Текст книги "Пилотируемый космический полет"

Сложившаяся ситуация заставила ученых и конструкторов пересмотреть дальнейшую программу пилотируемых космических полетов. Были пересмотрены и отработаны схема и методика предстоящих стыковок космических кораблей. Одновременно, было решено перед пилотируемым космическим полетом на стыковку осуществить две дополнительных автоматических стыковок.

По схеме, разработанной специалистами, активный управляемый корабль должен был совершать все маневры подхода и причаливания. Он же стартует первым.

После измерения орбитальных параметров, в момент прохода первого корабля над Байконуром, должен стартовать второй корабль, догоняя первый уже на первом витке. Момент сближения находился на внешней стороне орбиты, то есть вне видимости навигационных постов измерения, которые находились на территории СССР. Это было неудобно для всех. Зато уже в конце первого витка, когда корабли входили в зону видимости наших пунктов наблюдения, сразу становилось ясно – прошла стыковка или нет.

Первую стыковку осуществили беспилотные спутники Земли серии «Космос» под номерами 186 и 188. Они представляли собой точные копии кораблей «Союз» с системой автоматической стыковки 28 октября 1967 года. После трех часов нахождения в состыкованном положении и проверки всех систем корабли расстыковались, и возвратились на Землю.

Вторую автоматическую стыковку по такой же программе осуществили в апреле 1968 года корабли «Космос-212» и «Космос-213».

Четыре дополнительных полета космических кораблей с двумя стыковками было вполне достаточно для принятия решения на очередной космический полет. Программу полета на этот раз упростили. Космонавту Г. Береговому поставили лишь задачу состыковаться с беспилотным космическим кораблем.

Выбор космонавта был не случайным. После гибели В. Комарова требовалось преодолеть психологический барьер недоверия к технике, а для этого нужен был опытный летчик-испытатель. Более опытного испытателя, чем Г. Береговой в отряде не было. Участник Великой Отечественной войны, Герой Советского Союза, заслуженный летчик-испытатель. Он стартовал на космическом корабле «Союз-3» точно в момент прохождения над космодромом корабля «Союз-2», и догнал последний уже на первом витке. Расстояние между кораблями составляло всего несколько десятков метров.

Однако первые полеты космонавтов показали, что нельзя механически переносить законы работы автоматической аппаратуры на возможности и навыки человека. Оказалось, что опыт работы космонавтов по выполнению сложных психофизиологических и физических действий еще мал. Специалисты не обратили внимания на слова летавших космонавтов о том, что наиболее трудно работать именно в первые часы нахождения в невесомости. Именно в этот период у космонавтов теряется координация движений, существует даже какая-то заторможенность между желанием выполнить действие и самим действием. А счет во время сближения космических аппаратов идет на секунды и управляющие движения требуют ювелирной точности.

В результате Береговой не выполнил стыковку на первом витке из-за собственной ошибки, допущенной им в определении взаимного положения кораблей по крену так как:

– Отсутствовала адаптация к условиям невесомости в первые часы полета на участке причаливания и стыковки.

– Стыковка проводилась вне зоны видимости УКВ связи, что не позволило космонавту оперативно получить необходимые указания.

– Ручка управления оказалась скомпанованой неверно, что привело к случайному включению двигателей причаливания и ориентации, фиксации этой ручки в отклоненном положении. Это привело к перерасходу топлива и потере пассивного корабля в поле зрения активного.

– На тренажере стыковки во время подготовки не было возможности задавать рассогласование между осями кораблей более 30 градусов, а именно такие условия сложились на орбите из-за случайного включения двигателей. Космонавт не имел навыка работы в подобных условиях.

Таковы были выводы комиссии, а на деле это означало вот что.

В процессе сближения Береговой довел свой корабль до «Союза-2» на расстояние 40 метров, погасил скорость, и доложил при появлении связи, что стыковку выполнить не может, так как «Союз-2» развернут относительно «Союза-3» более допустимого и рассогласование увеличивается.

Анализ телеметрии на тот момент показал, что разворот объяснялся взаимным разворотом кораблей по крену. Соответствующими маневрами стыковку можно было бы осуществить, но космонавт по своей подготовке, без команд с Земли, такому маневру не был готов.

В режиме зависания, ожидая зону связи с Землей, и хорошо наблюдая «Союз-2», Береговой решил его сфотографировать. Во время извлечения фотоаппарата из места крепления и подготовке к съемкам, Береговой случайно отклонил ручку управления движением в одно из фиксированных положений. Он непроизвольно использовал ее как опору для удобства фотографирования. Включились двигатели. Но Береговой заметил это только через полторы минуты. Давление (количество топлива) в системе наддува двигателей упало до 110 атмосфер. Стыковка оказалась невозможной, и Береговой дал отбой программам стыковки.

Когда корабль вошел в зону радиосвязи, его решение подтвердили специалисты.

Учитывая уже вторую подряд неудачу в стыковке при пилотируемых полетах и положительный опыт автоматических стыковок, было решено вернуться к испытанному методу. Были предложены и существенные изменения. Космонавт, стартовавший первым, до стыковки получал возможность более суток спокойно адаптироваться к условиям невесомости и его корабль на конечном участке сближения и стыковки должен был выполнять роль активного.

Космонавт, стартовавший вторым, через сутки после первого, тоже получал несколько часов на адаптацию к невесомости. Затем его корабль должен был совершить все предварительные маневры для корректировки орбиты и выхода в точку встречи. Тем самым экономилось топливо для активного космического корабля на конечном участке стыковки. Да и космонавты получали моральное удовлетворение при такой программе работы – оба в полной мере работали на стыковку.

После завершения стыковки предстояло осуществить давно уже запланированный переход космонавтов из второго корабля в первый.

Эта программа и была успешно выполнена в январе 1969 года.

Первым на космическом корабле «Союз-4» стартовал В. Шаталов. Ровно через сутки на орбите появился космический корабль «Союз-5» с экипажем: Б. Волынов, Е. Хрунов, А. Елисеев.

Утром 16 января 1969 года оба экипажа после здорового крепкого сна приступили к выполнению операции по стыковке.

Первым заметил корабль товарища Б. Волынов. Затем В. Шаталов нашел на бескрайнем небе точку, которая увеличивалась в размерах и быстро приближалась.

По программе Шаталов должен был пропустить мимо себя корабль «Союз-5», и только после его удаления на 4–5 километров включить систему поиска и начать сближение уже своим кораблем. Это было связано с тем, что первая встреча планировалась вне видимости пунктов слежения, а специалистам хотелось наблюдать и контролировать весь процесс стыковки по телевидению.

При первом сближении корабли подошли друг к другу на расстояние 40–50 метров. Как потом признался Шаталов, ему очень хотелось именно сейчас провести стыковку. Ведь корабли находились в отличном положении друг относительно друга. А спустя некоторое время ситуация могла кардинально измениться. Но он не поддался соблазну, и выполнил программу.

После расхождения и включении системы поиска на первом корабле, корабли вновь стали сближаться. Корабль «Союз-5» теперь уже выполнял роль пассивного, а маневры вплоть до касания отдавались кораблю «Союз-4». С 200 метров Шаталов перешел на ручное управление.

С расстояния 00 метров управляющие движения Шаталова стали чрезвычайно осторожными. Ведь малейшая неточность могла грозить непоправимыми последствиями.

По показаниям приборов все шло вроде бы нормально. Лишь появились небольшие боковые скорости, которые не выходили за пределы допустимого.

Шаталов погасил взаимную скорость сближения на расстоянии 50 метров до нуля, то есть осуществил зависание и предложил Волынову самому погасить боковые скорости, что тот быстро и четко выполнил. Ориентация кораблей сохранялась.

Вновь Шаталов направил свой корабль вперед, стараясь сохранять скорость сближения в пределах 0,2–0,3 метра в секунду. Корабли уже вошли в зону радиовидимости наземных пунктов слежения, и Шаталов уверенно завершил стыковку.

Опыт, полученный космонавтами в процессе этого полета, явился той основой, которая помогла и помогает космонавтам выполнять все последующие стыковки. Однако нужно сказать, что сама схема стыковки менялась. Это было связано с тем, что все последующие стыковки планировалось осуществлять с орбитальной пилотируемой станцией «Салют» или «Мир», а они выводились на орбиту всегда раньше транспортных кораблей, которые были активной стороной.

Время стыковок переносилось на вторые сутки, затем вернулись к сроку – ровно через сутки после старта.

В дальнейшем, когда появилась необходимость стыковки с неуправляемой станцией, вновь вернулись к двухсуточной схеме. Но причины были чисто баллистическими. Одних суток было мало для выполнения всех навигационных измерений и выполнения требуемых маневров космического корабля.

Кроме того, двухсуточная схема позволяла более экономно расходовать топливо для маневров на орбите.

В том же 1969 году один за одним стартовали сразу три космических корабля. Должны были состояться стыковки, расстыковки и взаимные перелеты. Все пошло вопреки планам – ни одна стыковка не была выполнена.

Прошло еще полтора года. На орбиту была выведена орбитальная станция «Салют», а в апреле 1971 года к ней снова отправили В. Шаталова, А. Елисеева и Н. Рукавишникова.

Автоматика подвела корабль на 180 метров к станции, и Шаталов перешел на ручное управление. Вероятно считая, что при столкновении с большой массой станции корабль может отбросить как мячик, Шаталов несколько увеличил скорость сближения, чтобы захват был более надежным. Но это «немного» оказалось настолько большим, что при касании металлическая штанга в руку толщиной согнулась. Естественно, при стягивании корабля и станции штанга не втянулась в отверстие. Более того, она расклинилась. Как говорится: «И ни туда и ни сюда».

Соединение корабля и станции в рабочем варианте оказалось невозможным. Последовала команда на спуск. Но не тут то было. Станция крепко удерживала штангу в своем приемном устройстве.

Пять с половиной часов экипаж и ЦУП применяли различные динамические операции для освобождения. Ведь если бы этого не произошло, то через несколько суток система жизнеобеспечения корабля исчерпала бы свои возможности и тогда произошла бы трагедия. Но на этот раз обошлось. Штанга вышла из приемного устройства, и экипаж благополучно возвратился на Землю.

В дальнейшем неудачных стыковок было достаточно много и причины их были разные. В некоторых случаях космонавтам даже не присваивали звания Героев Советского Союза. Но нужно сказать, что не было ни одной стыковки, которая проходила бы без напряжения, даже если все шло штатно и благополучно. Во многом это зависит от личности самого космонавта. Романенко, например, очень доверял технике и всегда стыковался в автоматическом режиме. Кизим же, наоборот, доверял только себе. Когда общепринятой стала полностью автоматизированная стыковка, а ручное управление шло как аварийное, он всегда находил причину, и брал управление стыковкой на себя. Победителей, как известно, не судят. Стыковался он всегда успешно.

Тенденция передачи процесса стыковки полностью в ведение автоматики получила свое развитие при разработке нового корабля «Союз-Т». Он имел в своем составе бортовую вычислительную машину нового поколения, которая позволяла значительно изменить процесс управления и стыковки. Можно даже сказать, что теперь в штатном (основном) режиме стыковки космонавт уже вполне официально больше контролирует процесс стыковки, чем управляет этой системой сам. Хотя он и может в любую секунду, в случае возникновения аварийной ситуации, взять управление на себя.

В последнем случае вычислительной машине дается право «сообщать космонавту собственное мнение о процессе стыковки». Она информирует космонавта о состоянии систем и предлагает возможные решения по управлению процессом. Космонавт решает принимать ли данные рекомендации как руководство к действию или поступать по своему усмотрению в привычном ему алгоритме действий.

Такая ситуация практически сложилась уже в первом испытательном полете корабля «Союз-Т» с экипажем Ю. Малышев и В. Аксенов.

По программе испытательного полета экипаж должен был перейти на ручное управление стыковкой с расстояния 100 метров от станции. До этого момента управление должно было быть полностью автоматическим, а космонавтам вменялось в обязанность постоянно информировать Землю о процессе стыковки.

Однако за несколько сотен метров от станции Малышев обнаружил некоторое расхождение в данных параметров стыковки по дальности. Радиолокационный дальномер, сигналы которого были основными для бортовой ЭВМ, показывал одну величину, а расчеты командира на основе визуальных наблюдений с помощью оптического визира – иную.

Мнение командира совпало с мнением бортинженера и тогда они приняли решение взять управление процессом стыковки на себя. Решение оказалось верным. Через некоторое время и сама ЭВМ выдала информацию о том, что дальномер выдает параметры с ошибкой. Вот почему вопрос рационального соотношения техники и человека в системах управления космическими аппаратами был и пока остается очень сложным.

Если бы Малышев запоздал с принятием решения, то корабль мог далеко уйти от станции, и для нового подхода просто не хватило бы топлива.

Пожалуй, именно здесь стоит рассказать и о космонавте, 5 раз побывавшем в космосе, Владимире Джанибекове. В ЦПК его еще называют «Ас стыковки», «Космонавт для особых поручений». И тому есть основания. Все его полеты требовали собранности, мужества и величайшего мастерства.

Во время советско-французского полета в 1982 году в процессе сближения со станцией уже на расстоянии 2500–3000 метров у командира корабля появились сомнения в правильности работы автоматической системы стыковки. По инструкции Джанибеков должен был сообщить обстановку в ЦУП, дождаться разрешения, и перейти на ручное управление. На земле такая ситуация проигрывалась на тренировках и рядом всегда был инструктор. В данном случае корабль находился вне зоны связи.

По оценке Джанибекова, к тому времени когда должна была появиться связь, проанализирована ситуация и выданы были бы рекомендации, расхождение корабля и станции достигнут таких величин, что стыковка станет бесполезной. И он принял решение – немедленно идти на стыковку в ручном режиме.

Когда подошло время связи, он сразу доложил: «Стыковка с орбитальной станцией «Салют» завершена».

С такого расстояния ручная стыковка была выполнена впервые. Нужно понимать, что на орбите корабль не подходит к станции по прямой линии, как один автомобиль к другому на дороге. Импульс на разгон, который получает корабль, не означает только поступательное движение вперед. Одновременно поднимается и орбита корабля. Тормозящий импульс снижает орбиту. Космонавт должен так управлять кораблем, чтобы и приблизиться к станции и выйти на высоту ее орбиты. Так что кривая дальнего подлета получается очень сложной. Вот почему инструктор так характеризовал Джанибекова:

– Он представляет во время стыковки все обозримое и необозримое пространство, объемную картину происходящих процессов, а не только знает куда двинуть ручку – вниз, вверх, вправо или влево. Он МЫСЛИТ!

Как доказательство его виртуозности в управлении кораблем можно привести такой пример. Максимальная угловая скорость вращения по крену пассивного аппарата, при которой еще можно стыковаться, равна 0,5 градусов в минуту. Но из отряда космонавтов добиваются умения стыковаться при таких скоростях только некоторые. Джанибеков может стыковаться при угловых скоростях вращения по крену до 1 градуса в минуту.

Вот почему, когда на станции «Салют-7» произошла крупная авария, спасение поручили именно ему. Бортинженера он выбрал себе сам. Это был В. Савиных.

1985 год. Станция «Салют-7» прекратила передачу на Землю информации о состоянии бортовых систем, не подчинялась командам управления с Земли. Сориентировать станцию в нужное положение для стыковки с очередным кораблем не представлялось возможным. Предполагалось, что станция находится в состоянии беспорядочного вращения с неопределенными скоростями.

И с такой станцией необходимо было попытаться состыковаться, восстановить ее работоспособность, чтобы другие экипажи могли продолжить на ней работу в штатном режиме.

Баллистики, рассчитав все возможные ситуации, обещали вывести корабль в район, довольно близкий к станции. Затем, как дальнее, так и ближнее наведение, должны были осуществлять сами космонавты.

Задачу свою баллистики выполнили блестяще. После двухсуточного сближения, что тоже было новым в программе стыковок, космонавты увидели на экране станцию, а затем смогли увидеть ее и визуально. Дальше все зависело от космонавтов и реального положения станции.

Джанибеков вел корабль к станции осторожно, но уверенно. Савиных с помощью ручного лазерного дальномера через иллюминатор определял скорость и расстояние до станции. Джанибеков, прогнозируя взаимное движение и положение относительно друг друга корабля и станции, выдавал управляющие команды на работу двигателей. И снова шли замеры скорости и дальности. Снова ювелирные по точности и управляющему воздействию движения космонавта ручкой, и корабль медленно, но уверенно приближался к станции.

Несколько раз Джанибеков прекращал взаимное сближение, оценивая обстановку, и снова начинал сближение.

При подходе к станции выяснилось, что корабль подошел к станции со стороны агрегатного отсека, на который в будущем должны были стыковаться беспилотные корабли «Прогресс». Стыковаться с этой стороны было нежелательно. Да и обстановка складывалась неважная. Солнце било своими лучами прямо в глаза космонавтов, мешая четко и ясно ориентироваться в обстановке, искажая силуэты возможных ориентиров.

Джанибеков принял решение на облет станции. Он четко выполнил необходимый маневр и сходу, с первой попытки, состыковался со станцией со стороны переходного отсека. К счастью, угловые скорости вращения станции едва превышали 0,5 градусов в минуту.

Опыт Джанибекова и Савиных стал значительным вкладом в разработку методов стыковки космических аппаратов на орбите. Особенно в вопросах стыковки с неориентированными объектами. А ведь именно такими объектами могут быть корабли, экипажам которых необходима срочная помощь. Сами они не смогут помочь возможным спасателям, а операцию спасения осуществлять все же надо.

Двухсуточный цикл сближения показал, что является более экономичным, сберегая для возможных маневров драгоценное топливо. Сближение по этой методике происходит медленнее, но двигатель включается реже и на более короткое время. В дальнейшем такой метод стыковки стал уже обычным, и при стыковке с новой станцией «Мир» все экипажи подходили к ней по новой схеме.

Продолжая разговор о стыковке, следует сказать и о перестыковке. Эта задача возникла после того, как в космосе стала работать станция «Мир» с шестью стыковочными узлами. Корабли могли стыковаться к любым узлам, а вот беспилотные с запасом дополнительного топлива для станции, только со стороны агрегатного отсека. Только там имелась возможность перекачки топлива. Если по программе ожидался беспилотный корабль, а пилотируемый в это время находился на стыковочном узле агрегатного отсека, то пилотируемому кораблю необходимо было перелететь на другой узел.

Перестыковка не очень сложная операция с технической стороны, но довольно трудная, по мнению психологов, по части эмоционального напряжения.

Космонавты в период полета на станции неизбежно теряли навыки по стыковке. Особенно при длительных полетах. Не исключалось, что у некоторых космонавтов в моменты перелета могла возникнуть мысль о желанном возвращении на Землю по причине возможного отказа техники. Но таких случаев не было.

Заканчивая разговор о стыковке, следует сказать, что динамические операции сближения и причаливания завершаются взаимным касанием двух космических аппаратов стыковочными узлами с последующим стягиванием. Не будем рассматривать все многообразие требований к стыковочным механизмам. Рассмотрим лишь сам механизм, обеспечивающий надежный контакт и взаимный полет двух космических аппаратов.

После длительного анализа конструкторы выбрали схему стыковочного узла, состоящую из приемного пассивного конуса и активного жесткого штыря (штанги). При этой системе на активном космическом корабле, который совершает маневры для сближения со вторым кораблем, устанавливается штанга с утолщенной головкой и раскрывающимися лепестками на головке.

На пассивном корабле устанавливается приемный конус с приемным гнездом (отверстием) в усеченной его части.

Приемный конус устанавливается на корабле жестко, а штанга может выдвигаться и втягиваться в свой корабль.

При взаимном сближении кораблей, штанга активного корабля выдвигается и входит в приемный конус пассивного корабля. Она скользит своей оконечностью по стенкам конуса и в конечном итоге попадает головкой штанги в приемное гнездо.

Головка фиксируется в приемном гнезде, лепестки раскрываются «как ерш» и обратно штанга без специальной команды выйти не может.

Активный корабль начинает втягивать в себя штангу. Корабли сближаются, и происходит стыковка по периметру приемного кольца. Соединяются гидро и электро разъемы, обеспечивая совместную работу двух космических аппаратов.

После проверки герметичности образовавшегося стыка, приемный конус и штырь уходят внутрь своих кораблей. Образуется лаз, через который космонавты переходят из корабля в корабль или станцию.

Однако такая конструкция стыковочных узлов не позволяет оказывать помощь экипажам космических кораблей, имеющих одинаковые типы стыковочных узлов – пассивные или активные. Поэтому во время стыковки советского и американского космических кораблей в 1975 году были впервые использованы андрогинные периферийные стыковочные узлы.

Такой стыковочный узел, в зависимости от задачи, которая на него возлагается, может быть как активным, так и пассивным. Он имеет подвижное стыковочное кольцо с тремя выступающими лепестками, расположенными под углом 120 градусов друг к другу. В пассивном состоянии кольцо втянуто, в активном выдвинуто вперед на шести, шарнирно закрепленных, штангах. Они же являются и своеобразным демпфером взаимных колебаний кораблей после стыковки.

Активный корабль движется для стыковки так, чтобы лепестки его стыковочного устройства вошли в промежуток между лепестками пассивного стыковочного узла. Это как пальцы одной руки входят между пальцами другой, крепко сцепляясь. Лепестки имеют трапецевидную форму и при сближении гасят определенную неточность в ориентации кораблей по крену.

Имеющиеся неточности на момент касания в углах крена или курса гасятся кольцом при касании. Демпферы в точке касания сжимаются, подворачивая кольцо навстречу пассивному кольцу, и происходит быстрое совмещение одного кольца относительно другого. Допустимые углы рассогласования осей активного и пассивного кораблей при этом значительно больше, чем во время стыковки по узлам типа штырь-конус. После такого совмещения и касания пассивного и активного колец срабатывают замки и защелки, расположенные на кольцах, происходит взаимное выравнивание кораблей и гашение возникших колебаний. Активное кольцо притягивается к своему кораблю, совмещаются гидро и электро разъемы.

Собственно процесс стыковки отрабатывается экипажем на специализированном тренажере стыковки, на контрольных приборах которого воспроизводится точный процесс сближения, причаливания и механической стыковки двух аппаратов. Этот тренажер состоит из макета космического корабля, на пультах которого космонавты видят параметры стыковки по дальности и скорости сближения, а также космический аппарат, с которым предстоит стыковка.

Вся динамика процесса стыковки отрабатывается специальной программой в вычислительном комплексе. Управляет тренировкой инструктор. Он же дает оценку действиям экипажа.

Чтобы научиться действовать безошибочно в любых условиях и вариантах стыковки, экипаж повторяет этот процесс в продолжение подготовки к полету сотни раз. Те, кто решился стартовать в космос, понимают, что работать им придется, используя только свои теоретические знания и навыки, приобретенные во время занятий и тренировок на Земле.

Правда, по принятой сейчас методике, в каждый экипаж назначается один из космонавтов, ранее уже побывавший в космосе. Он выполняет и роль своеобразного инструктора. Важен именно опыт космического полета.

Опыт многих экипажей не пропадает зря. Орбитальная станция «Мир» завершила свой полет, но появилась новая международная космическая станция. С ней работают уже экипажи из представителей различных стран.