Начало пилотируемых полетов
12 апреля 1961 г., стартовав в 9 ч 07 мин по московскому времени, космический корабль с человеком на борту впервые вышел на орбиту искусственного спутника Земли. После завершения одного витка вокруг Земли первый космонавт планеты Ю. А. Гагарин благополучно приземлился на территории Советского Союза.
Это событие оказало исключительное влияние на все дальнейшее развитие космической, да и не только космической техники. В конечном счете оно оказало воздействие на само человеческое сознание, на миропонимание и психологию людей. Но прежде всего полет человека в космосе означал, что впервые увидела свет техника пилотируемых космических полетов. Космический корабль «Восток», на котором Ю. А. Гагарин преодолел притяжение Земли и вырвался за пределы ее атмосферы, стал прообразом всех пилотируемых, а также и многих непилотируемых космических аппаратов.
С годами значительно росли и усложнялись задачи космических полетов, а вместе с ними более сложной и хитроумной становилась техника, однако состав основных систем и исходные принципы их построения во многом сохранились такими же, которые были задуманы и осуществлены коллективами конструкторов и ученых под руководством главных конструкторов С. П. Королева, В. П. Глушко, Н. А. Пилюгина, А. М. Исаева и др. О пилотируемых космических кораблях, начиная с корабля «Восток», и будет наш рассказ.
Полет человека в космос состоялся меньше чем через 4 года после запуска первого в мире искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.). Осуществить это удалось прежде всего благодаря тому, что к 1957 г. в СССР была создана и 21 августа 1957 г. совершила первый успешный полет мощная двухступенчатая ракета. Последующее ее усовершенствование до ракеты-носителя (РН) в трехступенчатом варианте позволили к началу 60-х годов не только достичь второй космической скорости, но и выводить на орбиту вокруг Земли космические аппараты массой почти 5 т. Такая мощная космическая «тройка» дала возможность осуществить первый пробный одновитковый рейс, а в дальнейшем создать и перспективный космический корабль, рассчитанный на проведение более продолжительных и групповых полетов, с решением широкого круга более сложных задач.
Космический аппарат, предназначенный для полета человека в космос, принято называть космическим кораблем (КК). При этом он должен вписываться в общую компоновку ракетно-космической системы и выдерживать все нагрузки и другие условия полета в составе этой системы. Причем условия полета должны удовлетворительно переноситься человеком, хотя и специально тренированным для этого. Далее, в корабле необходимо поддерживать, так сказать, нормальные человеческие условия: космонавту нужно дышать, ему должно быть тепло, а в достаточно продолжительном полете он должен пить, есть, спать, отправлять естественные потребности.
Кроме того, необходимо, чтобы космический корабль летал правильно, т. е. ориентировался и управлялся при своем движении в пространстве, имея надежную радиосвязь с Землей. И наконец, последнее — после выполнения программы полета космический корабль должен обеспечить возвращение космонавта на Землю.
Тогда, в конце 50-х годов, когда начали разрабатывать КК для полета человека в космос, многое оставалось неясным. Однако в главном разобрались быстро и, как позднее подтвердилось, правильно. Задачу создания первого КК решили профессионально, а сами его создатели стали первыми специалистами в этой новой области космической техники. Первый запуск КК в беспилотном варианте был осуществлен 15 мая 1960 г., а уже 20 августа 1960 г. впервые на Землю были возвращены с орбиты собаки Белка и Стрелка.
На рис. 1 показана общая компоновка КК «Восток». Корабль состоял из двух основных отсеков: спускаемого аппарата (СА) и приборного отсека. СА с кабиной космонавта — это единственная часть КК, возвращающаяся на Землю, приборный отсек КК отделялся от СА перед входом в атмосферу и сгорал в ее плотных слоях.
Рис. 1. Компоновка КК «Восток»: 1 — космонавт в катапультируемом кресле, 2 — антенны командной радиолинии, 3 — ручка управления ориентацией, 4 — пульт космонавта, 5 — СА, 6 — оборудование системы жизнеобеспечения, 7 — телевизионная камера, 8 — баллоны реактивной системы управления и системы вентиляции скафандра, 9 — визир ручной ориентации «Взор», 10 — антенны радиосвязи, 11 — антенны системы «Сигнал», 12 — тормозная двигательная установка, 13 — антенны радиотелеметрической системы, 14 — жалюзи системы терморегулирования, 15 — датчик ориентации на Солнце
Почему же была выбрана именно такая схема, ставшая в последующие годы классической?
При спуске КК на Землю используется, как известно, торможение КК в атмосфере. Практически вся энергия, которую сообщила РН кораблю, должна при торможении рассеяться в атмосфере. Определенная часть этой энергии идет на нагрев корабля при взаимодействии КК с атмосферой. Без хорошей тепловой защиты КК просто сгорит, как сгорает большая часть метеороидов и закончивших свое существование спутников. Но тепловая защита значительно увеличивает массу корабля, поэтому ею покрывают не весь корабль, а только СА. Например, КК «Восток» имел стартовую массу 4725 кг, при этом масса СА составляла 2460 кг.
Имеются и другие преимущества такой схемы КК, о которых пойдет речь дальше.
Торможение СА в атмосфере продолжается до тех пор пока сила сопротивления не сравняется с силой его веса. При этом скорость движения СА обычно равна 150–200 м/с, однако чтобы обеспечить безопасное приземление космонавтов, скорость снижения СА у поверхности Земли не должна превышать по крайней мере 10 м/с. Наиболее простым и эффективным способом достижения такой скорости является торможение при помощи парашютов. Именно такая схема спуска выбрана для СА корабля «Восток».
Развертывание парашютов при больших скоростях является непростой задачей. Введением сразу основного купола, например, ее не решить. В этом случае были бы слишком велики нагрузки — и для СА, и для самого парашюта. Да и для того чтобы вытянуть плотно уложенный парашют из контейнера, требуется сила не в одну сотню килограммов. Задачу приходится решать при помощи целой системы, состоящей из вытяжного, тормозного и основного парашютов. Масса парашютной системы также практически пропорциональна массе спускаемой части КК. Поэтому чем меньшая часть КК приземляется, тем меньше его суммарная масса.
СА совершал посадку на основном парашюте со скоростью около 10 м/с. Однако Ю. А. Гагарин и другие первые космонавты могли приземляться независимо от СА — на своем индивидуальном парашюте со скоростью 5–6 м/с. Это осуществлялось при помощи катапультируемого кресла, которое устанавливалось на специальных направляющих и выстреливалось из СА после отделения (по команде от барореле) крышки люка СА на высоте около 7 км при скорости 220 м/с. Затем раскрывался тормозной парашют кресла, а через несколько десятков секунд на высоте 4 км (при скорости 70–80 м/с) — и основной парашют космонавта.
Выбранная схема приземления позволила решать ряд задач в случае возникновения аварийной ситуации и обойти часть не до конца ясных (в то время) проблем. Например, катапультирование кресла с космонавтом предусмотрели также на случай аварии РН на старте и на начальном участке полета.
Итак, была выбрана схема приземления КК «Восток». Как очевидно, эта схема во многом определила компоновку и конструкцию СА и КК в целом. При ее выборе и, как мы увидим дальше, при решении других проблем руководствовались чаще всего двумя соображениями: во-первых, сделать все надежнее, а во-вторых, легче.
Одним из фундаментальных вопросов при проектировании КК является также выбор формы СА. Эта форма определяет ряд важнейших параметров полета при спуске в атмосфере (нагрузки, устойчивость, нагрев и т. д.). Для КК «Восток» выбрали СА, имеющий форму сферы диаметром 2,3 м. Такая форма наиболее проста, гарантировала устойчивость движения, не требовала управления. Масса необходимой теплозащиты сферического СА составила около 800 кг, перегрузки при неуправляемом, так называемом баллистическом спуске в атмосфере не превышали 9 — 10 единиц; значения этих параметров оказались приемлемыми для данного проекта.
При выбранном подходе стремились расположить в СА только те системы и приборы КК, которые необходимы в течение всего полета, в том числе и на участке спуска и приземления, или те, которые непосредственно используют космонавты. Все остальное оборудование размещалось в приборном отсеке. Свободный объем герметической кабины СА составлял 1,6 м3.
Две основные системы поддерживают необходимые условия в кабине КК — система жизнеобеспечения и система терморегулирования. Как известно, человек потребляет кислород, выделяет углекислый газ, тепло и влагу. Эти две системы как раз и обеспечивают поглощение углекислого газа, пополнение кислородом, отбор из воздуха избыточной влаги и отвод тепла. В кабине КК «Восток» поддерживалась «земная» воздушная атмосфера с давлением 755–775 мм рт. ст. и 20–25 %-ным содержанием кислорода.
