ккСоюз

Орбитальный корабль «Союз»

Ракетно-космический комплекс «Союз» начал проектироваться в 1962 году в ОКБ-1 как корабль для облёта Луны в рамках программы «Зонд» кораблями 7К-Л1, и как проект вывода лунного корабля при помощи РН «Протон» – УР500К-Л1. В космос должна была отправиться связка из космического корабля и разгонных блоков (изделия 7К, 9К и 11К). В дальнейшем эти проекты были закрыты в пользу проекта облёта и высадки на Луне, при помощи ракетоносителя «Н-1», с использованием корабля 7К-ЛОК. Параллельно лунным программам на базе 7К начали делать 7К-ОК — многоцелевой трёхместный орбитальный корабль (ОК), предназначенный для отработки операций маневрирования и стыковки на околоземной орбите, для проведения различных экспериментов, в том числе, по переходу космонавтов из корабля в корабль через открытый космос.

В 1962 г. на основе пилотируемого орбитального корабля «7К-ОК» («Союз») было решено создать космический перехватчик – «7К-П» («Союз-П»), который должен был решать задачи осмотра и вывода из строя космических аппаратов противника. Этот проект получил поддержку военного руководства, поскольку были известны планы США по созданию военной орбитальной станции Manned Orbiting Laboratory и маневрирующий космический перехватчик «Союз-П» был бы идеальным средством для борьбы с такими станциями.

Первоначально предполагалось, что «Союз-П» будет обеспечивать сближение корабля с вражеским космическим объектом и выход космонавтов в открытый космос с целью обследования объекта, после чего, в зависимости от результатов осмотра, космонавты либо выведут объект из строя путём механического воздействия, либо «снимут» его с орбиты, поместив в контейнер корабля. Затем от такого технически сложного проекта отказались, так как существовало опасение, что при таком варианте космонавты могут стать жертвами мин-ловушек.

Было решено создать корабль «Союз-ППК» («Пилотируемый перехватчик») на двух космонавтов, оснащённый восьмью небольшими ракетами. Он должен был сблизиться с космическим аппаратом противника, после чего космонавты, не покидая свой корабль, должны были визуально и с помощью бортовой аппаратуры обследовать объект и принять решение о его уничтожении. Если такое решение принималось, то корабль должен был удалиться на расстояние километра от цели и расстрелять её с помощью бортовых мини-ракет.

Помимо корабля-перехватчика «Союз-П» разрабатывались военные корабли «Союз-ВИ» («Военный исследователь») и «Союз-Р» («Разведчик»). Проект корабля «7К-ВИ» («Союз-ВИ», «Звезда») появился во исполнение Постановления ЦК КПСС и Совета Министров от 24 августа 1965 года, предписывающего ускорить работы по созданию военных орбитальных систем. Конструкторы корабля «7К-ВИ» обещали военным создать универсальный боевой корабль, который мог осуществлять визуальную разведку, фоторазведку, совершать маневры для сближения и уничтожения космических аппаратов врага.

Данная модификация могла стать основой для дальнейшего развития кораблей «Союз», но руководитель ОКБ-1 (ЦКБЭМ), занявший этот пост после смерти С. П. Королева, используя свои государственные связи, отменил все полёты и закрыл проект 7К-ВИ в пользу устаревшего 7К-ОК под предлогом, что нет смысла создавать сложную и дорогую модификацию уже существующего корабля «7К-ОК», если последний вполне способен справиться со всеми задачами, которые могут поставить перед ним военные. Другим аргументом стало то, что нельзя распылять силы и средства в ситуации, когда Советский Союз может утратить лидерство в «лунной гонке». По сути же, руководитель ЦКБЭМ не хотел терять монополию на пилотируемые полеты в космос (в итоге потерял много больше, в том числе, человеческие жизни).

Испытания 7К-ОК в спешном порядке начались в 1966 году. После отказа от программы полётов на кораблях «Восход» (с уничтожением задела трёх из четырех готовых кораблей «Восход») конструкторы корабля «Союз» потеряли возможность отработать на нём решения для своей программы. Наступил двухгодичный перерыв в пилотируемых запусках в СССР, во время которого американцы активно осваивали космическое пространство. Первые три беспилотных пуска кораблей «Союз» (7К-ОК № 2, известный, как «Космос-133»; 7К-ОК № 1 (старт которого был отложен, но привёл к срабатыванию САС и взрыву ракеты в стартовом сооружении); 7К-ОК № 3 «Космос-140») оказались полностью либо частично неудачными, были обнаружены серьёзные ошибки в конструкции корабля.

Четвертый пилотируемый пуск с В. Комаровым («Союз-1») оказался трагическим, космонавт погиб при спуске на землю. Его гибель спасла жизни трём другим космонавтам, которые должны были на следующий день лететь на однотипном корабле («Союз-2/1») для стыковки с кораблем «Союз-1». После аварии «Союза-1» конструкция корабля была полностью переработана для возобновления пилотируемых полетов (было выполнено 6 беспилотных пусков), и в 1967 состоялась первая, в целом удачная, автоматическая стыковка двух «Союзов» («Космос-186» и «Космос-188»), затем, в 1968 году, возобновление пилотируемых полетов, а в 1969 – официальная пилотируемая стыковка, далее групповой полёт трёх кораблей сразу и долговременный автономный рекордный полет. Первые шесть кораблей «Союз» и («Союз-9») были кораблями серии 7К-ОК.

Во время четвертого полёта корабля этого типа («Союз-11») из-за разгерметизации на участке спуска погибли Г. Добровольский, В. Волков и В. Пацаев, так как они были без скафандров. И только после аварии «Союза-11» от развития 7К-ОК/7КТ-ОК отказались, корабль был переделан (внесены изменения в компоновку СА для размещения космонавтов в скафандрах). Из-за возросшей массы систем жизнеобеспечения новый вариант корабля 7К-Т стал двухместным, лишился солнечных батарей. Этот корабль стал «рабочей лошадкой» советской космонавтики 1970-х: 29 экспедиций на станции «Салют» и «Алмаз». Версия корабля 7К-ТМ (М – модифицированный) использовалась в совместном полёте с американским «Аполлоном» по программе ЭПАС. Четыре корабля «Союз», официально стартовавшие после аварии «Союза-11» имели в своей конструкции солнечные батареи различных типов, однако это были другие версии корабля «Союз» – 7К-ТМ («Союз-16», «Союз-19»), 7К-МФ6 («Союз-22») и модификация 7К-Т – 7К-Т-АФ без стыковочного узла («Союз-13»).

С 1968 г. все предложения ЦКБЭМ по модификации космических кораблей серии «Союз» строились на базе корабля 7К-С, который дорабатывался в течение 10 лет, а космонавты летали на устаревшей модификации 7К-Т. Дальнейшая эволюция систем корабля 7К-СТ привела к модификации 7К-СТМ – «Союз ТМ»: новая двигательная установка, улучшенная парашютная система, система сближения и т. д. Первый полёт был совершён в 1986 году к станции «Мир», последний – в 2002 к МКС.

В настоящее время эксплуатируется модификация корабля 7К-СТМА – «Союз ТМА» (А – антропометрический). Корабль по требованиям NASA был доработан применительно к полётам на «МКС». На нём могут работать космонавты, которые не смогли бы поместиться в «Союз ТМ» по росту. Пульт космонавтов был заменён на новый, с современной элементной базой, улучшена парашютная система, уменьшена теплозащита. Последний полёт корабля данной модификации запланирован на 30 сентября 2011 года.

Кроме «Союз ТМА», сегодня для полётов в космос используются корабли новой серии 7К-СТМА-М – «Союз ТМА-М». На нём заменили БЦВМ Аргон-16 на ЦВМ-101 (она легче на 68 кг и значительно компактнее) и бортовую аналоговую систему телеметрии на более компактную цифровую систему MBITS в целях улучшения интеграции с бортовой системой управления «МКС». Модернизация корабля предусматривает расширение возможностей корабля в автономном полёте и при аварийном спуске.

Первый запуск корабля данного типа с экипажем на борту состоялся 8 октября 2010 года, а стыковка с «МКС» – 10 октября 2010 года. Данная модификация корабля является весьма незначительной по масштабу (выполнение требований NASA в части совместимости с «МКС») и уступает не только варианту проекта модернизации корабля в 1990-х годах «Союз ТММ», но и облегчённой версии проекта «Союз ТМС».

«Союз ТМА-6» приближается к МКС Разработчиком и изготовителем кораблей семейства «Союз» с 1960-х и по настоящее время является ракетно-космическая корпорация «Энергия». Производство кораблей осуществляется на головном предприятии корпорации в Королёве, а испытания и подготовка кораблей к запуску – в монтажно-испытательном корпусе (МИК) предприятия на 254-й площадке космодрома Байконур. Устройство

Корабли семейства состоят из трёх модулей: приборно-агрегатного отсека (ПАО), спускаемого аппарата (СА), бытового отсека (БО). Сверху вниз: бытовой отсек, спускаемый аппарат, приборно-агрегатный отсек. В ПАО находится комбинированная двигательная установка, топливо для неё, служебные системы. Длина отсека 2,26 м, основной диаметр 2,15 м, максимальный диаметр 2,72 м Двигательная установка состоит из 28 ДПО (двигатели причаливания и ориентации) по 14 на каждом коллекторе, из которых часть имеет тягу 13,3 кгс, часть (12 штук) – 2,7 кгс, а также сближающе-корректирующего двигателя (СКД) тягой 300 кгс. СКД предназначен для орбитального маневрирования и схода с орбиты. Работает на АТ+НДМГ.

Корабли 7К-ОК и 7К-Т были оборудованы КТДУ-35 (корректирующе-тормозная двигательная установка) тягой 4 кН и удельным импульсом 282 с. Фактически стояли 2 независимые КТДУ – основная и резервная. Для корабля «Союз-Т» была разработана новая КТДУ-80 той же тяги, но имеющая несколько режимов работы – большой и малой тяги и удельным импульсом 286–326 с. Резервный двигатель убрали, а ДПО и СКД объединили в одну систему с общими баками наддува.

Потребность в резервном двигателе отпала, поскольку с переводом ДПО на двухкомпонентное топливо из объединённой системы появилась возможность схода с орбиты с использованием только ДПО при отказе КТДУ. У исходного корабля «Союз» ДПО работали на отдельном топливе (перекиси водорода) и не располагали достаточной характеристической скоростью для схода с орбиты без КТДУ. Больше того, при энергичном маневрировании топливо ДПО могло быть израсходовано достаточно быстро, что несколько раз (например, в полёте «Союза-3») приводило к срыву программы полёта.

В ПАО также размещены баки с топливом. В самых первых «Союзах» они вмещали 500 кг топлива, у Союза-ТМ – 880 кг, у ТМА – 900 кг. В ПАО установлены баллоны высокого давления (около 300 атм) с гелием для наддува баков. Система энергоснабжения состоит из солнечных батарей и аккумуляторов. До аварии «Союза-11» стояли батареи размахом 9,80 м и площадью 14 м².

Система обеспечивала среднюю мощность – 500 Вт. После аварии их убрали ради экономии веса и оставили аккумуляторные батареи на 18 кВт·ч, которых хватало на два дня автономного полёта. Для программы «Союз-Аполлон» использовалась модификация с батареями площадью 8,33 м² на 8 кВт·ч. Современные «Союзы» оснащены батареями размахом 10 м и площадью 10 м², что дает среднюю мощность около 1 кВт.

Спускаемый аппарат «Союз ТМА-2» после приземления. В спускаемом аппарате находятся места для космонавтов, системы жизнеобеспечения, управления, парашютная система. Длина отсека 2,24 м, диаметр 2,2 м, жилой объём 3,5 м³. Под теплозащитным экраном расположены двигатели мягкой посадки, на внешней поверхности – перекисные двигатели управления спуском, управляющие ориентацией СА во время полёта в атмосфере. Это позволяет использовать аэродинамическое качество СА и снизить перегрузки. В СА помимо космонавтов можно вернуть на землю 100 кг груза («Союз-ТМА»). СА покрыт теплозащитой на основе абляционных материалов.

Бытовой отсек имеет длину 3,4 м, диаметр 2,25 м, объём 5 м². Он оснащён стыковочным узлом и системой сближения (ранее «Игла», теперь «Курс»). В герметичном объеме БО располагаются грузы для станции, иная полезная нагрузка, ряд систем жизнеобеспечения, в частности туалет. Через посадочный люк на боковой поверхности БО космонавты входят в корабль на стартовой позиции космодрома. БО может быть использован при шлюзовании в открытый космос в скафандрах типа «Орлан» через посадочный люк.

«Сатурн-5-Аполлон» Идея выхода космического корабля на окололунную орбиту с последующим отделением от него посадочного отсека с целью получения энергетического выигрыша была впервые выдвинута советским учёным Ю.В. Кондратюком. Изложенный им вариант лунной экспедиции был положен в основу американской программы «Аполлон». По этой программе было совершено шесть удачных экспедиций и одна неудачная, которые стартовали: «Аполлон-11» – 16 июля 1969 г., «Аполлон-12» – 14 ноября 1969 г., «Аполлон-13» – 11 апреля 1970 г. (неудачная), «Аполлон-14» – 31 января 1971 г., «Аполлон-15» – 26 июля 1971 г., «Аполлон-16» – 16 апреля 1972 г., «Аполлон-17» – 7 декабря 1972 г. Осуществление программы стало возможным после создания ракеты-носителя «Сатурн-5», первый запуск которой состоялся в 1967 г.

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: схема строения и размеры
а) структура системы в целом, б) компоновка корабля «Аполлон». S-IC – первая ступень, S-II – вторая ступень, S-IVB – третья ступень; 1 – бак горючего первой ступени, 2 – бак окислителя первой ступени, 3 – переходник между первой и второй ступенями, 4 – бак окислителя второй ступени, 5 – бак горючего, 6 – переходник между второй и третьей ступенями, 7 – бак окислителя третьей ступени, 8 – бак горючего третьей ступени, 9 – приборный отсек IU, 10 – лунный отсек, 11 – переходник LMA, 12 – служебный отсек, 13 – командный отсек, 14 – система аварийного спасения (САС), 15 – маршевый двигатель служебного отсека, 16 – блоки двигателей системы ориентации и стабилизации, 17 – теплозащитный экран, 18 – ферма САС, 19 – основной РДТТ САС, 20 – РДТТ для отбрасывания САС, 21 – вспомогательный РДТТ, 22 – аэродинамические рули САС.

Общая длина ракетно-космической системы «Сатурн-5-Аполлон» составляет 111 м, а начальная масса примерно 2950 т. На схеме ракеты указаны некоторые размеры частей системы. Первая ступень ракеты «Сатурн-5», имеющая обозначение S-IC, имеет массу 2280 т, причем масса топлива равна 2149 т. На ступени установлены пять двигателей F-1: четыре – в кардановых подвесах, способные отклоняться на угол 7°, и один, фиксированный – в центре, направление тяги которого всегда совпадает с продольной осью ракеты. Двигатели F-1 рассчитаны на однократное включение и действуют в течение примерно 150 с. Кроме того, на корпусе ступени S-IC установлены восемь тормозных РДТТ тягой 39 тс каждый, предназначенных для отделения первой ступени после расцепки.

Вторая ступень S-II имеет массу 485 т (с переходником), в том числе 444 т топлива (жидкий водород и жидкий кислород). На ней установлены пять двигателей J-2 (четыре – по периферии в кардановых подвесах, пятый, неподвижный – в центре). Двигатели работают в течение 370 с. На ступени установлены также пять РДТТ (каждый тягой 10,2 тс), сообщающих ступени после некоторого периода невесомости искусственную тяжесть на период 4 с для осадки топлива, и четыре тормозных РДТТ (17 тс) для отделения ступени.

Третья ступень S-IVB имеет массу 122 т (с переходником), в том числе 107 т топлива (жидкий водород и жидкий кислород). Она содержит один двигатель J-2, включающийся примерно на 160 с при выведении корабля «Аполлон» на околоземную орбиту ожидания и на 320 с при выведении его на траекторию полета к Луне. Имеются также два двигателя для осадки топлива (тягой по 1,45 тс). К верхней части ступени жестко прикреплен приборный отсек IU (Instrumental Unit) массой 1,95 т, который содержит аппаратуру инерциальной системы управления, счетно-решающее устройство, телеметрическую систему, радиоаппаратуру для траекторных измерений, источники электроэнергии, а также систему терморегулирования. Полезная нагрузка ракеты состоит из трех отсеков космического корабля «Аполлон», переходника и системы аварийного спасения. Ее масса при полете корабля «Аполлон-11» составляла 49,7 т, при полете «Аполлона-15» – 53,5 т.

Командный отсек CM (Command Module) массой 5561,5 кг, в том числе 111 кг топлива, является той частью всей ракетно-космической системы, которая после завершения экспедиции должна благополучно возвратиться на Землю. Кабина имеет объем 6 м³. На конической части отсека расположены 12 двигателей (каждый тягой 42,2 тс) системы управления ориентацией, которые используются только при входе в атмосферу. С их помощью регулируется подъемная сила (путем изменения угла крена), возникающая из-за отклонения центра масс отсека от продольной оси. Служебный (двигательный) отсек SM (Service Module) имел массу 23 264,3 кг, в том числе 18,5 т топлива для маршевого двигателя (горючее – 50% смесь безводного гидразина с несимметричным диметилгидразином, окислитель – четырехокись азота) и 608 кг топлива для вспомогательных двигателей. Маршевый двигатель может отклоняться на 8°, рассчитан на 50 включений, тяга его равна 9,3 тс (не регулируется), удельный импульс 308 с, запас зарактеристической скорости 2,5 км/с. Он используется для маневров на пути к Луне, вблизи Луны и возвращении на Землю. Вокруг отсека расположены 16 двигателей системы управления ориентацией и стабилизацией, собранных в четыре блока (45,4 кгс). Они используются также при операциях стыковки, так как могут сообщать и поступательное движение.

Командный и служебный отсеки вместе образуют основной блок корабля «Аполлон». Он существует как одно целое до момента, предшествующего входу в земную атмосферу. Лунный отсек LM (Lunar Module), или лунный корабль, предназначен для высадки двух космонавтов на Луну и возвращения их на окололунную орбиту. Масса отсека 15 075,1 кг, в том числе 10,5 т топлива (того же, что и в служебном отсеке). Расстояние между противоположными пятами выпущенного шасси 9,5 м. Отсек состоит из посадочной ступени массой около 10 т и взлетной ступени массой около 4 т; каждая ступень имеет свои двигатели и топливные баки. Хрупкая конструкция отсека рассчитана на слабое лунное притяжение. Посадочная ступень (сухая масса 2035,3 кг) снабжена шарнирно подвешенным двигателем с регулируемой тягой, максимальная величина которой равна примерно 4,5 тс. При двух различных режимах работы двигателя тяга составляет 10-65% и 95-100% максимальной тяги. Удельный импульс двигателя 313 с, максимальная продолжительность работы 1000 с, характеристическая скорость 2,3 км/с (запас топлива 8217 кг).

Взлетная ступень (сухая масса без космонавтов 2181,0 кг) содержит кабину (объем 6,7 м³, в том числе 4,53 м³ – свободный объем для двух космонавтов), основную часть системы жизнеобеспечения, системы навигации и управления, источники электроэнергии. Кабина лишена кресел; космонавты поддерживаются ременной системой. Основной двигатель взлетной ступени имеет постоянную тягу 1,59 тс и не поворачивается; характеристическая скорость равна 2,3 км/с (запас топлива 2367,2 кг). 16 вспомогательных двигателей собраны в четыре блока (тяга каждого двигателя 45,4 кгс) и служат для ориентации и стабилизации всего лунного отсека или взлетной ступени, а также для отделения лунного отсека от основного блока, горизонтальных перемещений при висении над лунной поверхностью и т.д.

Начальная масса корабля «Аполлон-11», складывающаяся из перечисленных выше трех отсеков корабля, равнялась 43 900,9 кг. По мере осуществления программы «Аполлон» корабль подвергался некоторым модификациям. Увеличилась масса основного блока. В нем стал размещаться комплект научных приборов и «субспутник», выводившийся на самостоятельную орбиту вокруг Луны. Расширение программы пребывания космонавтов на Луне привело к увеличению массы лунного отсека. Масса корабля «Аполлон-15» уже составляла 48 760 кг.

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: Лунный отсек корабля Аполлон Лунный отсек корабля «Аполлон»: 1 – стыковочный люк, 2 – антенна метрового диапазона волн, 3 – стыковочная мишень, 4 – хвостовая секция взлетной ступени для размещения оборудования, 5 – блок вспомогательных двигателей, 6 – антенна, работающая в диапазоне частот С, 7 – источник света, 8 – посадочное шасси, 9 – тарельчатая пята ноги шасси, 10 – антенна радиолокатора системы управления посадкой, 11 – средняя секция взлетной ступени, 12 – двигатель посадочной ступени, 13 – площадка у переднего люка, 14 – лестница для спуска на поверхность Луны, 15 – передний люк для выхода на поверхность, 16 – треугольное окно для командира корабля, 17 – импульсный источник света, 18 – серповидная антенна приемника метрового диапазона, 19 – фиксированная антенна, работающая в диапазоне частот S, 20 – антенна радиолокатора для встречи на орбите, 21 – герметичная кабина космонавтов, 22 – поворотная антенна, работающая в диапазоне частот S, 23 – инерциальный измерительный блок, 24 – окно в потолке для наблюдения при встрече и стыковке с основным блоком.

Высадка на Луну