Научный орбитальный комплекс

Конструкция приводов солнечных батарей обеспечивает не только вращение солнечных батарей, но и передачу электроэнергии, команд и высокочастотной информации через вращающееся соединение (на концах солнечных батарей установлены антенны радиосистем).

Система терморегулирования (СТР). В задачи СТР входят: 1) поддержание температуры воздуха внутри герметичных отсеков станции и жилых отсеков пристыкованных кораблей, приемлемой для экипажа орбитального комплекса; 2) поддержание нужных температурных условий в приборной зоне рабочего отсека; 3) обеспечение теплового режима негерметичных отсеков и всех элементов, приборов и агрегатов, расположенных на внешних поверхностях станции; 4) поддержание теплового режима пристыкованных к станции кораблей.

СТР состоит из нескольких гидравлических контуров и пассивных средств. К гидравлическим относятся следующие контуры: 1) отбора тепла от атмосферы рабочего отсека (внутренний контур охлаждения); 2) термостатирования корпуса станции; 3) вывода тепла на внешний радиатор (внешний контур охлаждения). В состав каждого контура входят магистрали, заполненные жидким теплоносителем, насосы, компенсаторы (для компенсации изменения объема теплоносителя при изменении температуры), жидкостно-жидкостные и газо-жидкостные теплообменники, краны-регуляторы, датчики температуры, различные клапаны.

Контуры отвода тепла от воздуха и контуры термостатирования корпуса заполнены нетоксичным и пожаробезопасным хладоагентом (типа антифриза), а контур внешнего радиатора — кремнийорганическим хладоагентом, сохраняющим свои рабочие характеристики при температурах не ниже –70 °C. Большая часть агрегатов всех контуров (насосы, компенсаторы, клапаны и т. п.) скомпонована на специальных платах вне герметичных отсеков. Температура жидкости во внутреннем контуре охлаждения автоматически регулируется с точностью ± 2 °C относительно одного из выбранных номиналов: 5; 7 и 9 °C.

Отбор тепла от воздуха осуществляется либо с помощью холодильно-сушильных агрегатов (где одновременно осуществляется конденсация атмосферной влаги с последующей откачкой конденсата во влагоприемники), либо с помощью газожидкостных теплообменников (типа автомобильных радиаторов). В состав холодильно-сушильных агрегатов и газожидкостных теплообменников входят вентилятор для обеспечения протока воздуха между трубками теплообменника и регулятор расхода воздуха (шторка с приводом), обеспечивающий регулирование потока тепла, отбираемого от воздуха, в контур охлаждения.

Чувствительным элементом, по показаниям которого в автоматическом режиме осуществляется регулирование расхода воздуха, является датчик температуры воздуха. В жилых объемах станции поддерживается температура в диапазоне 18–25 °C, влажность в пределах 20–80 %. Кроме холодильно-сушильных агрегатов и газожидкостных теплообменников, циркуляцию воздуха в станции поддерживает система вентиляторов, часть которых расположена в приборной зоне, часть — в жилой. В жилой зоне скорость обдува находится в пределах 0,1–0,8 м/с.

Тепловой и газовый обмен между станцией и пристыкованными кораблями осуществляется за счет воздуховодов (с вентиляторами) и промежуточного гидравлического контура (часть его находится на корабле, а часть на станции) для подогрева транспортного корабля. Этот контур замыкается при стыковке корабля к станции. Необходимость таких мероприятий (по подогреву кораблей) связана с тем, что после пристыковки корабля большая часть его аппаратуры выключается, а экипаж практически все время проводит в орбитальном блоке, и, следовательно, резко уменьшается тепловыделение внутри корабля.

К пассивным средствам терморегулирования относятся пакеты экранновакуумной теплоизоляции, закрывающие все поверхности станции, не занятые радиаторами, двигателями или чувствительными элементами, и отделяющие радиаторы от корпуса. Все элементы системы терморегулирования резервированы.

Система обеспечения жизнедеятельности (СОЖ). Задачи, решаемые СОЖ, весьма разнообразны и требуют использования различного оборудования. В состав средств обеспечения жизнедеятельности входят: система обеспечения газового состава, средства водоснабжения, средства питания, ассенизационно-санитарное устройство, шлюзовые камеры, душевая установка, санитарно-бытовое оборудование, одежда, аптечка, средства медицинского контроля за состоянием организма членов экипажа, а также средства профилактики невесомости.

Система обеспечения газового состава должна обеспечивать параметры атмосферы внутри станции, необходимые для поддержания нормальных условий жизни космонавтов: по общему давлению (в пределах 700–960 мм рт. ст.), по парциальному давлению кислорода (в пределах 160–240 мм рт. ст.), по парциальному давлению углекислого газа (в пределах 0–9 мм рт. ст.), по содержанию (в допустимых пределах) вредных газовых примесей. В состав системы входят регенераторы, фильтры вредных примесей, баллоны со сжатым воздухом, газоанализаторы, средства контроля давления атмосферы.

Регенераторы представляют собой патроны, заполненные химическим веществом. При прокачивании через них воздуха (с помощью вентилятора) они поглощают углекислый газ, влагу и выделяют кислород. Регенераторы одноразового действия — каждый из них, будучи включенным, постепенно насыщается и затем прекращает работу, после чего необходимо включать следующий и т, д. Первоначально установленный (на Земле) запас регенераторов обеспечивает жизнь экипажа в течение первых трех месяцев. Для продолжения работ в пилотируемом режиме сверх этого срока требуется регулярно доставлять и устанавливать на станции «свежие» регенераторы, а отработанные удалять, чтобы они не занимали ее внутренний объем.

Фильтр вредных примесей поглощает газовые примеси, которые попадают в атмосферу станции вследствие жизнедеятельности экипажа и выделений всякого рода материалов, использованных в конструкции, в приборах, кабелях станции. Фильтр заполнен активированным углем, химическим поглотителем и катализирующим процесс веществом. Прокачка воздуха через фильтр обеспечивается вентилятором.

При каждом выходе экипажа из станции в открытый космос объем воздуха из переходного отсека (около 6 м3) стравливается наружу. Кроме того, при каждом выбрасывании контейнера с отходами через шлюзовые камеры происходит потеря газа. Причем естественно теряется не только кислород, но и азот. Для компенсации этих потерь на грузовых кораблях по мере необходимости доставляется в баллонах сжатый воздух и выпускается в атмосферу станции. Газоанализаторы контролируют состав атмосферы по кислороду, углекислому газу и влажности. При необходимости забираются пробы воздуха и доставляются на Землю, где и проводится контроль станционной атмосферы на вредные газовые примеси и на микробы.

Контроль давления осуществляется системой датчиков и сигнализаторов давления (для сигнализации экипажу в случае разгерметизации станции), показания которых передаются на центральный пульт и на Землю (через радиотелеметрическую систему), а также прецизионным манометром. К этой же системе относятся клапаны и органы управления ими, обеспечивающие при закрытых люках выравнивание давления между отсеками, между станцией и пристыкованными кораблями (что необходимо для обеспечения возможности открытия люков) и сброс давления из переходного отсека перед выходом экипажа во внешнее пространство.

Средства водоснабжения включают в себя систему регенерации воды из конденсата, различные емкости для доставки и хранения запасов воды, а также устройства для приема воды. Система регенерации воды из конденсата прошла испытания на станции «Салют-4». Она использует влагу, собираемую из атмосферы станции холодильно-сушильными агрегатами СТР. В атмосферу кабины влага попадает из-за дыхания космонавтов и выделения влаги путем ее испарения через кожу. В газе, выдыхаемом человеком, примерно одинаковое количество углекислого газа и паров воды. Всего каждый член экипажа выделяет в станционную атмосферу около 1 кг воды в сутки.

Контейнер с конденсатом подключается к системе регенерации воды. Конденсат с помощью насосов прогоняется через ионообменные колонки, стерилизуется, подогревается и поступает к водоразборному дозирующему устройству. Поскольку система регенерации воды из конденсата не обеспечивает полностью потребность в воде экипажа, то используются и доставляемые постепенно запасы воды в различных емкостях. Перед заправкой воды в эти емкости она консервируется путем введения в нее ионного серебра (этот метод консервации воды известен еще с древних времен).

Питаются космонавты на станции несколько раз в сутки. В состав их меню входят мясные консервы, паштеты, супы в тюбиках, соки, чай, кофе, сыр, хлеб, конфеты. Часть пищи употребляется в холодном виде, а часть — первые блюда и всякого рода пюре в тубах, кофе — перед употреблением подогревается. Кроме того, практически с каждой «оказией» (т. е. с пилотируемыми и грузовыми кораблями) на борт станции доставляют подобранные по просьбе экипажа продуктовые посылки (с яблоками, луком, чесноком и т. п.).

Ассенизационно-санитарное устройство предназначено для удаления жидких и твердых продуктов жизнедеятельности организма человека. Жидкие экскременты уносятся потоком воздуха в специальный сборник. Причем жидкость остается в сборнике, а воздух, пропущенный через фильтр, возвращается в атмосферу станции. После заполнения сборники выбрасываются наружу через шлюзовые камеры. Твердые отходы собираются в отдельные небольшие емкости, складываемые в герметичные контейнеры, которые после заполнения также выбрасываются наружу. Емкости для жидких отходов и контейнеры для твердых отходов жизнедеятельности по мере необходимости доставляются на грузовых кораблях.

Каждая из двух установленных на станции шлюзовых камер для выброса отходов состоит из неподвижного корпуса, соединенного с оболочкой рабочего отсека и являющегося частью его герметичного контура, и подвижного внутреннего корпуса. Оба корпуса имеют сферическую форму. При загрузке шлюзовой камеры контейнером внутренний корпус повернут своим отверстием внутрь станции и прижат своей задней (противоположной отверстию) частью через герметизирующее кольцо к выходному отверстию неподвижного корпуса, отделяя гермообъем станции от внешнего пространства.

После загрузки крышка люка закрывается, воздух из камеры сбрасывается наружу, а внутренний корпус отводится от уплотнения и поворачивается отверстием наружу для выброса контейнера. Выброс осуществляется с помощью пружинного механизма и системы его освобождения. Выброшенные контейнеры вследствие торможения в атмосфере постепенно теряют высоту, через несколько месяцев опускаются в плотные слои атмосферы Земли и сгорают.

Душевая установка станции «Салют-6» работает на доставляемых на станцию запасах воды (перед использованием в душе вода подогревается). Прием душа космонавт осуществляет в кабине, изготовленной из органической пленки. Подогретая вода подается под давлением в распылитель кабины и удаляется из кабины потоком воздуха, откачиваемого через влагосборник из кабины. Влага и моющие средства при этом собираются в сборнике, а воздух, пропущенный через фильтр, поступает в атмосферу кабины.

В состав санитарно-бытового оборудования входят также вещи, необходимые для гигиенического обихода: электробритвы, зубные щетки, зубная паста, салфетки, полотенца, гребни и т. п.

Медицинский контроль состояния организма каждого члена экипажа осуществляется примерно раз в десять суток. На время контроля экипаж надевает специальные пояса с системой датчиков и подключается к контрольной аппаратуре, которая позволяет снять электрокардиограмму, электроэнцефалограмму и т. п. Записи медицинских параметров производятся как в спокойном состоянии космонавтов, так и на фоне нагрузок или при выполнении специальных тестов.

Для оценки состояния здоровья, кроме этих измерений, использовались собственные наблюдения экипажа (ежедневно сообщаемые на Землю), объективные данные о работоспособности и аппетите, наблюдения во время телерепортажей и сеансов радиосвязи, регулярный контроль массы тела космонавтов с помощью массметра.

Средства обеспечения выхода включают в себя скафандры, бортовое оборудование, обеспечивающее проверку и функционирование скафандров до отключения от борта, а также пульт управления при выходе. Скафандры полужесткого типа, их можно надеть в считанные минуты. Время автономной работы человека в скафандре около 5 ч. Системы скафандра обеспечивают связь с партнером по выходу и (через борт станции) с Землей, снабжение человека кислородом, удаление паров воды и углекислого газа из внутренней полости скафандра, тепловой режим, герметизацию и защиту глаз от прямых лучей солнца. Конструкция скафандра дает возможность свободно двигаться, прикладывать усилия, работать пальцами рук.

Комплекс радиосредств станции. Он обеспечивает двухстороннюю радиотелефонную связь с Землей с борта станции и при выходе экипажа наружу, прием и выдачу экипажу телеграфных сообщений в виде печатного материала (текстов и таблиц), телефонную связь между отсеками станции и с приближающимися транспортными кораблями, передачу на Землю телевизионных изображений, прием на борту телевизионной информации с Земли, телеметрические измерения, радиоконтроль орбиты, передачу с Земли на борт станции команд управления, «уставок» и цифровой информации на бортовую вычислительную машину, увязку бортового времени с наземным.

Телефонная связь с Землей и между кораблями осуществляется по дублированным радиоканалам в УКВ-, дециметровом и КВ-диапазонах, телеграфная связь — в КВ-диапазоне. В состав аппаратуры связи входят приемники, передатчики, соответствующая автоматика, коммутаторы, органы управления, антенны, акустическое оборудование (телефоны, громкоговорители, микрофоны и т. п.).

Телевизионная аппаратура позволяет передавать на Землю как черно-белое, так и цветное изображение. Уже во время осуществления третьей основной экспедиции на орбитальный комплекс «Салют-6» — «Союз» был доставлен телевизионный приемник и подключен к имеющимся на борту антеннам, что позволило принимать с Земли черно-белое изображение.

Передача на Землю телеметрической информации обеспечивается с помощью двух многоканальных радиотелеметрических систем с дублированными запоминающими устройствами. Телеметрическая информация содержит результаты научных измерений, данные медицинского контроля экипажа, параметры атмосферы и состояние теплового режима конструкции, внутренних и наружных элементов станции, данные о работе механизмов, агрегатов и приборов. Эти данные передаются по радиоканалам на наземные пункты, расположенные на территории СССР и на морских судах, используемых в системе радиосвязи со станцией. Полученная на наземных пунктах информация передается в центр управления полетом, обрабатывается по мере ее поступления в наземных вычислительных машинах и тут же выдается дежурному персоналу центра управления на экраны дисплеев. Одновременно осуществляется регистрация полученной информации в виде графиков и таблиц.

Радиоконтроль орбиты осуществляется с помощью находящихся на борту станции двух приемников-ответчиков и наземных измерительных средств. Обработка этой информации в наземных вычислительных центрах позволяет вычислить орбиту станции и выдать на борт, в центр управления полетом и в сеть наземных командно-измерительных пунктов информацию, необходимую для коррекций орбиты, определения моментов стартов кораблей, проведения маневра дальнего сближения кораблей и станции, организации сеансов связи, для привязки результатов исследований к положению станции относительно поверхности Земли.

Прием на борту командной и цифровой информации обеспечивается с помощью приемных, дешифрирующих и коммутирующих приборов.

Стыковочное устройство. Оно состоит из двух типов специальных агрегатов (стыковочных узлов): пассивного и активного. Два пассивных стыковочных агрегата (конусы) установлены на станции, активные стыковочные агрегаты (типа «штырь») — на пилотируемых и грузовых транспортных кораблях. Стыковочное устройство обеспечивает: I) выбор допустимых отклонений при причаливании и механический захват в момент контакта кораблей и станции; 2) гашение относительных угловых колебаний (корабля и станции), возникающих из-за того, что направление относительной скорости корабля не пересекает центр массы станции; 3) выравнивание осей корабля и станции; 4) стягивание последних до контакта торцовых плоскостей стыковочных узлов; 5) герметизацию стыка; 6) проход экипажей из корабля на станцию и обратно. Все эти функции осуществляются при совместной работе механизмов и автоматики стыковочного устройства.

Активный стыковочный узел состоит из стыковочного механизма (типа «штырь») и стыковочного шпангоута с механизмами герметизации, электро- и гидроразъемами. Аналогично пассивный стыковочный узел состоит из приемного конуса с гнездом для захвата головки штыря активного стыковочного механизма и стыковочного шпангоута с механизмами. При стыковке корабля со станцией одновременно осуществляется соединение электроразъемов и гидромагистралей.

После стягивания стыковочных шпангоутов защелки на головке штыря убираются и штанга штыря втягивается внутрь. На этом процесс стыковки заканчивается и начинается процесс проверки герметичности стыка, который проводится либо экипажем пристыковавшегося пилотируемого корабля, либо с Земли (при стыковке к станции грузового корабля). Проверка герметичности по стабильности давления осуществляется в два этапа: в маленькой полости между двумя кольцевыми резиновыми уплотнениями (предварительно эта полость на небольшое время соединяется с внутренним объемом корабля и таким образом наддувается), а затем в большой полости стыковочных механизмов (в объеме между кольцевым резиновым уплотнением, внутренним объемом конуса и поверхностью штыря).

На каждом из узлов (пассивном и активном) имеется люк (с системой его закрытия и герметизации) для перехода экипажа из корабля в станцию и обратно. В состав люка входят крышка, привод открытия и закрытия крышки и привод герметизации (на крышке активного узла и устанавливается штырь).

Для расстыковки сбрасывается давление из большой полости, приводы периферийных замков выводят захваты из зацепления и четыре пружинных толкателя разводят корабль и станцию. Расстыковку можно производить как по командам с корабля, так и по командам со станции. Кроме того, имеется пиротехническая система расстыковки.

Система управления бортовым комплексом (СУБК). Эта система позволяет управлять станцией, ее системами, приборами, агрегатами, научной и экспериментальной аппаратурой как со стороны Земли, так и со стороны экипажа. Одновременно СУБК должна обеспечивать первоначальный логический анализ относительно проведения тех или иных операций по включению отдельных систем и приборов в данной сложившейся ситуации (так называемый анализ на простейшие требования непротиворечивости). Например, нельзя включать маршевый двигатель, если система ориентации не готова к работе, или нельзя разарретировать гироскопы, если не имеется сообщение о том, что гироскопы раскручены.

СУБК состоит из логических устройств, коммутаторов, программно-временных устройств, пультов управления и индикации, приборов подключения электропитания. Команды на управление (включение или выключение отдельных систем, приборов и т. п., введение условий, при которых могут включаться те или иные приборы или процессы) могут подаваться с Земли (по командной радиолинии), с пультов станции (экипажем), с программно-временных устройств или с работающих систем (так называемые команды взаимного управления).

Логические устройства СУБК принимают эти команды, проверяют на непротиворечивость с идущими на станции процессами и выдают дальнейшие команды на исполнение. Программно-временные устройства позволяют проводить автоматическое управление системами станции в часто повторяющихся стандартных процессах (сеансы связи, подготовка ориентации, проведение коррекций и т. п.), обеспечивая последовательную выдачу команд в заданные моменты времени. При этом могут отрабатываться несколько параллельно идущих программ, включаемых либо с пультов, либо по командной радиолинии с Земли.

Чтобы экипаж мог осуществлять управление станцией и научной аппаратурой, имеются пульты управления и индикации, расположенные на семи постах управления. Органами управления являются командно-сигнальные устройства (на посту № 1), клавишные поля и ручки управления (ориентацией). Индикация и сигнализация выполнения команд и параметров, характеризующих работу систем и станции в целом, обеспечивается на пультах электролюминисцентными табло, мнемосхемами (например, индикатор программ на главном пульте или схема заправки на пульте управления объединенной двигательной установкой) и звуковой сигнализацией. На всех постах управления имеется возможность связи с Землей и по внутреннему переговорному устройству с членами экипажа, работающими на других постах.

Научная аппаратура. Ее состав и задачи меняются от одной станции к другой в зависимости от принятых программ проведения исследований и от развития работ в ходе полета данной станции. Большинство научных приборов имеет выход на радиотелеметрическую систему для передачи на Землю измеряемых параметров и данных, характеризующих их работу. Приборы, как правило, снабжены органами и средствами управления, контроля их работы со стороны экипажа. Многое из научного оборудования доставляется на станцию постепенно в ходе ее полета.

Часть научного оборудования устанавливается вне герметичного объема станции, остальные — внутри герметичных отсеков. Тепловой режим приборов, устанавливаемых на внешних поверхностях, обеспечивается за счет теплообмена их с термостатированным корпусом станции, экранновакуумной изоляции и, в некоторых случаях, специальных крышек, закрывающих прибор от внешнего пространства в то время, когда данный прибор не работает. Электропитание научной аппаратуры, как правило, осуществляется от единой системы энергопитания станции. На станции предусмотрены свободные электроразъемы («розетки») для подключения к электропитанию вновь доставляемого оборудования. Часть научного оборудования (как правило, переносного или с малым электропотреблением) имеет собственные источники энергии в виде батарей, встроенных внутрь приборов.

ТРАНСПОРТНЫЕ ПИЛОТИРУЕМЫЕ КОРАБЛИ «СОЮЗ»

В настоящее время транспортный корабль стал основной модификацией корабля «Союз» и в автономных полетах почти не используется. Как транспортный корабль он должен обеспечивать выведение экипажа на орбиту, сближение и стыковку с орбитальной станцией, переход экипажа на ее борт, полет корабля в составе орбитального комплекса достаточно продолжительное время, отделение от станции, спуск экипажа на Землю с приемлемым для космонавтов уровнем перегрузок при возвращении в атмосферу, приземление спускаемого аппарата с приемлемым уровнем перегрузок, воздействующих на космонавтов во время приземления, а также спасение экипажа в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения корабля на орбиту.

Решение этих задач осуществляется совместной работой бортовых систем корабля и его конструктивными особенностями. В конструкции корабля «Союз» можно выделить три основные части: спускаемый аппарат, приборно-агрегатный и орбитальный отсеки. Спускаемый аппарат размещен между приборно-агрегатным и орбитальным отсеками (см. последнюю страницу обложки). По своей форме спускаемый аппарат напоминает автомобильную фару (рис. 6). Эта форма выбрана не случайно, она обеспечивает возникновение аэродинамической подъемной силы (помимо силы лобового сопротивления) при движении аппарата в земной атмосфере, что снижает разброс точек приземления относительно заданной, а также уменьшает уровень перегрузок при спуске в атмосфере.

Рис. 6. Форма спускаемого аппарата корабля «Союз»

У кораблей «Восток», у которых спускаемый аппарат был сферической формы и, естественно, обладал только силой лобового сопротивления, рассеивание точек приземления достигало 250–300 км. Если на спускаемый аппарат действует аэродинамическая подъемная сила, то, управляя ее вертикальной составляющей, можно управлять и траекторией движения аппарата в земной атмосфере и, следовательно, дальностью этого движения (регулируя траекторию «круче» — «положе»). Последнее позволяет даже при небольших значениях аэродинамического качества[4] спускаемого аппарата корабля «Союз» (0,2–0,3) снизить разброс точек приземления до нескольких десятков километров (а в принципе и до нескольких километров).

Если при спуске аппарата не используется подъемная сила, то такой тип спуска называется баллистическим. Максимальные перегрузки при баллистическом спуске зависят от крутизны траектории спуска, но даже при наиболее пологих траекториях эти перегрузки достигают (как это и было в случае спускаемых аппаратов кораблей «Восток» и «Восход») таких значений, что сила, действующая в это время на космонавта, в 8 — 10 раз больше его веса. Это, конечно, крайне нежелательное явление, особенно при возвращении экипажа на Землю после длительного полета в условиях невесомости, когда даже обычная земная тяжесть воспринимается организмом космонавта как весьма тяжелая и неприятная нагрузка.

Небольшое аэродинамическое качество спускаемых аппаратов кораблей «Союз» снижает максимальные перегрузки при движении аппарата в атмосфере до значений, соответствующих силе воздействия на космонавтов, превышающей лишь в 3–4 раза их вес. Этот аппарат, представляющий собой осесимметричное тело, движется при спуске в атмосфере своей затупленной частью вперед. Причем если бы центр массы аппарата располагался на оси симметрии, то никакой подъемной силы не возникло бы. Поэтому элементы конструкции и расположение оборудования выбраны такими, чтобы центр масс был смещен относительно оси симметрии спускаемого аппарата.

Чтобы управлять дальностью движения, надо менять вертикальную составляющую подъемной силы. Это можно делать, либо меняя угол атаки, как это делается в самолетах (в нашем случае надо было бы менять положение центра масс, что представляется довольно затруднительным), либо меняя величину проекции подъемной силы на вертикальную плоскость за счет управления креном аппарата. Этот способ и используется на корабле «Союз».

Корпус спускаемого аппарата защищен снаружи теплозащитным покрытием, предохраняющим его конструкцию, оборудование и экипаж от воздействия потока раскаленного газа, окружающего аппарат при его спуске. Напомним, что температура газа перед лобовым щитом достигает 10 000°. На боковой поверхности аппарата имеются три иллюминатора. На одном из них (среднем), который при орбитальной ориентации (когда продольная ось корабля лежит в горизонтальной плоскости) «смотрит» вниз на Землю, установлен визир-ориентатор, используемый экипажем для визуальной ориентации по Земле при ручном управлении и для ориентации при сближении.[5]

Внутри спускаемого аппарата размещаются кресла экипажа, парашютные системы, двигатели мягкой посадки, система управляющих реактивных двигателей, используемых для ориентации аппарата при спуске, оборудование и аппаратура скафандров, систем жизнеобеспечения, управления, ориентации, радиосвязи, пеленгации, автоматики приземления, груз, возвращаемый со станции на Землю. В верхней сужающейся части спускаемого аппарата имеется люк, через который экипаж может переходить в орбитальный отсек, пристыкованный к верхнему торцовому шпангоуту спускаемого аппарата.

В орбитальном отсеке размещается оборудование систем жизнедеятельности, часть радиоаппаратуры, автоматика стыковки, аппаратура сближения. Здесь же в основном находится груз, доставляемый одновременно с экипажем на орбитальную станцию (часть груза размещается в спускаемом аппарате). В верхней части отсека (противоположной месту стыковки со спускаемым аппаратом) имеется активный стыковочный агрегат. На внешней поверхности отсека установлены часть антенн системы сближения. Общий объем орбитального отсека и спускаемого аппарата составляет около 10 м3.

Приборно-агрегатный отсек включает в себя переходную раму, приборную и агрегатную секции. На переходной раме, соединяющей приборную секцию со спускаемым аппаратом, устанавливаются часть двигателей причаливания и ориентации, баки с топливом, баллоны наддува, арматура, малый наружный радиатор СТР и антенна командной радиолинии. В приборной секции находится основное приборное оборудование, обеспечивающее работу на орбитальном участке полета, но ненужное на участке спуска: перед спуском отсеки корабля разделяются, причем орбитальный и приборно-агрегатный отсеки сгорают в атмосфере, двигаясь по траектории спуска. В агрегатной секции устанавливаются сближающе-корректирующая двигательная установка корабля (с двумя двигателями), двигатели причаливания и ориентации, большой наружный радиатор СТР, часть источников тока системы электропитания корабля. На внешних поверхностях секции имеются датчики системы ориентации и антенны.

Перед установкой корабля на ракету-носитель он закрывается головным обтекателем. На вершине головного обтекателя устанавливается двигатель системы аварийного спасения (САС). Головной обтекатель выполняет две задачи: защищает корабль от воздействия потока газа при движении ракеты в плотных слоях атмосферы и уводит спускаемый аппарат с экипажем (за счет работы двигателя САС) в случае аварии ракеты-носителя в плотных слоях атмосферы. При нормальном ходе выведения на орбиту, после выхода ракеты из плотных слоев атмосферы, двигатель САС и головной обтекатель сбрасываются. После выведения на орбиту, когда двигатель последней ступени выключается, происходит отделение корабля от последней ступени.

Все процессы ориентации, управления двигателями, радиосредствами, работой систем жизнеобеспечения, терморегулирования, энергопитания, спуска и другими системами автоматизированы. Так что полет корабля может осуществляться без участия экипажа в управлении. Однако на корабле установлены и средства ручного управления, позволяющие экипажу при необходимости брать на себя управление процессами ориентации, коррекции, сближения и т. п.

Система ориентации и управления движением (СОУД) «Союза» обеспечивает ориентацию корабля в автоматическом и ручном режимах, выдачу корректирующих импульсов, управление процессами сближения и причаливания. В ее состав входят чувствительные элементы (инфракрасный построитель местной вертикали, ионные датчики для ориентации по вектору скорости, гироскопические датчики углов и угловых скоростей), радиосистема сближения, обеспечивающая измерение параметров относительного движения при сближении, визуальные приборы ориентации (оптические и телевизионные), счетно-решающие и коммутационные приборы, органы ручного управления и индикации. Причем СОУД решает свои задачи, работая совместно с системами реактивных управляющих двигателей причаливания и ориентации и со сближающе-корректирующей двигательной установкой.

Самым сложным режимом работы СОУД является процесс сближения. Перед выведением транспортного корабля «Союз» станция находится, как правило, на рабочей орбите с высотой около 350 км. Транспортный корабль выводится на орбиту тогда, когда плоскость орбиты станции проходит через точку старта и станция только что прошла над районами старта. Корабль выводится на промежуточную орбиту с минимальной высотой порядка 190–200 км и максимальной высотой порядка 250–270 км. Направление полета ракеты-носителя транспортного корабля (т. е. плоскость его траектории) выбирается таким образом, чтобы корабль после выведения летел в той же плоскости, что и станция. Момент старта выбирается таким образом, чтобы после выведения корабля он оказался примерно в 10 000 км позади станции.

Поскольку высота орбиты корабля меньше высоты орбиты станции, то период его обращения вокруг Земли меньше, чем период обращения станции, т. е. «Союз» движется относительно Земли быстрее, а следовательно, постепенно догоняет станцию вдоль орбиты. Чтобы уравнять высоты корабля и станции и сблизить их к заранее выбранному моменту, проводится несколько коррекций (до четырех) орбиты транспортного корабля. Когда расстояние между кораблем и станцией становится меньше 25 км, по командам, заданным автоматикой, на корабле и на станции включается радиоаппаратура сближения. Затем начинается обмен радиосигналами, определяется направление, в котором находится искомый объект, и начинается взаимная ориентация корабля и станции так, чтобы стыковочный узел станции, намечаемый для стыковки, «смотрел» на корабль, а стыковочный узел корабля — на станцию.

После этого радиоаппаратура сближения передает в счетно-решающее устройство электрические сигналы, пропорциональные углам направления на станцию (линии визирования) в системе координат корабля, угловой скорости линии визирования, дальности до станции и скорости ее изменения. По полученным параметрам относительного движения счетно-решающее устройство определяет, в каких направлениях (на разгон, торможение или в боковом направлении) нужно выдать импульс тяги маршевого двигателя корабля для сближения, затем выдает команды и обеспечивает прямую ориентацию и развороты корабля, включает и выключает двигатель. Все это осуществляется таким образом, чтобы скорости относительного движения, перпендикулярные линии визирования, «гасились», а радиальная скорость обеспечивала постепенное сближение корабля со станцией.

По мере приближения к станции скорость корабля уменьшается. Этот процесс — автоматическое сближение — продолжается до расстояния 200–300 м, между кораблем и станцией, на котором осуществляется переход в режим причаливания. В этом режиме корабль уже постоянно направлен своим стыковочным агрегатом в сторону станции, а управление движением его центра масс обусловливается работой координатных реактивных двигателей. Они обеспечивают выдачу требуемых импульсов как вдоль продольной оси корабля (на разгон и торможение), так и в двух других перпендикулярных направлениях (условно «вверх» — «вниз» и «вправо» — «влево»). Последний процесс может продолжаться в автоматическом режиме вплоть до причаливания.

В принципе экипаж может взять управление причаливанием в свои руки (управляя ориентацией корабля и включениями координатных двигателей) и закончить причаливание при ручном управлении. Для обеспечения возможности ручного управления причаливания и для контроля процесса, идущего автоматически, экипажам корабля и станции выдается информация о параметрах сближения, работе двигателей, о расходе топлива. Одновременно с помощью телевизионных камер (на станции и на корабле) и оптического визира-ориентатора экипаж наблюдает станцию (или соответственно корабль), ее движение и ориентацию.

СОУД позволяет управлять кораблем «Союз» до механического контакта стыковочных узлов, обеспечивая параметры относительного движения, необходимые для срабатывания стыковочного агрегата.

Сближающе-корректирующая двигательная установка (СКДУ) по командам автоматики СОУД или с пульта управления выдает импульсы тяги, необходимые для сближения, коррекций орбиты или для перевода корабля с орбиты на траекторию спуска. В состав установки входят два двигателя с тягой более 400 кгс каждый, пневмогидроавтоматика, баки с топливом и баллоны наддува (для обеспечения вытеснения топлива из баков и подачи его к двигателям). Чтобы газ наддува не смешивался с топливом в условиях невесомости, внутри баков имеются эластичные разделители газа и жидкости (так называемые мешки) из органической пленки.

Система исполнительных органов ориентации (СИО) обеспечивает создание управляющих моментов для ориентации корабля, для его стабилизации при работе сближающе-корректирующей двигательной установки, для разворотов в процессе сближения и для координатных перемещений во время сближения. В состав СИО входят 14 двигателей причаливания и ориентации тягой около 10 кгс каждый, 8 двигателей ориентации тягой примерно 1 кгс каждый, баки с топливом, баллоны наддува, пневмогидроавтоматика.

Система управления спуском (СУС) соответственно управляет движением спускаемого аппарата корабля «Союз» при его спуске с орбиты на Землю. В состав СУС входят гироскопические датчики углов и угловых скоростей, датчики перегрузок, счетно-решающие устройства. СУС обеспечивает стабилизацию аппарата и за счет управления ориентацией по крену регулирует вертикальную составляющую подъемной силы, что позволяет регулировать дальность спуска.

Система исполнительных органов спуска работает по командам СУС, обеспечивая создание управляющих моментов, необходимых для разворотов и стабилизации спускаемого аппарата. Элементы системы в основном расположены вне герметичного объема спускаемого аппарата, но под тепловой защитой. В систему входят 6 управляющих двигателей с тягой до 15 кгс каждый, баки с топливом, баллон наддува и автоматика.

Система приземления спускаемого аппарата работает на заключительном участке спуска корабля. При входе аппарата в атмосферу он имеет скорость около 7,8 км/с. За счет торможения в атмосфере Земли его скорость постепенно уменьшается (до дозвуковой) и к высоте порядка 12 км составляет величину порядка 240 м/с. Именно благодаря работе этой системы осуществляется гашение скорости спускаемого аппарата до величины, обеспечивающей его безопасное приземление.

Данная задача решается совместной работой парашютных систем, двигателей мягкой посадки, автоматики и амортизаторов кресел, в которых находится экипаж при приземлении. Автоматика обеспечивает на заданной высоте выдачу команд на введение основной парашютной системы (а также запасной парашютной системы в случае, если основная не сработала), на подготовительные операции перед приземлением, на включение двигателей мягкой посадки непосредственно перед поверхностью Земли.

Парашютные системы устанавливаются в двух отдельных герметичных контейнерах, закрытых крышками.

Система электропитания (СЭП) состоит из автоматики и химических аккумуляторных батарей. Электропитание бортовых систем корабля «Союз» после его пристыковки к станции осуществляется от системы электропитания станции. Одновременно осуществляется и подзаряд аккумуляторов от СЭП станции. Подключение системы электропитания корабля к станции осуществляется через электроразъемы питания, установленные на обоих стыковочных агрегатах и соединяющихся при стягивании стыковочных шпангоутов.

Система терморегулирования корабля (СТР) поддерживает необходимые для экипажа температуру и влажность воздуха в спускаемом аппарате и в орбитальном отсеке, а также тепловой режим приборов в приборном отсеке, осуществляет термостатирование негерметичного агрегатного отсека, топливных магистралей системы исполнительных органов. В состав СТР «Союза» входят соответствующая автоматика, холодильно-сушильные агрегаты, газожидкостные теплообменники, два жидкостных контура (контур жилых отсеков и контур наружного радиатора) с насосами, обеспечивающими циркуляцию жидкости, кранами-регуляторами, компенсаторами. Оба контура связаны через жидкостно-жидкостный теплообменник.

Тепло, выделяющееся в отсеках, с помощью теплообменников передается жидкости, циркулирующей в контуре отсеков. Эта жидкость прокачивается затем по трубкам, приваренным к корпусу агрегатного отсека, обеспечивая его термостатирование. Тепло от жидкости передается (через жидкостно-жидкостный теплообменник) жидкому хладоагенту контура наружного радиатора, с помощью этого контура выносится на радиатор, с которого и излучается в окружающее пространство. Автоматика и регуляторы позволяют регулировать температуру жидкости в контуре отсеков, а следовательно, и температуру стенок радиатора холодильно-сушильного агрегата (и соответственно уровень влажности) и температуру воздуха в отсеках.

Кроме двух основных контуров СТР, имеется вспомогательный, который после стыковки со станцией обеспечивает передачу тепла от станции контуру жилых отсеков. Все поверхности корабля, не занятые антеннами, двигателями и чувствительными элементами, а также поверхность корпуса под радиаторами СТР закрыты пакетами экранновакуумной изоляции.

Системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа на корабле в принципе несут те же функции, что и аналогичные средства на станции. Разница заключается главным образом в том, что запасы, размещаемые в корабле, рассчитаны лишь на несколько суток. Кроме того, в состав корабельных средств СОЖ входят еще скафандры с бортовой системой газоснабжения и автоматикой, теплозащитные костюмы, а также средства, которые могут потребоваться в случае аварийной посадки в ненаселенной местности.

После пристыковки корабля к станции его СОЖ, обеспечивающие регенерацию воздуха в жилых отсеках, выключаются. В корабль из станции через открытый люк прокладывается воздуховод, через который в жилые отсеки подается воздух из станции. Это обеспечивает нужный состав атмосферы корабля, степень влажности и устранение вредных газовых примесей из отсеков корабля.

Перед отстыковкой корабля от станции воздуховод убирается, закрываются люки в обоих стыковочных узлах, на корабле включаются его регенераторы, поглотители и холодильно-сушильные агрегаты.

Радиосредства корабля «Союз» позволяют осуществить радиотелефонную связь экипажа с Землей в ультракоротковолновом и коротковолновом диапазонах, передачу на Землю телевизионного изображения от внутренних и внешних телевизионных камер, телеметрическую информацию, контроль орбиты, прием на борту команд управления. Телефонная связь с центром управления полетом, передача команд и цифровой информации на борт корабля и прием информации с его борта осуществляются с помощью наземных и плавучих (на морских судах) пунктов измерения и управления, когда космический корабль находится в зоне их видимости. Связь с кораблем поддерживается практически на всех витках его орбиты: во время каждого оборота корабля вокруг Земли, как правило, есть возможность в течение времени от нескольких минут до десятков минут поддерживать связь с кораблем.

В случае необходимости непрерывного телеметрического контроля (например, во время осуществления маневров) включаются бортовые телеметрические запоминающие устройства. Они накапливают информацию, которая затем «сбрасывается» над наземными пунктами.

Система управления бортовым комплексом (СУБК) корабля служит для управления работой бортовых систем и координации их работы как в режимах автоматического управления (от программно-временных устройств, и по командам, передаваемым через радиолинию с Земли), так и в режимах ручного управления (со стороны экипажа). В состав СУБК «Союза» входят логические устройства, коммутаторы, силовая электроавтоматика (для подключения электропитания приборов и систем), пульт управления и командно-сигнальные устройства.

Практически во время полета корабля осуществляется комбинированное управление. Причем способ управления меняется в зависимости от требуемой гибкости операций в данный момент, располагаемого времени и т. д. Поэтому часть команд управления поступает непосредственно с Земли (через командную радиолинию), часть от программно-временных устройств, а часть выдается экипажем через командно-сигнальные устройства или с пульта (по просьбе с Земли).

Экипаж обычно проводит в корабле около одних суток. После выведения на орбиту и проверки герметичности жилых отсеков космонавты выходят в орбитальный отсек и снимают скафандры. На первых оборотах корабля вокруг Земли (их чаще называют витками) проводится проверка бортового оборудования, основных динамических режимов работы корабля (ориентация, развороты, тесты аппаратуры сближения, выдвижение штанги стыковочного механизма), осуществляются первые две коррекции орбиты корабля. На следующий день осуществляются еще одна-две коррекции орбиты, сближение и стыковка корабля со станцией.

После стыковки и проверки герметичности соединения стыковочных шпангоутов корабля и станции экипаж открывает переходные люки обоих стыковочных узлов, переходит на станцию и начинает там работать. При этом осуществляется подзарядка буферных батарей корабля, шины электропитания бортовых систем корабля отключаются от собственной системы электропитания и подключаются к станционной системе. Периодически проводятся контроль состояния корабля с Земли по телеметрии и экипажем с пульта управления. Кроме того, корабль все время поддерживается в состоянии готовности к отделению от станции и спуску на случай необходимости.

При осуществлении длительной экспедиции на станцию в ходе ее полета проводится подмена корабля основной экспедиции кораблем очередной экспедиции посещения. После завершения работ на станции за несколько дней до спуска экипаж осуществляет консервацию станции, переносит в спускаемый аппарат оборудование, которое должно быть доставлено на Землю. За несколько витков до спуска космонавты переходят в корабль, закрывают люки, проверяют их герметичность, и затем корабль отделяется от станции. Спуск обычно осуществляется в Среднем Казахстане.

ТРАНСПОРТНЫЕ ГРУЗОВЫЕ КОРАБЛИ «ПРОГРЕСС»

Назначение грузовых кораблей — доставка сухих грузов, воды и топлива на орбитальный комплекс. «Прогресс» создан на базе конструкции и бортовых систем корабля «Союз» (см. последнюю страницу обложки). Его главные отличия от корабля «Союз» связаны с тем, что он должен работать в автоматическом варианте и не предназначен для возвращения на Землю. В принципе можно было бы создать пилотируемый грузовой корабль многоразового действия, но для его выведения потребовалась бы существенно более мощная ракета-носитель (а, следовательно, и более дорогая).

Это легко понять на примере корабля «Союз». Из всего состава корабля возвращается на Землю только спускаемый аппарат с массой, меньшей половины массы корабля. И когда корабль летит с экипажем, он может захватить с собой всего лишь несколько десятков килограммов груза. Чтобы доставить 2–2,5 т груза, нужно увеличить массу корабля на 2,5–3,0 т (с учетомконструкции). А если бы мы захотели сделать корабль многоразовым, то нам следовало бы объединить все его отсеки в одно целое и закрыть тепловой защитой. С учетом этого масса корабля должна была бы увеличиться в 1,5–2 раза, и, следовательно, для его выведения потребовалась бы ракета-носитель почти такой же мощности, что и ракета-носитель станции.

Если говорить об экономически эффективной транспортной системе Земля—орбита—Земля, то представляется елесообразным делать полностью многоразовый не только корабль, но и ракету-носитель. Но для решения этой задачи требуется существенно большее время. Поэтому при проектировании корабля «Прогресс» было принято решение делать его одноразовым и для его выведения использовать ракету-носитель корабля «Союз».

Грузовой корабль состоит из трех отсеков: приборно-агрегатного, отсека компонентов дозаправки и грузового. В грузовом отсеке доставляются научное оборудование, оборудование, необходимое для проведения ремонтно-профилактических работ, запасы средств жизнедеятельности (регенераторы, поглотители, нища, вода, одежда и т. п.). Корпус отсека сваривается из двух сферических полуоболочек и цилиндрической проставки между ними. Одной (нижней) стороной отсек устанавливается на опорном шпангоуте (отсека) компонентов дозаправки. На верхней части отсека размещается автономный стыковочный агрегат (типа штырь) с переходным люком, позволяющим экипажу станции после пристыковки грузового корабля к станции входить в грузовой отсек и переносить доставленное оборудование на станцию (транспортный грузовой корабль стыкуется со стороны агрегатного отсека Станции — к промежуточной камере).

В отличие от стыковочного агрегата пилотируемого корабля на агрегате грузового установлены два гидроразъема, которые стыкуются с соответствующими разъемами на стыковочном агрегате промежуточной камеры. Через эти разъемы идет заправка станции горючим и окислителем. Внутри грузового отсека — обычный воздух при нормальном атмосферном давлении. Объем отсека около 6,6 м3. В нем ожет быть размещено до 1300–1400 кг оборудования. Громоздкое оборудование (типа регенераторов и т. п.) закрепляется непосредственно на силовой раме отсека, мелкое оборудование и небольшие приборы размещаются в контейнерах.

После переноса доставляемых грузов на борт станции перед отстыковкой корабля в освободившийся объем грузового отсека экипаж переносит отработавшее оборудование (типа регенераторов, поглотителей и т. п.), замененные неисправные приборы, контейнеры с отходами, появившимися в это время (чтобы лишний раз не использовать шлюзовые камеры), использованное белье и т. п. Объем станции ограничен и, если этого не делать постоянно, она оказалась бы загроможденной.

В отсеке компонентов дозаправки размещаются два блока с горючим (несимметричным диметилгидразином), два бака с окислителем (азотным тетраксидом), баллоны со сжатым воздухом (для наддува станции) и азотом (для наддува баков с топливом при его передавливании в объединенную двигательную установку станции), пневмогидроавтоматика (редукторы давления, клапаны, датчики и т. п.).

Компоненты, размещенные в баках, химически агрессивны и ядовиты для человека, и поэтому недопустим какой-либо контакт их паров (например, в случае потери герметичности баков, магистралей и т. п.) с объемом жилых отсеков, а следовательно, и с объемом грузового отсека. Отсек компонентов дозаправки негерметичен, магистрали, идущие к заправочным разъемам на стыковочном узле, также проложены и по наружной поверхности. Аналогично, магистрали, идущие от заправочных разъемов станции к бакам с объединенной двигательной установки, проложены снаружи промежуточной камеры в негерметичном агрегатном отсеке. Корпус отсека компонентов дозаправки термостатируется за счет прокачки жидкости внутреннего контура СТР по трубкам, приваренным к оболочке отсека.

Приборно-агрегатный отсек близок по конструкции и составу аппаратуры и оборудования, размещаемого в нем, к аналогичному отсеку корабля «Союз». Заметно отличается приборная часть отсека, объем которой увеличен вдвое за счет введения цилиндрической проставки. В дополнительном объеме размещается аппаратура управления дозаправкой и та часть радиоаппаратуры, которая на корабле «Союз» размещалась в орбитальном отсеке.

На наружных поверхностях корабля установлены антенны радиокомплекса, чувствительные элементы: два инфракрасных построителя местной вертикали (вместо одного на «Союзе»), ионные построители направления вектора скорости, а также управляющие реактивные двигатели. Установка второго инфракрасного построителя местной вертикали связана с тем, что на беспилотном корабле необходимо повысить надежность системы автоматической ориентации. Датчик, обеспечивающий построение местной вертикали, работает в инфракрасной области спектра. Этот выбор объясняется тем, что в случае использования датчика, работающего в видимой части спектра, он не смог бы обеспечить ориентацию корабля в тени Земли. Датчик же, работающий на приеме теплового излучения, хорошо «отличает» Землю и горизонт от космического пространства как над освещенной, так и над теневой стороной Земли.

В районе стыковочного узла устанавливаются три световых индекса и телевизионные камеры, которые позволяют визуально контролировать процесс приближения грузового корабля к станции (в том числе в тени Земли): с Земли по телеизображению корабля (через телекамеры станции) или со станции (через телекамеры корабля). Кроме визуального контроля экипаж (на пульте станции) и персонал центра управления полетом контролируют (на дисплеях) параметры относительного движения (дальность, радиальную скорость, угловые скорости, линии визирования), работу двигателей и автоматики. Данные о ходе процесса сближения передаются на Землю с помощью радиотелеметрической системы.

Перед дозаправкой компрессоры обеспечивают откачку газа в баллоны наддува из газовых полостей тех баков объединенной двигательной установки, которые должны заправляться. Автоматика системы дозаправки обеспечивает проверку герметичности состыкованных гидроразъемов заправочных магистралей. По командам экипажа с пульта дозаправки или с Земли осуществляется наддув баков с компонентами в грузовом корабле, вскрытие клапанов, соединяющих эти баки и баки объединенной двигательной установки с заправочными магистралями, и перекачку топлива. Заправка осуществляется поочередно в каждый отдельный бак. После окончания заправки клапаны, соединяющие баки с заправочными магистралями, закрываются, и эта магистраль соединяется с открытым пространством и продувается. Эта операция осуществляется для того, чтобы при расстыковке остатки компонентов не попали на поверхность стыковочных узлов.[6]

РОЛЬ АВТОМАТИКИ И ЧЕЛОВЕКА НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА