Космический аппарат, используемый для полетов по околоземной орбите, в том числе под управлением человека.
Все космические корабли можно разделить на два класса: пилотируемые и запускаемые в режиме управления с поверхности Земли.
В начале 20-х гг. XX в. К. Э. Циолковский в очередной раз предсказывает будущее освоение космического пространства землянами. В его работе «Космический корабль» встречается упоминание о так называемых небесных кораблях, основное предназначение которых - реализация полетов человека в космос.
Первые космические корабли серии «Восток» создавались под чутким руководством генерального конструктора ОКБ-1 (ныне ракетно-космическая корпорация «Энергия») С. П. Королева. Первый пилотируемый космический корабль «Восток» смог доставить в космическое пространство человека 12 апреля 1961 г. Этим космонавтом был Ю. А. Гагарин.
Основными задачами, поставленными в эксперименте, были:
1) изучение воздействия условий орбитального полета на человека, в том числе и на его работоспособность;
2) проверка принципов конструирования космических кораблей;
3) отработка конструкций и систем в реальных условиях.
Общая масса корабля составляла 4,7 т, диаметр - 2,4 м, длина - 4,4 м. Среди бортовых систем, которыми был оснащен корабль, можно выделить следующие: системы управления (автоматический и ручной режимы); система автоматической ориентации на Солнце и ручной - на Землю; система жизнеобеспечения; система терморегулирования; система приземления.
В дальнейшем наработки, полученные при реализации программы космических кораблей «Восток», позволили создать намного более совершенные . На сегодняшний день «армада» космических кораблей очень наглядно представлена американским многоразовым транспортным космическим кораблем «Шаттл», или Space Shuttle.
Нельзя не упомянуть про советскую разработку, которая в настоящее время не используется, но могла бы составить серьезную конкуренцию американскому кораблю.
«Буран» - так называлась программа Советского Союза по созданию многоразовой космической системы. Работы по программе «Буран» начались в связи с необходимостью создания многоразовой космической системы как средства сдерживания потенциального противника в связи с началом американского проекта в январе 1971 г.
Для реализации проекта было создано НПО «Молния». В кратчайшие сроки в 1984 г. при поддержке более тысячи предприятий со всего Советского Союза был создан первый полномасштабный экземпляр со следующими техническими характеристиками: его длина составила более 36 м при размахе крыльев в 24 м; стартовая масса - более 100 т при массе полезного груза до
30 т.
«Буран» имел в носовом отсеке герметичную кабину, которая могла вместить около десяти человек и большую часть аппаратуры для обеспечения полета на орбите, спуска и посадки. Корабль был оснащен двумя группами двигателей в конце хвостового отсека и в передней части корпуса для маневрирования, впервые была использована объединенная двигательная установка, которая включала топливные баки окислителя и горючего, термостатирования наддува, забора жидкости в невесомости, аппаратуру системы управления и пр.
Первый и единственный полет космический корабль «Буран» совершил 15 ноября 1988 г. в беспилотном, полностью автоматическом режиме (для справки: «Шаттл» до сих пор совершает посадку только на ручном управлении). К сожалению, полет корабля совпал с тяжелыми временами, которые начались в стране, и в связи с окончанием «холодной войны» и отсутствием достаточных средств программа «Буран» была закрыта.
Начало серии американских космических кораблей типа «Шаттл» было положено в 1972 г., хотя ему предшествовал проект многоразового двухступенчатого летательного аппарата, каждая ступень которого была похожа на реактивный .
Первая ступень выполняла функцию ускорителя, которая после выхода на орбиту заканчивала свою часть задачи и возвращалась на Землю с экипажем, а вторая - являлась орбитальным кораблем и после выполнения программы также возвращалась на место старта. Это было время гонки вооружений, и создание корабля такого типа считалось главным звеном в этой гонке.
Для запуска корабля американцы используют ускоритель и собственный двигатель корабля, топливо для которого размещено во внешнем топливном баке. Отработавшие ускорители после приземления на используются повторно, с ограниченным количеством стартов. Конструктивно корабль серии «Шаттл» состоит из нескольких основных элементов: воздушно-космический самолет «Орбитер», ракетные ускорители многоразового пользования и топливный бак (одноразовый).
Первый полет космического корабля из-за большого количества недоработок и конструктивных изменений состоялся лишь в 1981 г. В период с апреля 1981 по июль 1982 г. была проведена серия орбитальных летных испытаний корабля «Колумбия» во всех режимах полета. К сожалению, в серии полетов кораблей серии «Шаттл» не обошлось без трагедий.
В 1986 г. во время 25-го по счету запуска корабля «Челленджер» произошел взрыв топливного бака из-за несовершенства конструкции аппарата, в результате которого погибли все семь членов экипажа. Лишь в 1988 г., после внесения ряда изменений в программу полетов, был осуществлен запуск космического корабля «Дискавери». На смену «Челленджеру» в эксплуатацию был введен новый корабль «Эндевор», который осуществляет свои рейсы с 1992 г.
Интересно посмотреть, как разные люди решают одну и ту же задачу. У каждого есть свой опыт, свои начальные условия, но, когда цель и требования схожие, решения этой задачи функционально похожи друг на друга, хотя могут различаться в конкретной реализации. В конце 50-х годов и СССР и США стали разрабатывать пилотируемые корабли для первых шагов в космос. Требования были схожими - экипаж один человек, время нахождения в космосе - до нескольких суток. Но вот аппараты получились разные, и, как мне кажется, было бы интересно их сравнить.
Введение
Ни СССР, ни США не знали, что ждет человека в космосе. Да, в полётах на самолёте можно воспроизвести невесомость, но длительностью всего ~30 секунд. Что будет с человеком при длительной невесомости? Врачи пугали невозможностью дышать, пить, видеть (якобы глаз должен потерять свою форму из-за неверной работы глазных мышц), соображать (пугали сумасшествием или потерей сознания). Знание о космических частицах высокой энергии приводило к мыслям о радиационных поражениях (и даже после полётов регулярно в газетах всплывали жуткие версии о лучевой болезни летавших космонавтов). Поэтому первые корабли были рассчитаны на небольшое время нахождения в космосе. Длительность первых полётов измерялась минутами, последующих - часами, или витками вокруг Земли (один виток - примерно 90 минут).Средства выведения
Главным фактором, влияющим на дизайн корабля была 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 США всё никак не могли отработать базовый двухступенчатый «Атлас», и первый теоретически возможный вариант «Атлас-Аджена» полетел только в начале 1960 года. В результате получился анекдот - советские «Востоки» весили 4,5 тонны, а масса «Меркурия» была сравнима с массой «Спутника-3» - 1300 кг.Внешние элементы конструкции
Рассмотрим сначала наружную часть кораблей:
«Восток»
«Меркурий»
Форма корпуса
«Восток» на участке выведения находился под сбрасываемым обтекателем. Поэтому конструкторов не волновала аэродинамичность форм корабля, а также можно было спокойно размещать антенны, баллоны, жалюзи терморегуляции и прочие хрупкие элементы на поверхности аппарата. 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 были убираемыми.
Теплозащита
При создании «Востока» конструкторы исходили из решений, дающих максимальную надежность. Поэтому форму спускаемого аппарата выбрали в виде шара. Неравномерность распределения веса обеспечивала эффект «ваньки-встаньки», когда спускаемый аппарат самостоятельно, без какого-либо управления, устанавливался в правильное положение. А теплозащита наносилась на всю поверхность спускаемого аппарата. При торможении о плотные слои атмосферы воздействие на поверхность шара было неравномерным, поэтому слой теплозащиты имел различную толщину.
Слева: обтекание сферы на гиперзвуковой скорости (в аэродинамической трубе), справа: неравномерно обгоревший спускаемый аппарат «Восток-1».
Коническая форма «Меркурия» означала, что теплозащита потребуется только снизу. С одной стороны, это экономило вес, с другой стороны, неверная ориентация корабля при входе в плотные слои атмосферы означала высокую вероятность его разрушения. На верхней части корабля стоял специальный аэродинамический спойлер, который должен был перевернуть «Меркурий» кормой вперед.
Слева: конус на гиперзвуковой скорости в аэродинамической трубе, справа: теплозащита «Меркурия» после посадки.
Что любопытно, материал теплозащиты был схожим - на «Востоке» пропитанная смолой асбестовая ткань, на «Меркурии» - стекловолокно и резина. В обоих случаях тканеподнобный материал с наполнителем сгорал послойно, а наполнитель испарялся, создавая дополнительный слой теплозащиты.
Тормозная система
Тормозной двигатель «Востока» был недублированным. С точки зрения безопасности это было не очень хорошим решением. Да, «Востоки» запускались так, чтобы в течение недели затормозиться естественным образом об атмосферу, но, во-первых, уже в полёте Гагарина орбита была выше расчетной, что фактически «выключало» эту резервную систему, а во-вторых, естественное торможение означало посадку где угодно от 65 градуса северной широты до 65 градуса южной широты. Причина этого конструктивная - два ЖРД в корабль не влезали, а твердотопливные двигатели тогда не были освоены. Надежность ТДУ повышала максимальная простота конструкции. Бывали случаи, когда ТДУ давала чуть меньший импульс, чем нужно, но полного отказа не было ни разу.
ТДУ «Востока»
На «Меркурии» за теплозащитным щитом стоял блок двигателей разделения и торможения. Оба типа двигателей были установлены в трех экземплярах для большей надежности. Двигатели разделения включались сразу после выключения двигателей ракеты-носителя для того, чтобы корабль отошёл от ракеты-носителя на безопасное расстояние. Тормозные двигатели включались для схода с орбиты. Для того, чтобы вернуться с орбиты, было достаточно одного сработавшего тормозного двигателя. Блок двигателей крепился на стальных лентах и сбрасывался после торможения.
ТДУ «Меркурия»
Система посадки
На «Востоках» пилот садился отдельно от корабля. На высоте 7 км космонавт катапультировался и садился самостоятельно на парашюте. Для большей надежности, парашютная система была дублирована.
На «Меркуриях» использовалась идея посадки на воду. Вода смягчала удар, а большой флот США не испытывал трудностей с поиском капсулы в океане. Для смягчения удара о воду раскрывался специальный воздушный мешок-амортизатор.
История показала, что посадочные системы оказались самыми опасными в проектах. Гагарин чуть не сел в Волгу, Титов приземлился рядом с поездом, Попович чуть не поломался на камнях. Гриссом чуть не утонул вместе с кораблем, а Карпентера искали больше часа и уже начали считать погибшим. В последующих кораблях не было ни катапультирования пилота, ни подушки-амортизатора.
Системы аварийного спасения
Штатная система катапультирования космонавта на «Востоке» могла работать как система спасения на начальном участке траектории. В обтекателе было отверстие для посадки космонавта и аварийного катапультирования. Парашют мог не успеть раскрыться в случае аварии на первых секундах полёта, поэтому справа от стартового стола была натянута сетка, которая должна была смягчить падение.
Сетка внизу на переднем плане
На большой высоте корабль должен был отделиться от ракеты, используя штатные средства разделения.
На «Меркуриях» стояла система аварийного спасения, которая должна была увести капсулу от разрушающейся ракеты начиная от старта и до конца плотных слоёв атмосферы.
В случае аварии на большой высоте использовалась штатная система разделения.
Катапультируемые кресла в качестве системы спасения использовались на «Джемини», а также испытательных полётах «Спейс Шаттла». САС в стиле «Меркурия» стояла на «Аполлонах» и до сих пор ставится на «Союзы».
Двигатели ориентации
В качестве рабочего тела для ориентации на корабле «Восток» использовался сжатый азот. Главным достоинством системы была простота - газ содержался в шар-баллонах и выпускался с помощью простой системы.На корабле «Меркурий» 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. А ведь её запас нужно было сохранить для операций по ориентации при посадке… Астронавты негласно соревновались между собой, кто потратит меньше перекиси, а увлекшийся фотографией Карпентер попал в серьезную переделку - он неэкономно тратил рабочее тело на ориентацию и перекись закончилась в процессе посадки. К счастью, высота была ~20 км и катастрофы не случилось.
В дальнейшем перекись как рабочее тело использовалась на первых «Союзах», а затем все перешли на высококипящие компоненты НДМГ/АТ.
Система терморегуляции
На «Востоках» использовались жалюзи, которые то открывались, увеличивая излучающую площадь корабля, то закрывались.На «Меркуриях» стояла система, использующая испарение воды в вакууме. Она была компактней и легче, но проблем с ней было больше, например, в полёте Купера она знала только два состояния - «жарко» и «холодно».
Внутренние элементы конструкции
Внутренняя компоновка корабля «Восток»:
Внутренняя компоновка корабля «Меркурий»:
Панель инструментов
Панели инструментов нагляднее всего показывают разницу подходов в проектировании. «Восток» делали проектировщики ракет, поэтому его панель инструментов отличается минимумом элементов управления:
Фотография
Левая панель.
Основная панель.
«Меркурий» же делали бывшие конструкторы самолётов, да и астронавты прилагали усилия к тому, чтобы кабина была для них привычной. Поэтому элементов управления гораздо больше:
Фотография.
Схема.
В то же время схожесть задач породила одинаковые приборы. И на «Востоке» и на «Меркурии» был глобус с часовым механизмом, показывающий текущее положение аппарата и расчетное место посадки. И на «Востоках» и на «Меркуриях» были индикаторы этапов полёта - на «Меркуриях» это «Управление полётными операциями» на левой панели, на «Востоках» - индикаторы «Спуск-1», «Спуск-2», «Спуск-3» и «Приготовиться к катапультированию» на центральной панели. На обоих кораблях была система ручной ориентации:
«Взор» на «Востоках». Если на периферийной части со всех сторон горизонт, а Земля в центре движется снизу вверх, то ориентация на торможение правильная.
Перископ на «Меркуриях». Отметки показывают правильную ориентацию на торможение.
Система жизнеобеспечения
На обоих кораблях полет производился в скафандрах. В «Востоке» поддерживалась атмосфера близкая к земной - давление 1 атм, в воздухе кислород и азот. На «Меркуриях» для экономии веса атмосфера была чисто кислородная при пониженном давлении. Это добавляло неудобств - астронавту нужно было около двух часов перед пуском дышать в корабле кислородом, при выведении нужно было стравливать атмосферу из капсулы, затем перекрывать вентиляционный клапан, а при посадке снова открывать его для повышения давления вместе с атмосферным.Санитарно-гигиеническая система была более продвинутая на «Востоках» - летая несколько суток была возможность удовлетворения большой и малой потребностей. На «Меркурии» стояли только мочеприемники, от больших гигиенических проблем спасала специальная диета.
Электросистема
Оба корабля использовали энергию аккумуляторов. «Востоки» были повыносливее, на «Меркуриях» суточный полёт Купера завершался в условиях отказа доброй половины приборов.Заключение
Оба типа кораблей были вершиной техники своих стран. Будучи первыми, оба типа имели как удачные решения, так и неудачные. Идеи, заложенные в «Меркурий» живут в системах спасения и конических капсулах, а внуки «Востока» до сих пор летают - «Фотоны» и «Бионы» используют такие же сферические спускаемые аппараты:
В целом, «Востоки» и «Меркурии» оказались хорошими кораблями, позволившими сделать первые шаги в космос, и избежавшими фатальных происшествий.
Пилотируемый космический корабль - это космический аппарат, предназначенный для полета людей и имеющий все необходимые средства для работы при выведении на орбиту (с помощью РН), выполнения задач полета в космосе и возвращения экипажа на Землю. Обязательными признаками пилотируемого космического корабля (КК) являются наличие на борту экипажа и способность осуществлять полет по замкнутому циклу: Земля - космос - Земля.
Задачи полетов и направления использования
Первые космические корабли - советский «Восток» и американский «Меркурий» - предназначались для первых полетов человека в космос и были относительно просты по конструкции и используемым системам.
Разработка КК «Восход» и «Джемини» позволила провести серию технических экспериментов, а создание и эксплуатация КК «Союз» и «Аполлон», включая их совместный полет, положили начало использованию пилотируемых КК в транспортных полетах к долговременным орбитальным станциям, в дальних космических полетах, в операциях по спасению в космосе и т. п. Таким образом, на первый план вышла практическая направленность космических полетов, а решаемые при этом задачи стали определяющим фактором в разработке пилотируемых КК.
Космическая техника является относительно молодой и бурно развивающейся отраслью промышленности, а фундаментальные задачи освоения космоса находятся в стадии становления. Это затрудняет четкую классификацию пилотируемых КК, однако одним из признаков классификации можно считать уже сложившиеся или прогнозируемые на будущее основные направления использования КК: полеты одиночных кораблей; экспериментальные орбитальные полеты; транспортные полеты пилотируемых КК; дальние полеты КК; полеты космических кораблей - спасателей; полеты пилотируемых КК для ремонта или сборки на орбите.
Полеты одиночных кораблей (автономные полеты) по орбитам искусственного спутника Земли начинали освоение космического пространства. КК «Восток» и «Меркурий» были специально разработаны для таких полетов. В настоящее время для автономных полетов используются КК, созданные в других целях и доработанные для выполнения конкретной задачи полета. Так, при полете доработанного корабля «Союз-13» (1973 г.) был проведен ряд исследований, включая астрофизические, а при полете КК «Союз-22» (1976 г.) - фотографирование территории СССР в интересах народного хозяйства.
Экспериментальные орбитальные полеты имеют целью проведение технических экспериментов. Например, на КК «Восход» и «Джемини» отрабатывались средства выхода человека в космическое пространство (1965 г.), а на КК «Джемини-8» совместно с ракетной ступенью - методы сближения и стыковки (1966 г.). Большое значение имел полет КК «Союз-4» и «Союз-5» (1969 г.), в котором была выполнена их стыковка и переход двух космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.
Транспортные полеты пилотируемых КК к долговременным станциям предназначены для доставки на борт станций экипажа и. его возвращения на Землю, а также транспортирования небольшого груза. Такими были полеты КК «Союз» к станциям «Салют» и транспортного варианта КК «Аполлон» к станции «Скайлэб».
Дальние полеты КК проводились по американской программе «Аполлон», в ходе которой была осуществлена первая посадка на Луну пилотируемого КА (20 июля 1969 г.). В Советском Союзе был разработан КК-станция «Зонд», который впервые совершил после облета Луны вход в атмосферу Земли со второй космической скоростью сначала по баллистической траектории с посадкой в Индийский океан («Зонд-5», сентябрь 1968 г.) и затем по траектории управляемого спуска с приземлением на территории СССР («Зонд-6», ноябрь 1968 г.). Этот экспериментальный корабль мог быть оборудован и как пилотируемый.
Космические корабли-спасатели предназначены для спасения экипажей терпящих бедствие пилотируемых КК и станций и представляют новое возможное направление использования. В задачи программы «Союз» - «Аполлон» входила разработка и проверка в полете экспериментальных совместимых средств сближения и стыковки, необходимых не только для совместных полетов, но и для операций по спасению.
Полеты пилотируемых кораблей для ремонта или сборки на орбите - обязательный компонент будущих программ. Создание больших конструкций на орбите (например, электростанций или антенн) может потребовать прямого участия человека в операциях сборки или ремонта.
Особенности пилотируемых КК
Появление человека на борту существенно изменяет облик космического аппарата, его характеристики, подход к проектированию и разработке. Это связано не только с необходимостью обеспечения человека всем необходимым для жизни в необычных для него условиях космического полета, но и с возможностью организации ручного управления полетом космического корабля (КК) и работой его систем. Иные основы лежат в подходе к постановке и реализации целей полета, так как необходимо учитывать различные аспекты деятельности экипажа и его безопасность. Особенности пилотируемых КК определяются, в частности, следующими основными факторами: возвращением на Землю; условиями жизни и деятельности экипажа; безопасностью полета.
Возвращение на Землю является обязательной операцией для каждого пилотируемого КК. При выполнении орбитального полета в этих целях осуществляется торможение КК для перехода на траекторию спуска. Для дальних полетов необходимы коррекции траектории возвращения. Это требует наличия у КК силовой установки для изменения траектории движения и ряда других систем (например, системы ориентации и управления движением, системы ее исполнительных органов, системы электропитания).
Для возвращения на Землю пилотируемый КК должен иметь средства защиты от аэродинамического нагрева и средства посадки. Обычно спуск и приземление экипажа осуществляются в специализированном отсеке - спускаемом аппарате (СА). При его разработке должны быть обеспечены устойчивость его движения, достаточная точность посадки и переносимость экипажем перегрузок (см. раздел 3.5).
Условия жизни экипажа в космическом полете могут быть обеспечены только внутри герметичной оболочки, для чего каждый пилотируемый КК имеет герметичный отсек с атмосферой, пригодной для дыхания и постоянно обновляемой. Наилучшими являются давление и состав газа, естественные для человека и соответствующие земным на уровне моря. Такие условия выдерживаются на КК «Союз» и «Союз Т» и станции «Салют», на КК «Аполлон» принята чисто кислородная атмосфера с пониженным давлением.
Объем и размеры жилого отсека должны позволять человеку делать привычные движения (например, распрямляться в полный рост) и соответствовать задачам и длительности полетов. Первые космические корабли «Восток», «Меркурий», «Восход» и «Джемини» из-за жестких требований по снижению их массы имели тесные кабины, кабины КК «Союз» и «Аполлон» были существенно увеличены. В жилом отсеке должны поддерживаться нормальные условия по температуре, что приводит к необходимости разработки систем терморегулирования.
Жизнь человека связана с питанием, отправлением естественных нужд, личной гигиеной и сном. Это предопределяет наличие на борту достаточных запасов пищи и воды, средств санитарно-гигиенического обеспечения, различных предметов туалета и гигиены, а также соответствующих принадлежностей и приспособлений для сна. Причем все это должно быть рассчитано на использование в условиях замкнутого объема и невесомости.
В полете экипаж подвергается различным воздействиям, изменяющимся по этапам полета. Одной из главных задач при проектировании пилотируемого КК является защита экипажа от этих воздействий и снижение их уровня, т. е. обеспечение переносимости условий космического полета.
Деятельность экипажа, связанная с управлением полетом КК и выполнением ручных операций, существенно влияет на конструкцию и системы КК. Управление полетом требует наличия рабочих мест, рационально организованных и позволяющих наблюдать внешнюю обстановку, получать информацию о работе систем КК, вести радиосвязь с Землей и другими пилотируемыми КА, пользоваться бортовой документацией, выбирать режимы работы систем КК, включать и выключать их, осуществлять ориентацию и маневрирование на орбите, сближение и стыковку, а при наличии на борту вычислительных машин - управлять их работой. Традиционно рабочее место состоит из кресла, пульта и ручек управления, иллюминаторов и оптических приборов для наблюдения.
В полете экипаж работает со многими элементами бортового оборудования, расположенными в объеме кабины экипажа (некоторые агрегаты системы обеспечения жизнедеятельности, снаряжение экипажа, ручные механизмы, научная аппаратура и т. п.).
В транспортных полетах (например, полет КК «Союз» к станции «Салют») с переходом экипажа необходимы стыковочные агрегаты с жестким соединением КК и станции и с герметизацией образующегося переходного туннеля, люк в стыковочном агрегате и система контроля герметичности стыка. Эти же особенности присущи КК «Аполлон», где предусмотрен переход из орбитального корабля в экспедиционный модуль и обратно. В экспериментальной программе «Союз»-«Аполлон» американской стороной был разработан специальный стыковочный модуль для перехода экипажей при несовместимых атмосферах внутри космических кораблей.
Если предусматривается выход человека в открытый космос, на борту корабля должны быть скафандры с соответствующей системой обслуживания, а сам корабль должен иметь шлюзовую камеру (КК «Восход»). В качестве шлюзовой камеры может использоваться один из отсеков корабля или станции (КК «Союз», станция «Салют»); выход может осуществляться и непосредственно из кабины экипажа (КК «Джемини»); в этом случае должна иметься система сброса и восстановления атмосферы и открываемый в космосе люк.
Безопасность полета имеет принципиальное значение при создании пилотируемого КК и обеспечении его высокой надежности. Для любого КА в начале разработки задается и затем подтверждается вероятность успешного выполнения задачи, или надежность выполнения программы полета, а для пилотируемых КК в дополнение к этому - вероятность обеспечения безопасности экипажа, или степень безопасности полета. Оба критерия определяются некоторыми контрольными значениями и обычно задаются - первый - на уровне 95 - 98%, второй - 99% и выше. Эти значения, не выражая степень действительного риска, являются расчетной оценкой эффективности комплекса мероприятий, проводимого в процессе разработки КК, их экспериментальной отработки и эксплуатации ради успешного выполнения программы полета и максимального исключения влияния опасных для жизни человека происшествий и условий.
Требования по безопасности влияют на облик корабля, характеристики его систем, на ракетно-космическую систему в целом и на схему полета. Помимо обеспечения надежности систем проводится их функциональное резервирование, автоматические режимы работы дополняются ручными, вводятся специальные средства спасения экипажа при авариях, устанавливаются дублирующие приборы, механизмы и т. д. Так, особенностями КК «Союз» по сравнению с беспилотными КА являются резервирование парашютной системы, ручные режимы ориентации, комплекс средств спасения при разгерметизации жилых отсеков и т. п.
При создании пилотируемого КК большое внимание уделяют анализу нештатных ситуаций (отказы, отклонения от заданных режимов или аварии) и путей выхода из них. В процессе разработки такой анализ позволяет обосновать выбор решений по резервированию и необходимым дополнительным энергетическим запасам (топливо, электроэнергия), а при подготовке полета - разработку планов действий в нештатных ситуациях (см. главу 11).
Космический корабль и ракетно-космический комплекс
Пилотируемый КК существенно влияет на весь ракетно-космический комплекс (РКК), вызывая определенные изменения в его структурных элементах по сравнению с беспилотными КА. Эти изменения связаны с установкой систем, характерных для пилотируемого полета, необходимостью работ по обслуживанию экипажа, повышенными требованиями по оперативному контролю и планированию полета и с обеспечением деятельности и безопасности экипажа на всех этапах полета.
Ракета-носитель пилотируемого КК оснащается специальными элементами для распознавания отказов и отклонений от нормальных режимов работы. Для спасения экипажа в случаях, когда необходимо своевременное прекращение полета при возникновении опасных ситуаций или выведение становится невозможным, устанавливается система аварийного спасения (подробнее см. главу 10). Эти особенности заметно влияют на конструкцию РН и решение таких вопросов, как расчетные нормы нагружения, прочность, аэродинамические характеристики, параметры траектории выведения, зоны падения отделяемых элементов и т. д. К РН предъявляются высокие требования по надежности как в целях повышения вероятности выведения КК на орбиту, так и по соображениям безопасности экипажа. Кроме мер технологического характера при изготовлении и сборке вводится резервирование систем и агрегатов, например систем управления и электропитания. На ступенях РН, имеющих несколько двигателей, могут устанавливаться системы диагностики, способные обнаружить отказ двигателя и обеспечить его выключение. Дальнейший полет в этом случае продолжается на пониженной общей тяге.
Немалое значение имеет вид применяемого на РН топлива. Известно, что двухкомпонентные высококипящие топлива типа «азотная кислота - диметилгидразин» обладают высокой токсичностью, которая при авариях на старте, а также па участке выведения в случае посадки СА в районе падения ракетного блока создает повышенную опасность для экипажа и обслуживающего персонала. Поэтому для пилотируемых РКС используются «благородные» компоненты топлива: «керосин - кислород» или «водород - кислород», обеспечивающие в то же время высокий удельный импульс двигателей.
Техническая позиция пилотируемых КК оснащена большим количеством контрольно-испытательной аппаратуры и монтажно-стыковочного оборудования, комплектуемого с учетом особенностей КК, и отличается повышенными требованиями по чистоте. В монтажно-испытательном корпусе или отдельном здании предусматривается помещение для подготовки экипажей. Для доставки экипажей на стартовую позицию используется специальный автотранспорт.
Стартовая позиция так же, как и техническая, оборудуется с учетом особенностей конструкции и подготовки пилотируемого КК к пуску. В частности, такими особенностями являются подъем экипажа на уровень КК с помощью лифтов, его посадка в КК со специальной площадки, выполнение обслуживающим персоналом заключительных операций, включая контроль герметичности, и подготовка системы аварийного спасения.
Для срочной эвакуации экипажа и персонала с верхних уровней стартового сооружения предусматриваются специальные средства (подробнее см. книгу «Космодром»).
Для командно-измерительного комплекса во время пилотируемого полета характерно максимальное использование наземных пунктов, плавучих командно-измерительных средств и связи через спутники-ретрансляторы. Работу Центра управления полетом отличает ведение радиосвязи с экипажем, контроль и планирование его деятельности и отдыха и обязательный круглосуточный посменный режим работы персонала.
Поисково-спасательный комплекс приводится в готовность еще до старта пилотируемого КК, исходя из необходимости поиска СА и эвакуации экипажа при возможных авариях РН. Особенностью работы комплекса по сравнению с обслуживанием беспилотных КА является резкое увеличение привлекаемых средств (самолеты, вертолеты, плавсредства и др.), организация радиосвязи с экипажем, его медицинское обеспечение и эвакуация.
Пилотируемый космический полет - Пилотируемый космический полёт путешествие человека в космос, на орбиту Земли и за её пределы, выполняемое с помощью пилотируемых космических аппаратов. Доставка человека в космос выполняется при помощи космических кораблей. Долговременное… … Википедия
Космический корабль - Космический аппарат (КА) техническое устройство, используемое для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также проведения исследовательских и иного рода работ на поверхности различных небесных тел. Средствами доставки… … Википедия
Космический корабль "Восход-1" - Восход 1 трёхместный космический корабль. Был выведен на орбиту 12 октября 1964 года. Экипаж состоял из командира корабля Владимира Комарова, научного сотрудника Константина Феоктистова и врача Бориса Егорова. Восход 1 был создан в ОКБ 1 (ныне… … Энциклопедия ньюсмейкеров
Пилотируемый космический полёт - Сюда перенаправляется запрос «Орбитальный космический полёт». На эту тему нужна отдельная статья. Пилотируемый космический полёт путешествие человека в космос, на орбиту Земли и за её пределы, выполняемое с помощью … Википедия
Пилотируемый космический аппарат - Российский ПКА Пилотируемый космический аппарат космический апп … Википедия
Космический корабль многоразового использования - Первый полет космического челнока НАСА «Колумбия» (Обозначение STS 1). Внешний топливный бак был покрашен в белый цвет только в нескольких первых полётах. Сейчас бак не красят для снижения веса системы. Многоразовый транспортный космический… … Википедия
Космический корабль - космический летательный аппарат, предназначенный для полёта людей (пилотируемый космический летательный аппарат). Отличительная особенность К. к. наличие герметичной кабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов. К. к. для полёта по… … Большая советская энциклопедия
Космический корабль (КК) - пилотируемый космический аппарат. Различают КК спут» ники и межпланетные КК. Имеет герметичную кабину с системой жизнеобеспечения, бортовые системы управления движением и спуском, двигательную установку, системы энергопитания и др. Выведение КК… … Словарь военных терминов
космический корабль - 104 космический корабль; ККр: Пилотируемый космический аппарат, способный маневрировать в атмосфере и космическом пространстве с возвращением в заданный район и(или) осуществлять спуск и посадку на планету. Источник: ГОСТ Р 53802 2010: Системы и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ - (КК) пилотируемый космический аппарат. Отличительная особенность пилотируемых КК наличие герметической кабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов. КК для полёта по геоцентрич. орбитам наз. кораблями спутниками, а для полёта к др. небесным … Большой энциклопедический политехнический словарь
Под многоразовым космическим кораблём подразумевается такой аппарат, конструкция которого позволяет повторно использовать весь корабль или его основные части. Первым опытом в этой сфере стал «космический челнок» Space Shuttle. Затем задачу создания аналогичного аппарата поставили советским учёным, в результате чего появился «Буран».
В обеих странах проектируют и другие аппараты. На данный момент самым заметным примером проектов такого типа является частично многоразовый Falcon 9 от компании SpaceX с возвращаемой первой ступенью.
Сегодня поговорим о том, зачем подобные проекты разрабатывали, как они показали себя с точки зрения эффективности и какие перспективы у этого направления космонавтики.
История космических челноков началась в 1967 году, до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон». 30 октября 1968 года НАСА обратилось к американским космическим компания с предложением проработать многоразовую космическую систему с целью снижения затрат на каждый пуск и на каждый килограмм полезного груза, выведенного на орбиту.
Правительству предложили несколько проектов, но каждый из них стоил не менее пяти миллиардов долларов США, так что Ричард Никсон отверг их. Планы у НАСА были крайне амбициозные: проект подразумевал работу орбитальной станции, на которую, и с которой, челноки постоянно возили бы полезные грузы. Также челноки должны были запускать и возвращать спутники с орбиты, обслуживать и ремонтировать спутники на орбите, проводить пилотируемые миссии.
Финальные требования к кораблю выглядели так:
- Грузовой отсек 4,5х18,2 метра
- Возможность горизонтального маневра на 2000 км (маневр самолета в горизонтальной плоскости)
- Грузоподъёмность 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
Решением стало создание шаттла, инвестиции в который должны были окупиться благодаря выводу на орбиту спутников на коммерческой основе. Для успеха проекта было важно максимально снизить стоимость вывода каждого килограмма груза на орбиту. В 1969 году создатель проекта говорил о снижении стоимости до 40-100 американских долларов за килограмм, в то время как для Сатурн-V этот показатель составлял 2000 долларов.
Для запуска в космос шаттлы использовали два твердотопливных ракетных ускорителя и три собственных маршевых двигателя. Твердотопливные ракетные ускорители отделялись на высоте 45 километров, затем приводнялись в океан, ремонтировались и использовались повторно. Главные двигатели используют жидкий водород и кислород в подвесном топливном баке, который отбрасывался на высоте 113 километров, после чего частично сгорал в атмосфере.
Первым прототипом «Спейс Шаттла» стал «Энтерпрайз», названный так в честь корабля из сериала «Звёздный путь». Корабль проверяли на аэродинамичность и тестировали на способность приземлиться при планировании. В космос первым отправилась «Колумбия» 12 апреля 1981 года. Фактически это тоже был испытательный пуск, хотя при этом на борту находился экипаж в составе двух астронавтов: командира Джона Янга и пилота Роберта Криппена. Тогда всё сложилось удачно. К сожалению, именно этот шаттл потерпел крушение в 2003 году с семью членами экипажа, на 28 пуске. Такая же судьба была у «Челленджера» - он выдержал 9 пусков, а на десятом - потерпел крушение. 7 членов экипажа погибли.
Хотя НАСА в 1985 году планировали по 24 запуска ежегодно, за 30 лет использования шаттлов они взлетали и вернулись 135 раз. Два из них - неудачно. Рекордсменом по количеству пусков стал шаттл «Дискавери» - он пережил 39 стартов. «Атлантис» выдержал 33 пуска, «Колумбия» - 28, «Индевор» - 25 и «Челленджер» - 10.
«Челленджер», 1983 год
Шаттлы «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор» использовались для доставки грузов на Международную космическую станцию и на станцию «Мир».
Стоимость доставки грузов на орбиту в случае со Спейс шаттлами оказалась самой высокой за всю историю космонавтики. Каждый пуск стоил от 500 миллионов до 1,3 миллиардов долларов, каждый килограмм - от 13 до 17 тысяч долларов. Для сравнения, одноразовая ракета-носитель «Союз» способна выводить в космос грузы по цене до 25 тысяч долларов за килограмм. Программа «Спейс Шаттл» планировалась как самоокупаемая, но в итоге стала одной из самых убыточных.
Шаттл «Атлантис», готовый к экспедиции STS-129 по доставке оборудования, материалов и запчастей на Международную космическую станцию. Ноябрь 2009 года
Последний полёт по программе «Спейс Шаттл» состоялся в 2011 году. 21 июля того года Землю вернулся «Атлантис». Последняя посадка «Атлантиса» ознаменовала собой конец целой эпохи. Подробно о том, что планировали, и что получилось в программе «Спейс Шаттл», читайте в этой статье.
В СССР решили, что характеристики «Спейс шаттла» позволяют похищать с орбиты советские спутники или целую космическую станцию: челнок мог выводить на орбиту 29,5 тонн груза, а спускать - 14,5 тонн. С учётом планов в 60 пусков в год это 1770 тонн ежегодно, хотя на тот момент США не отправляли в космос и 150 тонн за год. Спускать предполагалось 820 тонн в год, хотя обычно с орбиты ничего не спускалось. Чертежи и фото шаттла позволяли предположить, что американский корабль может с помощью ядерных боеприпасов атаковать СССР из любой точки околоземного пространства, находясь вне зоны радиовидимости.
Для защиты от возможного нападения на станциях «Салют» и «Алмаз» установили модернизированную автоматическую 23-миллиметровую пушку НР-23. А чтобы не отставать от американских братьев в военнизированном космосе, в Союзе начали разработку орбитального корабля-ракетоплана многоразовой космической системы «Буран».
Разработка многоразовой космической системы началась в апреле 1973 года. Сама идея имела множество сторонников и противников. Руководитель института Минобороны по военному космосу подстраховался и сделал сразу два отчёта - в пользу и против программы, и оба эти отчёта оказались на столе Д. Ф. Устинова, Министра обороны СССР. Он связался с Валентином Глушко, ответственным за программу, но тот отправил на встречу вместо себя своего сотрудника в «Энергомаше» - Валерия Бурдакова. После разговора на тему военных возможностей «Спейс Шаттла» и советского аналога, Устинов подготовил ршение, по которому разработка многоразового космического корабля получила самый высокий приоритет. За создание корабля принялось созданное для этих целей НПО «Молния».
Задачами «Бурана» по плану Минобороны СССР были: противодействие мероприятиям вероятного противника по расширению использования космического пространства в военных целях, решение задач в интересах обороны, народного хозяйства и науки, проведение военно-прикладных исследований и экспериментов с использованием оружия на известных и новых физических принципах, а также выведение на орбиту, обслуживание и возвращение на землю космических аппаратов, космонавтов и грузов.
В отличие от НАСА, которое рискнуло экипажем во время первого пилотируемого полёта шаттла, свой первый полёт «Буран» совершил в автоматическом режиме с помощью бортового компьютера на базе IBM System/370. 15 ноября 1988 года состоялся пуск, ракета-носитель «Энергия» вывела космический корабль на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Корабль совершил два витка вокруг Земли и произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный».
Во время посадки произошло происшествие, которое показало, насколько умной получилась автоматическая система. На высоте 11 километров корабль совершил резкий манёвр и описал петлю с разворотом на 180 градусов - то есть сел, зайдя с другого конца посадочной полосы. Это решение автоматика приняла после получения данных о штормовом ветре, чтобы зайти по наиболее выгодной траектории.
Автоматический режим был одним из главных отличий от шаттла. Кроме того, шаттлы садились с неработающим двигателем и не могли несколько раз заходить на посадку. Для спасения экипажа в «Буране» предусмотрели катапульту для первых двух пилотов. По сути конструкторы из СССР скопировали конфигурацию шаттлов, чего не отрицали, но сделали ряд крайне полезных нововведений с точки управления аппаратом и безопасности экипажа.
К сожалению, первый полёт «Бурана» стал последним. В 1990 году работу приостановили, а в 1993 - полностью закрыли.
Как иногда случается с предметами гордости нации, версия 2.01 «Байкал», которую хотели отправить в космос, гнил долгие годы на причале Химкинского водохранилища.
К истории вы могли прикоснуться в 2011 году. Более того, тогда от этой истории люди даже куски обшивки и теплозащитного покрытия могли оторвать. В том году корабль доставили из Химок в Жуковский, чтобы реставрировать и представить на МАКСе через пару лет.
«Буран» изнутри
Доставка «Бурана» из Химок в Жуковский
«Буран» на МАКСе, 2011 год, через месяц после начала реставрации
Несмотря на экономическую нецелесообразность, которую показала программа «Спейс Шаттл», США решили не отказываться от проектов по созданию многоразовых космических кораблей. В 1999 году НАСА вместе с Boeing начало разработку беспилотника X-37. Существуют версии, по которым аппарат предназначен для обкатки технологий будущих космических перехватчиков, способных выводить из строя другие аппараты. К такому мнению склоняются эксперты в США.
Аппарат совершил три полёта максимальной продолжительностью 674 суток. В данный момент он совершает четвёртый полёт, дата запуска - 20 мая 2015 года.
Орбитальная летающая лаборатория Boeing X-37 несёт массу полезного груза до 900 килограммов. По сравнению со «Спейс Шаттлом» и «Бураном», способными нести до 30 тонн при взлёта, Boeing - малыш. Но у него и цели другие. Начало минишаттлам положил австрийский физик Эйген Зенгер, когда в 1934 году приступил к разработке дальнего ракетного бомбардировщика. Проект закрыли, вспомнив о нём в 1944 году, к концу Второй мировой войны, но спасать Германию от поражения с помощью такого бомбардировщика было поздно. В октябре 1957 года идею продолжили американцы, запустив программу X-20 Dyna-Soar.
Орбитальный самолёт X-20 был способен после выхода на суборбитальную траекторию нырнуть в атмосферу до высоты 40-60 километров с целью сделать фото или сбросить бомбу, после чего вернуться в космос на подъёмной силе от крыльев.
Проект закрыли в 1963 году в пользу гражданской программы Gemini и военного проекта орбитальной станции MOL.
Ракеты-носители Titan для вывода X-20 на орбиту
Макет X-20
В СССР в 1969 году начали строить «БОР» - беспилотный орбитальный ракетоплан. Первый пуск провели без теплозащиты, из-за чего аппарат сгорел. Второй ракетоплан разбился из-за нераскрывшихся парашютов после успешного торможения об атмосферу. В следующих пяти пусков только один раз БОР не вышел на орбиту. Несмотря на потери аппаратов, каждый новый старт приносил важные для дальнейшей разработки данные. С помощью БОР-4 в 1980-х годах тестировали теплозащиту для будущего «Бурана».
В рамках программы «Спираль», для которой строили «БОР», предполагалось разработать самолёт-разгонник, который бы поднимался на высоту 30 километров на скорости до 6 скоростей звука, чтобы вывести орбитальный аппарат на орбиту. Эта часть программы не состоялась. Минобороны требовала аналог американского шаттла, так что силы бросили на «Буран».
БОР-4
БОР-4
Если советский «Буран» был частично скопирован с американского «Спейс Шаттла», то в случае с «Dream Chaser» всё произошло с точностью до наоборот: заброшенный проект «БОР», а именно ракетоплан версии «БОР-4», стал основой для создания многоразового космического корабля от компании SpaceDev. Вернее, «Space Chaser» основан на скопированном орбитальном самолёте HL-20.
Работы над «Бегущим за мечтой» начались в 2004 году, а в 2007 году SpaceDev договорились с United Launch Alliance об использовании для запуска ракет «Атлас-5». Первые успешные испытания в аэродинамической трубе прошли в 2012 году. Первый лётный прототип сбросили с вертолёта с высоты 3,8 километра 26 октября 2013 года.
Грузовая версия корабля по планам конструкторов сможет доставлять на Международную космическую станцию до 5,5 тонн, а возвращать до 1,75 тонны.
Свой вариант многоразовой системы в 1985 году начали разрабатывать немцы - проект назывался «Зенгер». В 1995 году, после разработки двигателя, проект закрыли, так как он дал бы выгоду только в 10-30% по сравнению с европейской ракетой-носителем «Ариан 5».
Летательный аппарат HL-20
«Dream Chaser»
На смену одноразовым «Союзам» в России с 2000 годов начали разрабатывать многоцелевой космический корабль «Клипер». Система стала промежуточным звеном между крылатыми шаттлами и баллистической капсулой «Союза». В 2005 году в целях сотрудничества с Европейским космическим агентством была представлена новая версия - крылатый «Клипер».
Аппарат может выводить на орбиту 6 человек и до 700 килограммов груза, то есть превосходит по этим параметрам «Союз» в два раза. На данный момент нет информации о том, что работа проекта продолжается. Вместо этого в новостях пишут о новом многоразовом корабле – «Федерация».
Многоцелевой космический корабль «Клипер»
Пилотируемый транспортный корабль «Федерация» должен придти на смену пилотируемым «Союзам» и грузовикам «Прогрессам». Его планируют использовать в том числе для полёта на Луну. Первый запуск запланирован на 2019 год. В автономном полёте аппарат должен будет способен находиться до 40 суток, а при стыковке с орбитальной станции он сможет работать до 1 года. На данный момент завершена разработка эскизного и технического проектов, идёт разработка рабочей документации по созданию корабля первого этапа.
Система состоит из двух основных модулей: возвращаемого аппарата и двигательного отсека. В работе применят идеи, которые ранее использовали для «Клипера». Корабль сможет доставлять до 6 человек на орбиту и до 4 человек на Луну.
Параметры аппарата «Федерация»
Одним из самых заметных в СМИ на данный момент многоразовых проектов являются разработки SpaceX - транспортный корабль Dragon V2 и ракета-носитель Falcon 9.
Falcon 9 является частично возвращаемым аппаратом. Ракета-носитель состоит из двух ступеней, первая из которых имеет систему для возврата и вертикального приземления на посадочную площадку. Последний запуск не был удачным - 1 сентября 2016 года произошла авария.
Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2 сейчас готовят к тестированию на безопасность для астронавтов. В 2017 году планируют провести беспилотный запуск аппарата на ракете Falcon 9.
Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2
В рамках подготовки к полёту экспедиции на Марс в США разработали многоразовый космический корабль Orion. Сборку корабля завершили в 2014 году. Первый беспилотный полёт аппарата состоялся 5 декабря 2014 года и прошёл успешно. Теперь НАСА готовится к дальнейшим пускам, в том числе с экипажем.
Авиация, как правило, подразумевает многоразовое использование летательных аппаратов. Таким же свойством в будущем должны будут обладать и космические аппараты, но для этого предстоит решить ряд проблем, включая экономические. Каждый запуск многоразового корабля должен выходить дешевле, чем строительство одноразового. Необходимо использовать такие материалы и технологии, которые позволят повторно запускать аппараты после минимального ремонта, а в идеале - вообще без ремонта. Возможно, космические корабли в будущем станут обладать одновременно как характеристиками ракеты, так и самолёта.