Создание «Востока»
Моему правнуку Андрюше посвящаю21 августа 1957 года свой первый успешный полёт совершила мощная двухступенчатая ракета 8К71 («семёрка»), разработанная в ОКБ-1 под руководством Сергея Павловича Королёва. Последующее её усовершенствование до ракеты-носителя (РН) в трёхступенчатом варианте позволило к началу 1960-х годов не только достичь второй космической скорости, но и выводить на орбиту вокруг Земли космические аппараты массой почти пять тонн. Таким аппаратом теперь смог стать пилотируемый спутник.
Решено – в космос полетит человек!
Через год после запуска первого искусственного спутника Главный конструктор Королёв рассматривает отчёты с конкретными проработками космического аппарата для полёта человека в космос. Отчёты рождались в проектном отделе — своеобразном мозговом центре, где идеи, «подброшенные» Главным конструктором, обретали вид компоновочных схем, расчётов и графиков. Руководил отделом старый соратник Королёва по группе изучения реактивного движения Михаил Клавдиевич Тихонравов. Они вместе работали в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ). Тихонравов с юношеских лет был конструктором оригинальных планёров, установивших целый ряд рекордов. Затем работал на авиационных предприятиях, занимался исследованием жидкостных реактивных двигателей. Преподавал в МАИ им. С. Орджоникидзе.
Пилотируемый спутник должен не только выдерживать все нагрузки, возникающие при полёте, — вибрацию, инфра- и ультразвук, линейные ускорения и ударные перегрузки, но и сделать их допустимыми для космонавта. Под инфразвуком здесь понимаются колебания низкой частоты, не слышимые человеком. С точки зрения механики, человеческое тело всего лишь механическая система, обладающая определёнными собственными частотами, зависящими от состояния здоровья, тренированности мышц, эмоций и другого. Наше счастье, что эта система оптимально демпфирована и способна сохранять своё строение. Однако заметим, что частоты, совпадающие с собственными частотами органов, опасны для человека как вызывающие резонанс в организме. Не анализируя многочисленные результаты исследований, приведём лишь вывод французских исследователей об опасности воздействия инфразвука: если период инфразвука близок к периоду собственных колебаний в системе кровообращения, то увеличение амплитуды сердечных сокращений может привести к разрыву артерий или к остановке сердца.
Кресло с космонавтом должно иметь амортизацию, снижающую опасные перегрузки до допустимых и подавляющую опасные частоты вибрации.
Конструкция корабля должна также защитить космонавта от воздействия вакуума, космической радиации, высоких температур и возможных метеоритов.
Компоновка пилотируемого корабля
Общая схема корабля была ясна: возвращаемая часть — спускаемый аппарат, плюс приборный отсек, плюс тормозная двигательная установка. Теперь необходимо выбрать геометрические формы. Спускаемый аппарат (СА) Королёв предложил выполнить сферическим. Такая форма гарантировала устойчивость движения, не требовала управления при спуске. Перегрузки при неуправляемом, так называемом баллистическом спуске в атмосфере не превышали 9–10 единиц, что допустимо для тренированного космонавта. При заданных габаритах сфера даёт максимальный внутренний объём и минимальную массу. При наружном диаметре сферы 2,3 метра свободный объём герметичной кабины составлял 1,6 кубического метра. В верхней части сферы СА размещается командный барометрический прибор, измеряющий высоту и передающий информацию в систему приземления.
Настала очередь приборного отсека. Опять поиск формы, споры до хрипоты. Наконец, найдена конструкция из двух усечённых конусов, скреплённых своими большими основаниями. На малое основание нижнего конуса проектанты поставили тормозную двигательную установку. На отсек «посадили» спускаемый аппарат. На боковой поверхности нижнего конуса разместили радиатор-излучатель системы терморегулирования. Найдена и конструкция крепления СА. Верхнее основание выполняется с внутренней сферической частью, сопрягаемой с шаром СА. На шпангоуте основания закрепляются равномерно четыре металлические ленты, которые охватывают СА и попарно соединяются замком. По команде «разделение» замок каждой пары лент открывается, а пироножи отсекают их от шпангоута, и СА без препятствий отходит от ставшего ненужным приборного отсека с тормозным двигателем. В таком решении закладывается и резервирование: при отказе одного из элементов (замка или пироножей) разделение всё равно происходит.
Решается и проблема защиты космонавта от тепловых потоков при входе СА в плотные слои атмосферы: на шар наносится теплозащитное покрытие из материалов с низкой теплопроводностью, способных сохранять прочность при высоких температурах. Так, на корабле Гагарина масса теплозащиты СА составила около 800 кг.
Для конструкции корабля использовались высокопрочные и лёгкие алюминиево-магниевые сплавы. Высоконагруженные элементы выполнялись из титановых сплавов, крепёжные детали — из высокопрочных сталей.
Спускаемый аппарат
Внутри СА располагалось кресло космонавта, установленное на специальных направляющих и содержавшее основной и тормозной парашюты, устройство для катапультирования. Кресло с катапультой создано коллективом специалистов Лётно-испытательного института имени М.М. Громова под руководством талантливого конструктора и учёного Гая Ильича Северина. Необходимые условия в кабине поддерживают системы жизнеобеспечения и терморегулирования. В корабле-спутнике предусматривалась «земная» атмосфера с давлением 755 мм рт. ст. и 20–25% содержанием кислорода. Космонавт находится в кресле в герметичном скафандре. Скафандр, разработанный Г.И. Севериным, был изготовлен на заводе «Звезда» в Томилино Московской области. В случае разгерметизации кабины автоматически закрывался шлем скафандра, а запаса кислорода должно было хватить на оставшееся время полёта космонавта, включая спуск на Землю. Положение космонавта в кресле выбрано таким, что перегрузки при выводе на орбиту и спуске действовали в направлении «спина — грудь».
Катапультирование и приземление
После долгих обсуждений утвердили логику и схему спуска космонавта. Основные операции доверили парашюту как наиболее распространённому и отработанному устройству для спуска лётчиков, десантных грузов. Перед спуском корабль, летящий по орбите со скоростью около восьми километров в секунду, разворачивается системой ориентации тормозным двигателем по вектору скорости. В расчётной точке орбиты на определённое время включается тормозной двигатель. Скорость уменьшается, и по законам механики корабль сходит с орбиты, снижаясь вначале по баллистической траектории. После входа в атмосферу начинается торможение СА. Дальнейшее торможение осуществляется при помощи парашютов. Эта задача решается с помощью целой системы, состоящей из вытяжного, тормозного и основного парашютов. На высоте около семи километров происходит отстрел основного люка, через который космонавт катапультируется вместе с креслом. До высоты четырёх километров космонавт находится в кресле на тормозном парашюте, ожидая раскрытия основного парашюта. После введения парашюта кресло отделяется и свободно падает на землю. Космонавт приземляется на основном парашюте со скоростью 5–6 метров в секунду. Спускаемый аппарат на собственном грузовом парашюте приземляется чуть раньше со скоростью около 10 метров в секунду.
Две парашютные системы повысили надёжность системы приземления. Введение тормозных парашютов позволило обеспечить эффективное торможение и создать нормальные условия для развёртывания основных парашютов. Катапультирование кресла с космонавтом возможно при аварии РН на старте и на начальном участке полёта. Также возможно приземление космонавта внутри СА.
Необходимо отметить, что в проекте корабля учитывался возможный отказ тормозной двигательной установки. Для этого случая были определены параметры орбиты: высота перигея 180 километров, высота апогея 240 километров. При такой орбите за счёт естественного торможения корабль входит в атмосферу не позже чем через 10 суток, и начинается спуск как и в штатном режиме. Из этой длительности полёта выбирались запасы кислорода, питьевой воды, пищи и др.
Конструирование корабля началось!
К лету 1959 года эскизный проект первого пилотируемого спутника был готов. Он стал содержанием задания конструкторским подразделениям для разработки рабочих чертежей.
По инициативе Королёва выпущено несколько постановлений правительства по разработке корабля-спутника, организации подготовки космонавтов и осуществлению полётов человека в космическое пространство. К разработке систем и приборов был подключён большой ряд предприятий Москвы, Подмосковья, других городов Советского Союза. В приборном отделе куста Б.Е. Чертока разрабатывались конструкции приборов собственных систем. В секторе Николая Ивановича Логинова, где трудился и автор этой статьи, разрабатывались многочисленные датчики механических перемещений, барометрические реле, программные устройства для системы приземления и приборы других систем автоматики, телеметрии корабля. Изготовление кораблей и приборов велось Заводом экспериментального машиностроения, входившим в состав ОКБ-1. Здесь же проводились комплексные испытания собранного корабля.
Королёв и Тихонравов тесно сотрудничали с научным институтом, возглавляемым механиком и математиком, будущим президентом Академии наук СССР Мстиславом Всеволодовичем Келдышем. В этом учреждении родился коллектив молодых, талантливых учёных, занимающихся разработкой систем стабилизации и ориентации спутников. Руководил коллективом будущий академик Борис Викторович Раушенбах, известный Королёву ещё по работе в РНИИ в 1930-е годы. С согласия Келдыша в начале 1960 года постановлением правительства вся команда Раушенбаха была переведена в ОКБ-1 в куст Б.Е. Чертока. Подразделение Раушенбаха разрабатывало систему управления движением корабля-спутника, которую назвали «Чайка». Эта система позволяла ориентировать аппарат на орбите двумя способами: с использованием инфракрасной вертикали Земли и оптического датчика ориентации на Солнце. Первый считался основным, второй — резервным. Оба принципа применялись впервые и требовали основательной проверки.
А что американцы?
Американцы также в 1958 году широким фронтом развернули работы по созданию корабля-спутника «Меркурий». Для полётов по программе «Меркурий» Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) создало первый отряд астронавтов. Но у США не было достаточно мощной ракеты-носителя. Поэтому одновременно с разработкой корабля спешно создавалась и РН. Предложенная ракета-носитель «Атлас-Ди» могла выводить на низкую околоземную орбиту (с перигеем 160 и апогеем 260 километров) полезную нагрузку 1355 килограммов. Такой величиной массы и был ограничен пилотируемый корабль «Меркурий».
Первыми космонавтами стали собачки
11 октября 1960 года руководитель страны, первый секретарь ЦК КПСС Н.С. Хрущёв подписывает постановление, в котором создание корабля для полёта человека в космос объявляется задачей особой важности.
Для отработки систем и конструкции в ОКБ-1 разработан целый ряд экспериментальных кораблей. Проведены самолётные испытания системы приземления в Крыму. На первом корабле-спутнике за №1-КП проверялась работа системы «Чайка» и сход с орбиты для спуска. Поэтому СА не имел теплозащиты, то есть он должен был сгореть в плотных слоях атмосферы.
Пуск был проведён 15 мая 1960 года. После выхода на орбиту 1-КП, по предложению Главного конструктора, назвали «космическим кораблём».
«А почему бы и нет, — отвечая на вопрос, говорил Королёв, — есть морские, есть речные, есть воздушные, теперь появятся космические корабли!» Это новое понятие было принято во всём мире.
На 64-м витке полёта 1-КП по расчётной орбите с Земли была подана команда на спуск по первому, основному способу. Однако в результате появившейся неисправности в системе ориентации направление тормозного импульса отклонилось от расчётного, произошло увеличение скорости, и космический корабль поднялся на более высокую орбиту. Определены причины отказа, проведены необходимые доработки. Следующие корабли имели индекс 1К.
Корабль-спутник 1К №1, который должен был вернуться на Землю с живыми собаками Лисичкой и Чайкой, разбился недалеко от старта при аварии первой ступени ракеты-носителя 29 июля 1960 года.
Пуск корабля 1К №2 состоялся 19 августа 1960 года. Кабину на этот раз заняли собаки Белка и Стрелка в космических платьицах. Вместе с ними было 40 мышей, две крысы, насекомые и растения. Корабль 17 раз облетел вокруг Земли и штатно приземлился в расчётной точке — в районе Орска. Когда открыли люк, на земной луг выскочили Белка и Стрелка. Были живы и другие животные.
1 декабря 1960 года состоялся запуск третьего экспериментального корабля на орбиту вокруг Земли. На борту корабля — собаки Пчёлка и Мушка. Полёт на орбите прошёл успешно. Но при спуске траектория отклонилась от расчётной, и корабль прекратил своё существование при входе в плотные слои атмосферы. Анализ аварии выявил недостатки в программе управления. Были проведены доработки ряда приборов, в том числе изменение временных программ системы приземления. Это были приборы нашего сектора. Мы оперативно провели доработки своих приборов по новым исходным данным.
Следующий беспилотный корабль с собакой Чернушкой, морскими свинками, мышами и лягушками 9 марта 1960 года успешно приземлился после одного оборота вокруг Земли.
Спустя две недели ещё один оборот совершила собака Звёздочка — она была в кабине вместе с манекеном «Иваном Ивановичем». Этот манекен, имитировавший космонавта, пел песни из репертуара хора имени Пятницкого. Полёт проходил по штатной программе: манекен «Иван Иванович» совершил посадку с помощью катапультируемого кресла, собака Звёздочка вернулась на Землю в СА.
Корабль назвали «Восток»
«Подготовку можно считать законченной», — резюмировал Сергей Павлович итоги двух последних полётов — четвёртого и пятого экспериментальных кораблей, проходивших строго по программе будущего полёта человека. Принимая это решение, Главный конструктор учитывал положительные результаты наземных статических и динамических испытаний, конструкторско-доводочных испытаний приборов и систем космического корабля.
Следует отметить, что пуски экспериментальных кораблей и результаты полёта были строго засекречены. Мне удавалось узнать об этом при авторском контроле функционирования программных механизмов системы приземления.
Первый пилотируемый космический корабль назвали «Восток». Кто предложил это название корабля, сейчас никто и не припомнит. Но символично — на востоке начинается рассвет каждого нового дня. Королёв утвердил. Стартовая масса пилотируемого корабля составляла 4725 кг. Штатному космическому кораблю присвоили чертёжный индекс «3КА».
Сергей Павлович понимает, что успешный полёт человека в космос возможен только при очень высокой надёжности всех систем и устройств пилотируемого корабля и ракеты-носителя. По его инициативе в начале 1960 года выпущено «Положение по 3КА», впервые определяющее порядок изготовления и заводских испытаний всех систем для пилотируемых полётов. Все агрегаты, приборы, системы для комплектации корабля «Восток» должны маркироваться и иметь запись в формуляре «Годен для 3КА». За качество изделий с маркировкой «Годен для 3КА» несли личную ответственность главные конструкторы и руководители предприятий. Отклонения от утверждённой технической документации при изготовлении не допускались.
8 апреля на заседании Государственной комиссии было утверждено первое в истории задание человеку на космический полёт: «Выполнить одновитковый полёт вокруг Земли на высоте 160–230 километров продолжительностью 1 час 30 минут с посадкой в заданном районе. Цель полёта — проверить возможность пребывания человека в космическом пространстве, испытать оборудование корабля в полёте, проверить связь с Землёй, убедиться в надёжности средств приземления корабля и космонавта».
Стартовала эра пилотируемой космонавтики
12 апреля в начале рабочего дня я отправился в 15-й отдел, разрабатывавший конструкцию кораблей «Восток», для согласования датчиков телеметрии отстрела люков СА. Отдел уже переехал с нашей первой территории в инженерный корпус Центрального научно-исследовательского института, объединившегося в 1959 году с ОКБ-1. Начальником и главным конструктором института был Василий Гаврилович Грабин. Под руководством Грабина создан целый ряд лучших в мире пушек для артиллерии и танков Красной армии. Наши территории разделяла только линия железной дороги из Москвы. Построенный позднее автомобильно-пешеходный мост практически сделал территорию единой. Однако бывшее предприятие Грабина называли вторым производством. Оно было очень зелёным: два фруктовых сада, берёзовая роща и заросли деревьев вдоль забора. В летнее время любители перед работой и в обеденный перерыв собирали здесь грибы. Но довольно быстро такая территория была застроена производственными зданиями. В первую очередь за счёт реконструкции был создан сборочный цех пилотируемых кораблей. Затем построены приборные, конструкторские и испытательные корпуса. Так расправился с флорой бывшего предприятия рост космического производства.
Я ожидал от конструкторов должного внимания к моим датчикам. Но мои коллеги почему-то заметно волновались и часто отлучались из комнаты, кивками и шёпотом переговариваясь друг с другом. Потом один из них не выдержал и сообщил, что в космосе Юрий Гагарин и вот-вот должно быть сообщение ТАСС! После такого известия я даже забыл, что пришёл согласовать чертежи. Неожиданно из коридорного репродуктора раздался голос Ю. Левитана: «Говорит Москва, говорит Москва! Работают все радиостанции Советского Союза. Московское время — 10 часов две минуты. Передаём сообщение ТАСС о первом полёте человека в космическое пространство: «12 апреля 1961 года в Советском Союзе выведен на орбиту вокруг Земли первый в мире космический корабль-спутник «Восток» с человеком на борту. Пилотом-космонавтом космического корабля-спутника «Восток» является гражданин СССР, лётчик, майор Гагарин Юрий Алексеевич…»
Вдруг в нашу комнату, окна которой смотрели на Ярославское шоссе, буквально врывается молодой человек и громко сообщает: «Гагарин приземлился! Это произошло в 10 часов 55 минут юго-западнее города Энгельса». Все вскочили со стульев и с возгласом «ура!» захлопали в ладоши. После этого стали договариваться о праздничном столе. Мне предложили принять участие. Пришлось отказаться от приглашения, так как я обещал в обед быть дома — приехал папа из далёкого родного города. До обеденного перерыва оставалось чуть больше часа.
Я вышел из проходной. Хотя моросил дождик, но уже из редеющих туч начало выглядывать солнце, предвещая хорошую погоду. Дома меня ждали к обеду. Папа несколько дней назад вышел на пенсию — он проработал в Котласском речном порту более сорока лет. Моё сообщение о полёте Гагарина оказалось для всех радостной новостью — радио и телевизор были выключены. После обеда я пошёл на работу, но поток возвращавшихся сотрудников известил меня: всех отпустили праздновать первый полёт человека в неизведанный космос! Мне повезло вдвойне — я показал папе наш растущий город и проходные родного предприятия.