Місячний корабель

Зовнішній вигляд корабля формувався складно. У будь-якому питанні потрібна була творча знахідка, винахід, оригінальність рішення.

До того часу вже відпрацювали стикування космічних апаратів на орбіті Землі. Корабель мав зістикуватися на орбіті Місяця з орбітальним кораблем. Потрібний був новий стикувальний пристрій, бо існуючі, так звані «штир-конус», не вписувалися у схему через великі лінійні розміри і значну масу. При стикуванні на орбіті Місяця помилок могло бути більше, ніж на орбіті Землі. Все це призвело до висновку, що для Місячної експедиції потрібна була своя стикувальна система. Дефіцит маси позначався на всьому. В американців «Аполлон» і Місячний модуль могли незалежно один від одного здійснювати активне стикування, тобто виконувати динамічні операції по зближенню і причалюванню. Радянська схема передбачала, що Місячний корабель буде «пасивним», тобто МК підтримуватиме тільки положення своїх осей у просторі, а зближення і стикування здійснюватиме Місячний орбітальний корабель. Тому стикувальний агрегат на МК зробили «пасивним».

Пасивний стикувальний вузол Місячного корабля

Він мав сотенну конструкцією з поперечними лінійними розмірами, більшими ніж у агрегату стикувального пристрою «штир-конус» у кілька разів. Це істотно полегшувало стикування кораблів, адже кожна клітинка була мініатюрним «конусом». Визначили місце встановлення стикувального агрегату — на блоці двигунів керування.

Проектування будь-якого космічного апарата передбачає забезпечення його температурних умов. Для Місячного корабля справа ускладнювалася тим, що, крім тепловиділення апаратури, радіаційного нагріву від Сонця, необхідно було враховувати і зовнішні температурні умови Місяця. Відомо, що на Місяці в тіні температура поверхні досягає −200 ° С, а на освітленій частині доходить до +130 ° С. Це враховувалося при виборі місця посадки — поблизу кордону знаходження тіні. Радіатор системи терморегулювання розташували на кільці вздовж стикувального вузла. Його основною функцією було скидання надлишків тепла у космос завдяки підбору відповідних коефіцієнтів випромінювання забарвлення.

Істотний вплив на зовнішність корабля зробили вибір і розміщення елементів електроживлення. Вибір залежав від необхідної енергії і часу споживання. З урахуванням обмеженої (до двох діб) активної роботи корабля, обрали хімічні джерела струму — акумуляторні батареї. Їх слід було розташувати як на злітній, так і на посадковій частині. Для цього зробили спеціальний каркас. Повісили три батареї на каркас ЛПУ і дві зовні на приладовий відсік. Зовнішнє розташування дозволяло встановлювати їх в останній момент перед стартом, адже розробники гарантували працездатність акумуляторів без підзарядки близько трьох місяців.

Особливі проблеми при компонуванні виникли з розташуванням посадкового радіолокатора. Адже він мав «дивитися» вниз, і розміри його були значні. Довелося відійти від традиційних форм герметичного приладового відсіку, встановленого на ЛПЗ. Він перестав бути круглим, під ним і розташували локатор. Зв'язок МК з орбітальним кораблем і Землею забезпечували різні антени метрового і дециметрового діапазонів. Багато клопоту було з гостронаправленою параболічною антеною. Її слід було вкласти у транспортабельне положення, а після посадки — розкрити. Встановили спеціальні дециметрові антени-«морквини», антеною метрового діапазону була кільцева щілина між радіатором і стикувальним вузлом.

За допомогою кабель-щогли здійснювався електричний і гідравлічний зв'язок злітної і посадкової частин.

Компонування усього головного блоку на носії було таким, що Місячний корабель опинився під оболонками перехідного відсіку і головного обтічника у значному заглибленні. Головний обтічник скидався під час виведення ракети-носія на орбіту, після проходження щільних шарів атмосфери Землі. Щоб вивести з перехідного відсіку МК і не пошкодити зовнішні елементи знадобились спеціальні напрямні, що охоплювали корабель ззовні (їх називали «лижами» через зовнішню подібність). Ці «лижі» кріпилися на опорних ногах посадкового пристрою МК і спирались розпірним амортизованим підкосом у конусні воронки, встановлені у верхній частині кабіни. Після виведення корабля вони відстрілювались, а опорні ноги розкривались у робоче положення.

Оснащення кабіни відбувалось за щойно створюваними правилами космічної ергономіки. Зручність роботи була головною при обладнанні кабіни. Треба було встановити системи, з якими космонавтові належало працювати. Практично всі системи, крім автоматичного режиму, мали ручний. Управління усіма ручними операціями відбувалося з пульта космонавта. Його розробляли під керівництвом головного конструктора С. А. Бородіна. Розташувати пульт перед космонавтом як щиток управління в автомобілі було неможливо, оскільки весь вільний простір був зайнятий ілюмінатором. Довелося розмістити пульт праворуч від ілюмінатора, в зоні, де космонавт міг працювати з ним правою рукою. На пульті розташували навіть глобус Землі.

Проектування МК та інших радянських кораблів здійснювалось так, щоб виконання програми відбувалось практично без участі людини. Так проектувалися корабель Ю. О. Гагаріна «Восток», корабель «Союз». Який психологічний стан буде у космонавта? Особливо коли немає поруч партнера, здатного допомогти в будь-яку хвилину. Тому розробники Місячного корабля мали ще одне надзвичайно складне завдання: здійснити посадку на Місяць, зліт і стикування з орбітальним кораблем в автоматичному режимі. Придумали навіть особливі лебідки для затягування космонавта у кабіну у випадку втрати ним працездатності на Місяці. Контроль роботи систем корабля і самопочуття космонавта здійснювала телевізійна камера, що висіла над головою космонавта.

Перед виходом з кабіни слід було знизити тиск у ній, оскільки внутрішній тиск настільки сильно притискав вихідний люк, що космонавтові відкрити його не вистачило б сил. Спеціальною шлюзовою камерою, такою як на станції «Мир» і на кораблях «Спейс Шаттл», «Буран», був орбітальний відсік корабля Союз-7К-ЛОК. Встановили спеціальний клапан скидання тиску з кабіни, яким керували вручну. Час перебування на поверхні Місяця визначили у кілька годин, що дозволяло здійснити тільки один вихід космонавта на поверхню Місяця.

Незалежно від цього слід було створити спеціальну систему шлюзування, яка дозволяла б у аварійних ситуаціях наповнювати кабіну газовою сумішшю кілька разів. У місячній кабіні існувала загальна система терморегулювання корабля: газорідинний теплообмінник і вентилятор. Вони підтримували необхідний клімат усередині за сигналами відповідних датчиків.

До основної внутрішньокабінної системи входила також система забезпечення газового складу, призначена подавати свіже повітря і прибирати шкідливі домішки. Повітря з балонів високого тиску через редуктор, який знижував тиск до атмосферного, подавався в кабіну через відповідний клапан. Це можна було робити вручну або за командами з Землі. Для поглинання вуглекислого газу, який виділявся, використовувались спеціальні поглинальні патрони. При обмеженому часі перебування в кабіні їхня ефективність була цілком достатньою.

Зовнішній корпус кабіни використовувався для розміщення різних елементів корабля: антен, баків з киснем, агрегатів системи терморегулювання, двигунів орієнтації та інших елементів.

Відсік приладів розташовувався у місячному модулі.

ЛК та LM

До початку розробки місячного модуля прилади від виготівників надходили окремо. Обрана силова схема відсіку приладів і його обмежений обсяг вимагали моноблочної компоновки. Виготівники мали виконувати невластиві для них завдання: забезпечення теплового режиму усередині моноблоку, розробка силової рами, внутрішньоблокових з'єднань тощо. Конструктори були стійкими у своїх вимогах, і у відсіку приладів з'явились моноблок системи управління, моноблок радіотехнічних систем, моноблок системи управління бортовим комплексом і моноблок агрегатів автоматики системи енергопостачання та елементів системи терморегулювання (СТР). На вільних місцях, які залишились, на приладовій рамі розмістили окремі елементи автоматики і клапанів СТР, електронні блоки системи стикування і примісячнення, блоки управління навігаційними приладами. Це покращило масові характеристики та поліпшило ергономіку.

Для виключення нештатних ситуацій уся апаратура мала працювати у комфортних умовах — герметичних, із забезпеченням прийнятних температурних умов; і за аварійного режиму — у вакуумі. Перехід на аварійний режим вимагав термінового зльоту і стикування Місячного корабля з Місячним орбітальним кораблем.

Встановити геометрично неправильну та несиметричну кабіну екіпажу так, щоб її центр мас був точно на центральній осі або осі, крізь яку проходила тяга двигунів, було дуже важко. Зробили спеціальне балансувальне поле. Відносно ракетного блоку весь кабінний модуль міг зміщуватись до 30 мм у будь-який бік, що стало можливим завдяки використанню спеціальних циліндричних стаканів, які довелось вимушено додати до конструкції.

На верхніх кронштейнах, де кріпився блок двигунів, ці балансувальні поля повторили. При розробках з'являються різні моменти, які можуть зміщувати центр мас вже після виготовлення. Для виправлення центрування використали дві хімічні батареї системи електроживлення, розміщені ззовні на відсіку приладів. На рамі для їхнього кріплення зробили спеціальні додаткові місця установок, і після визначення фактичного центру мас можна було без особливих клопотів, переставляючи батареї, досягати потрібного центрування.

З іншого боку на циліндричній частині кабіни вплавили герметичну плату, крізь яку проходили комунікації до частини корабля, яка мала залишатись на Місяці. До неї приєднувалась «кабель-щогла», названа розробниками за аналогією зі стартовими пристроями. Перед злетом корабля вона відстрілювалась і відводилась поворотом від злітної частини.

У верхній частині перехідного відсіку ззовні встановлювались на спеціальній платі чутливі елементи системи управління — два датчики: сонячно-зірковий і зоряний. Їхня плата опиралась на випуклості циліндричної частини, на яких усередині відсіку кріпилась гіроплатформа. Це дозволяло знизити до мінімуму помилки інформації від взаємних похибок. Точність мала вимірюватись до секунди, інакше можна було не прилетіти в зону стикування з Місячним орбітальним кораблем.

МК стартує з Місяця

У Місячному кораблі ракетний блок був основним агрегатом. Його маса становила половину маси апарата, він розташовувався в центрі. Для центрування Місячного корабля довелося «сплющити» ракетний блок. Паливні баки набули незвичайної форми. Хоча об'єм кожного бака становив приблизно 1,2 м³, їхні форми значно відрізнялись. Бак окислювача у формі тору розташували знизу. Це було дуже корисно для центрування, адже питома вага окислювача була майже вдвічі більшою, ніж у пального. В середній порожнині розташували двигун, а зовнішня поверхня через опорний шпангоут спиралась на нижній пояс силового перехідника. До верхнього поясу перехідника кріпився бак пального, що складався зі сферичного сегмента і конічної оболонки, до якої кріпився двигун. У блоці застосовувалися відомі в ракетній техніці компоненти палива: Азотний тетраоксид та Несиметричний диметилгідразин. Ця пара мала перевагу порівняно з іншими — компоненти при з'єднанні самозаймались.

Робота над доескізним проектом ракетного блоку просувалась важко — «ракетники» прагнули зробити блок якомога легшим, а «корабельники» намагались полегшити весь апарат. Відхід від сферичних поверхонь для герметичних відсіків, якими були паливні баки, створював додаткові товщини і відповідно додаткові маси. Однак зменшення висоти блоку знижувало центр мас усього корабля, що впливало на загальні масові витрати. «Корабельники» очолили розробку ракетного блоку і стали його блок так, щоб він був органічною частиною корабля, щоб його силова схема була загальною силовою схемою усього корабля, а його нижні обводи не спричинили зайвих збурень при зльоті тощо.

Вимоги щодо надійності двигуна встановлюють найвищі, але досягти надійності, рівної одиниці, досі не вдалося нікому. Для Місячного корабля, що мав здійснити посадку при роботі двигуна, навіть мінімальний ризик вважався неприпустимим. Тому на блок встановили другий резервний двигун (РД-859), виконаний за спрощеною схемою.

Основний двигун догальмовував при посадці, горизонтальному маневруванні і злеті. Режими його роботи були найрізноманітніші. На ділянці гальмування і злету тяга була близькою до оптимальної і дорівнювала приблизно 2000 кгс (близько 20 кН), а на ділянці горизонтального маневрування, де потрібно було зрівноважити масу корабля, вона становила приблизно 850 кгс (8500 Н). Щоб маневрувати по висоті, тобто підняти або опустити апарат, діапазон регулювання тяги на цій ділянці був досить широкий. Тяга двигуна могла знижуватися до 540 кгс і збільшуватися приблизно до 1000 кгс. Основний двигун мав бути дворежимним. Ці режими назвали:

• ОР — основний режим,
• РГД — режим глибокого дроселювання.

Резервний двигун мав використовуватись для порятунку, тому він мав один режим тяги, рівний тязі основного двигуна на злеті. У випадку збоїв при роботі основного двигуна вмикався резервний, і корабель злітав за аварійною траєкторією.

За статистикою відмови в роботі двигуна найбільш вірогідні при запуску і при перехідних режимах роботи. Якби при відриві від поверхні вийшов з ладу двигун, корабель розбився б. Часу на перезапуск двигуна або вмикання резервного не вистачило би. Вирішили на Місяці запускати обидва двигуни і за результатами діагностики залишати увімкнутим надійніший двигун, причому перевагу за рівних умов надавати основному. Основний двигун розташовувався на поздовжній осі корабля, тому резервний двигун зробили двокамерним. У ті часи двигуни космічних апаратів за так званою замкнутою схемою виготовляли дуже рідко, тому при розробці не стали ризикувати, а застосували добре вивчену і простішу схему двигунів — «відкриту», при якій частина компонентів витрачалася на роботу турбонасосного агрегату, а потім їхні продукти викидалися через вихлопні сопла назовні, що частково знижувало енергетику двигуна. Щоб не отримувати непотрібні збурення, ці сопла встановили на зрізі основних камер згоряння симетрично до осі — утворився окремий рушійний агрегат.

Кожен двигун мав запускатися щонайменше двічі. Компоненти палива самозаймались, однак для «гарматного» запуску слід було примусово розкрутити турбонасосний агрегат. Це мали зробити спеціальні порохові акумулятори тиску. При «гарматному запуску» двигун виходить на режим за частки секунди, що було надзвичайно важливо для Місячного корабля.

У місячній кабіні перебував один космонавт. У центрі (відносно космонавта, який сидить у кабіні) був великий ілюмінатор для спостереження під час посадки. Вище нього був ілюмінатор для спостереження за стикуванням з місячним орбітальним кораблем. Найважливіші засоби управління апаратом знаходились праворуч, а менш важливі — ліворуч від космонавта.

МК мав бути пристосованим до безпілотного польоту: автоматично сідати на Місяць і автоматично стикуватись з орбітальним кораблем. Це було потрібно для випробувань апарату у безпілотному режимі і для здійснення можливих «рятувальних» операцій, якщо при пошкодженні блоку Е МК не міг злетіти з Місяця і космонавт залишався на поверхні. Це вимагало одночасного запуску до Місяця двох апаратів: робочого (пілотованого) і резервного. Автономність місячного корабля забезпечувалась телевізійними камерами, що дозволяло з Землі бачити все, що відбувається і дистанційно керувати космічним кораблем.

У задній частині місячної кабіни розміщувався дископодібний модуль з таким обладнанням:

• Система управління
• Радіотехнічні модулі
• Система управління електроживленням
• Система терморегуляції
• Апаратура для забезпечення стикування.

Спочатку у місячній кабіні передбачалося використовувати чистий кисень під тиском 0,4 атмосфери (парціальний тиск кисню). В американських космічних кораблях використовувалась киснева атмосфера, але це була занадто вогненебезпечне середовище, тому згодом частку кисню зменшили, додавши азоту і підвищивши тиск до 0,74 атмосфери. Маса запасів повітря збільшилась удвічі, але корабель ставав пожежобезпечнішим.

Посадкою місячної кабіни на останньому етапі управляв космонавт. На момент розробки посадкового апарата створення подібної системи гальмувала повна відсутність досвіду. Крім збереження центру мас слід було забезпечити повну працездатність навіть у випадку можливої розгерметизації кабіни. Хоча всі системи при розгерметизації мали залишитися цілими, скафандр був розрахований тільки на 10 годин, тобто в цьому випадку потрібно негайно повертатися на місячний орбітальний корабель. У зв'язку з цим довелося відмовитися від використання ножних педалей і використовувати для керування пальцеву ручку управління, яку можна би було використовувати при розгерметизації.

Довго пророблялися і варіанти розміщення приладових панелей та ілюмінаторів. З'ясували, що при посадці оптимальний кут огляду поверхні Місяця становить 7 градусів. Ілюмінатор для контролю за спуском мав координатну сітку для визначення і корекції місця торкання ґрунту. Доводилося створювати і скафандр, що дозволяв досить тривалий час працювати безпосередньо на Місяці. Він називався «Кречет» і став прообразом скафандрів «Орлан», які використовуються сьогодні російськими космонавтами для роботи у відкритому космосі. «Кречет», як і його сьогоднішній аналог «Орлан» був дуже складним пристроєм. Він не одягався на людину, людина заходила у скафандр — для цього в задній частині цього спорядження був люк. У кабіні була система спеціальних розтяжок і фіксаторів, необхідних для забезпечення непорушності людини під час маневрів, оскільки при маленькій масі місячного корабля зсув центру маси всього апарата через незграбний рух людини міг спричинити вельми великі неприємності.

космічний корабель-носій місячного корабля Союз-7К-ЛОК

Для випробування скафандра, і не тільки, збудували повномасштабний макет місячного корабля, на якому проводилися різні випробування і тренування екіпажу. Щоб імітувати місячну гравітацію, яка вшестеро менша від земної, збудували спеціальну похилу вежу. Людина ходила по її зовнішній стіні під кутом приблизно 30 градусів до вертикалі. При цьому земне тяжіння «тягнуло» донизу й забирало більшу частину маси (щоб не впасти, людина в «Кречет» перед цими операціями підвішувалася на тросі), а на упор ногами залишалася лише шоста частина маси, що й забезпечувало «місячні умови». Оскільки скафандр вийшов досить великим, довелося заново розробляти і люк. Розміщення приладів і агрегатів місячної кабіни також узгоджувалося з місцем розташування людини для збереження центру мас.

Для економії маси стикувальний вузол мав досить просту конструкцію порівняно з таким вузлом у «Союзів», що літають на навколоземній орбіті сьогодні. Це одночасно знижувало вартість апарата і підвищувало надійність. Оскільки космонавт переходив з місячного орбітального апарата в посадковий модуль і назад під час виходу у відкритий космос, не потребувалось жорсткого стикування для забезпечення герметичного перехідного тунелю між модулями. Розроблена для цього система «Контакт» забезпечувала просте зближення апаратів після старту місячного корабля з Місяця та їхнє механічне з'єднання.

Ця систему мали розробити і випробувати до 1968 року. Передбачалося запустити два «Союзи» у безпілотному режимі для відпрацювання стикування, після чого мав відбутись подібний політ двох пілотованих «Союзів». Спроби зістикуватись у безпілотному режимі закінчились невдало, а запуск одразу після цього корабля «Союз-1» з Володимиром Комаровим закінчився трагедією: він загинув при посадці на Землю. Замість чотирьох «Союзів» використали більше десяти апаратів, а радянська місячна програма затрималась (хоч і не тільки через це) на півтора року. «Контакт» був повністю готовий до роботи лише під час програми пілотованих орбітальних станцій «Салют», точніше — до жовтня 1971 року. Разом із системою орієнтації-стабілізації і паливом для неї місячна кабіна важила близько 1300 кг.

У місячному кораблі радянської програми Н1-Л3 були такі системи:

• Система автоматичного керування. Основи системи взяли з систем наведення у військових ракетних комплексах. Вона забезпечувала керування кораблем на усіх етапах польоту місячного модуля: зниження, посадки, зльоту і стикування. Усі необхідні для роботи обчислення забезпечувала бортова електронно-обчислювальна машина (БЦВМ), яка обробляла дані, отримані з вимірювальних датчиків, і віддавала команди рушійній установці. Основні дані про орієнтацію забезпечували гіроскопи і радар, який вимірював горизонтальну і вертикальну швидкості апарату. Космонавт міг коректувати команди бортового комп'ютера, а біля поверхні він бачив точку посадки апарата за допомогою особливих позначок на ілюмінаторі і міг змінити її — обрати нове місце посадки, розташоване не далі 100 метрів від старого місця. Усі обчислення відбувались трьома незалежними паралельними потоками для зменшення кількості можливих помилок.
• Радарна система для вимірювання швидкості апарату. Розташовувалась ззовні космічного корабля біля обладнання для виходу на місячну поверхню.
• Місячний посадковий пристрій.
• Стикувальна система «Контакт». Вона мала невелику масу і забезпечувала простий фізичний контакт і захоплення кораблів. «Контакт» міг працювати в ручному або автоматичному режимі.
• Система електророзподілу. Розташовувалась у нижньому відсіку приладів. Складалась з системи електричних кабелів і п'яти хімічних батарей: три в ЛПУ і дві у місячній кабіні. Ці електричні батареї мали відносно великий термін зберігання і могли застосовуватися за своїм прямим призначенням навіть після трьох місяців перебування у космічному просторі.
• Аналізатор інших бортових систем, що визначав їхню справність.
• Кабіна для космонавта.
• Бортовий комп'ютер. Використовувався у системі автоматичного керування. Швидкодія — 20 000 операцій за секунду. Забезпечував паралельне обчислення трьох незалежних потоків даних.
• Система розкриття антен.
• Самі антени: дві метрові параболічні антени для високошвидкісної передачі даних і трансляції телевізійного зображення і одна усебічна антена для зв'язку на низькій швидкості з Землею і місячним орбітальним кораблем.
• Телевізійні камери. Мали передавати кадри місячної поверхні при посадці безпілотного апарату та відеозображення космонавта, що виходить на місячну поверхню і працює на ній.
• Система передачі телеметричних даних про роботу всіх систем корабля.
• Скафандр «Кречет». Забезпечував вихід у відкритий космос і на поверхню. Автономність — 10 годин.
• Система підтримки атмосфери місячної кабіни.
• Система терморегуляції, яка забезпечувала нормальний температурний режим при температурі за межами місячного апарату від +130 °С до −200 °С.
• Наукове обладнання. Через обмеження маси МК його остаточно не обрали, головним «науковим експериментом» до 1969 року була установка радянського прапора на Місяці раніше, ніж американці встановлять свій.
• Система пожежогасіння.

Для коригувальних маневрів була окрема рушійна система. Як і в блоці Є, в ній використовувалися азотний тетраоксид і несиметричний диметилгідразин. Вона розміщувалася над місячною кабіною і могла забезпечувати горизонтальні і вертикальні корекції. Для підвищеної надійності місячний корабель мав дві незалежні системи орієнтації і міг працювати навіть якщо одна з них повністю виходила з ладу. Для їхньої роботи було 100 кг компонентів ракетного палива. Як і у випадку з основними паливними баками для збереження центру маси бак з окислювачем розміщувався всередині бака з паливом і мав особливу структуру.

Для подачі палива у паливні баки накачувався газ гелій під тиском 10 атмосфер, який витісняв рідину з бака. Двигун можна було включати багаторазово, тривалість мінімального імпульсу становила 9 мілісекунд, максимального — 10 секунд. Для сопел, розміщених під кутом 20 градусів до горизонталі, використали новий графіто-ніобієвий сплав.

На вершині усього корабля, крім системи орієнтації, знаходилися радіатори системи терморегулювання і захоплення стикувального вузла.