Совсем небольшой срок отделяет нас от 12
апреля 1961 г., когда легендарный "Восток" Юрия Гагарина штурмовал космос,
а там уже побывали десятки космических кораблей. Все они, уже летавшие
или только рождающиеся на листах ватмана, во многом похожи друг на друга.
Это позволяет нам говорить о космическом корабле вообще, как мы говорим
просто об автомобиле или самолете, не имея в виду определенную марку машины.
И автомобиль и самолет не могут обойтись
без двигателя, кабины водителя, приборов управления. Аналогичные части
есть и у космического корабля.
Посылая человека в космос, конструкторы
заботятся о его благополучном возвращении. Спуск корабля на Землю начинается
с уменьшения его скорости. Роль космического тормоза выполняет корректирующая
тормозная двигательная установка. Она же служит и для проведения маневров
на орбите. В приборном отсеке размещаются источники электроэнергии,
радиоаппаратура, приборы системы управления и другое оборудование. Путь
с орбиты на Землю космонавты проделывают в спускаемом аппарате, или,
как его иногда называют, отсеке экипажа.
Кроме "обязательных" частей у космических
кораблей появляются новые агрегаты и целые отсеки, растут их размеры и
массы. Так, у космического корабля "Союз" появилась вторая "комната" -
орбитальный отсек. Здесь космонавты во время многодневных полетов
отдыхают и ставят научные эксперименты. Для стыковки в космосе корабли
оборудуются специальными стыковочными узлами. Американский корабль
"Аполлон" несет лунный модуль -отсек для посадки космонавтов на
Луну и возвращения их обратно.
С устройством космического корабля мы познакомимся
на примере советского корабля "Союз", пришедшего на смену "Востоку" и "Восходу".
На "Союзах" были произведены маневрирование и ручная стыковка в космосе,
создана первая в мире экспериментальная космическая станция, осуществлен
переход двух космонавтов из корабля в корабль. На этих кораблях отрабатывалась
также система управляемого спуска с орбиты и многое другое.
В приборно-агрегатном отсеке "Союза"
размещаются корректирующая тормозная двигательная установка, состоящая
из двух двигателей (если один двигатель откажет, то включается второй),
и приборы, обеспечивающие полет по орбите. Снаружи отсека установлены панели
солнечных батарей, антенны и радиатор системы терморегулирования.
В спускаемом аппарате установлены кресла.
В них находятся космонавты при выводе корабля на орбиту, маневрировании
в космосе и при спуске на Землю. Перед космонавтами пульт управления космическим
кораблем. В спускаемом аппарате размещены и системы управления спуском,
и системы радиосвязи, жизнеобеспечения, парашютные и др. На корпусе отсека
установлены двигатели управления спуском и двигатели мягкой посадки.
Круглый люк ведет из спускаемого аппарата
в самый просторный отсек корабля - орбитальный. В нем оборудованы
рабочие места космонавтов и места для их отдыха. Здесь же обитатели корабля
занимаются спортивными упражнениями.
Теперь мы можем перейти к более подробному
рассказу о системах космического корабля.
Космическая электростанция На орбите "Союз" напоминает парящую птицу.
Это сходство придают ему "крылья" раскрытых панелей солнечных батарей.
Для работы приборов и устройств космического корабля нужна электрическая
энергия. Солнечная батарея подзаряжает установленные на. борту химические
аккумуляторы. Даже тогда, когда солнечная батарея находится в тени, приборы
и механизмы корабля не остаются без электроэнергии, они получают ее от
аккумуляторов.
В последнее время на некоторых космических
кораблях источниками электроэнергии служат топливные элементы. В этих необычных
гальванических элементах химическая энергия топлива без горения преобразуется
в электрическую (см. ст. "План ГОЭЛРО и будущее энергетики"). Топливо -
водород окисляется кислородом. Реакция рождает электрический ток и воду.
Потом эту воду можно использовать для питья. Наряду с высоким коэффициентом
полезного действия это - большое достоинство топливных элементов. Энергоемкость
топливных элементов в 4-5 раз выше, чем аккумуляторов. Однако топливные
элементы не лишены недостатков. Самый серьезный из них - большая масса.
Этот же недостаток пока еще препятствует
применению в космонавтике атомных батарей. Защита экипажа от радиоактивного
излучения этих энергетических установок будет слишком утяжелять корабль.
Система ориентации Отделившись от последней ступени ракеты-носителя,
стремительно несущийся по инерции корабль начинает медленно и беспорядочно
вращаться. Попробуйте в таком положении определить, где Земля и где "небо".
В кувыркающейся кабине космонавтам трудно определить местонахождение корабля,
нельзя вести наблюдения над небесными телами, невозможна в таком положении
и работа солнечной батареи. Поэтому корабль заставляют занимать в пространстве
определенное положение - его ориентируют.
При астрономических наблюдениях
ориентируются на некоторые яркие звезды, Солнце или Луну. Чтобы получить
ток от солнечной батареи, надо ее панели направить на Солнце. Сближение
двух кораблей требует их взаимной ориентации. Выполнение маневров также
можно начинать только в ориентированном положении.
На космическом корабле устанавливается
несколько небольших реактивных двигателей системы ориентации. Включая и
выключая их в определенном порядке, космонавты поворачивают корабль вокруг
любой из выбранных ими осей.
Вспомним простой школьный опыт с водяной
вертушкой. Реактивная сила струек воды, брызжущей из изогнутых в разные
стороны концов трубочки, подвешенной на нити, заставляет вертушку вращаться.
То же происходит и с космическим кораблем. Подвешен он идеально - корабль
невесом. Для поворота корабля относительно какой-нибудь оси достаточно
пары микродвигателей с противоположно направленными соплами.
Включенные в определенном сочетании, несколько
двигателей малой тяги могут не только как угодно поворачивать корабль,
но и придавать ему добавочное ускорение или перемещать в сторону от первоначальной
траектории. Вот что писали об управлении кораблем "Союз-9" летчики-космонавты
А. Г. Николаев и В. И. Севастьянов: "С помощью ручки управления, включая
ту или иную группу двигателей ориентации, можно было разворачивать корабль
в любом направлении, а пользуясь оптическими приборами, ориентировать корабль
относительно Земли с большой точностью. Еще более высокая точность (до
нескольких угловых минут) достигалась при ориентации корабля на звезды".
Космический корабль "Союз-4":
1 - орбитальный
отсек; 2 - спускаемый аппарат, в нем космонавты возвращаются на Землю;
3 - панель сол-
нечных батарей; 4 - приборно-агрегатный
отсек.
Однако "малой тяги" достаточно только для
выполнения небольших маневров. Значительные изменения траектории требуют
уже включения мощной корректирующей двигательной установки.
Маршруты "Союзов" пролегают в 200-300 км
от поверхности Земли. При длительном полете даже в той сильно разреженной
атмосфере, какая существует на таких высотах, корабль постепенно тормозится
о воздух и снижается. Если не принимать "никаких мер, "Союз" войдет в плотные
слои атмосферы значительно раньше заданного срока. Поэтому время от времени
корабль переводится на более высокую орбиту включением корректирующей тормозной
двигательной установки. Корректирующая установка работает не только при
переходе на более высокую орбиту. Двигатель включается во время сближения
кораблей при стыковке, а также при различных маневрах на орбите.
На космическом корабле "Союз" "шуба" из
экранно-вакуумной изоляции.
Ориентация - очень важная часть космического
полета. Но только сориентировать корабль недостаточно. Его еще нужно удержать
в этом положении -стабилизировать. В безопорном космическом пространстве
сделать это не так просто. Один из самых простых методов стабилизации -
стабилизация вращением. При этом используется свойство вращающихся
тел сохранять направление оси вращения и сопротивляться его изменению.
(Все вы видели детскую игрушку - волчок, упрямо не желающий упасть до полной
остановки.) Приборы, основанные на этом принципе,- гироскопы, широко
применяются в системах автоматического управления движением космических
аппаратов (см. статьи "Техника помогает водить самолеты" и "Автоматы помогают
судоводителям"). Вращающийся корабль подобен массивному гироскопу: ось
его вращения практически не меняет своего положения в пространстве. Если
солнечные лучи падают на панель солнечной батареи перпендикулярно ее поверхности,
батарея вырабатывает электрический ток наибольшей силы. Поэтому во время
подзарядки аккумуляторов солнечная батарея должна "смотреть" прямо на Солнце.
Для этого на корабле проводится закрутка. Вначале космонавт, поворачивая
корабль, ищет Солнце. Появление светила в центре шкалы специального прибора
означает, что корабль сориентирован правильно. Теперь включаются микродвигатели,
и корабль закручивается вокруг оси корабль - Солнце. Изменяя наклон оси
вращения корабля, космонавты могут менять освещенность батареи и таким
образом регулировать силу получаемого от нее тока. Управление космическим
кораблем Стабилизация вращением не единственный способ сохранить положение
корабля в пространстве. Выполняя другие операции и маневры, корабль стабилизируется
тягой двигателей системы ориентации. Делается это следующим образом. Вначале
космонавты, включая соответствующие микродвигатели, разворачивают корабль
в нужное положение. По окончании ориентации начинают вращаться гироскопы
системы
управления. Они "запоминают" положение корабля. Пока космический аппарат
остается в заданном положении, гироскопы "молчат", т. е. не выдают сигналов
двигателям ориентации. Однако при каждом повороте корабля его корпус смещается
относительно осей вращения гироскопов. При этом гироскопы подают необходимые
команды двигателям. Микродвигатели включаются и своей тягой возвращают
корабль в исходное положение.
Однако прежде чем "повернуть руль", космонавт
должен точно представить себе, где находится сейчас его корабль. Водитель
наземного транспорта ориентируется по различным неподвижным предметам.
В космическом пространстве космонавты ориентируются по ближайшим небесным
телам и далеким звездам.
Штурман "Союза" все время видит перед собой
на пульте управления космического корабля "Землю" -навигационный глобус.
Эта "Земля" никогда не бывает укрыта облачным покрывалом, как настоящая
планета. Это не просто объемное изображение земного шара. В полете два
электродвигателя вращают глобус одновременно вокруг двух осей. Одна из
них параллельна оси вращения Земли, а другая перпендикулярна плоскости
орбиты космического корабля. Первое движение моделирует суточное вращение
Земли, а второе - полет корабля. На неподвижном стекле, под которым установлен
глобус, нанесен небольшой крестик. Это наш "космический корабль". В любое
время космонавт, посмотрев на поверхность глобуса под перекрестием, видит,
над каким районом Земли он сейчас находится.
На вопрос "Где я?" звездоплавателям, как
и морякам, помогает ответить давно известный навигационный прибор -
секстант.
Космический секстант несколько отличается от морского: им можно пользоваться
в кабине корабля, не выходя на его "палубу".
Настоящую Землю космонавты видят в иллюминатор
и через оптический визир. Этот прибор, установленный на одном из
иллюминаторов, помогает определить угловое положение корабля относительно
Земли. С его же помощью экипаж "Союза-9" производил ориентацию по звездам.
Не жарко и не холодно Обращаясь вокруг Земли, корабль погружается
то в ослепительные раскаленные лучи Солнца, то в темноту морозной космической
ночи. А космонавты работают в легких спортивных костюмах, не испытывая
ни жары и ни холода, потому что в кабине постоянно поддерживается привычная
человеку комнатная температура. Отлично чувствуют себя в этих условиях
и приборы корабля - ведь человек создавал их для работы в нормальных земных
условиях.
Космический корабль нагревают не только
прямые солнечные лучи. Около половины всего солнечного тепла, падающего
на Землю, отражается ею обратно в космос. Эти отраженные лучи дополнительно
подогревают корабль. На температуру отсеков влияют и работающие внутри
корабля приборы и агрегаты. Ббльшую часть потребляемой ими энергии они
не используют по прямому назначению, а выделяют в виде тепла. Если не отводить
это тепло от корабля, то жара в герметичных отсеках скоро станет нестерпимой.
Защита космического корабля от внешних
тепловых потоков, сброс избыточного тепла в космос -вот основные задачи
системы терморегулирования.
Перед полетом корабль одевают в шубу экранно-вакуумной
изоляции. Такая изоляция состоит из многих чередующихся слоев тонкой
металлизированной пленки - экранов, между которыми в полете образуется
вакуум. Это надежная преграда на пути жарких солнечных лучей. В промежутках
между экранами проложены слои стеклоткани или других пористых материалов.
На все части корабля, которые по тем или
иным причинам не укрываются экранно-вакуумным одеялом, наносятся покрытия,
способные большую часть лучистой энергии отражать обратно в космос. Например,
поверхности, покрытые окисью магния, поглощают всего лишь четвертую часть
падающего на них тепла.
И все-таки, используя только такие пассивные
средства защиты, невозможно уберечь корабль от перегрева. Поэтому на
пилотируемых космических аппаратах применяются более действенные
активные
средства терморегулирования.
На внутренних стенках герметичных отсеков
путаница металлических трубок. В них циркулирует специальная жидкость -
теплоноситель. Снаружи корабля устанавливается радиатор-холодильник,
поверхность которого не закрыта экранно-вакуумной изоляцией. С ним
соединяются трубки активной системы терморегулирования. Нагретая внутри
отсека жидкость-теплоноситель перекачивается в радиатор, который "выбрасывает",
излучает ненужное тепло в космическое пространство. Затем охлажденная жидкость
вновь возвращается в корабль, чтобы начать все сначала.
Теплый воздух легче холодного. Нагреваясь,
он поднимается вверх; вытесняя вниз холодные, более тяжелые слои. Происходит
естественное перемешивание воздуха - конвекция. Благодаря этому
явлению термометр в вашей квартире, в какой бы угол вы его ни поставили,
покажет почти одну и ту же температуру.
В невесомости такое перемешивание невозможно.
Поэтому для равномерного распределения тепла по всему объему кабины космического
корабля в ней приходится устраивать принудительную конвекцию с помощью
обыкновенных вентиляторов.
В космосе как на Земле На Земле мы не думаем о воздухе. Мы им
просто дышим. В космосе дыхание становится проблемой. Вокруг корабля космический
вакуум, пустота. Чтобы дышать, космонавты должны брать с собой запасы воздуха
с Земли.
Человек в сутки потребляет около 800 л
кислорода. Хранить его на корабле можно в баллонах либо в газообразном
состоянии под большим давлением, либо в жидком виде. Однако 1 кг такой
жидкости "тащит" за собой в космос 2 кг металла, из которого изготовлены
кислородные баллоны, а сжатый газ и того больше - до 4 кг на 1 кг кислорода.
Но можно обойтись и без баллонов. В этом
случае на борт космического корабля загружают не чистый кислород, а химические
вещества, содержащие его в связанном виде. Много кислорода в окислах и
солях некоторых щелочных металлов, в известной всем перекиси водорода.
Причем у окислов есть еще одно очень существенное достоинство: одновременно
с выделением кислорода они очищают атмосферу кабины, поглощая вредные для
человека газы.
Организм человека беспрерывно потребляет
кислород, вырабатывая при этом углекислый газ, окись углерода, водяной
пар и много других веществ. Накопившись в замкнутом объеме отсеков корабля,
окись углерода и углекислый газ могут вызвать отравление космонавтов. Воздух
кабины постоянно пропускается через сосуды с окислами щелочных металлов.
При этом происходит химическая реакция: выделяется кислород, а вредные
примеси поглощаются. Например, 1 кг надперекиси лития содержит 610 г кислорода
и может поглотить 560 г углекислого газа. Для очистки воздуха герметичных
кабин применяют также испытанный еще в первых противогазах активированный
уголь.
Кроме кислорода космонавты берут в полет
запасы воды и пищи. Обычная водопроводная вода хранится в прочных емкостях
из полиэтиленовой пленки. Чтобы вода не портилась и не теряла вкуса, в
нее добавляют небольшое количество специальных веществ - так называемых
консервантов. Так, 1 мг ионного серебра, растворенного в 10 л воды, сохраняет
ее пригодной для питья в течение полугода.
От бачка с водой отходит трубка. Она оканчивается
мундштуком с запирающим устройством. Космонавт берет мундштук в рот, нажимает
на кнопку запирающего устройства и всасывает воду. Только так можно пить
в космосе. В невесомости вода выскальзывает из открытых сосудов и, распадаясь
на мелкие шарики, плавает по кабине.
Вместо пастообразных пюре, которые брали
с собой первые космонавты, экипаж "Союза" питается обычной "земной" пищей.
Корабль имеет даже миниатюрную кухню, где разогревают готовый обед.
На предстартовых фотографиях Юрий Гагарин,
Герман Титов и другие первооткрыватели космоса одеты в скафандры,
улыбающиеся
лица смотрят на нас сквозь стекла гермошлемов. И сейчас человек
не может выйти в открытый космос или на поверхность другой планеты без
скафандра. Поэтому системы скафандров все время совершенствуются.
Скафандр часто сравнивают с уменьшенной
до размеров тела человека герметичной кабиной. И это справедливо. Скафандр
не один костюм, а несколько, надеваемых друг на друга. Верхняя теплостойкая
одежда окрашена в белый цвет, хорошо отражающий тепловые лучи. Под верхней
одеждой - костюм из экранно-вакуумной теплоизоляции, а под ним -многослойная
оболочка. Это обеспечивает скафандру полную герметичность.
Кто хоть раз надевал резиновые перчатки
или сапоги, знает, как неудобен костюм, не пропускающий воздуха. Но космонавты
не испытывают таких неудобств. От них избавляет человека система вентиляции
скафандра. Перчатки, ботинки, шлем завершают "наряд" космонавта, выходящего
в открытый космос. Иллюминатор шлема снабжен светофильтром, защищающим
глаза от ослепляющих солнечных лучей.
На спине у космонавта ранец. В нем запас
кислорода на несколько часов и система очистки воздуха. Ранец соединен
со скафандром гибкими шлангами. Провода связи и страховочный канат - фал
соединяют космонавта с кораблем. "Плавать" в космосе космонавту помогает
небольшой реактивный двигатель. Таким газовым двигателем в виде пистолета
пользовались американские космонавты.
Корабль продолжает полет. Но космонавты
не чувствуют одиночества. Сотни невидимых нитей связывают их с родной Землей.
