Нештатно-баллистический спуск

Прошлой осенью много писали об инциденте, помешавшем нормальному возвращению с орбиты корабля «Союз ТМА-10» (экипаж Олег Котов, Федор Юрчихин и малазийский космонавт Шейх Музафар Шукор) 21 октября. Но, кроме слов «нештатная ситуация» и «баллистическая траектория» о том, что же все-таки случилось, почти ничего и не было сказано.

Был такой фильм: американский астронавт терпит в космосе бедствие — его корабль из-за отказа тормозного двигателя не может сойти с орбиты. Его спасает советский космонавт, подлетев на своем корабле. Фильм был фантастический, но такие случаи, когда возможность возвращения с орбиты оказывается под вопросом, в практике космических полетов известны.

Мало кто знал тогда, а широко это никогда и не было известно, что в подобную ситуацию мог попасть Гагарин. Вероятность её возникновения была невелика — и все же она оставалась. Опасность — вечная спутница космических полетов, но в особенности это относится к выходу на орбиту и к возвращению из космоса.

Спуск на землю можно разделить на три участка: сход с орбиты; полет в атмосфере; собственно посадка. На каждом участке решаются свои задачи, работают определенные бортовые системы, и на каждом возможно возникновение нештатных ситуаций.

Нештатные ситуации бывают разные: одни создают лишь мелкие неприятности, другие могут повлечь серьезную аварию, срыв программы и даже к катастрофу. При проектировании и разработке техники проводится анализ безопасности полета, выявляются и исследуются возможные нештатные и аварийные ситуации, разрабатываются алгоритмы выхода, резервные варианты выполнения полетных операций при отказе той или иной бортовой системы.

При разработке пилотируемой космической техники руководствуются принципом: любой отказ в любой системе не должен приводить к опасным последствиям. Для достижения этой цели используется целый арсенал средств. Жизненно важные системы резервируются (на борт корабля ставят два комплекта приборов); внутри систем применяется резервирование её элементов; применяются датчики, работающие на разных физических принципах и многое другое.

Идеальный вариант — зарезервировать все жизненно важные системы. Но, как известно, идеальные варианты нереализуемы.

Сход с орбиты

На первом участке отрабатывается тормозной импульс, который «сталкивает» аппарат с орбиты, чтобы перевести его на траекторию, пересекающую условную границу атмосферы (на высоте 100 км). Основные операции на этом участке — ориентация перед выдачей тормозного импульса, работа тормозной двигательной установки, разделение отсеков. При отказах в этих системах возникает непосредственная угроза здоровью и жизни экипажа.

При отказе тормозного двигателя сход с орбиты возможен только за счет естественного торможения в верхних разреженных слоях атмосферы. На кораблях «Восток» из-за весовых ограничений тормозной двигатель не был задублирован, и спуск за счет торможения в атмосфере был принят в качестве резервного варианта. Для его реализации параметры орбиты должны быть выбраны так, чтобы время её существования было меньше, чем ресурс системы жизнеобеспечения (то есть для «Востока» — меньше десяти суток). Они и были так выбраны, но орбита корабля Гагарина оказалась нерасчетной со временем существования, 23–25 суток. Спасательных кораблей тогда (как и сейчас) не было, так что в случае отказа тормозного двигателя возможность благополучного завершения полета, строго говоря, отсутствовала. Правда, хоть и незадолго до старта, но все же и на этот случай был придуман «запасной выход», о котором чуть позже.

На следующих пилотируемых кораблях сближающе-корректирующая двигательная установка, которая использовалась и для сближения, и для схода с орбиты, была задублирована. Но нештатные и аварийные ситуации, связанные с этой системой, в дальнейших полетах все равно возникали.

Например, полет корабля «Союз-33» (10–12 апреля 1979 года) с космонавтами Николаем Рукавишниковым и Георгием Ивановым (Болгария ). При сближении со станцией «Салют-6» произошел отказ основного двигателя. От стыковки пришлось отказаться, но ситуация осложнялась еще и тем, что ресурс систем жизнеобеспечения составлял всего трое суток, и времени, чтобы разобраться в ситуации, было катастрофически мало. Проведенный на Земле анализ показал, что существует вероятность повреждения и резервного двигателя. Земля сообщила космонавтам, что есть три варианта дальнейшего развития событий: если резервный двигатель отработает 90 секунд или меньше, корабль останется на орбите. На этот случай космонавтам рекомендовали «сохранять спокойствие». Второй вариант — двигатель проработает больше 90 секунд, но меньше расчетного времени. Тогда корабль сойдет с орбиты, но где приземлится, сказать невозможно. («Это ладно, найдут и спасут», — скажет потом Рукавишников.) И третий — нормальный спуск, но на это надежды совсем мало. В конце концов реализовался второй вариант.

Рукавишников рассказывал потом: «Я заметил пылинку, которая висела прямо перед нами. Смотри, говорю, Георгий, это наша судьба. Если она пойдет вниз, мы спасены — начинается торможение». Бывают такие нештатные ситуации, когда и сделать ничего невозможно, только и остается — сидеть и ждать: взорвется — не взорвется, сработает -не сработает?…

Такого же рода нештатная ситуация случилась 7 сентября 1988 года при возвращении с орбиты корабля «СоюзТМ-5» с Владимиром Ляховым и Ахадом Момандом, космонавтом из республики Афганистан . Из-за нештатной работы сближающе-корректирующей двигательной установки и системы управления возникла реальная угроза, что корабль спустить не удастся. Как сказал Ляхов, они сутки «болтались на орбите», не зная, как решится их участь, без еды, без воды, без, извините за подробности, туалета.

Аварийным был спуск корабля «Союз-5» (космонавт Борис Волынов, 18 января 1969 года) из-за неразделения отсеков корабля. Связка начала беспорядочно кувыркаться, и вместо того, чтобы спускаться теплозащитным экраном вниз, спускаемый аппарат шел люком вперед. На такие тепловые нагрузки аппарат не был рассчитан. Полки титанового шпангоута вспучились, начала гореть гермоизоляция, в кабине появился дым. Надежды для космонавта не было: стенки корабля неизбежно прогорят, это только вопрос времени. И ничего нельзя предпринять…

Преодолев страх и растерянность первых секунд, Борис начал упаковывать бортжурнал и наговаривать на магнитофон отчет о том, что происходит — может быть, когда пламя ворвется в корабль, бесценная информация уцелеет. Жара в кабине становилась невыносимой, он видел за стеклом иллюминатора бушующее пламя и продолжал вести репортаж. Говорят, что находившиеся в ЦУПе плакали, понимая безнадежность ситуации.

И вдруг корабль сильно тряхнуло — это перегорели элементы крепления отсеков, и приборно-агрегатный отсек оторвался. Спускаемый аппарат закрутило, но потом он сориентировался, как и полагается, теплозащитным экраном вниз, и опасность заживо сгореть отступила.

Спуск в атмосфере

Второй участок — полет в атмосфере. На этом участке гасится основная часть огромной кинетической энергии аппарата — от орбитальной скорости 7,9 км/с до небольшой (дозвуковой) скорости; при этом возникают тяжелые температурные и перегрузочные режимы. Оба фактора — и нагрев, и перегрузки — могут оказаться опасными и для аппарата, и для людей, и требуют как конструкторских решений, так и специального управления траекторией спуска.

Если аэродинамическое качество аппарата равно нулю, то спуск будет баллистическим, то есть неуправляемым, по крутой траектории. При наличии даже небольшого аэродинамического качества возникает подъемная сила, которая несколько «выпрямляет» траекторию, вследствие чего перегрузки и тепловые потоки снижаются. Если качество равно 0,3–0,7, спуск называется полубаллистическим или скользящим, если больше единицы — планирующим.

Величина перегрузки при баллистическом спуске зависит практически только от угла входа в атмосферу (угол наклона траектории к местному горизонту). Если угол входа составляет 0,5–1 градус, пик перегрузок достигнет 8–10 единиц. Чем больше угол входа, тем круче будет траектория и больше перегрузки.

Для первых космических кораблей «Восток» и «Меркурий» баллистический спуск был штатным вариантом. При отборе космонавтов переносимость перегрузок проверялась на центрифуге. Первому набору космонавтов при медицинском обследовании предъявлялась максимальная перегрузка 12 единиц. За время подготовки первого космического полета (с марта 1960-го по январь 1961 года) космонавты прошли девять испытаний и тренировок на центрифуге при 7–12 кратных перегрузках. Следующим набором была женская группа, для нее максимальную перегрузку снизили до 10.

Конечно, медицинские требования на первом этапе были чрезмерно жесткими. Это можно понять: в то время в распоряжении специалистов было слишком мало сведений о воздействии факторов космического полета на живой организм и совсем не было таких данных относительно человека.

У следующего поколения космических кораблей штатным вариантом спуска был скользящий. Малое аэродинамическое качество получается за счет смещения центра тяжести относительно продольной оси (оси симметрии) аппарата. Спускаемый аппарат (СА) корабля «Союз» состоит из лобового щита в виде сферического сегмента и расположенного за ним корпуса в виде усеченного конуса («фара»). При движении в атмосфере аппарат балансируется на определенном (балансировочном) угле атаки. При этом возникает небольшая подъемная сила, что позволяет управлять траекторией спуска.

Для корабля «Союз» балансировочный угол атаки равен 22°, аэродинамическое качество 0,3, максимальная перегрузка при торможении — 4 единицы. Поэтому теперь кандидаты в космонавты проходят на центрифуге всего три вращения: «четверка» с площадкой 120 с. (четырехкратная перегрузка длительностью в сто двадцать секунд), «шестерка» с площадкой 60 с. и «восьмерка» с площадкой 40 с.

Баллистический режим спуска в качестве резервного был введен после аварии 5 апреля 1975 года на участке выведения корабля «Союз-18» (космонавты Василий Лазарев и Олег Макаров). В открытой печати этот корабль получил индекс «Союз-18А».

Авария произошла на третьей ступени ракеты-носителя. Система аварийного спасения отделила корабль от ступени, затем, как и положено, спускаемый аппарат отделился от бытового и приборно-агрегатного отсеков. Начался спуск, но во время беспорядочного вращения аварийной ступени произошел сбой в автоматике системы управления спуском, и спускаемый аппарат летел даже не по баллистической траектории, а с отрицательной подъемной силой, которая делала траекторию ещё круче. Пиковая перегрузка, как впоследствии было установлено, составила 21,3 единицы. Это — на грани переносимости человеческого организма.

Олег Макаров так описывает свои ощущения: «Стало уходить зрение: сначала оно перешло в черно-белый цвет, а потом стал сужаться угол зрения. Мы находились в предобморочном состоянии, но все же сознания не теряли».

Приземлившись, отдышавшись и придя в себя, они смогли сами выйти наружу. Эвакуировали их только на следующий день, и всю ночь они сидели у костра, обсуждая происшедшее. «Это было похоже на сказку: благодаря людям, в большинстве для нас незнакомым, мы благополучно вернулись с того света. Это было потрясающее чувство какого-то чуда. Мы договорились, что впредь этот день будем отмечать как наш второй день рождения».

Это традиция — у многих людей опасных профессий есть такой вот второй (а у кого и третий) день рождения.

Надо сказать, что длительное воздействие невесомости существенно снижает устойчивость организма к перегрузкам, и если бы такая ситуация возникла при возвращении экипажа после длительного пребывания на орбитальной станции, вряд ли она разрешилась бы столь же благополучно. Хотя как знать, не сказалось ли это в дальнейшем…

Режим баллистического спуска при возникновении нештатных ситуаций или при выходе параметров траектории за допустимые пределы реализуется путем закрутки аппарата вокруг продольной оси. Перевод осуществляется автоматически.

Впервые этот вариант был (поневоле) опробован 3 мая 2003 года на корабле «Союз ТМА-1». При входе в атмосферу СА самопроизвольно перешел в режим баллистического спуска. В дальнейшем все операции по спуску и посадке прошли штатно. Причиной перехода на баллистический спуск была неадекватная работа блока управления спуском из-за весьма редкого сочетания входных сигналов по каналам тангажа, крена и рыскания.

В средствах массовой информации этот случай был представлен как опасная аварийная ситуация, хотя она таковой вовсе не являлась. Максимальная перегрузка составила 8,1 единицы, что опасности для здоровья и жизни экипажа не представляло.

Использование резервного варианта при отказах или при нештатной работе какой-либо бортовой системы является принятой практикой. Например, можно вспомнить, что в 2004-м, в год семидесятилетия Ю. А. Гагарина, в СМИ оживленно обсуждался вопрос о том, был ли спуск корабля «Восток» штатным. Действительно, при спуске из-за нештатной ситуации в тормозной двигательной установке имел место недобор тормозного импульса, и автоматика выдала запрет на штатное разделение отсеков по команде от программно-временного устройства. Реализовался резервный вариант — разделение по команде от термодатчиков, и Гагарину пришлось ждать разделения десять минут (вместо десяти секунд по основному варианту).

То, что случилось в октябре прошлого года — это уже второй случай перехода в режим баллистического спуска. Почему — до сих пор неясно. Но даже из приведенных разрозненных снимков, сделанных во время возвращения на землю, можно понять, что на этапе спуска случались гораздо более серьезные, чреватые тяжелыми последствиями аварийные ситуации. Другое дело, что в те годы, о которых шла речь выше, в средствах массовой информации об этом не сообщалось.