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[4] 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.[5]
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 м3.
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.
