Дорога до Місяця або друге покоління космічних апаратів

Перше покоління пілотованих космічних апаратів показало, що в космосі можна перебувати до декількох днів і цілком успішно працювати. Тому на наступне покоління лягали більш складні завдання: екіпаж з кількох людей, зближення і стикування, позакорабельна діяльність, тривалий політ. Тим цікавіше дивитися, як ці завдання вирішували колективи розробників по обидва боки океану.

Введення

Необхідно розуміти, що використання слова «покоління» тут дещо умовне. Справа в тому, що після «Сходів» в СРСР повинні були полетіти «Союзи», і спочатку ніяких «Сходів» не планувалося. Але затримки з розробкою «Союзу» на тлі американських успіхів призвели до політичного рішення створення корабля, який міг би вирішити хоча б деякі нові завдання.

Цілі США

25 травня 1961 року, коли у США був лише один політ у космос за суборбітальною траєкторією довжиною 15 хвилин, президент Кеннеді вже звернувся з Конгресу з пропозицією пілотованого польоту на Місяць. Ідея активно пропагувалася президентом (найвідоміший спіч «We choose to go to the Moon»). Завдання польоту на Місяць формувало чіткий список проміжних завдань, які потрібно було попередньо вирішити:

Екіпаж з кількох людей.
Тривалість польоту 8-14 днів.
Позакорабельна діяльність (вихід у відкритий космос).
Стикування.
Точна посадка на Землю.
Відбір і підготовка екіпажів майбутніх місячних місій.

Програму «Джеміні» офіційно розпочали 7 грудня 1961 року.

Цілі СРСР

У СРСР, на жаль, мала місце невизначеність цілей і завдань. Була місячна програма, але вона не мала повної фінансової та політичної підтримки уряду. Не було чіткої космічної програми, розрахованої на кілька років. Тому в якості завдань для майбутніх польотів пропонувалися різні експерименти:

Екіпаж з кількох людей.
Позакорабельна діяльність (вихід у відкритий космос)
Тривалий політ на два-три тижні.
Політ повністю жіночого екіпажу.
Політ зі створенням штучної тяжкості.
Політ з медико-біологічними експериментами, наприклад, операцією на тварині.
Вихід у відкритий космос космонавта з автономним засобом пересування (без троса, що з'єднує з кораблем).

Як наслідок цієї невизначеності, офіційною датою початку програми «Схід» є указ від 13 квітня 1964 року, на два з половиною роки пізніше «Джеміні».

Засоби виведення

Встановлення РН «Схід» на стартовий стіл. Крізь ферму між другою і третьою сходинкою видно 4 камери згоряння РД-0108 блоку «І». Шахове забарвлення третього ступеня швидше за все означає, що фото з одного з випробувальних пусків.

«Схід» виводила нова модифікація ракети Р-7, яка вже стала головною «робочою конячкою» радянської космонавтики. Ракета-носій «Схід» мала більш потужний третій ступінь - блок «І», що підвищило її вантажопідйомність до ауд 6 тонн. А маса «Сходу» зросла несильно, до 5,3-5,6 тонн, що означало відсутність вагових проблем для корабля.

Для виведення на орбіту «Джеміні» використовувалася модифікація МБР «Титан-II». Зміни полягали в підвищенні надійності та резервуванні деяких вузлів. Вантажопідйомність у 3,5 тонни, як і раніше, сильно відставала від ракет-носіїв СРСР, що досить обмежувало розробників корабля. А специфіка ракети, спроектованої як МБР, призвела до того, що виведення було чи не дискомфортніше посадки - на кінцевій ділянці роботи другого ступеня астронавти відчували перевантаження 8,5 «ж», що є унікальним для виведення пілотованих апаратів (зазвичай не більше 4 g)

Зовнішні елементи конструкції

Форма корпусу

І СРСР, і США продовжували дотримуватися своїх традицій - «Схід» летів під обтічником і мав абсолютно неаеродинамічні форми аналогічні «Сходу». «Джеміні» розробляла та ж фірма («McDonnell Aircraft»), що і «Меркурій», і обидва кораблі були дуже схожі один на одного.

Поділ на відсіки

Корабель «Схід» повторював схему «Сходу». Сферичний апарат і конічний агрегатний відсік розділялися після гальмування. Вже не потрібний агрегатний відсік згорав в атмосфері, а спускається апарат проходив щільні шари атмосфери і йшов на посадку.

У кораблі «Меркурій» єдиною частиною, що скидається, були гальмівні двигуни. При розробці «Джеміні» гальмівні двигуни розвинули в повноцінний відсік, а за ним розмістили агрегатний відсік. При поверненні на Землю спочатку скидався агрегатний відсік. Потім спрацьовували гальмівні двигуни. Після гальмування вже непотрібний відсік ТДУ також скидався. Схема виглядає дещо несуразно, але має ту зручність, що без агрегатного відсіку потрібно гальмувати меншу масу корабля, що залишився, що економить вагу гальмівних двигунів.

Теплозахист

Апарат «Схід-2», що спускається. Шлюзова камера додана для наочності, в реальності вона скидалася перед гальмуванням.

«Схід» повторював ідею «Сходу» зі сферичним апаратом, що спускається автоматично займає потрібне положення як «ванька-встанька» і таким же теплозахистом. У той же час, певні питання викликало кріплення шлюзової камери, яке теоретично могло викликати закрутку апарату. Для перевірки безпеки спуску кільце, аналогічне кріпленню шлюзової камери, було встановлено на один із супутників-розвідників «Зеніт» з таким же апаратом, що спускається. Супутник повернувся успішно, кільце не завадило ні проходженню щільних шарів атмосфери, ні роботі парашута.

«Джеміні» використовував вже звичний для США теплозахисний щит. Зверніть увагу на нерівномірність його обгорання - це однозначно свідчить про те, що корабель здійснював керований спуск. Центр мас знаходився не на осі корабля, тому при спуску виникала невелика підйомна сила:

Підйомну силу можна було використовувати для управління процесом посадки і сідати більш точно, ніж у разі некерованого спуску.

Матеріал теплозахисту «Джеміні» до і після посадки

Гальмівна система

На «Сході» гальмівна система складалася з основного гальмівного рідинного двигуна і запасного твердопаливного. З точки зору безпеки це було краще, ніж недубльований двигун на «Сході».

На «Джеміні» у відсіку ТДУ стояли чотири твердопаливних гальмівних двигуни (більш потужна модифікація двигунів для «Меркурія»). Чотири однакових двигуни підвищували надійність гальмування (відмова одного не означала повного провалу гальмування), але про всяк випадок, при першому пілотованому пуску «Джеміні-3» висота була обрана такою, щоб у разі відмови ТДУ корабель загальмувався об атмосферу досить швидко.

Система посадки

На «Сході» відмовилися від катапультування космонавтів при посадці. Перш за все, для катапульти не було місця в новій кабіні для 2-3 осіб. По-друге, сама ідея катапультування виглядала недостатньо необхідною на тлі досвіду «Сходів». Система посадки складалася з двох основних парашутів, двигуна м'якої посадки і датчика землі:

Запасного парашута на кораблі не було. Безпека дещо підвищувалася використанням двокупольної системи (перший і останній раз в космонавтиці СРСР). Відмова одного купола загрожувала серйозними травмами але не була фатальною.

В цілому, незважаючи на відсутність запасного парашута, система посадки була прогресивнішою, ніж у корабля «Схід». Поєднання парашута і двигунів м'якої посадки забезпечувало досить комфортну посадку без необхідності катапультуватися з справного корабля.

На «Джеміні» спочатку пропонувалася керована посадка на розкладному крилі Рогалло (до речі, з цієї ідеї виросли сучасні дельтаплани):

Але крило розроблялося повільно, і в якийсь момент в NASA вирішили повернутися до вже випробуваних парашутів і посадки на воду. У підсумку на корабель встановили однокупольний основний парашут. Якщо він розкривався успішно, астронавти змінювали режим підвісу на двокрапковий, і корабель сідав у воду навискось. Запасного парашута не було - у разі відмови основного парашута астронавти повинні були катапультуватися.

У системі посадки відмовилися від громіздкого і неефективного амортизуючого мішка «Меркурія», замінивши його на косії входження апарату у воду. Ця ідея виявилася відмінною, її використовували на «Аполлонах» і будуть використовувати на проектованих кораблях, які будуть приводитися (наприклад, Orion).

Система аварійного порятунку

На «Сході» система порятунку була відсутня. До 27 секунди порятунок екіпажу був неможливим. У разі аварії після 27 секунди корабель відділявся від аварійної ракети і використовував штатну систему посадки. На щастя, за час програми аварій на виведенні не було.

На «Джеміні» використовувалися крісла, що катапультуються. Оскільки ракета-носій використовувала паливну пару НДМШ/АТ, за розрахунками інженерів вона повинна була вибухати повільніше, і вибух повинен був бути менше, ніж вибух киснево-гасової ракети. Тому, на думку інженерів, катапультованих крісел було б достатньо. Катапультовані крісла важили менше повноцінної системи порятунку і могли працювати аварійним засобом порятунку при посадці.

Катапультовані крісла «Джеміні» мали найпотужніші двигуни серед авіаційних аналогів. При першій спробі запуску «Джеміні-VIA», яка зірвалася через кабель, за інструкцією треба було катапультуватися. Але астронавти не стали цього робити, не в останню чергу через випадок на випробуваннях: через невелику помилку таймерів спрацювання елементів системи порятунку крісло з манекеном вибило люк, який не встиг відкритися. Астронавти побоювалися за своє здоров'я при катапультуванні і стали б катапультуватися тільки зовсім в крайньому випадку, можливо, навіть пізніше, ніж це було необхідно.

З точки зору конструкції, система аварійного порятунку краще, ніж крісла, що катапультуються, тому в якомусь сенсі це був крок назад порівняно з «Меркурієм». На щастя, аварій і «бойових» катапультувань за час програми не було.

Двигуни орбітального маневрування та орієнтації

«Схід» використовував двигуни орієнтації на стислому газі аналогічні «Сходу» і не міг здійснювати орбітальних маневрів.

«Джеміні» мав дві рухові системи:

Систему орбітальної орієнтації і маневрування (OAMS - Orbit Attitude and Maneuvering System), яка використовувалася в штатному польоті і дозволяла орієнтувати корабель і здійснювати маневри зі зміни орбіти.
Систему орієнтації (RCS - Reaction Control System), яка штатно використовувалася при посадці і могла тільки повертати корабель, не змінюючи його орбіту.

Дублювання рухових систем один раз врятувало життя астронавтам. Відразу після стикування «Джеміні-8» (екіпаж Ніл Армстронг, Девід Скотт) з мішенню «Аджена» один з двигунів OAMS неконтрольовано включився і став розкручувати корабель. Посилення обертання загрожувало втратою свідомості і смертю від перевантаження, але Армстронг встиг вимкнути OAMS і зупинити обертання двигунами RCS.

Як паливо використовували пару НДМШ/АТ. Висококипляче паливо з непоганим питомим імпульсом було набагато краще перекису водню або стисненого газу, а в «Джеміні» були до того ж досить великі обсяги палива.

Загалом рухова система «Джеміні» виявилася вкрай вдалою і за ідеями, і за виконанням.

Система терморегуляції

«Схід» використовував систему терморегуляції з жалюзі, аналогічну «Сходу». Система була проста, надійна і не викликала нарікань при експлуатації.

«Джеміні» використовував систему рідинної терморегуляції. Теплоносій забирав тепло від екіпажу і приладів у кабіні і переносив його на поверхню адаптера (агрегатний модуль і модуль ТДУ). Вся поверхня адаптера (біла) була випромінювачем тепла. Ідея такої системи була досить прогресивною (краще, ніж випарник води на «Меркурії»), але з нею були певні проблеми. Навіть у середині програми (наприклад, на місії «Джеміні-7») вона відколювала фортелі: температура в скафандрах то падала до + 4 ° С, то піднімалася до некомфортного рівня.

Системи забезпечення ПКД

Оскільки для обох типів кораблів передбачалося завдання позакорабельної діяльності, необхідно було розробити відповідні системи, що дозволяють астронавту/космонавту вийти з корабля і повернутися назад.

На «Сходах» була встановлена надувна шлюзова камера. У складеному вигляді вона займала мінімум місця, а після розкриття дозволяла виходити з корабля не скидаючи в ньому атмосферу.

Ліворуч - шлюзова камера в складеному вигляді, праворуч - в розкритому.

Схема роботи шлюзової камери.

На «Джеміні» кабіна розгерметизувалася цілком, і для виходу у відкритий космос використовувався штатний посадковий люк. При першому виході у відкритий космос з'ясувалося, що розробники забули про холодне зварювання металів у вакуумі - були проблеми з відкриттям люка.

Якщо порівняти ці два підходи до реалізації завдання позакорабельної діяльності, то вони обидва мають свої плюси і мінуси. Спеціальний шлюз вигідний при великих корабельних обсягах і атмосфері з великим тиском. У цьому випадку втрати на розгерметизацію менші. Також він вигідний тим, що не порушується режим роботи приладів та іншого вмісту кабіни. Немає необхідності проектувати корабельні прилади, які гарантовано працюють у вакуумі. ПКД з розгерметизацією корабля вигідна для невеликих кораблів з атмосферою з невеликим тиском. Обидва варіанти успішно використовувалися надалі - на «Аполлонах» ПКД була з розгерметизацією корабля, а зараз на МКС стоять спеціальні відсіки зі шлюзами - всю МКС розгерметизувати не можна.

Система стикування

«Схід» не мав стикувальних пристосувань.

У «Джеміні» ніс використовувався для розміщення антен і стикувального радара. Також ніс використовувався для стикування - у мішені «Аджена» була відповідна виїмка зі стикувальними замками, електричними роз'ємами і т. п. на торці.

Внутрішні елементи конструкції

Пенал

У «Сходу» впізнаваний розвиток панелі інструментів «Сходу». Головним недоліком є те, що, незважаючи на поворот крісел екіпажу (вони на передньому плані внизу, видно правий бік крісла), елементи управління залишилися розміщені так само, як і на «Сході», що викликало незручності при ручному управлінні. Ілюмінатори невеликі, але розташовані з різних сторін.

Панель керування «Джеміні» розвиває авіаційний підхід з безліччю приладів. Ілюмінатори розташовані по-літаковому, що забезпечує відмінний огляд вперед. Бічних ілюмінаторів не було.

Окремо варто відзначити появу бортового комп'ютера. Система не могла пілотувати корабель самостійно (як це потім робили бортові комп'ютери «Аполлонів»), але серйозно допомагала астронавтам при стикуванні і посадці.

Система життєзабезпечення

На «Сході-1» літали без скафандрів через нестачу місця. На «Сході-2» скафандри були у зв'язку з необхідністю виходу у відкритий космос. На кораблях «Схід» атмосфера підтримувалася близькою до земної.

На «Джеміні» політ проводився в скафандрах, а атмосфера була аналогічна «Меркурію» - чистий кисень зі зниженим тиском.

З точки зору зручності «Джеміні» були дуже некомфортними кораблями. У астронавтів було вкрай мало місця, не було можливості встати, витягнутися в повний зріст, розім'ятися. Ситуацію ускладнювали запахи від немитих тіл (не було можливості підтримувати чистоту тіла, не було змінного одягу) і користування туалетом. Особливо важко доводилося астронавтам на тривалих місіях - 8 днів «Джеміні-5» і два тижні «Джеміні-7». Екіпаж «Джеміні-5» назвав свою місію «вісім днів у сміттєвому баку», а астронавти «Джеміні-7», згадуючи про цю місію, кажуть, що останні дні були особливо огидними, а також звинувачують один одного (зараз, через стільки років, жартома) в занадто частому користуванні туалетом.

Електросистема

«Схід» для електроживлення використовував акумулятори. Незважаючи на недоліки акумуляторів для тривалих місій, корабель з собаками успішно відлітав 22 дні, тобто цілком міг використовуватися для тривалого польоту людей.

«Джеміні» використовував найбільш підходящу для польотів тривалістю 2-3 тижні систему - паливні елементи. Водень і кисень, з "єднуючись, виробляли електрику, а отримана вода споживалася екіпажем. Паливні елементи відмінно себе показали (якщо не враховувати проблеми в першому польоті) і використовувалися потім на «Аполлонах» і «Спейс-шаттлах».

Ув'язнення

«Схід», будучи, по суті, поспіхом доопрацьованим «Сходом», незважаючи на своє технічне відставання, дозволив вирішити важливі політичні завдання. Перший політ екіпажу з трьох осіб і перший вихід відкритий космос широко висвітлювалися ЗМІ по всьому світу.

Екіпаж з кількох людей. Вперше в космос полетів екіпаж з трьох осіб.
Позакорабельна діяльність (вихід у відкритий космос). Перший вихід у відкритий космос в історії.
Тривалий політ на два-три тижні. Пройшов як безпілотний з собаками. Пілотований політ скасовано.
Політ повністю жіночого екіпажу. Скасовано.
Політ зі створенням штучної тяжкості. Скасовано.
Політ з медико-біологічними експериментами, наприклад, операцією на тварині. Скасовано.
Вихід у відкритий космос космонавта з автономним засобом пересування (без троса, що з'єднує з кораблем). Скасовано.

Корабель «Джеміні» можна назвати кораблем, який проектували інженери, не озираючись на людські слабкості. Маленький, тісний, незручний, але оснащений передовою технікою і володіє унікальними по тих часах можливостями. Якби не політичні аспекти з уже певною програмою «Аполлон», «Джеміні» міг би стати відмінним і дешевим транспортом до орбітальної станції (у складі MOL або іншого проекту) і навіть використовуватися для польотів на Місяць. Що ж стосується завдань, які перед собою ставили США, вони були блискуче вирішені:

Екіпаж з кількох людей. Десять польотів екіпажів з двох осіб всього за 20 місяців.
Тривалість польоту 8-14 днів. Один політ на 8 днів і один політ на 14 днів.
Позакорабельна діяльність (вихід у відкритий космос). Здійснено безліч виходів у відкритий космос загальною тривалістю ауд 10 годин. Початкові проблеми подолані, розроблені тренажери та системи підготовки. ПКД пізніх місій проходили легко і без проблем.
Стикування. Перша ручна стикування в історії. Успішне виконання двох стикувань з різними цілями «Аджена» за одну місію.
Точна посадка на Землю. Перший пілотований апарат з керованим спуском. Помилка посадки стала вимірюватися одиницями кілометрів.
Відбір і підготовка екіпажів майбутніх місячних місій. Астронавти другого набору стали командирами місій «Аполлонів» і успішно застосовували отримані навички.