Кстати говоря, так поступили американцы, впервые возвратившие на Землю маленькие капсулы своих спутников «Дискаверер». Шли к этому они около полутора лет и добились успеха едва ли не с десятой попытки. Дело это действительно не менее сложное, чем для больших. Но для автоматов проблем, конечно, меньше, чем для пилотируемых кораблей.
Прежде всего нужно было хорошо — реалистично и перспективно — поставить задачу на проектирование. И задача была сформулирована так: создать пилотируемый спутник, который после выведения на околоземную орбиту мог бы совершить по ней полет от одного витка до нескольких суток и возвратиться на Землю. На борту должен быть человек, с тем чтобы провести исследование самочувствия и работоспособности в условиях космического полета, а также некоторые научные наблюдения и эксперименты.
В основе осуществления такого полета лежало достижение высокой надежности ракеты-носителя (это дело ракетчиков), конструкции корабля, системы управления, обеспечения жизнедеятельности космонавтов, спуска и других. Самой трудной и ответственной задачей было обеспечение возвращения космонавта на Землю.
В те годы, о которых мы сейчас ведем речь, многие специалисты даже в авиации практически не представляли, как можно решить эту задачу: затормозить и спустить с орбиты аппарат, движущийся со скоростью 8 километров в секунду (28 тыс. километров в час, 25 скоростей звука!), чтобы он не сгорел при входе в плотные слои атмосферы. Из газовой динамики было очевидно, что у лобовой части аппарата должна возникнуть плазма с температурой 6—10 тысяч градусов. Как отвести тепло, чтобы космонавт не «изжарился», — вот был вопрос вопросов, и в реальность решения этой задачи в ближайшие годы кое-кто тогда просто не верил.
А между тем в это время (во второй половине 50-х годов) уже были найдены методы расчета теплозащиты возвращающихся с орбиты объектов и показано, что создание ее вполне реально с конструктивной точки зрения. Это был результат исследований, проведенных академиками М. В. Келдышем, Г. И. Петровым, В. С. Авдуевским (тогда молодым доктором наук) и другими учеными. Специалисты нашли также оптимальный материал для теплозащитного покрытия: им оказался тогда хорошо известный асботекстолит. Он обладает свойством, поглощая огромные количества тепла, не плавиться, а испаряться в потоке набегающего воздуха. Не очень легкий материал, но достаточно эффективный. Однако создать конструкцию теплозащиты — только полдела. Нужно найти такую компоновку аппарата, чтобы масса теплозащиты оказалась минимальной.
Но прежде всего нужно было решить другую принципиальную задачу — выбрать способ возвращения корабля. Вариантов имелось несколько. О крыльях мы уже говорили. Был еще вариант торможения и посадки с помощью авторотирующих винтов, подобных вертолетным. Эта схема одно время очень нравилась Сергею Павловичу. Но расчеты показали, что эффективной работы от них добиться трудно.
В марте — апреле 1958 года сделали окончательный выбор: спуск должен быть баллистическим, без подъемной силы, с парашютной системой посадки. Анализ и расчеты показали, что этот способ наиболее прост.
Следующий шаг — выбор формы корабля, вернее, возвращаемой его части. Казалось бы, естественно возвращать на Землю весь корабль. Но в этом случае масса тепловой защиты и парашютной системы, которая зависела от размеров и массы возвращаемого аппарата, получилась слишком большой. Нельзя допустить, чтобы теплозащита «съела» все запасы массы, необходимые для различного оборудования, обеспечения жизнедеятельности, топлива, для ориентации и посадки. Значит, размеры возвращаемой части космического корабля нужно свести к минимуму.
Так возникло понятие спускаемого аппарата. А что оставалось вне его? На долю отсека, названного приборно-агрегатным, приходилось все то, без чего мог жить космонавт и можно было обойтись в течение получаса спуска корабля с орбиты: тормозная двигательная установка с топливными баками, система управления, радиооборудование, телеметрия и пр.
Если приборный отсек мог иметь любую форму, которая вписывалась бы в габариты обтекателя ракеты, то спускаемый аппарат мог иметь конфигурацию только вполне определенную. Условия такие: достаточный объем, хорошая устойчивость на спуске и как можно меньший вес теплозащиты. При расчете траектории спуска, тепловых потоков, решении проблемы устойчивости надо было учесть аэродинамику на гиперзвуковых, околозвуковых и дозвуковых скоростях. Рассматривались различные конфигурации: конус с различными углами раскрыва и радиусами затупления, обратный конус, зонт, закругленные цилиндры и прочее.
Однажды мы стали анализировать полусферу, и вдруг пришла мысль: а почему, собственно, не взять сферу? И мы остановились на сфере.
Теперь это вполне может показаться тривиальным решением, но, по моему мнению, тогда это здорово упрощало задачу и помогло нам выиграть время. Дело не только в том, что сфера дает минимальную поверхность, а значит, близкий к минимуму вес теплозащиты при заданном объеме. Любая другая форма спускаемого аппарата потребовала бы проведения множества аэродинамических исследований, создания специальных методов расчета. Сфера была продута и просчитана, как говорится, вдоль и поперек. Все разгрызено и разжевано. Да и сами расчеты ее намного проще. Возьмите заостренное тело — в гиперзвуковом потоке надо считать косые скачки уплотнения, а на тупое тело, каким является сфера, садится прямой скачок, ударная волна отходит от тела, а за ней, то есть на поверхности тела, — дозвуковое обтекание. Все сравнительно просто.
Могло показаться, что точность посадки будет невысокой, а это было бы чревато опасностью потери спускаемого аппарата. Но расчеты убедили: точность получается в пределах допустимого — плюс-минус 300 километров. Учитывая равнинные пространства нашей страны, это не грозило какими-нибудь случайностями при посадке.
Другой вопрос: не окажутся ли при баллистическом спуске слишком высокими перегрузки, допустимы ли они для человека. Но и здесь расчеты показали, что при входе в атмосферу под углом 5–6 градусов перегрузки будут не более 9—10, причем продолжительность таковых перегрузок не более минуты. Согласно экспериментальным исследованиям авиационных медиков, проведенным еще в 40-х годах, такие перегрузки для тренированных людей считались вполне переносимыми. Конечно, чтобы не превысить допустимые значения, нужно было гарантировать необходимый угол входа аппарата в атмосферу. Но и это оказалось вполне достижимым, хотя систему ориентации аппарата перед включением двигателя на торможение предстояло еще создать.
Очень важно было исследовать динамику движения спускаемого аппарата. Вроде бы на первый взгляд сфера в полете должна кувыркаться. Но устойчивость ее обеспечивалась простым образом. При хотя бы небольшом смещении центра тяжести относительно геометрического центра сфера легко стабилизируется в потоке воздуха.
В апреле 1958 года мы нашли это решение, в мае провели все расчеты и проектную проработку основных проблем аппарата. Но окончательное решение принималось только Королевым после обсуждения. И вот однажды, в начале июня, приходит утром в отдел Тихонравов и говорит, что он договорился с Сергеем Павловичем о нашем ему докладе. Я тут же собрал все наброски, расчеты, и мы отправились. Наш отдел тогда размещался в большом зале здания, примыкающего вплотную к заводским цехам. В первые годы своего существования в этом зале располагалась основная часть КБ Королева. И здесь я когда-то проходил стажировку. Забавно было: мы понимали, что «география» ничего не определяет, но все же чувствовали себя в связи с этим прямыми продолжателями того дела, которое здесь когда-то зарождалось. А теперь трехэтажное основное здание КБ находилось почти в пяти минутах ходьбы от нас. Мы шли с Михаилом Клавдиевичем и пытались спрогнозировать реакцию Главного на наши эскизы.
Помню приемную Сергея Павловича со старинными напольными часами. Качался маятник, и стрелки показывали около 10 часов. Вошли в кабинет. Это была довольно просторная комната с тремя окнами. В дальнем углу стоял письменный стол Королева, тоже старинный, на лапах. Вещей и книг на столе, как и в кабинете, было очень мало. У стены напротив окна — длинный стол, крытый зеленым сукном, во всю стену шкафы. Помню, что день был очень ясный. А может, так мне кажется теперь, потому что потом в этом кабинете мне большей частью доводилось быть вечерами или, по крайней мере, в предвечерние сумерки. Сергей Павлович встал из-за стола, подошел к нам, пожал руки. Встали мы втроем возле стола, расстелил я свои листы ватмана и миллиметровки на сукне (грузов никаких не нашлось, и Сергей Павлович и Михаил Клавдиевич придерживали листы руками) и стал излагать. Это был мой первый доклад Королеву.
