Разработал ручную стыковку в космосе. Большой космический обман сша
На этой неделе отмечается пускай и не самый громкий, но достаточно важный космический юбилей. 50 лет назад, 16 марта 1966 года космический корабль «Джемини-8» под управлением Нила Армстронга и Дэвида Скотта, совершил первую в истории космическую стыковку. Его целью стала ступень-мишень Аджена-VIII.
Как и в с случае с многими другими «первыми в космосе», миссия пошла совсем не по плану и чуть не закончилась трагедией. Хотя начиналось все хорошо. Через четыре часа после старта система сближения «Джемини-8» нащупала цель, находившуюся на расстоянии 332 километров. Астронавты смогли визуально идентифицировать Аджену, когда расстояние до нее уменьшилось до 140 километров.
После сближения со ступенью и получасового визуального осмотра, началась сама стыковка. Процедура прошла в штатном режиме. Вскоре после этого «Аджена» получила команду развернуться на 90 градусов. Тут то и пошли проблемы — связка из ступени и корабля начала вращаться. Экипаж использовал двигатели системы орбитальной ориентации, чтобы остановить вращение. Однако по завершении маневра оно снова возобновилось. Ситуацию осложняло то, что в этот момент корабль находился за пределами зоны, где могла поддерживаться радиосвязь с ЦУПом
Астронавты приступили к выполнению инструкции, предписывавшей в случае возникновения каких-либо проблем немедленно отстыковаться от ступени. Но это только ухудшило ситуацию — скорость вращения увеличилась, достигнув одного оборота в секунду. У экипажа начало мутнеть в глазах, перегрузка достигла 3.5 g, и все могло закончиться очень плохо. В этой ситуации Армстронг принял верное решение отключить двигатели системы орбитальной ориентации и стабилизировать корабль, использую двигатель, предназначавшийся для посадки. Ему удалось остановить вращение, использовав 75% имевшегося топлива.
Разумеется, после всего случившегося о продолжении полета не могло идти и речи. Спустя виток «Джемини-8» вошел в атмосферу и приводнился в Тихом океане. Во время последующего расследования инженеры пришло к выводу, что наиболее вероятной причиной произошедшего стало короткое замыкание, из-за которого один из двигателей орбитальной ориентации «Джемини-8» самопроизвольно заработал, раскрутив корабль.
Известно, что Нил Армстронг был удручен результатами полета — пускай стыковку и удалось осуществить, но большая часть целей миссий не была выполнена. Но в то же время хладнокровие, проявленное им при спасении корабля, в дальнейшем сослужило ему добрую службу. Многие считают, что инцидент с «Джемини-8» повлиял на решение назначить Армстронга командиром «Аполлоном-11».
Первая стыковка
Еще задолго до начала космических полетов теоретики космонавтики пришли к выводу о возможности модульной сборки космических конструкций на орбите. Вместо того, чтобы сразу выводить на орбиту огромные конструкции, легче будет по частям запускать отдельные блоки, и затем на орбите осуществлять сборку. Так можно собирать орбитальные станции, обеспечивать переход из космического корабля в находящуюся на орбите орбитальную станцию и обратно. В будущем межпланетные корабли (например, для полета к Марсу) также целесообразно собирать именно на орбите. Поэтому одним из первых шагов в освоении космоса стало освоение стыковки.
Однако разработка стыковочных узлов впервые началась не при сборке орбитальных конструкций, а при подготовке лунной программы. Еще Ю.Кондратюк, разрабатывая проект полета к Луне, пришел к выводу, что лунный корабль должен состоять из двух разделяющихся модулей – орбитального и посадочного. Долетев до окололунной орбиты, корабль должен разделиться на орбитальный модуль, который останется на окололунной орбите, и лунный модуль, который опустится на поверхность Луны. Затем с луны стартует взлетная часть лунного модуля, которая на орбите стыкуется с орбитальным блоком (в котором находится запас топлива для возвращения к Земле). Когда американцы разрабатывали свою лунную программу, они использовали точно такую же схему. Взяли они ее у Кондратюка или придумали самостоятельно – история умалчивает.
«Джемини-8» - первая стыковка . Успехи американской лунной программы объясняют тем, что все этапы ее подготовки проводились в лучших традициях плановой экономики. Задолго до высадки «Аполлона-11» на луну были детально спланированы все этапы. Так, с помощью космических аппаратов «Пегас» велась регистрация метеорных частиц и изучалась радиационная обстановка (3 запуска в 1965 году). С помощью «Рейнджеров» отрабатывалась наиболее благоприятная траектория вывода аппаратов к Луне, велась съемка на всем участке сближения с поверхностью Луны. Образно говоря, проверялась дорога, по которой предстояло лететь астронавтам (9 запусков в 1961-1965 годах, (правда,до Луны долетели только 3 – ред. сайта.)). С помощью аппаратов «Лунар Орбитер » велись съемки Луны с окололунной орбиты с целью поиска потенциальных участков посадки лунной кабины корабля «Аполлон» (5 запусков в 1966-1967 годах). Аппараты «Сервейер » по конструкции и внешнему виду напоминали посадочную ступень лунной кабины корабля «Аполлон» и были рассчитаны на мягкую посадку на Луну с так называемой падающей траектории. С помощью этих аппаратов изучалась несущая способность лунного грунта, процессы взаимодействия струи двигателя с грунтом при посадке, отрабатывались системы мягкой посадки (7 запусков в 1966-1968 годах).
Одновременно готовились и кадры астронавтов для будущих полетов. По программе «Джемини » - подготовительному этапу программы «Аполлона» - астронавты пять раз выходили в открытый космос. В полетах отрабатывалось сближение на орбите со спутниками-мишенями и стыковка с ними (12 полетов в 1964-1966 годах).
Чтобы достичь поставленной цели - полета человека на Луну и обратно, - руководству и специалистам НАСА необходимо было выбрать способ осуществления такого полета. Группа предварительного проектирования рассмотрела два варианта - прямой перелет с поверхности Земли на поверхность Луны и полет с промежуточной стыковкой на околоземной орбите. Прямой перелет потребовал бы разработки огромной ракеты для выведения лунного корабля на траекторию прямого перелета к Луне. Промежуточная стыковка на околоземной орбите потребовала бы запуска двух ракет меньшего масштаба («Сатурн-5») - одной для выведения космического корабля на околоземную орбиту и другой для дозаправки его топливом перед полетом с орбиты к Луне.
В обоих этих вариантах предусматривалась посадка 18-метрового космического корабля сразу на Луну. Поскольку руководство и специалисты НАСА считали эту задачу слишком рискованной, они в 1961-1962 разработали третий вариант - со встречей на окололунной орбите. При таком подходе ракета «Сатурн-5» выводила на орбиту два космических аппарата меньших размеров: основной блок, который должен был доставить трех космонавтов на окололунную орбиту и обратно, и двухступенчатую лунную кабину, которая должна была доставить двух из них с орбиты на поверхность Луны и обратно для встречи и стыковки с остающимся на окололунной орбите основным блоком. Этот вариант был выбран в конце 1962.
НАСА опробовало различные способы встречи и стыковки, которые предполагалось использовать на окололунной орбите, в ходе осуществления программы «Джемини » («Близнецы») - серии полетов возрастающей сложности на двухместных космических кораблях, оборудованных для сближения с космическим аппаратом-мишенью (беспилотная верхняя ступень ракеты «Аджена ») на околоземной орбите. Первый этап начался с беспилотных полетов «Джемини-1» и -2 (8 апреля 1964 и 19 января 1965) и трехвиткового полета В.Гриссома и Дж.Я нга на борту «Джемини-3» (23 марта 1965). В полетах «Джемини-4» (Дж.М акдивитт и Э.Уайт мл., 3–7 июня 1965), -5 (Л.Купер и Ч.Конрад-мл., 21–29 августа 1965) и -7 (Ф.Борман и Дж.Ловелл-мл ., 4–18 декабря 1965) исследовалась возможность длительного пребывания человека в космосе путем постепенного увеличения продолжительности полета до двух недель – максимальной длительности полета к Луне по программе «Аполлон». Полеты «Джемини-6» (У.Ширра и Т.Стаффорд , 15–16 декабря 1965), -8 (Н.Армстронг и Д.Скотт, 16 марта 1966), -9 (Т.Стаффорд и Ю.Сернан , 3–6 июня 1966), -10 (Дж.Я нг и М.Коллинз, 18–21 июля 1966), -11 (Ч.Конрад и Р.Гордон-мл., 12–15 сентября 1966) и -12 (Дж.Ловелл и Э.Олдрин-мл ., 11–15 ноября 1966) первоначально планировались для стыковки с кораблем-мишенью «Аджена ».
Частная неудача вынудила НАСА осуществить один из наиболее драматических орбитальных экспериментов 1960-х годов. Когда ракета «Аджена », корабль-мишень для «Джемини-6», взорвалась на старте 25 октября 1965, он остался без мишени. Тогда руководство НАСА решило вместо этого осуществить сближение в космосе двух кораблей «Джемини ». По этому плану нужно было сначала запустить «Джемини-7» в его двухнедельный полет, а затем, быстро проведя ремонт стартового стола, запустить «Джемини-6». В ходе совместного полета был снят красочный фильм, показывающий сближение кораблей вплоть до касания и их совместное маневрирование.
«Джемини-8» осуществил стыковку с кораблем-мишенью «Аджена ». Это была первая успешная стыковка двух кораблей на орбите, но полет был прерван менее чем через сутки, когда не выключился один из двигателей системы ориентации, в результате чего корабль получил такое быстрое вращение, что экипаж едва не потерял контроль над ситуацией. Однако, используя тормозной двигатель, Н.Армстронг и Д.Скотт восстановили контроль и осуществили экстренное приводнение в Тихом океане.
Во время полета «Джемини-4» Э.Уайт стал первым американцем, осуществившим выход в открытый космос - через два с половиной месяца после Леонова.
Таким образом, первая стыковка – это одно из немногих достижений в космосе, которое в 1960-е годы удалось американцам раньше, чем нам. Однако это не вполне полноценное достижение, поскольку речь шла о стыковке пилотируемого аппарата с непилотируемой болванкой. Полноценное достижение – стыковка двух пилотируемых кораблей – была впервые осуществлена в СССР.
Первая стыковка двух пилотируемых аппаратов . 16 января 1969 года на орбите произошла первая в мире стыковка двух пилотируемых аппаратов – космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5». 15 января был осуществлен запуск космического корабля "Союз-4" с Владимиром Шаталовым на борту. На следующий день взлетел "Союз-5" с Борисом Волыновым , Алексеем Елисеевым и Евгением Хруновым . "Союз-5" пристыковался к "Союзу-4", Елисеев и Хрунов через открытый космос перешли в корабль к Шаталову, и это была большая победа советской науки и техники - первая стыковка. Впервые пилотируемые космические корабли образовали экспериментальную орбитальную станцию. Впервые был осуществлен переход космонавтов из одного корабля в другой. В итоге образовалась первая в мире орбитальная станция. Впоследствии один из участников этого события – А.С.Елисеев – вспоминал подробности тех событий:
«Полет планировалось выполнить немного раньше. Готовилась другая четверка, во главе с Владимиром Михайловичем Комаровым. Но тогда произошла трагедия, полет не получился. И уже вторая попытка выполнялась нашей четверкой. Если говорить о самом нашем полете, у нас все прошло гладко. Никаких отступлений от того, что мы планировали, не было. У нас были осложнения, вернее, не у нас, а у Бориса Волынова во время посадки. Там не было нормального разделения корабля на отсеки. Из-за этого у него сорвался управляемый спуск, и он, скажем так, не очень мягко приземлился. И тогда помимо того, что отрабатывались принципы работы самой станции, одной из задач полета было - отработать возможность аварийного спасения экипажей, когда нельзя войти в корабль, терпящий бедствие, то есть нельзя подстыковаться к этому кораблю и сделать внутренний переход между кораблями. И тогда решили проверить, можно ли спасти через открытый космос. И вот к такому сложному варианту спасения мы готовились. Были созданы корабли, были созданы системе жизнеобеспечения, методика. Мы ее проверили, все получилось. И слава богу, что до сих пор не понадобилось этого делать ».
Первая стыковка двух автоматических аппаратов – то есть в полностью автоматическом режиме – тоже произошла в СССР. Это были беспилотные корабли типа «Союз», которые были запущены под названиями «Космос-186» и «Космос-188».
Однако, после успешной стыковки и перехода из одного корабля в другой через стыковочный узел, необходимо было перейти к следующему этапу – стыковка и переход из одного космического аппарата в другой через стыковочный узел, не снимая скафандров. Эта задача стала особенно актуальной в связи с необходимостью работы на орбитальных станциях. Первый такой опыт совершили советские космонавты Владимир Шаталов, Алексей Елисеев и Николай Рукавишников, стартовавшие на корабле «Союз-10» 23 апреля 1971 года, когда было проведено испытание стыковочного узла между кораблем и станцией "Салют-1". Космонавты не входили внутрь орбитальной станции. После этого удачного опыта 16 июня 1971 года стартовал корабль «Союз-11» с экипажем: Георгий Добровольский, Владислав Волков, Виктор Пацаев . Они успешно осуществили стыковку с орбитальной станцией «Салют-1», переход космонавтов в орбитальную станцию и пребывание в ней в течение 23 дней. Экипаж погиб при возвращении на Землю вследствие разгерметизации корабля.
«Союз»- «Аполлон» . В ходе эксплуатации орбитальных станций стыковки стали привычными. Следующим важным шагом стала стыковка советского космического корабля «Союз» и американского корабля «Аполлон» на околоземной орбите 15 июля 1975 года.
Этот проект получил название ЭПАС (сокращение от «Экспериментальный полет Аполлон-Союз». Программа ЭПАС была утверждена Соглашением между СССР и США о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях (24 мая 1972). Основные цели ЭПАС: испытание элементов совместимой системы сближения на орбите; испытание андрогинных (активно-пассивных) стыковочных агрегатов (см. Стыковка); проверка техники и оборудования для взаимного перехода космонавтов из корабля в корабль; накопление опыта в проведении совместно полетов КК СССР и США, включая, в случае необходимости, оказание помощи в аварийных ситуациях. Кроме того, в задачи ЭПАС входили изучение возможности управления ориентацией состыкованных кораблей, связи (межкорабельной ), а также координация действий американского и советского центров управления полетом. В процессе подготовки полета советскими и американскими конструкторами был решен комплекс сложных проблем по обеспечению совместимости средств вз аимного поиска и сближения космических кораблей, их стыковочных агрегатов, систем жизнеобеспечения, средств связи и управления полетом и т. д.
15 июля 1975 в 15 часов 20 минут по московскому времени с космодрома Байконур был запущен корабль «Союз-19» с космонавтами А. А. Леоновым и В. Н. Кубасовым , а в 22 ч 50 мин с космодрома на мысе Канаверал - корабль «Аполлон» с космонавтами Т. Стаффордом , Д. Слейтоном и В. Брандом . 17 июля в 19 ч 12 мин (на 36-м витке полета КК «Союз») была осуществлена стыковка обоих КК. 19 июля на 64-м витке КК «Союз» была проведена расстыковка кораблей, на 66-м витке корабли были вновь состыкованы. Окончательно корабли расстыковались на 68-м витке, после чего их полет проходил по самостоятельным программам. Общее время полета КК «Союз-19» составило 5 сут 22 ч 31 мин, КК «Аполлон»- 9 сут 1 ч 28 мин, общее время полета кораблей в состыкованном состоянии - 46ч 36 мин. В совместном полете были проведены следующие научные исследования и технические эксперименты: «искусственное солнечное затмение» (изучение с КК «Союз» при затмении Солнца КК «Аполлон» солнечной короны и окружающих КК газов); «ультрафиолетовое поглощение» (измерение концентрации атомарного кислорода и азота в космосе на высоте полета); «зонообразующие грибки» (изучение влияния совокупности факторов космического полета - невесомость, перегрузки, космическое излучение - на основные биологические ритмы); «микробный обмен» (исследование обмена микроорганизмами в условиях космического полета между членами экипажа и экипажами разных КК); «универсальная печь» (выяснение влияния невесомости на некоторые металлургические и кристаллохимические процессы в металлических и полупроводниковых материалах). Важным результатом полета стала унификация стыковочных узлов, что пригодилось в последующих международных полетах, в том числе и на МКС.
Раньше стыковку пытались осуществлять через сутки после старта, но потом обнаружили, что именно в это время у космонавта пик расстройства вестибулярного аппарата - даже если космическая болезнь движения проявляется в слабой форме, все равно координация некоторое время оставляет желать лучшего. Поэтому решили дать возможность экипажу некоторое время адаптироваться к невесомости и стыковку проводить через двое суток Хотя адаптация вестибулярного аппарата в это время еще продолжается, но космонавты более готовы к проведению ответственной операции.
Стыковка, то есть «встреча» космических аппаратов на орбите, когда-то была настоящим чудом. Если говорить простым языком, стыковка - это присоединение двух или нескольких космических аппаратов герметично друг к другу, включая электрические и гидравлические разъемы, и объединение их объемов путем открытия люков. Чтобы осуществить стыковку на орбите, нужно сначала приблизиться к космическому аппарату, с которым необходимо стыковаться. А для этого требуется владение космической навигацией и системой сближения, которая помогала бы двум космическим кораблям найти друг друга в космосе.
Первая автоматическая стыковка на орбите была выполнена космическими аппаратами «Космос-186» и «Космос-188» 30 октября 1967 года. Правда, полной стыковки тогда не получилось - корабли выполнили лишь жесткий механический захват, но и это было уже большим достижением.
Первая успешная стыковка пилотируемых космических кораблей состоялась 16 января 1969 года. Это были корабли «Союз-4» и «Союз-5», в состав экипажей которых входили Владимир Александрович Шаталов, Борис Валентинович Волынов, Алексей Станиславович Елисеев и Евгений Васильевич Хрунов. При этом Хрунов и Елисеев осуществили переход из корабля в корабль через открытый космос. Так фактически была создана на короткое время (четыре с половиной часа) первая в мире космическая станция.
Без стыковки не обходится ни один современный полет в космос. Разработанная в СССР система стыковки оказалась настолько хороша, что американцы установили ее и на своих космических кораблях - «шаттлах», и на модулях космической станции.
Благодаря стыковке корабль доставляет на станцию космонавтов, припасы еды, контейнеры с топливом и другие материалы. Без стыковки не обойтись при подготовке к межпланетным полетам, когда идут сборка космических кораблей на орбите, заправка их топливом и доставка экипажа.
Готовятся к стыковке заранее. В ЦУПе планируются точное время старта корабля, высота и другие параметры орбиты станции, с которой предстоит совершить стыковку. После выведения корабля на орбиту он, как машина, которая перестраивается из одной полосы в другую, выходит на орбиту ожидания. Для этого он сделал - мы помним - два маневра. На вторые сутки, за два витка до встречи, ЦУП вводит в память бортового компьютера корабля информацию о параметрах двух орбит: корабля и станции. При помощи этой информации компьютер определяет путь, по которому корабль будет приближаться к станции - он называется траекторией сближения.
На тридцать втором витке система управления космического корабля приступает к выполнению процесса автономного автоматического сближения. Алгоритмы бортового компьютера корабля «Союз ТМ» самостоятельно рассчитывают необходимые импульсы для выполнения процесса сближения по оптимальным траекториям и для их осуществления выдают необходимые команды в бортовые системы.
Космонавты в корабле надевают скафандры, потому что вероятны нештатные ситуации, в которых произойдет разгерметизация или потребуется срочный спуск. Для иллюстрации расскажем про один случай, который произошел в симметричной ситуации на расстыковке 14 января 1994 года. Рассказывает космонавт Александр Александрович Серебров:
«Расстыковку мы проводили на дневной части витка. Перед спуском мы с Василием Васильевичем Циблиевым обнаружили, что лампа освещения в спускаемом аппарате не светит. Правый иллюминатор у нас был полностью закрыт возвращаемым грузом, а с левого я снял шторку, чтобы посветлее было, коль уж лампа не горит Однако теперь яркое солнце засвечивало Василию приборную доску, поэтому контролировать показания люминесцентных (светящихся) приборов ему было очень сложно. У нас была задача после расстыковки сфотографировать и отснять на видео и фото стыковочный узел для предстоящей стыковки американского „Шаттла“. Для этого я перешел в бытовой отсек И тут новое дело: корабль почему-то не слушался Василия, и нас несло на солнечную батарею станции, в район стыковочных узлов. Мы набирали скорость, сближаясь с „Миром“. Виктор Михайлович Афанасьев, командир сменившего нас экипажа, отдал команду „Всем в корабль!“, когда увидел, что мы летим прямо на них, и правильно - сейчас как разнесет станцию, надо и им срочно на спуск! Да и я думаю: „Кранты!“ У бытового отсека стенки тонкие, хрупкие, и при столкновении он обязательно треснет. Воздух выйдет минуты за две. Понял, что через виток меня вместе с бытовым отсеком отстрелят, а спускаемый аппарат перейдет в баллистический спуск Это все я просчитал мгновенно, да, собственно, и оставались какие-то секунды. Но за метр до станции скорость погасла. Алюминиевая антенна сдемпфировала. Затем последовал удар по солнечной батарее и - страшный грохот! Неужели сорвали у станции батарею? На Земле убьют ведь! Посмотрел - батарея на месте. Стало легче. Станция от удара потеряла ориентацию, потому что гиродины (силовые гироскопы) стали тормозиться. И так удачно получилось, что она повернулась к нам нужным стыковочным узлом. И я отснял всё наилучшим образом. Огляделся - мы чуток порвали экранно-вакуумную теплоизоляцию, с помощью которой поддерживается температурный режим внутри станции, других повреждений не заметил. Перешел обратно в спускаемый аппарат, и мы доложили о случившемся на Землю. Дело было вот в чем. Есть такой тумблер „Управление спускаемым аппаратом“, который должен стоять в положении „1“. Василий видел, что „клювик“ тумблера стоит правильно. Мы должны точно следовать бортинструкции. В ней имелось указание проверить ручку управления ориентацией, а про ручку управления движением, с помощью которой выполняются линейные перемещения корабля, почему-то ничего не было сказано. Иначе мы, конечно, заметили бы неладное. Просто особенность данного конкретного тумблера: его надо было чуть дальше „единички“ в сторону нуля продвинуть (подобные вещи требуется на примерке на Байконуре выявлять, да не заметили). Тем временем Василий дожал-таки тумблер, и корабль снова стал послушным. Мы построили ориентацию на торможение (потом оказалось, хорошо построили: меньше двух килограммов перекиси затратили на спуск)».
А вот как вспоминает об этой ситуации бортинженер Юрий Владимирович Усачев:
«На транспортном корабле включается тормозной двигатель для схода с орбиты. Он (транспортный корабль) увеличивается в размерах, кажется, начинает раскручиваться какая-то пружина - расстояние между нами сокращается все стремительнее. И я понимаю, что если „этому“ суждено случиться, то уход в спускаемый аппарат нас не спасет.
Я замер у иллюминатора. Корабль проносится около нас на расстоянии 30–40 метров!
Это было похоже на фантастику из серии „Звездные войны“. Когда он проскочил, я бросился к иллюминатору в каюте командира, увидел удаляющийся транспортный корабль и почувствовал, что мы были близки к…
И Господь спас нас пятерых - экипажи станции и корабля. Было немного жутковато осознавать, что можно вот так столкнуться, и привет».
Нечто похожее может произойти и на стыковке, потому скафандры обязательны.
Начинается дальний участок сближения. Теперь надо успешно провести космический корабль по выбранной траектории. Это делает система управления сближением. Космонавты контролируют информацию о параметрах сближения, отображаемую на пульте.
Чтобы избежать возможного столкновения со станцией на конечном этапе, сближение осуществляется в так называемую «вынесенную точку». Наверное, опасно прямо с проспекта на скорости зарулить в ворота гаража? Лучше заехать на площадку перед ним («вынесенная точка»), а потом аккуратно поставить машину в гараж. Так и в космосе: корабль ведут к пустому, не занятому, участку пространства примерно в километре от станции.
На расстоянии менее 200 километров радиотехническая система сближения обнаруживает и захватывает «цель». Теперь сближение можно производить более точно, и на дальности 20 километров вынесенную точку приближают к станции - на расстояние 750 метров. Когда расстояние от корабля до станции станет меньше восьми километров, бортовой компьютер переносит и вынесенную точку - теперь она находится на расстоянии всего 300 метров.
Корабль оказался на ближнем участке сближения. Теперь осуществляется облет станции - экипаж корабля подбирается к выбранному стыковочному узлу. При этом есть опасность повредить оборудование, находящееся на станции: с одной стороны - солнечные батареи, с другой - антенны и прочие приборы. Кораблю надо так приблизиться, чтобы ничего не задеть. Поэтому желательно делать это на свету и в зонах радиовидимости ЦУПа и наземных измерительных пунктов. Чтобы светотеневая обстановка благоприятствовала космонавтам при стыковке, стараются к сеансу радиосвязи вывести корабль в окрестность станции на дальность около километра.
За 100–200 метров корабль зависает напротив стыковочного узла, то есть его скорость относительно станции равна нулю. И вот, наконец, он начинает медленно-медленно приближаться к станции - два метра в секунду, чтобы не врезаться или не пролететь мимо нее. Если возникает опасность столкновения, происходит автоматический увод корабля от станции.
Желательно осуществить стыковку с первого раза. Выполнить вторую попытку будет гораздо сложнее. Причаливание осуществляется аккуратно, экипаж как бы подкрадывается к цели. Чтобы стыковочный механизм сработал нормально, необходимо расположить корабль и станцию на одной линии, совсем как ключ от двери перед тем, как вставить его в замочную скважину. Конечно, при этом неминуемо будут возникать боковые смещения и отклонения от оси. Как следствие этого, после сцепки два космических аппарата начинают немного колебаться один относительно другого. Однако эти колебания быстро прекращаются, как говорят, успокаиваются. Чтобы упростить этот процесс, сгладить колебания, предусмотрены амортизаторы.
Стыковка корабля к станции планируется в начале третьих суток его полета (на втором витке третьих суток, то есть на тридцать четвертом витке). Обычно стыковка осуществляется в автоматическом режиме. Приборы и системы, установленные на корабле, действуют по определенной программе, заложенной еще на Земле. Однако бывают случаи, когда командиру экипажа рекомендуется принять управление на себя и осуществить стыковку вручную, а это куда сложнее, чем продеть нитку в иголку. Для ручной стыковки командир использует специальную мишень, расположенную на причале станции. В процессе сближения экипаж осуществляет визуальный контроль стыковки по стыковочной мишени, которая подсвечивается Солнцем или фарой корабля. Наконец следует доклад: «Есть касание!»
«Причал», «причаливание» - термины из словаря моряков. Ничего удивительного - ведь и название «корабль» пришло из морского дела. Да, и в космосе, и в морском порту есть «причал». Однако на космической станции он не такой, как на морском берегу. Прибывшее судно достаточно принайтовить канатами или тросами к чугунному кнехту на причале, и экипаж может по трапу легко покинуть его. В космосе все сложнее. Причаливший космический корабль надо накрепко зафиксировать, плотно присоединить корабль к станции, проверить герметичность перехода и только потом переходить в космическую станцию.
Для этого придумали удобную систему стыковки с внутренним переходом. Она состоит из двух частей. Одна установлена на крышке переходного люка бытового отсека космического корабля, а ее автоматика размещена в самом отсеке. На другом космическом объекте, например станции, которая ожидает прилетающий корабль, находится вторая часть стыковочного устройства. Все операции по стыковке выполняются механизмами корабля, а механизмы станции находятся в ожидании.
Стыковочный механизм корабля представляет собой довольно сложное устройство со штырем, точнее штангой, которая может втягиваться в стыковочный механизм и выдвигаться. Она и выдвинулась, если читатель помнит, после первого витка.
Главная деталь ответной части, находящейся на станции, - приемный конус с гнездом, в которое должен попасть штырь. Сразу точно попасть в гнездо трудновато. Поэтому для облегчения дела перед гнездом расположен металлический конус. Наливая воду из чайника в бутылку, легко промахнуться мимо узкого горлышка, но если вставить в бутылку воронку (а она обычно делается в форме конуса), то струя воды, ударив в стенку воронки, затем неминуемо попадет в горлышко. Так и в стыковочном устройстве: достаточно попасть штырем в конус, и форма воронки сама загонит штырь в гнездо.
Мы не случайно только что сказали, что струя воды ударяет в стенку воронки. Так и для двух космических кораблей любая стыковка начинается с удара. Существует целая наука, называемая теорией удара, без которой разработать систему стыковки в космосе невозможно.
Чтобы сделать удар как можно слабее, надо уменьшить скорость сближения. Соударение штыря и конуса начинается с касания. В этот момент относительная скорость корабля и станции очень мала - обычно около 10 сантиметров в секунду, но не более 35 сантиметров в секунду. Касание и есть первый момент стыковки.
Главное сделали - попали! На конце штанги находится головка, вроде кулачка. На головке сделаны четыре защелки, которые зацепляются в гнезде. Как будто кулачок раскрылся и пальцы зацепились за гнездо. После того как взаимные колебания успокоятся, штанга начинает втягиваться и обе сцепившиеся части стыковочного устройства все плотнее и плотнее прижимаются друг к другу. Это одна из сложных операций, которую надо выполнить. Если ее проделать аккуратно, то стык окажется герметичным благодаря механизму его герметизации, который располагается на стыковочном шпангоуте (еще один морской термин!): он сделан в виде металлического кольца. Такое же кольцо находится и в стыковочном механизме станции. На каждом шпангоуте по восемь замков. После стягивания замки шпангоутов защелкиваются. Объединяются электрические цепи и другие коммуникации корабля и станции.
Специальные резиновые уплотнения не дадут воздуху выходить из корабля и станции. Но герметичность стыка надо проверить с помощью датчиков. И когда космонавты убедятся, что воздух не вырвется наружу, можно открыть внутренние люки и спокойно перейти через внутренний тоннель с корабля на станцию. Процесс этот долгий, занимает около двух часов. Поэтому журналистам, коллегам и родным космонавтов, иностранным гостям, руководителям космической отрасли и другим важным персонам, которые сейчас в ЦУПе внимательно следят за информацией на больших экранах, придется запастись терпением. Но вот, наконец, один из наиболее ответственных этапов полета успешно завершен.
А когда космический корабль уходит от станции, направляясь обратно на Землю, все проделывается в обратном порядке: люки закрываются, замки открываются, штанга выдвигается, штырь и гнездо расцепляются, пружинные толкатели отталкивают корабль от станции, космические аппараты расстыковываются.
С 2013 года космические корабли «Союз» летают на МКС по короткой шестичасовой схеме. Она более комфортна для экипажа, и переход на двухсуточную схему стыковки обычно означает, что «что-то пошло не так». Но в этот раз не было никаких неисправностей, и для «Союза ТМА-18М» двухсуточная схема была запланирована изначально. Почему так получилось?
Экскурс в историю
Два состыкованных корабля «Союз»
За десятилетия развития космонавтики СССР/Россия и США успели перепробовать алгоритмы стыковки самой разной длительности. Абсолютный рекорд по скорости стыковки принадлежит нам - весной 1968 года два беспилотных «Союза» под названиями «Космос-212» и "-213" сумели состыковаться всего через 47 минут после старта второго корабля. Пилотируемый рекорд также был бы нашим, если бы у Георгия Берегового на «Союзе-3» получилось бы состыковаться с беспилотным «Союзом-2» - он был на расстоянии 200 метров от цели меньше, чем через час после старта. Но Береговому не повезло, а рекорд самой быстрой пилотируемой стыковки принадлежит Конраду и Гордону, которые сумели состыковать «Джемини-11» с мишенью «Аджена» за 1 час 34 минуты. Если говорить про полеты к орбитальным станциям, до 2013 года рекорд был у американцев - миссии к станции «Скайлэб» стыковались через 8 часов после запуска. В СССР же до 1986 года была принята суточная схема стыковки, а после начала работы станции «Мир» перешли на двухсуточную схему, которую перенесли и на МКС.
Немного физики
Описать словами сближение и стыковку просто. Нужно, всего лишь, сформировать такую орбиту, чтобы оказаться недалеко от цели, погасить относительную скорость, сблизиться и состыковаться. В реальности, понятное дело, этот процесс гораздо сложнее. У «Союза» возможна не любая начальная орбита, да и топливо у него не бесконечное. В таких условиях очень важными параметрами становятся фазовый угол и его допустимый диапазон.Фазовый угол
- это угол между кораблем и целью в плоскости орбиты.
Фазовый диапазон
- это допустимые значения фазового угла, при которых возможна стыковка.
Для двухсуточной схемы фазовый диапазон очень большой - порядка 150°, а фазовый угол находится обычно в диапазоне 200-400°. Шестичасовая схема гораздо строже - надо уложиться в фазовый угол 30±15°. Для того, чтобы успеть состыковаться за шесть часов, баллистики даже пошли на хитрость - сразу после выведения корабль получает данные для коррекции орбиты по расчетным параметрам выведения (а в реальном мире ракета-носитель всегда чуть-чуть промахивается). Затем, на втором витке, его орбиту анализируют на Земле и отправляют данные для двух импульсов коррекции, которые исправляют ошибку выведения. Не забывайте о том, что один виток - это примерно 90 минут, т.е. на все операции по стыковке есть всего четыре витка.
Схема маневров «Союза ТМА-16М». Первые два импульса расчетные, вторые два - корректирующие. Обратите внимание на активное маневрирование - импульсы идут примерно каждые полчаса
Схема маневров «Союза ТМА-18М».
Математик-жонглер
Расчет даты и параметров старта зависит от огромного количества ограничений:- Старт к МКС с Байконура возможен один раз в сутки.
- МКС теряет высоту непредсказуемо - в зависимости от солнечной активности.
- МКС может быть вынуждена выполнить маневр уклонения от космического мусора в заранее неизвестный день
- Нужно, чтобы стыковка происходила на дневной стороне орбиты и в видимости наземных пунктов управления на нашей территории.
- Параметры орбиты необходимо сохранять совместимыми с последующими стартами и посадками с горизонтом планирования примерно год.
Солнце подвело
Возможность для шестичасовой схемы «Союза ТМА-18М» пропала из-за двух факторов. Во-первых, МКС пришлось 26 июля уворачиваться от космического мусора. А во вторых, подвело Солнце - активность гораздо ниже прогнозируемой сделала окрестности Земли более «чистыми» от молекул атмосферы, и МКС снижалась медленнее расчетных значений. Возможность сдвинуть старт на один день была использована еще в июне - из-за такого же уклонения от мусора и низкой солнечной активности параметры орбиты МКС сделали непригодной дату старта 1 сентября. Весь август сохранялась некоторая интрига - несмотря на отказ от одной коррекции орбиты фазовый угол подходил к предельному значению. Не повезло - в итоге он вышел за допустимое значение, и не осталось других альтернатив, кроме двухсуточной схемы.
В теории, можно было бы попытаться затормозить МКС, но это очень дорогое решение - для того, чтобы тормозить двигателями «Прогресса», который пристыкован к модулю «Звезда», пришлось бы два раза разворачивать четырехсоттонную станцию на 180°. Слишком много топлива потратилось бы зря. Есть еще один любопытный вариант - ЦУП Москвы мог бы попросить ЦУП Хьюстона держать панели солнечных батарей МКС перпендикулярно направлению полета, чтобы они «ловили» максимум молекул атмосферы и тормозили бы станцию. Но такое решение тоже не всегда возможно, солнечные батареи должны снабжать станцию энергией и не могут поворачиваться произвольно.
Нет пределов совершенству
Любопытно, но шестичасовая схема не предел. Когда «Союзы» и «Прогрессы» пересядут на «Союз-2.1а», то новый цифровой носитель с более высокой точностью выведения позволит избавиться от двух импульсов коррекции, и сократить полет к МКС на один виток или полтора часа. По заверениям баллистиков фазовый диапазон упадет незначительно, до 25-28°. В теории, при изменении алгоритма сближения с МКС время полета можно будет уменьшить еще, и даже стыковка за один виток в будущем не выглядит абсолютно невозможной.При подготовке публикации использовались
Ровно 45 лет назад произошла первая в истории стыковка космических кораблей. Возвращение с орбиты одного из них - «Союза-5» - с Волыновым на борту едва не закончилось трагедией
«Перед полетом Владимир Комаров будто предчувствовал свою гибель»
Первая попытка провести стыковку кораблей на орбите, предпринятая в 1967 году, завершилась катастрофой - погиб космонавт Владимир Комаров, - говорит ветеран космодрома «Байконур» полковник в отставке киевлянин Василий Маляр . - Я видел Комарова накануне старта. Существует традиция: перед полетом организуется митинг, в котором участвуют космонавты и те, кто готовил для них ракету и корабль. Обычно космонавты на таких мероприятиях выглядят бодрыми, счастливыми - они в шаге от осуществления своей мечты отправиться в космос. А вот Комаров был бледным, как лист бумаги, и грустным. Конечно, он пытался улыбаться, но выходило у него это плохо - словно предчувствовал беду. Комаров полетел на «Союзе-1». На следующий день на орбиту должен был отправиться «Союз-2» с тремя космонавтами. Им следовало найти друг друга в космосе и состыковаться. К сожалению, у Комарова сразу же начались неполадки: одна из двух солнечных батарей не раскрылась. Это серьезное ЧП. Поэтому «Союз-2» уже не запускали. Хотя космонавт Алексей Елисеев рвался лететь. Говорил: «Отправьте меня на орбиту, я состыкуюсь с Комаровым. Возможно, от толчка у его корабля откроется вторая солнечная батарея». Но руководитель отряда космонавтов генерал-полковник Николай Каманин заявил: «Никакой самодеятельности, Комарову приказано возвращаться». Однако при спуске основной парашют не раскрылся. Космонавт погиб. Кстати, его дублером был Юрий Гагарин. Если бы Комаров по каким-то причинам не смог полететь (например, из-за простуды), его место в «Союзе» занял бы первый космонавт Земли.
Через два года выполнить стыковку поручили Владимиру Шаталову и экипажу во главе с Борисом Волыновым. Шаталову следовало лететь первым. Старт назначили на понедельник 13 ноября. Человек, назначавший эту дату, видимо, совершенно не суеверный. Однако число тринадцать подтвердило репутацию несчастливого - произошел отказ одной из систем, запуск пришлось отложить. А это создало проблему, для решения которой кому-нибудь из нас пришлось бы рисковать жизнью.
- Расскажите подробнее.
Тут дело вот в чем: корабль с космонавтами устанавливают на «макушке» ракеты. Если во время старта возникает аварийная ситуация, аппарат с людьми «отстреливается», а затем приземляется на парашюте. Когда должен был лететь Шаталов, стояли очень сильные морозы и дули пронизывающие ветра. Перед предполагавшимся запуском с корабля сняли термочехол. Из-за этого система аварийного спасения быстро переохладилась и могла не сработать. Устанавливать термочехол даже на земле при нормальной температуре очень сложно. Я не представляю, как это можно сделать на большой высоте при жутком холоде и ураганном ветре. Главный конструктор Василий Мишин, возглавлявший тогда космическую программу СССР, предложил крупную сумму (уже не помню, какую именно) смельчакам, которые рискнут поставить термочехол. К счастью, вскоре из Москвы пришли результаты расчетов, в которых было сказано: несмотря на экстремальные погодные условия, система аварийного спасения должна сработать нормально. Для нас это известие стало настоящим праздником.
Спустя сутки стартовал «Союз-5» с Волыновым, Елисеевым и Хруновым. В четверг 16 января произошла первая в истории стыковка в космосе пилотируемых кораблей. Шаталов при этом воскликнул: «Есть рукопожатие!»
«Судьба преподнесла мне в тот день подарок - жизнь»
До расстояния 100 метров корабли сводила автоматика (для этого использовалась аппаратура «Игла», изготовленная на нашем предприятии), а затем космонавты проводили стыковку вручную, - говорит главный конструктор киевского научно-производственного комплекса «Курс» Виктор Добровольский (на фото) . - После этого с помощью Волынова Елисеев и Хрунов облачились в скафандры, чтобы выйти в открытый космос и перейти в корабль к Шаталову. В это время пульс и давление у обоих зашкаливали. Это зафиксировала аппаратура. И командир экипажа Волынов засомневался, можно ли выпускать товарищей в открытый космос в таком состоянии. К счастью, те сумели быстро справиться с волнением. Но затем возникла еще одна неприятность: в скафандре Хрунова перестала работать система вентиляции. Космонавту угрожали нехватка кислорода и перегрев. За этой операцией наблюдали миллионы людей - шла прямая телевизионная трансляция. В сложной ситуации космонавты вели себя хладнокровно. Они быстро обнаружили причину проблемы - тумблер системы вентиляции почему-то оказался выключенным. Его включили, и ситуация нормализовалась.
Руководитель отряда космонавтов Каманин записал в своем дневнике, о ком больше всего переживал, наблюдая на экране за выходом в открытый космос: «Во всем этом полете наиболее слабым звеном я считал Елисеева (у него в прошлом были случаи обморочного состояния). Когда при переходе Елисеев сначала перестал двигаться, а потом и вообще безжизненно замер, у меня по спине побежали мурашки… Все облегченно вздохнули, когда через две-три минуты увидели, что он помахал рукой».
*Борис Волынов (в центре) остался в «Союзе-5», а Алексей Елисеев
(на переднем плане) и Евгений Хрунов, облачились в скафандры и вышли
в открытый космос, чтобы перебраться в корабль Владимира Шаталова
Это был первый в истории переход космонавтов из одного корабля в другой
на орбите. Они пробыли тогда в открытом космосе 37 минут, доставили
Шаталову газеты с сообщением о его полете и письма от жены и Каманина.
Пресса, правда, была слегка разорвана: надевая скафандры, космонавты
чуть было о ней не забыли. В последний момент Волынов сунул 
газеты
и письма Хрунову за пояс. Соединенные «Союз-4» и «Союз-5» стали
прообразами будущих орбитальных станций. Через четыре с половиной часа
они разъединились.
*Владимир Шаталов показывает на макетах, как проходила стыковка «Союзов»
Елисеев и Хрунов остались на корабле Шаталова. Их спуск на Землю прошел нормально, а возвращение Бориса Волынова едва не завершилось трагедией.
В одном из интервью Волынов вспоминал:
Когда я сообщил на землю, в какой ситуации оказался, один мой знакомый из Центра управления полетами пустил по кругу шапку. Ребята сбрасывались по трешке, пятерке, полагая, что мне не выжить. При возвращении спускаемый аппарат должен был отделиться от остальных отсеков. Но этого не произошло. Докладывать открытым текстом об аварийной ситуации было недопустимо, поэтому я сообщил: «Вижу в левом иллюминаторе антенну солнечной батареи». В ЦУПе все поняли. Вес конструкции, состоявшей из трех частей вместо одной, при посадке превышал расчетный в несколько раз. В первые секунды возникло очень сильное желание жить. Но мышеловка захлопнулась. Я стал надиктовывать на магнитофон все, что происходит. А еще позаботился о спасении в бортовом журнале записей, касающихся стыковки. Дело в том, что она прошла не совсем так, как предполагалось. Листы, в которых об этом было написано, я вырвал из журнала и обмотал бинтом. Затем положил обратно в журнал. В огне книга зачастую обгорает только снаружи, а внутри бумага остается целой. На это я и рассчитывал. Тем временем из-за трения о воздух корабль все более раскалялся, начал плавиться металл обшивки. Вокруг гудело, как в топке паровоза, за иллюминатором полыхали жгуты раскаленного воздуха. Корабль, к тому же, вращался.
Но не было счастья, да несчастье помогло - от перегрева произошел взрыв, благодаря которому конструкция разъединилась. А на высоте десять километров раскрылся парашют. Однако из-за вращения спускаемого аппарата стропы парашюта закрутились. Я думал: купол сложится, и это конец. К счастью, он лишь принял грушевидную форму. Вдобавок ко всему система мягкой посадки сработала с запозданием - когда до поверхности земли оставалось меньше метра. В результате спускаемый аппарат приземлился до того жестко, что от удара сорвало металлические крепления магнитофона. Он пролетел мимо моих коленей со скоростью снаряда. Очень болели зубы. Как оказалось, сломались корни зубов верхней челюсти. Но все могло быть гораздо хуже. Судьба преподнесла мне в тот день подарок - жизнь.
Приземлился в степи примерно в 600 километрах от заданного района. Так что нашли меня не сразу. Выбрался наружу, а там сильнейший мороз. Обнаружить меня с самолета помог огромный (площадью почти в тысячу квадратных метров. - Авт. ) оранжевого цвета парашют, который было видно издалека. Первое, что спросил у спасателей: «Седая у меня голова?»
«Психологи заявили: «Вы не сможете заставить себя сесть даже в рейсовый самолет»
Жена Волынова Тамара (они с мужем были знакомы с детства) рассказала журналистам, что в спускаемом аппарате Бориса был талисман - игрушка обезьянка. Тамара вложила в нее миниатюрную фотографию, на которой написала: «Пусть тебя хранит любовь моя и наша». В то время сыну Волыновых Андрею было десять лет, дочери Татьяне - три года.
Экипаж на медицинское обследование отправили не сразу. Так что перелом корней зубов у Волынова диагностировали только через десять дней. Как вспоминал Алексей Елисеев, космонавты несколько суток просто жили в гостинице, ожидая, пока за ними пришлют самолет, чтобы доставить на торжественную встречу в Москву. Командиры кораблей Шаталов и Волынов репетировали в спортзале доклад лидеру Советского Союза Леониду Брежневу. Их слушал Каманин. Елисеев и Хрунов тоже участвовали в репетициях, но никаких слов им произносить не следовало.
В Москве у Боровицких ворот Кремля экипаж попал в передрягу - по кортежу стреляли. Как потом установили, это младший лейтенант Советской армии Виктор Ильин пытался убить Брежнева. Не зная, в какой машине тот едет, выпалил по автомобилю, в котором находились космонавты Терешкова, Береговой, Леонов и Николаев. Они не пострадали, но водитель погиб. Их машина ехала вслед за открытым лимузином с только что вернувшимися с орбиты космонавтами.
Система стыковки кораблей «Игла» была создана в рамках программы полета космонавтов на Луну, - говорит Виктор Добровольский. - Представьте, корабль с экипажем подлетает к этой планете и начинает двигаться вокруг нее. Один человек остается на орбите, двое других пересаживаются в относительно небольшой модуль и спускаются на нем на Луну. Облаченные в скафандры люди выходят на поверхность планеты, выполняют определенное задание, а затем возвращаются на модуле к основному кораблю. С ним нужно состыковаться. Для отработки этой операции 45 лет назад в космос запустили «Союз-4» и «Союз-5». Хотя Советский Союз так и не сумел отправить людей на спутник Земли, система стыковки «Игла» пригодилась для строительства в космосе орбитальных станций. Современный вариант «Иглы» (он называется «Курс») по сей день выпускается в Киеве. Им оснащаются российские корабли, которые летают на Международную космическую станцию.
Что же касается Волынова, то его было списали из отряда космонавтов. «Психологи заявили: «Готовьтесь к тому, что вы не сможете заставить себя сесть даже в рейсовый самолет». Я ответил: «Посмотрим», - рассказал Первому каналу российского телевидения Борис Волынов. - Конечно, пережитое при спуске с орбиты травмировало психику - во время разборов этой ситуации у меня становились мокрыми от пота спина, колени, ладони». Но все же Волынов нашел в себе силы восстановиться, и его вернули в отряд космонавтов. В 1976 году он отправился вместе в Виталием Жолобовым на орбитальную станцию «Салют-5». Но и на этот раз случилась авария: на сорок вторые сутки полета на всей станции пропал свет. В кромешной темноте экипаж находился час сорок минут. Хотя электроснабжение удалось восстановить, руководство решило, что из-за пережитого стресса экипажу следует прервать экспедицию.
