Проложил путь к звездам: как создавался гагаринский корабль «Восток»
Первый в мире пилотируемый космический корабль «Восток» строился в непростых условиях — помимо спешки и неопределенности ситуация осложнялась множеством технических ограничений. Тем не менее задача по его созданию была решена профессионально. Одним из самых сложных и кропотливых этапов стало проектирование — оно требовало детальной проработки конструкции корабля и всех жизненно важных для пилотируемого полета систем. С какими трудностями столкнулись советские инженеры и как они их решили — в разборе Pro Космос.
Корабль и спутник-разведчик в одном лице — ответ американскому Discoverer
Едва только концепция пилотируемого корабля обрела свои очертания, незамедлительно стартовало проектирование, причем с опережением графика. Уже в конце 1958 года ОКБ-1 приступило к созданию чертежей, одновременно направляя смежным предприятиям технические задания на разработку необходимых систем и агрегатов.
Однако проблема усугублялась параллельной разработкой автоматического спутника фоторазведки. Этот проект особой государственной важности, от которого напрямую зависела безопасность страны, вытягивал драгоценное время и силы из коллектива предприятия. В этой сложной ситуации руководство ОКБ-1 (ныне – РКК «Энергия», г. Королёв) нашло поистине элегантное решение: создать пилотируемый корабль и спутник-разведчик на единой платформе, унифицировав ракету-носитель и максимально используя общие элементы оборудования. Такое решение стало возможным благодаря близости задач: оба аппарата предназначались для работы на низкой орбите и должны были оснащаться системами возвращения — для спуска космонавта и доставки отснятых материалов.
Поскольку концепция лишь обозначала основные идеи и принципы работы пилотируемого корабля и спутника-разведчика, прежде всего, следовало придумать общую компоновку. Исходя из требований к размещению космонавта и необходимого оборудования, диаметр сферического спускаемого аппарата был определен в 2,4 метра.
Было предложено как минимум четыре варианта размещения приборного отсека. В итоге разработчики решили разместить последний снизу, под спускаемым аппаратом.
22 мая 1959 года было официально закреплено начало работы над созданием первого в мире пилотируемого космического корабля. В этот день было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР №569-264 «Об объекте "Восток"». Вероятно, это решение стало ответом на первые полеты американских экспериментальных возвращаемых спутников Discoverer (таково было кодовое название программы создания фоторазведчика CORONA, проводимой под эгидой ЦРУ).
Документ предписывал ОКБ-1 разработать экспериментальный вариант аппарата, который должен был стать прототипом автоматического фоторазведчика, а также спутника, способного доставить человека в космос.
А вот задача по осуществлению первых пилотируемых полетов была поставлена только 10 декабря 1959 года в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР №1388-618 «О развитии исследований по космическому пространству».
К апрелю 1960 года разработали эскизный проект автоматического аппарата 1К («Восток-1») для отработки конструкции и создания беспилотного спутника-разведчика 2К («Зенит-2») и пилотируемого корабля 3К («Восток-3»). Сроки запуска определили Постановлением ЦК КПСС №587-238 от 4 июня 1960 года. В августе 1960 года приняли решение о запуске штатного корабля 3КА с космонавтом до конца года. Темп работ был чрезвычайно высок, и в ходе разработки впервые в мире решались десятки сложнейших проблем.
Скафандр или защитный костюм
Космонавт вместе с рядом ключевых систем находился в сферическом спускаемом аппарате. Корпус аппарата, изготовленный из алюминиевых листов толщиной 3 мм, состоял из сегментов и долек, соединенных в единую сферу.
Для противодействия перегреву при входе в атмосферу использовалась абляционная теплозащита — асбестовая ткань, пропитанная бакелитовой смолой и обработанная в автоклаве. Из нее набирались кольца разного диаметра, складывающиеся в сферические сегменты, внутрь которых вставлялся спускаемый аппарат. Максимальная толщина охватывающего его «кокона» составляла 110 мм.
В верхнюю часть (выше «экватора») сферы врезали три люка с диаметром «в свету» 1 м каждый. Один, расположенный со стороны ног космонавта, предназначался для технологических целей. Через другой люк осуществлялась посадка космонавта в корабль перед стартом и катапультирование кресла с ним при возвращении на Землю. Третий люк служил для вытягивания из контейнера парашютной системы. Имелись три круглых иллюминатора — два были на крышках люков, технологического и посадочного.
Всю кабину изнутри покрывала декоративная поролоновая обшивка. В кабине поддерживалась атмосфера, аналогичная земной, с содержанием кислорода 20–25% и давлением 655–775 мм ртутного столба. Температура воздуха составляла 17–26 °C.
Для поддержания нормальных условий работы космонавта служили системы жизнеобеспечения и терморегулирования, разработанные в ОКБ-124 (впоследствии НПО «Наука», г. Москва) под руководством главного конструктора Григория Воронина и в СКБ-КДА (ныне завод «Респиратор», г. Орехово-Зуево) под руководством Павла Зимы.
Система жизнеобеспечения включала устройство для регенерации воздуха с вентилятором и картриджами надперекиси щелочных металлов, поглощающими углекислый газ и выделяющими кислород. Фильтры удаляли вредные примеси, а осушение воздуха происходило за счет охлаждения теплообменником, конденсирующаяся на нем влага поглощалась тканями. Терморегулирование осуществлялось через газожидкостный теплообменник, сбрасывающий тепло в космос, а резервная система охлаждения работала на испарении воды.
В спускаемом аппарате были предусмотрены запасы продовольствия, воды и емкости для сбора отходов на десять дней.
На протяжении всего полета пилот корабля должен был находиться в специальном скафандре. В сочетании с системой жизнеобеспечения скафандр страховал человека в различных аварийных ситуациях, таких как разгерметизация спускаемого аппарата на орбите, нарушение газового состава, катапультирование, попадание в воду (даже если при этом пилот находится в бессознательном состоянии). Скафандр, как и катапультное кресло, были созданы на заводе №918 (ныне НПП «Звезда» в поселке Томилино Московской области) под руководством Семена Алексеева.
Разработка скафандра для первого космического корабля шла сложно. К концу 1959 года был готов скафандр С-10 с системой автономного жизнеобеспечения на 14 часов. Однако специалисты ОКБ-1, включая главного проектанта корабля Константина Феоктистова, предложили использовать более легкий защитный костюм из-за малой вероятности разгерметизации кабины и большого веса скафандра.
До конца августа 1960 года завод №918 разработал защитный костюм В-3. Все это время медики и специалисты ОКБ-1 спорили о необходимости создания именно аварийного скафандра, а не защитного костюма. Окончательное решение принял Сергей Королёв. По слухам, он внимательно выслушал стороны и заявил, что может выделить дополнительно полтонны массы, но при условии, что космонавт будет работать в скафандре, а не в защитном костюме, и что скафандр будет готов в кратчайшие сроки — к концу 1960 года.
Инженеры завода №918 согласились создать СК-1 («Скафандр космонавта — первый») на основе изделий С-10 и В-3. Скафандр имел собственную систему вентиляции и кислородного питания, оболочку, разработанную на основе оболочек предыдущих авиационных изделий и шлем новой конструкции, который был неподвижным для повышения надёжности. Система автоматического закрытия смотрового стекла шлема позволяла быстро герметизировать скафандр при падении давления в кабине.
Спускаемый аппарат имел систему приземления с вытяжным, тормозным и основным парашютами. Купола вводились на разных высотах, снижая скорость до 10 м/с. Для повышение мягкости и безопасности посадки космонавт катапультировался из спускаемого аппарата в кресле и приземлялся на собственном парашюте. Основной парашют находился в контейнере на верхней части кресла, запасной — на спинке. При отказе основного автоматически раскрывался запасной. В нижней части кресла размещались аварийный запас и кислородный прибор.
Двигатель для «Востока»: поиски союзников, сжатые сроки и снижение массы
Аппаратура для орбитального полета, не требуемая при спуске в атмосфере, размещалась в приборном отсеке, не покрытом теплозащитой. Его корпус состоял из двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Конструкция из алюминиевых листов и шпангоутов заполнялась сухим азотом — в то время в стране не существовало приборов для работы в негерметичных условиях из-за невозможности конвективного охлаждения в вакууме и невесомости.
Система ориентации и управления движением состояла из нескольких подсистем. Навигационная подсистема включала датчики положения и направления полета: датчик Солнца, гироскопы и оптическое устройство «Взор». Сигналы поступали в управляющую часть, работающую автоматически или при участии космонавта.
Для управления космонавт использовал пульт и ручку ориентации. Исполнительными органами служили 16 газовых сопел на приборном отсеке, собранные в две автономные подсистемы и работающие на сжатом азоте. Они развивали тягу по 1,5 кгс.
Системы управления и электропитания корабля включали командно-логические и электрокоммутационные устройства, серебряно-цинковые аккумуляторы в приборном отсеке, автономную батарею в спускаемом аппарате и преобразователи тока. Связь шла в УКВ и КВ диапазонах, данные о состоянии космонавта уходили через передатчики системы «Сигнал». На борту имелся широковещательный радиоприемник.
Два комплекта приемных и дешифрующих устройств командной радиолинии, оснащенных блоками коммутации, позволяли кораблю принимать 63 команды с Земли для управления бортовыми системами. Информация о функционировании последних и данные для траекторных измерений отправлялась на Землю с помощью дублирующих радиотелеметрических комплектов.
С момента активации основных парашютов начинали работать пеленгационные КВ-передатчики. После приземления включались и УКВ- передатчики.
На «Востоке» не было бортового компьютера: циклограмму работы аппаратуры задавал программно-временной механизм. Космонавт контролировал работу основных бортовых систем, и по необходимости с пульта вручную выдавал команды на ориентацию, управлял радиотелефонной линией и работой газоанализатора, а также регулировал температуру в кабине.
Перед космонавтом имелась приборная доска с индикаторами, сигнализаторами и прибором «Глобус» — миниатюрной моделью земного шара, на которой отмечалось текущее положение корабля и можно было спрогнозировать место посадки. На пульте также были рукоятки управления и блок датчиков давления и температуры.
Создание тормозной двигательной установки, которая должна была снизить скорость на 100–140 м/сек и «столкнуть» корабль с орбиты, оказалось непростой задачей. От двигателя требовалась практически 100%-ная надежность, потому Сергей Королёв с самого начала предполагал использовать в качестве «космического тормоза» теоретически безотказный пороховой ракетный двигатель.
В 1959 году он обратился в НИИ-125 (ныне — НПО «Союз», город Люберцы, Московская область) под руководством Бориса Жукова. Задача, поставленная перед институтом, считалась очень почетной, ведь в «Большой космос» пускали не всех, и участие в кооперации Королёва было своеобразным «знаком качества». Однако до этого момента предприятие не имело опыта работы с «космическими изделиями».
Как создать двигатель? Как защитить его от воздействия космоса? Как запустить в вакууме? Эти вопросы казались неразрешимыми. Сроки создания тормозной двигательной установки срывались, и Королёв начал искать союзников среди специалистов по жидкостным двигателям.
Валентин Глушко (ОКБ-456, ныне НПО Энергомаш, г. Химки Московской области) сразу же отказался от предложения: это не его профиль, он занимался разработкой мощных двигателей с тягой более 10 тонн. Алексей Исаев (ОКБ-2, ныне КБ Химмаш, г. Королёв Московской области) также согласился не сразу, поскольку его предприятие было перегружено различными проектами в области боевой техники. Однако позже он загорелся идеей и согласился создать необходимый продукт за полтора года.
Долго обсуждали вес. В конце концов, согласно легенде, Алексей Михайлович, человек не худенького телосложения, заявил, что обязуется создать двигатель весом не больше, чем он сам. «Контрольное взвешивание» показало 105 кг!
Исаев выполнил заказ Королёва в срок и с заявленной массой. Тормозную двигательную установку ТДУ-1 расположили в специальной нише в задней части приборного отсека. Она состояла из однокамерного жидкостного двигателя с тягой 1600 кгс и системы подачи долгохранимого самовоспламеняющегося топлива.
В невесомости жидкие компоненты, находящиеся в торовых баках, отделялись от газа наддува (азота) в период хранения и запуска двигателя с помощью эластичных пластиковых разделителей. Стабилизация корабля при работе ТДУ-1 осуществлялась автоматически по сигналам от гироскопов с помощью рулевых сопел, через которые сбрасывался отработанный на турбине насосного агрегата газ.
Капсула, кресло-катапульта и сетка-батут: какой была система аварийного спасения
Разработка системы аварийного спасения шла тяжело. Узнав о планах американцев использовать специальный двигатель для увода корабля от ракеты-носителя при отказе последней, Сергей Королёв встретился с Иваном Картуковым (ОКБ-81, ныне МКБ «Искра», г. Москва) и попросил создать аналогичную установку. Картуков ответил, что это возможно, но не в установленные сроки: советские конструкторы не могли использовать решения из американского проекта Mercury из-за различий в технологиях, материалах и подходах к проектированию. Возможно, это стало причиной отказа Картукова.
Система аварийного спасения космонавта на корабле «Восток» была разработана с учетом принципов, применяемых в авиации, и включала различные компоненты корабля и ракеты-носителя.
Головной обтекатель, защищавший корабль от воздействия набегающего потока воздуха и сбрасывавшийся после 150 секунд полета, имел круглый вырез диаметром 1,8 м. Он располагался сбоку и предназначался для посадки космонавта в спускаемый аппарат. Через этот вырез космонавт катапультировался в случае возникновения аварийной ситуации на старте или в полете.
В процессе разработки концепция системы спасения дважды претерпела изменения. Первоначальный вариант предполагал, что в случае аварии на высоте 8 км (до 40-й секунды полета) космонавт должен был катапультироваться и приземлиться на парашюте.
Если авария происходила на 40–150-й секунде полета, то предусматривалось аварийное отключение двигателей ракеты. Ракета свободно падала до высоты 7 км, после чего космонавт катапультировался. В случае аварии после 150-й секунды полета, двигатели аварийно отключались по команде, спускаемый аппарат отделялся и приземлялся в штатном режиме.
Позже концепцию пересмотрели и решили, что при аварии на 150-й секунде полета и позже необходимо аварийно сбрасывать обтекатель и отделять спускаемый аппарат с последующим катапультированием космонавта.
Система аварийного спасения «Востока» создавалась совместно усилиями ОКБ-1 и завода №918 при активном участии Летно-исследовательского института (ЛИИ), расположенного в городе Жуковский Московской области.
В 1959 году ЛИИ предложил конструкцию индивидуальной капсулы, которая защищала бы космонавта от воздействия аэродинамических нагрузок при катапультировании. Работу довели до испытаний на самолетах экспериментального образца. Однако для уменьшения массы конструкции было решено оставить катапультное кресло с открытым (точнее, полузакрытым) верхом. Оно позволяло космонавту как приземляться после штатного полёта, так и спасаться в случае аварии ракеты-носителя на старте.
Кресло-катапульта оснащалось системой отстрела, включающей пиротолкатели и пороховые двигатели. Также в кресле имелась парашютная система для приземления, аварийный запас кислорода, а также средства обнаружения и носимый запас — на случай посадки в непредвиденном месте.
Толкатели придавали креслу с космонавтом скорость до 20 м/с за 0,1–0,2 секунды после выхода из спускаемого аппарата. Для безопасности в случае аварии на старте или в начале полета дополнительно активировались два пороховых ускорителя. Они разгоняли кресло до скорости 48 м/с и уводили космонавта от аварийной ракеты на расстояние более 150 м. После катапультирования кресло автоматически переходило в положение, необходимое для ввода парашютной системы.
Одним из ключевых моментов процесса спасения космонавта «Востока» было определение высоты катапультирования — в случае аварии на старте ее могло не хватить для раскрытия индивидуального парашюта. Для решения этой проблемы приняли специальные меры: вокруг стартового комплекса в зоне катапультирования была натянута огромная сетка-батут.
Если ситуация требовала спасения космонавта до старта ракеты или в первые секунды полета, то крышка люка спускаемого аппарата отстреливалась, и кресло катапультировалось. Даже если парашют не успевал раскрыться, космонавт в кресле падал на сетку-батут, откуда его предполагалось эвакуировать с помощью специальных механизмов.
В случае если аварийной ситуации на старте не возникало, катапультное кресло становилось основным рабочим местом космонавта на протяжении всего полета, а также выполняло некоторые функции системы мягкой посадки на участке приземления после схода с орбиты.
Когда спускаемый аппарат тормозился в плотных слоях атмосферы и снижался до высоты 7 км со скоростью 220 м/с, по команде автоматической системы приземления механизм закрывал остекление шлема скафандра, подтягивал плечевые ремни и включал кислородный прибор. Затем крышка входного люка отстреливалась, и через две секунды происходило катапультирование.
После выхода кресла из спускаемого аппарата вводился тормозной парашют. Через три секунды он отделялся, и вводился основной парашют. Это происходило на высоте 4 км и при скорости 70 м/сек.
Затем космонавт отделялся от кресла вместе со спинкой, запасным парашютом и носимым аварийным запасом. Спустя 10 секунд после сброса кресла отделялся и носимый аварийный запас, который повисал на фале длиной 15 м. Скорость приземления космонавта на основном куполе составляла 6 м/сек, что было допустимо для касания твердой поверхности, когда ноги парашютиста, слегка согнутые в коленях, гасили энергию удара.
Задал высокую планку
Создание «Востока» стало отправной точкой не только для ОКБ-1, но и для всех предприятий-смежников: после тщательной проверки и испытаний в паспорте всех систем, компонентов и узлов корабля появился штамп «Годен для 3КА», что означало пригодность для пилотируемых космических кораблей.
Спустя годы, когда «Востоки» уже давно покинули орбиту, это клеймо продолжало служить свидетельством высочайшего качества продукции ракетно-космической отрасли, напоминая о первых кораблях и полетах.
Разработка проекта автоматического спутника-разведчика «Зенит-2» с фотооборудованием была завершена в июле 1961 года. На борту спутника также была установлена специальная разведывательная радиоаппаратура. Полученные данные передавались через закрытый радиоканал на средства наземного комплекса управления. После завершения полета фотокамеры с пленкой доставлялись на Землю в спускаемом аппарате. В процессе разработки «Зенита-2» был создан ряд инновационных систем.
Первые корабли для пилотируемых полетов разрабатывались в условиях спешки, неопределенности и множества технических ограничений. Однако специалисты быстро (и, как позднее выяснилось, правильно) разобрались в основных аспектах. Задача создания первого в мире космического корабля «Восток» была решена профессионально, и он вошел в историю техники как результат выдающегося инженерного мышления.
Впоследствии были проведены знаменитые исторические полеты человека на Луну, впечатляющие запуски и возвращения на Землю многоразовых крылатых кораблей, но именно «Восток» проложил путь человека к звездам.
Самое популярное
