Сравнение пилотируемых космических кораблей первого поколения

Интересно посмотреть, как разные люди решают одну и ту же задачу. У каждого есть свой опыт, свои начальные условия, но, когда цель и требования схожие, решения этой задачи функционально похожи друг на друга, хотя могут различаться в конкретной реализации. В конце 50-х годов и СССР и США стали разрабатывать пилотируемые корабли для первых шагов в космос. Требования были схожими — экипаж один человек, время нахождения в космосе — до нескольких суток. Но вот аппараты получились разные, и, как мне кажется, было бы интересно их сравнить.

Введение

Ни СССР, ни США не знали, что ждет человека в космосе. Да, в полётах на самолёте можно воспроизвести невесомость, но длительностью всего ~30 секунд. Что будет с человеком при длительной невесомости? Врачи пугали невозможностью дышать, пить, видеть (якобы глаз должен потерять свою форму из-за неверной работы глазных мышц), соображать (пугали сумасшествием или потерей сознания). Знание о космических частицах высокой энергии приводило к мыслям о радиационных поражениях (и даже после полётов регулярно в газетах всплывали жуткие версии о лучевой болезни летавших космонавтов). Поэтому первые корабли были рассчитаны на небольшое время нахождения в космосе. Длительность первых полётов измерялась минутами, последующих — часами, или витками вокруг Земли (один виток — примерно 90 минут).

Средства выведения

Главным фактором, влияющим на дизайн корабля была грузоподъемность ракеты-носителя. И двухступенчатая Р-7, и «Атлас» могли вывести на низкую околоземную орбиту примерно 1300 кг. Но для «семерки» успели отработать в лунных пусках 1959 года третью ступень — блок «Е», повысив грузоподъемность трехступенчатой ракеты до 4,5 тонн. А США всё никак не могли отработать базовый двухступенчатый «Атлас», и первый теоретически возможный вариант «Атлас-Аджена» полетел только в начале 1960 года. В результате получился анекдот — советские «Востоки» весили 4,5 тонны, а масса «Меркурия» была сравнима с массой «Спутника-3» — 1300 кг.

Внешние элементы конструкции

Рассмотрим сначала наружную часть кораблей:

«Восток»

«Меркурий»
 

Форма корпуса

«Восток» на участке выведения находился под сбрасываемым обтекателем. Поэтому конструкторов не волновала аэродинамичность форм корабля, а также можно было спокойно размещать антенны, баллоны, жалюзи терморегуляции и прочие хрупкие элементы на поверхности аппарата. А особенности конструкции блока «Е» определили характерный конический «хвост» корабля.

«Меркурий» же не мог позволить себе тащить на орбиту тяжелый обтекатель. Поэтому корабль имел аэродинамическую коническую форму, и все чувствительные элементы типа перископа были убираемыми.

Теплозащита

При создании «Востока» конструкторы исходили из решений, дающих максимальную надежность. Поэтому форму спускаемого аппарата выбрали в виде шара. Неравномерность распределения веса обеспечивала эффект «ваньки-встаньки», когда спускаемый аппарат самостоятельно, без какого-либо управления, устанавливался в правильное положение. А теплозащита наносилась на всю поверхность спускаемого аппарата. При торможении о плотные слои атмосферы воздействие на поверхность шара было неравномерным, поэтому слой теплозащиты имел различную толщину.

Слева: обтекание сферы на гиперзвуковой скорости (в аэродинамической трубе), справа: неравномерно обгоревший спускаемый аппарат «Восток-1».

Коническая форма «Меркурия» означала, что теплозащита потребуется только снизу. С одной стороны, это экономило вес, с другой стороны, неверная ориентация корабля при входе в плотные слои атмосферы означала высокую вероятность его разрушения. На верхней части корабля стоял специальный аэродинамический спойлер, который должен был перевернуть «Меркурий» кормой вперед.

Слева: конус на гиперзвуковой скорости в аэродинамической трубе, справа: теплозащита «Меркурия» после посадки.

Что любопытно, материал теплозащиты был схожим — на «Востоке» пропитанная смолой асбестовая ткань, на «Меркурии» — стекловолокно и резина. В обоих случаях тканеподнобный материал с наполнителем сгорал послойно, а наполнитель испарялся, создавая дополнительный слой теплозащиты.
 

Тормозная система

Тормозной двигатель «Востока» был недублированным. С точки зрения безопасности это было не очень хорошим решением. Да, «Востоки» запускались так, чтобы в течение недели затормозиться естественным образом об атмосферу, но, во-первых, уже в полёте Гагарина орбита была выше расчетной, что фактически «выключало» эту резервную систему, а во-вторых, естественное торможение означало посадку где угодно от 65 градуса северной широты до 65 градуса южной широты. Причина этого конструктивная — два ЖРД в корабль не влезали, а твердотопливные двигатели тогда не были освоены. Надежность ТДУ повышала максимальная простота конструкции. Бывали случаи, когда ТДУ давала чуть меньший импульс, чем нужно, но полного отказа не было ни разу.

ТДУ «Востока»

На «Меркурии» за теплозащитным щитом стоял блок двигателей разделения и торможения. Оба типа двигателей были установлены в трех экземплярах для большей надежности. Двигатели разделения включались сразу после выключения двигателей ракеты-носителя для того, чтобы корабль отошёл от ракеты-носителя на безопасное расстояние. Тормозные двигатели включались для схода с орбиты. Для того, чтобы вернуться с орбиты, было достаточно одного сработавшего тормозного двигателя. Блок двигателей крепился на стальных лентах и сбрасывался после торможения.

ТДУ «Меркурия»
 

Система посадки

На «Востоках» пилот садился отдельно от корабля. На высоте 7 км космонавт катапультировался и садился самостоятельно на парашюте. Для большей надежности, парашютная система была дублирована.

На «Меркуриях» использовалась идея посадки на воду. Вода смягчала удар, а большой флот США не испытывал трудностей с поиском капсулы в океане. Для смягчения удара о воду раскрывался специальный воздушный мешок-амортизатор.

История показала, что посадочные системы оказались самыми опасными в проектах. Гагарин чуть не сел в Волгу, Титов приземлился рядом с поездом, Попович чуть не поломался на камнях. Гриссом чуть не утонул вместе с кораблем, а Карпентера искали больше часа и уже начали считать погибшим. В последующих кораблях не было ни катапультирования пилота, ни подушки-амортизатора.
 

Системы аварийного спасения

Штатная система катапультирования космонавта на «Востоке» могла работать как система спасения на начальном участке траектории. В обтекателе было отверстие для посадки космонавта и аварийного катапультирования. Парашют мог не успеть раскрыться в случае аварии на первых секундах полёта, поэтому справа от стартового стола была натянута сетка, которая должна была смягчить падение.

Сетка внизу на переднем плане

На большой высоте корабль должен был отделиться от ракеты, используя штатные средства разделения.
На «Меркуриях» стояла система аварийного спасения, которая должна была увести капсулу от разрушающейся ракеты начиная от старта и до конца плотных слоёв атмосферы.

В случае аварии на большой высоте использовалась штатная система разделения.
Катапультируемые кресла в качестве системы спасения использовались на «Джемини», а также испытательных полётах «Спейс Шаттла». САС в стиле «Меркурия» стояла на «Аполлонах» и до сих пор ставится на «Союзы».
 

Двигатели ориентации

В качестве рабочего тела для ориентации на корабле «Восток» использовался сжатый азот. Главным достоинством системы была простота — газ содержался в шар-баллонах и выпускался с помощью простой системы.
На корабле «Меркурий» использовалось каталитическое разложение концентрированной перекиси водорода. С точки зрения удельного импульса это выгоднее сжатого газа, но запасы рабочего тела на «Меркуриях» были крайне малы. Активно маневрируя, можно было потратить весь запас перекиси меньше чем за один виток. А ведь её запас нужно было сохранить для операций по ориентации при посадке… Астронавты негласно соревновались между собой, кто потратит меньше перекиси, а увлекшийся фотографией Карпентер попал в серьезную переделку — он неэкономно тратил рабочее тело на ориентацию и перекись закончилась в процессе посадки. К счастью, высота была ~20 км и катастрофы не случилось.
В дальнейшем перекись как рабочее тело использовалась на первых «Союзах», а затем все перешли на высококипящие компоненты НДМГ/АТ.

Система терморегуляции

На «Востоках» использовались жалюзи, которые то открывались, увеличивая излучающую площадь корабля, то закрывались.
На «Меркуриях» стояла система, использующая испарение воды в вакууме. Она была компактней и легче, но проблем с ней было больше, например, в полёте Купера она знала только два состояния — «жарко» и «холодно».

Внутренние элементы конструкции

Внутренняя компоновка корабля «Восток»:

Внутренняя компоновка корабля «Меркурий»:

Панель инструментов

Панели инструментов нагляднее всего показывают разницу подходов в проектировании. «Восток» делали проектировщики ракет, поэтому его панель инструментов отличается минимумом элементов управления:

Левая панель.

Основная панель.

«Меркурий» же делали бывшие конструкторы самолётов, да и астронавты прилагали усилия к тому, чтобы кабина была для них привычной. Поэтому элементов управления гораздо больше:

В то же время схожесть задач породила одинаковые приборы. И на «Востоке» и на «Меркурии» был глобус с часовым механизмом, показывающий текущее положение аппарата и расчетное место посадки. И на «Востоках» и на «Меркуриях» были индикаторы этапов полёта — на «Меркуриях» это «Управление полётными операциями» на левой панели, на «Востоках» — индикаторы «Спуск-1», «Спуск-2», «Спуск-3» и «Приготовиться к катапультированию» на центральной панели. На обоих кораблях была система ручной ориентации:

«Взор» на «Востоках». Если на периферийной части со всех сторон горизонт, а Земля в центре движется снизу вверх, то ориентация на торможение правильная.

Перископ на «Меркуриях». Отметки показывают правильную ориентацию на торможение.
 

Система жизнеобеспечения

На обоих кораблях полет производился в скафандрах. В «Востоке» поддерживалась атмосфера близкая к земной — давление 1 атм, в воздухе кислород и азот. На «Меркуриях» для экономии веса атмосфера была чисто кислородная при пониженном давлении. Это добавляло неудобств — астронавту нужно было около двух часов перед пуском дышать в корабле кислородом, при выведении нужно было стравливать атмосферу из капсулы, затем перекрывать вентиляционный клапан, а при посадке снова открывать его для повышения давления вместе с атмосферным.
Санитарно-гигиеническая система была более продвинутая на «Востоках» — летая несколько суток была возможность удовлетворения большой и малой потребностей. На «Меркурии» стояли только мочеприемники, от больших гигиенических проблем спасала специальная диета.

Электросистема

Оба корабля использовали энергию аккумуляторов. «Востоки» были повыносливее, на «Меркуриях» суточный полёт Купера завершался в условиях отказа доброй половины приборов.

Заключение

Оба типа кораблей были вершиной техники своих стран. Будучи первыми, оба типа имели как удачные решения, так и неудачные. Идеи, заложенные в «Меркурий» живут в системах спасения и конических капсулах, а внуки «Востока» до сих пор летают — «Фотоны» и «Бионы» используют такие же сферические спускаемые аппараты:

В целом, «Востоки» и «Меркурии» оказались хорошими кораблями, позволившими сделать первые шаги в космос, и избежавшими фатальных происшествий.

Второе поколение космических аппаратов

источник: