Системы аварийного спасения космонавтов.
26 сентября 1983 года, то есть ровно 30 лет назад, на стартовой площадке №1 космодрома «Байконур» (на знаменитом «Гагаринском старте»), готовилась к запуску ракета-носитель «Союз-У» (изделие 11А511У) с транспортным пилотируемым космическим кораблём «Союз Т-10» (изделие 11Ф732).
На борту космического корабля находились космонавты: командир корабля Владимир Георгиевич Титов и бортинженер Геннадий Михайлович Стрекалов. Космонавты должны были стать экипажем третьей основной экспедиции на долговременную орбитальную станцию «Салют-7».
Подготовка к пуску шла без замечания, несмотря на сильный порывистый ветер, который вызывал волны вибрации, проходившие через всю конструкцию ракеты-носителя, и вызывающие чувство тревоги у космонавтов. Руководитель пуска («стреляющий») спокойно, согласно циклограмме пуска, выдавал команды из командного бункера по громкой связи: «Ключ на старт!», «Протяжка один!», «Продувка!», «Протяжка два!», «Ключ на дренаж!», «Наддув!» Команда «Наддув!» реализуется автоматически и служит для включения режима наддува топливных баков ракеты-носителя от бортовых систем.
Наддув создаёт избыточное давление, которое должно компенсировать разрежение в баках, создающееся при работе турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей. Также с помощью давления наддува осуществляется вытеснение из торообразного бака перекиси водорода, которая поступает в газогенератор для создания горячего парогаза, который является рабочим телом газовой турбины турбонасосного агрегата (ТНА).
При осуществлении наддува азотом произошёл отказ клапана ВП-5 двигателя РД-107 блока «В» первой ступени. Из-за негерметичного клапана перекись водорода начала раньше времени поступать в газогенератор.
Началась преждевременная раскрутка ротора ТНА с пустыми насосами окислителя и горючего. В нормальной ситуации заполнение насосов ТНА компонентами топлива осуществляется самотёком до начала раскрутки. В следствии отсутствия нагрузки на насосах, ротор вышел на запредельные обороты – именно в этот момент космонавты почувствовали ещё одну, нехарактерную, вибрацию.
Пошедший в разнос ротор ТНА разрушился из-за чрезмерной центробежной силы, и его обломки повредили трубопроводы окислителя и горючего. В двигательном отсеке блока «В» возникло возгорание, которое сначала было идентифицировано на экранах мониторов командного бункера как начало работы двигателей ракеты-носителя.
Начавшийся пожар вызвал повреждение кабелей, передающих данные о функционировании систем ракеты-носителя, поэтому только спустя 20 секунд после возникновения нештатной ситуации, технический персонал заметил возгорание.
Схема работы САС космического корабля «Союз»
Первым отреагировал на ситуацию технический руководитель НПО «Энергия» Юрий Павлович Семёнов, прокричав по связи «Днестр!». Это был пароль для задействования системы аварийного спасения (САС) экипажа космического корабля. Генерал Алексей Александрович Шумилин и технический руководитель по ракете-носителю Александр Михайлович Солдатенков, мгновенно оценив ситуацию, также прокричали команду «Днестр» в микрофоны для операторов, которые моментально выдали команду на приведение САС в действие.
Сработавшие твёрдотопливные двигатели САС отделили головную часть ракетно-космической системы, содержащую спускаемый аппарат с космонавтами и орбитальный отсек под обтекателем, уведя её вверх и в сторону от горящей ракеты-носителя.
Спустя 2 секунды после отстрела САС со спускаемым аппаратом, объятая пламенем ракета стала проседать в проём стартового стола, взорвалась, и разрушенная взрывом конструкция провалилась вниз стартового сооружения. Двигатели САС проработали 4 секунды. За это время космонавты поднялись на высоту 650 метров, испытав перегрузку от 14 до 18 единиц, затем по инерции поднялись ещё до высоты 950 метров, где произошёл отстрел спускаемого аппарата от орбитального отсека из-под обтекателя, которые были уведены вспомогательными двигателями САС в сторону.
В скором времени сработала парашютная система, которая через 5 минут опустила спускаемый аппарат в 4 километрах от места аварии. Владимир Титов и Геннадий Стрекалов стали первыми в мире космонавтами, жизнь которых была спасена САС. Испытавшие сильную перегрузку, но без последствий для здоровья, они позже вернулись к своей деятельности. Позже каждый из космонавтов успешно осуществил по три полёта в космос.
Владимир Титов и Геннадий Стрекалов
И так… Система аварийного спасения, или сокращённо САС – является одной из важнейших систем космического корабля. Из названия ясно её прямое предназначение. Но на всех ли космических кораблях предусмотрено спасение экипажа в случае возникновения аварийных ситуаций?
С момента первых пилотируемых стартов в космос, предусматривалось спасение экипажа космического корабля. На советских пилотируемых космических кораблях серии «Восток» основным средствам спасения являлось катапультируемое кресло. В случае возникновения аварийной ситуации на старте или в полёте, космонавт должен был произвести катапультирование прямо из спускаемого аппарата.
Для этих целей в головном обтекателе ракеты-носителя «Восток» предусматривался специальный проём, расположенный напротив люка спускаемого аппарата. Одновременно с полётами советских космических кораблей «Восток», в США осуществлялись запуски пилотируемых космических кораблей «Меркурий» (Mercury).
Проектируя этот корабль, американские конструкторы, во главе с Максом Фаже, пошли совершенно по другому пути обеспечения безопасного спасения астронавта, в случае аварии ракеты-носителя. Капсула космического корабля «Меркурий» имела очень маленькие размеры и ограниченный объём. Инженеры экономили вес, так как энергетические возможности первых американских ракет-носителей имели гораздо более строгие ограничения, нежели советский носитель «Восток» (8К82К).
Для сравнения: масса первого американского корабля едва дотягивала до 1,4 тонны, тогда как советский корабль весил как минимум 4,725 тонн, т. е. был тяжелее почти в 3,5 раза! Для первых пилотируемых пусков по программе «Меркурий» применялась модифицированная баллистическая ракета «Редстоун» (PGM-11/MRLV), энергетические возможности которой позволяли «забросить» американский космический корабль лишь на суборбитальную траекторию.
Возможностей «Атласа-Д» (Atlas-D/SM-65D) едва хватало, чтобы вывести его на орбиту. Устанавливать катапультируемое кресло на корабль «Меркурий» было неоправданно как из-за ограниченного объёма (по образному выражению астронавтов они не залазили в «консервную банку», а «натягивали» её на себя), так и с весовой точки зрения: помимо усиленного кресла требовалось установить направляющие полозья, систему отстрела и систему аварийного отстрела люка. Также установить дополнительную парашютную систему, на которой астронавт осуществлял бы спуск на Землю после катапультирования. Всё это утяжелило бы корабль.
Решение для спасения астронавта было принято очень простым – установка твёрдотопливного ракетного двигателя на лёгкой и прочной ферменной конструкции впереди капсулы. При возникновении аварийной ситуации спасался бы весь корабль вместе с астронавтом. При этом была бы задействована основная парашютная система, которая применяется для штатного приземления, а точнее приводнения. Американские космические корабли, вплоть до появления «Спейс Шаттлов», всегда осуществляли посадку в воды Атлантического или Тихого океанов (что, кстати, позволяло съэкономить на массе системы мягкой посадки – полностью отказавшись от неё).
Следующее поколение советских пилотируемых космических кораблей – корабли серии «Восход». По-сути этот корабль представлял собой усовершенствованный «Восток». Наибольшему изменению был подвергнут спускаемый аппарат. В космос летало только два корабля этой серии. В спускаемом аппарате «Восхода-1» было размещено три кресла, вместо одного.
Из-за ограниченных размеров внутреннего объёма (т. к. «Восток» изначально проектировался для одного космонавта), на «Восходе-1» пришлось отказаться от космических скафандров и от… системы катапультирования! Ферменная САС также не была предусмотрена.
Первый в мире экипаж, состоящий из трёх космонавтов: командира Владимира Михайловича Комарова, научного сотрудника Константина Петровича Феоктистова и врача Бориса Борисовича Егорова, полетел в космос 12 октября 1964 года в… спортивных костюмах! Это решение (летать в космос без высотно-компенсирующих скафандров) практиковалось вплоть до роковой посадки корабля «Союз-11» 30 июня 1971 года.
Старт в космос корабля «Восход-2» 18 марта 1965 года осуществлён также без средств аварийного спасения. Космонавты Павел Иванович Беляев и Алексей Архипович Леонов (который в этом полёте стал первым в мире человеком, вышедшим в открытый космос) находились на борту «Восхода-2» в скафандрах «Беркут». Их кресла также не были катапультируемыми. Таким образом, два этих полёта были проведены с очень большим риском для жизни экипажей. В случае аварии ракеты-носителя на старте, у экипажа не было шансов на спасение.
В США, в одно время с выполнением в Советском Союзе программы «Восход», в космос летали пилотируемые космические корабли серии «Джемини» (Gemini). Инженеры американской авиастроительной фирмы McDonnell Aircraft, которые ранее работали над капсулой «Меркурия», пошли по пути советских инженеров, установив в качестве средства спасения астронавтов два катапультируемых кресла. На этот раз в распоряжении американских конструкторов была гораздо более мощная ракета-носитель «Титан-2» (Titan II GLV), которая также являлась межконтинентальной баллистической ракетой, только более мощной, чем «Атлас-Д». Масса корабля доходила до 3,81 тонны, т. е. он был почти в три раза тяжелее своего младшего собрата. Экипаж корабля состоял из двух астронавтов.
С начала 60-х годов фирма North American в инициативном порядке вела разработку космического корабля «Аполлон», и лишь после знаменитой речи президента США Джона Фитцжеральда Кеннеди, программа полёта человека на Луну получила государственную поддержку. Помимо North American, над проектом космического корабля для пилотируемого полёта на Луну работали такие гиганты аэрокосмической индустрии США, как фирмы Martin и McDoneel Aircraft.
Проект фирмы Martin предусматривал постройку космического корабля, предусматривавший прямой перелёт на поверность Луны, без предварительного выхода на околунную орбиту. Подобная схема полёта прорабатывалась и инженерами фирмы McDonnell Aircraft. Их лунный корабль базировался на проекте космического корабля «Джемини».
В 1962 году инженер НАСА Джон Хуболт предложил схему полёта с высадкой на поверхности Луны, которая подразумевала предварительный выход на окололунную орбиту и разделение отсеков. На Луну садился небольшой посадочный аппарат. Эта схема полёта была впервые предложена в начале XX века нашим соотечественником – Юрием Васильевичем Кондратюком (псевдоним Александра Игнатьевича Шаргея). Именно её, как за основу, и взяли разработчики будущего космического корабля «Аполлон». Эти работы велись в те годы, когда осуществлялась программа «Меркурий».
Схема САС, заложенная в проекте «Меркурий» несла ещё одно положительное преимущество – система аварийного спасения сбрасывалась после прохождения самого критичного участка, где она могла понадобиться. Это старт и прохождение плотных слоёв атмосферы. В менее плотных слоях атмосферы, когда скоростной напор не столь значителен, корабль может самостоятельно отделиться от ракеты-носителя, в случае неисправности последнего. Используя лишь тягу своего двигателя.
Поэтому САС на ферменной конструкции сбрасывается сразу после прохождения плотных слоёв атмосферы в целях экономии массы. В случае с катапультируюмыми креслами пришлось бы «таскать» с собой всю систему на всех этапах полёта. В том числе и на Луну. Естественно, что такая система абсолютна не нужна при орбитальных полётах, а уж тем более на межпланетных траекториях и на Луне. Поэтому инженеры North American остановились именно на САС со сбрасываемой конструкцией.
Таким же путём пошли и советские конструкторы, которые работали над третьим поколением советских космических кораблей. «Союз» изначально проектировался как корабль для пилотируемых полётов на Луну. Ещё раньше, в самого начала 60-х годов, в ОКБ-1 велась разработка сверхтяжёлого носителя Н-1 (11А52), изначально предназначенного для запуска в космос тяжёлых станций по проектам освоения Марса.
С началом «лунной гонки» проект Н-1 был ориентирован в первую очередь на осуществления программы пилотируемых полётов человека на естественный спутник Земли. Отказ от катапультируемых кресел позволил также увеличить внутренний объём спускаемого аппарата и одновременно с этим уменьшить его массу.
С 1967 года начались регулярные запуски в космос орбитальных космических кораблей серии «Союз» (7К-ОК). Одновременно велась отработка лунной версии космического корабля «Союз» (7К-Л1). Его вариант, известный как автоматическая межпланетная станция «Зонд», выполнил несколько успешных полётов в окололунное пространство, и возвращение на Землю с входом в атмосферу со второй космической скоростью.
Вывод в космос аппаратов серии «Зонд» осуществлялся модернизированными ракетами-носителями «Протон-К» (8К82К), разработанная в ОКБ-23 под руководством Владимира Николаевича Челомея. В проекте «Зонд» применялась САС, по схеме аналогичная установленным на вариантах, запускаемым в космос ракетами-носителями «Союз» (8А511) и Н-1. Существенным отличием версий космического корабля «Союз» для облёта Луны, было отсутствие орбитального жилого отсека, который присутствовал на штатных орбитальных «Союзах» и его варианте для пилотируемого полёта с высадкой на Луну (7К-ЛОК). Его упразднили ввиду того, что энергетические характеристики «Протона» не позволяли отправить на межпланетную траекторию полностью снаряжённый корабль для испытаний с возвращением на Землю со второй космической скоростью. Основное отличие таких полётов от орбитальных заключается в спускаемом аппарате – толщина его теплозащитного покрытия должна быть больше, чтобы выдержать больший нагрев при входе в плотные слои атмосферы.
За время испытаний «Зондов» по программе облёта Луны произошли четыре аварии, когда срабатывала САС. Во всех четырёх случаях экипаж остался бы невредимым, если бы эти полёты выполнялись в пилотируемом режиме. Случай со срабатыванием САС произошёл также при втором испытательном пуске ракеты-носителя Н-1, когда из-за ненормальной работы одного из двигателей, автоматика последовательно отключила почти все двигатели первой ступени. Безупречно сработавшая САС отвела спускаемый аппарат на безопасное расстояние от места катастрофы - гигантская ракета успела подняться на небольшую высоту, а затем рухнула плашмя на место старта. Аналогично, в случае пилотируемого запуска, космонавты остались бы живы.
Эти несколько случаев подтвердили надёжность САС как средства спасения жизней экипажа космического корабля. Оставалось только подвернуться случаю, когда система сработала бы по своему прямому назначению... И этот случай произошёл 26 сентября 1983 года.
Помимо эксплуатировавшихся систем аварийного спасения, существовали проекты, никогда не реализованные на практике. Например, во время выполнения программы «Аполлон» в 1961 – 1972 годах ставилась задача спасения астронавтов, «застрявших» на Луне.
В случае отказа двигательной установки взлётной ступени лунного модуля, два астронавта были бы обречены на верную и мучительную смерть из-за неминуемой нехватки кислорода. Тоже самое ожидало и весь экипаж (три астронавта), если бы не запустилась главная маршевая установка SPS командно-служебного модуля космического корабля «Аполлон».
Астронавты не смогли бы покинуть околунную орбиту, и оставались бы внутри командного модуля, погибнув в конце концов по той же причине. Позже корабль, постепенно снижаясь под воздействием масконов, разбился бы о лунную поверхность.
Прорабатывались планы спасательных миссий, варианты перехода астронавтов из терпящего бедствие корабля в корабль-«спасательную шлюпку», в т. ч. и через открытый космос. Но пожалуй самым оригинальным и проработанным проектом был LESS – Lunar Escape Systems.
Проект предусматривал разработку, постройку и испытание САС для долговременных двухнедельных лунных экспедиций, которые были отменены сразу после успешной высадки и возвращения на Землю астронавтов экспедиции «Аполлон-11». САС представляла собой небольшой летательный аппарат, имеющий складной каркас и оснащённый небольшой жидкостной двигательной установкой, баками с топливом, примитивной системой управления и двумя креслами для астронавтов. Система жизнеобеспечения экипажа отсутствовала, т. к. считалось, что астронавты будут стартовать с поверхности Луны в своих лунных скафандрах, с штатными портативными ранцевыми системами жизнеобеспечения. LESS складывался по типу LRV (Lunar Roving Vehicle – «лунный вездеход»), который использовался в трёх последних экспедициях на Луну, и аналогичным образом укладывался в один из четырёх боковых отсеков посадочной ступени лунного модуля. В связи с сокращением программы «Аполлон», а также отмены постройки на ней базы по программе Apollo Applications Program, проект был свёрнут, и никогда не воплощён в «железе».
Наиболее же «воплощённым» в жизнь проектом спасения жизни астронавтов, летавших на космических кораблях «Аполлон», была программа «Скайлэб-спасатель» (Skylab Rescue или SL-R). 28 июля 1973 года в космос отправился космический корабль «Аполлон» со второй долговременной экспедицией SL-3 на американскую орбитальную станцию «Скайлэб». Вскоре после старта, астронавты обнаружили, что у них отказал один из четырёх блоков реактивной системы управления (РСУ) ориентацией корабля, а через шесть дней отказал второй блок.
Проблема была вызвана утечкой горючего – монометилгидразина. В NASA приняли решение подготовить корабль-спасатель, который смог бы эвакуировать астронавтов со станции «Скайлэб» в случае, если бы на основном корабле отказали оставшиеся блоки РСУ.
Была подготовлена экспедиция корабля-спасателя в составе астронавтов-дублёров второй долговременной экспедиции SL-3: Вэнса Бранда и Дона Лесли Линда. Была собрана ракетно-космическая система в составе ракеты-носителя «Сатурн-1Б» (образец SA-208) и космического корабля «Аполлон» (образец CSM-119) с перекомпонованным командным отсеком для размещения в нём пяти астронавтов, вместо трёх:
Во время подготовки к спасательному полёту, астронавты Бранд и Линд на тренажёрах отрабатывали операции по возвращению основного корабля «Аполлон», имеющего проблемы с утечкой горючего. Согласно заложенным резервам в конструкцию корабля, астронавты экспедиции SL-3 могли безопасно вернуться с орбиты и на одном работающем блоке РСУ. Инженеры NASA пришли к выводу, что утечка монометилгидразина не повредила других систем корабля, а так как два других блока РСУ оставались работоспособными, спасательную экспедицию отменили.
Во время выполнения заключительной, третьей экспедиции SL-4 на станцию «Скайлэб», NASA «на всякий случай» подготовила ещё один спасательный корабль – тот же самый переоборудованный «Аполлон» (образец CSM-119), но уже установленный на другую ракету-носитель «Сатурн-1Б» (образец SA-209). Предыдущий «Сатурн-1Б» (образец SA-208) для корабля-спасателя был использован для запуска в космос последней экспедиции SL-4. Собранная ракетно-космическая система «Скайлэб-спасатель» даже была вывезена на стартовый комплекс №39, на позицию «Б», но запуск так и не состоялся по причине ненадобности. К этому полёту готовился тот же экипаж астронавтов-«спасателей».
На космических кораблях серии «Спейс Шаттл» средства аварийного спасения не были предусмотрены. Лишь при первых четырёх испытательных пилотируемых запусках (полёты STS-1 – STS-4), когда в космос летали экипажи, состоящие из двух астронавтов, были предусмотрены средства спасения – катапультируемые кресла, аналогичные установленным на сверхзвуковом разведчике Lockheed SR-71 Blackbird. Начиная с пятого полёта (STS-5), начались эксплуатационные полёты многоразовой транспортной космической системы. Экипаж в полёте STS-5 состоял уже из четырёх человек, и средства катапультирования были упразднены. А начиная с шестого полёта (STS-6), когда был введен в эксплуатацию орбитальный корабль (ОК или «орбитер») «Челленджер», экипаж состоял уже из пяти и более человек. Часть экипажа размещалась на средней палубе при запуске и спуске с орбиты – катапультирование оттуда было невозможно уже по техническим причинам в силу компоновки и конструкционных особенностей корабля. Несмотря на очевидный риск, вплоть до десятого запуска корабля «Челленджер» 28 января 1986 года, всё шло более или менее успешно. Космические корабли «Спейс Шаттл», начиная с 1981 года, совершили 24 успешных полёта в космос…
О катастрофе «Челленджера» написано немало. Сразу после аварии была создана правительственная комиссия по расследованию причины катастрофы. Причины крушения были установлены достаточно достоверно. Были выработаны меры и рекомендации по недопущению подобных проиcшествий в будущем. При расследовании выяснилось, что корабль разрушился неполностью – взрывом оторвало носовую часть «орбитера», в которой находилась герметичная кабина с экипажем, состоящим из семи человек. Астронавты остались живы, и погибли лишь при ударе о воды Атлантического океана. Если бы кабина была оснащена примитивной парашютной системой – то гибель астронавтов удалось бы избежать.
После катастрофы принципиальное изменение конструкции многоразового космического корабля не предусматривалось. Как мера для обеспечения дополнительной безопасности была разработана схема покидания «орбитера» на атмосферном участке полёта. Она предусматривала самостоятельное покидание корабля через выходной люк. В случае возникновения аварийной ситуации, астронавты должны были по очереди покинуть «Шаттл», и раскрыть спасательный парашют. Сразу после отделения люка с помощью пиротехнических средств, в поток разворачивался специальный гибкий шест, который служил для увода покидающих «орбитер» астронавтов вниз под крыло, чтобы исключить столкновение их с лобовой кромкой крыла.
Но очередная катастрофа, случившаяся 1 февраля 2003 года с «шаттлом» «Колумбия», показала, что пилотируемые полёты в космос являются опасным мероприятием. На высоких гиперзвуковых скоростях астронавты были заранее обречены на гибель в разрушающемся корабле… Даже если бы все члены экипажа могли катапультироваться, это не спасло бы их от неминуемой смерти.
Практически аналогичными конструктивными особенностями обладал и советский многоразовый космический корабль «Буран». Но это уже другая история.
Реакцией на катастрофу космического корабля «Колумбия» стала речь 43-его президента США Джорджа Уокера Буша, произнесённая им 14 января 2004 года. Президентской комиссией был предложен план по освоению космического пространства, названный «Видением по исследованию космического пространства» (Vision for Space Exploration, сокращённо VSE).
Согласно этому плану, не позже 2014 года, должен был быть построен и испытан космический корабль, получивший название «Пилотируемый исследовательский корабль» (Crew Exploration Vehicle, сокращённо CEV), позже получивший официальное название «Орион» – в честь известного созвездия. Программой создания пилотируемого космического корабля, серии ракет-носителей, лунного посадочного модуля, луноходов, и другого вспомогательного оборудования, названной «Созвездием» (Constellation Program, сокращённо CxP), предусматривалось возвращение американских астронавтов к пилотируемым полётам на Луну, которые были прекращены в декабре 1972 года с полётом «Аполлона-17».
В процессе создания «Ориона» было рассмотрено несколько вариантов его компоновки: от крылатых до вариантов с возвращаемой капсулой. Каждый из вариантов предполагал многоразовое использование. Победителем в конкурсе на создание CEV была выбрана корпорация Lockheed Martin, предложившая вариант, напоминавший космический корабль «Аполлон», но увеличенный в размерах. Позже «Орион» так и стали называть – «Аполлон на стероидах». 31 августа 2006 года NASA подписала контракт на разработку, строительство и испытание космического корабля. Развернулись широкие работы. Одновременно с разработкой многоразового спускаемого аппарата – командного модуля (Crew Module, сокращённо CM), началась разработка парашютной системы и системы аварийного спасения.
Начались испытания отдельных элементов парашютной системы со сбросом весовых эквивалентов, а также всей системы в целом со сбросом весовых макетов CM с транспортных самолётов C-17 и C-130. Одновременно с этим начались испытания компонентов САС, создаваемыми компаниями Aerojet и ATK. 6 мая 2010 года на ракетном полигоне Уайт Сэндс, штат Нью-Мексико, состоялись первые лётные испытания САС космического корабля «Орион» – Pad Abort 1 (PA-1). Иммитировалась ситуация со срабатыванием системы аварийного спасения на стартовой позиции. Испытания прошли успешно. Командный модуль поднялся на высоту 1800 метров в верхней части траектории, отделился от фермы с ракетными двигателями и обтекателем, сработали вспомогательные и вытяжная, а затем основная парашютная система. Последняя бережно опустила CM на расстоянии 2,1 километра от места старта.
