Авиация и космонавтика 2004 04

ПОЧЕМУ ПОЛЕТЫ «ВОСТОКОВ» И «ВОСХОДОВ» БЫЛИ БЕЗАВАРИЙНЫМИ

Сергей Павлович Королев

В кулуарах различных конференций, собраний, торжественных заседаний и прочих мероприятий в честь юбилейных космических дат часто всплывает вопрос: насколько надежным был полет Ю.А. Гагарина? И сплошь да рядом называются такие, мягко говоря, неосторожные цифры, согласно которым вероятность благополучного завершения полета Ю.А.Гагарина определяется в 40-50%.

Но если принять упомянутые цифры за исчерпывающую истину и распространить их количественную оценку на полеты последующих «Востоков» и «Восходов», то тогда нужно было бы предполагать, что каждый второй полет наших космических кораблей был бы обречен на неблагополучное завершение своей миссии, чего, как известно, не было.

То есть приходится констатировать, что и «Востоки», и «Восходы» обладали необходимыми показателями надежности. И эта надежность обеспечивалась не только формированием необходимых количественных показателей всего изделия, но и высоким уровнем проектирования, разработки, изготовления, отладки, экспериментальной отработки, то есть реализацией широкого комплекса разнообразных мероприятий, направленных на обеспечение безукоризненного выполнения поставленных задач.

Такой комплекс мероприятий был реализован СП. Королевым перед пуском первого человека в космос. Этот комплекс смело можно назвать Королёвской системой обеспечения безопасности. И то, что ни на «Востоках», ни на их позднейших модификациях – «Восходах» не было ни одной аварийной ситуации, говорит о том, что эта система выполнила свое назначение полностью.

Конечно, С.П.Королев, как и любой инженер, понимал, что спроектировать и построить космический корабль абсолютно надежным невозможно. Слишком много было новых систем с использованием новейшей приборной и элементной базы; систем, предназначенных для решения таких задач, за которые на Земле еще никто не брался.

Для надежной реализации этих задач приборы, системы, все изделие в целом должны были обладать способностью не только механически дублировать отказавший элемент, но и перестроить структуру на базе функционального резервирования, селективно использовать имеющийся резерв, ситуационно изменять логику функционирования как отдельных систем изделия, так и всего корабля-спутника в целом.

Для обеспечения этих условий невозможно и бесполезно было пытаться дать разработчикам какие-то конкретные указания и рекомендации о том, что и как делать. Но можно было дать всем какие-то общие правила, создать систему соответствующих мероприятий, поставить разработчиков в такие условия, в такие рамки творчества и самоконтроля, что они сами неизбежно создадут качественные приборы, системы, изделия. Вот и давайте попробуем посмотреть, какие этапы включала в себя и из каких основных мероприятий эта Королёвская система обеспечения безопасности состояла, развитие каких нештатных ситуаций, в рамках логической системы управления кораблей-спутников, в аварийные она предотвратила в процессе полетов начального периода освоения космоса.

Впервые в открытой печати, в газете «Правда» от 10.12.1957г., под псевдонимом «профессор К. Сергеев» появляется статья СП. Королева «Исследование космического пространства», в которой подводятся основные итоги первых полетов советских спутников. Космос еще только-только приоткрыт, а СП. Королев уже пишет: «Особое место в исследованиях, несомненно, занимают вопросы о возможности осуществления полета человека в космическом пространстве…» И тут же вслед за этим говорит о мероприятиях по надежности, по экспериментальной отработке: «…Здесь важным является, безусловно, надежное и всестороннее изучение жизненных условий и необходимых для этого мероприятий, подтвержденных большим, серьезным экспериментальным материалом… » То есть во главу угла уже поставлены, пока еще не детально, но по сути, надежность и экспериментальная отработка.

Начало 1958 года. Идут проработки унифицированных изделий: автоматического спутника-разведчика и спутника с человеком на борту. В связи с большим объемом предстоящих экспериментальных работ по обеспечению новых разработок СП. Королев закладывает первый камень в свою систему обеспечения безопасности космических изделий.

26 марта 1958 года Королев подписывает приказ по ОКБ-1 «Об организации экспериментальных работ»:

«1. По каждому новому изделию в начале его разработки, т.е. на стадии предэскизного и эскизного проектирования, составляется сквозной план-график экспериментальных работ, в котором должны быть отражены основные экспериментальные работы каждого из отделов.

Составление планов-графиков экспериментальных работ по изделию на стадии предэскизного и эскизного проектирования проводит проектный отдел с привлечением всех участвующих в работе отделов ОКБ.

Координация экспериментальных работ между отделами производится заместителями главного конструктора по соответствующим направлениям.

2. Работы по планам-графикам проводятся каждым из отделов по своей тематике. При этом ведущими отделами по исследованиям с целью выбора основных проектных характеристик, принципиальных схем основных систем и изделий в целом являются проектные и специализированные отделы. Остальные отделы являются ведущими в соответствии со своей тематикой.

3. В экспериментальных работах, возглавляемых тем или другим отделом, принимают участие и остальные отделы ОКБ в соответствии с их профилем или участием в разработке совместной технической документации.

4. С целью обеспечения экспериментальных работ качественными измерениями создать специализированное подразделение.

5. В ОКБ вводится и должен строго соблюдаться порядок, при котором планирование и производство работ на заводе по изготовлению материальной части для экспериментальной отработки, экспериментальных установок и других работ, связанных с обеспечением экспериментальных работ, осуществляется в первую очередь».

Весной 1958 года были определены первоочередные задачи проектных работ: проведение комплексной проектной «завязки» конкретного аппарата для первого орбитального полета человека и подготовка проектных материалов в форме отчета – аванпроекта, обосновывающего возможность принятия решения о развертывании опытно-конструкторских работ.

Перед проектантами был установлен обязательный «стратегический» принцип: надежность и безопасность полета человека должна быть обеспечена функциональным дублированием систем и агрегатов принципиально разными способами реализации полетных операций. Применение только простого, чисто количественного дублирования допускалось как исключение. Такой подход позволил избежать случайностей при создании летательного аппарата принципиально нового типа». Для обеспечения надежности в отчете предлагалось провести экспериментальную отработку систем космического аппарата в стендовых условиях.

При разработке отчета большое внимание уделялось функциональному дублированию в части катапультирования пилота и приземлению его в спускаемом аппарате (СА); системе обеспечения жизнедеятельности в кабине

и в скафандре; ориентации по инфракрасной вертикали и ручной ориентации; процессу ввода парашюта по сигналам от бародатчиков и от инерционных датчиков; разделению отсеков космического аппарата по команде от программного устройства и от термодатчиков и т.д..

По указанию С П . Королева с отчетом на заключительной стадии его оформления были ознакомлены все руководители и ведущие специалисты основных подразделений КБ.

Интересно отметить, что на этапе разработки отчета прорабатывался вариант спускаемого аппарата в аэродинамической форме «фара», но СП. Королев его не принял.

Этот вариант требовал более длительных исследований, а Королев торопился. О том, что он торопился, говорит и тот факт, что им был утвержден только отчет с проработками по космическому кораблю, «отчет же по варианту для суборбитального полета «Исходные данные для осуществления пуска человека на ракете» был основан на исследовании опыта полета животных. К вопросу, почему он торопился, мы вернемся позже.

Окончательно СП. Королев подписывает отчет 15 сентября 1958 года. А 16 сентября отправляет в Академию наук СССР и Главным конструкторам письмо «О создании ИСЗ с человеком на борту», в котором ставит акценты не только на целесообразности завершения первого этапа работы в виде выполнения эскизных проектов в III квартале 1959 года, но и на проведении экспериментальной проверки наиболее ответственных элементов конструкции.

Наиболее напряженным в создании пилотируемого корабля-спутника был период 1959-1960 годов. С.П.Королев предъявлял к материальной части пилотируемых космических кораблей особые требования, и по его инициативе все комплектующие изделия и агрегаты маркировались клеймом «годен для ЗКА». Причем за качество деталей с таким клеймом несли ответственность лично главные конструкторы смежных организаций – разработчиков бортовых систем.

В это же время под руководством С.П.Королева готовятся «Основные положения для разработки и подготовки космического корабля «Восток-В». С.П.Королев имел целью привлечь особое внимание к обеспечению надежности в процессе разработки, изготовления, испытаний и подготовки к запуску пилотируемых космических аппаратов и их ракет-носителей. После согласования документа с главными конструкторами систем и агрегатов, входящих в ракетно-космический комплекс «Восток», изложенные в нем требования стали законом для всей отрасли при подготовке космических аппаратов для полетов человека.

Рис. 1

«10 октября 1960 года СП. Королев выносит на Совет главных конструкторов вопросы об окончательном рассмотрении и утверждении технического задания (ТЗ) и основных положений по кораблю-спутнику «Восток» для пилотируемых полетов. Возникает резонный вопрос: почему всего за полгода до 12 апреля 1961 года все еще не были утверждены техническое задание и основные положения? Дело в том, что к середине 1960 года лишь завершилась разработка и начались испытания всех основных систем и агрегатов корабля.

19 августа 1960 года состоялся успешный полет «Белки» и «Стрелки» на корабле 1 К№2. Менее удачно слетали корабли 1КП, пуск 15 мая 1960, и 1 К№1, пуск 28 июля 1960. Были разработаны и внедрялись меры по итогам этих полетов. К этому времени уже была отобрана группа летчиков и начала выполняться программа подготовки первой шестерки будущих космонавтов. И вдруг оказывается, что еще не утверждены ТЗ и основные положения по «Востоку».

А все было просто. С.П.Королев давал возможное и необходимое время на переваривание, осмысление, оппонирование, согласование подготовленного материала, и на заседание СГК 10 октября 1960 года была вынесена не просто первая редакция ТЗ и основных положений по кораблю «Восток», а основательно проработанные документы, первая редакция которых появилась еще летом 1959 года.

Окончательный облик корабля, содержание возникших основополагающих проблем становятся более ясными, когда разработки уже полностью, или практически полностью, завершены. Для повышения уровня контроля качества и надежности средств спасения космонавтов и обеспечения их жизнедеятельности в корабле, решением СГК к этим работам привлечены Головной НИИ и спецприемка ВВС, которые тут же выразили свое особое мнение, что запуск человека возможен только по результатам запусков кораблей с манекенами. В основной части решения записано, что «…запуску человека предшествуют два успешных полета кораблей с манекенами».

До пуска первого пилотируемого корабля в космос оставалось чуть больше двух недель. И здесь мы наблюдаем характерный для С.П.Королева прием повторного, углубленного рассмотрения состояния дел по подготовке этого пуска. Он предлагает, точнее, обязывает всех разработчиков еще раз обдумать наиболее важные, спорные вопросы, еще раз обсудить возникавшие проблемы и в очередной раз доказать, что их решения верны, или, поняв ущербность решений, найти пути по устранению обнаруженных недостатков, пока еще есть время.

29 марта 1961 года руководители предприятия: С.П.Королев, В.П.Мишин, К.Д.Бушуев, С.О.Охапкин, Б.Е.Черток, Л.А.Воскресенский подписывают подготовленный отчет «О ходе экспериментальной отработки кораблей «Восток». В отчете отражены: сводка полетов кораблей «Восток»; результаты экспериментальной отработки основных элементов корабля; результаты проведения опытов с животными; краткое описание корабля «Восток»; описание тормозной двигательной установки; условия полета спускаемого аппарата в атмосфере; меры по обеспечению надежности корабля-спутника; основные результаты пусков кораблей-спутников; подготовка космонавтов.

В выводах говорится, что «экспериментальные полеты кораблей-спутников «Восток», проведенные в период с 28.07.1960 г. по 25.03.1961 г., позволили надежно отработать конструкцию и бортовую аппаратуру корабля. Вместе с этим отработан также комплекс средств, обеспечивающих выполнение одновитковой программы полета и осуществление посадки в заданные районы Советского Союза.

Таким образом, этап подготовки корабля-спутника «Восток» для полета человека в космическом пространстве завершен.

Полученные результаты позволяют осуществить первый полет человека в космическое пространство по отработанной программе».

Итак, отчет о подготовке к полету обдуман, составлен, подписан и утвержден руководством предприятия. Все уверены в положительном результате полета.

Однако, для того чтобы проиллюстрировать эффективность действия Королёвской системы обеспечения безопасности, позволим себе обратить ваше внимание на несоответствие некоторых материалов отчета другой имеющейся информации. Имеется в виду «Календарь запусков кораблей «Восток» и «Восход». Упоминаемый документ, судя по всему, является вторичным. Первичные документы недоступны, или, скорее всего, в настоящее время они просто не существуют. Цитируем то, что имеем.

Старт "Восхода"

«Характеристики полетов двух зачетных, перед полетом Ю.А.Гагарина, кораблей с манекенами и собаками:

ЗКА № 1 , пуск 09.03.1961 г.; перигей – 183,5 км., апогей – 248,8км., угол наклона орбиты – 64 град.56 мин.; экипаж манекен и собака «Чернушка». Выполнение программы: успешный полет; замечания:

1) нештатное отделение кабель- мачты, соединяющей СА и ПО (не после выключения ТДУ, а при входе в плотные слои атмосферы по команде от термодатчиков);

2) отклонение точки приземления по дальности составило 412 км.(55 град. 22 мин. с.ш., 52 град. в.д.).

ЗКА №2, пуск 25.03.1961 г.; перигей – 178,1 км., апогей – 247 км., угол наклона орбиты – 64 град.54 мин.; экипаж – манекен и собака «Звездочка». Выполнение программы: успешный полет; замечания:

1) по отделению кабель-мачты (см. ЗКА №1);

2) отклонение точки приземления по дальности составило 660 км.(56 град. 47 мин. с.ш., 54 град.27 мин. в.д.)».

Обратите внимание на цифры отклонения точек приземления СА ЗКА №1 и №2!

В упомянутом материале по обоим кораблям имеются замечания к процессу разделения. Давайте поближе познакомимся с этим процессом. На рисунке 1 показан спускаемый аппарат (СА) и приборный отсек (ПО), стянутые четырьмя лентами, которые имеют единый узел крепления на вершине СА и четыре пирозамка на срезе ПО. При срабатывании пирозамки разрывают механическую связь, и пироножи перерубают высокочастотные кабели, проходящие от антенн по стягивающим лентам в ПО. Электрическая связь аппаратуры, установленной внутри ПО, с аппаратурой внутри СА осуществляется по кабелям, проходящим через гер- моплату ПО, по кабель-мачте и через гермоплату СА. Команда на разделение приборного отсека и спускаемого аппарата формируется в аппаратуре ПО и одновременно поступает на коммутационные реле, которые подают напряжение для срабатывания пиропатронов пирозамков, пироножей и пиропатронов отделения гермоплаты.

В случаях разделения ЗКА №1 и №2 имеется противоречие штатному течению процесса разделения: телеметрией не зафиксировано отделение кабель-мачты, хотя зафиксировано от деление спускаемого аппарата от приборного отсека. О последнем факте мы делаем вывод по тому, что нет замечаний по срабатыванию датчика РПШ – разделения СА и ПО. Такая ситуация возможна в случае, когда пиропатроны пирозамков и пироножей сработали, а пиропатроны отделения гер- моплаты кабель-мачты не сработали. Забегая вперед, констатируем, что такая же ситуация была отмечена на «Востоке-2» у Титова. Только тогда разобрались, что цепи кабелей запит- ки пиропатронов отделения гермопла- ты ошибочно проложены через пироножи. Команда же на все пиропатроны одна. Вот и получилось так, что пи- роножи «перерубали» команду на пиропатроны отделения гермоплаты до того, как та успевала исполниться. Гер- моплата же в полете не отстреливалась, так как цепи команды на разделение СА и ПО были перерублены. Разделение происходило само собой при перегорании кабель-мачты в плотных слоях атмосферы. Но если для корабля Титова имелась информация от конструкторов, которые видели в Москве обгоревшую гермоплату на спускаемом аппарате, то по кораблям ЗКА№1 и ЗКА №2 такой информации найти не удалось.

Однако имеется косвенное, баллистическое подтверждение неотделения гермоплаты на изделиях ЗКА №1 и ЗКА №2: упоминавшиеся ранее цифры отклонений точки приземления спускаемых аппаратов от расчетных соответствуют тому, что полет в атмосфере ПО и СА происходил в связке.

Слова цитируемого документа о том, что отделение кабель-мачты происходило от термодатчиков, скорее всего, относятся к разряду описок, так как даже при гипотетическом формировании термодатчиками команды на разделение, цепи на включение соответствующих пиропатронов были к тому времени уже перерублены.

Нельзя позволить себе даже мысли, что С.П.Королев не знал о том, что гермоплата изделия ЗКА №1 своевременно не отстреливалась и что кабель-мачта перегорала. Помощники С.П.Королева, которым полагалось знать все, что происходит на изделии, не могли не доложить ему о какой-либо достаточно существенной нештатной ситуации на борту. Это так же было частью его системы обеспечения безопасности! По возвращению изделия ЗКА №1 ему доложили, а дальше решение принимал он.

Попытаемся реконструировать мысль Сергея Павловича:

«Мы сумели обогнать американцев, выйдя в космос первыми. И на орбите, похоже, тоже должны быть первыми, так как с орбитальным вариантом «Меркурия» у них дела не очень хорошие. Барахлят ракеты: у первого «Меркурия» ракета-носитель «Атлас» разрушилась на активном участке; второй пуск прошел успешно, но был суборбитальным, всего 5,5 км/сек. ускорение набрали; не рискнули сразу на орбиту выйти, конструкцию ракеты надо усиливать. Третий пуск через месяц; собираются выйти на орбиту и тут же выполнить сход; значит, корабль пока даже на виток не способен. Но все же полет пилотируемого «Меркурия» по баллистической траектории близок: провели уже два беспилотных пуска – 19 декабря и 31 января. Даже обезьянка слетала, правда, не штатно, но ведь жива – здорова. Последняя отработка САС (системы аварийного спасения) будет на днях, и вполне они могут в апреле пойти на пилотируемый пуск «Меркурия». Правда, по баллистической траектории, но все же… Если будем с ЗКА №1 разбираться, дорабатывать, перепроверять… может получиться так, что американцы окажутся в космосе первыми».

Он не мог допустить, чтобы советский человек в космосе был не первым. Такого быть не должно! В конце концов, что такое неотделение гермоплаты с кабель-мачтой при разделении? Ведь весь остальной полет прошел без замечаний по кораблю. Да и спускаемый аппарат все-таки отделился от приборного отсека при перегорании кабель-мачты. Кстати, а почему эту ситуацию нельзя считать еще одним вариантом резервного отделения? Метку программно-временного устройства на разделение в целом дублирует команда от термодатчиков. Так почему команду на отстрел гермоплаты от СА нельзя дублировать перегоранием кабель-мачты в плотных слоях атмосферы?

Значительно позже теоретики логики управления космическими кораблями введут понятие рассмотренных и нерассмотренных нештатных ситуаций (НШС). Рассмотренная НШС – это когда проектно предусмотрено парирование этой НШС. В нашем случае это введение дублирующей команды на разделение от термодатчиков. В нерассмотренной НШС выход из нее, если он возможен, осуществляется с помощью ситуационного управления. В данном случае мы имеем типичный пример нерассмотренной НШС и блестящего выхода из нее, который выбирает С.П.Королев. Он верит в свою систему обеспечения безопасности космического изделия.

«В данном случае сама природа, вписываясь в систему, подсказывает необходимые решения. И, в конце концов, впереди еще один корабль с манекеном. Опробуем на нем эту, теперь уже рассмотренную, «нерассмотренную» ситуацию»!»

Полет ЗКА №2 повторяет результат ЗКА №1 – работа без замечаний за исключением замечания по отделению кабель-мачты.

Для того, чтобы не вносить сумятицу в головы своих молодых коллег, С.П.Королев не предает широкой гласности эту акцию. Доработка схем и конструкций кораблей «Восток» будет реализована в этой части только после полета «Восток-2» с Германом Титовым.

А доработка заключалась в следующем: кабели, по которым транслировалась команда на пиропатроны отделения гермоплаты, были проложены по штатным трактам, этим исключалось ошибочное действие пироножей, разрубающих при разделении кабели связей между спускаемым аппаратом и приборным отсеком.

Кроме так называемых нерассмотренных нештатных ситуаций, описанных выше, не минули гагаринский корабль и нештатные ситуации рассмотренные.

Выражались они в следующем:

– после выключения тормозной двигательной установки (ТДУ) космический аппарат начал неконтролируемое ускоряющееся вращение по всем трем осям;

– разделение спускаемого аппарата и приборного отсека произошло не через 1 0 секунд после выключения ТДУ, а приблизительно через 10 минут.

Обе эти нештатные ситуации являлись следствием одного отказа. Давайте разберемся, каким образом они сформировались:

1. При включении тормозной установки осуществляется предварительный наддув баков горючего и окислителя за счет подачи сжатого газа из шар- баллона в разделительные мешки баков. Горючее и окислитель поступают в камеру сгорания ТДУ, в которой происходит самовоспламенение компонентов топлива, двигатель запускается. Для организации более надежного распыления и воспламенения топлива был применен предварительный наддув камеры сгорания газом из шар-баллона наддува. Для развязки полости сопла двигателя и разделительного мешка бака горючего был установлен обратный клапан наддува камеры (ОКНК), который должен был закрыться при появлении рабочего давления в камере сгорания. Однако при реальном полете ОКНК закрывался не полностью, в результате чего горючее поступало как в камеру сгорания, так и (нештатно) в полость разделительного мешка. То есть имела место нерасчетная потеря горючего. Это не могло быть использовано для выработки тормозного импульса. В результате такой «перекачки» горючего не хватило на отработку штатного импульса тяги, и прекращение нормальной работы двигателя произошло за секунду до формирования интегратором главной команды (ГК), по которой произошло бы штатное выключение двигателя.

Дальше происходит следующее. Арматура ТДУ остается открытой, по открытым трактам газ наддува и окислитель под давлением порядка 60 атмосфер продолжают поступать в камеру сгорания и в рулевые сопла по тангажу, крену и рысканию. Поскольку процесс истечения смеси газа наддува и окислителя через камеру и, в особенности, через рулевые сопла был произвольным и неконтролируемым, возникло мощное возмущающее воздействие на космический аппарат, что привело к его ускоряющейся закрутке вокруг центра масс.

2. Из-за неформирования главной команды не запускается цикл «Разделение» программно-временного устройства (ПВУ), обеспечивающий метку на разделение спускаемого аппарата и приборного отсека через 10 секунд и не вводится условие на включение пиропатронов от ПВУ.

К счастью, разобранные нами нештатные ситуации относятся к категории «рассмотренных» НШС, т.е. для парирования их имелись заранее проработанные выходы:

– для приведения в необходимое состояние тормозной двигательной установки в системе ее управления имелось резервное временное устройство с гарантированным временем выключения ТДУ – 44 секунды, которое (что и произошло в нашей ситуации) не допустило раскрутки корабля до аварийных скоростей;

– для формирования резервной команды на разделение ПО и СА служит еще и система термодатчиков, взведенная по команде включения ТДУ. Система термодатчиков сработала при нагреве до 150 градусов, во время полета в атмосфере Земли.

Рассмотренные НШС, так же как и нерассмотренные, на гагаринском корабле благополучно парировались – Королёвская система обеспечения безопасности полетов полностью подтвердила свою действенность и эффективность.

В меру владения имеющимся материалом и доступности существующих документов перечислены наиболее значительные мероприятия, упомянуты основные этапы их реализации в целях достижения необходимого уровня надежности выполнения космических полетов «Востоков». Но хочется в заключение остановиться на, пожалуй, главной человеческой доминанте Королёвской системы обеспечения безопасности космических полетов. Это – необыкновенно высокая ответственность за порученное дело, за ту часть работы по подготовке космических пусков, которую брал на себя каждый исполнитель от мала до велика, от простого рабочего до Главного конструктора. Каждый чувствовал себя участником великого дела – Покорения космоса. И был им!.

Это чувство единения заставляло участников его включать все свои творческие возможности, отдавать все свои физические силы, весь интеллект на благо общего дела. И воспитание такой высокой ответственности также было одной из существенных и продуктивных сторон Королёвской системы.