Дорога к Луне или второе поколение космических аппаратов

Первое поколение пилотируемых космических аппаратов показало, что в космосе можно находиться до нескольких дней и вполне успешно работать. Поэтому на следующее поколение ложились более сложные задачи: экипаж из нескольких человек, сближение и стыковка, внекорабельная деятельность, длительный полёт. Тем интереснее смотреть, как эти задачи решали коллективы разработчиков по обе стороны океана.

Введение

Необходимо понимать, что использование слова «поколение» здесь несколько условно. Дело в том, что после «Востоков» в СССР должны были полететь «Союзы», и изначально никаких «Восходов» не планировалось. Но задержки с разработкой «Союза» на фоне американских успехов привели к политическому решению создания корабля, который мог бы решить хотя бы некоторые новые задачи.

Цели США

25 мая 1961 года, когда у США был всего один полёт в космос по суборбитальной траектории длиной 15 минут, президент Кеннеди уже обратился с Конгрессу с предложением пилотируемого полёта на Луну. Идея активно пропагандировалась президентом (известнейший спич «We choose to go to the Moon»). Задача полёта на Луну формировала четкий список промежуточных задач, которые нужно было предварительно решить:

1. Экипаж из нескольких человек.
2. Длительность полета 8-14 дней.
3. Внекорабельная деятельность (выход в открытый космос).
4. Стыковка.
5. Точная посадка на Землю.
6. Отбор и подготовка экипажей будущих лунных миссий.

Программа «Джемини» была официально начата 7 декабря 1961 года.

Цели СССР

В СССР, к сожалению, имела место неопределенность целей и задач. Была лунная программа, но она не имела полной финансовой и политической поддержки правительства. Не было четкой космической программы, рассчитанной на несколько лет. Поэтому в качестве задач для будущих полётов предлагались различные эксперименты:

• Экипаж из нескольких человек.
• Внекорабельная деятельность (выход в открытый космос)
• Длительный полёт на две-три недели.
• Полёт полностью женского экипажа.
• Полёт с созданием искусственной тяжести.
• Полёт с медико-биологическими экспериментами, например, операцией на животном.
• Выход в открытый космос космонавта с автономным средством передвижения (без троса, соединяющего с кораблем).

Как следствие этой неопределенности, официальной датой начала программы «Восход» является указ от 13 апреля 1964 года, на два с половиной года позже «Джемини».

Средства выведения

Установка РН «Восход» на стартовый стол. Сквозь ферму между второй и третьей ступенью видны 4 камеры сгорания РД-0108 блока «И». Шахматная окраска третей ступени скорее всего означает, что фото с одного из испытательных пусков.

«Восход» выводила новая модификация ракеты Р-7, уже ставшей главной «рабочей лошадкой» советской космонавтики. Ракета-носитель «Восход» имела более мощную третью ступень — блок «И», что повысило её грузоподъемность до ~6 тонн. А масса «Восхода» выросла несильно, до 5,3-5,6 тонн, что означало отсутствие весовых проблем для корабля.

Для выведения на орбиту «Джемини» использовалась модификация МБР «Титан-II». Изменения заключались в повышении надежности и резервировании некоторых узлов. Грузоподъемность в 3,5 тонны по-прежнему сильно отставала от ракет-носителей СССР, что весьма ограничивало разработчиков корабля. А специфика ракеты, спроектированной как МБР, привела к тому, что выведение было едва ли не дискомфортнее посадки — на конечном участке работы второй ступени астронавты испытывали перегрузку 8,5 «же», что является уникальным для выведения пилотируемых аппаратов (обычно не больше 4 g)

Внешние элементы конструкции

Форма корпуса

И СССР, и США продолжали следовать своим традициям — «Восход» летел под обтекателем и имел совершенно неаэродинамические формы аналогичные «Востоку». «Джемини» разрабатывала та же фирма («McDonnell Aircraft»), что и «Меркурий», и оба корабля были очень похожи друг на друга.

Деление на отсеки

Корабль «Восход» повторял схему «Востока». Сферический спускаемый аппарат и конический агрегатный отсек разделялись после торможения. Уже не нужный агрегатный отсек сгорал в атмосфере, а спускаемый аппарат проходил плотные слои атмосферы и шел на посадку.

В корабле «Меркурий» единственной сбрасываемой частью были тормозные двигатели. При разработке «Джемини» тормозные двигатели развили в полноценный отсек, а за ним разместили агрегатный отсек. При возвращении на Землю сначала сбрасывался агрегатный отсек. Затем срабатывали тормозные двигатели. После торможения уже ненужный отсек ТДУ также сбрасывался. Схема выглядит несколько несуразно, но имеет то удобство, что без агрегатного отсека нужно тормозить меньшую массу оставшегося корабля, что экономит вес тормозных двигателей.

Теплозащита

Спускаемый аппарат «Восхода-2». Шлюзовая камера добавлена для наглядности, в реальности она сбрасывалась перед торможением.

«Восход» повторял идею «Востока» со сферическим спускаемым аппаратом, автоматически занимающим нужное положение как «ванька-встанька» и такой же теплозащитой. В то же время, определенные вопросы вызывало крепление шлюзовой камеры, которое теоретически могло вызвать закрутку аппарата. Для проверки безопасности спуска кольцо, аналогичное креплению шлюзовой камеры, было установлено на один из спутников-разведчиков «Зенит» с таким же спускаемым аппаратом. Спутник вернулся успешно, кольцо не помешало ни прохождению плотных слоев атмосферы, ни работе парашюта.

«Джемини» использовал уже привычный для США теплозащитный щит. Обратите внимание на неравномерность его обгорания — это однозначно свидетельствует о том, что корабль совершал управляемый спуск. Центр масс находился не на оси корабля, поэтому при спуске возникала небольшая подъемная сила:


Подъемную силу можно было использовать для управления процессом посадки и садиться более точно, чем в случае неуправляемого спуска.

Материал теплозащиты «Джемини» до и после посадки

Тормозная система

На «Восходе» тормозная система состояла из основного тормозного жидкостного двигателя и запасного твердотопливного. С точки зрения безопасности это было лучше, чем недублированный двигатель на «Востоке».

На «Джемини» в отсеке ТДУ стояли четыре твердотопливных тормозных двигателя (более мощная модификация двигателей для «Меркурия»). Четыре одинаковых двигателя повышали надежность торможения (отказ одного не означал полного провала торможения), но на всякий случай, при первом пилотируемом пуске «Джемини-3» высота была выбрана такой, чтобы в случае отказа ТДУ корабль затормозился об атмосферу достаточно быстро.

Система посадки

На «Восходе» отказались от катапультирования космонавтов при посадке. Прежде всего, для катапульты не было места в новой кабине для 2-3 человек. Во-вторых, сама идея катапультирования выглядела недостаточно необходимой на фоне опыта «Востоков». Система посадки состояла из двух основных парашютов, двигателя мягкой посадки и датчика земли:
Запасного парашюта на корабле не было. Безопасность несколько повышалась использованием двухкупольной системы (первый и последний раз в космонавтике СССР). Отказ одного купола грозил серьезными травмами но не был фатален.
В целом, несмотря на отсутствие запасного парашюта, система посадки была прогрессивней, чем у корабля «Восток». Сочетание парашюта и двигателей мягкой посадки обеспечивало достаточно комфортную посадку без необходимости катапультироваться из исправного корабля.

На «Джемини» первоначально предлагалась управляемая посадка на раскладном крыле Рогалло (кстати, из этой идеи выросли современные дельтапланы):

Но крыло разрабатывалось медленно, и в какой-то момент в NASA решили вернуться к уже опробованным парашютам и посадке на воду. В итоге на корабль установили однокупольный основной парашют. Если он раскрывался успешно, астронавты меняли режим подвеса на двухточечный, и корабль садился в воду наискось. Запасного парашюта не было — в случае отказа основного парашюта астронавты должны были катапультироваться.

В системе посадки отказались от громоздкого и неэффективного амортизирующего мешка «Меркурия», заменив его на косое вхождение аппарата в воду. Эта идея оказалась отличной, её использовали на «Аполлонах» и будут использовать на проектируемых кораблях, которые будут приводняться (например, Orion).

Система аварийного спасения

На «Востоке» система спасения отсутствовала. До 27 секунды спасение экипажа было невозможно. В случае аварии после 27 секунды корабль отделялся от аварийной ракеты и использовал штатную систему посадки. К счастью, за время программы аварий на выведении не было.

На «Джемини» использовались катапультируемые кресла. Поскольку ракета-носитель использовала топливную пару НДМГ/АТ, по расчетам инженеров она должна была взрываться медленнее, и взрыв должен был быть меньше, чем взрыв кислородно-керосиновой ракеты. Поэтому, по мнению инженеров, катапультируемых кресел было бы достаточно. Катапультируемые кресла весили меньше полноценной системы спасения и могли работать аварийным средством спасения при посадке.

Катапультируемые кресла «Джемини» имели самые мощные двигатели среди авиационных аналогов. При первой попытке запуска «Джемини-VIА», которая сорвалась из-за выпавшего из гнезда кабеля, по инструкции надо было катапультироваться. Но астронавты не стали этого делать, не в последнюю очередь из-за случая на испытаниях: из-за небольшой ошибки таймеров срабатывания элементов системы спасения кресло с манекеном вышибло не успевший открыться люк. Астронавты опасались за свое здоровье при катапультировании и стали бы катапультироваться только совсем в крайнем случае, может быть, даже позже, чем это было необходимо.
С точки зрения конструкции, система аварийного спасения лучше, чем катапультируемые кресла, поэтому в каком-то смысле это был шаг назад по сравнению с «Меркурием». К счастью, аварий и «боевых» катапультирований за время программы не было.

Двигатели орбитального маневрирования и ориентации

«Восход» использовал двигатели ориентации на сжатом газе аналогичные «Востоку» и не мог совершать орбитальных маневров.

«Джемини» имел две двигательные системы:

• Систему орбитальной ориентации и маневрирования (OAMS — Orbit Attitude and Maneuvering System), которая использовалась в штатном полете и позволяла ориентировать корабль и совершать маневры по изменению орбиты.
• Систему ориентации (RCS — Reaction Control System), которая штатно использовалась при посадке и могла только поворачивать корабль, не изменяя его орбиту.

Дублирование двигательных систем один раз спасло жизни астронавтам. Сразу после стыковки «Джемини-8» (экипаж Нил Армстронг, Дэвид Скотт) с мишенью «Аджена» один из двигателей OAMS неконтролируемо включился и стал раскручивать корабль. Усиливающееся вращение грозило потерей сознания и смертью от перегрузки, но Армстронг успел выключить OAMS и остановить вращение двигателями RCS.
В качестве топлива использовалась пара НДМГ/АТ. Высококипящее топливо с неплохим удельным импульсом было гораздо лучше перекиси водорода или сжатого газа, а в «Джемини» были к тому же достаточно большие объемы топлива.
В целом двигательная система «Джемини» оказалась крайне удачной и по идеям, и по исполнению.

Система терморегуляции

«Восход» использовал систему терморегуляции с жалюзи, аналогичную «Востоку». Система была простая, надежная и не вызывала нареканий при эксплуатации.

«Джемини» использовал систему жидкостной терморегуляции. Теплоноситель забирал тепло от экипажа и приборов в кабине и переносил его на поверхность адаптера (агрегатный модуль и модуль ТДУ). Вся поверхность адаптера (белая) была излучателем тепла. Идея такой системы была весьма прогрессивной (лучше, чем испаритель воды на «Меркурии»), но с ней были определенные проблемы. Даже в середине программы (например, на миссии «Джемини-7») она откалывала фортели: температура в скафандрах то падала до +4°С, то поднималась до некомфортного уровня.

Системы обеспечения ВКД

Поскольку для обоих типов кораблей предусматривалась задача внекорабельной деятельности, необходимо было разработать соответствующие системы, позволяющие астронавту/космонавту выйти из корабля и вернуться обратно.

На «Восходах» была установлена надувная шлюзовая камера. В сложенном виде она занимала минимум места, а после раскрытия позволяла выходить из корабля не сбрасывая в нем атмосферу.

Слева — шлюзовая камера в сложенном виде, справа — в раскрытом.

Схема работы шлюзовой камеры.

На «Джемини» кабина разгерметизировалась целиком, и для выхода в открытый космос использовался штатный посадочный люк. При первом выходе в открытый космос выяснилось, что разработчики забыли про холодную сварку металлов в вакууме — были проблемы с открытием люка.

Если сравнить эти два подхода к реализации задачи внекорабельной деятельности, то они оба имеют свои плюсы и минусы. Специальный шлюз выгоден при больших корабельных объемах и атмосфере с большим давлением. В этом случае потери на разгерметизацию меньше. Также он выгоден тем, что не нарушается режим работы приборов и другого содержимого кабины. Нет необходимости проектировать гарантированно работающие в вакууме корабельные приборы. ВКД с разгерметизацией корабля выгодна для небольших кораблей с атмосферой с небольшим давлением. Оба варианта успешно использовались в дальнейшем — на «Аполлонах» ВКД была с разгерметизацией корабля, а сейчас на МКС стоят специальные отсеки со шлюзами — всю МКС разгерметизировать нельзя.

Система стыковки

«Восход» не имел стыковочных приспособлений.

У «Джемини» нос использовался для размещения антенн и стыковочного радара. Также нос использовался для стыковки — у мишени «Аджена» была соответствующая выемка со стыковочными замками, электрическими разъемами и т.п. на торце.

Внутренние элементы конструкции

Панель инструментов

У «Восхода» узнаваемое развитие панели инструментов «Востока». Главным недостатком является то, что, несмотря на поворот кресел экипажа (они на переднем плане внизу, виден правый бок кресла), элементы управления остались размещены так же, как и на «Востоке», что вызывало неудобства при ручном управлении. Иллюминаторы небольшие, но расположены с разных сторон.

Панель управления «Джемини» развивает авиационный подход со множеством приборов. Иллюминаторы расположены по-самолетному, что обеспечивает отличный обзор вперед. Боковых иллюминаторов не было.
Отдельно стоит отметить появление бортового компьютера. Система не могла пилотировать корабль самостоятельно (как это потом делали бортовые компьютеры «Аполлонов»), но серьезно помогала астронавтам при стыковке и посадке.

Система жизнеобеспечения

На «Восходе-1» летали без скафандров из-за недостатка места. На «Восходе-2» скафандры были в связи с необходимостью выхода в открытый космос. На кораблях «Восход» атмосфера поддерживалась близкой к земной.
На «Джемини» полет производился в скафандрах, а атмосфера была аналогична «Меркурию» — чистый кислород с пониженным давлением.
С точки зрения удобства «Джемини» были очень некомфортными кораблями. У астронавтов было крайне мало места, не было возможности встать, вытянуться в полный рост, размяться. Ситуацию осложняли запахи от немытых тел (не было возможности поддерживать чистоту тела, не было сменной одежды) и пользования туалетом. Особенно тяжело приходилось астронавтам на длительных миссиях — 8 дней «Джемини-5» и две недели «Джемини-7». Экипаж «Джемини-5» назвал свою миссию «восемь дней в мусорном баке», а астронавты «Джемини-7», вспоминая об этой миссии, говорят, что последние дни были особенно отвратительными, а также обвиняют друг друга (сейчас, спустя столько лет, в шутку) в слишком частом пользовании туалетом.

Электросистема

«Восход» для электропитания использовал аккумуляторы. Несмотря на недостатки аккумуляторов для длительных миссий, корабль с собаками успешно отлетал 22 дня, т.е. вполне мог использоваться для длительного полёта людей.

«Джемини» использовал наиболее подходящую для полётов длительностью 2-3 недели систему — топливные элементы. Водород и кислород, соединяясь, вырабатывали электричество, а получившаяся вода потреблялась экипажем. Топливные элементы отлично себя показали (если не учитывать проблемы в первом полете) и использовались потом на «Аполлонах» и «Спейс-шаттлах».

Заключение

«Восход», являясь, по сути, спешно доработанным «Востоком», несмотря на свое техническое отставание, позволил решить важные политические задачи. Первый полет экипажа из трех человек и первый выход открытый космос широко освещались СМИ по всему миру.

• Экипаж из нескольких человек. Впервые в космос полетел экипаж из трех человек.
• Внекорабельная деятельность (выход в открытый космос). Первый выход в открытый космос в истории.
• Длительный полёт на две-три недели. Прошел как беспилотный с собаками. Пилотируемый полет отменен.
• Полёт полностью женского экипажа. Отменен.
• Полёт с созданием искусственной тяжести. Отменен.
• Полёт с медико-биологическими экспериментами, например, операцией на животном. Отменен.
• Выход в открытый космос космонавта с автономным средством передвижения (без троса, соединяющего с кораблем). Отменен.

Корабль «Джемини» можно назвать кораблем, который проектировали инженеры, не оглядываясь на человеческие слабости. Маленький, тесный, неудобный, но оснащенный передовой техникой и обладающий уникальными по тем временам возможностями. Если бы не политические аспекты с уже определенной программой «Аполлон», «Джемини» мог бы стать отличным и дешевым транспортом к орбитальной станции (в составе MOL или другого проекта) и даже использоваться для полетов на Луну. Что же касается задач, которые перед собой ставили США, они были блестяще решены:

1. Экипаж из нескольких человек. Десять полётов экипажей из двух человек всего за 20 месяцев.
2. Длительность полета 8-14 дней. Один полёт на 8 дней и один полёт на 14 дней.
3. Внекорабельная деятельность (выход в открытый космос). Совершено множество выходов в открытый космос общей продолжительностью ~10 часов. Начальные проблемы преодолены, разработаны тренажеры и системы подготовки. ВКД поздних миссий проходили легко и без проблем.
4. Стыковка. Первая ручная стыковка в истории. Успешное выполнение двух стыковок с разными целями «Аджена» за одну миссию.
5. Точная посадка на Землю. Первый пилотируемый аппарат с управляемым спуском. Ошибка посадки стала измеряться единицами километров.
6. Отбор и подготовка экипажей будущих лунных миссий. Астронавты второго набора стали командирами миссий «Аполлонов» и успешно применяли полученные навыки.

Список использованных источников

Кроме Википедии использовались:

• Диаграммы на сайте NASA.
• Рисунки Александра Шлядинского.
• «Проект „Джемини“».
• Фото из музея космонавтики в Королеве.
• Ejection Site.
• Книга «Человек в космосе».
• Энциклопедия «Мировая пилотируемая космонавтика».
• Сайт astronautix.com

Источник: habrahabr.ru/post/234351/