Как «Восток» переделали для первого выхода человека в открытый космос
Полеты первых советских космонавтов подтвердили высокую надежность и перспективность кораблей «Восток». В 1963 году началась постройка дополнительных аппаратов этого типа и обсуждался вопрос о дозаказе. Для расширения возможностей новой партии было рассмотрено несколько изменений конструкции, включая мягкую посадку и выход человека в открытый космос. Впоследствии эти работы были переориентированы на создание многоместных кораблей, решающих более широкие задачи, чем первые аппараты для полета человека в космос.
Посадка в корабле
Если на первых «Востоках» единственный космонавт покидал спускаемый аппарат с помощью катапультирования и приземлялся самостоятельно, то при экипаже из двух-трёх человек использование катапультных кресел стало невозможным как по соображениям веса, так и из-за требований безопасности и компоновки. Поэтому было решено существенно изменить схему приземления — осуществлять посадку экипажа в корабле, сохранив принцип работы парашютной системы «Востока». Однако скорость снижения спускаемого аппарата под парашютом достаточно высока, и опасные ударные перегрузки (до 70–120 единиц), возникающие при касании твёрдого грунта, были чреваты тяжёлыми травмами членов экипажа.
Для снижения перегрузок были использованы вновь разработанные кресла «Эльбрус» с индивидуальными вкладышами-ложементами (изготовленными по гипсовому слепку спины каждого космонавта) и механическими амортизаторами.
Каждое кресло устанавливалось на двух амортизаторах, подвешенных внутри корпуса кабины на шарнирах, и имело привязную систему, фиксирующую космонавта при перегрузках в направлении «грудь-спина» при спуске в атмосфере, при посадке и перекатывании аппарата. Амортизация снижала ударные перегрузки до 20–30 единиц, что считалось допустимым при времени действия в течение примерно 0,05 с.
«Эльбрусы» не полностью снимали ударные перегрузки, поэтому для мягкой посадки применили парашютно-реактивную систему. Технология, предлагавшаяся для «Востоков», была усовершенствована: два парашюта от «Востока» при одновременном раскрытии давали скорость падения 5 м/с. Оставшуюся скорость гасил пороховой двигатель: он срабатывал при касании грунта и снижал перегрузки до 15 единиц.
Важно подчеркнуть, что из-за ограниченности пространства кабины при переходе от одноместного к многоместному кораблю специалисты из ОКБ-1, возглавляемого Сергеем Королёвым, решили не использовать скафандры в качестве средства спасения при разгерметизации кабины. Аргументы противников не были приняты во внимание, тем более что разработчики ссылались на успешный опыт полётов первых кораблей-спутников и «Востоков», где разгерметизации спускаемых аппаратов не случилось.
Выход в открытый космос
Корабли, созданные на основе «Востока», получили название «Восход». В октябре 1964 года на таком корабле отправились в полёт три космонавта, а в марте 1965 года — два, один из которых вышел в открытый космос.
Двухместный «Восход» создавался на основе трёхместного и был рассчитан на суточный или двух-трёхсуточный орбитальный полёт.
Экипаж из командира и второго лётчика-космонавта всё время находился в скафандрах нового — выходного — типа. На орбите второй космонавт совершал выход в открытый космос. В отличие от американского «Джемини», с которым соревновались советские корабли, для "Восхода" был принят метод шлюзования через специальную камеру — фактически дополнительный отсек.
По замыслу советских разработчиков, наличие шлюза повышало безопасность (не требовалось разгерметизировать спускаемый аппарат и заставлять работать в вакууме бортовые системы, не предназначенные для этого), хотя шлюз утяжелял корабль и усложнял процесс выхода в космос.
Шлюзовая камера была важнейшим элементом «выходного» корабля. К её разработке был привлечён коллектив завода № 918 Минавиапрома под руководством Семёна Алексеева (до января 1964 года), а затем Гая Северина. К этому времени предприятие уже имело опыт создания аварийно-спасательных скафандров, катапультных и амортизационных кресел (в том числе типа «Эльбрус»), вело экспериментальные работы в области перспективных изделий для длительных космических полётов и разрабатывало концепции и отдельные агрегаты систем обеспечения жизнедеятельности регенерационного типа.
Семён Алексеев вспоминал, что в середине 1963 года Сергей Королёв предложил приделать к спускаемому аппарату «Востока» шлюз для выхода в открытый космос, который затем сбрасывался. Алексеев предложил выполнить шлюз по типу раздвижного походного стаканчика из телескопических секций, но конструкция показалась сложной и тяжёлой.
Специалисты завода № 918 и ОКБ-1 совместно выбрали схему шлюзовой камеры с мягкой надувной оболочкой. Она позволяла использовать существующие конструкции корабля и обтекателя ракеты-носителя с небольшими доработками.
Предложение было принято на совещании в ОКБ-1 в апреле 1964 года, а техническое задание утверждено 12 июня (по другим данным — 9 июня) 1964 года. Шлюзовая камера, получившая название «Волга», имела массу 2500 кг, наружный диаметр 1,2 м, внутренний — 1,0 м, длину в сложенном виде 0,7 м, в открытом — 2,5 м, и диаметр выходного люка 0,7 м.
Она состояла из жёстких нижней и верхней частей и мягкой середины с силовым набором из двух прорезиненных оболочек и сорока надувных цилиндрических внешних элементов-аэробалок, сгруппированных в три независимые секции. В сдутом состоянии камера фиксировалась пиротехническими замками и крепилась к внешней поверхности спускаемого аппарата на технологическом люке № 3. Снаружи размещались баллоны со сжатым воздухом для наддува аэробалок и внутренней полости шлюза, баллоны с кислородом для системы жизнеобеспечения, а также герметичная крышка люка с электроприводом и кронштейн с кинокамерой для наружной съёмки. Для облегчения выхода космонавта в открытый космос и возвращения в корабль на верхней части шлюза крепился обтекатель-воронка с кольцевым поручнем.
Внутри шлюза установили две кинокамеры для съёмки входа и выхода космонавта, осветители, пульт и агрегаты системы шлюзования. Для обеспечения теплового режима шлюз снаружи покрывался экранно-вакуумной теплоизоляцией.
В крышке технологического люка № 3 спускаемого аппарата сделали люк-лаз диаметром 654 мм для перехода космонавта в шлюзовую камеру. В крышку люка-лаза встроили иллюминатор с прибором визуальной ориентации «Взор». Люк-лаз и выходной люк шлюза имели механизмы дистанционного открытия с электроприводом и ручным штурвалом на случай отказа электропривода.
Люк-лаз кабины надежно герметизировался эксцентриковыми замками, а сигнальные датчики контролировали его положение и работу механизма открытия с пульта пилота и по телеметрическому тракту.
8 июля 1964 года комиссия Президиума Совета министров СССР утвердила план-график доработки и поставки комплектующих изделий для "выходного" корабля. В 1964–1965 годах было изготовлено семь комплектов шлюзовой камеры «Волга».
Забегая вперед: два комплекта шлюзов были использованы при беспилотном и пилотируемом полётах корабля («Космос-57» и «Восход-2»), остальные применялись при наземных испытаниях и в качестве запасных. Сейчас по одной «Волге» есть в музеях НПП «Звезда» и РКК «Энергия», в Мемориальном музее космонавтики в Москве, в частном музее фонда Тесса в Денвере (США) и в одной из частных коллекций за рубежом.
"Выходные" скафандры
Экипаж "Восхода" должен был работать в скафандрах «Беркут», разработку которых завод № 918 начал одновременно со шлюзом по техзаданию ОКБ-1. Скафандр проектировался как единое изделие для выхода в открытый космос и аварийного спасения на случай разгерметизации кабины.
Впервые использовались две гермооболочки — основная и резервная. Из-за плотного графика создания скафандра применили незамкнутую схему: сжатый кислород из баллонов через редуктор поступал в шлем, охлаждал тело, удалял углекислый газ и тепло и выбрасывался через регулятор давления. На остальных участках полета скафандр подключался к штатной системе жизнеобеспечения корабля, используя ранее отработанные агрегаты «Востока».
Во время выхода в открытый космос скафандр «Беркут» поддерживал относительно высокое избыточное давление на уровне 0,35–0,4 атм. Это было необходимо, с одной стороны, для ускорения процесса десатурации (выведения азота из крови человека при дыхании чистым кислородом при давлении, близком к нормальному), а с другой — для обеспечения нормальной подвижности и жизнедеятельности космонавта.
Если не провести десатурацию, то возникает «кессонная болезнь»: азот, растворённый в крови, при понижении давления может «закипеть» в сосудах. Образующиеся пузырьки будут давить на нервные окончания, вызывая боль, а в худшем случае могут закупорить кровоток в сердце и мозге, образовав воздушный тромб.
В случае необходимости для улучшения подвижности давление в скафандре можно было временно снизить до 0,2–0,27 атм. Парциальное давление кислорода в шлеме поддерживалось на уровне не ниже 160 мм ртутного столба.
Вес скафандра составлял 20 килограммов. Оболочка имела четыре слоя: силовой — из прочной капроновой ткани, два герметичных — из листовой резины, подкладка — из капрона. Для защиты от солнечного излучения, космического холода и микрометеороидов поверх «Беркута» надевалась специальная верхняя оболочка с многослойной экранно-вакуумной теплоизоляцией.
Шлем (созданный на базе авиационного гермошлема ΓШ-8) имел компактную металлическую каску и сдвижной иллюминатор с двойным остеклением из органического стекла. Внутри шлема размещался светофильтр в виде полумаски, опускаемой на лицо с помощью поворотной ручки. При длительном пребывании в корабле шлем снимался со скафандра.
В корабле подскафандровое пространство вентилировалось двумя вентиляторами. При выходе в шлюз кислород поступал из баллонов с запасом на 80 минут, а в открытом космосе — из ранца с тремя баллонами (запас примерно на 25 минут). Перед выходом космонавт надевал ранец весом 25 кг, крепил его к скафандру с помощью подвесной системы и включал подачу кислорода дистанционно. Расход газа был рассчитан на наддув скафандра, кислородное питание, вентиляцию и удаление углекислого газа.
Предусматривалось три режима подачи: штатный, для шлюзования и аварийный. Последний включался автоматически при падении давления в скафандре ниже 0,24 атм. Кислородное питание дублировалось по шлангу от запаса газа в шлюзе. Эксперименты показали, что человек не теряет работоспособность даже при отсутствии теплоотвода через скафандр в течение часа.
Операции при выходе
На орбите перед выходом в открытый космос «Волга» приводилась в рабочее состояние: расчековывался шлюз, открывались клапаны наддува аэробалок, камера развертывалась до цилиндрической формы. Командир корабля контролировал процесс по трехстрелочным индикаторам пульта и телеметрии.
Все операции по приведению «Волги» в рабочее состояние, открытию и закрытию люков, выходу в космос, стравливанию давления и отстрелу шлюза требовали строгой последовательности. Пульты спускаемого аппарата и шлюза, входившие в состав системы отображения информации, создало Специализированное опытно-конструкторское бюро Лётно-исследовательского института (СОКБ ЛИИ) под руководством Сергея Даревского. Схему и логику управления шлюзованием разрабатывало ОКБ-1 с участием завода № 918. Команды дублировались с Земли по радиолинии.
По воспоминаниям одного из создателей пультов Юрия Тяпченко, разработка систем отображения информации велась параллельно с проектированием корабля и шлюза, что привело к стрессовым ситуациям: «Блок логики никак не хотел размещаться в заданных габаритах. Крышка изготовленного пульта никак не закрывалась». В СОКБ ЛИИ успешно справились с этой проблемой.
Люк-лаз открывался внутрь кабины в сторону парашютного контейнера, из-за чего экипаж "выходного" "Восхода" пришлось сократить до двух человек.
В отличие от трехместного корабля, для удобства работы космонавтов в двухместном амортизационные кресла опустили на 180 мм. В верхнее положение они переводились пневматически, от автоматики парашютной системы перед приземлением.
Для открытия люка-лаза необходимо было выровнять давление в спускаемом аппарате и шлюзе. Открывались клапаны наддува, воздух поступал в «Волгу». Давление контролировалось приборами на пульте кабины и шлюза, и, когда оно выравнивалось, открывался перепускной клапан спускаемого аппарата, и космонавт мог открыть люк-лаз и перейти в шлюз.
Последовательность операций по выходу в открытый космос была такова: второй космонавт освобождался от привязной системы кресла, надевал наспинный ранец автономного питания и вместе с командиром корабля проверял его и скафандр. После выравнивания давления в шлюзе и спускаемом аппарате командир открывал люк-лаз, второй космонавт заходил в шлюз, предварительно подсоединившись к кислородной системе и страховочному фалу, включавшему амортизатор, стальной трос, шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода для связи с командиром и передачи данных медицинских и технических измерений на борт корабля. После повторной проверки ранца и скафандра люк-лаз закрывался.
Для открытия выходного люка давление в шлюзовой камере нужно было выровнять с вакуумом, сбросив его открытием клапана. После проверки давления люк открывали, и космонавт выходил в открытый космос.
В скафандре над планетой
Первый выход планировали осуществить над территорией СССР для прямой телевизионной трансляции. Командир должен был ориентировать корабль для нужного освещения Солнцем, а второй космонавт — выплывать из шлюза, выполнять манёвры (отходы на пять метров, подходы, манипуляции со страховочным фалом), вести наблюдения и киносъёмку, и передавать результаты работы голосом командиру и на Землю.
Телекамеры системы «Топаз-25» передавали изображения на видеоконтрольное устройство в кабине и наземные приёмные пункты. Прохождение через шлюз и перемещения в космосе снимались кинокамерами, расположенными внутри и снаружи «Волги». При возвращении космонавт демонтировал камеры с пленкой и переносил их внутрь корабля.
Командир корабля по индикаторам на пульте в кабине контролировал работу систем шлюзования и состояние вышедшего в космос космонавта (пульс, частоту дыхания, давление в скафандре, в шлюзе, ранце, системах вентиляции и кислородного питания). Второй космонавт имел дублирующий пульт внутри шлюза, на который управление передавалось в случае необходимости.
Второй лётчик-космонавт, возвращаясь из открытого космоса, действовал в обратном порядке: закрывал люк и клапан шлюзовой камеры, наддувал шлюз до давления кабины, открывал люк спускаемого аппарата и возвращался в кабину. Затем люк и клапан спускаемого аппарата закрывались, клапан шлюза открывался для сброса давления. Проверялась герметичность спускаемого аппарата по снижению давления.
Шлюз отстреливался по штатной (через пирозамки) или аварийной (путем обрезания пирошнуром) схемам. При аварийной схеме на люке оставалось металлическое кольцо большей высоты, что могло привести к закрутке спускаемого аппарата при спуске. Обе схемы в полете были проверены на аппаратах «Космос-57» и «Космос-59».
Изменения в кабине
Амортизированные кресла экипажа "Восхода" были доработаны, так как космонавты проводили весь полёт в скафандрах. Под последние дорабатывались агрегаты системы обеспечения жизнедеятельности, появились новые подсистемы для вентидяции скафандров и выхода в космос (автономная система кислородного питания — ранец — для выходящего космонавта).
Основная часть агрегатов системы обеспечения жизнедеятельности находилась в двух блоках, слева и справа от кресел в спускаемом аппарате. Запас газа был рассчитан на три часа работы в аварийной ситуации. На приборном отсеке стояли дополнительные баллоны системы вентиляции скафандров и наддува спускаемого аппарата.
В случае необходимости командир мог оказать помощь космонавту, выходящему в открытый космос, на короткое время разгерметизировав корабль.
Когда давление в спускаемом аппарате падало до 430 мм рт. ст., автоматически включалась аварийная система вентиляции с подачей кислорода из баллонов приборного отсека. Когда давление восстанавливалось, система переключалась обратно на штатную вентиляцию.
В случае аварии бортовых систем вентиляции и кислородного питания космонавты могли совершить посадку в разгерметизированном спускаемом аппарате. В этом случае экипаж обеспечивался кислородом из кислородного вентиляционного устройства спускаемого аппарата, которое активировалось при разделении отсеков корабля. Этого кислорода хватало на 40 минут, поскольку баллистический спуск длился не более 25 минут. Перед посадкой излишки кислорода выпускались за борт.
Остальная аппаратура и оборудование двух вариантов кораблей "Восход" были аналогичны: схема посадки сохранялась такой же, равно как и схема спасения экипажа при аварийных ситуациях на участке выведения, за тем исключением, что на двухместном корабле вместе со сбросом головного обтекателя производился ещё и отстрел шлюзовой камеры — по основной или по аварийной схеме.
