Первые корабли-спутники
В Советском Союзе первый серьезный проект пилотируемого космического корабля был выдвинут в 1945 году. Его автором был Михаил Клавдиевич Тихонравов, конструктор знаменитой ракеты «ГИРД-09». Он предложил использовать для полета человека разрабатываемую на основе «Фау-2» геофизическую ракету «ВР-190».
Это предложение нашло воплощение в виде так называемого «Проекта Тихонравова — Чернышева» (или проекта «Победа»). Михаил Тихонравов вместе с Николаем Чернышевым и другими сотрудниками НИИ-1 подготовил комплект эскизов ракеты, которая могла бы доставить двух пилотов на высоту до 200 километров.
Академия наук СССР одобрила «Победу» и рекомендовала Минавиапрому заняться практической реализацией этого проекта. Однако министерство посчитало, что это не дело авиаторов. После нескольких попыток добиться желаемого результата Тихонравов и Чернышев обратились с пространным письмом непосредственно к Иосифу Сталину и получили его положительное заключение и соответствующие указания для Минавиапрома. Однако и после этого найти приемлемое решение, удовлетворяющее обе стороны, не удалось.
Тогда конструкторы попытались найти общий язык с ракетчиками и, к своей радости, встретили понимание со стороны начальника НИИ-4 Алексея Нестеренко.
В 1946 году группа создателей проекта «Победа» перешла на работу в НИИ-4. Сначала удавалось работать над проектом по основному его целевому назначению — вертикальный ракетный полет пилотов, целями которого были исследование действия кратковременной невесомости, получение данных о верхних слоях атмосферы, проверка работоспособности систем герметичной кабины и тому подобное.
Однако вскоре вокруг этого проекта сложилась весьма неблагоприятная обстановка оказалось, что он не соответствует тематике института. Дело доходило до жалоб в ЦК КПСС.
Учитывая сложившуюся ситуацию, руководство института изменило целевую ориентацию проекта. Он получил название «Ракетный зонд» и предполагал исследовать задачи спасения на парашюте отработавших ступеней и их головных частей в процессе проведения испытаний (в том числе и зенитных ракет, которыми занимался Нестеренко), сброса на парашютах техники и вооружения с самолета в интересах парашютно-десантных сил, спасения контейнеров с животными. После принятия этого решения проект получил официальную положительную оценку НИИ-88, подписанную Сергеем Королевым, с предложением подключить к paботам НИИ-88 и многих видных ученых, включая профессора Юрия Победоносцева.
Задачи проекта «Ракетный зонд» впоследствии успешна решались на реальной технике, в результате чего ряду сотрудников НИИ-4 была присуждена Сталинская премия.
В то же время Михаил Тихонравов, потеряв интерес к новой цели проекта, отошел от этих работ и начал заниматься составными ракетами. В 1947 году он разработал схему многоступенчатой ракеты, названную им «пакетом». Она отличалась от «эскадрильи ракет» Константина Циолковского тем, что все входящие в нее одиночные ракетные блоки были связаны друг с другом конструктивно уже на старте и взлетали вместе. Но при этом все двигатели питались из баков только половины ракетных блоков. После их опорожнения и отброса оставшаяся часть продолжала полет с полными баками.
Позднее идея «пакета» Тихонравова изучалась в хода проектирования первой советской многоступенчатой ракеты и оказала определенное влияние на выбор окончательной конструктивной схемы «Востока».
В середине 1950-х годов успехи в области исследований верхней атмосферы с помощью геофизических ракет, казалось бы, приблизили момент, когда в полет на ракете должен был отправиться человек. Медико-биологические эксперименты, проводившиеся на борту ракет «В-1В», «В-1Д» и «В-1Е», подтвердили, что возникающие при таком полете пeрегрузки переносимы для живого существа. Все это, в частности, позволило Сергею Королеву еще в 1954 году в отчете о своей научной деятельности для Академии наук предложить создание ракеты-лаборатории для подъема одного или двух экспериментаторов на высоту до 100 километров с последующим возвращением на Землю.
В апреле 1956 года в Академии наук СССР состоялась Всесоюзная конференция по ракетным исследованиям верхних слоев атмосферы. На этой конференции Королев выступил с докладом, где подвел итоги пусков ракет, сообщил о полученных результатах, наметил перспективы дальнейших исследований.
«Говоря о перспективах, — отметил он в своем выступлении, — нельзя не остановиться и на одном из самых злободневных вопросов — полете человека на ракете. В настоящее время эта задача становится все более и более реальной. Она издавна привлекала внимание всех, работающих в области ракетной техники, а полет человека на ракете является и сейчас одной из основных задач в области ракетной техники».
Далее Сергей Павлович сообщил, что предполагается рассмотреть ряд вопросов, касающихся рациональной траектории снижения ракеты (с учетом разности температурных режимов при торможении и посадке ракеты с человеком), формы ракеты, теплозащитных средств и так далее. К этому времени специалистами был проанализирован вариант вертикального подъема ракеты с человеком на борту с последующим его катапультированием и спуском на парашюте; в результате пришли к выводу, что более целесообразно создание пилотируемой ракеты, рассчитанной на подъем по наклонной траектории.
На конференции обсуждались и возможные кандидатуры экспериментаторов для полета на ракете, и было решено использовать для этой цели специалистов, участвующих в медикобиологических экспериментах с животными.
Тут следует отметить, что по своим габаритам головные части существовавших геофизических ракет не могли быть использованы для полета человека: негде было разместить системы жизнеобеспечения. И все же в заключение своего выступления на конференции Королев уверенно заявил:
«…Нам кажется, что в настоящее время можно преодолеть трудности и осуществить полет человека на ракете».
Доработка какой-нибудь из геофизических ракет, наверное, могла бы помочь воплотить этот проект в жизнь, однако К тому времени уже «подоспела» баллистическая ракета «Р-7», и именно в ней Королев с соратниками увидел средство для реализации своих самых смелых замыслов.
В том же 1956 году по итогам конференции и согласно так называемому «внутреннему плану» ОКБ-1, который носил название «Ближайшие задачи по изучению космоса», началась проработка проекта пилотируемого космического корабля.
Как обычно, рассматривались два варианта: суборбитальный полет на баллистической ракете и орбитальный полет.
Проработки были завершены к 15 мая 1958 года, и 16 сентября Королев направляет в Академию наук и главным конструкторам письмо «О создании ИСЗ с человеком на борту», в котором впервые указываются контрольные сроки реализации новой космической программы: 3 квартал 1959 года — эскизный проект, 1960 год — пуски первых образцов космических аппаратов.
В ноябре 1958 года Совет главных конструкторов поддержал предложение Королева. И тогда же начались работы по проектированию пилотируемого спутника.
Роль главного проектанта выполнял инженер-конструктор и будущий космонавт Константин Феоктистов. Серьезную помощь в этой работе ему оказывал и Михаил Тихонравов.
В апреле 1959 года ими был выпущен секретный «Эскизный проект корабля Восток», а в мае появились первые баллистические расчеты с вариантами спуска с орбиты.
В качестве ракеты-носителя была выбрана межконтинентальная ракета «Р-7» с дополнительным ракетным блоком (третьей ступенью), получившим обозначение «Е».
Создание трехступенчатой ракеты-носителя на базе «Р-7» предусматривалось постановлением правительства от 20 марта 1958 года с целью достижения второй космической скорости и доставки лунной станции на Луну (первый вариант) или облет ею Луны (второй вариант).
Эскизный проект «Блока Е» был выпущен в 1958 году. Он имел начальную массу 8 тонн, массу полезной нагрузки — 350–450 килограммов, тягу двигателя — 5 тонн. Стабилизация «Блока Е» осуществлялась по командам автономной системы управления специальными соплами, работающими на отработанном газе после турбонасосного агрегата. Впервые предусматривалось поперечное деление ступеней ракеты с запуском двигателя в условиях космического пространства.
Работа по созданию двигателя для «Блока Е» проводилась совместно ОКБ Семена Косберга и ОКБ-1 (группа Михаила Мельникова). Систему управления блока разрабатывал НИИ под руководством Николая Пилюгина. Первый пуск ракеты-носителя с лунной станцией «Е-1» состоялся 23 сентября 1958 года. Однако полет завершился аварией ракеты на 87-й секунде полета из-за возникновения возрастающих продольных колебаний. При повторном пуске 12 октября 1958 года ракета опять потерпела аварию на 104-й секунде по той же причине. Физика этого явления была выяснена, и впервые в мировой практике ракетостроения появился демпфер продольных колебаний, встроенный в топливную магистраль двигательной установки.
Пуск 4 декабря 1958 года вновь завершился аварией на 245-й секунде полета из-за дефекта мультипликатора насоса перекиси водорода.
Успех пришел к новой ракете только 2 января 1959 года — старт и полет всех трех ступеней завершились благополучно.
И хотя главную задачу запуска (а согласно программе лунных исследований, аппарат «Е-1» должен был упасть на Луну) выполнить не удалось, советские конструкторы имели все основания торжествовать. При кажущейся скромности габаритов «Е-1» (полезная нагрузка составила всего 361 килограмм) специалистам было понятно, что ракета «Р-7», снабженная третьей ступенью, уже способна вывести на околоземную орбиту контейнер весом в пять тонн. Этого было вполне достаточно для начала экспериментальных пусков с участием человека.
Однако и в Советском Союзе нашлись противники пилотируемой космонавтики. Многие высшие военные не понимали, зачем нужен полет человека в космос, когда превосходство СССР в области космических исследований и так уже всем очевидно. В условиях обоюдостороннего наращивания ракетно-ядерного потенциала расходование сил и средств на «бессмысленный» орбитальный запуск казалось чуть ли не «вредительством».
Помощь пришла с неожиданной стороны. Борис Черток вспоминает:
«Выходить наверх с предложением о полете человека можно было только при поддержке военных: каждая ракета Р-7, необходимая для новых программ, так или иначе шла за их счет. Мы и так злоупотребляли терпением Министерства обороны, пользуясь его полигоном, контингентом военных специалистов и воинских частей для пусков по Луне, Марсу и Венере. [..] Не в первый и не в последний раз косвенную поддержку нашей новой программе оказали американцы. По инициативе ЦРУ они начали разработку спутников-разведчиков.
Фотопленка со спутников Дискавери возвращалась на Землю в специальных капсулах. В этом, надо признать, американцы нас обогнали — мы в 1959 году еще не владели техникой возвращения полезных грузов с орбиты.
Проблема возвращения с орбиты являлась одной из главных и для человека на борту и для материалов фото- и всяческой другой разведки. Объединение интересов явилось причиной выпуска 22 мая 1959 года совершенно секретного постановления правительства по теме «Восток». Этим постановлением на ОКБ-1 возлагалась экспериментальная отработка основных систем и конструкции автоматического спутника-разведчика Разработка ИСЗ для разведки и навигации объявлялась неотложной оборонной задачей.
С помощью Келдыша и Руднева Королеву удалось в это постановление вписать семь слов: «…а также спутника, предназначенного для полета человека».
Такое объединение по тактическим соображениям в одном постановлении двух, казалось бы, совершенно различных задач в дальнейшем привело и к технической унификации основных конструктивных элементов пилотируемым «Востоков» и «Зенитов» — первых фоторазведчиков.
Постановление готовилось аппаратом Госкомитета оборонной промышленности и ВПК с участием Королева и других главных. Оно было без волокиты рассмотрено и подписано Хрущевым. Что означал полет советского человека в космос для престижа страны и доказательств преимуществ социалистической системы, Хрущев понимал лучше самих авторов предложения».
В 1959 году в лаборатории № 24 Летно-исследовательского института (ЛИИ) появился Константин Феоктистов.
Он привез предложение от ОКБ-1 принять участие в разработке пилотируемого космического корабля. Обсуждение этого предложения состоялось в кабинете начальника лаборатории Гая Северина. Феоктистов рассказал, что в настоящее время в качестве основной выбрана схема полета по баллистической суборбитальной траектории. Коллективу лаборатории предстояло заняться проблемой приземления и аварийного спасения космонавта. Сразу возникла идея специальной капсулы, которая могла обеспечить защиту космонавта от высокой температуры, а также стабилизированное снижение до момента выброса парашюта. В результате аэродинамических расчетов и компоновочных прикидок пришли к выводу, что кресло-контейнер должно иметь слегка конический корпус со сферической передней частью и открытой задней, по периметру которой устанавливаются раскрывающиеся щитки — стабилизирующая «юбка». Внутри сидя размещается космонавт, его индивидуальный парашют, кислородная система, носимый аварийный запас (продукты, оружие, медикаменты) и другие системы, необходимые для обеспечения жизнедеятельности и работоспособности.
Требовалось в короткий срок спроектировать и изготовить действующие макеты кресла-контейнера. К работам были привлечены НИИ парашютно-десантных средств и завод «Искра». Первому заказали стабилизирующий парашют кресла-контейнера, основной и запасный парашюты космонавта, второму — все пиротехнические устройства.
Наряду с изготовлением действующих макетов стали оборудовать самолет «Ил-28» для проведения натурных экспериментов.
В середине его фюзеляжа создавалась специальная кабина, куда устанавливался и откуда катапультировался макет кресла-контейнера.
И вот готов первый рабочий экземпляр, проведены все наземные тесты. Катапультирование осуществлялось с высоты 10 километров. Однако парашют почему-то не раскрылся, и макет был разбит. Как потом выяснилось, причиной гибели макета был маленький кусочек стружки, попавший под Ударник пушки, выстреливающей стабилизирующий парашют.
Выстрела не произошло и парашют не раскрылся.
В ЛИИ стали готовить второй макет, но тут изменились условия технического задания. Суборбитальный полет отныне считался неперспективным, и было решено сразу отпрвить человека на орбиту. Для лаборатории Северина это изменение в планах заказчика означало, что необходимость в кресле-контейнере отпадает. Капсулой становилась вся кабина корабля, которую назвали «спускаемым аппаратом». Она должна была обеспечивать защиту космонавта как при нормальном спуске с орбиты, так и при аварии ракеты на больших высотах.
Для спускаемого аппарата была выбрана форма правила ного шара; при надежной теплозащите такой аппарат представлялся наиболее простым и аэродинамикам, и конструторам.
Однако при орбитальном полете по сравнению с суборбитальным увеличивалась степень нагрева спасательного аппарата, поэтому возникли опасения, что выходной люк может быть «заварен» и, если помощь поисковой группы запоздает, находящийся внутри космонавт после приземления погибнет от высокой температуры при прогреве конструкции от раскаленной теплозащиты. Времени на изучение такого процесса не было. Поэтому решили катапультировать космонавта в кресле из спускаемого аппарата перед приземлением на сравнительно небольшой высоте, обеспечив открытие люка мощным механизмом «отстрела».
После детального анализа новых требований к креслу космонавта инженеры ЛИИ пришли к выводу, что их можно полностью удовлетворить, модифицировав уже существующее кресло-контейнер. Для этого необходимы сравнительно небольшие переделки корпуса и снятие передней крышки, парашютные системы и пиромеханизмы оставались теми же. В конечном виде аварийная и штатная схемы покидания корабля «Восток» выглядели следующим образом.
С момента старта до высоты 4 километров в случае ава рии космонавт катапультировался из спускаемого аппарата неотделенного от ракеты, «лицом к потоку». При этом работали пороховые ускорители, через 0,4 секунды выстреливался стабилизирующий парашют, а через 2 секунды — основной, и космонавт отделялся от кресла, имея запасный парашют, который мог раскрыть по своему усмотрению.
При нормальном возвращении с орбиты космонавт катапультировался из свободно летящего спускаемого аппарата спиной к потоку на высоте 7 километров. Пороховые ускорители при этом не работали. Через 0,4 секунды выводился стабилизирующий парашют. Спуск на стабилизирующем парашюте продолжался до высоты 4 километров, где он отделялся и выводился основной парашют. При аварии выше 4 километров на участке выведения спускаемый аппарат отделялся от ракеты, и парашютная система космонавта работала, как и при штатном спуске.
После катапультирования кресла на спускаемом аппарате выводился тормозной парашют площадью 18 м2, а на высоте 4 километров — основной парашют, который обеспечивал приземление аппарата со скоростью 9 м/с. Тормозную двигательную установку «ТДУ-1», обеспечивающую сход космического корабля с орбиты, разрабатывал конструктор Алексей Исаев — тот самый, который когда-то делал «БИ-1». Создание надежной тормозной установки было чрезвычайно ответственным заданием. Вот что вспоминает один из конструкторов космического корабля «Восток»:
«Агрегат А. М. Исаев делал в высшей степени ответственный и, как все ракетные двигателисты, находился при этом в тяжелейшем положении. Для повышения надежности радиоаппаратуру, приборы, системы автоматики и управления можно дублировать, а в отдельных случаях наиболее важные части даже троировать. Двигательные установки никакого дублирования не допускали».
Однако положение Исаева было много сложнее, чем у других разработчиков ракетных двигателей. Конструкторы ЛИИ сделали все, чтобы спасти космонавта, если случится какая-либо неприятность при старте ракеты-носителя, но если откажет тормозная двигательная установка, космический корабль может застрять на орбите. Правда, параметры орбиты корабля «Восток» выбирались так, чтобы за счет естественного торможения он вошел в плотные слои атмосферы не позднее чем через 10 суток — для такой ситуации были предусмотрены дополнительные запасы кислорода, пищи и воды на борту корабля.
В постановлении правительства, выпущенном 10 декабря 1959 года, уже четко была поставлена задача по осуществлению первых полетов человека в космическое пространство.
За три месяца был разработан эскизный проект автоматического спутника «1К». Королев утвердил его 26 апреля 1960 года.
Первый пуск «Изделия 1К» состоялся 15 мая 1960 года.
Спускаемый аппарат первого «1К» не имел теплозащиты и поэтому именовался «1КП». Старт прошел без каких-либо проблем, и первый корабль-спутник был выведен на орбиту высотой 369 километров в апогее и 312 километров — в перигее.
На следующем этапе нужно было проверить тормозную двигательную установку и отработать сход с орбиты.
За ответом, что же произошло дальше, вновь обратимся к мемуарам Бориса Чертока:
«Госкомиссия вместе с главными решила вылететь в Moскву, чтобы быть в центре приема и обработки информации — космической и политической. Надо было использовать эйфорию успеха для форсирования подготовки другах кораблей и решения о полете человека. Предварительно постановили: спуск осуществить 18 или 19 мая. Наш первый спускаемый аппарат — шар — не имел теплозащиты. Поэтому при входе в атмосферу он сгорит все равно. Но процесс ориентации перед торможением, работа ТДУ, вход в атмосферу должны быть проверены.
На эти дни для оперативной работы составлены две группы: в Москве группа «М» во главе с Королевым, который взял на себя общее руководство, и на полигоне группа «Т», руководство которой поручили мне. В группу «Т» вошли представители от каждой системы, подлежащей проверке в космосе.
Преимуществом нашей группы «Т» была возможность непосредственного анализа телеметрической информации, которую мы получали при проходе корабля-спутника через зону видимости первого ИПа. Телеметристы группы «Т» просматривали пленки после каждого сеанса связи совмести но с разработчиками систем. Затем мы собирались все вместе, составляли общее заключение и отправляли его группе «М». Туда сходилась информация со всех измерительных пунктов страны, но только информация, а не сами пленки.
На всех пунктах, кроме «Т», не было возможности для квалифицированного анализа пленок — там не было системных специалистов. Эти обстоятельства привели к конфликту между «Т» и «М». После проведения сеансов-тестов системы ориентации мы усомнились в исправности ИKB (инфракрасной вертикали. — А. П.), предназначенной для ориентации корабля по местной вертикали. Скорость вращения чувствительного к инфракрасному излучению датчика, сканирующего горизонт, от сеанса к сеансу уменьшалась. Наконец мы убедились, что датчик остановился. Видимо, отказал электродвигатель или произошла поломка. В то же время по всем остальным показателям основная система ориентации вела себя нормально. Резервная — солнечная система ориентации при тесте не имела каких-либо противопоказаний для использования. По ВЧ-связи мы советовались и спорили с Раушенбахом, Легостаевым, Башкиным и Хрусталевым, которые настаивали на ориентации перед спуском по основной системе. На совещании группы «Т» молодой инженер отдела Раушенбаха Бранец и заместитель Хрусталева Медведев категорически возражали против использования основной системы.
Убедившись в большом риске ориентации по основной системе, я долго убеждал по ВЧ Королева принять решение о спуске по резервной системе. Он собрал у себя чуть ли не все техническое руководство, советовался с Келдышем, и, несмотря на мои возражения, Госкомиссия постановила спускаться по основной системе. Все указания были выданы на станции КРЛ восточных пунктов, и на борт прошли команды для сеанса ориентации по основной системе и включению в расчетное время ТДУ. В те годы у нас еще не было надежного критерия ГСО — готовности системы ориентации.
Современная техника позволяет с помощью бортовой электронной машины производить диагностику системы и разрешает включение двигателя на коррекцию орбиты или спуск только при наличии признака ГСО. Вмешательство земли требуется только в случае, если в нужное время ГСО не появляется.
До эпохи бортовых вычислительных машин было еще далеко. Наш первый космический корабль по навигационному обеспечению отличался от современных, как каравелла Колумба от атомной подводной лодки.
Команды на борт прошли. ТДУ сработала при непонятном случайном направлении тормозного импульса В последовавшем по этому поводу сообщении ТАСС признавалось, что «тормозная двигательная установка сработала при стабилизации корабля во время работы двигательной установки.
Однако в результате появившейся к этому времени неисправности в одном из приборов системы ориентации корабля-спутника направление тормозного импульса отклонилось от расчетного. В результате вместо уменьшения скорости корабля произошло некоторое ее увеличение и корабль-спутник перешел на новую эллиптическую орбиту, лежащую в прежней плоскости, но имеющую значительно больший апогей.
Отделение герметичной кабины от корабля-спутника произошло, и при этом зарегистрирована нормальная работа системы стабилизации кабины.
В результате первого запуска решен ряд важнейших научных и технических задач. Системы корабля работали нормально и обеспечивали условия, необходимые для будущего полета человека.
Результаты проведенной работы позволяют перейти к дальнейшим этапам испытаний».
Коммюнике было выдержано в спокойном тоне. Но мы на практике убедились (при первом же пуске) в реальной опасности ошибки, по которой будущий космонавт мог остаться на орбите на многие годы.
Вернувшись в Москву, я долго выяснял отношения с коллегами по группе «М». В результате их «упрямства» корабль был заброшен с орбиты в 320 километров на высоту 690 километров.
Там по прогнозу он должен был просуществовать от трех до шести лет…»
В действительности же первый корабль-спутник «1КП» просуществовал на орбите 28 месяцев и 5 дней!
Этот неожиданный результат не смутил и не расстроил Сергея Королева. Впоследствии Константин Бушуев рассказывал, что, возвращаясь 18 мая домой, Сергей Павлович увлеченно рассуждал о первом опыте маневрирования в космосе и в заключение заявил: «А спускаться на Землю корабли когда надо и куда надо у нас будут! Как миленькие будут. В следующий раз посадим обязательно».
Уверенность Королева в конечном успехе полета второго корабля-спутника была столь велика, что в спускаемом аппарате, оснащенном в этот раз теплозащитой, было решено разместить собак с целью возвращения их на Землю для необходимых медико-биологических исследований.