Космические корабли

Программа «Аполлон»

Под этим названием в 60-х годах в США проводился огромный комплекс работ, основной задачей которого была высадка человека на Луну. Выполнение программы, престижное значение которой занимало далеко не последнее место, потребовало израсходования около 25 млрд. долл. В целом, однако, это достижение было итогом развития всей мировой науки и техники. Недаром американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин, первыми вступившие на Луну, оставили там вымпелы в честь первого космонавта планеты Ю. А. Гагарина и других советских и американских космонавтов, отдавших свою жизнь за дело освоения космоса.

Для осуществления всех предыдущих программ в США в качестве РН в той или иной мере использовались созданные ранее баллистические ракеты. Для вывода на трассу к Луне космического комплекса массой немногим меньше 50 т пришлось создать гигантскую трехступенчатую РН «Сатурн-5» длиной 110,7 м и стартовой массой (вместе с КК «Аполлон-11») 2905 т при тяге двигателей первой ступени 33 800 кН. Это само по себе представляло собой сложную задачу и требовало длительного времени, поэтому она выполнялась в несколько этапов. Вначале были созданы РН «Сатурн-1» и «Сатурн-1Би», которые применялись для отработочных полетов на околоземных орбитах.

Но даже такой огромной РН, как «Сатурн-5», оказалось недостаточно для прямого полета КК на Луну и возвращения его на Землю. Чтобы уложиться в «полезный груз», определяемый РН, специалисты рассмотрели несколько возможных схем полета со стыковкой в космосе. В принятом варианте космический комплекс состоял из двух частей: основного блока КК «Аполлон» (с маршевой двигательной установкой) массой 28,8 т и двухступенчатого лунного модуля (состоявшего из посадочной и взлетной ступеней) массой 15 т.

После повторного запуска третьей ступени РН «Сатурн-5» на орбите искусственного спутника Земли скорость всего космического комплекса доводилась до 10,83 км/с, достаточной для полета к Луне. Маршевый двигатель основного блока КК «Аполлон» включался в полете многократно. Наибольшее продолжительное время (около 6 мин) он работал для того, чтобы обеспечить выход КК с тремя космонавтами на борту на орбиту искусственного спутника Луны. Основной блок КК с одним космонавтом оставался на такой орбите, а на Луну спускался лунный модуль с двумя космонавтами. Для этого использовалась двигательная установка посадочной ступени, имевшая двигатель с регулируемой тягой.

Перед возвращением на Землю лунному модулю необходимо было вначале вновь попасть на орбиту искусственного спутника Луны и состыковаться с основным блоком КК. С этой целью использовалась взлетная ступень лунного модуля. Затем, для старта к Земле, снова включался (на 149 с) маршевый двигатель основного блока КК. Возвращаемая часть КК входила со второй космической скоростью в земную атмосферу и после торможения в ней совершала посадку на парашютах.

Общую разработку ракетно-космического комплекса в целом и самого КК осуществляли специалисты центра пилотируемых полетов в Хьюстоне. Многие из них участвовали ранее в создании КК «Меркурий», использовался также опыт, накопленный в процессе выполнения программы «Джемини». Ряд вопросов конструирования ракетно-космического комплекса, его отдельных частей и систем потребовал существенной модернизации конструкторских решений или даже нового подхода. Большое внимание уделялось надежности и особенно безопасности полета, однако полностью избежать серьезных аварий как при наземной отработке, так и в полете не удалось.

Основной блок КК «Аполлон» состоял из двух модулей (рис. 9): командного, который возвращался на Землю, и служебного с маршевой двигательной установкой и другим оборудованием, использовавшимся при полете в космическом пространстве. Масса командного модуля после приводнения составляла 5,3 т.

Состав систем и их размещение в модулях основного блока примерно соответствовали другим КК, которые использовались для орбитальных полетов. В командном модуле находилось все, что нужно было для трех космонавтов при полете до 16 сут, вплоть до приводнения. Кроме того, в его передней части размещался активный стыковочный агрегат с переходным туннелем. Этот агрегат служил для стыковки с лунным модулем, причем использовался дважды — для перестыковки (рис. 10) и на участке полета к Луне. Необходимость в перестыковке заключалась в том, что лунный модуль находился под основным блоком КК внутри переходника РН. Такая компоновка обеспечивала рациональное построение САС и защищала лунный модуль при полете РН в атмосфере. Вторая стыковка выполнялась на орбите искусственного спутника Луны.

В служебном модуле кроме маршевого двигателя тягой 91 кН, а также баков с запасом топлива до 18,5 т (аэрозин-50 + четырехокись азота) размещались двигатели реактивной системы управления в виде четырех блоков (четыре двигателя тягой по 450 Н). Эта система с запасом топлива 0,6 т (монометилгидразин + четырехокись азота) в автономных баках была полностью продублирована, в том числе по системе питания. Подобная же система, но из 12 двигателей тягой по 415 Н и запасом топлива 111 кг имелась также в командном модуле для управления КК при спуске в атмосферу.

Кроме того, в служебном модуле размещались топливные элементы системы электропитания (3 комплекта» в том числе запасной, мощностью по 1,4 кВт) с запасом жидкого кислорода и водорода в специальных баках. Имелись также отдельные баки с жидким кислородом для снабжения системы жизнеобеспечения КК при полете в космическом пространстве. Помимо этого в систему электропитания входили аккумуляторные батареи емкостью 400 А. ч и статические (на твердотельных элементах) преобразователи постоянного напряжения (28 В) в переменное (117 В, 400 Гц), необходимое для электропитания аппаратуры. Среднее потребление электроэнергии составляло по КК «Аполлон» приблизительно 2 кВт.

Надежность системы электропитания, основных потребителей и распределителей электроэнергии достигалась, в частности, тем, что на борту фактически имелись две электрические независимые системы (при помощи каждой из них можно было запитывать и управлять всеми основными системами КК). В командном модуле также размещались 3 батареи аккумуляторов емкостью 98 А. ч; две из них служили дополнительным источником электроэнергии в периоды потребления пиковой мощности, еще одна использовалась только для коммутации пиросредств.

Пиротехника нашла широкое применение в ракетно-космической технике. Она используется там, где необходимо одноразовое, очень быстрое срабатывание с высокой надежностью: пиросредства просты, компактны и обладают очень высокой удельной мощностью. С их помощью обычно происходит разделение ступеней РН, сброс обтекателей, элементов САС, разделение отсеков КК, раскрытие различных элементов конструкций, отстрел крышек, производится срабатывание многочисленных клапанов в двигательных установках и других системах. Для выполнения этих действий на КК «Аполлон», например, было установлено около 300 пироустройств.

В ракетно-космической технике нашли применение так называемые дискретные пиросредства (пироболты и пиропатроны) и непрерывные пирошнуры (вытянутые кумулятивные заряды). Примером использования второго типа является устройство для отделения стыковочного шпангоута от командного модуля перед спуском в атмосферу.

Операции, выполняемые с применением пиросредств, относятся обычно к разряду наиболее ответственных, обеспечивающих безопасность экипажа и выполнение основных задач полета. Их срабатывание должно происходить с очень большой надежностью, без осечки. С другой стороны, ни в коем случае не должно произойти их случайного или самопроизвольного срабатывания. Для того чтобы выполнить все эти требования, принимается ряд мер.

На КК «Аполлон» использовался один основной тип пиропатрона. Это позволяло быстро накопить статистические данные. Каждый из двух пиропатронов имел два независимых электрических воспламенителя. Чтобы практически исключить отказы пиросредств, каждый из них запитывался от независимой аккумуляторной батареи. Вся электрическая сеть пиротехники в отличие от остальных электрических цепей выполнялась двухпроводной. Провода каждой пары скручивались и экранировались, что существенно уменьшало электромагнитные наводки.

Для успешного полета на Луну и возвращения на Землю одними из самых критичных агрегатов являлись все три двигательные установки основного блока и лунного модуля (рис. 11).

Существует большое количество схем для ракетных двигательных установок. Наиболее эффективными являются обычно двигатели с турбонасосной подачей топлива. Однако, как показывает статистика, именно турбонасосные агрегаты больше всего подвержены отказам. Вытеснительная система подачи топлива путем заполнения баков газом под высоким давлением менее эффективна, поскольку приходится увеличивать прочность баков, имеющих большие размеры, а давление в камере сгорания при этом обычно уменьшается. Тем не менее, чтобы увеличить надежность полета, применялась вытеснительная система подачи топлива во всех трех двигательных установках. Дополнительно все критичные элементы (клапаны, регуляторы, фильтры и т. д.) были зарезервированы (последовательно и параллельно).

Луна, как известно, лишена атмосферы, поэтому мягкая посадка на ее поверхность зависит целиком от ракетного двигателя. Задача посадки на Луну и последующего взлета с ее поверхности облегчается лишь меньшим притяжением Луны. Первая космическая скорость для Луны равна 1,7 км/с, поэтому тяга обоих двигателей лунного модуля и запасы топлива были сравнительно невелики. Однако спуск с использованием реактивной тяги выдвинул дополнительную проблему — необходимость ее «глубокого» регулирования. Двигатель посадочной ступени лунного модуля мог изменять свою тягу от 4,6 до 28,0 кН и, кроме того, имел возможность увеличивать тягу до 46,5 кН. Это достигалось в первую очередь за счет применения форсунок изменяемого сечения. Запас топлива (аэрозин-50 + четырехокись азота) в баках составлял 8,2 т.

Подобно маршевому двигателю служебного модуля, двигатель посадочной ступени лунного модуля для управления по тангажу и курсу устанавливался в карданном подвесе и отклонялся при помощи рулевых приводов. Двигатель взлетной ступени лунного модуля, создаваемый более простым для обеспечения максимальной надежности, устанавливался неподвижно. Он имел тягу 15,6 кН и запас топлива в баках 2,36 т.

Такой же подход, с многократным резервированием, использовался и при проектировании трех систем двигателей реактивной системы управления (на командном модуле, служебном модуле и взлетной ступени лунного модуля). Причем на взлетной ступени лунного модуля было расположено 16 двигателей тягой по 450 Н, объединенных в 4 группы, а также баки с суммарным запасом топлива (аэрозин-50 + четырехокись азота) 266 кг.

Специфика полета на Луну вызвала повышенные требования к точности измерений и к характеристикам ряда систем. Например, очень точно приходилось решать навигационные задачи, особенно для определения корректирующих маневров на участках полета Земля — Луна и Луна — Земля. На первом участке это требовалось для обеспечения выхода на окололунную орбиту, а на втором — для попадания в узкий коридор входа в земную атмосферу. Ширина этого коридора, ограниченного с одной стороны «стеной» ее слишком плотных слоев, а с другой — «бездонной пропастью» космоса, не превышала 42 км.

Положение КК «Аполлон» определялось как наземными, так и бортовыми средствами. Данные, полученные американскими космонавтами при помощи секстанта, вводились в бортовую цифровую вычислительную машину. Причем обычно выполнялось несколько попыток со статистической оценкой результатов, производимой самой этой машиной. На окололунной орбите только комбинированное использование результатов бортовых и наземных измерений позволяло получать необходимые параметры с требуемой точностью.

При больших удалениях от Земли усложнялось выполнение всех функций радиотехнического комплекса. Для связи с КК была разработана и использовалась унифицированная радиосистема, работавшая в дециметровом диапазоне длин волн. С помощью этой радиосистемы обеспечивалось поддержание двухсторонней голосовой связи с космонавтами, передача с борта телевизионных изображений и телеметрической информации, траекторные измерения, передача на борт радиокоманд и уставок.

Прием и передача на основной блок КК «Апполон» осуществлялись через четыре всенаправленные и одну остронаправленную антенны. Остронаправленная антенна, установленная в хвостовой части служебного модуля, раскрывалась после старта к Луне на расстоянии 4500 км от Земли. Эта антенна, имевшая регулируемую диаграмму направленности, автоматически наводилась на Землю при помощи следящих приводов.

Приемопередатчик этой унифицированной системы устанавливался также и на лунном модуле. Связь поддерживалась через две всенаправленные и одну поворотную остронаправленную антенны. Для повышения качества телевизионного изображения космонавты после выхода на поверхность Луны разворачивали трехметровую антенну с параболическим отражателем.

На командном и лунном модулях имелись также приемопередатчики для поддержания прямой голосовой связи, работавшие в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах. Эта аппаратура, установленная на командном модуле, использовалась, кроме того, для обнаружения космонавтов и связи с ними после приводнения. Причем на случай приводнения на большом удалении от расчетной точки посадки предусматривалась связь через аппаратуру КВ-диапазона.

Активные операции по сближению для стыковки на селеноцентрической орбите при нормальном протекании полета выполнялись взлетной ступенью лунного модуля. Взаимное положение и относительная скорость (угловая и по дальности) определялись при помощи радиолокатора, работавшего в диапазоне от 15 м до 740 км. На основном блоке КК был установлен приемоответчик, однако на небольших расстояниях радиолокатор мог работать и без него. При сближении происходил непрерывный обмен информацией между радиолокатором и бортовой цифровой вычислительной машиной, которая вырабатывала команды управления радиолокатором и вычисляла величины корректирующих импульсов, обеспечивающих встречу на орбите.

В случае необходимости активную роль по сближению мог выполнять и основной блок КК. Для этой цели с использованием УКВ-приемопередатчика была предусмотрена возможность определения дальности до лунного модуля, на котором был установлен дополнительный приемоответчик. Для управления спуском на Луну предназначался отдельный радиолокатор, с помощью которого определялись высота и скорость спуска. Информация, которая вырабатывалась радиолокатором, поступала в бортовую цифровую машину и на индикаторы пульта космонавтов.

Уже говорилось, что во всех первых трех пилотируемых программах США создавалась чисто кислородная атмосфера в кабинах КК. Однако только в начале экспериментальной работы над КК «Аполлон» американские специалисты по-настоящему ощутили всю опасность такого подхода. Как известно, при подготовке первого пилотируемого КК «Аполлон» произошел пожар в командном модуле, в результате которого погибли космонавты В. Гриссом, Э. Уайт и Р. Чаффи. Причиной пожара стало возгорание элементов кабины в среде чистого кислорода в результате замыкания в электрической цепи.

Специальная комиссия в течение 2,5 мес проводила тщательное и всестороннее расследование причин аварии и выработку ряда рекомендаций по изменению конструкции, материалов, процедуры и условий испытаний. В результате было внесено большое число изменений в конструкцию, заменены многие материалы и детали кабины. В частности, был полностью переработан механизм входного люка командного модуля, после чего он мог открываться изнутри за 2 с (вместо 60–90 с, как было раньше). Оценивалось, что доработки удлинили сроки выполнения программы на 1,5 года.

После наземного пожара самой тяжелой была авария с КК «Аполлон-13», на котором произошел взрыв кислородного бака в служебном модуле. Характерна и поучительна причина этого взрыва — сочетание скрытого конструктивного дефекта и эксплуатационной ошибки. При наземных испытаниях через электрический нагреватель случайно прошел повышенный ток, расплавивший изоляцию; в полете нагреватель включился и возникло короткое замыкание. Аварии могло и не быть, если этот элемент не имел бы прямого контакта с кислородом. Чтобы вернуться на Землю, облетев Луну (только в этом случае космонавты могли вернуться на Землю), космонавты Дж. Ловелл, Дж. Суиджерт и Ф. Хейс воспользовались лунным модулем с его кислородом, электроэнергией, двигателями и другим оборудованием.

Эффективное управление обеспечивало вход КК «Аполлон» в земную атмосферу со второй космической скоростью и торможение в атмосфере. Приводнение командного модуля выполнялось на системе парашютов — три основных парашюта снижали скорость приводнения до 8 м/с. При отказе одного из парашютов эта скорость могла быть до 10,5 м/с, однако и при этом обеспечивалась безопасная посадка. Именно такой случай произошел при спуске на Землю КК «Аполлон-15».

Для того чтобы уменьшить нагрев боковой конической поверхности командного модуля в атмосфере при возвращении на Землю, конусность модуля увеличивали (до угла раскрыва 66°), когда величина суммарного теплового потока достигала 100 тыс. ккал/м². Но как нередко бывает, решение одной проблемы создало другую. При такой форме командный модуль имел в воде два устойчивых положения, и нередко после приводнения космонавты оказывались вниз головой в кабине, раскачивающейся на волнах. На возвращение в нормальное положение, а для этого надувались специальные баллоны, уходило несколько минут. Эти минуты были нелегкими дополнительными испытаниями для космонавтов, возвращавшихся на Землю после продолжительного пребывания в невесомости.

Ряд систем, которыми снабжался ракетно-космический комплекс на случай возникновения аварийных ситуаций, так и не был испытан в полете. К ним, например, относилась САС, которая была подобна созданной для КК «Меркурий». При возникновении аварии при спуске на Луну предусматривалось спасение космонавтов и возвращение их в основной блок КК «Аполлон». При отказах посадочной ступени или других систем лунного модуля предполагалось аварийное разделение ступеней и возвращение на орбиту с помощью двигательной установки взлетной ступени. В распоряжении космонавтов находилась резервная система управления, способная выполнить все необходимые операции.

Надо сказать, что характерной особенностью подготовки и проведения космических полетов является детальное планирование не только всех этапов основной программы, но и дополнительных резервных вариантов — так называемых нештатных ситуаций. И хотя на самом деле расчетные (т. е. заранее разработанные) нештатные ситуации, как правило, не происходят — не реализуются в полете (жизнь, как всегда, оказывается гораздо богаче любых моделей), тем не менее такой подход к проектированию ракетно-космической техники и соответствующая подготовка программы оказывают неоценимую услугу для обеспечения надежности и безопасности полетов.

11 КК «Аполлон» использовались при отработке и полетах к Луне (6 из 9 полетов к Луне включали в себя посадку лунного модуля на ее поверхность). Кроме того, основной блок КК «Аполлон» применялся для доставки трех экспедиций американских космонавтов на орбитальную станцию «Скайлэб» и при осуществлении программы ЭПАС (с помощью РН «Сатурн-1Би»). Всего в полетах на КК «Аполлон» приняли участие 39 различных американских космонавтов[2].