Первые жестянки в космосе или КА "Восток-1" и КА "Mercury"⁠⁠

В продолжение http://pikabu.ru/story/stupeni_raket__nositeley_ili_o_sosisk...

и http://pikabu.ru/story/o_stupenyakh_raket_2_4365301

Космический корабль (КК) в сегодняшних реалиях – это аппарат для доставки людей и грузов на международную космическую станцию (МКС) и только. Других эксплуатируемых программ увы нет.

Как бы не пытались вскарабкаться на финансовую гору media group c проектом «Mars one» и SpaceX c проектом полета Red Dragon на Марс – это все только проекты, которые тянутся и тянутся вдаль технических терний и финансовых болот. Пока что люди летают строго к МКС и обратно. Я бы, конечно, был только рад, если бы эти проекты вышли в жизнь, но сегодня трёп немного о другом.

Эпоха «космической гонки», страх перед ядерным оружием космического базирования, паранойя космической слежки. Все это несколько холодные и не приятные слова, но именно «космическая гонка» (кстати, а за чем именно гнались?), как катализатор позволила ученым, инженерам, монтёрам подарить миру и первый полет в космос, и высадку на Луну, и вклад в мировую науку.

Космические корабли первого поколения «Восток-1» и «Меркурий» 

Это интересный пример разного подхода людей к решению одной и той же задачи, а именно – запихать человека в космос, как можно быстрее и не получить по шапке от руководства в случае неудачи.

В тот момент страны – соперницы (СССР и США), а именно умы этих стран не знали, что именно ждет человека в космосе и с чем ему придется столкнуться.

Да, было известно об невесомости, но что будет с человеком при длительном пребывании в ней - нет

Медицинский персонал уверенно выдвигал выводы, что в невесомости будет невозможно дышать, пить, соображать (пугали сумасшествием или потерей сознания). В тот период уже знали об космических частицах высокой энергии и эти знания наводили на мысли о радиационном поражении тканей человека.

И в целях разумной безопасности первые корабли были рассчитаны на недлительное пребывание в космическом пространстве.

КК «Восток-1», тот самый корабль, а правильнее было бы написать – космический аппарат (КА), на котором 12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый в мире полет в космос на околоземную орбиту.

«Восток» - это наименование целой серии КК, которые предназначались для пилотируемых полётов на околоземной орбите.

1 Антенна системы командных радиолиний.

2 Антенна связи.

3 Кожух электроразъемов

4 Входной люк.

5 Контейнер с пищей.

6 Стяжные ленты.

7 Ленточные антенны.

8 Тормозной двигатель.

9 Антенны связи.

10 Служебные люки.

11 Приборный отсек с основными системами.

12 Проводка зажигания.

13 Баллоны пневмосистмы (16 шт.) для системы жизнеобеспечения.

14 Катапультируемое кресло.

15 Радиоантенна.

16 Иллюминатор с оптическим ориентиром.

17 Технологический люк.

18 Телевизионная камера.

19 Теплозащита из абляционного материала.

20 Блок электронной аппаратуры.

Создание этих аппаратов началось с 1958 года под непосредственным (задача ответственная) руководством генерального конструктора опытно-конструкторского бюро (ОКБ 1) Сергея Павловича Королева.

За 108 минут «Восток-1» совершил один виток вокруг Земли и выполнил баллистическую (об этом чуть позже) посадку в районе деревни Смеловка, Терновского района, Саратовской области (Энгельсский район).

Полет первого космического корабля «Восток-1» проходил в полностью автоматическом режиме. Никто не мог дать гарантии, что в условиях невесомости космонавт сохранит работоспособность и вменяемость. На «самый крайний» случай перед самым стартом был передан в конверте особый код, который позволял активизировать ручное управление корабля. Подразумевалось, что активировать код на кодирующем устройстве активации ручной ориентации корабля сможет только вменяемый человек. Имеется не проверенная информация, что это был лишь психологический ход, а управление аппаратом вручную не предусматривалось изначально.

Также в сети гуляет информация, что на случай приземления аппарата на территории другого государства, капсула спускаемого аппарата была заминирована. Подрыв капсулы должен был осуществиться дистанционно, а при потере связи – сработать автоматически через 62 часа после вхождения в плотные слои атмосферы. Лично я этому плохо верю.

Во-первых, подорвать капсулу дистанционно с территории СССР, если она находится на территории (допустим) США на тот момент было просто технически невозможно.

Во-вторых, подрыв капсулы по таймеру – это тоже несколько нелепо, что если капсула падает на территорию СССР, пилот гибнет, а найти место приземления не удается в течении 62 часов? Подрыв и до свидания всем трудам? Отпишитесь на этот счет, если у вас есть информация или мысли, будет интересно порассуждать.

Перед запуском было подготовлено три сообщения (две речи от лица Гагарина и одна от ТАСС) для информационного агентства ТАСС – на случай возникновения нештатной ситуации на борту или, что не исключалось, приземления вне территории СССР.

Речь номер один – полный успех.

Речь номер два – на случай вынужденной посадки на зарубежной территории.

Речь номер три – на случай катастрофы.

В принципе этот прием практиковался не только в СССР, в программе США «Аполлон» также была заготовлена «запасная» речь в случае, если астронавты не смогут вернуться на «Аполлон» и лететь к Земле.

После того, как аппарат «Восток – 1» вышел на околоземную орбиту и были получены данные о высоте, склонении, периоде орбитального движения, кремль дал команду в ТАСС, о чтении речи номер один.

На землю Юрий Алексеевич Гагарин приземлился не в спускаемой капсуле, а на парашюте, катапультировавшись на высоте порядка семи километров.

Изначально именно такая схема посадки и разрабатывалась, поскольку Королев сомневался, что человек способен перенести удар спускаемого аппарата об Землю, тем более, что спуск капсулы был не управляемый, а баллистический. Но согласно международному соглашению для того, чтобы пилот поставил высотный рекорд, ему нужно от старта и до посадки оставаться в летательном аппарате.

Ввиду этого Гагарин был готов остаться в капсуле до самого приземления.

Собственно, это и послужило почвой для США оспорить сам факт покорения советским пилотом космоса, но впоследствии все же признали первенство СССР в полете человека на околоземную орбиту.

Катапультироваться пришлось Юрию Алексеевичу из-за отказа пиротехнических болтов, которые не отделили приборно – агрегатный отсек (ПАО) от спускаемого аппарата (СА) и аппарат в плотных слоях атмосферы начало сильно раскачивать.

Расписывать все нештатные ситуации, думаю, я не стану, пост и так большим получается. Об этом можно будет «поговорить» в комментариях отдельно или выложить отдельным постом.

США для полета человека в космическое пространство осуществило три программы: «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» и программу полетов космических шаттлов.

Первым этапом полета человека на пилотируемых (особое внимание к «ПИЛАТИРУЕМЫХ») космических кораблях была программа «Меркурий». Цель ее сводилась к тому, чтобы изучить возможности полета человека в космос. Хотя в реалии стоит понимать, что в глобальном масштабе интересов страны – это все еще гонка и попытка «перепрыгнуть» СССР.

Капсула «Меркурий» представляет собой усеченный конус высотой 290 сантиметров и диаметром у основания 183 сантиметра. Вес—от 1,35 до 2 тонн. Общая длина капсулы с аварийным устройством 7,8 метра.

1 Аэродинамическая игла

2 Система аварийного спасения (САС).

3 Инфракрасные датчики горизонта.

4 Аэродинамический обтекатель.

5 Двигатели рыскания.

6 Основной и резервный щелевые парашюты.

7 Перископ.

8 Герметичная кабина с двойными стенками.

9 Приборные панели.

10 Трехосная система ориентации

11 Двигатели крена.

12 Приспосабливаемое по фигуре астронавта кресло и ограничители.

13 Абляционный защитный экран.

14 Штанги, удерживающие тормозную установку.

15 Двигатели отделения.

16 Тормозные двигатели.

17 Бак с перекисью водорода.

18 Блок управления САС.

19 Внешняя обшивка.

20 Титановый стрингер закрытого сечения.

21 Двигатели тангажа.

22 Баллоны с перекисью водорода.

23 Конический ленточный вытяжной парашют диаметром 1,8 м.

24 Двигатели отделения САС.

В начале 1959 г. в США начался отбор астронавтов для полета на одноместных пилотируемых кораблях «Меркурий». В апреле этого же года стали известны имена астронавтов, которые в ближайшие 2—3 года должны были совершить полет в кабине этого корабля. Это были — Вирджил Гриссом, Гордон Купер, Джон Гленн, Малькольм Карпентер, Уолтер Ширра, Алан Шепард, Дональд Слейтон.

С сентября 1959 по май 1961 г. на баллистические траектории в экспериментальных целях было выведено несколько капсул без человека. Через 25 дней после первого в мире орбитального полета в космос Гагарина Юрия Алексеевича, 5 мая 1961 года в США состоялся запуск по баллистической траектории капсулы «Меркурий» с астронавтом Аланом Шепардом.

Капсула с астронавтом поднялась на высоту 186,4 километра. Через 15 минут Алан Шепард опустился в воды Атлантического океана.

На КК серии «Меркурий» использовалась идея посадки на воду. Вода смягчала удар, а большой флот США не испытывал трудностей с поиском капсулы в океане.

При возвращении на Землю спускаемого аппарата сначала раскрывался вытяжной парашют. Основной тормозной парашют открывался в зарифованном состоянии, а затем наполнялся полностью. Развертывался надувной мешок для приводнения. Для этого отделялся теплозащитный экран, который сбрасывался вниз на 1,2 м, вытягивая перфорированную юбку из прорезиненного стекловолокна. Эта воздушная подушка оказывала амортизирующее действие, смягчая удар о воду.

Немедленно после приводнения автоматически отсоединялся основной парашют, и спускаемый аппарат имел достаточную устойчивость, чтобы сохранять вертикальное положение в воде. Астронавт находился внутри спускаемого аппарата, ожидая корабль-спасатель или вертолет

Дальность полета капсулы составила 486 километров. Вес капсулы с астронавтом составил 1832,51 килограмма. Американский астронавт установил мировые рекорды продолжительности, дальности и высоты в классе не орбитальных полетов.

29 ноября 1961 года на орбиту была выведена капсула «МА-5» («Меркурий—Атлас») с обезьяной на борту. Через 3 часа 21 минуту после старта капсула с обезьяной приводнилась в 800 километрах юго-восточнее Бермудских островов.

20 февраля 1962 года в 17 часов 47 минут 39 секунд с мыса Канаверал был дан старт космическому кораблю серии «Меркурий» - «Френдшип-7».

На борту корабля находился подполковник ВВС США Джон Гленн. Через 5 минут после старта корабль был выведен на орбиту вокруг Земли с максимальной высотой полета 256 километров. Это был первый американский пилотируемый полет космического корабля. Он состоялся через 10 месяцев и 8 дней после полета в космос Юрия Алексеевича Гагарина и через 6 месяцев и 14 дней после суточного пребывания в космическом пространстве советского космонавта Титова Германа Степановича.

Целью полета была проверка всех систем корабля, проведение ориентации с помощью ручного управления, работа астронавта в условиях невесомости, определение состояния радиосвязи по каналам «Космос—Земля» и «Земля—Космос».

Полет продолжался 4 часа 56 минут 23 секунды. За это время астронавт Джон Гленн три раза облетел Землю и прошел расстояние, равное 121 795 километрам.

Все запланированные программой полета эксперименты астронавт выполнил. После благополучного возвращения с орбиты, в его адрес 21 февраля 1962 года Гагарин и Титов направили поздравительные телеграммы.

Ну а теперь к начинке.

На геометрическую конструкцию космического корабля в большей степени повлияла грузоподъемность ракеты-носителя.

И двухступенчатая «Р-7», и «Атлас» могли вывести на низкую околоземную орбиту примерно 1300 кг. Но для «семерки» успели отработать в лунных пусках 1959 года третью ступень - блок «Е», повысив грузоподъемность трехступенчатой ракеты до 4,5 тонн.

А вот США всё никак не могли отработать базовый двухступенчатый «Атлас», и первый вариант «Атлас-Аджена» полетел только в начале 1960 года.

«Восток» на этапе выведения находился под сбрасываемым головным обтекателем. Поэтому конструкция аппарата не требовала к себе аэродинамической формы, а также позволяла размещать всю периферию, от антенн до жалюзи терморегуляции.

А особенности конструкции блока «Е» определили характерный конический «хвост» корабля.

«Меркурий» же не мог позволить себе тащить на орбиту тяжелый обтекатель. Поэтому корабль имел аэродинамическую коническую форму, и все чувствительные элементы типа перископа, антенн связи «сворачивались в корпус».

Ввиду того, спуск капсулы аппарата «Восток» был баллистическим, конструкторы ОКБ приняли в процесс форму капсулы в виде сферы, шара. Смещение центра тяжести капсулы «перед пилотом» обеспечивало самостоятельную ориентацию капсулы в правильное положение при вхождении в плотные слои атмосферы без стороннего управления.

Принимая во внимание тот факт, что на первых этапах спуска капсула может вращаться в атмосфере, теплозащитное покрытие наносили на всю поверхность спускаемого аппарата.

Небольшое отступление по методам спуска КА с орбиты:

Спуск КК с орбиты на землю условно делится на три этапа:

Сход с орбиты (тормозной импульс, который заваливает перигей орбиты КК/КА за границу верхних слоев атмосферы Земли - это ~100км над уровнем моря);

Полет в атмосфере (аэродинамическое торможение КА/КК)

Посадка (парашютное торможение и спуск на поверхность планеты)

На втором этапе спуска КК/КА на Землю гасится основная часть кинетической энергии спускаемого аппарата. Происходит гашение скорости движения аппарата от орбитальной (~7.9км/с в случае низкой круговой орбиты) до дозвуковой (менее ~320 м/с)

В результате такого торможения возникают тяжелые температурные и перегрузочные режимы. Оба фактора и нагрев, и перегрузки могут оказаться опасными и для аппарата, и для людей, и требуют, как конструкторских решений, так и специального управления траекторией спуска.

Если аэродинамическое качество аппарата (отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления летательного аппарата) равно нулю (КА «Восток» - шар), то спуск будет баллистическим, то есть неуправляемым, по крутой траектории. Величина перегрузки при баллистическом спуске зависит практически только от угла входа в атмосферу (угол наклона траектории к местному горизонту). Если угол входа составляет 0,5-1 градус, пик перегрузок достигнет 8-10 единиц. Чем больше угол входа, тем круче будет траектория и больше перегрузки.

Для первых космических кораблей «Восток» и «Меркурий» баллистический спуск был штатным вариантом. Корабли этого типа возвращались с орбиты по баллистической траектории. Первому набору космонавтов при медицинском обследовании предъявлялось требование на перенос максимальной перегрузки в 12 единиц.

Если аэродинамическое качество аппарата равно 0,3-0,7 - спуск называется полубаллистическим или скользящим. Скользящий спуск стал штатным вариантом у следующего поколения космических кораблей.

При движении в атмосфере аппарат балансируется на определенном (балансировочном) угле атаки. При этом возникает небольшая подъемная сила, что позволяет управлять траекторией спуска. Максимальная перегрузка при торможении достигает 4 единицы.

Если аэродинамическое качество аппарата больше единицы, то спуск будет планирующим.

При таком спуске образуется подъемная сила. Планирующий спуск облегчает приземление космонавтов, так как он обеспечивает более медленное торможение, приводящее к уменьшению перегрузки до 3 4 единиц. Кроме того, при планирующем спуске существует принципиальная возможность управления дальностью и направлением полета в атмосфере, что позволяет либо более точно осуществить посадку, либо выбрать район посадки в процессе спуска.

В настоящее время резервным вариантом посадки считается баллистический спуск. В качестве резервного он был введен после аварии 5 апреля 1975 года на участке выведения корабля «Союз 18» (космонавты Василий Лазарев и Олег Макаров). В этом случае аппарат может приземлиться на расстоянии десятков и даже нескольких сотен километров от запланированного места посадки. Кроме того, при баллистическом спуске космонавты испытывают перегрузки, почти в два раза превышающие номинальные.

Коническая форма «Меркурия» требовала размещение теплозащитного покрытия только в нижней части аппарата.

Такое решение позволило снизить вес аппарата, но с другой стороны появился риск того, что при не правильной ориентации капсулы в атмосфере, она может быть разрушена.

В качестве решения этой проблемы было принято решение об размещение в верхней части аппарата аэродинамического спойлера (крыла), который разворачивался перед циклом спуска и направлял аппарат «дном» вниз при вхождении в плотные слои атмосферы.

Помимо этого, «Меркурий» в отличие от «Востока» был именно пилотируемым кораблем. Если на «Востоке» Юрий Алексеевич был просто пассажиром (я бы даже сказал подопытным), а полет проходил в автоматическом режиме, как и ориентация аппарата, то «Меркурий» управлялся пилотом и одна из основных задач включала в себя ручную ориентацию аппарата при спуске в атмосферу с помощью системы ориентации.

В качестве рабочего тела (топлива) для системы ориентации на аппарате «Восток» использовался сжатый азот. Главным достоинством системы была простота — газ содержался в шарообразных баках и стравливался довольно несложной системой клапанов.

А вот на «Меркурии» использовалось каталитическое разложение концентрированной перекиси водорода. С точки зрения удельного импульса это выгоднее сжатого газа, но запасы рабочего тела на «Меркуриях» были крайне малы.

Активно маневрируя, можно было потратить весь запас перекиси меньше чем за один виток.

В дальнейшем перекись как рабочее тело использовалась на первых «Союзах», а затем все перешли на несимметричный диметилгидразин (НДМГ, (CH3)2N2H2), а в качестве окислителя использовался азотный тетраоксид (АТ, N2O4). Сама связка имеет аббревиатуру НДМГ/АТ и сегодня редко, но применяется в КА малых габаритов, поскольку является довольно токсичным видом топлива, а стоимость НДМГ заметно дороже керосина в объемах заправки РН.

Тормозная двигательная установка (ТДУ).

ТДУ аппарата «Восток» помимо своей первостепенной задачи по спуску аппарата в плотные слои атмосферы, предназначалась как резервная система для схода аппарата с орбиты в случае отказа автоматики радиоуправления дальности полета и интеграторов ускорения, которые должны отдавать команду на отключение двигателя блока «А» (3 ступень) и таким образом выводить аппарат на расчетную высоту орбиты. Тормозной импульс должен был «Заваливать» перигей (нижняя точка орбиты) орбиты аппарата в верхние слои атмосферы и дальнейший спуск капсулы осуществлялся за счет естественного аэродинамического торможения.

Вообще, аппараты «Восток» выводились на орбиты с таким расчетом, чтобы в течение недели затормозиться об атмосферу без применения ТДУ (аварийный режим). Такой подход к «торможению» аппарата означал, что капсула может упасть где угодно в пределах всей широты и скорее всего капсула бы падала в океан.

В штатном режиме полет проходил в соответствии с циклограммой, заложенной в бортовую систему автоматического управления, а процесс подготовки аппарата к спуску начинался автоматически уже по сигналу «контакт отделения КК от РН»

ТДУ аппарата «Восток» была недублированной. Такое решение было не безопасным, отказ системы ТДУ мог увести аппарат не на расчетные 5-7 дней полета, а на все 15 и система жизнеобеспечения была рассчитана только на недельный полет. Причиной такого упущения было банальным – конструктивно второй двигатель ТДУ не мог уместиться на аппарате.

На аппарате «Меркурий» ТДУ и блок двигателей разделений КК от РН был расположен за тепловым щитом. Блок размещался автономно и крепился с помощью штанг. Команда на включение ТДУ могла отдаваться как автоматически, так и вручную, отделение блока ТДУ аппарата «Меркурий» проходило также автоматически по циклу команд опорожнения баков ТДУ. В случае отказа автоматики штанги-мачты, удерживающие блок ТДУ просто перегорали при входе аппарата в атмосферу.

Оба типа двигателей были установлены в трех экземплярах для большей надежности. Двигатели разделения включались сразу после выключения двигателей РН для того, чтобы КК отошёл от РН на безопасное расстояние. Тормозные двигатели включались для схода с орбиты. Для того, чтобы свести аппарат с орбиты вращения на спуск, достаточно было штатной работы одного двигателя.

Повышенное требование к надежности работы ТДУ «Меркурия» имело веские причины. Если система жизнеобеспечения аппарата «Восток-1» позволяла в случае нештатной работы ТДУ прожить космонавту неделю и аппарат в любом случае бы упал на Землю, то система жизнеобеспечения «Меркурия» позволяла наслаждаться жизнью только 1.5 суток. Отказ ТДУ «Меркурия» приравнивался к гибели астронавта.

На обоих кораблях полет производился в скафандрах. В аппарате «Восток-1» поддерживалась атмосфера близкая к земной в одну атмосферу, воздушная смесь состояла из кислорода и азота.

На «Меркурии» для экономии веса атмосфера была чисто кислородная при пониженном давлении. Это добавляло неудобства, поскольку астронавту нужно было около двух часов перед запуском дышать в корабле чистым кислородом, а при выведении аппарата на орбиту нужно было стравливать атмосферу из капсулы, затем перекрывать вентиляционный клапан, при спуске с орбиты снова открывать его для повышения давления вместе с атмосферным.

В качестве системы аварийного спасения на РН «Восток-1» была предусмотрена только система катапультирования космонавта. Работала такая система только на начальном участке траектории полета РН.

В головном обтекателе было выполнено отверстие для посадки космонавта и аварийного катапультирования.

Парашют мог не успеть раскрыться в случае аварии на первых секундах полёта, поэтому со стороны отверстия головного обтекателя от стартового комплекса была натянута сетка, которая должна была смягчить падение кресла с космонавтом.

На поздних этапах полета, после отделения первой ступени, КК должен был отделиться от РН, используя штатные средства разделения.

Американские коллеги подошли к этому вопросу более щепетильно

На «Меркуриях» стояла полноценная система аварийного спасения (САС), которая должна была отвести капсулу от разрушающейся ракеты начиная от старта и до конца плотных слоёв атмосферы, включая этап отделения второй ступени.

В случае аварии на большой высоте использовалась штатная система разделения КК от РН

Катапультируемые кресла, как системы спасения, использовались на «Джемини», а также испытательных полётах космических шаттлов. САС выполненная по технологии программы «Меркурия» использовалась и на «Аполлонах», а также модернизированная версия САС используется сегодня при запусках КК серии «Союз-ТМА»

Наиболее наглядно показывает разницу в менталитете людей подход к проектированию панелей инструментов и управления КК.

В создании панелей инструментов аппарата «Восток-1» чувствовали люди, которые в целом занимались проектированием ракет. Это в совокупности с требованиями надежности отразилось на минимализме элементов управления.

При разработке проекта «Меркурий» разработкой панелей управления занимались по большей части конструкторы самолётов, да и астронавты прилагали усилия к тому, чтобы кабина была для них привычной, так-как отбор в астронавты США производит исключительно из пилотов ВВС. Такой подход отразился на количестве элементов управления.

Оба аппарата являли собой вершину инженерной мысли того времени, что уж говорить о том, что добрая часть технический решений и приборов используются и сегодня, пускай и в модернизированном виде.

Очень жаль, что катализатором развития космической промышленности выступает военка и политические «гляделки», при том происходит это из-под коленки ракобоком.

Вроде как уже давно ясно, что толчком развития всей науки является космос, как и смысл существования человечества, но политическая песочница и игра в войнушку продолжает выжигать цивилизацию с «лица» планеты. Обидно, да?

В следующих постах, скорее всего, поболтаем детально об полете Юрия Алексеевича Гагарина, немножко разберемся в системах ориентации КА и КК.