В ряде полетов КК «Джемини» проводились эксперименты с выходом космонавтов в открытый космос, при этом оценивались работоспособность и возможности человека в этих условиях. Перед выходом в космос кислород из кабины космонавтов полностью стравливался и открывалась крышка люка КК. Проведенные эксперименты продемонстрировали как возможности, так и трудности работы человека в безопорном пространстве, показали необходимость применять средства фиксации ног и других частей тела, а также проводить специальные наземные тренировки (например, в «бассейнах гидроневесомости»).
Форма капсулы КК «Джемини» была выбрана такой, чтобы при создании угла атаки, т. е. угла между направлением полета в атмосфере и продольной осью КК, могла создаваться подъемная сила (составляющая силы аэродинамического сопротивления, перпендикулярная направлению полета). Отношение подъемной силы к силе сопротивления принято называть аэродинамическим качеством. В отличие от самолетов это отношение для СА (капсул) невелико, 0,2–0,4, и поэтому СА относится к летательным аппаратам с малым аэродинамическим качеством.
Если центр масс капсулы (СА) находится на продольной оси, то угол атаки равен нулю, подъемной силы не возникает и спуск получается баллистическим (как в случае КК «Меркурий»). Если центр масс сместить, то возникает угол атаки и подъемная сила. В зависимости от того, куда смещен центр масс, определяется направление, в котором действует подъемная сила по отношению к траектории спуска. В принципе можно управлять положением СА по тангажу и курсу, однако при полете в атмосфере необходимые управляющие моменты оказываются неприемлемо большими: требуется компенсировать моменты, стремящиеся вернуть СА в устойчивое положение.
Направление действия подъемной силы можно изменять, если вращать СА относительно продольной оси (по крену). В таком случае управляющие моменты становятся существенно меньше. В этом и заключается основная идея управляемого спуска. Впервые системы управляемого спуска были разработаны для советского КК «Союз» и американского КК «Джемини».
Перед входом в атмосферу капсула КК «Джемини» ориентировалась по направлению полета теплозащитным экраном вперед при помощи двигателей реактивной системы управления капсулы. Эти же двигатели использовались для управления разворотом по крену и для стабилизации угловых колебаний капсулы по тангажу и курсу. За счет управления при спуске достигались два основных эффекта: максимальные перегрузки снижались до 3–4 единиц (по сравнению с 9 — 10 единицами при баллистическом спуске) и увеличивалась точность приземления (максимальное отклонение не превышало нескольких километров, тогда как при неуправляемом спуске оно достигало нескольких сот километров).
Одной из задач программы «Джемини» было создание для КК парапланера (надувного управляемого парашюта-крыла) в целях отработки посадки на сушу с возможностью некоторого маневрирования. Однако из-за значительных трудностей эту задачу выполнить не удалось, и спуск всех КК «Джемини» производился на воду.
Максимальная продолжительность полета, которая выбиралась исходя из продолжительности будущих полетов на Луну, составила около 14 сут (КК «Джемини-7»). Но двухнедельный полет двух космонавтов в кабине КК с внутренним объемом 1,6 м3, практически не приспособленной для снятия скафандров, оказался на грани допустимых санитарных условий.
Всего на 10 КК «Джемини» совершили полет 16 различных американских космонавтов (в каждом полете находилось два космонавта).
Конструкция КК, его размеры и масса, а также состав основных систем и их главные характеристики зависят от задач, решаемых в полете. Однако созданы и многоцелевые КК, обладающие широкими возможностями. К ним прежде всего относятся КК «Союз» и его модификации. Над разработкой этого КК начали работать еще в начале 60-х годов, вскоре после полета первых космонавтов на КК «Восток».
Новый КК существенно отличался по компоновке и составу от своих предшественников, а его основные системы были не только разработаны вновь, но и выполнены более универсальными. При последующих модификациях КК «Союз» эти системы подвергались дальнейшему усовершенствованию. Тем не менее основная компоновка КК «Союз» сохранилась в первоначальном варианте, и этот КК позволил решить ряд новых технических задач, причем как в автономном полете, так и в составе орбитальных комплексов.
Стартовая масса всей ракетно-космической системы «Союз» составила 310 т.
Первые полеты человека в космос показали, что для увеличения продолжительности пребывания человека на орбите необходимо улучшить условия внутри КК, прежде всего потребовалось более просторное помещение для космонавтов. Особенно это проявилось при длительных (до 2 недель) полетах американских космонавтов в кабине КК «Джемини». По отзывам этих космонавтов, кабина КК была меньше передней части салона миниатюрного автомобиля «Фольксваген», но с дополнительным пультом управления размером с большой цветной телевизор, втиснутым между сиденьями. На Земле в такой кабине было трудно пробыть и несколько часов (более длительному пребыванию в космосе помогала в некотором смысле невесомость).
Рис. 6. Компоновка КК «Союз»
Приступая к проектированию КК «Союз» (рис. 6), специалисты решили ввести в его состав дополнительный жилой отсек, который назвали бытовым (или орбитальным). Отсек служил космонавтам и рабочим помещением, и комнатой отдыха, и столовой, и лабораторией, и шлюзовой камерой. Такая компоновка является рациональной для многоцелевого КК одноразового использования. В частности, это позволило уменьшить габариты и массу СА, что, как известно, представляется рациональным для КК одноразового использования. В этом случае минимальными становятся и теплозащита, и парашютные системы, и двигатели мягкой посадки, и тормозная двигательная установка с запасом топлива для схода с орбиты.
Суммарный внутренний объем жилых отсеков КК «Союз» составил более 10 м3, свободный объем — 6,5 м3, в том числе 4 м3 для бытового отсека. Помимо СА и бытового отсека в состав КК входил приборно-агрегатный отсек, в котором кроме двигательной установки размещались системы, используемые в орбитальном полете.
Принципиальным отличием нового КК от его предшественников стала прежде всего возможность широкого маневрирования на орбите. Сближающе-корректирующая двигательная установка включала в себя основной и запасной двигатели многократного запуска, которые развивали соответственно тягу около 4,1 и 4 кН, баки с двухкомпонентным топливом до 900 кг (азотная кислота + диметилгидразин), систему подачи топлива и элементы управления. Эта двигательная установка кроме схода с орбиты обеспечивала изменение параметров орбиты и маневрирование КК при сближении с другим космическим аппаратом.
Заключительные маневры при причаливании для осуществления стыковки требовали более тонкого управления скоростью КК. Для этого, а также для выполнения других режимов управления на различных участках полета КК «Союз» снабжался реактивной системой управления, состоящей из нескольких групп управляющих двигателей разной тяги (рис. 7).
Рис. 7. Реактивная система управления КК «Союз»: 1 — датчик температуры, 2 — резервный баллон с газом, 3 — основной баллон с газом, 4 — датчик давления, 5 — клапаны резервного наддува, 9 — клапаны основного наддува, 7 — газовый фильтр, 8 — редуктор, 9 — клапан объединения баков, 10 — резервный бак с топливом, 11 — основные баки с топливом, 12 — клапаны резервного бака, 13 — клапаны основных баков, 14 — клапан разделения магистралей, 15. 16 — клапаны подачи топлива, 17 — топливный фильтр, 18, 19 — коллекторы, 20 — пусковой клапан, 21 — пусковой клапан, 22 — двигатель малой тяги, 23 — двигатель большой тяги
Одна из этих групп, расположенная в районе центра масс КК в приборно-агрегатном отсеке и состоящая из 10 двигателей примерно по 100 Н каждый, применялась для изменения скорости поступательного движения. Для управления ориентацией с высокой точностью в экономичном режиме использовалась группа из 8 двигателей тягой по 10–15 Н, размещенная в хвостовой части этого же отсека. Там же имелось еще 4 двигателя тягой по 100 Н каждый для более эффективного набора угловой скорости при ориентации по тангажу и курсу.
Так же как и на первых советских КК, в жилых отсеках КК «Союз» поддерживалась нормальная воздушная атмосфера с давлением 760 ± 200 мм рт. ст. Система жизнеобеспечения была также построена на описанных ранее принципах с проведением ряда усовершенствований.
Для сведения к минимуму внешнего теплообмена все отсеки КК изолировались так называемой экрановакуумной теплоизоляцией. Дело в том, что из всех видов внешнего теплообмена на орбите имеет значение в условиях вакуума практически только лучистый теплообмен (нагрев за счет излучения Солнца и Земли и охлаждение за счет излучения поверхности самого КК), который зависит прежде всего от так называемых оптических свойств поверхности (степени ее черноты).
