Текст книги "Космические корабли"

Автор книги: Владимир Сыромятников

Соавторы: Валентин Бобков
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

Программа ЭПАС

Около полутора десятилетий космическая техника в СССР и США развивалась относительно независимо. Одним из мотивов объединения усилий явилось стремление иметь возможность оказывать взаимную помощь в космосе. Для этого необходима была прежде всего техническая основа и нужны были совместимые КК, способные взаимодействовать и состыковываться. Но в первую очередь в подобных делах требовалась добрая воля, которая наметилась было во взаимоотношениях стран в начале 70-х годов. Таковы были предпосылки осуществления программы экспериментального полета «Аполлон» – «Союз» (ЭПАС).

В результате первых встреч специалисты обеих стран впервые воочию убедились в разнице систем КК «Союз» и «Аполлон». К этим системам, нуждающимся в совместимости при осуществлении программы ЭПАС, прежде всего относились системы сближения, стыковки, жизнеобеспечения и связи. Вначале были созданы 4 смешанные рабочие группы по этим системам, позже к ним присоединилась пятая, ответственная за общую увязку технических вопросов, организацию и планирование (эта группа получила порядковый № 1). Эти специалисты во главе с техническими директорами проекта (с советской стороны членом-корреспондентом АН СССР К. Д. Бушуевым, с американской – доктором Г. Ланни) преодолели все противоречия и подготовили экспериментальный полет КК «Союз» и «Аполлон».

КК «Союз-19» и «Аполлон», изготовленные и испытанные по программе ЭПАС независимо, стартовали 15 июля 1975 г. соответственно с космодрома Байконур и космодрома им. Кеннеди. Между КК была установлена двухсторонняя связь, они сблизились и произвели одну за другой две стыковки (17 и 19 июля). Общая масса состыкованных КК составила 20,97 т. Воспользовавшись переходным модулем, советские и американские космонавты совершили несколько взаимных визитов. После успешного выполнения программы КК «Союз-19» благополучно приземлился (а КК «Аполлон» приводнился) в расчетном районе.

Для обеспечения совместимости технических систем использовались различные методы. Совместимость, например, стыковочных агрегатов, непосредственно механически взаимодействующих и соединяемых частей КК, была обусловлена тем, что создали принципиально новое стыковочное устройство. Вместо стыковочного механизма с конусом и штырем, который служил рабочим элементом амортизатора и производил предварительные выравнивание и стягивание КК «Союз», в новой конструкции по периферии стыковочных шпангоутов размещались кольца с тремя лепестками.

При взгляде с торца оба агрегата выглядят одинаковыми, но тем не менее соединяются между собой; специалисты в этом случае их называют андрогинными (двуполыми в переводе с древнегреческого). Кроме того, каждый агрегат мог выполнять как активную роль (производить все операции при помощи расположенных на нем механизмов), так и пассивную роль. Андрогинные периферийные агрегаты стыковки (АПАС) незаменимы там, где требуется обеспечить возможность стыковки многих космических аппаратов между собой.

Специалисты каждой страны спроектировали и изготовили свой АПАС, который существенно отличался по принципиальной схеме и по конструкции отдельных элементов. Совместимость АПАС достигалась согласованием минимального числа размеров и характеристик. Такой подход существенно упростил всю работу. Совместимость была проверена при совместных испытаниях и контрольной проверке летных агрегатов.

Непросто оказалось совместить «земную» атмосферу КК «Союз» с чисто кислородной атмосферой КК «Аполлон». Было решено создать специальный переходный стыковочный модуль, который размещался при старте с Земли на РН «Сатурн-1Би» под КК «Аполлон» подобно тому, как лунный модуль на РН «Сатурн-5». После выхода на орбиту происходила перестыковка, и КК с переходным стыковочным модулем окончательно отделялся от РН. В этом модуле могла создаваться атмосфера как одного, так и другого КК.

Чтобы ускорить и облегчить для советских и американских космонавтов переходный процесс от кислородно-азотной атмосферы (КК «Союз») к чисто кислородной (КК «Аполлон»), общее давление в КК «Союз-19» было понижено до 520 мм рт. ст. Таким путем удалось избежать длительного процесса десатурации – постепенного удаления азота, растворенного в крови, при переходе в кислородную атмосферу.

Совместимость радиосвязи обеспечивалась сравнительно просто: на каждом КК установили по приемопередатчику, имевшему требуемые характеристики (частоту и т. п.). Потребовалось, однако, провести большой объем испытаний, подтвердивших совместимость новых радиолиний, включая испытания летной аппаратуры на космодромах. После стыковки космонавты соединяли электрические разъемы межкорабельной проводной связи (эти разъемы размещались в переходном тоннеле АПАС). Проводная линия использовалась для телефонной связи, а также для передачи телевизионных сигналов и подключения другой аппаратуры, которая применялась при переходах космонавтов из одного КК в другой.

Чтобы соответствующая радиоаппаратура КК «Аполлон» могла проводить необходимые для сближения измерения относительной дальности и скорости, еще один приемопередатчик установили на КК «Союз-19».

Были согласованы и установлены на обоих КК основные и резервные мишени, которые использовались для окончательного выравнивания при стыковке, а также импульсные световые и навигационные огни. Схема размещения совместимых средств сближения и стыковки на КК «Союз-19» показана на рис. 12. Регламентировались также некоторые режимы и процедуры управления КК на конечном участке причаливания и после стыковки. Наряду с проблемами обеспечения совместимости технических систем было решено огромное количество организационных, методологических и даже психологических проблем.

Рис. 12. Совместимые средства сближения и стыковки на КК «Союз-19»: 1 – бытовой отсек, 2 – СА, 3 – приборно-агрегатный отсек, 4 – солнечные батареи, 5 – АПАС, 6 – антенны УКВ-приемопередатчика КК «Аполлон», 7 – антенны УКВ-приемопередатчика КК «Союз-19», 8 – импульсные световые маяки, 9 – стыковочная мишень, 10 – навигационные бортовые огни, 11 – УКВ-радиоаппаратура, 12 – солнечный датчик

При подготовке и осуществлении экспериментального» полета удалось увязать такие комплексные организационно-технические вопросы, как подготовка космонавтов, планирование и управление полетом. В этом полете было проведено в общей сложности 22 научных эксперимента. В целом программа ЭПАС показала реальность преодоления всех проблем технической и человеческой совместимости, какими бы неразрешимыми они ни представлялись вначале.

КК многоразового использования

Все описанные ранее КК обладали общей характерной особенностью: они и их РН использовались только для одного полета. Более того, мягкую посадку на Землю совершал лишь один отсек КК, в котором находился экипаж. Естественно, с самого начала космических полетов конструкторы стали задумываться над тем, как создать КК и, возможно, РН пригодными для многократного использования. Задача оказалась непростой, первый многоразовый КК вышел на орбиту только через 20 лет после полета Ю. А. Гагарина. Но дело не только в этом, и сейчас далеко не очевидно, соответствует ли достигнутый эффект вложенным затратам в широком смысле этого слова.

Следует также отметить, что до последнего времени пилотируемые полеты использовались в подавляющем большинстве случаев в мирных целях, в интересах науки и для решения прикладных задач. К сожалению, однако, обострение международной напряженности меняет эту ситуацию. Агрессивные силы США, в руках которых находятся власть и огромные средства в стране, все больше склоняют космические программы, в том числе пилотируемые, в сторону их милитаризации. Сказанное относится и к программе создания многоразового транспортного КК (МТКК) «Спейс Шаттл».

Работы по созданию МТКК начались в США в конце 60-х годов. Было рассмотрено несколько вариантов. В начале 70-х годов остановились на промежуточном варианте – с частичной многоразовостью, получившем название «Спейс Шаттл» («Космический челнок»). Общий вид МТКК, который имеет стартовую массу 2100 т, показан на рис. 13.

Рис. 13. Компоновка МТКК: 1 – орбитальный корабль, 2 – под весной топливный бак, 3 – твердотопливные ускорители

В качестве первой ступени РН (точнее, ускорителей) используются два твердотопливных ракетных блока тягой по 13 000 кН, которые после отделения приводняются на парашютах (однако к настоящему времени ни один из них повторно не использовался). Три основных, жидкостных реактивных двигателя тягой по 1670 кН установлены на самом МТКК. Топливо для этих двигателей (700 т жидкого кислорода и водорода) находится в подвесном баке. После того как топливо полностью расходуется, бак сбрасывается и тормозится; он входит в атмосферу, разрушается, а его остатки тонут в океане. МТКК «дотягивает» до орбитальной скорости при помощи своей двигательной установки МТКК, работающей на двухкомпонентном топливе (аэрозин-50 + четырехокись азота) и состоящей из двух двигателей тягой по 26,5 кН (эта установка также используется для маневрирования на орбите). Для ориентации МТКК на орбите имеется реактивная система управления из 44 двигателей тягой от 3,9 до 0,11 кН. Эти двигатели объединены в 3 блока (один носовой и два хвостовых), суммарная масса топлива, сжигаемая системой на орбите, до 15 т.

В кабине МТКК, имеющей внутренний объем 78 м ³, помещается экипаж (2–4 космонавта) и «пассажиры» (до 6 человек). В центральной части фюзеляжа находится грузовой отсек, в котором на орбиту доставляется полезный груз (до 30 т) и спускается груз с орбиты (до 15 т). Разгрузка и загрузка производится при открытых створках грузового отсека при помощи специального манипулятора общей длиной 15 м.

После выполнения программы полета МТКК сходит с орбиты и тормозится в атмосфере. Поскольку МТКК, относится к летательным аппаратам с аэродинамическим качеством (1,1–4,5), он способен при спуске совершать маневр в боковом направлении до 2000 км. На МТКК нет воздушно-реактивного двигателя для полета в атмосфере, поэтому он совершает посадку, в сущности, как планер, – на специальную полосу длиной около 5 км.

Практически вся поверхность МТКК покрыта слоем теплозащиты разного состава и толщины, в целом она весит около 9 т. Общая масса МТКК с полезной нагрузкой составляет примерно 111 т.

В состав МТКК входят все системы, обеспечивающие полет на активном участке, в космосе и при спуске, подобные системам одноразовых КК. Дополнительно в его состав включены технические средства, используемые при полете на заключительном участке приземления, аналогичные системам современных самолетов. МТКК снабжен средствами диагностики состояния многочисленных систем. Подобный технический комплекс, отличающийся многообразием внутренних связей и централизованностью управления, оказался чрезвычайно» сложным по структуре, программированию работ, отладке и профилактическому обслуживанию.

Разработка МТКК длилась более 10 лет, и сумма затрат оценивается некоторыми специалистами в 20 млрд. долл. с учетом всех дополнительных расходов на устранение многочисленных неполадок, возникших уже при эксплуатации.

Помимо многоразовости, существенными особенностями МТКК являются возможность возвращения ценного оборудования с орбиты на Землю, большая маневренность на орбите и особенно в атмосфере, выполнение профилактических и ремонтных работ на космических аппаратах непосредственно на орбите, посадка в условиях космодрома, а не в безбрежных просторах океана, в пустыне или полупустыне. Перспективным представляется создание на базе МТКК орбитальных комплексов по сборке под наблюдением и с участием человека крупногабаритных конструкций для строительства больших антенн, солнечных отражателей и т. п.

Учитывая универсальность, большие технические возможности и гибкость созданной системы, вполне вероятно, что в процессе использования МТКК выявятся дополнительные возможности, которые в настоящее время с трудом поддаются прогнозированию. С другой стороны, видны и недостатки, присущие уже сейчас осуществленному варианту многоразовой транспортной системы. Если рассматривать МТКК просто как средство доставки полезного груза на орбиту, то эта система нерациональна. Подобная РН, израсходовав такое же количество топлива, может вывести в космос в 3–4 раза более массивный груз. Напомним, что РН «Сатурн-5» (со стартовой массой 2900 т) выводила на околоземную орбиту космические аппараты массой 140 т. Или другой пример – орбитальная советская станция «Салют» массой около 20 т запускается в космос с помощью в несколько раз более легкой РН «Протон».

Следовательно, такая нерациональность должна по крайней мере компенсироваться другими факторами. Ряд из них, о которых шла речь раньше, очевиден. Но достаточно ли этого?

Таким образом, созданный МТКК в целом в настоящее время вряд ли поддается окончательной оценке. Аналогичная ситуация нередко возникает при разработке теории сложных физических явлений, в которых действуют много факторов, в том числе в противоположных направлениях. Только детальное и глубокое исследование и анализ результатов может дать определенный отрет на этот вопрос. В данном случае многое будет зависеть еще и от того, в каком направлении и какими темпами будет развиваться космическая техника в целом.

В принципе проработаны и в настоящее время рассматриваются несколько направлений создания или усовершенствования МТКК. В частности, изучаются варианты с возможностью повторного использования всех составных частей. К ним относится, например, разработанный в конце 60-х годов проект двухступенчатого «самолета», второй ступенью которого является МТКК, аналогичный созданному в США. Возможны варианты как двухступенчатого, так и одноступенчатого воздушно-космического самолета, стартующего горизонтально со взлетно-посадочной полосы.

Вторым направлением в создании МТКК является разработка одноступенчатой (или двухступенчатой) многоразовой РН, по форме напоминающей СА одноразового КК, но существенно большей массы и габаритов, с полезной нагрузкой, составляющей несколько сотен тонн. Наряду с «большими» КК внимание специалистов в последнее время привлекает идея создания легких крылатых МТКК, стартующих или на одноразовых РН, или: с самолетов-носителей. В последнем случае самолеты-носители становятся летающей «стартовой площадкой» для МТКК.

Транспортный КК «Союз Т»

С начала проектирования КК «Союз» прошло уже более 20 лет. Естественно, за это время техника в целом и космическая техника, в частности, как ее ведущая отрасль шагнули далеко вперед. На космических аппаратах стали широко применяться бортовые вычислительные машины, появились новые материалы и элементы, созданы усовершенствованные технические средства, бортовые и наземные системы, в производство внедрилась более прогрессивная технология.

С другой стороны, принципиальная схема и конфигурация КК «Союз» оказались удачными для многоцелевого корабля, в первую очередь как транспортного космического средства. Кроме того, для полета человека в космос целесообразно было сохранить РН, отработанную, надежную, создавшую целую эпоху в освоении космического пространства. Эти соображения легли в основу работы по модернизации КК, в результате которой» появился новый, более совершенный КК «Союз Т», первый полет которого («Союз Т-2») с космонавтами Ю. В. Малышевым и В. В. Аксеновым был выполнен 5–9 июня 1980 г.

Современный летательный аппарат – это прежде всего комплекс средств управления. Наряду с энерговооруженностью этот комплекс определяет возможности КК. Поэтому переработке в первую очередь подверглась система управления. В состав КК включили бортовую цифровую вычислительную машину. Ее введение коренным образом повлияло на многие принципы управления в целом, на управление и контроль отдельных систем КК, расширило его функциональные возможности.

Система управления движением стала более точной, гибкой в эксплуатации и надежной. Это было достигнуто прежде всего за счет того, что исключили гироскопическую платформу (систему так и стали называть – бесплатформенной). В результате стали более эффективными процессы ориентации, маневрирования и сближения в орбитальном полете и спуска на Землю.

Особенно наглядно преимущества новой системы управления движением КК проявляются на самом напряженном участке полета – при сближении с орбитальной космической станцией. Бортовая вычислительная машина не только координирует и управляет, помимо прочего, другими системами, она позволяет оптимизировать процесс (например, одни и те же маневры в принципе можно выполнять с использованием различных двигателей). Появилась возможность быстро, как это умеет делать только вычислительная машина, просчитывать несколько возможных вариантов и выбирать самый экономичный. При этом сохраняется возможность космонавту, контролирующему процесс, вмешиваться в этот процесс или полностью брать управление на себя.

Бортовая цифровая вычислительная машина координирует и контролирует работу других систем КК. Управление этими системами также может осуществляться в одном из режимов – автоматическом, ручном и дистанционном (с Земли), а также в комбинированном режиме. Причем бортовая вычислительная машина не только берет на себя рутинные функции, освобождает космонавтов от многих обязанностей, но и может «советоваться» с космонавтом, подсказывать ему более оптимальные решения.

Последнее осуществляется посредством так называемого дисплея, введенного в пульт КК, – электронного экрана, на котором высвечивается необходимая информация. Та появляется на дисплее в виде слов, цифр, графиков и изображений, передаваемых наружной телекамерой (например, изображение приближающейся орбитальной станции). «Картинка», высвечиваемая на экране, одновременно при помощи телевизионного радиоканала может передаваться на Землю и появляться на мониторах центра управления полетом. Все это значительно расширяет возможности управления КК.

Было модернизировано большинство бортовых систем КК. Так, на первых модификациях КК «Союз» реактивные системы управления работали на однокомпонентном топливе (перекись водорода), на КК «Союз Т» управляющие двигатели, размещенные на приборно-агрегатном отсеке, объединились по системе питания с основной сближающе-корректирующей двигательной установкой. Эта объединенная система, которая стала называться комбинированной, работает на более эффективном двухкомпонентном топливе.

Основной двигатель сближающе-корректирующей установки, также созданный вновь, установлен на карданном подвесе и может отклоняться при помощи рулевых приводов для стабилизации КК. В целом объединенная система позволяет более гибко использовать бортовые запасы топлива, особенно в нештатных ситуациях. Так, при отказе основного двигателя можно для схода с орбиты воспользоваться управляющими двигателями.

Повышена мощность и увеличены запасы и ресурс ряда систем и агрегатов: солнечной и буферной батарей системы электропитания, а также системы жизнеобеспечения (за счет введения дополнительных баллонов со сжатым кислородом и других усовершенствований), насосов и вентиляторов системы терморегулирования с бесколлекторными двигателями. Новая парашютная система, более мощные двигатели мягкой посадки увеличили комфорт и безопасность приземления. Модернизация твердотопливных двигателей и других элементов САС также повысила безопасность на случай возникновения различных аварийных ситуаций.

Значительной переработке подвергли комплекс радиосредств. Так, бортовые антенны системы командной радиолинии выполнили в виде антенной решетки и расположили их на концах солнечных батарей и корпусе КК. В результате всех модификаций повысилась эффективность передачи информации на борт КК (по командной радиолинии) и с борта (по телеметрической системе и телевизионному каналу).

В заключение отметим, что дальнейшие перспективы пилотируемой программы освоения космоса в первую очередь зависят от целей и задач этого освоения. В этом плане особое значение приобретает Заявлений Советского правительства по широкому кругу вопросов, реализация которых обеспечила бы предотвращение милитаризации космического пространства. Предложение СССР правительству США приступить к переговорам по этим вопросам вызывает самый широкий и позитивный отклик со стороны миролюбивых сил всех стран.