Из чего состоит космический корабль для детей. Как это сделано, как это работает, как это устроено. Космический корабль: какой он
Космические корабли «Восток». 12 апреля 1961 г. трехступенчатая ракета-носитель доставила на околоземную орбиту космический корабль «Восток», на борту которого находился гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин.
Трехступенчатая ракета-носитель состояла из четырех боковых блоков (I ступень), расположенных вокруг центрального блока (II ступень). Над центральным блоком помещена III ступень ракеты. На каждом из блоков I ступени был установлен четырех-камерный жидкостно-реактивный двигатель РД-107, а на II ступени — четырехкамерный реактивный двигатель РД-108. На III ступени был установлен однокамерный жидкостно-реактивный двигатель с четырьмя рулевыми соплами.
Ракета-носитель «Восток»
1 — головной обтекатель; 2 — полезный груз; 3 — кислородный бак; 4 — экран; 5 — керосиновый бак; 6 — управляющее сопло; 7 — жидкостный ракетный двигатель (ЖРД); 8 — переходная ферма; 9 — отражатель; 10 — приборный отсек центрального блока; 11 и 12 — варианты головного блока (с АМС «Луна-1» и с АМС «Луна-3» соответственно).
| Лунная | Для полета человека | |
| Стартовая масса, т | 279 | 287 |
| Масса полезного груза, т | 0,278 | 4,725 |
| Масса топлива, т | 255 | 258 |
| Тяга двигателя, кН | ||
| I ступени (на Земле) | 4000 | 4000 |
| II ступени (в пустоте) | 940 | 940 |
| III ступени (в пустоте) | 49 | 55 |
| Максимальная скорость, м/с | 11200 | 8000 |
Корабль «Восток» состоял из соединенных вместе спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека. Масса корабля около 5 т.
Спускаемый аппарат (кабина экипажа) был выполнен в виде шара диаметром 2,3 м. В спускаемом аппарате было установлено кресло космонавта, приборы управления, система жизнеобеспечения. Кресло располагалось таким образом, чтобы возникающая при взлете и посадке перегрузка оказывала на космонавта наименьшее действие.
Космический корабль «Восток»
1 — спускаемый аппарат; 2 — катапультируемое кресло; 3 — баллоны со сжатым воздухом и кислородом; 4 — тормозной ракетный двигатель; 5 — третья ступень ракеты-носителя; 6 — двигатель третьей ступени.
В кабине поддерживалось нормальное атмосферное давление и такой же, как на Земле, состав воздуха. Шлем скафандра был открыт, и космонавт дышал воздухом кабины.
Мощная трехступенчатая ракета-носитель выводила корабль на орбиту с максимальной высотой над поверхностью Земли 320 км и минимальной— 180 км.
Рассмотрим, как устроена система приземления корабля «Восток». После включения тормозного двигателя скорость полета уменьшалась и начиналось снижение корабля.
На высоте 7000 м открывалась крышка люка и из спускаемого аппарата выстреливалось кресло с космонавтом. В 4 км от Земли кресло отделялось от космонавта и падало, а он продолжал спуск на парашюте. На 15-метровом шнуре (фале) вместе с космонавтом спускался неприкосновенный аварийный запас (НАЗ) и лодка, которая автоматически надувалась при посадке на воду.
|
Схема спуска корабля «Восток» 1 и 2 — ориентация по Солнцу; 4 — включение тормозного двигателя; 5 — отделение приборного отсека; 6 — траектория полета спускаемого аппарата; 7 — катапультирование космонавта из кабины вместе с креслом; 8 — спуск на тормозном парашюте; 9 — ввод в действие основного парашюта; 10 — отделение НАЗа; 11 —посадка; 12 и 13 — открытие тормозного и основного парашютов; 14 — спуск на основном парашюте; 15 — посадка спускаемого аппарата. |
Независимо от космонавта на высоте 4000 м раскрывался тормозной парашют спускаемого аппарата и скорость падения его существенно уменьшалась. В 2,5 км от Земли раскрывался основной парашют, плавно опускающий аппарат на Землю.
Космические корабли «Восход». Расширяются задачи космических полетов и соответственно совершенствуются космические корабли. 12 октября 1964 г. сразу три человека поднялись в космос на корабле «Восход»: В. М. Комаров (командир корабля), К. П. Феоктистов (ныне доктор физико-математических наук) и Б. Б. Егоров (врач).
Новый корабль существенно отличался от кораблей серии «Восток». Он вмещал трех космонавтов, имел систему мягкой посадки. «Восход-2» имел шлюзовую камеру для выхода из корабля в открытый космос. Он мог не только спускаться на сушу, но и приводняться. Космонавты находились в первом корабле «Восход» в полетных костюмах без скафандров.
Полет корабля «Восход-2» состоялся 18 марта 1965 г. На борту находился командир летчик-космонавт П. И. Беляев и второй пилот летчик-космонавт А. А. Леонов.
После выхода космического корабля на орбиту была раскрыта шлюзовая камера. Шлюзовая камера развернулась с наружной стороны кабины, образовав цилиндр, в котором мог разместиться человек в скафандре. Изготовлен шлюз из прочной герметичной ткани, и в сложенном состоянии он занимает мало места.
Космический корабль «Восход-2» и схема шлюзования на корабле
1,4,9, 11 — антенны; 2 — телевизионная камера; 3 — баллоны со сжатым воздухом и кислородом; 5 — телевизионная камера; 6 — шлюз до наполнения; 7 — спускаемый аппарат; 8 — агрегатный отсек; 10 — двигатель системы торможения; А — наполнение шлюза воздухом; Б — выход космонавта в шлюз (люк открыт); В — выпуск воздуха из шлюза наружу (люк закрыт); Г — выход космонавта в космос при открытом наружном люке; Д — отделение шлюза от кабины.
Мощная система наддува обеспечила наполнение шлюза воздухом и создание в нем такого же давления, как и в кабине. После того как давление в шлюзе и в кабине выравнялось, А. А. Леонов надел ранец, в котором размещались баллоны с сжатым кислородом, подключил провода связи, открыл люк и «перешел» в шлюз. Покинув шлюз, он удалился на некоторое расстояние от корабля. С кораблем его связывала только тонкая нить фала, человек и корабль движутся рядом.
Двадцать минут А. А. Леонов находился вне кабины, из них двенадцать минут — в свободном полете.
Первый выход человека в космическое пространство позволил получить ценнейшую информацию для последующих экспедиций. Было доказано, что хорошо подготовленный космонавт даже в условиях открытого космоса может выполнять различные задания.
Корабль «Восход-2» был доставлен на орбиту ракетно-космической системой «Союз». Унифицированная система «Союз» начала создаваться под руководством С. П. Королева уже в 1962 г. Она должна была обеспечить не отдельные прорывы в космос, а его планомерное обживание как новой сферы обитания и производственной деятельности.
При создании ракеты-носителя «Союз» основной доработке подверглась головная часть, фактически она была создана заново. Это было вызвано единственным требованием — обеспечить спасение космонавтов при аварии на стартовой площадке и атмосферном участке полета.
«Союз» — третье поколение космических кораблей. Корабль «Союз» состоит из орбитального отсека, спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека.
В кабине спускаемого аппарата расположены кресла космонавтов. Форма кресла позволяет легче переносить перегрузки, возникающие при взлете и посадке. На кресле расположены ручка управления ориентацией корабля и ручка управления скоростью при маневрировании. Специальный амортизатор смягчает удары, возникающие при посадке.
На «Союзе» имеются две автономно действующие системы жизнеобеспечения: система жизнеобеспечения кабины и система жизнеобеспечения скафандра.
Система жизнеобеспечения кабины поддерживает в спускаемом аппарате и орбитальном отсеке привычные для человека условия: давление воздуха около 101 кПа (760 мм рт. ст.), парциальное давление кислорода около 21,3 кПа (160 мм рт. ст.), температуру 25—30°С, относительную влажность воздуха 40—60%.
Система жизнеобеспечения производит очистку воздуха, собирает и хранит отходы. Принцип работы системы очистки воздуха основан на использовании кислородосодержащих веществ, поглощающих углекислый газ и часть влаги из воздуха и обогащающих его кислородом. Регулирование температуры воздуха в кабине производится с помощью радиаторов, установленных на наружной поверхности корабля.
Ракета-носитель «Союз»
Стартовая масса, т - 300
Масса полезного груза, кг
«Союз» - 6800
«Прогресс» - 7020
Тяга двигателей, кН
I ступени - 4000
II ступени - 940
III ступени - 294
Максимальная скорость, м/с 8000
1— система аварийного спасения (САС); 2 —пороховые ускорители; 3 — корабль «Союз»; 4 — стабилизирующие щитки; 5 и 6 — топливные баки III ступени; 7 — двигатель III ступени; 8 — ферма между II и III ступенями; 9 — бак с окислителем I ступени; 10 — бак с окислителем I ступени; 11 и 12—баки с горючим I ступени; 13 — бак с жидким азотом; 14 — двигатель I ступени; 15 — двигатель II ступени; 16 — камера управления; 7 — воздушный руль.
Автобус подъехал к стартовой позиции. Из него вышли космонавты и направились к ракете. В руке у каждого чемоданчик. Очевидно, многие сочли, что там уложено самое необходимое для дальней дороги. Но если присмотреться внимательно, то можно заметить, что чемоданчик связан с космонавтом гибким шлангом.
Скафандр ведь необходимо непрерывно вентилировать, чтобы удалять выделяемую космонавтом влагу. В чемоданчике находится вентилятор с электроприводом и источник электроэнергии — аккумуляторная батарея.
Вентилятор засасывает воздух из окружающей атмосферы и прогоняет его через вентилирующую систему скафандра.
Подойдя к открытому люку корабля, космонавт отсоединит шланг и войдет в корабль. Заняв свое место в рабочем кресле корабля, он подсоединится к системе жизнеобеспечения скафандра и закроет иллюминатор шлема. С этого момента воздух в скафандр подается вентилятором (150—200 л в мин). Но если давление в кабине начнет падать, то включится аварийная подача кислорода из специально предусмотренных баллонов.
Варианты головного блока
I — с кораблем «Восход-2»; II—с кораблем «Союз-5»; III — с кораблем «Союз-12»; IV — с кораблем «Союз-19»
Космический корабль «Союз Т» создан на базе корабля «Союз». «Союз Т-2» впервые выведен на орбиту в июне 1980 г. экипажем в составе командира корабля Ю. В. Малышева и бортинженера В. В. Аксенова. Новый корабль создан с учетом опыта разработки и эксплуатации КК «Союз» — состоит из орбитального (бытового) отсека с агрегатом стыковки, спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека новой конструкции. На «Союзе Т» установлены новые бортовые системы, в том числе радиосвязи, ориентации, управления движением, и бортовой вычислительный комплекс. Стартовая масса корабля 6850 кг. Расчетная продолжительность автономного полета 4 суток, в составе орбитального комплекса 120 суток.
С. П. Уманский
1986 «Космонавтика сегодня и завтра»
Приборная панель корабля «Восток-1» Ю. А. Гагарина. Центральный Музей Вооруженных Сил, Москва
Общая масса космического корабля достигала 4,73 тонны, длина (без антенн) - 4,4 м, а максимальный диаметр - 2,43 м.
Корабль состоял из сферического спускаемого аппарата (массой 2,46 тонны и диаметром 2,3 м) также выполняющего функции орбитального отсека и конического приборного отсека (массой 2,27 тонны и максимальным диаметром 2,43 м). Масса теплозащиты от 1.3 тонны до 1.5 тонн. Отсеки механически соединялись между собой при помощи металлических лент и пиротехнических замков. Корабль оснащался системами: автоматического и ручного управления, автоматической ориентации на Солнце, ручной ориентации на Землю, жизнеобеспечения (рассчитаной на поддержание внутренней атмосферы, близкой по своим параметрам к атмосфере Земли в течение 10 суток), командно-логического управления, электропитания, терморегулирования и приземления. Для обеспечения задач по работе человека в космическом пространстве корабль снабжался автономной и радиотелеметрической аппаратурой для контроля и регистрации параметров, характеризующих состояние космонавта, конструкции и систем, ультракоротковолновой и коротковолновой аппаратурой для двусторонней радиотелефонной связи космонавта с наземными станциями, командной радиолинией, программно-временным устройством, телевизионной системой с двумя передающими камерами для наблюдения за космонавтом с Земли, радиосистемой контроля параметров орбиты и пеленгации корабля, тормозной двигательной установкой ТДУ-1 и другими системами.
Вес космического корабля вместе с последней ступенью ракеты-носителя составлял 6,17 тонны, а их длина в связке - 7,35 м.
При разработке спускаемого аппарата конструкторами была выбрана осесимметричная сферическая форма, как наиболее хорошо изученная и имеющая стабильные аэродинамические характеристики для всех диапазонов углов атаки на разных скоростях движения. Это решение позволяло обеспечить приемлемую массу тепловой защиты аппарата и реализовать наиболее простую баллистическую схему спуска с орбиты. В тоже время, выбор баллистической схемы спуска обуславливал высокие перегрузки, которые предстояло испытать человеку, работающему на борту корабля.
Спускаемый аппарат имел два иллюминатора, один из которых размещался на входном люке, чуть выше головы космонавта, а другой, оснащённый специальной системой ориентации, в полу у его ног. Космонавт одетый в скафандр, размещался в специальном катапультируемом кресле. На последнем этапе посадки, после торможения спускаемого аппарата в атмосфере, на высоте 7 км, космонавт катапультировался из кабины и совершал приземление на парашюте. Кроме того, была предусмотрена возможность приземления космонавта внутри спускаемого аппарата. Спускаемый аппарат имел собственный парашют, однако не был оснащён средствами выполнения мягкой посадки, что грозило оставшемуся в нём человеку серъёзным ушибом при совместном приземлении.
Аппаратура кораблей «Восток» была выполнена как можно более простой. Манёвр возвращения обычно обрабатывался по автоматической команде, передаваемой по радио с Земли. С целью горизонтальной ориентации корабля использовались инфракрасные датчики. Выравнивание вдоль оси орбиты выполнялось при помощи звёздных и солнечных датчиков ориентации.
В случае отказа автоматических систем космонавт мог перейти на ручное управление. Это было возможно за счёт использования оригинального оптического ориентатора «Взор», установленного на полу кабины. На иллюминаторе размещалась кольцевая зеркальная зона, а на специальном матовом экране были нанесены стрелки, указывающие направление смещения земной поверхности. Когда космический корабль был правильно сориентирован относительно горизонта все восемь визиров зеркальной зоны освещались солнцем. Наблюдение земной поверхности через центральную часть экрана («бег Земли») позволяло определить направление полёта.
Решить, когда следует начать манёвр возвращения космонавту помогал другой прибор - небольшой глобус с часовым механизмом, который показывал текущее положение корабля над Землёй. Зная исходную точку положения можно было с относительной точностью определить место предстоящей посадки.
Эта ручная система могла быть использована только на освещённой части орбиты. Ночью Земля не могла наблюдаться через «Взор». Автоматическая система ориентации должна была иметь возможность работать в любое время.
Корабли «Восток» не были приспособлены для полётов человека на Луну, а также не допускали возможности полёта людей не прошедших специальной подготовки. Во многом это обуславливалось конструкцией спускаемого аппарата корабля, ласково именуемого Шарик . Сферическая форма спускаемого аппарата не предусматривала использования двигателей ориентации. Аппарат походил на шар, основной вес которого был сконцентрирован в одной части, таким образом, при движении по баллистической траектории он автоматически разворачивался тяжёлой частью вниз. Баллистический спуск означал восьмикратную перегрузку при возвращении с земной орбиты и двадцатикратную при возвращении от Луны. Похожим баллистическим аппаратом была капсула «Меркурий»; корабли «Джемини», «Аполлон» и «Союз» благодаря своей форме и смещённому центру тяжести позволяли снизить испытываемые перегрузки (3 G для возвращения с околоземной орбиты и 8 G при возвращении с Луны), и обладали достаточной манёвренностью для изменения точки посадки.
Советские корабли «Восток» и «Восход» также, как американский «Меркурий» не умели выполнять орбитальные манёвры, допуская лишь выполнение поворотов относительно основных осей. Повторный запуск двигательной установки не предусматривался, она использовалась лишь с целью выполнения возвратного тормозного манёвра. Тем не менее, Сергей Павлович Королёв перед началом разработки «Союза» рассматривал возможность создания манёвренного «Востока». Этот проект подразумевал стыковку корабля со специальными разгонными модулями, что в перспективе позволяло использовать его в задаче по облёту Луны. Позднее идея манёвренной версии корабля «Восток» была реализована в разведывательных спутниках «Зенит» и специализированных спутниках «Фотон».
Пилоты космических кораблей «Восток»
Сегодня стартовала Всемирная неделя космоса. Проводится она ежегодно с 4 по 10 октября. Ровно 60 лет назад на околоземную орбиту вывели первый рукотворный объект советский «Спутник-1». Он вращался вокруг Земли 92 дня, пока не сгорел в атмосфере. После этого открылась дорога в космос и человеку. Стало понятно, что его нельзя отправлять с билетом в один конец. Как развивались космические технологии, узнал корреспондент телеканала «МИР 24» Владимир Сероухов.
В 1961 году саратовские зенитчики засекли на радаре неопознанный летающий объект. Их заранее предупредили: если они увидят такой падающий с неба контейнер, мешать его полету не стоит. Ведь это первый в истории космический спускаемый аппарат с человеком на борту. Но приземляться в этой капсуле было небезопасно, поэтому на высоте 7 километров катапультировался и спустился на поверхность уже с парашютом.
Капсула корабля «Восток», на сленге инженеров - «Шарик», тоже спустилась на парашюте. Так на Землю вернулись Гагарин, Терешкова и другие первопроходцы космоса. Из-за особенностей конструкции пассажиры испытывали невероятные перегрузки в 8 g. Гораздо легче условия в капсулах «Союз». Их используют более полувека, но в скоро должны заменить новым поколением кораблей - .
«Это кресло командира экипажа и второго пилота. Как раз те места, с которых будет выполняться управление кораблем, контроль всех систем. Кроме этих кресел по бокам будут еще два кресла. Это уже для исследователей», - рассказывает заместитель начальника летно-испытательного отдела РКК «Энергия» Олег Кукин.
По сравнению с семейством кораблей «Союз», которые все-таки морально устарели, и где в тесноте могли разместиться лишь трое космонавтов, капсула «Федерации» - настоящие апартаменты, 4 метра в диаметре. Сейчас главная задача - понять насколько удобен и функционален будет аппарат для экипажа.
Управление теперь доступно двум членам экипажа. Пульт шагает в ногу со временем - это три сенсорных дисплея, где можно контролировать информацию и быть более автономным на орбите.
«Вот для того, что бы выбрать место посадки, куда мы можем сесть. Мы непосредственно видим карту, трассу полета. Погодные условия они также могут контролировать, если эта информация будет передана с Земли, - отметил заместитель начальника летно-испытательного отдела РКК «Энергия» Олег Кукин.
«Федерация» рассчитана для полетов на Луну, это около четырех суток пути в одну сторону. Все это время космонавты должны находиться в позе эмбриона. В спасательных креслах, или ложементах удивительно удобно. Каждое - ювелирная работа.
«Измерение всех антропометрических данных начинается с измерения массы», - указал начальник сектора медицинского отдела НПП «Звезда» Виктор Синигин.
Вот оно - космическое ателье, предприятие «Звезда». Здесь для космонавтов делают индивидуальные скафандры и ложементы. Людям легче 50 килограммов путь на борт заказан, как и тем, кто тяжелее 95. Рост тоже должен быть средним, чтобы уместиться в салоне корабля. Поэтому и мерки снимают в позе эмбриона.
Так отливали кресло для японского космонавта Коичи Ваката. Получили отпечаток таза, спины и головы. В условиях невесомости рост любого космонавта может увеличиться на пару сантиметров, так что ложемент делают с запасом. Он должен быть не просто комфортным, но и безопасным в случае жесткой посадки.
«Сама идея моделирования в том, что бы уберечь внутренние органы. Почки, печень они капсулированные. Если дать им возможность расшириться они могут порваться, как полиэтиленовый пакет с водой, упавший на пол», - пояснил Синигин.
Всего таким способом сделали 700 ложементов не только для россиян, но и для японцев, итальянцев и даже коллег из Штатов, которые работали на станциях «Мир» и МКС.
«Американцы на своем «Шаттле» везли наши ложементы и скафандры, которые мы для них делали, и другое спасательное снаряжение. Оставляли это все на станции, на случай аварийного покидания станции, но уже на нашем корабле», - рассказал ведущий инженер испытательного отдела НПП «Звезда» Владимир Масленников.
Быстроходные транспортные машины отличаются от машин, передвигающихся с малой скоростью, легкостью конструкции. Вес огромных океанских лайнеров исчисляется сотнями тысяч килоньютонов. Скорость их передвижения сравнительно невелика (= 50 км/ч). Вес быстроходных катеров не превышает 500 - 700 кн, но зато они могут развивать скорость до 100 км/ч. С увеличением скорости передвижения снижение веса конструкции транспортных машин становится все более важным показателем их совершенства. Особенно большое значение вес конструкции имеет для летательных аппаратов (самолетов, вертолетов).Космический корабль тоже летательный аппарат, но только предназначен он для передвижения в безвоздушном пространстве. Летать по воздуху можно гораздо быстрее, чем плыть по воде или передвигаться по земле, а в безвоздушном пространстве можно развивать еще большие скорости, но, чем больше скорость, тем важнее вес конструкции. Увеличение веса космического корабля приводит к очень большому увеличению веса ракетной системы, которая выводит корабль в запланированный район космического пространства.
Поэтому все, что находится на борту космического корабля, должно весить как можно меньше, и ничего не должно быть лишнего. Это требование создает одну из самых больших трудностей для конструкторов космических кораблей.
Из каких основных частей состоит космический корабль? Космические аппараты делятся на два класса: обитаемые (на борту их находится экипаж из нескольких человек) и необитаемые (на борту их устанавливается научная аппаратура, которая автоматически передает на Землю все данные измерений). Мы будем рассматривать только обитаемые космические корабли. Первым обитаемым космическим кораблем, на котором совершил свой полет Ю. А. Гагарин, был «Восток». За ним следуют корабли из серии «Восход». Это уже не одноместные, как «Восток», а многоместные аппараты. На космическом корабле «Восход» впервые в мире был совершен групповой полет трех летчиков-космонавтов - Комарова, Феоктистова, Егорова.
Следующая серия космических кораблей, созданных в Советском Союзе, получила название «Союз». Корабли этой серии гораздо сложнее по устройству, чем их предшественники, и задачи, которые они могут выполнять, также сложнее. В США также были созданы космические корабли различных типов.
Рассмотрим общую схему устройства обитаемого космического корабля на примере американского корабля «Аполлон».
Рис. 10. Схема трехступенчатой ракеты с космическим кораблем и системой спасения.
На рисунке 10 приведена схема общего вида ракетной системы «Сатурн» и пристыкованного к ней космического корабля «Аполлон». Космический корабль находится между третьей ступенью ракеты и устройством, которое крепится к космическому кораблю на ферме,- оно называется системой аварийного спасения. Для чего предназначено это устройство? При работе двигателя ракеты или ее системы управления во время запуска ракеты не исключается появление неполадок. Иногда эти неполадки могут привести к аварии - ракета упадет на Землю. Что при этом может произойти? Компоненты топлива смешаются, и образуется море огня, в котором окажутся и ракета и космический корабль. Больше того, при смешении компонентов топлива могут образовываться и взрывчатые смеси. Следовательно, если по какой-либо причине произойдет авария, необходимо корабль увести от ракеты на некоторое расстояние и только после этого приземлиться. При этих условиях ни взрывы, ни пожар для космонавтов не будут опасны. Вот для этой цели и служит система аварийного спасения (сокращенно САС).
В систему САС входят основной и управляющий двигатели, работающие на твердом топливе. Если на систему САС поступает сигнал об аварийном состоянии ракеты, она срабатывает. Космический корабль отделяется от ракеты, а пороховые двигатели системы аварийного спасения уводят космический корабль вверх и в сторону. Когда пороховой двигатель заканчивает работу, из космического корабля выбрасывается парашют и корабль плавно опускается на Землю. Система САС предназначена для спасения космонавтов в случае создания аварийной ситуации, в период запуска ракеты-носителя и полета ее на активном участке.
Если запуск ракеты-носителя прошел нормально и полет на активном участке успешно завершается, надобность в системе аварийного спасения отпадает. После вывода космического корабля на околоземную орбиту эта система становится бесполезной. Поэтому перед выходом космического корабля на орбиту система аварийного спасения отбрасывается от корабля как ненужный балласт.
Система аварийного спасения непосредственно крепится к так называемому спускаемому или возвращаемому аппарату космического корабля. Почему он имеет такое название? Мы уже говорили, что космический корабль, отправляющийся в космический полет, состоит из нескольких частей. А вот на Землю из космического полета возвращается всего лишь одна его составная часть, которая поэтому и называется возвращаемым аппаратом. Возвращаемый, или спускаемый, аппарат, в отличие от других частей космического корабля, имеет толстые стенки и специальную форму, наиболее выгодную с точки зрения полета в атмосфере Земли с большими скоростями. Возвращаемый аппарат, или командный отсек,- это место, где находятся космонавты во время вывода космического корабля на орбиту и, конечно, во время спуска на Землю. В нем устанавливается большая часть аппаратуры, с помощью которой управляют кораблем. Так как командный отсек предназначен для спуска на Землю космонавтов, то в нем располагаются также и парашюты, с помощью которых производится торможение космического корабля в атмосфере, а затем и плавный спуск.
За спускаемым аппаратом идет отсек, называемый орбитальным. В этом отсеке устанавливается научная аппаратура, необходимая для проведения специальных исследований в космосе, а также системы, обеспечивающие корабль всем необходимым: воздухом, электроэнергией и др. Орбитальный отсек после выполнения космическим кораблем задания на Землю не возвращается. Его очень тонкие стенки не способны выдержать тот нагрев, которому подвергается возвращаемый аппарат при спуске на Землю, проходя плотные слои атмосферы. Поэтому, войдя в атмосферу, орбитальный отсек сгорает, подобно метеору.
В космических кораблях, предназначенных для полета в дальний космос с высадкой людей на другие небесные тела, необходимо иметь еще один отсек. В этом отсеке космонавты могут спускаться на поверхность планеты, а когда нужно, взлетать с нее.
Мы перечислили основные части современного космического корабля. Теперь посмотрим, как обеспечивается жизнедеятельность экипажа и работоспособность аппаратуры, устанавливаемой на борту корабля.
Для обеспечения жизнедеятельности человека требуется немало. Начнем с того, что человек не может существовать ни при очень низких, ни при очень высоких температурах. Регулятором температуры на земном шаре является атмосфера, т. е. воздух. А как обстоит дело с температурой на космическом корабле? Известно, что существует три вида передачи тепла от одного тела к другому - теплопроводность, конвекция и излучение. Для передачи тепла теплопроводностью и конвекцией нужен передатчик тепла. Следовательно, в космосе эти виды теплопередачи невозможны. Космический корабль, находясь в межпланетном пространстве, получает тепло от Солнца, Земли и других планет исключительно излучением. Стоит создать тень из тонкого листа какого-либо материала, который преградит путь лучам Солнца (или свету от других планет) к поверхности космического корабля - и он перестанет нагреваться. Поэтому теплоизолировать космический корабль в безвоздушном пространстве нетрудно.
Однако при полете в космическом пространстве приходится опасаться не перегрева корабля солнечными лучами или его переохлаждения в результате излучения тепла стенками в окружающее пространство, а перегрева от тепла, которое выделяется внутри самого космического корабля. За счет чего может повышаться температура в корабле? Во-первых, сам человек является источником, непрерывно излучающим тепло, а во-вторых, космический корабль - это очень сложная машина, оборудованная многими приборами и системами, работа которых связана с выделением большого количества тепла. Перед системой, обеспечивающей жизнедеятельность членов экипажа корабля, стоит очень важная задача - все тепло, выделяемое и человеком, и приборами, своевременно вывести за пределы отсеков корабля и обеспечить поддержание температуры в них на уровне, который требуется для нормального существования человека и работы приборов.
Как можно в условиях космоса, где тепло передается только лучеиспусканием, обеспечить необходимый температурный режим в космическом корабле? Вы знаете, что летом, когда светит знойное Солнце, все ходят в светлой одежде, в которой менее ощущается жара. В чем тут дело? Оказывается, светлая поверхность в отличие от темной плохо поглощает лучистую энергию. Она ее отражает и поэтому гораздо слабее нагревается.
Вот этим свойством тел в зависимости от цвета окраски в большей или меньшей степени поглощать или отражать лучистую энергию можно воспользоваться для регулирования температуры внутри космического корабля. Имеются такие вещества (они называются термофототропами), которые изменяют свою окраску в зависимости от температуры нагрева. При повышении температуры они начинают обесцвечиваться и тем сильнее, чем выше температура их нагрева. Наоборот, при охлаждении они темнеют. Такое свойство термофототропов может оказаться весьма полезным, если их применять в системе терморегулирования космических кораблей. Ведь термофототропы позволяют поддерживать температуру какого-либо объекта на определенном уровне автоматически, без применения каких-либо механизмов, подогревателей или охладителей. Вследствие этого система терморегулирования с применением термофототропов будет иметь небольшую массу (а это для космических кораблей очень важно), для приведения ее в действие не потребуется затрат энергии. (Системы терморегулирования, работающие без потребления энергии, называются пассивными.)
Существуют другие пассивные системы терморегулирования. Все они обладают одним важным свойством - малой массой. Однако они ненадежны в работе, особенно при длительной эксплуатации. Поэтому космические корабли, как правило, оборудуются так называемыми активными системами регулирования температуры. Отличительной особенностью таких систем является возможность изменения режима работы. Активная система регулирования температуры подобна батарее системы центрального отопления - если вам нужно, чтобы в комнате было холоднее, вы перекрываете доступ горячей воды в батарею. Наоборот, если нужно поднять температуру в комнате, перекрывной кран открывается полностью.
Задача системы терморегулирования - поддерживать температуру воздуха в кабине корабля в пределах обычной, комнатной, т. е. 15 - 20°С. Если помещение обогревается с помощью батарей центрального отопления, то температура в любом месте помещения практически устанавливается одна и та же. Почему около горячей батареи и вдалеке от нее разница в температуре воздуха бывает очень незначительной? Это объясняется тем, что в помещении идет непрерывное перемешивание теплых и холодных слоев воздуха. Теплый (легкий) воздух поднимается вверх, холодный (тяжелый) опускается вниз. Такое движение (конвекция) воздуха обусловлено наличием силы тяжести. В космическом корабле все невесомо. Следовательно, там не может быть конвекции, т. е. перемешивания воздуха и выравнивания температуры по всему объему кабины. Нет естественной конвекции, но ее создают искусственно.
Для этой цели в системе терморегулирования предусматривается установка нескольких вентиляторов. Вентиляторы, приводимые в движение электромотором, заставляют воздух непрерывно циркулировать по кабине корабля. Благодаря этому тепло, выделяемое телом человека или каким-либо прибором, не скапливается в одном месте, а равномерно распределяется по всему объему.
Рис. 11. Схема охлаждения воздуха кабины космического корабля.
Практика показала, что в космическом корабле тепла образуется всегда больше, чем излучается в окружающее пространство через стенки. Поэтому в нем целесообразно устанавливать батареи, по которым нужно прокачивать холодную жидкость. Этой жидкости будет отдавать тепло прогоняемый с помощью вентилятора воздух кабины (см. рис. 11), охлаждаясь при этом. В зависимости от температуры жидкости в радиаторе, а также его размеров можно отвадить тепла больше или меньше и таким образом поддерживать температуру внутри кабины корабля на требуемом уровне. Радиатор, охлаждающий воздух, служит и еще для одной цели. Вы знаете, что при дыхании человек выдыхает в окружающую атмосферу газ, в котором содержится значительно меньше кислорода, чем в воздухе, но зато больше углекислого газа и водяных паров. Если водяные пары не удалять из атмосферы, они будут в ней накапливаться, пока не наступит состояние насыщения. Насыщенный пар будет конденсироваться на всех приборах, стенках корабля, все отсыреет. Конечно, в таких условиях человеку длительное время жить и работать вредно, да и не все приборы при такой влажности могут нормально функционировать.
Радиаторы, о которых мы говорили, помогают удалять излишки водяных паров из атмосферы кабины космического корабля. Вы замечали, что происходит с холодным предметом, внесенным с улицы зимой в теплую комнату? Он сразу же покрывается мельчайшими капельками воды. Откуда они взялись? Из воздуха. В воздухе всегда содержатся в том или ином количестве водяные пары. При комнатной температуре (+20°С) в 1 м³ воздуха может содержаться влаги в виде пара до 17 г. С повышением температуры воздуха повышается и возможное содержание влаги, и наоборот: с понижением температуры в воздухе может находиться меньше водяных паров. Вот почему на холодных предметах, внесенных в теплое помещение, и выпадает влага в виде росы.
В космическом корабле холодным предметом служит радиатор, по которому прокачивается холодная жидкость. Как только в воздухе кабины накапливается слишком много водяных паров, она из воздуха, омывающего трубки радиатора, конденсируются на них в виде росы. Таким образом, радиатор служит не только как средство охлаждения воздуха, но одновременно является его осушителем. Так как радиатор выполняет сразу две задачи - охлаждает и осушает воздух, его называют холодильно-сушильным аппаратом.
Итак, для того чтобы поддерживать в кабине космического корабля нормальную температуру и влажность воздуха, необходимо иметь в системе терморегулирования жидкость, которая должна непрерывно охлаждаться, иначе она не сможет выполнить своей роли - отводить излишки тепла из кабины корабля. Как же охлаждать жидкость? Охладить жидкость, конечно, не проблема, если есть обычный электрохолодильник. Но электрохолодильники на космических кораблях не устанавливают, да они там и не нужны. Космическое пространство тем и отличается от земных условий, что там одновременно хватает и тепла, и холода. Оказывается, чтобы охладить жидкость, с помощью которой поддерживаются на заданном уровне температура и влажность воздуха внутри кабины, ее достаточно на некоторое время поместить в космическое пространство, но так, чтобы она находилась в тени.
В системе терморегулирования, помимо вентиляторов, приводящих в движение воздух, предусматриваются насосы. Их задача - перекачивать жидкость из радиатора, находящегося внутри кабины, в радиатор, установленный на внешней стороне оболочки космического корабля, т. е. в космическом пространстве. Эти два радиатора связаны друг с другом трубопроводами, на которых имеются клапаны и датчики, замеряющие температуру жидкости на входе и выходе из радиаторов. В зависимости от показаний этих датчиков регулируется скорость перекачки жидкости из одного радиатора в другой, т. е. количество тепла, отводимого из кабины корабля.
Какими же свойствами должна обладать жидкость, применяемая в системе регулирования температуры? Так как один из радиаторов находится в космическом пространстве, где возможны очень низкие температуры, то одно из главных требований к жидкости - низкая температура затвердевания. Действительно, если жидкость во внешнем радиаторе замерзнет, то система регулирования температуры выйдет из строя.
Поддержание температуры внутри космического корабля на уровне, при котором сохраняется работоспособность человека, очень важная задача. Жить и работать ни в холоде, ни в жаре человек не может. А может ли человек существовать без воздуха? Конечно, нет. Да и такого вопроса перед нами никогда не возникает, так как воздух на Земле находится повсюду. Воздух заполняет и кабину космического корабля. Есть ли разница в обеспечении человека воздухом на Земле и в кабине космического корабля? Воздушное пространство на Земле имеет большой объем. Сколько бы мы ни дышали, сколько бы ни потребляли кислорода для других нужд, его содержание в воздухе практически не меняется.
В кабине космического корабля другое положение. Во-первых, объем воздуха в ней очень мал и, кроме того, нет естественного регулятора состава атмосферы, так как нет растений, которые поглощали бы углекислый газ и выделяли кислород. Поэтому очень скоро люди, находящиеся в кабине космического корабля, начнут ощущать недостаток кислорода для дыхания. Человек нормально себя чувствует, если в атмосфере содержится не менее 19% кислорода. При меньшем содержании кислорода дышать становится трудно. В космическом корабле на одного члена экипажа приходится свободный объем = 1,5 - 2,0 м³. Расчеты показывают, что уже через 1,5 - 1,6 ч воздух в кабине делается непригодным для нормального дыхания.
Следовательно, космический корабль нужно оборудовать системой, которая подпитывала бы его атмосферу кислородом. А откуда взять кислород? Конечно, можно запасать кислород на борту корабля в виде сжатого газа в специальных баллонах. По мере необходимости газ из баллона можно выпускать в кабину. Но такой вид хранения запаса кислорода мало пригоден для космических кораблей. Дело в том, что металлические баллоны, в которых газ находится под большим давлением, очень много весят. Поэтому этот простой способ хранения кислорода на космических кораблях не применяется. Но ведь газообразный кислород можно превратить в жидкость. Плотность жидкого кислорода почти в 1000 раз больше плотности газообразного, вследствие чего для его хранения (одной и той же массы) потребуется гораздо меньшая емкость. Кроме того, жидкий кислород можно хранить под небольшим давлением. Следовательно, стенки сосуда могут быть тонкими.
Однако применение жидкого кислорода на борту корабля сопряжено с некоторыми трудностями. Очень просто подать в атмосферу кабины космического корабля кислород, если он находится в газообразном состоянии, труднее, если он жидкий. Жидкость предварительно нужно превратить в газ, а для этого нагреть. Нагревание кислорода необходимо еще и потому, что его пары могут иметь температуру, близкую к температуре кипения кислорода, т. е. - 183°С. Такой холодный кислород нельзя впускать в кабину, дышать им, конечно, невозможно. Его следует подогреть по крайней мере до 15 - 18°С.
Для газификации жидкого кислорода и нагревания паров потребуются специальные приспособления, что усложнит систему обеспечения кислородом. Нужно еще помнить и о том,что человек в процессе дыхания не только потребляет кислород, находящийся в воздухе, но одновременно выделяет углекислый газ. В час человек выделяет около 20 л углекислого газа. Углекислый газ, как известно, не является отравляющим веществом, однако дышать воздухом, в котором углекислого газа содержится больше 1 - 2%, человеку трудно.
Чтобы воздух кабины космического корабля был пригоден для дыхания, необходимо не только добавлять в него кислород, но и одновременно удалять из него углекислый газ. Для этого удобно было бы иметь на борту космического корабля такое вещество, которое выделяет кислород и в то же время поглощает из воздуха углекислый газ. Такие вещества существуют. Вы знаете, что окись металла - это соединение кислорода с металлом. Ржавчина, например, это окись железа. Окисляются и другие металлы, в том числе и щелочные (натрий, калий).
Щелочные металлы, соединяясь с кислородом, образуют не только окиси,но и так называемые перекиси и надперекиси. В перекисях и надперекисях щелочных металлов кислорода содержится значительно больше, чем в окисях. Формула окиси натрия Na₂O, а надперекиси NaO₂. При действии влаги надперекись натрия разлагается с выделением чистого кислорода и образованием щелочи: 4NaO₂ + 2Н₂О → 4NaOH + 3O₂.
Надперекиси щелочных металлов оказались очень удобными веществами для получения из них кислорода в условиях космического корабля и очистки воздуха кабины от излишков углекислого газа. Ведь щелочь (NaOH), которая выделяется при разложении надперекиси щелочного металла, очень охотно соединяется с углекислым газом. Расчет показывает, что на каждые 20 - 25 л кислорода, выделяющегося при разложении надперекиси натрия, образуется натронная щелочь в количестве, достаточном для связывания 20 л углекислого газа.
Связывание углекислого газа щелочью состоит в том, что между ними происходит химическая реакция: СО₂ + 2NaOH → Na₂CO + Н₂О. В результате реакции образуются углекислый натрий (сода) и вода. Соотношение между кислородом и щелочью, образующимися при разложении надперекисей щелочных металлов, оказалось очень выгодным, так как человек в среднем в час потребляет 25 А кислорода и выделяет за то же время 20 л углекислого газа.
Надперекись щелочных металлов разлагается при взаимодействии с водой. А откуда для этого взять воду? Оказывается, об этом беспокоиться не нужно. Мы уже говорили, что человек при дыхании выделяет не только углекислый газ, но и водяные пары. Влаги, содержащейся в выдыхаемом воздухе, с избытком хватает для разложения необходимого количества надперекиси. Конечно, мы знаем, что потребление кислорода зависит от глубины и частоты дыхания. Вы сидите за столом и спокойно дышите - потребляете одно количество кислорода. А если пробежитесь или физически поработаете, вы дышите глубоко и часто, поэтому и кислорода потребляете больше, чем при спокойном дыхании. Члены экипажа космического корабля будут тоже потреблять неодинаковое количество кислорода в разное время суток. Во время сна и отдыха потребление кислорода минимально, когда же выполняется работа, связанная с движением,- потребление кислорода резко увеличивается.
За счет вдыхаемого кислорода в организме происходят те или иные окислительные процессы. В результате протекания этих процессов образуются водяные пары и углекислый газ. Если организм больше потребляет кислорода, значит, он и больше выделяет углекислого газа и паров воды. Следовательно, организм как бы автоматически поддерживает содержание влаги в воздухе в таком количестве, которое необходимо для разложения соответствующего количества надперекиси щелочного металла.
Рис. 12. Схема подпитки атмосферы кабины космического корабля кислородом и очистки от углекислого газа.
Схема очистки воздуха от углекислого газа и подпитки его кислородом показана на рисунке 12. Воздух кабины прогоняется вентилятором через патроны с надперекисью натрия или калия. Из патронов воздух выходит уже обогащенный кислородом и очищенный от углекислого газа.
В кабине устанавливается датчик, контролирующий содержание кислорода в воздухе. Если датчик показывает, что содержание кислорода в воздухе становится слишком малым, на моторы вентиляторов подается сигнал на увеличение числа оборотов, вследствие чего скорость прохождения воздуха через патроны с надперекисью увеличивается, а следовательно, увеличивается и количество влаги (которая находится в воздухе), попадающей в патрон за одно и то же время. Больше влаги - больше образуется кислорода. Если в воздухе кабины содержится кислорода выше нормы, то от датчиков на моторы вентиляторов поступает сигнал на уменьшение числа оборотов.
Как устроена система аварийного спасения экипажа космического корабля aslan wrote in October 24th, 2018
Система аварийного спасения или сокращенно САС это "ракета в ракете", которая венчает шпиль Союза:
Сами же космонавты сидят в нижней части шпиля (которая имеет форму конуса):
САС обеспечивает спасение экипажа как на стартовой площадке, так и на любом участке полета. Тут стоит понимать, что вероятность получить люлей на старте в разы выше, чем в полете. Это как с лампочкой - большинство перегораний происходит в момент включения. Поэтому, первое что делает САС в момент аварии это взлетает в воздух и уносит космонавтов куда-нибудь подальше от распространяющегося взрыва:
Двигатели САС приводят в готовность за 15 минут до старта ракеты.
А вот теперь самое интересное. САС активируется двумя дежурными, которые синхронно нажимают кнопку по команде руководителя полета. Причем команда это обычно название какого-то географического объекта. К примеру, руководитель полета говорит: "Алтай" и дежурные активируют САС. Все как 50 лет назад.
Самое страшное это не приземление, а перегрузка. В новостях со спасенными космонавтами сразу была указана перегрузка - 9g. Это крайне неприятная для обычного человека перегрузка, но для тренированного космонавта не смертельная и даже не опасная. К примеру, в 1975 году Василий Лазарев выхватил перегрузку в 20, а по некоторым данным в 26G. Он не погиб, но последствия поставили крест на карьере.
Как же было сказано, САС уже более 50ти лет. За это время она претерпела множество изменений, но формально основные принципы её работы не изменились. Появилась электроника, множество разных датчиков, повысилась надежность, однако спасение космонавтов по-прежнему выглядит так, как выглядело бы 50 лет назад. Почему? Потому что гравитация, преодоление первой космической скорости и человеческий фактор это величина, по всей видимости неизменная:
Первое успешное тестирование САС провели в 67м году. Вообще-то, пытались облететь Луну беспилотно. Но первый блин вышел комом, поэтому решили заодно САС испытать, чтобы хоть какой-то результат положительный был. Спускаемый аппарат приземлился неповрежденным, а если бы внутри были люди, то они остались бы живы.
А вот так выглядит САС в полете:
