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:

В маленьком городке, затерянном в пустынном районе Калифорнии, никому не известный любитель-одиночка пытается тягаться со знаменитыми на весь мир миллиардерами и корпорациями за право строить космические корабли для отправки грузов на околоземную орбиту. У него не хватает помощников и недостаточно ресурсов. Но, несмотря на все трудности, он собирается довести свое дело до конца.

Джо Паппалардо

Дейв Мастен внимательно смотрит на экран своего компьютера. Его палец на мгновение завис над кнопкой мыши. Дейв знает, что вот-вот он откроет письмо от агентства DARPA, и это письмо изменит его жизнь независимо от того, что там написано. Он либо получит финансирование, либо будет вынужден навсегда расстаться со своей мечтой.

Две новости

Это настоящая поворотная точка — ведь на кону вопрос об участии в программе XS-1, финансируемой DARPA, цель которой — строительство многоразового беспилотного космоплана, способного выдержать десять запусков за десять дней, разгоняться до скорости свыше 10 М и с помощью дополнительной ступени доставлять на низкую околоземную орбиту полезный груз весом более 1,5 т. При этом стоимость каждого запуска не должна превышать $5 млн. Дейв Мастен — вечный аутсайдер, беженец из Кремниевой долины, предприниматель-отшельник в области космической индустрии — еще никогда не был столь близок к созданию полноценной космической системы, как в этот раз. Если его компания станет одним из трех участников проекта XS-1, Дейв тут же получит грант в размере $3 млн и дополнительные финансовые вливания в следующем году. А стоимость будущего контракта может превысить $140 млн!

В случае отказа компания Дейва так и останется никому не известной мелкой фирмой, влачащей жалкое существование и лелеющей хрупкую мечту о строительстве орбитальных космических аппаратов. Но, что еще хуже, будет упущена редкая возможность воплотить в жизнь задумку Мастена. Государственные программы космических полетов исторически отдавали предпочтение (по сути, это было требованием) космическим аппаратам, которым для посадки необходим аэродром либо огромный парашют. Мастен предложил создать ракету с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой — такую, что при возвращении на Землю ей не понадобится ни посадочная полоса, ни парашют. Программа XS-1 представила удачный шанс осуществить эту идею, но если удача вдруг отвернется и шанс участвовать в ней выпадет другому, то кто знает, откроет ли правительство новые источники финансирования в будущем.

Итак, одно электронное письмо, два совершенно разных пути, один из которых ведет прямиком в космос. Мастен кликает мышкой и начинает читать — медленно, вникая в каждое слово. Закончив, он поворачивается к инженерам, собравшимся у него за спиной, и с невозмутимым выражением лица объявляет: «У меня две новости — хорошая и плохая. Хорошая новость в том, что нас отобрали для участия в XS-1! Плохая — что нас отобрали для участия в XS-1».

Кластер у космопорта

Местность на севере пустыни Мохаве больше напоминает кадры из фильма-катастрофы: заброшенные заправочные станции, изрисованные граффити, и разбитые дороги, на которых кое-где встречаются тушки сбитых животных, лишь подкрепляют это впечатление. Горы, красующиеся вдали на горизонте, неумолимый солнечный зной и кажущееся бесконечным безоблачное голубое небо.

Однако эта сбивающая с толку пустота обманчива: на западе Соединенных Штатов расположена авиационная база Эдвардс (R-2508) — главный испытательный полигон в стране. 50 000 квадратных километров закрытого воздушного пространства то и дело рассекают боевые самолеты. Именно здесь 68 лет назад Чак Йегер стал первым летчиком, превысившим скорость звука в управляемом горизонтальном полете.

Запрет на полеты пассажирских и частных самолетов, однако, не распространяется на резидентов расположенного неподалеку аэрокосмического порта в Мохаве, в 2004 году получившего статус первого коммерческого космопорта в стране. В том же году сюда перебрался и Мастен — сразу после того, как стартап, в котором он работал инженером-программистом, был куплен коммуникационным гигантом Cisco Systems. Из нескольких пустующих зданий, предложенных Дейву при переезде, тот остановил свой выбор на заброшенных казармах морской пехоты, построенных в 1940-х годах. Здание нуждалось в серьезном ремонте: крыша текла, а стены и углы были густо украшены паутиной. Для Дейва это место оказалось идеальным: благодаря высоким шестиметровым потолкам тут могли уместиться все летательные аппараты, которые он и трое его работников конструировали в то время. Еще одним плюсом стала возможность «застолбить» несколько стартовых площадок и осуществлять с них пробные пуски.

На протяжении нескольких лет о существовании компании Masten Space Systems знало лишь несколько специалистов в области космических технологий и несколько соседей-резидентов космопорта, среди которых числятся признанные гиганты индустрии вроде Scaled Composites, положившей начало частным инвестициям в космос, Virgin Galactic Ричарда Брэнсона и Vulcan Stratolaunch Systems Пола Аллена. Их просторные ангары буквально напичканы сложным оборудованием, которое стоит дороже, чем вся MSS вместе взятая. Однако подобная конкуренция не помешала детищу Мастена в 2009 году выиграть $1 млн в устроенном NASA соревновании по строительству лунного посадочного модуля. После этого о компании вдруг заговорили, и Дейв начал получать заказы — кроме NASA, его ракеты стали пользоваться популярностью у известных университетов страны и даже в министерстве обороны — для проведения высотных научных экспериментов и исследований.

Компьютерный макет космического корабля XS-1 с вертикальными взлетом-посадкой, проектируемого компанией Masten Space Systems

После официального включения в программу XS-1 авторитет MSS вырос еще сильнее — в соперничестве с корпорацией Boeing и крупной военно-промышленной компанией Northrop Grumman Мастен выглядел весьма солидно. Помимо этих гигантов индустрии через партнерство с Boeing в проекте задействована Blue Origin — частная аэрокосмическая компания, принадлежащая Джеффу Безосу, а также уже упоминавшиеся Scaled Composites и Virgin Galactic, сотрудничающие с Northrop Grumman. Сама же MSS решила объединить усилия с еще одной небольшой компанией из Мохаве — XCOR Aerospace. Итак, в гонке по созданию многоразового космического грузовика Дейву предстояло схлестнуться с самыми маститыми и отлично обеспеченными корпорациями. До следующего этапа — оценки промежуточных результатов и принятия решения о дальнейшем финансировании — оставалось всего лишь тринадцать месяцев.

Лучше, чем в «Боинге»

Здание MSS находится в таком же состоянии, как и тогда, когда его занял Мастен. Крыша все так же течет, и можно случайно наткнуться на ядовитого паука. По периметру расставлены ящики с инструментами. Кроме баннеров с названием компании, доски, исписанной уравнениями, и американского флага на стенах ничего нет. Центр ангара занимает ракета Xaero-B, она держится на четырех металлических ножках, над которыми находятся два объемных бака сферической формы. Один из них заполняется изопропиловым спиртом, в другой заливается жидкий кислород. Чуть выше по кругу располагаются дополнительные баки с гелием. Они необходимы для работы двигателей реактивной системы управления, предназначенной для контроля пространственного положения корабля. Двигатель в нижней части ракеты крепится в кардановом подвесе, чтобы обеспечить управляемость этой странной насекомоподобной конструкции.

Несколько сотрудников заняты подготовкой Xaero-B к совместному с Университетом Колорадо (Боулдер, США) эксперименту, в котором планируется проверить, сможет ли корабль поддерживать связь с наземными телескопами и участвовать в поиске экзопланет.

Компания Мастена привлекает определенный тип инженеров-механиков, настоящих фанатов своего дела. «Я проходил практику в Boeing в отделе двигателей для модели 777, — рассказывает 26-летний инженер Кайл Ниберг. — Boeing — очень хорошая компания. Но если честно, мне не по душе сидеть в офисе днями напролет. Я представил, что следующие 40 лет моей жизни пройдут так, и здорово перепугался. В небольшой частной компании вроде MSS инженеры могут испытать всю гамму эмоций при воплощении в жизнь своих задумок — от эйфории до полного разочарования. Такое редко где встретишь».

Заправка в точке Лагранжа

Основным направлением деятельности Мастена всегда было создание ракеты, предназначенной для перевозки грузов, а не астронавтов, своего рода «рабочей лошадки». Такие корабли обязательно понадобятся, например, для транспортировки кислорода и водорода с лунной поверхности до заправочной станции, которую однажды поместят в одной из точек Лагранжа между Землей и Луной. Именно поэтому Мастен закладывает в свои разработки принцип вертикального взлета и посадки. «Это единственный из известных мне способов, который сработает на поверхности любого твердого тела в Солнечной системе, — объясняет он. — Ведь самолет или шаттл на Луне не посадишь!»

Кроме того, вертикальные взлет-посадка упрощают повторное использование космического корабля. Некоторые ракеты Мастена уже совершили несколько сотен полетов, подготовка к повторному пуску занимает не более одного дня. По условиям программы XS-1 нужно осуществить десять стартов в течение десяти дней — для MSS это давно стало обычным делом. Здесь Дейв сильно опередил своих конкурентов, которым пока что не удалось сделать это ни разу.

Скромность и трудолюбие

Итак, агентство DARPA объявило, что все три участника программы XS-1 допущены до фазы 1B, на осуществление которой каждая компания получит дополнительно $6 млн. Основными задачами фазы 1 были проведение проектных работ и подготовка инфраструктуры — другими словами, надо было продемонстрировать, что компания сможет работать в XS-1. В фазе 1B участники должны перейти к пробным пускам, собрать соответствующие данные и продолжить совершенствование конструкции, чтобы показать, как они планируют достичь финальной цели. Результаты фазы 1B необходимо предоставить следующим летом, а первый полет XS-1 на орбиту запланирован на 2018 год.

Неважно, каков будет итог этого соревнования, но сам факт, что Дейву удалось продвинуться настолько далеко, может в корне перевернуть индустрию частных космических проектов. «Это полностью меняет условия игры, — полагает Ханна Кернер, исполнительный директор Space Frontier Foundation, бывший инженер NASA. — Агентство DARPA не просто предоставило частным компаниям возможность участвовать в государственной космической программе, но и признало в недавно возникших небольших компаниях потенциально серьезных игроков». Даже если на мгновение забыть об участии в XS-1, MSS все равно сложно назвать компанией-аутсайдером. В августе у нее открылся новый офис на мысе Канаверал — в космическом центре в штате Флорида, который с недавнего времени начал функционировать как хаб для коммерческих запусков в космос. В этом же бизнес-центре, находящемся неподалеку от Космического центра Кеннеди, расположился офис компании SpaceX.

Несмотря на это, у MSS по‑прежнему не хватает людей и ресурсов, и она все так же представляет собой группу инженеров-романтиков, которые сверлят, долбят молотками и паяют в своем ангаре по соседству с богатыми крупными компаниями. И невольно начинаешь за них болеть — хочется, чтобы у них все получилось.

«Я думаю, мы обязательно потягаемся с нашими конкурентами», — вот и все, что ответил Мастен на вопрос о шансах на успех в XS-1. Он не видит смысла обещать золотые горы, хотя у многих его коллег по цеху это уже вошло в привычку. Многие добиваются успеха, потому что умеют красиво говорить. Дейв не из их числа — он спокоен, трудолюбив, скромен, но так же, как и его соперники, неистово жаждет осуществить свои задумки.

Космический корабль напоминает подводную лодку: здесь и там экипаж вынужден жить в герметической ка­бине, полностью изолированной от внешней среды. Со­став, давление, температура и влажность воздуха внутри кабины будут регулироваться специальным аппаратом. Но преимуществом космического корабля по сравнению с подводной лодкой явится меньшая разница между дав­лением внутри кабины и снаружи. А чем меньше эта раз­ница, тем тоньше могут быть стенки корпуса.

Для отопления и освещения кабины корабля можно использовать солнечные лучи. Обшивка корабля, подобно земной атмосфере, задерживает пронизывающие меж­планетное пространство ультрафиолетовые лучи Солнца, которые в больших количествах вредны для человече­ского организма. Для лучшей защиты при столкнрвениях с метеорными телами обшивку корабля целесообразно делать многослойной.

Конструкция космического корабля зависит от его назначения. Корабль для посадки на Луну окажется во многом не похож на корабль, предназначенный для по­лёта вокруг неё; корабль для полёта на Марс должен быть построен иначе, чем корабль, отправляющийся на Венеру; ракетный корабль на термохимическом топливе будет су­щественно отличаться от атомного корабля.

Космический корабль на термохимическом топливе, предназначенный для перелёта на искусственный спутник, будет представлять собой многоступенчатую ракету раз­мерами с дирижабль. При старте такая ракета должна весить несколько сот тонн, а её полезный груз примерно в сто раз меньше. Плотно примыкающие друг к другу ступени будут заключены в обтекаемый корпус для лучшего преодоления сопротивления воздуха при полёте в атмосфере. Сравнительно небольшая кабина для экипажа и кабина для остального полезного груза раз­местятся, повидимому, в носовой части корабля. Так как экипажу придётся провести на борту такого корабля лишь непродолжительное время (меньше часа), отпадёт необ­ходимость в сложном оборудовании, которым будут осна­щены межпланетные корабли, предназначенные для длительного полёта. Управление полётом и все измерения будут осуществляться автоматически.

Отработавшие ступени ракеты можно будет спускать обратно на Землю либо на парашюте, либо с помощью выдвижных крыльев, превращающих ступень в планёр.

Рассмотрим ещё один вариант космического корабля (см. рис. 8, в центре, на стр. 24-25). Корабль отправится с искусственного спутника в полёт вокруг Луны для продолжительного обследования её поверхности без по­садки. Выполнив задание, он вернётся прямо на Землю. Как видим, этот корабль состоит в основном из двух спаренных ракет с тремя парами цилиндрических баков, наполненных горючим и окислителем, и двух космических планёров с выдвижными крыльями, предназначенных для спуска на поверхность Земли. Корабль не нуждается в обтекаемой обшивке, так как старт производится за пределами атмосферы.

Такой корабль будет полностью построен и испытан на Земле, а затем переброшен на межпланетную стан­цию в разобранном виде. Отдельными партиями туда до­ставят топливо, снаряжение, запасы продовольствия и кислорода для дыхания.

После того как корабль соберут на межпланетной станции, он отправится дальше в мировое пространство.

Горючее и окислитель будут поступать в двигатель из центральных цилиндрических баков, которые представ­ляют собой основные кабины космического корабля, вре­менно залитые топливом. Они опорожняются спустя не­сколько минут с момента взлёта. Временно экипаж располагается в менее удобной кабине планёра.

Достаточно открыть небольшой кран, соединяющий баки с безвоздушным пространством, чтобы остатки топ­лива мгновенно улетучились. Затем баки-кабины на­полняются воздухом, и экипаж переходит в них из пла­нёра; здесь астронавты проведут всё остальное время полёта.

Подлетев к Луне, корабль превращается в её искус­ственный спутник. Для этого используются горючее и окислитель, находящиеся в задних боковых баках. После использования топлива баки отцепляются. Когда на -

Ступит время возвращения н включат двигатель. Топливо для этой цели хранится в передних боковых баках. Пе­ред погружением в земную атмосферу экипаж пересажи­вается в космические пла­нёры, которые отцепляются от остальной части корабля, продолжающей кружить во­круг Земли. Планёр входит в атмосферу Земли и, манев­рируя выдвижными крылья­ми, снижается.

При полёте с выключен­ным двигателем люди и пред­меты на корабле будут неве­сомы. Это представляет боль­шие неудобства. Конструкто­рам, возможно, придётся со­здать на борту корабля ис­кусственную тяжесть.

Корабль, изображённый на рис. 8, построен как раз по этому принципу. Две его составные части, взлетающие как одно целое, затем отде­ляются друг от друга, оста­ваясь, однако, связанными тросами, и при помощи небольших ракетных двига­телей приводятся в круго­вое движение вокруг обще­го центра тяжести (рис. 6). После того как будет до­стигнута требуемая скорость вращения, двигатели вы­ключаются и движение продолжается по инерции. Возникающая при этом центробежная сила, со­гласно идее Циолковского, должна заменить путешестве

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»