствами: иметь большую теплоту испарения и низкую температуру кипения. Такими свойствами обладают некоторые сжиженные газы, в частности аммиак. Жидкий аммиак кипит при температуре - 33° С, но, находясь в баллоне под давлением в несколько атмосфер, он сохраняет жидкое состояние при нормальной комнатной температуре.

А что произойдет, если в баке с жидким аммиаком постепенно уменьшать давление при помощи вентиля? Аммиак станет вскипать и в газообразном состоянии выходить наружу. Образование газа из жидкости сопровождается поглощением тепла. Откуда берется тепло, необходимое для испарения аммиака? Из окружающей среды. Баллон очень скоро станет холодным. Теплый воздух помещения будет нагревать баллон, а он в свою очередь будет отдавать тепло испаряющемуся аммиаку. Так постепенно весь воздух, находящийся в помещении, можно охладить до нужной температуры; для этого конечно, потребуется испарить определенное количество аммиака. Охлаждение воздуха в отсеке спускаемого аппарата, где находится экипаж, проводится таким же образом, только пары вещества, испаряющегося в специальном устройстве, выбрасываются не в отсек, а но трубкам отводятся за борт аппарата.

Хотя атмосфера Земли и является причиной очень сильного разогревания спускаемого аппарата во время его спуска на Землю, она в то же время служит средством торможения. С помощью атмосферы можно «погасить» огромные космические скорости. Но можно ли безопасно приземлять спускаемый аппарат, если тормозить его только атмосферой? Конечно, нет. Прыжок из окна первого этажа не представляет никакой опасности, а со второго прыгнет не каждый. С третьего этажа и выше прыгать опасно. Под действием силы тяжести, создающей ускорение, скорость приземления человека, прыгающего из окна высокого дома, достигает такой величины, при которой он сможет разбиться. Какую же скорость должен иметь спускаемый аппарат в момент приземления, чтобы удар его о Землю был не опасен как для членов экипажа, так и для аппаратуры, установленной в нем. Лучше всего, конечно, приземляться так, чтобы скорость аппарата в момент соприкосновения с поверхностью Земли была бы равна нулю или во всяком случае не превышала 2 м/сек. При атом условии посадка будет мягкой, совершенно безопасной и для экипажа и для конструкции аппарата.

Довольно жесткий удар, но еще терпимый, будет ощущаться, если приземление происходит со скоростью подхода к поверхности Земли 5 - 6 м/сек. А если скорость будет больше? Понятно, что это плохо и для экипажа, и для аппаратуры.

Начиная с некоторой высоты, спускаемый аппарат ведет себя как обычное тело, падающее на Землю с некоторой начальной скоростью. Скорость его падения по сравнению с первой космической скоростью будет небольшой. Например, тело, сброшенное с самолета, летящего на высоте 2000 м, приземлится со скоростью 200 м/сек (v² = √2gH). 200 м/сек - это небольшая скорость, но приземляться с такой скоростью, безусловно, нельзя. Как же обеспечить безопасное приземление?

Находясь уже не в космосе, а в непосредственной близости от Земли, можно воспользоваться обычными, земными средствами. Парашют - испытанный способ спуска с высоты на Землю. Правда, спуск космического аппарата на парашютах, после того как он потеряет за счет тормозящего действия атмосферы значительную часть своей скорости, происходит не так, как спуск парашютиста, прыгающего с борта самолета. Спускаемый аппарат имеет на борту, как правило, два основных парашюта и третий вспомогательный. Первый, тормозной парашют (он гораздо меньше по размеру, чем второй) раскрывается во время движения космического аппарата со скоростью около 250 м/сек. Его назначение - несколько снизить скорость аппарата, поэтому этот парашют и называют тормозным.

Второй, основной парашют служит для обеспечения плавной посадки аппарата на Землю. Размер купола его в несколько раз больше, чем у тормозного парашюта, а поэтому и тормозящее действие значительно больше. Почему сразу не выбрасывается большой парашют? Этого делать нельзя. При большой скорости движения на него будет действовать слишком большая нагрузка и он может порваться. А для чего нужен вспомогательный парашют? Его назначение: вытянуть основной парашют из гнезда, в котором он уложен. Основной парашют имеет и большой размер и большую массу. Чтобы сбросить его с борта спускаемого аппарата, требуется затратить значительное усилие. Вспомогательный парашют невелик по размеру, вытянуть его из гнезда не представляет большой трудности. Этот небольшой парашют крепится к кольцу второго, основного парашюта. Когда вспомогательный парашют раскрывается в воздухе, давление потока воздуха на его купол создает силу, достаточную для того, чтобы вытянуть из гнезда основной парашют.

Система парашютов обеспечивает спуск и приземление спускаемого аппарата, при котором удар о Землю не сопровождается толчками, опасными для экипажа. Однако приземление с помощью парашютов не обеспечивает мягкой посадки. Правда, если парашют сделать очень больших размеров, посадку можно было бы производить и мягко (т. е. со скоростью приземления не более 2 м/сек). Есть другой, более приемлемый способ, позволяющий обеспечить мягкую посадку, при котором не требуется большого увеличения веса спускаемого аппарата. На борту аппарата можно иметь реактивный двигатель, который следует включить в тот момент, когда аппарат будет на высоте 1 - 2 м над поверхностью Земли. Направление силы тяги двигателя должно быть противоположно направлению движения аппарата. Тягу двигателя можно выбрать такой, чтобы его работа в течение заданного времени (обычно это доли секунды) полностью приостановила падение аппарата на Землю на высоте 0,2 - 0,15 м. Аппарат как бы повиснет в воздухе на какое-то мгновение. После того как двигатель прекратит работу, спускаемый аппарат снова будет падать на Землю. Но с какой высоты? Всего лишь 0,2 - 0,15 м. Падение с такой высоты не даст резкого удара, приземление будет мягким и совершенно безопасным.

Спуск на Землю без применения тормозных двигателей приводит лишь к некоторой жесткости приземления, однако такой спуск все же безопасен. Но на некоторых небесных телах, в частности на Луне, атмосферы нет. Следовательно, произвести спуск космического объекта на поверхность Луны с помощью парашютов невозможно. Безопасный спуск космических объектов на планеты, не имеющие достаточно плотной атмосферы, можно обеспечить только с помощью тормозных двигателей.

15 июля исполнилось 40 лет миссии "Союз-Аполлон", историческому полету, который часто считают окончанием космической гонки. Впервые два корабля, построенные на противоположных полушариях, встретились и состыковались в космосе. "Союз" и "Аполлон" были уже третьим поколением космических аппаратов. К этому моменту конструкторские коллективы уже "набили шишки" на первых экспериментах, и новые корабли должны были находиться в космосе долго и выполнять новые сложные задачи. Думаю, будет интересно посмотреть, к каким техническим решениям пришли коллективы конструкторов.

Введение

Любопытно, но в изначальных планах и "Союзы" и "Аполлоны" должны были стать аппаратами второго поколения. Но в США достаточно быстро осознали, что между последним полетом "Меркурия" и первым полетом "Аполлона" пройдет несколько лет, и для того, чтобы это время не пропало зря, была запущена программа "Джемини". А СССР ответил на "Джемини" своими "Восходами" .

Также, для обоих аппаратов главной целью была Луна. США не жалели денег на лунную гонку, потому что до 1966 года СССР имел приоритет во всех значимых космических достижениях. Первый спутник, первые лунные станции, первый человек на орбите и первый человек в открытом космосе - все эти достижения были советскими. Американцы изо всех сил стремились "догнать и перегнать" Советский Союз. А в СССР задача пилотируемой лунной программы на фоне космических побед затмевалась другими насущными задачами, например, надо было догонять США по количеству баллистических ракет. Пилотируемые лунные программы - это отдельный большой разговор, а здесь мы поговорим про аппараты в орбитальной конфигурации, такой, в какой они встретились на орбите 17 июля 1975 года. Также, поскольку корабль "Союз" летает много лет и претерпел множество модификаций, говоря о "Союзе", мы будем иметь в виду версии близкие по времени к полету "Союз-Аполлона".

Средства выведения

Ракета-носитель, про которую обычно редко вспоминают, выводит космический корабль на орбиту и определяет многие его параметры, главными из которых будут максимальный вес и максимальный возможный диаметр.

В СССР для вывода нового корабля на околоземную орбиту решили использовать новую модификацию ракеты семейства "Р-7". На РН "Восход" заменили двигатель третьей ступени на более мощный, что увеличило грузоподъемность с 6 до 7 тонн. Корабль не мог иметь диаметр больше 3 метров, потому что в 60-х годах аналоговые системы управления не могли стабилизировать надкалиберные обтекатели.

Слева схема РН "Союз", справа - старт корабля "Союз-19" миссии "Союз-Аполлон"

В США для орбитальных полетов использовалась специально разработанная для "Аполлонов" РН "Saturn-I" В модификации -I она могла вывести на орбиту 18 тонн, а в модификации -IB - 21 тонну. Диаметр "Сатурна" превышал 6 метров, поэтому ограничения на размер космического корабля были минимальными.

Слева Saturn-IB в разрезе, справа - старт корабля "Apollo" миссии "Союз-Аполлон"

По размерам и весу "Союз" легче, тоньше и меньше "Аполлона". "Союз" весил 6,5-6,8 т. и имел максимальный диаметр 2,72 м. "Аполлон" имел максимальную массу 28 т (в лунном варианте, для околоземных миссий топливные баки были не полностью залиты) и максимальный диаметр 3,9 м.

Внешний вид

"Союз" и "Аполлон" реализовывали ставшую уже стандартной схему деления корабля на отсеки. Оба корабля имели приборно-агрегатный отсек (в США он называется сервисным модулем), спускаемый аппарат (командный модуль). Спускаемый аппарат "Союза" получился очень тесным, поэтому на корабль был добавлен бытовой отсек, который также мог использоваться как шлюзовая камера для выхода в открытый космос. В миссии "Союз-Аполлон" американский корабль также имел третий модуль, специальную шлюзовую камеру для перехода между кораблями.

"Союз" по советской традиции запускался целиком под обтекателем. Это позволяло не заботиться об аэродинамике корабля на выведении и располагать на наружной поверхности хрупкие антенны, датчики, солнечные батареи и прочие элементы. Также, бытовой отсек и спускаемый аппарат покрыты слоем космической теплоизоляции. "Аполлоны" продолжали американскую традицию - аппарат на выведении был закрыт лишь частично, носовую часть прикрывала баллистическая крышка, выполненная конструктивно вместе с системой спасения, а с хвостовой части корабль был закрыт переходником-обтекателем.

"Союз-19" в полете, съемка с борта "Аполлона". Темно-зеленое покрытие - теплоизоляция

"Аполлон", съемка с борта "Союза". На маршевом двигателе, похоже, местами вспучилась краска

"Союз" более поздней модификации в разрезе

"Аполлон" в разрезе

Форма спускаемого аппарата и теплозащита

Спуск корабля "Союз" в атмосфере, вид с земли

Спускаемые аппараты "Союза" и "Аполлона" похожи друг на друга больше, чем это было в предыдущих поколениях космических кораблей. В СССР конструкторы отказались от сферического спускаемого аппарата - при возвращении с Луны он потребовал бы очень узкого коридора входа (максимальная и минимальная высота, между которыми нужно попасть для успешной посадки), создал бы перегрузку свыше 12 g, а район посадки измерялся бы десятками, если не сотнями, километров. Конический спускаемый аппарат создавал подъемную силу при торможении в атмосфере и, поворачиваясь, менял ее направление, управляя полетом. При возвращении с земной орбиты перегрузка снижалась с 9 до 3-5 g, а при возвращении с Луны - с 12 до 7-8 g. Управляемый спуск серьезно расширял коридор входа, повышая надежность посадки, и очень серьезно уменьшал размеры района посадки, облегчая поиск и эвакуацию космонавтов.

Расчет несимметричного обтекания конуса при торможении в атмосфере

Спускаемые аппараты "Союза" и "Аполлона"

Диаметр 4 м, выбранный для "Аполлона", позволил сделать конус с углом полураствора 33°. Такой спускаемый аппарат имеет аэродинамическое качество порядка 0,45, а его боковые стенки практически не нагреваются при торможении. Но его недостатком были две точки устойчивого равновесия - "Аполлон" должен был входить в атмосферу ориентированным дном по направлению полета, потому что в случае входа в атмосферу боком, он мог перевернуться в положение "носом вперед" и погубить астронавтов. Диаметр 2,7 м для "Союза" делал такой конус нерациональным - слишком много места пропадало впустую. Поэтому был создан спускаемый аппарат типа "фара" с углом полураствора всего 7°. Он эффективно использует пространство, имеет только одну точку устойчивого равновесия, но его аэродинамическое качество ниже, порядка 0,3, а для боковых стенок требуется теплозащита.

В качестве теплозащитного покрытия использовались уже освоенные материалы. В СССР применяли фенол-формальдегидные смолы на тканевой основе, а в США - эпоксидную смолу на матрице из стеклопластика. Механизм работы был одинаковый - теплозащита обгорала и разрушалась, создавая дополнительный слой между кораблем и атмосферой, а сгоревшие частицы принимали на себя и уносили тепловую энергию.

Материал теплозащиты "Аполлона" до и после полета

Двигательная система

И "Аполлоны" и "Союзы" имели маршевые двигатели для коррекции орбиты и двигатели ориентации для изменения положения корабля в пространстве и выполнения точных маневров по стыковке. На "Союзе" система орбитального маневрирования была установлена впервые для советских космических кораблей. По каким-то причинам конструкторы выбрали не очень удачную компоновку, когда маршевый двигатель работал от одного топлива (НДМГ+АТ), а двигатели причаливания и ориентации - от другого (перекись водорода). В сочетании с тем, что на "Союзе" баки вмещали 500 кг топлива, а на "Аполлоне" 18 тонн, это привело к разнице запаса характеристической скорости на порядок - "Аполлон" мог изменить свою скорость на 2800 м/с, а "Союз" только на 215 м/с. Больший запас характеристической скорости даже недозаправленного "Аполлона" делал его очевидным кандидатом на активную роль при сближении и стыковке.

Корма "Союза-19", хорошо видны сопла двигателей

Двигатели ориентации "Аполлона" крупным планом

Система посадки

Системы посадки развивали наработки и традиции соответствующих стран. США продолжали сажать корабли на воду. После экспериментов с системами посадки "Меркуриев" и "Джемини" был выбран простой и надежный вариант - на корабле стояли два тормозных и три основных парашюта. Основные парашюты были резервированы, и безопасная посадка обеспечивалась при отказе одного из них. Такой отказ произошел при посадке "Аполлона-15", и ничего страшного не случилось. Резервирование парашютов позволило отказаться от индивидуальных парашютов астронавтов "Меркурия" и катапультных кресел "Джемини".

Схема посадки "Аполлона"

В СССР традиционно сажали корабль на сушу. Идеологически система посадки развивает парашютно-реактивную посадку "Восходов". После сброса крышки парашютного контейнера срабатывают последовательно вытяжной, тормозной и основной парашюты (на случай отказа системы установлен запасной). Корабль спускается на одном парашюте, на высоте 5,8 км сбрасывается теплозащитный экран, а на высоте ~1 м срабатывают реактивные двигатели мягкой посадки (ДМП). Система получилась интересная - работа ДМП создает эффектные кадры, но комфортность посадки изменяется в очень широком диапазоне. Если космонавтам везет, то удар о землю практически неощутим. Если нет, то корабль может чувствительно удариться о землю, а если совсем не повезет, то еще и опрокинется на бок.

Схема посадки

Совершенно нормальная работа ДМП

Дно спускаемого аппарата. Три круга сверху - ДМП, еще три - с противоположной стороны

Система аварийного спасения

Любопытно, но, идя разными путями, СССР и США пришли к одинаковой системе спасения. В случае аварии специальный твердотопливный двигатель, стоявший на самом верху ракеты-носителя, отрывал спускаемый аппарат с космонавтами и уносил его в сторону. Посадка производилась штатными средствами спускаемого аппарата. Такая система спасения оказалась самой хорошей из всех использованных вариантов - она простая, надежная и обеспечивает спасение космонавтов на всех этапах выведения. В реальной аварии она применялась один раз и спасла жизни Владимира Титова и Геннадия Стрекалова, унеся спускаемый аппарат от горящей в стартовом сооружении ракеты.

Слева направо САС "Аполлона", САС "Союза", различные версии САС "Союза"

Система терморегуляции

В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами. Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково:

Средства обеспечения ВКД

И "Аполлоны" и "Союзы" проектировали с учетом возможной необходимости внекорабельной деятельности (выхода в открытый космос). Конструкторские решения также были традиционными для стран - США разгерметизировали весь командный модуль и выходили наружу через стандартный люк, а СССР использовал бытовой отсек в качестве шлюзовой камеры.

ВКД "Аполлона-9"

Система стыковки

И "Союз" и "Аполлон" использовали стыковочное устройство типа "штырь-конус". Поскольку при стыковке активно маневрировал корабль, и на "Союзе" и на "Аполлоне" были установлены штыри. А для программы "Союз-Аполлон", чтобы никому не было обидно, разработали универсальный андрогинный стыковочный агрегат. Андрогинность означала, что могли состыковаться любые два корабля с такими узлами (а не только парные, один со штырем, другой с конусом).

Стыковочный механизм "Аполлона". Он, кстати, использовался и в программе "Союз-Аполлон", с его помощью командный модуль стыковался со шлюзовой камерой

Схема стыковочного механизма "Союза", первая версия

"Союз-19", вид спереди. Хорошо виден стыковочный узел

Кабина и оборудование

По составу оборудования "Аполлон" заметно превосходил "Союз". Прежде всего, в состав оборудования "Аполлона" конструкторы сумели добавить полноценную гиростабилизированную платформу, которая с высокой точностью хранила данные о положении и скорости корабля. Далее, командный модуль имел мощный и гибкий для своего времени компьютер, который при необходимости можно было бы перепрограммировать прямо в полете (и такие случаи известны). Интересной особенностью "Аполлона" было также отдельное рабочее место для астронавигации. Оно использовалось только в космосе и было расположено под ногами астронавтов.

Панель управления, вид с левого кресла

Панель управления. Слева расположены органы управления полетом, по центру - двигателями ориентации, сверху аварийные индикаторы, снизу связь. В правой части индикаторы топлива, водорода и кислорода и управление электропитанием

Несмотря на то, что оборудование "Союза" было проще, оно было самым продвинутым для советских кораблей. На корабле впервые появился бортовой цифровой компьютер, а в состав систем корабля входило оборудование для автоматической стыковки. Впервые в космосе использовались многофункциональные индикаторы на электронно-лучевой трубке.

Панель управления кораблей "Союз"

Система электропитания

"Аполлоны" использовали очень удобную для полетов длительностью 2-3 недели систему - топливные элементы. Водород и кислород, соединяясь, вырабатывали энергию, а полученная вода использовалась экипажем. На "Союзах" в разных версиях стояли разные источники энергии. Были варианты с топливными элементами, а для полета "Союз-Аполлон" на корабле установили солнечные батареи.

Заключение

И "Союзы" и "Аполлоны" оказались по-своему очень удачными кораблями. "Аполлоны" успешно слетали к Луне и станции "Скайлэб". А "Союзы" получили крайне долгую и успешную жизнь, став основным кораблем для полетов к орбитальным станциям, с 2011 года они возят на МКС и американских астронавтов, и будут возить их, как минимум, до 2018 года.

Но за этот успех была заплачена очень дорогая цена. И "Союз" и "Аполлон" стали первыми кораблями, в которых погибли люди. Что еще печальнее, если бы конструкторы, инженеры и рабочие меньше спешили и после первых успехов не перестали бы бояться космоса, то Комаров, Добровольский, Волков, Пацаев, Гриссом, Уайт и Чеффи

В настоящее время транспортный корабль стал основной модификацией корабля «Союз» и в автономных полетах почти не используется. Как транспортный корабль он должен обеспечивать выведение экипажа на орбиту, сближение и стыковку с орбитальной станцией, переход экипажа на ее борт, полет корабля в составе орбитального комплекса достаточно продолжительное время, отделение от станции, спуск экипажа на Землю с приемлемым для космонавтов уровнем перегрузок при возвращении в атмосферу, приземление спускаемого аппарата с приемлемым уровнем перегрузок, воздействующих на космонавтов во время приземления, а также спасение экипажа в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения корабля на орбиту.

Решение этих задач осуществляется совместной работой бортовых систем корабля и его конструктивными особенностями. В конструкции корабля «Союз» можно выделить три основные части: спускаемый аппарат, приборно-агрегатный и орбитальный отсеки . Спускаемый аппарат размещен между приборно-агрегатным и орбитальным отсеками (см. последнюю страницу обложки). По своей форме спускаемый аппарат напоминает автомобильную фару (рис. 6). Эта форма выбрана не случайно, она обеспечивает возникновение аэродинамической подъемной силы (помимо силы лобового сопротивления) при движении аппарата в земной атмосфере, что снижает разброс точек приземления относительно заданной, а также уменьшает уровень перегрузок при спуске в атмосфере.

Рис. 6. Форма спускаемого аппарата корабля «Союз»

У кораблей «Восток», у которых спускаемый аппарат был сферической формы и, естественно, обладал только силой лобового сопротивления, рассеивание точек приземления достигало 250–300 км. Если на спускаемый аппарат действует аэродинамическая подъемная сила, то, управляя ее вертикальной составляющей, можно управлять и траекторией движения аппарата в земной атмосфере и, следовательно, дальностью этого движения (регулируя траекторию «круче» - «положе»). Последнее позволяет даже при небольших значениях аэродинамического качества спускаемого аппарата корабля «Союз» (0,2–0,3) снизить разброс точек приземления до нескольких десятков километров (а в принципе и до нескольких километров).

Если при спуске аппарата не используется подъемная сила, то такой тип спуска называется баллистическим . Максимальные перегрузки при баллистическом спуске зависят от крутизны траектории спуска, но даже при наиболее пологих траекториях эти перегрузки достигают (как это и было в случае спускаемых аппаратов кораблей «Восток» и «Восход») таких значений, что сила, действующая в это время на космонавта, в 8 - 10 раз больше его веса. Это, конечно, крайне нежелательное явление, особенно при возвращении экипажа на Землю после длительного полета в условиях невесомости, когда даже обычная земная тяжесть воспринимается организмом космонавта как весьма тяжелая и неприятная нагрузка.

Небольшое аэродинамическое качество спускаемых аппаратов кораблей «Союз» снижает максимальные перегрузки при движении аппарата в атмосфере до значений, соответствующих силе воздействия на космонавтов, превышающей лишь в 3–4 раза их вес. Этот аппарат, представляющий собой осесимметричное тело, движется при спуске в атмосфере своей затупленной частью вперед. Причем если бы центр массы аппарата располагался на оси симметрии, то никакой подъемной силы не возникло бы. Поэтому элементы конструкции и расположение оборудования выбраны такими, чтобы центр масс был смещен относительно оси симметрии спускаемого аппарата.

Чтобы управлять дальностью движения, надо менять вертикальную составляющую подъемной силы. Это можно делать, либо меняя угол атаки, как это делается в самолетах (в нашем случае надо было бы менять положение центра масс, что представляется довольно затруднительным), либо меняя величину проекции подъемной силы на вертикальную плоскость за счет управления креном аппарата. Этот способ и используется на корабле «Союз».

Корпус спускаемого аппарата защищен снаружи теплозащитным покрытием, предохраняющим его конструкцию, оборудование и экипаж от воздействия потока раскаленного газа, окружающего аппарат при его спуске. Напомним, что температура газа перед лобовым щитом достигает 10 000°. На боковой поверхности аппарата имеются три иллюминатора. На одном из них (среднем), который при орбитальной ориентации (когда продольная ось корабля лежит в горизонтальной плоскости) «смотрит» вниз на Землю, установлен визир-ориентатор, используемый экипажем для визуальной ориентации по Земле при ручном управлении и для ориентации при сближении.

Внутри спускаемого аппарата размещаются кресла экипажа, парашютные системы, двигатели мягкой посадки, система управляющих реактивных двигателей, используемых для ориентации аппарата при спуске, оборудование и аппаратура скафандров, систем жизнеобеспечения, управления, ориентации, радиосвязи, пеленгации, автоматики приземления, груз, возвращаемый со станции на Землю. В верхней сужающейся части спускаемого аппарата имеется люк, через который экипаж может переходить в орбитальный отсек, пристыкованный к верхнему торцовому шпангоуту спускаемого аппарата.

В орбитальном отсеке размещается оборудование систем жизнедеятельности, часть радиоаппаратуры, автоматика стыковки, аппаратура сближения. Здесь же в основном находится груз, доставляемый одновременно с экипажем на орбитальную станцию (часть груза размещается в спускаемом аппарате). В верхней части отсека (противоположной месту стыковки со спускаемым аппаратом) имеется активный стыковочный агрегат. На внешней поверхности отсека установлены часть антенн системы сближения. Общий объем орбитального отсека и спускаемого аппарата составляет около 10 м 3 .

Приборно-агрегатный отсек включает в себя переходную раму, приборную и агрегатную секции. На переходной раме, соединяющей приборную секцию со спускаемым аппаратом, устанавливаются часть двигателей причаливания и ориентации, баки с топливом, баллоны наддува, арматура, малый наружный радиатор СТР и антенна командной радиолинии. В приборной секции находится основное приборное оборудование, обеспечивающее работу на орбитальном участке полета, но ненужное на участке спуска: перед спуском отсеки корабля разделяются, причем орбитальный и приборно-агрегатный отсеки сгорают в атмосфере, двигаясь по траектории спуска. В агрегатной секции устанавливаются сближающе-корректирующая двигательная установка корабля (с двумя двигателями), двигатели причаливания и ориентации, большой наружный радиатор СТР, часть источников тока системы электропитания корабля. На внешних поверхностях секции имеются датчики системы ориентации и антенны.

Перед установкой корабля на ракету-носитель он закрывается головным обтекателем. На вершине головного обтекателя устанавливается двигатель системы аварийного спасения (САС). Головной обтекатель выполняет две задачи: защищает корабль от воздействия потока газа при движении ракеты в плотных слоях атмосферы и уводит спускаемый аппарат с экипажем (за счет работы двигателя САС) в случае аварии ракеты-носителя в плотных слоях атмосферы. При нормальном ходе выведения на орбиту, после выхода ракеты из плотных слоев атмосферы, двигатель САС и головной обтекатель сбрасываются. После выведения на орбиту, когда двигатель последней ступени выключается, происходит отделение корабля от последней ступени.

Все процессы ориентации, управления двигателями, радиосредствами, работой систем жизнеобеспечения, терморегулирования, энергопитания, спуска и другими системами автоматизированы. Так что полет корабля может осуществляться без участия экипажа в управлении. Однако на корабле установлены и средства ручного управления, позволяющие экипажу при необходимости брать на себя управление процессами ориентации, коррекции, сближения и т. п.

Система ориентации и управления движением (СОУД) «Союза» обеспечивает ориентацию корабля в автоматическом и ручном режимах, выдачу корректирующих импульсов, управление процессами сближения и причаливания. В ее состав входят чувствительные элементы (инфракрасный построитель местной вертикали, ионные датчики для ориентации по вектору скорости, гироскопические датчики углов и угловых скоростей), радиосистема сближения, обеспечивающая измерение параметров относительного движения при сближении, визуальные приборы ориентации (оптические и телевизионные), счетно-решающие и коммутационные приборы, органы ручного управления и индикации. Причем СОУД решает свои задачи, работая совместно с системами реактивных управляющих двигателей причаливания и ориентации и со сближающе-корректирующей двигательной установкой.

Самым сложным режимом работы СОУД является процесс сближения. Перед выведением транспортного корабля «Союз» станция находится, как правило, на рабочей орбите с высотой около 350 км. Транспортный корабль выводится на орбиту тогда, когда плоскость орбиты станции проходит через точку старта и станция только что прошла над районами старта. Корабль выводится на промежуточную орбиту с минимальной высотой порядка 190–200 км и максимальной высотой порядка 250–270 км. Направление полета ракеты-носителя транспортного корабля (т. е. плоскость его траектории) выбирается таким образом, чтобы корабль после выведения летел в той же плоскости, что и станция. Момент старта выбирается таким образом, чтобы после выведения корабля он оказался примерно в 10 000 км позади станции.

Поскольку высота орбиты корабля меньше высоты орбиты станции, то период его обращения вокруг Земли меньше, чем период обращения станции, т. е. «Союз» движется относительно Земли быстрее, а следовательно, постепенно догоняет станцию вдоль орбиты. Чтобы уравнять высоты корабля и станции и сблизить их к заранее выбранному моменту, проводится несколько коррекций (до четырех) орбиты транспортного корабля. Когда расстояние между кораблем и станцией становится меньше 25 км, по командам, заданным автоматикой, на корабле и на станции включается радиоаппаратура сближения. Затем начинается обмен радиосигналами, определяется направление, в котором находится искомый объект, и начинается взаимная ориентация корабля и станции так, чтобы стыковочный узел станции, намечаемый для стыковки, «смотрел» на корабль, а стыковочный узел корабля - на станцию.

После этого радиоаппаратура сближения передает в счетно-решающее устройство электрические сигналы, пропорциональные углам направления на станцию (линии визирования) в системе координат корабля, угловой скорости линии визирования, дальности до станции и скорости ее изменения. По полученным параметрам относительного движения счетно-решающее устройство определяет, в каких направлениях (на разгон, торможение или в боковом направлении) нужно выдать импульс тяги маршевого двигателя корабля для сближения, затем выдает команды и обеспечивает прямую ориентацию и развороты корабля, включает и выключает двигатель. Все это осуществляется таким образом, чтобы скорости относительного движения, перпендикулярные линии визирования, «гасились», а радиальная скорость обеспечивала постепенное сближение корабля со станцией.

По мере приближения к станции скорость корабля уменьшается. Этот процесс - автоматическое сближение - продолжается до расстояния 200–300 м, между кораблем и станцией, на котором осуществляется переход в режим причаливания. В этом режиме корабль уже постоянно направлен своим стыковочным агрегатом в сторону станции, а управление движением его центра масс обусловливается работой координатных реактивных двигателей. Они обеспечивают выдачу требуемых импульсов как вдоль продольной оси корабля (на разгон и торможение), так и в двух других перпендикулярных направлениях (условно «вверх» - «вниз» и «вправо» - «влево»). Последний процесс может продолжаться в автоматическом режиме вплоть до причаливания.

В принципе экипаж может взять управление причаливанием в свои руки (управляя ориентацией корабля и включениями координатных двигателей) и закончить причаливание при ручном управлении. Для обеспечения возможности ручного управления причаливания и для контроля процесса, идущего автоматически, экипажам корабля и станции выдается информация о параметрах сближения, работе двигателей, о расходе топлива. Одновременно с помощью телевизионных камер (на станции и на корабле) и оптического визира-ориентатора экипаж наблюдает станцию (или соответственно корабль), ее движение и ориентацию.

СОУД позволяет управлять кораблем «Союз» до механического контакта стыковочных узлов, обеспечивая параметры относительного движения, необходимые для срабатывания стыковочного агрегата.

Сближающе-корректирующая двигательная установка (СКДУ) по командам автоматики СОУД или с пульта управления выдает импульсы тяги, необходимые для сближения, коррекций орбиты или для перевода корабля с орбиты на траекторию спуска. В состав установки входят два двигателя с тягой более 400 кгс каждый, пневмогидроавтоматика, баки с топливом и баллоны наддува (для обеспечения вытеснения топлива из баков и подачи его к двигателям). Чтобы газ наддува не смешивался с топливом в условиях невесомости, внутри баков имеются эластичные разделители газа и жидкости (так называемые мешки) из органической пленки.

Система исполнительных органов ориентации (СИО) обеспечивает создание управляющих моментов для ориентации корабля, для его стабилизации при работе сближающе-корректирующей двигательной установки, для разворотов в процессе сближения и для координатных перемещений во время сближения. В состав СИО входят 14 двигателей причаливания и ориентации тягой около 10 кгс каждый, 8 двигателей ориентации тягой примерно 1 кгс каждый, баки с топливом, баллоны наддува, пневмогидроавтоматика.

Система управления спуском (СУС) соответственно управляет движением спускаемого аппарата корабля «Союз» при его спуске с орбиты на Землю. В состав СУС входят гироскопические датчики углов и угловых скоростей, датчики перегрузок, счетно-решающие устройства. СУС обеспечивает стабилизацию аппарата и за счет управления ориентацией по крену регулирует вертикальную составляющую подъемной силы, что позволяет регулировать дальность спуска.

Система исполнительных органов спуска работает по командам СУС, обеспечивая создание управляющих моментов, необходимых для разворотов и стабилизации спускаемого аппарата. Элементы системы в основном расположены вне герметичного объема спускаемого аппарата, но под тепловой защитой. В систему входят 6 управляющих двигателей с тягой до 15 кгс каждый, баки с топливом, баллон наддува и автоматика.

Система приземления спускаемого аппарата работает на заключительном участке спуска корабля. При входе аппарата в атмосферу он имеет скорость около 7,8 км/с. За счет торможения в атмосфере Земли его скорость постепенно уменьшается (до дозвуковой) и к высоте порядка 12 км составляет величину порядка 240 м/с. Именно благодаря работе этой системы осуществляется гашение скорости спускаемого аппарата до величины, обеспечивающей его безопасное приземление.

Данная задача решается совместной работой парашютных систем, двигателей мягкой посадки, автоматики и амортизаторов кресел, в которых находится экипаж при приземлении. Автоматика обеспечивает на заданной высоте выдачу команд на введение основной парашютной системы (а также запасной парашютной системы в случае, если основная не сработала), на подготовительные операции перед приземлением, на включение двигателей мягкой посадки непосредственно перед поверхностью Земли.

Парашютные системы устанавливаются в двух отдельных герметичных контейнерах, закрытых крышками.

Система электропитания (СЭП) состоит из автоматики и химических аккумуляторных батарей. Электропитание бортовых систем корабля «Союз» после его пристыковки к станции осуществляется от системы электропитания станции. Одновременно осуществляется и подзаряд аккумуляторов от СЭП станции. Подключение системы электропитания корабля к станции осуществляется через электроразъемы питания, установленные на обоих стыковочных агрегатах и соединяющихся при стягивании стыковочных шпангоутов.

Система терморегулирования корабля (СТР) поддерживает необходимые для экипажа температуру и влажность воздуха в спускаемом аппарате и в орбитальном отсеке, а также тепловой режим приборов в приборном отсеке, осуществляет термостатирование негерметичного агрегатного отсека, топливных магистралей системы исполнительных органов. В состав СТР «Союза» входят соответствующая автоматика, холодильно-сушильные агрегаты, газожидкостные теплообменники, два жидкостных контура (контур жилых отсеков и контур наружного радиатора) с насосами, обеспечивающими циркуляцию жидкости, кранами-регуляторами, компенсаторами. Оба контура связаны через жидкостно-жидкостный теплообменник.

Тепло, выделяющееся в отсеках, с помощью теплообменников передается жидкости, циркулирующей в контуре отсеков. Эта жидкость прокачивается затем по трубкам, приваренным к корпусу агрегатного отсека, обеспечивая его термостатирование. Тепло от жидкости передается (через жидкостно-жидкостный теплообменник) жидкому хладоагенту контура наружного радиатора, с помощью этого контура выносится на радиатор, с которого и излучается в окружающее пространство. Автоматика и регуляторы позволяют регулировать температуру жидкости в контуре отсеков, а следовательно, и температуру стенок радиатора холодильно-сушильного агрегата (и соответственно уровень влажности) и температуру воздуха в отсеках.

Кроме двух основных контуров СТР, имеется вспомогательный, который после стыковки со станцией обеспечивает передачу тепла от станции контуру жилых отсеков. Все поверхности корабля, не занятые антеннами, двигателями и чувствительными элементами, а также поверхность корпуса под радиаторами СТР закрыты пакетами экранновакуумной изоляции.

Системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа на корабле в принципе несут те же функции, что и аналогичные средства на станции. Разница заключается главным образом в том, что запасы, размещаемые в корабле, рассчитаны лишь на несколько суток. Кроме того, в состав корабельных средств СОЖ входят еще скафандры с бортовой системой газоснабжения и автоматикой, теплозащитные костюмы, а также средства, которые могут потребоваться в случае аварийной посадки в ненаселенной местности.

После пристыковки корабля к станции его СОЖ, обеспечивающие регенерацию воздуха в жилых отсеках, выключаются. В корабль из станции через открытый люк прокладывается воздуховод, через который в жилые отсеки подается воздух из станции. Это обеспечивает нужный состав атмосферы корабля, степень влажности и устранение вредных газовых примесей из отсеков корабля.

Перед отстыковкой корабля от станции воздуховод убирается, закрываются люки в обоих стыковочных узлах, на корабле включаются его регенераторы, поглотители и холодильно-сушильные агрегаты.

Радиосредства корабля «Союз» позволяют осуществить радиотелефонную связь экипажа с Землей в ультракоротковолновом и коротковолновом диапазонах, передачу на Землю телевизионного изображения от внутренних и внешних телевизионных камер, телеметрическую информацию, контроль орбиты, прием на борту команд управления. Телефонная связь с центром управления полетом, передача команд и цифровой информации на борт корабля и прием информации с его борта осуществляются с помощью наземных и плавучих (на морских судах) пунктов измерения и управления, когда космический корабль находится в зоне их видимости. Связь с кораблем поддерживается практически на всех витках его орбиты: во время каждого оборота корабля вокруг Земли, как правило, есть возможность в течение времени от нескольких минут до десятков минут поддерживать связь с кораблем.

В случае необходимости непрерывного телеметрического контроля (например, во время осуществления маневров) включаются бортовые телеметрические запоминающие устройства. Они накапливают информацию, которая затем «сбрасывается» над наземными пунктами.

Система управления бортовым комплексом (СУБК) корабля служит для управления работой бортовых систем и координации их работы как в режимах автоматического управления (от программно-временных устройств, и по командам, передаваемым через радиолинию с Земли), так и в режимах ручного управления (со стороны экипажа). В состав СУБК «Союза» входят логические устройства, коммутаторы, силовая электроавтоматика (для подключения электропитания приборов и систем), пульт управления и командно-сигнальные устройства.

Практически во время полета корабля осуществляется комбинированное управление. Причем способ управления меняется в зависимости от требуемой гибкости операций в данный момент, располагаемого времени и т. д. Поэтому часть команд управления поступает непосредственно с Земли (через командную радиолинию), часть от программно-временных устройств, а часть выдается экипажем через командно-сигнальные устройства или с пульта (по просьбе с Земли).

Экипаж обычно проводит в корабле около одних суток. После выведения на орбиту и проверки герметичности жилых отсеков космонавты выходят в орбитальный отсек и снимают скафандры. На первых оборотах корабля вокруг Земли (их чаще называют витками) проводится проверка бортового оборудования, основных динамических режимов работы корабля (ориентация, развороты, тесты аппаратуры сближения, выдвижение штанги стыковочного механизма), осуществляются первые две коррекции орбиты корабля. На следующий день осуществляются еще одна-две коррекции орбиты, сближение и стыковка корабля со станцией.

После стыковки и проверки герметичности соединения стыковочных шпангоутов корабля и станции экипаж открывает переходные люки обоих стыковочных узлов, переходит на станцию и начинает там работать. При этом осуществляется подзарядка буферных батарей корабля, шины электропитания бортовых систем корабля отключаются от собственной системы электропитания и подключаются к станционной системе. Периодически проводятся контроль состояния корабля с Земли по телеметрии и экипажем с пульта управления. Кроме того, корабль все время поддерживается в состоянии готовности к отделению от станции и спуску на случай необходимости.

При осуществлении длительной экспедиции на станцию в ходе ее полета проводится подмена корабля основной экспедиции кораблем очередной экспедиции посещения. После завершения работ на станции за несколько дней до спуска экипаж осуществляет консервацию станции, переносит в спускаемый аппарат оборудование, которое должно быть доставлено на Землю. За несколько витков до спуска космонавты переходят в корабль, закрывают люки, проверяют их герметичность, и затем корабль отделяется от станции. Спуск обычно осуществляется в Среднем Казахстане.

Примечания:

Аэродинамическим качеством в авиации и космонавтике называют отношение аэродинамической подъемной силы к аэродинамической силе лобового сопротивления.

При визуальной ориентации по Земле экипаж видит с помощью этого прибора горизонт и «бег» местности под собой, что позволяет ему построить трехосную ориентацию. При сближении данный прибор работает как перископ подводной лодки, позволяя экипажу, находящемуся в спускаемом аппарате, смотреть, по направлению продольной оси корабля.

15 июля исполнилось 40 лет миссии «Союз-Аполлон», историческому полету, который часто считают окончанием космической гонки. Впервые два корабля, построенные на противоположных полушариях, встретились и состыковались в космосе. «Союз» и «Аполлон» были уже третьим поколением космических аппаратов. К этому моменту конструкторские коллективы уже «набили шишки» на первых экспериментах, и новые корабли должны были находиться в космосе долго и выполнять новые сложные задачи. Думаю, будет интересно посмотреть, к каким техническим решениям пришли коллективы конструкторов.

Введение

Любопытно, но в изначальных планах и «Союзы» и «Аполлоны» должны были стать аппаратами второго поколения. Но в США достаточно быстро осознали, что между последним полетом и первым полетом «Аполлона» пройдет несколько лет, и для того, чтобы это время не пропало зря, была запущена программа «Джемини». А СССР ответил на .

Также, для обоих аппаратов главной целью была Луна. США не жалели денег на лунную гонку, потому что до 1966 года СССР имел приоритет во всех значимых космических достижениях. Первый спутник, первые лунные станции, первый человек на орбите и первый человек в открытом космосе - все эти достижения были советскими. Американцы изо всех сил стремились «догнать и перегнать» Советский Союз. А в СССР задача пилотируемой лунной программы на фоне космических побед затмевалась другими насущными задачами, например, надо было догонять США по количеству баллистических ракет. Пилотируемые лунные программы - это отдельный большой разговор, а здесь мы поговорим про аппараты в орбитальной конфигурации, такой, в какой они встретились на орбите 17 июля 1975 года. Также, поскольку корабль «Союз» летает много лет и претерпел множество модификаций, говоря о «Союзе», мы будем иметь в виду версии близкие по времени к полету «Союз-Аполлона».

Средства выведения

Ракета-носитель, про которую обычно редко вспоминают, выводит космический корабль на орбиту и определяет многие его параметры, главными из которых будут максимальный вес и максимальный возможный диаметр.

В СССР для вывода нового корабля на околоземную орбиту решили использовать новую модификацию ракеты семейства «Р-7». На РН «Восход» заменили двигатель третьей ступени на более мощный, что увеличило грузоподъемность с 6 до 7 тонн. Корабль не мог иметь диаметр больше 3 метров, потому что в 60-х годах аналоговые системы управления не могли стабилизировать надкалиберные обтекатели.

Слева схема РН «Союз», справа - старт корабля «Союз-19» миссии «Союз-Аполлон»

В США для орбитальных полетов использовалась специально разработанная для «Аполлонов» РН «Saturn-I» В модификации -I она могла вывести на орбиту 18 тонн, а в модификации -IB - 21 тонну. Диаметр «Сатурна» превышал 6 метров, поэтому ограничения на размер космического корабля были минимальными.

Слева Saturn-IB в разрезе, справа - старт корабля «Apollo» миссии «Союз-Аполлон»

По размерам и весу «Союз» легче, тоньше и меньше «Аполлона». «Союз» весил 6,5-6,8 т. и имел максимальный диаметр 2,72 м. «Аполлон» имел максимальную массу 28 т (в лунном варианте, для околоземных миссий топливные баки были не полностью залиты) и максимальный диаметр 3,9 м.

Внешний вид

«Союз» и «Аполлон» реализовывали ставшую уже стандартной схему деления корабля на отсеки. Оба корабля имели приборно-агрегатный отсек (в США он называется сервисным модулем), спускаемый аппарат (командный модуль). Спускаемый аппарат «Союза» получился очень тесным, поэтому на корабль был добавлен бытовой отсек, который также мог использоваться как шлюзовая камера для выхода в открытый космос. В миссии «Союз-Аполлон» американский корабль также имел третий модуль, специальную шлюзовую камеру для перехода между кораблями.

«Союз» по советской традиции запускался целиком под обтекателем. Это позволяло не заботиться об аэродинамике корабля на выведении и располагать на наружной поверхности хрупкие антенны, датчики, солнечные батареи и прочие элементы. Также, бытовой отсек и спускаемый аппарат покрыты слоем космической теплоизоляции. «Аполлоны» продолжали американскую традицию - аппарат на выведении был закрыт лишь частично, носовую часть прикрывала баллистическая крышка, выполненная конструктивно вместе с системой спасения, а с хвостовой части корабль был закрыт переходником-обтекателем.

«Союз-19» в полете, съемка с борта «Аполлона». Темно-зеленое покрытие - теплоизоляция

«Аполлон», съемка с борта «Союза». На маршевом двигателе, похоже, местами вспучилась краска

«Союз» более поздней модификации в разрезе

«Аполлон» в разрезе

Форма спускаемого аппарата и теплозащита

Спуск корабля «Союз» в атмосфере, вид с земли

Спускаемые аппараты «Союза» и «Аполлона» похожи друг на друга больше, чем это было в предыдущих поколениях космических кораблей. В СССР конструкторы отказались от сферического спускаемого аппарата - при возвращении с Луны он потребовал бы очень узкого коридора входа (максимальная и минимальная высота, между которыми нужно попасть для успешной посадки), создал бы перегрузку свыше 12 g, а район посадки измерялся бы десятками, если не сотнями, километров. Конический спускаемый аппарат создавал подъемную силу при торможении в атмосфере и, поворачиваясь, менял ее направление, управляя полетом. При возвращении с земной орбиты перегрузка снижалась с 9 до 3-5 g, а при возвращении с Луны - с 12 до 7-8 g. Управляемый спуск серьезно расширял коридор входа, повышая надежность посадки, и очень серьезно уменьшал размеры района посадки, облегчая поиск и эвакуацию космонавтов.

Расчет несимметричного обтекания конуса при торможении в атмосфере

Спускаемые аппараты «Союза» и «Аполлона»

Диаметр 4 м, выбранный для «Аполлона», позволил сделать конус с углом полураствора 33°. Такой спускаемый аппарат имеет аэродинамическое качество порядка 0,45, а его боковые стенки практически не нагреваются при торможении. Но его недостатком были две точки устойчивого равновесия - «Аполлон» должен был входить в атмосферу ориентированным дном по направлению полета, потому что в случае входа в атмосферу боком, он мог перевернуться в положение «носом вперед» и погубить астронавтов. Диаметр 2,7 м для «Союза» делал такой конус нерациональным - слишком много места пропадало впустую. Поэтому был создан спускаемый аппарат типа «фара» с углом полураствора всего 7°. Он эффективно использует пространство, имеет только одну точку устойчивого равновесия, но его аэродинамическое качество ниже, порядка 0,3, а для боковых стенок требуется теплозащита.

В качестве теплозащитного покрытия использовались уже освоенные материалы. В СССР применяли фенол-формальдегидные смолы на тканевой основе, а в США - эпоксидную смолу на матрице из стеклопластика. Механизм работы был одинаковый - теплозащита обгорала и разрушалась, создавая дополнительный слой между кораблем и атмосферой, а сгоревшие частицы принимали на себя и уносили тепловую энергию.

Материал теплозащиты «Аполлона» до и после полета

Двигательная система

И «Аполлоны» и «Союзы» имели маршевые двигатели для коррекции орбиты и двигатели ориентации для изменения положения корабля в пространстве и выполнения точных маневров по стыковке. На «Союзе» система орбитального маневрирования была установлена впервые для советских космических кораблей. По каким-то причинам конструкторы выбрали не очень удачную компоновку, когда маршевый двигатель работал от одного топлива (НДМГ+АТ), а двигатели причаливания и ориентации - от другого (перекись водорода). В сочетании с тем, что на «Союзе» баки вмещали 500 кг топлива, а на «Аполлоне» 18 тонн, это привело к разнице запаса характеристической скорости на порядок - «Аполлон» мог изменить свою скорость на 2800 м/с, а «Союз» только на 215 м/с. Больший запас характеристической скорости даже недозаправленного «Аполлона» делал его очевидным кандидатом на активную роль при сближении и стыковке.

Корма «Союза-19», хорошо видны сопла двигателей

Двигатели ориентации «Аполлона» крупным планом

Система посадки

Системы посадки развивали наработки и традиции соответствующих стран. США продолжали сажать корабли на воду. После экспериментов с системами посадки «Меркуриев» и «Джемини» был выбран простой и надежный вариант - на корабле стояли два тормозных и три основных парашюта. Основные парашюты были резервированы, и безопасная посадка обеспечивалась при отказе одного из них. Такой отказ произошел при посадке «Аполлона-15», и ничего страшного не случилось. Резервирование парашютов позволило отказаться от индивидуальных парашютов астронавтов «Меркурия» и катапультных кресел «Джемини».

Схема посадки «Аполлона»

В СССР традиционно сажали корабль на сушу. Идеологически система посадки развивает парашютно-реактивную посадку «Восходов». После сброса крышки парашютного контейнера срабатывают последовательно вытяжной, тормозной и основной парашюты (на случай отказа системы установлен запасной). Корабль спускается на одном парашюте, на высоте 5,8 км сбрасывается теплозащитный экран, а на высоте ~1 м срабатывают реактивные двигатели мягкой посадки (ДМП). Система получилась интересная - работа ДМП создает эффектные кадры, но комфортность посадки изменяется в очень широком диапазоне. Если космонавтам везет, то удар о землю практически неощутим. Если нет, то корабль может чувствительно удариться о землю, а если совсем не повезет, то еще и опрокинется на бок.

Схема посадки

Совершенно нормальная работа ДМП

Дно спускаемого аппарата. Три круга сверху - ДМП, еще три - с противоположной стороны

Система аварийного спасения

Любопытно, но, идя разными путями, СССР и США пришли к одинаковой системе спасения. В случае аварии специальный твердотопливный двигатель, стоявший на самом верху ракеты-носителя, отрывал спускаемый аппарат с космонавтами и уносил его в сторону. Посадка производилась штатными средствами спускаемого аппарата. Такая система спасения оказалась самой хорошей из всех использованных вариантов - она простая, надежная и обеспечивает спасение космонавтов на всех этапах выведения. В реальной аварии она применялась один раз и Владимира Титова и Геннадия Стрекалова, унеся спускаемый аппарат от горящей в стартовом сооружении ракеты.

Слева направо САС «Аполлона», САС «Союза», различные версии САС «Союза»

Система терморегуляции

В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами. Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково:

Средства обеспечения ВКД

И «Аполлоны» и «Союзы» проектировали с учетом возможной необходимости внекорабельной деятельности (выхода в открытый космос). Конструкторские решения также были традиционными для стран - США разгерметизировали весь командный модуль и выходили наружу через стандартный люк, а СССР использовал бытовой отсек в качестве шлюзовой камеры.

ВКД «Аполлона-9»

Система стыковки

И «Союз» и «Аполлон» использовали стыковочное устройство типа «штырь-конус». Поскольку при стыковке активно маневрировал корабль, и на «Союзе» и на «Аполлоне» были установлены штыри. А для программы «Союз-Аполлон», чтобы никому не было обидно, разработали универсальный андрогинный стыковочный агрегат. Андрогинность означала, что могли состыковаться любые два корабля с такими узлами (а не только парные, один со штырем, другой с конусом).

Стыковочный механизм «Аполлона». Он, кстати, использовался и в программе «Союз-Аполлон», с его помощью командный модуль стыковался со шлюзовой камерой

Схема стыковочного механизма «Союза», первая версия

«Союз-19», вид спереди. Хорошо виден стыковочный узел

Кабина и оборудование

По составу оборудования «Аполлон» заметно превосходил «Союз». Прежде всего, в состав оборудования «Аполлона» конструкторы сумели добавить полноценную гиростабилизированную платформу, которая с высокой точностью хранила данные о положении и скорости корабля. Далее, командный модуль имел мощный и гибкий для своего времени компьютер, который при необходимости можно было бы перепрограммировать прямо в полете (и такие случаи известны). Интересной особенностью «Аполлона» было также отдельное рабочее место для астронавигации. Оно использовалось только в космосе и было расположено под ногами астронавтов.

Панель управления, вид с левого кресла

Панель управления. Слева расположены органы управления полетом, по центру - двигателями ориентации, сверху аварийные индикаторы, снизу связь. В правой части индикаторы топлива, водорода и кислорода и управление электропитанием

Несмотря на то, что оборудование «Союза» было проще, оно было самым продвинутым для советских кораблей. На корабле впервые появился бортовой цифровой компьютер, а в состав систем корабля входило оборудование для автоматической стыковки. Впервые в космосе использовались многофункциональные индикаторы на электронно-лучевой трубке.

Панель управления кораблей «Союз»

Система электропитания

«Аполлоны» использовали очень удобную для полетов длительностью 2-3 недели систему - топливные элементы. Водород и кислород, соединяясь, вырабатывали энергию, а полученная вода использовалась экипажем. На «Союзах» в разных версиях стояли разные источники энергии. Были варианты с топливными элементами, а для полета «Союз-Аполлон» на корабле установили солнечные батареи.

Заключение

И «Союзы» и «Аполлоны» оказались по-своему очень удачными кораблями. «Аполлоны» успешно слетали к Луне и станции «Скайлэб». А «Союзы» получили крайне долгую и успешную жизнь, став основным кораблем для полетов к орбитальным станциям, с 2011 года они возят на МКС и американских астронавтов, и будут возить их, как минимум, до 2018 года.

Но за этот успех была заплачена очень дорогая цена. И «Союз» и «Аполлон» стали первыми кораблями, в которых погибли люди. Что еще печальнее, если бы конструкторы, инженеры и рабочие меньше спешили и после первых успехов не перестали бы бояться космоса, то Комаров, Добровольский, Волков, Пацаев, Гриссом, Уайт и Чеффи .