Пилотируемый корабль «союз мс». досье

Транспортный модифицированный антропометрический

Если основной вариант (скользящий спуск) почему-либо оказывается непригодным, автоматика может задействовать запасной – баллистический спуск. Как пояснял в январе 2008 года главный баллистик ЦУПа Николай Иванов, возникающие при этом перегрузки кратковременны и не угрожают жизни и здоровью космонавтов. «Если бы мы ему разрешили падать как камню, то перегрузка бы достигла предела, несовместимого с человеческой жизнью. Поэтому спускаемый аппарат мы постоянно подкручивали вокруг своей оси, один оборот он осуществлял примерно за полминуты, что способствовало (переводу) действительно опасной для жизни перегрузки «ноги — голова» в более чем приемлемую перегрузку «грудь — спина» за счет центробежной силы», – описал Иванов спуск СА «Союз ТМА-10».

После приземления СА «Союза ТМА-10» по баллистическому спуску комиссия по расследованию причин нештатной ситуации (sic!) установила, что причиной баллистического спуска стало повреждение кабеля, соединявшего пульт управления спуском с аппаратурой «Союза». Виталий Лопота сказал, что РКК «Энергия» постарается избежать повторения такой ситуации.

Тем не менее ситуация повторилась. Никто, к счастью, не пострадал, отклонение от заданного места посадки не вызвало существенных проблем. Причины происшедшего выясняются экспертами при участии экипажа.

«Вероятнее всего, это какой-то сбой в программном обеспечении, либо какой-то недосмотр в работе группы инженерно-технического обеспечения», – цитирует «Интерфакс» члена-корреспондента Российской академии космонавтики имени Циолковского Юрия Караша. «Трудно предположить, что два совершенно разных экипажа могут совершить одинаковые ошибки, которые привели бы к баллистическому спуску, тем более что после предыдущего случая экипажам были выданы соответствующие инструкции», – сказал Караш.

На данный момент к МКС пристыкован «Союз ТМА-12». 17-я экспедиция должна вернуться на нем на Землю 23 октября 2008 года.

Александр Бердичевский

Удар по репутации

Разумеется, авария повлияет на дальнейшие планы по развитию отечественной и мировой космонавтики. Сейчас на орбите находится экипаж «Союза МС-09» в составе Сергея Прокопьева, Александра Герста и Серины Марии Ауньён-Ченселор. Руководитель миссии МКС в NASA Кенни Тодд заявил, что космонавтам придётся остаться там до января 2019 года, хотя ранее предполагалось, что они вернутся домой в декабре 2018-го. Если к тому времени пилотируемые запуски не возобновятся, МКС какое-то время будет летать в беспилотном режиме.

Вероятно, на полгода будет перенесен запуск лабораторного модуля «Наука» (МЛМ-У), ведь именно экипаж «Союза МС-10» должен был начать подготовку к его приёму. А это неизбежно скажется на программе исследований.

Глава Роскосмоса с космонавтами

Хотя система аварийного спасения продемонстрировала, что «Союзы» остаются самыми надёжными космическими кораблями и обеспечивают безопасность экипажа даже на самых опасных участках траектории, по репутации отечественной космонавтики нанесён болезненный удар. Конечно, NASA не откажется от сотрудничества с Россией по МКС и другим проектам, однако его руководство, пользуясь случаем, наверняка увеличит финансирование строительства новых пилотируемых кораблей Orion, Starliner и Dragon V2, что позволит им полететь в космос в следующем году. После этого Роскосмос утратит монополию на доставки экипажей на МКС.

Хочется надеяться, что авария станет уроком для руководства Роскосмоса и заставит пересмотреть отношение к накопившимся проблемам отрасли. Наша страна должна оставаться лидером в пилотируемой космонавтике.

Такое бывало и раньше

В отечественной космонавтике уже случались похожие инциденты.

5 апреля 1975 года корабль «Союз-18» с Василием Лазаревым и Олегом Макаровым на борту не смог добраться до орбиты из-за того, что третья ступень ракеты не отделилась от второй. В результате на 261-й секунде полёта САС «отстрелила» корабль, при этом космонавты испытали перегрузку в 20 g (норма составляет до 8 g). Спускаемый аппарат приземлился на заснеженном склоне горы Теремок-3, к юго-западу от города Горно-Алтайска. Экипаж удалось эвакуировать только через сутки.

26 сентября 1983 года при запуске «Союза Т-10» с Владимиром Титовым и Геннадием Стрекаловым начался пожар на ракете-носителе. По команде из бункера управления была задействована САС, которая фактически сорвала корабль с вершины ракеты, уведя его вверх и в сторону от гибнущей ракеты; космонавтам пришлось пережить перегрузку в 10 g. Спускаемый аппарат приземлился в 3,7 км от стартового комплекса 1-й площадки, который сильно пострадал — на его восстановление потребовалось полтора года.

Эмблема полёта

В основе эмблемы полёта «Союз ТМА-16» лежит работа Н. Местяшовой. Три большие звезды над изображением космонавта символизируют трёх членов экипажа. В верхней части эмблемы изображены флаги родных стран членов экипажа — российский, американский и канадский. Круглые фигуры в левом верхнем углу — простые элементы, из которых состоит Вселенная. «Колыбель жизни», с которой начинается полет к звездам экипажа, символизирует зеленый росток. Он постепенно превращается в ракету и космический корабль, летящий к золотой девятиконечной звезде — МКС. Именно девять космонавтов и астронавтов будет на станции, когда к ней пристыкуется «Союз ТМА-16».

Основные доработки корабля «Союз МС»

Модернизация систем и конструкции кораблей «Союз ТМА-М» проводилась с целью улучшения их технико-эксплуатационных характеристик путем замены устаревших бортовых систем, что в конечном итоге повысило отказоустойчивость, надежность и безопасность.

Модернизация систем и конструкции, внедренная в настоящее время на ТПК «Союз МС», началась еще на кораблях «Союз ТМА-М», при этом начиная с корабля:

• «Союз ТМА-03М» установлен дополнительный пятый блок аккумуляторной батареи, увеличена площадь фотоэлектронных преобразователей (ФЭП), использованы ФЭП с повышенным КПД, внедрена модернизированная система записи информации СЗИ-М;
• «Союз ТМА-04М» установлена дополнительная противометеороидная защита на бытовой отсек; заменен светильник СМИ-4 на светодиодную фару (СФОК), заменена система связи и пеленгации «Рассвет-М» на модернизированную систему «Рассвет-3БМ», позволяющую обеспечить определение координат места посадки СА со встроенного приемника глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS и передачу их в поисково-спасательную команду (ПСК) и ЦУП при помощи спутниковой системы «Коспас-Сарсат»;
• «Союз ТМА-08М» введены в состав стыковочного агрегата дублирующие двигатели электроприводов стыковочного механизма и механизма герметизации стыка.

Корабль новой модификации «Союз МС» создан в результате глубокой модернизации корабля «Союз ТМА-М». Помимо перечисленных выше изменений на корабле «Союз МС» внедрены:

• единая командно-телеметрическая система вместо бортовой командной радиотехнической системы «Квант-В» . Новая командная радиолиния обеспечивает прием сигналов через спутники-ретрансляторы «Луч-5», благодаря чему значительно увеличиваются зоны радиовидимости кораблей – до 70% от длительности витка;
• аппаратура спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS в состав СУДН и исключена аппаратуры радиоконтроля орбиты;
• современная бортовая радиотехническая система сближения и стыковки «Курс-НА». По сравнению с более ранней версией «Курс-А» она обладает улучшенными массогабаритными характеристиками и позволяет исключить из состава оборудования корабля один тип радиоантенн;
• цифровой передатчик видеосигнала в телевизионную систему «Клест-М» что позволяет обеспечивать обмен цифровой информацией между кораблем и станцией по радиолинии;
• внедрена новая схема размещения двигателей причаливания и ориентации (при этом обеспечивается выполнение программы полета при отказе одного из двигателей ДПО или одного топливного коллектора);
• в состав бортовой аппаратуры взамен снимаемого с производства оборудования также вошел новый цифровой блок управления резервным контуром разработки РКК «Энергия», модернизированный блок датчиков угловых скоростей БДУС-3А;
• благодаря применению новых наземных и бортовых радиотехнических систем стало возможным использование современных протоколов передачи информации, в результате чего улучшилась стабильность работы системы управления корабля.

Характеристики

Внешняя конфигурация «Союза МС» полностью соответствует кораблям двух предыдущих серий. Он состоит из трех отсеков: приборно-агрегатного, бытового и спускаемого аппарата. Длина — 6,98 м, максимальный диаметр — 2,72 м, диаметр жилых отсеков — 2,2 м.

Стартовая масса корабля — 7,22 т, масса спускаемого аппарата — около 2,9 т, масса полезного груза — до 100 кг (при экипаже из трех человек). «Союз МС» рассчитан на экипаж до трех человек (при росте космонавта 150-190 см и весе 50-95 кг). Полетный ресурс — 200 суток.

Стыковка с МКС может осуществляться как в автоматическом, так и в ручном режиме управления (командиром корабля).

Стая «синих птиц»

Да, в каких-то ситуациях космонавтов эвакуируют, поднимая на специальном подъемнике прямо на борт вертолета, но вообще-то это не совсем обычная процедура. Имеется в виду, что к моменту, когда экипаж покинет капсулу, к месту посадки прибывает наземная группа, состоящая из машин ПЭМ-1 и ПЭМ-2 («ПЭМ» — поисково-эвакуационная машина), которые входят в поисково-спасательный комплекс «Синяя птица». Цвет ПЭМов действительно синий, но на этом сходство с птицей из сказки Метерлинка заканчивается. Спасательные машины — это трехосные колесные вездеходы на общей базе ЗиЛ-4960. ПЭМ-2 кроме водительской кабины размещает на себе грузовую платформу с краном. Таких машин две, и одна из них зарезервирована под эвакуацию капсулы. Капсулы «Союза» хоть и не многоразовые, но разбрасываться ими в степи неэкологично, а кроме того, они могут представлять опасность для человека — из-за гамма-излучения высотомера и из-за пиропатронов, часть которых могут оказаться после посадки неразорвавшимися. Вторая точно такая же грузовая машина везет на себе ПЭМ-1М (ЗиЛ-29061). А это уже и вовсе шнекоход (шнекороторный вездеход), который при необходимости будет спущен краном с платформы и отправится на спасение космонавтов через болота и глубокий снег на двух своих архимедовых винтах.

Самая необычная машина комплекса «Синяя птица» — плавающий шнекороторный вездеход. В момент учений на поле не было ни водных преград, ни болот, ни глубокого снега, поэтому работы вездеходу не нашлось.

На ПЭМ-1 вместо грузовой платформы смонтирован пассажирский салон, предназначенный как раз для эвакуации космонавтов с места посадки. Вход в салон осуществляется через двустворчатые двери с задней стороны, но, если кого-то из членов экипажа придется после покидания капсулы нести на носилках, в одной из створок сделан специальный люк, сквозь который носилки можно закатить внутрь. Обычно космонавтов довозят на ПЭМ-1 до специально устроенной палатки, где члены экипажа переодеваются и готовятся к перемещению на аэродром, после чего их берет на борт вертолет.

Машины комплекса «Синяя птица» смотрятся внушительно: 9,25 м в длину и почти 3 в высоту, но масса вездехода всего 8,4 т. Такого сравнительно малого веса удалось достичь благодаря использованию алюминиевой рамы и стеклопластикового корпуса. В отличие от армейских броневиков с их 500-сильными силовыми установками, «Синюю птицу» тянет вперед бензиновый двигатель мощностью 136 л.с. В машине применены торсионная подвеска, 10-ступенчатая трансмиссия и полный привод на все три оси. Передняя и задняя оси при этом участвуют в рулении. Боковых дверей в водительскую кабину нет — забираться внутрь приходится как в бронетехнику — через люк в крыше. Ну а с точки зрения управления это обычный крупногабаритный автомобиль.

На снимке ПЭМ-2 эвакуирует капсулу с места посадки. Это необходимый этап операции спасения, так как капсула может представлять опасность для тех, кто к ней случайно приблизится. Хорошо видны оранжевые стрелы кранов, с помощью которых машина поднимает на платформу спускаемый аппарат.

Задачи

«Скиапарелли» создан ЕКА для испытания технологии посадки на поверхность Марса: отработки входа в атмосферу, контролируемого спуска и мягкой посадки. Кроме того, «Скиапарелли» ставилась задача провести первые измерения электрических полей и замеры концентрации атмосферной пыли. Эти данные могли бы обеспечить новое понимание роли электрических сил в подъёме пыли над поверхностью, который, возможно, является первопричиной возникновения пылевых бурь.

Изначально планировалась установка 11 дополнительных научных приборов под общим названием «полезная нагрузка Гумбольдта» для проведения геофизических исследований (в частности, для изучения внутреннего строения Марса), но в начале 2009 года этот проект отменили из-за недостаточного финансирования.

Создание спускаемого аппарата в рамках программы «Экзомарс» предоставляет полезный опыт для промышленности Европейского Союза и позволяет провести эксперименты над новыми технологиями, которые будут задействованы в последующих научных программах освоения Марса.

Система, которая спасла космонавтов

Трижды система аварийного спасения выручала космонавтов, доказав свою высокую надёжность. Её разработка началась в бюро Сергея Королёва ещё в 1963 году. Проектом занимались отделы № 3 и № 11 ОКБ-1 под руководством Константина Бушуева и Сергея Крюкова. Поскольку спускаемый аппарат корабля «Союз» находится не сверху корабля, а под бытовым отсеком, который отбрасывается перед нормальным возвращением на Землю, нужно было отделить весь головной блок.

Схема САС «Союза»

САС представляет собой стартующий с аварийной ракеты аппарат, который состоит из уводимой части корабля (спускаемый аппарат и бытовой отсек), головного обтекателя и порохового двигателя увода. Пороховая двигательная установка с верхним блоком сопел устанавливается на головной обтекатель. Корабль соединяется с головным обтекателем тремя опорами, которые упираются в нижний шпангоут бытового отсека. На этом шпангоуте и висит спускаемый аппарат. Кроме того, для сохранения устойчивости в полёте на обтекателе установлены четыре решетчатых стабилизатора.

Схема срабатывания САС «Союза» довольно оригинальна. Она вводится в дежурный режим за пятнадцать минут до старта и отвечает за спасение корабля и экипажа первые две минуты полёта — до отделения боковых блоков и сброса головного обтекателя. Если в течение этих минут происходит авария, САС выключает двигатели ракеты-носителя, разделяет космический корабль и фиксирует опоры, которые удерживают спасаемые части корабля внутри головного обтекателя.

Далее разделяется поперечный стык в средней части обтекателя и раскрываются решетчатые стабилизаторы. Одновременно запускается основной твердотопливный двигатель, затем включаются рулевые двигатели, которые уносят головной блок подальше от ракеты. На вершине траектории происходит отделение бытового отсека от спускаемого аппарата, после чего на последнем выводится парашют.

Если авария случится на больших высотах, когда головной обтекатель уже сброшен, то корабль самостоятельно разделится на отсеки, спускаемый аппарат сразу войдет в атмосферу и приземлится в штатном режиме. Вероятно, это и произошло с «Союзом МС-10».

Марсианские хроники: первая посадка на Красной планете

В НИИ парашютостроения были разработаны парашютные системы для посадки спускаемых модулей межпланетных станций «Венера», «Марс», «Зонд» и «Луна». Но так исторически сложилось, что именно Марс стал самой частой ареной для сверхзвукового космического парашюта. 

В конце 1960-х – начале 1970-х началась настоящая гонка по завоеванию лидерства в исследованиях Марса. В СССР был разработан проект М-71, который предусматривал запуск в 1971 году трех космических аппаратов к Красной планете. Впрочем, стоит напомнить, что еще в 1962 году был разработан «Марс-1» – первый в истории космический аппарат, выведенный на траекторию полета к Марсу. Но основные события в марсианской одиссее произошли примерно десять лет спустя.

В мае 1971 года советский спускаемый аппарат «Марс-2» достиг поверхности Красной планеты. Это была официально первая в мире попытка посадки спускаемого аппарата на Марс, но, к сожалению, неудачная. В декабре того же года с этой миссией справился «Марс-3» – первая в мире мягкая посадка спускаемого аппарата на Марс и единственная в советской космонавтике наконец-то состоялась.

Итак, 2 декабря 1971 года спускаемый аппарат «Марс-3» вошел в атмосферу Красной планеты со скоростью около 5,8 км/с. Еще на сверхзвуковой скорости полета был введен вытяжной парашют, а затем был выпущен основной парашют с зарифленным куполом. Когда аппарат затормозился до околозвуковой скорости, произошла разрифовка, то есть купол основного парашюта полностью раскрылся. Буквально в течение нескольких минут скорость движения снизилась примерно до 60 м/с. На высоте 20-30 метров сработал тормозной двигатель мягкой посадки. На последнем этапе посадки аппарат защитил амортизатор – толстое пенопластовое покрытие. Так на Марсе, на дне крупного кратера Птолемей, совершил мягкую посадку первый космический аппарат. Спустя 1,5 минуты началась передача данных, но прервалась через 15 секунд. Причиной стала бушевавшая тогда глобальная марсианская пылевая буря.

Станции «Марс-2» и «Марс-3» рассказали много нового о Красной планете: определили температуру поверхностного слоя, характер поверхностных пород и плотность грунта, а также сообщили о том, что содержание водяного пара в атмосфере Марса в пять тысяч раз меньше, чем на Земле. Но самое главное – эта миссия наглядно доказала, что мягкая посадка на Марс является выполнимой задачей. При разработке парашютной системы были решены сложные для того времени научно-технические проблемы. Парашют справился с огромной скоростью в 3,5 М, то есть в три с половиной раза превышающей скорость звука, с разреженной марсианской атмосферой и ее сильными ветрами. Аналогов подобной парашютной системы тогда в мире не существовало.

Современные технологии сегодня могут предложить множество других решений для третьего, финального этапа примарсения. К примеру, аппараты могут тормозиться сбрасываемыми двигателями или садиться в надувных шарах-амортизаторах, как американские марсоходы Spirit и Opportunity. Но сверхзвуковые парашюты по-прежнему остаются ключевым этапом посадки. И даже если Илону Маску удастся успешно посадить корабль Starship с торможением на двигателях, беспилотные аппараты еще долго будут использовать проверенную временем технологию посадки – сверхзвуковой парашют, а затем торможение двигателями на небольшой скорости.

Аэродинамическое торможение

Спускаемые аппараты космических кораблей серий «Восток» и «Восход» спускались по баллистической траектории

При быстром движении аппарата в атмосфере возникает сила сопротивления среды — аэродинамическая, которая используется для его торможения.

Поскольку аэродинамическое торможение не требует затрат топлива, этот способ используется всегда при спуске на планету, обладающую атмосферой. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло, сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты, составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Бо́льшая часть этой теплоты уносится потоком воздуха, но и лобовая поверхность СА может нагреваться до температуры в несколько тысяч градусов, поэтому он должен иметь соответствующую тепловую защиту.

Аэродинамическое торможение особенно эффективно на сверхзвуковых скоростях, поэтому используется для торможения от космических до скоростей порядка сотен м/с. На более низких скоростях используются парашюты.

Возможны разные траектории снижения аппарата при аэродинамическом торможении. Рассматриваются обычно два случая: баллистический спуск и планирование.

Баллистический спуск

При баллистическом спуске вектор равнодействующей аэродинамических сил направлен прямо противоположно вектору скорости движения аппарата. Спуск по баллистической траектории не требует управления и потому применялся на первых космических кораблях Восток, Восход и Меркурий.

СА Восток и Восход имели шарообразную форму и центр тяжести, смещённый вниз к более теплозащищённому днищу. При входе в атмосферу такой аппарат автоматически без применения рулей занимает положение днищем к потоку и космонавт переносит перегрузки в наиболее удобном положении спиной вниз.

Недостатком этого способа является большая крутизна траектории, и, как следствие, вхождение аппарата в плотные слои атмосферы на большой скорости, что приводит к сильному аэродинамическому нагреву аппарата и к перегрузке, иногда превышающей 10g — близкой к предельно допустимой для человека.

Планирование

СА корабля Аполлон имеет коническую форму и смещённый вбок центр тяжести

Альтернативой баллистическому спуску является планирование. Внешний корпус аппарата в этом случае имеет, как правило, коническую форму и закруглённое днище, причём ось конуса составляет некоторый угол (угол атаки) с вектором скорости аппарата, за счёт чего равнодействующая аэродинамических сил имеет составляющую, перпендикулярную к вектору скорости аппарата — подъёмную силу. За счёт работы газовых рулей аппарат поворачивается нужной стороной и начинает как бы взлетать по отношению к набегающему потоку. Благодаря этому аппарат снижается медленнее, траектория его спуска становится более пологой и длинной. Участок торможения растягивается и по длине и во времени, а максимальные перегрузки и интенсивность аэродинамического нагрева могут быть снижены в несколько раз, по сравнению с баллистическим торможением, что делает планирующий спуск более безопасным и комфортным для людей.

Аппараты с крыльями и типа «летающий корпус» более эффективно используют подъёмную силу

Угол атаки при спуске меняется в зависимости от скорости полёта и текущей плотности воздуха. В верхних, разреженных слоях атмосферы он может достигать 40°, постепенно уменьшаясь со снижением аппарата. Это требует наличия на СА системы управления планирующим полётом, что усложняет и утяжеляет аппарат, и в случаях, когда он служит для спуска только аппаратуры, которая способна выдерживать более высокие перегрузки, чем человек, используется, как правило, баллистическое торможение.

Орбитальная ступень системы Спейс Шаттл выполняет мягкую посадку

Орбитальная ступень космической системы Спейс Шаттл, при возврате на Землю выполняющая функцию спускаемого аппарата, планирует на всём участке спуска от входа в атмосферу до касания шасси посадочной полосы, после чего выпускается тормозной парашют.

Спуск Феникса на парашюте. Съёмка с MRO камерой высокого разрешения, с расстояния около 760 км

Ждать и здесь и там

На этот раз капсула «нашлась» прямо на аэродроме Упрун, но и в реальности чаще всего место приземления рассчитывается с достаточно высокой точностью (отклонение от расчетной точки составляет сейчас не более 12 км), так что космонавтам не приходится ждать спасателей слишком долго. Впрочем, случиться может всякое, поэтому система поиска и спасения состоит из трех эшелонов. «Первый эшелон выходит непосредственно к месту расчетной посадки, — говорит подполковник Мелихов, старший офицер-оператор Центра авиационно-космического поиска и спасания МО РФ. — Второй — еще один самолет в сопровождении вертолетов — выполняет прикрытие в радиусе 450 км от места предполагаемой посадки. И наконец, есть еще один район, в котором дежурит техника со спасателями, — туда корабль может приземлиться, если из-за технического отказа возвращение на Землю пойдет по баллистической траектории».

Для «Востоков» и «Восходов» зари космической эры возращение к Земле по траектории брошенного камня альтернатив не имело. Сидевшие в кораблях тренированные ребята в погонах должны были выдержать все, даже огромные перегрузки, возникающие при баллистическом спуске. Но корабль «Союз», появившийся в 1967 году и в виде современных модификаций доживший до нашего времени, уже имел аэродинамическое качество, то есть способность планировать в атмосфере (при условии, что маневровые движки правильно ориентируют спускаемый аппарат). «Союз», конечно, это не «Шаттл» и не «Буран», но создаваемой аппаратом подъемной силы хватает, чтобы слегка скомпенсировать действие земной гравитации и заставить СА двигаться по более пологой траектории. Но если по той или иной причине система ориентации корабля в пространстве отказывает, камнем вниз летит и «Союз». Примечательный случай произошел с «Союзом-ТМА-11». 19 апреля 2008 года при схождении с орбиты от спускаемого аппарата вовремя не отделился приборно-агрегатный отсек, и в результате корабль перешел на баллистическую траекторию. Тяготам увеличенных перегрузок подверглись не только командир корабля Юрий Маленченко, но и две дамы — американка Пегги Уитсон и кореянка Йи Сойон. Капсула опустилась на парашюте в 420 км от расчетной точки, но как раз впервые именно в том районе на дежурство были поставлены резервные средства поиска. В результате севший нештатно спускаемый аппарат нашли всего через полчаса после касания земли.

Если спускаемый аппарат сел штатно, на днище, то спасатели эвакуируют экипаж с помощью специальной платформы. Космонавтам помогают выбраться наружу и скатывают по желобу.