Космический корабль «Союз»

Издательство «Бомбора» представляет книгу британского специалиста по техническим и политическим аспектам космических программ Дэвида Бейкера «Космический корабль «Союз»» (перевод А. В. Краснянского).

Книга рассказывает историю «Союза» с самого его зарождения как продолжения космических кораблей «Восток», включая историю кораблей «Зонд», на которых люди должны были отправиться к Луне, и беспилотных космических грузовиков «Прогресс», снабжающих космические станции всем необходимым. «Союз» является самым универсальным космическим кораблем за всю историю космонавтики и служит основным космическим транспортом уже многие десятилетия.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

 

Если посмотреть на «Союз» со стороны, кажется, что он состоит из трех отдельных модулей, соединенных вместе тандемом. На самом деле в его конструкции пять секций, из них три — герметичные и две — негерметичные[1].

Бытовой отсек (БО) изготавливался первоначально из сплава на основе магния, а позднее его стали делать из алюминиевого сплава. Это герметичный обитаемый отсек, который в документах называют орбитальным модулем или орбитальным бытовым отсеком. Его длина — 2,6 метра, диаметр — 2,2 метра, масса составляет около 1300 кг[2], гермообъем — 6,5 м3, а доступный для человека внутренний объем — около 4 м3. Внутри и снаружи находятся оборудование и аппаратура, которые являются частями различных систем космического корабля, в том числе система жизнеобеспечения (СОЖ) для трех человек экипажа, оборудование для сближения и стыковки, пульт управления различными подсистемами, измерительные устройства, необходимые для выполнения полета, телевизионное оборудование и предметы санитарно-гигиенического обеспечения экипажа.

Нынешний космический корабль «Союз» — продукт двух значительных эволюционных скачков от созданного по первоначальному проекту корабля, который совершил свой первый полет в беспилотном режиме в ноябре 1966 года. Первый шаг модернизации был сделан в 1971 году, когда корабль адаптировали к роли транспортного для обслуживания космических станций, снабдили экипаж защитными скафандрами и заострили внимание на повышении надежности всех систем. Второй шаг, по-настоящему крупный скачок, произошел в 1978 году с появлением новых кораблей «Союз Т» с цифровыми компьютерами и объединенной системой топливоподачи на борту, а также переделанным интерьером пространства кабины. Все последующие варианты базируются на этом типе корабля (РКК «Энергия»)

 

БО остается присоединенным к кораблю на протяжении всего полета и отделяется лишь непосредственно перед возвращением экипажа на Землю. В верхней части БО имеется узел для стыковки корабля с Международной космической станцией[3], включающий в себя сквозной люк внутренним диаметром 80 см, через который экипаж корабля попадает на станцию. В противоположной части БО находится люк-лаз внутренним диаметром 60 см, через который экипаж корабля проходит внутрь спускаемого аппарата перед запуском на орбиту[4].

В верхней части БО имеется также окно-блистер, которым экипаж может воспользоваться для выполнения ручных стыковочных операций в случае отказа автоматической системы сближения. В нижней части снаружи расположен разъем специальной кабель-мачты для соединения трубопроводов и электрических контуров различных отсеков. С внешней стороны БО монтируются антенны радарной системы «Курс», при помощи которой выполняется автоматическое сближение и стыковка, которая стала специализацией космического корабля «Союз». Друг с другом отсеки соединены во время полета пироболтами и пружинными толкателями для разделения. БО присоединен к спускаемому аппарату (СА) — герметизированному отсеку, в котором экипаж находится во время запуска, стыковки, расстыковки и посадочных операций.

 

Легенда: Бытовой отсек (А): 1 — стыковочный узел; 2 и 4 — антенны системы «Курс»; 3 — телевизионная антенна; 5 — видеокамера; 6 — посадочный люк; Спускаемый аппарат (В): 7 — крышка парашютного отсека; 8 — перископ; 9 — иллюминатор; 11 — теплозащитный экран; Приборно-агрегатный отсек (С): 10 и 18 — двигатели причаливания и ориентации (ДПО); 12 — датчик ориентации на Землю; 13 — датчик ориентации на Солнце; 14 — узел крепления солнечных батарей; 15 — инфракрасный датчик; 16 — антенна системы «Курс»; 17 — сближающе-корректирующий двигатель (СКД); 19 — антенна для связи; 20 — топливные баки (РКК «Энергия»)

 

В целом конструкция «Союза» складывается из трех основных секций: бытового отсека (1) наверху, спускаемого аппарата (2) под ним и приборно-агрегатного отсека (3) в самом низу. Сверху все герметичные отсеки покрыты экранно-вакуумной изоляцией. Двигательная секция на фото выделяется белым цветом. Ниже нее там же виден адаптер для присоединения корабля к ракете-носителю (РКК «Энергия»)

СА имеет форму усеченного конуса и напоминает фару старинного автомобиля. Герметичный объем аппарата — 3,85 м3, доступный внутренний объем — 2,5 м3. Его высота — 2,1 м, диаметр — 2,2 м, а масса — 2900 кг[5]. В его тесном интерьере размещены три ложемента, повторяющие контуры тела, для каждого из космонавтов, которые располагаются в особой позе с поджатыми ногами перед панелью управления, оборудованной дисплеями.

Спускаемый аппарат предназначен для посадки на твердую поверхность, однако может оставаться на плаву в случае непредвиденной посадки на воду. Кроме того, он служит укрытием для экипажа при плохих погодных условиях после приземления, какие, например, могут быть зимой: из практики известны случаи, когда глубокие снежные заносы и метель не давали аварийно-спасательным командам быстро добраться до района приземления. В СА есть органы управления и оборудование для контроля систем корабля в полете, минимальная система жизнеобеспечения, которая задействуется после отделения остальных отсеков корабля, а также аварийные запасы для выживания космонавтов после посадки.

 

Конструкция «Союза» оказалась подходящей для его переделки в непилотируемый космический танкер и грузовик «Прогресс». На этом фото на переднем плане виден «Союз ТМА-9», частично закрывающий собой «Прогресс М-57», состыкованный с Международной космической станцией. Гибкость конструкции этим не исчерпывается: тот же самый приборно-агрегатный отсек используется как часть космического аппарата для доставки малых модулей-шлюзов к МКС (NASA)

Кроме того, в СА есть системы телевидения и связи, электрические аккумуляторы, система сбора и передачи телеметрической информации. Три ложемента имеют поглощающую удар конструкцию и приподнимаются на амортизаторах незадолго до ожидаемого момента приземления, чтобы смягчить его воздействие на человека. Снаружи СА обшивается теплозащитным покрытием, а его слегка выпуклое основание является теплозащитным экраном, который сбрасывается на атмосферном участке спуска, чтобы открыть сопла твердотопливных двигателей мягкой посадки — они сконструированы так, что срабатывают в последние миллисекунды перед касанием поверхности и замедляют движение аппарата до безопасной скорости.

Специальные герметичные контейнеры в составе СА заключают в себе основной и запасной парашюты, а два иллюминатора позволяют космонавтам видеть, что происходит снаружи. Восемь[6] ЖРД ориентации расположены на внешней стороне СА и предназначены для того, чтобы поддерживать правильную ориентацию аппарата во время спуска вне атмосферы[7]. Их токсичное топливо, перекись водорода, стравливается из баков перед посадкой, когда космический корабль возвращается в плотные слои атмосферы. Верхний люк-лаз СА имеет диаметр 60 см и используется экипажем, чтобы попасть в свои ложементы перед стартом, заходить в спускаемый аппарат и выходить из него в полете, а также чтобы выбраться из СА после приземления.

Открытая ферменная конструкция, на которой при пуске располагается СА, соединяет его со следующим, приборно-агрегатным, отсеком (ПАО). В этой ферме находятся устройства для разделения отсеков, некоторые блоки двигателей ориентации, радиоантенны и электрические разъемы для подключения наземного оборудования перед запуском. Кроме того, в ней же расположены кислородные баллоны для обеспечения пригодной для дыхания атмосферы на борту корабля. Ферма является секцией, соединяющей герметичные БО и СА с приборно-агрегатным отсеком под ними.

Объединенный ПАО имеет следующие размеры: высота — 2,5 м, диаметр — 2,2 м в верхней части, где отсек стыкуется с соединительной фермой, и 2,7 м в нижней части, которой он присоединяется к адаптеру верхней ступени ракеты-носителя. Верхняя часть похожего формой на барабан ПАО герметична и заполнена инертным газом. В ней располагаются стойки с радиооборудованием, системами записи и передачи телеметрии, аккумуляторы и блоки электропитания, система терморегулирования, а также модули управления движением и ориентацией корабля.

Кроме того, в нем находятся инфракрасный и солнечный датчики ориентации, точки крепления солнечных батарей и линии коммуникаций для передачи электроэнергии, информации, газов и жидкостей через соединительную ферму в СА и БО для обеспечения работы и жизнедеятельности экипажа. Солнечные батареи сложены у корпуса корабля во время запуска и развертываются после выведения на орбиту; их размах при этом немногим больше 10,7 метра. Разные виды солнечных батарей использовались на различных моделях «Союза» на протяжении его истории. Ранние варианты корабля имели двухсекционные батареи общей площадью поверхности 14 м2, а построенные позже корабли получили другие, трехсекционные, солнечные батареи. Корабли «Союз ТМ» и «Союз ТМА» располагают четырехсекционными солнечными батареями.

Первоначально корабли семейства «Союз» были оснащены солнечными батареями, потом их убрали из конструкции корабля, который был приспособлен к выполнению узкой задачи космического «транспортника»: доставлять членов экипажа на станцию «Салют» и обратно на Землю. Этот вариант «Союза» под названием 7К-Т целиком полагался на запас электроэнергии в аккумуляторных батареях, которого хватало на полет длительностью трое суток: в течение этого времени можно было совершить двухсуточный полет до встречи и стыковки со станцией и дополнительные сутки провести на орбите в ожидании подходящего времени для начала посадки. Именно этот вариант «Союза» ввели в строй после того, как в 1971 году трое космонавтов погибли во время полета «Союза-11»: теперь в корабле находились двое членов экипажа, облаченных в полетные скафандры «Сокол».

На кораблях «Союз», обозначаемых как варианты Т, ТМ и ТМА, опять появились солнечные батареи. Установленные на «Союзе Т» новые солнечные батареи были меньше в размерах и более эффективны, чем те, которые использовались на «Союзах» первой серии для выполнения автономных полетов и рейсов к орбитальной станции «Салют-1». Появившийся позже «Союз ТМ» оснащался электрическими системами с тройным резервированием, которые обеспечивали улучшенное распределение энергии по различным системам космического аппарата. Кроме того, на нем появилось много запасных вариантов подключения источников и потребителей электричества, что значительно упростило эксплуатацию корабля и повысило потенциал его надежности — это касается наиболее поздних моделей «Союза», включая ТМА.

 

Покидающий МКС «Союз ТМА-19» демонстрирует свои солнечные батареи, которые были несколько раз перепроектированы заново и сейчас выглядят характерно плоскими, причем каждое «крыло» солнечной батареи состоит из четырех секций. Обратите внимание на уникальный российский стыковочный узел на передней стороне бытового отсека (NASA)

В оптимальных условиях солнечные батареи «Союза ТМА» производят постоянный ток разряда силой 85 А с напряжением 23–34 В. По истечении 180 дней, проведенных в космосе, запас заряда батарей составляет 100 ампер-часов. Во время первого витка вокруг Земли после стыковки с МКС космический корабль переводится в режим комбинированного энергоснабжения, при котором его электросистема соединяется с электросетью станции, и возвращается в автономный режим энергоснабжения лишь при подготовке к расстыковке и сведению с орбиты. В проект системы электропитания (СЭП) корабля заложен высокий уровень автономности, за варианты ее коммутации отвечает центральный процессор этой системы. Экипаж располагает вольтметрами и амперметрами, показывающими состояние различных электрических систем.

В нижнем сегменте цилиндрического ПАО находится негерметичная двигательная секция, которая заключает в себе топливные баки, реактивные двигатели управления ориентацией, сближающе-корректирующий двигатель (СКД) и радиаторы с площадью поверхности 8 м2, предназначенные для сброса избыточного тепла излучением в космическое пространство. Снаружи ПАО монтируются антенны радиосвязи и дополнительные датчики системы ориентации. Масса ПАО составляет приблизительно 2600 кг[8].

За годы существования этого корабля модификации сильно изменили его, и за счет усовершенствований и улучшений «Союз» постоянно эволюционирует. Большинство таких изменений относятся к внутреннему устройству: например, серьезно были улучшены электронные компоненты оборудования, датчики и другие необходимые для выполнения задач полетов системы. В целом «Союз ТМА» имеет длину 7,2 м и полную снаряженную массу на старте до 7200 кг, но точное значение массы зависит от задач конкретного полета.


[1] Ниже, если иное специально не оговаривается, автор приводит техническое описание, соответствующее транспортному пилотируемому кораблю «Союз ТМА», индекс ГУКОС 11Ф732, первый запуск которого с экипажем состоялся 30 октября 2002 года.

[2] От 1110 до 1450 кг в различных вариантах кораблей семейства «Союз».

[3] Авторская формулировка. Естественно, «Союз» может стыковаться к любому объекту на околоземной орбите, оснащенному совместимым стыковочным оборудованием.

[4] Автор здесь не упоминает о наличии третьего посадочного люка, несимметрично расположенного в нижней полусфере БО. Его диаметр составляет 66 сантиметров, и с его помощью космонавты попадают внутрь корабля, когда он в составе полезной нагрузки находится на ракете-носителе, установленной в стартовом сооружении. В головном обтекателе напротив этого люка имеется закрывающаяся дверца. Кроме того, именно через этот люк из транспортного корабля «Союз» может быть выполнен выход в открытый космос, при этом БО выполняет роль шлюзовой камеры. По этой причине находящееся в нем оборудование штатно рассчитано на разгерметизацию.

[5] От 2810 до 3000 кг в различных вариантах кораблей семейства «Союз».

[6] Восемь — в современных модификациях «Союза»; в ранних было шесть.

[7] И самое главное, в верхних слоях атмосферы на этапе торможения с максимальной перегрузкой. С их помощью поддерживается правильная ориентация СА в потоке для следования по управляемой траектории аэродинамического торможения.

[8] 2900 кг для «Союза ТМА», 2950 кг для «Союза ТМ».