Наши космические пути

Необходимо было получить как можно больше сведений о работе конструкций космических аппаратов, их бортовой аппаратуры, отработать надежность управления различными системами в полете. Принципиально новой задачей являлось создание систем ориентации космических кораблей-спутников и решение проблемы возвращения кораблей на Землю.

Для полета человека на борту космического корабля необходимо было также обеспечить поддержание нормального давления, температуры, состава воздуха и других условий для обеспечения жизнедеятельности человека

Проведение научных исследовании космического пространства наряду с решением принципиальных задач по физике космоса дало необходимый материал по влиянию различных излучений на живой организм в условиях космического полета, а также метеоритной опасности при полете. На основании полученных данных были приняты меры по радиационной защите кораблей-спутников.

Большой экспериментальный материал, полученный в результате полетов первых советских космических кораблей-спутников, и создание систем, обеспечивающих успешное возвращение кораблей на Землю, позволили советским ученым и конструкторам приступить к созданию корабля для полета человека в космос. В результате большой и напряженной работы был создан космический корабль «Восток», В марте 1961 года были произведены два последних контрольных пуска этого корабля. В этих пусках в кресле пилота размещался манекен. Кроме того, в кабине находились подопытные животные — собаки Чернушка и Звездочка.

Полеты осуществлялись по той-же программе, по которой намечалось осуществить первый полет корабля с космонавтом на борту. Оба полета прошли в точном соответствии с заданной программой и подтвердили высокую надежность конструкции и всех систем корабля.

Тщательная предварительная отработка корабля-спутника «Восток» обеспечила полный успех при первом же запуске его с космонавтом на борту, который был осуществлен 12 апреля 1961 года.

УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ «ВОСТОК»

Космический корабль «Восток» создан на основе опыта, полученного при пусках первых советских кораблей-спутников.

Корабль-спутник состоит из двух основных частей:

— кабины пилота, в которой размещаются космонавт, оборудование для обеспечения жизнедеятельности и система приземления;

— приборного отсека, предназначенного для размещения аппаратуры, работающей при полете по орбите, и тормозной двигательной установки корабля.

После выведения на орбиту корабль-спутник отделяется от последней ступени ракеты-носителя. В полете его бортовая аппаратура работает по определенной программе, обеспечивая измерение параметров орбиты, передачу на Землю телеметрической информации и телевизионного изображения космонавта, двухстороннюю радиосвязь с Землей, поддержание на корабле заданного температурного режима, кондиционирование воздуха в кабине пилота. Управление работой аппаратуры осуществляется автоматически, с помощью бортовых программных устройств и при необходимости пилотом-космонавтом.

Программа первого полета человека была рассчитана на один виток вокруг Земли. Однако конструкция и оборудование корабля-спутника позволяют совершать более длительные полеты.

По завершении программы полета, перед посадкой, специальной системой производится ориентация корабля в определенном направлении. Затем в заданной точке орбиты включается тормозная двигательная установка, которая осуществляет уменьшение скорости корабля на требуемую по расчету величину. В результате этого корабль переходит на траекторию спуска.

Кабина с космонавтом тормозится в атмосфере. При этом траектория спуска выбрана таким образом, чтобы перегрузки при вхождении аппарата в плотные слои атмосферы не превышали перегрузок, допустимых для человека. После снижения кабины корабля до заданной высоты включается система приземления. Непосредственное приземление кабины пилота происходит с малой скоростью. С момента включения тормозной двигательной установки до приземления корабль пролетает около 8000 километров. Продолжительность полета на участке спуска составляет примерно 30 минут.

Внешняя поверхность кабины пилота покрыта слоем тепловой защиты, предохраняющей ее от сгорания при движении на участке спуска в плотных слоях атмосферы. В оболочке кабины имеются три иллюминатора и два быстрооткрывающихся люка. Иллюминаторы снабжены жаропрочными стеклами и позволяют космонавту производить наблюдения в течение всего полета.

Космонавт размещается в корабле-спутнике на катапультируемом кресле, которое является его рабочим местом в полете, а также служит для покидания космонавтом аппарата в случае необходимости. Кресло установлено таким образом, чтобы перегрузки на участке выведения и на участке спуска действовали на космонавта в наиболее благоприятном направлении (грудь-спина).

В первом полете пилот-космонавт был одет в защитный скафандр, обеспечивающий сохрайение его жизни и работоспособности даже в случае разгерметизации кабины в полете.

В корабле-спутнике размещаются также:

— аппаратура и оборудование, необходимые для жизнедеятельности человеческого организма (система кондиционирования воздуха, система регулирования давления, пища и вода, система удаления продуктов жизнедеятельности);

— аппаратура для контроля полета и система ручного управления кораблем (пульт пилота, приборная доска, блок ручного управления и т. д.);

— системы приземления;

— радиоаппаратура для связи космонавта с Землей;

— система автономной регистрации данных о работе приборов, радиотелеметрические системы и различные датчики;

— телевизионная система для наблюдения за космонавтом с Земли;

— аппаратура для регистрации физиологических функций человека;

— тормозная двигательная установка корабля;

— аппаратура системы ориентации;

— аппаратура управления полетом;

— радиосистемы для измерения параметров орбиты;

— система терморегулирования;

— источники электропитания.

На внешней поверхности корабля установлены органы управления, элементы ориентации, жалюзи системы терморегулирования и антенны радиосистем.

Кабина пилота на корабле-спутнике много просторнее кабины пилота на самолете. Оборудование кабины выполнено с учетом удобства работы космонавта в полете. Находясь в кресле, космонавт имеет возможность осуществлять все необходимые операции по наблюдению, связи с Землей, контролю полета и в случае необходимости — по управлению кораблем.

В корпусе кресла пилота смонтированы:

— отделяемая спинка с привязной системой для фиксации тела пилота при катапультировании и спуске на парашюте;

— парашютные системы;

— катапультные и пиротехнические устройства;

— носимый аварийный запас (пищи, воды и снаряжения) и радиосредства для связи и пеленгации, которыми космонавт может воспользоваться после приземления;

— система вентиляции скафандра и парашютный кислородный прибор;

— автоматика кресла.

Приземление космонавта может осуществляться в кабине корабля. Такой способ приземления проверен на четвертом и пятом советских кораблях-спутниках, на которых в кабине находились подопытные животные. Предусмотрен также вариант посадки с катапультированием кресла с космонавтом из кабины на высоте около 7 километров и последующим приземлением его на парашютах. Этот вариант также был проверен при пусках кораблей-спутников.

Система кондиционирования, установленная на корабле-спутнике, поддерживает в кабине пилота нормальное давление, нормальную концентрацию кислорода, при концентрации углекислого газа не выше одного процента, температуру на уровне 15-22 градусов Цельсия и относительную влажность в пределах 30-70 процентов. Регенерация состава воздуха — поглощение углекислого газа и паров воды с выделением соответствующего количества кислорода — осуществляется за счет использования высокоактивных химических соединений. Процесс регенерации регулируется автоматически. При уменьшении количества кислорода и увеличении концентрации углекислого газа специальным датчиком подается сигнал, по которому исполнительным механизмом изменяется режим работы регенератора. При избыточном выделении кислорода происходит автоматическое срабатывание исполнительного механизма, приводящее к уменьшению выделения кислорода в атмосферу кабины. Аналогично осуществляется регулирование влажности воздуха.

В случае загрязнения воздуха вредными примесями, выделяющимися в результате жизнедеятельности человеческого организма и работы аппаратуры, предусмотрена его очистка специальными фильтрами.

Поддержание заданного температурного режима корабля в полете осуществляется системой терморегулирования. Отличительной ее особенностью является использование для отвода тепла из кабины пилота жидкого хладоагента, температура которого поддерживается стабильной. Хладоагент поступает из системы терморегулирования в жидкостно-воздушный радиатор. Расход воздуха через радиатор автоматически регулируется в зависимости от температуры в спускаемом аппарате. Таким образом, заданный температурный режим в кабине поддерживается с большой точностью.

Для поддержания стабильной температуры хладоагента и обеспечения требуемого температурного режима в приборном отсеке на его внешней поверхности имеется радиационный теплообменник с системой жалюзи, управление которыми также производится автоматически.

Для спуска в заданный район кораблю-спутнику перед включением тормозного двигателя должна быть придана вполне определенная ориентация в пространстве. Эта задача решается системой ориентации. В данном полете осуществлялась ориентация одной из осей корабля в направлении на Солнце. Чувствительными элементами этой системы являются ряд оптических и гироскопических датчиков. Поступающие с них сигналы преобразуются в электронном блоке в команды, управляющие системой органов управления. Система ориентации обеспечивает автоматический поиск Солнца, соответствующий разворот корабля и удержание его в требуемом положении с большой точностью.

После того как корабль ориентирован, в определенный момент времени включается тормозная двигательная установка. Команды включения системы ориентации, тормозной двигательной установки и других систем выдаются электронным программным устройством.

Для измерения параметров орбиты корабля-спутника и контроля работы его бортовой аппаратуры на нем установлена радиоизмерительная и радиотелеметрическая аппаратура. Измерение параметров движения корабля и прием телеметрической информации при его полете производятся наземными станциями, расположенными на территории СССР. Данные измерений автоматически передаются по линиям связи в вычислительные центры, где осуществляется их обработка на электронных счетныхмашинах. В результате в процессе полета оперативно получаются сведения об основных параметрах орбиты и прогнозируется дальнейшее движение корабля.

На корабле имеется также радиосистема «Сигнал», работающая на частоте 19,995 мегагерц. Эта система служит для пеленгации корабля и передачи части телеметрической информации.

Телевизионная система осуществляет передачу на Землю изображения космонавта, что позволяет иметь визуальный контроль за его состоянием. Одна из телевизионных камер передает изображение пилота анфас, а другая — сбоку.

Двухсторонняя связь космонавта с Землей обеспечивается радиотелефонной системой, работающей в диапазонах коротких волн (9,019 и 20,006 мегагерца) и ультракоротких волн (143,625 мегагерца).

Ультракоротковолновый канал используется для связи с наземными пунктами на расстояниях до 1500-2000 километров. Связь по коротковолновому каналу с наземными пунктами, находящимися на территории СССР, как показал опыт, может быть обеспечена на большей части орбиты.

Радиотелефонная система имеет в своем составе магнитофон, позволяющий записывать речь космонавта в полете с последующим воспроизведением и передачей ее при полете корабля над наземными приемными пунктами. Предусмотрена также возможность радиотелеграфной передачи космонавтом.

Установленные в кабине приборная доска и пульт пилота предназначены для контроля работы основных бортовых систем и обеспечения, в случае необходимости, спуска корабля с использованием ручного управления. На приборной доске расположен ряд стрелочных индикаторов и сигнальных табло, электрочасы, а также глобус, вращение которого синхронизировано с движением корабля по орбите. Глобус позволяет космонавту определять текущее местоположение корабля. На пульте пилота находятся рукоятки и переключатели, служащие для управления работой радиотелефонной системы, регулирования температуры в кабине, а также включения ручного управления и тормозного двигателя.

Особое внимание при создании космического корабля было обращено на обеспечение безопасности полета. Пуски первых советских кораблей-спутников подтвердили высокую надежность работы их аппаратуры и оборудования. Однако на корабле «Восток» был принят ряд дополнительных мер с тем, чтобы исключить возможность всяких случайностей и гарантировать безопасность полета на нем человека. Такое направление разработок полностью соответствует основной задаче — созданию аппаратов, позволяющих человеку уверенно проникать в космическое пространство.

Для ориентации корабля в случае ручного управления космонавт использует оптический ориентатор, позволяющий определить положение корабля по отношению к Земле. Оптический ориентатор установлен на одном из иллюминаторов кабины пилота. Он состоит из двух кольцевых зеркал-отражателей, светофильтра и стекла с сеткой. Лучи, идущие от линии горизонта, попадают на первый отражатель и далее через стекла иллюминатора проходят на второй отражатель, который направляет их через стекло с сеткой в глаз космонавта. При правильной ориентации корабля относительно вертикали космонавт видит в поле зрения изображение горизонта в виде кольца.

Через центральную часть иллюминатора космонавт просматривает находящийся под ним участок земной поверхности.

Положение продольной оси корабля относительно направления полета определяется наблюдением «бега» земной поверхности в поле зрения ориентатора.

Воздействуя на органы управления, космонавт может развернуть корабль таким образом, чтобы линия горизонта была видна в ориентаторе в форме концентричного кольца, а направление «бега» земной поверхности совпадало с курсовой чертой сетки. Это будет свидетельствовать о правильной ориентации корабля. В случае необходимости поле зрения ориентатора может закрываться светофильтром или шторкой.

Установленный на приборной доске глобус дает возможность наряду с текущим местоположением корабля заранее определить и место его спуска при включении тормозного двигателя в данный момент времени.

Наконец, конструкция корабля позволяет осуществить спуск на Землю и в случае отказа тормозной двигательной установки — за счет естественного торможения его в атмосфере.

Запасы пищи, воды, регенерационных веществ и емкость источников электопитания рассчитаны на полет длительностью до 10 суток.

В конструкции корабля предусмотрены меры, предотвращающие повышение в кабине температуры сверх определенного предела при длительном нагреве ее поверхности, который возникает во время постепенного торможения корабля в атмосфере.

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПОЛЕТА ЧЕЛОВЕКА В КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО

Для решения вопроса о возможности полета человека в космическое пространство и его медицинского обеспечения представлялось необходимым:

1. Изучить влияние на организм факторов космического полета, а также исследовать возможные формы и способы защиты от неблагоприятного действия этих факторов.

2. Разработать наиболее эффективные методы обеспечения нормальных условий жизнедеятельности человека в кабине космического корабля.

3. Разработать методы медицинского отбора и тренировки членов экипажа космических кораблей, а также систему непрерывного медицинского контроля за состоянием здоровья и работоспособностью пилотов на всех участках полета.

Каждый из перечисленных вопросов включал в себя большое число частных задач, над изучением и решением которых в течение десяти лет неустанно работали специалисты в области физиологии, гигиены, психологии, биологии, клинической и профессиональной медицины. Исследования проводились в наземных лабораторных условиях и при полетах животных на ракетах. Был использован богатый опыт, накопленный в прикладных областях физиологии и медицины, особенно в авиационной медицине и медицинском обеспечении подводных плаваний. Там, где это представлялось возможным, создавались специальные наземные стенды, которые позволили в лабораторных условиях исследовать воздействие на организм факторов, действующих в космическом полете. Действие перегрузок и переносимость их организмом изучались на центробежных машинах — центрифугах. Они воспроизводили ускорения, аналогичные тем, которые возникают при запуске кораблей или возвращении их на Землю.

С помощью вибростендов, тепловых, вакуумных камер и других установок исследовалось действие на организм других факторов. Однако лабораторные опыты, как правило, могли дать ответ лишь в отношении действия на организм какого-либо одного из указанных факторов, в то время как в реальном полете на ракете они действуют в комбинации и одновременно. Кроме того, в лабораторных условиях не могло быть изучено поведение живых организмов в условиях невесомости. Поэтому существенным приближением к изучению влияния условий космических полетов на организм явилось проведение биологических исследований на ракетах, начатых в 1951 году.

Было проведено несколько десятков экспериментов с полетом животных на ракетах на высоты до 450 километров. В результате этих исследований был получен обширный научный материал, характеризующий реакции физиологических систем и поведение животных (собак, кроликов, крыс и мышей) на различных участках полета. Тщательное исследование подопытных животных как во время полета, так и в течение длительного времени после их возвращения на Землю позволило сделать вывод о том, что условия полета на ракетах в верхние слои атмосферы переносятся живыми организмами вполне удовлетворительно. Изменения, отмеченные со стороны отдельных физиологических функций во время полета, не носили болезненного характера, нередко исчезали еще в процессе эксперимента и не обнаруживались впоследствии.

Однако, в силу кратковременности полета ракет, не удалось исследовать биологическое действие таких важных факторов космического полета, как продолжительная невесомость и космическая радиация. Поэтому открывшаяся в 1957 году возможность использования для биологических экспериментов искусственных спутников Земли явилась исключительно важным шагом вперед.

Первый такой эксперимент был проведен на втором советском искусственном спутнике Земли. Он не только подтвердил и расширил данные прежних биологических опытов на ракетах. Впервые удалось доказать, что длительное состояние невесомости само по себе не нарушает основные процессы жизнедеятельности.

Биологические эксперименты были продолжены на первых советских кораблях-спутниках. В программу этих медико-биологических исследований был включен ряд новых проблем. Представлялось важным, помимо дополнительного и более глубокого изучения влияния на организм длительной невесомости, переходных состояний от невесомости к перегрузкам и обратно, с возможной большей тщательностью исследовать биологические действия космической радиации. Важным разделом программы являлось также исследование особенностей работы и эффективности систем, которые в будущих полетах должны были обеспечить нормальные условия для жизнедеятельности человека и гарантировать его благополучное возвращение на Землю. Для осуществления намеченной программы на первых советских корабляхспутниках были размещены разнообразные представители органического мира, на-» чиная от простейших форм жизни до высших позвоночных.

Использование в экспериментах различных видов животных и растений позволило особенно полно и подробно изучить влияние условий космического полета на самые разнообразные процессы и функции организмов. Весьма широко была представлена информация о поведении и состоянии физиологических функций подопытных собак во время полета. Наблюдение за поведением животных осуществлялось с помощью специальной телевизионной системы. Анализ полученных данных показал, что животные не только полностью сохраняют свою жизнедеятельность в условиях длительного действия невесомости и последующего влияния перегрузок, но и в состоянии их основных физиологических функций не обнаруживается каких-либо болезненных признаков. Достаточно длительное и тщательное обследование животных после полета также не выявило каких-либо отклонений от нормы.

Весьма серьезное внимание было обращено на обнаружение возможных эффектов действия космической радиации в полете на корабле-спутнике. Многочисленные методы, использованные для решения этого вопроса, не выявили изменений, которое можно было бы адресовать ионизирующему излучению.

Результаты медико-биологических исследований на космических корабляхспутниках позволили сделать весьма важное и ответственное заключение. Было признано, что полеты на кораблях-спутниках по орбите, расположенной заведомо ниже околоземных радиационных поясов, являются безопасными для высокоорганизованных представителей животного мира. Результаты биологических экспериментов были использованы для решения вопроса о переносимости условий полета человеком.

На этом основании, а также учитывая результаты лабораторных исследований, был сделан вывод о возможности полета человека без ущерба для его здоровья.

ПОДГОТОВКА КОСМОНАВТОВ

Первый космический полет мог совершить только человек, который, сознавая огромную ответственность поставленной перед ним задачи, сознательно и добровольно согласился отдать все свои силы и знания, а может быть и жизнь, для свершения этого выдающегося подвига.

Тысячи советских граждан — патриотов своей Родины, самых различных возрастов и профессий, изъявили желание совершить полет в космическое пространство. Перед советскими учеными была поставлена задача научно обоснованного отбора первых космонавтов из огромного числа желающих.

При выполнении космического полета человек встречается с воздействием целого комплекса факторов внешней среды (ускорение, невесомость и т. д.), значительным нервно-эмоциональным напряжением, требующим от человека мобилизации всех его моральных и физических сил. При этом космонавт должен сохранять высокую работоспособность, умение ориентироваться в сложной обстановке полета и в случае необходимости включиться в управление космическим кораблем. Все это определяло высокие требования к состоянию здоровья космонавта, его психическим качествам, уровню его общей и технической подготовки.

Эти качества наиболее полно сочетаются в профессии летчика. Деятельность летчика уже определяет устойчивость нервно-эмоциональной сферы человека, его хорошие волевые качества, а это особенно важно для первых космических полетов. В дальнейшем категория лиц, участвующих в таких полетах, безусловно должна и может быть значительно расширена.

При комплектовании группы космонавтов были проведены беседы с большим числом летчиков, изъявивших желание совершить космический полет. Наиболее подготовленные из них прошли тщательное клиническое и психологическое обследование. Целью такого обследования было: определить состояние здоровья, выявить скрытую недостаточность или пониженную устойчивость организма к отдельным факторам, характерным для предстоящего полета, оценить реакции человека при действии этих факторов.

Обследование проводилось с использованием ряда современных биохимических, физиологических, электрофизиологических и психологических методов и специальных функциональных проб, позволяющих оценить резервные возможности основных физиологических систем организма (исследование в барокамере при значительных степенях разрежения воздуха, при перепадах барометрического давления и дыхании кислородом при повышенном давлении, исследование на центрифуге и др.).

Важным этапом являлось психологическое исследование, которое было направлено на выявление лиц, обладающих наиболее хорошей памятью, сообразительностью, активным легкопереключающимся вниманием, способностью к быстрой выработке точных координированных движений.

В результате клинико-физиологического обследования была сформирована группа, которая приступила к выполнению программы специального обучения, тренировок на специальных стендах и тренажерах, имитирующих в наземных и летных условиях факторы космического полета. Одновременно определялись индивидуальные особенности реакций организма на действие имитируемых факторов.

Программы специального обучения были рассчитаны на приобретение космонавтами необходимых сведений по основным теоретическим вопросам, связанным с задачами предстоящего полета, а также практических навыков в пользовании оборудованием и аппаратурой кабины космического корабля. Эта программа предусматривала изучение основ ракетной и космической техники, конструкции космического корабля, специальных вопросов астрономии, геофизики, основ космической медицины.

Комплекс специальных тренировок и испытаний включал:

— полеты на самолетах в условиях невесомости;

— тренировку в макете кабины космического корабля и на специальном тренажере;

— длительное пребывание в специально оборудованной звукоизолированной камере;

— тренировку на центрифуге;

— парашютные прыжки с самолетов.

В процессе выполнения специальных тренировок решались также некоторые вопросы обеспечения космического полета человека, в частности связанные с питанием космонавта в полете, с его одеждой, с системой регенерации воздуха.

Во время полетов на самолетах исследовались индивидуальные реакции космонавтов при воздействии невесомости и переходе от невесомости к перегрузкам. Была изучена возможность ведения радиосвязи, приема воды и пищи и т. д. Это позволило ответить на ряд важных вопросов о возможных действиях человека в условиях космического полета.

Было установлено, что все отобранные космонавты хорошо переносят состояние невесомости. Кроме того, было показано, что в условиях невесомости продолжительностью до 40 секунд возможны нормальный прием жидкой, полужидкой и твердой пищи, выполнение тонких координаторных актов (письмо, целенаправленные движения рукой), ведение радиосвязи, чтение, а также визуальная ориентировка в пространстве.

Тренировка в макете кабины космического корабля и на специальном тренажере проводилась с целью изучения оборудования и аппаратуры кабины, отработки вариантов полетного задания, адаптации (приспособления) к пребыванию в реальной кабине космического корабля. Для этого был создан специальный стенд-тренажер, который с помощью электронно-моделирующих устройств позволял воспроизводить на приборах реальные изменения, соответствующие таковым в полете. Действия пилота соответствовали реальным. Была обеспечена возможность имитировать необычные (аварийные) варианты полета и тренировать действия космонавта при подобных ситуациях.

Главной задачей при исследовании во время длительного пребывания в специально оборудованной звукоизолированной камере было определение нервно-психической устойчивости космонавта при длительном его пребывании в изолированном пространстве ограниченного объема, в одиночестве при значительном уменьшении внешних раздражителей. При этом создавался режим дня и условия питания, близкие к тем, которые будут иметь место в реальном полете.