ПАРАШЮТЫ НА КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЯХ

Система приземления является бортовой системой для обеспечения заданных условий посадки на поверхность Земли космических аппаратов или их спускаемых частей с обязательным применением парашютной системы. Система приземления вступает в действие на заключительном участке спуска. Парашютная система состоит из парашютных куполов, подвесного устройства с силовыми узлами крепления его к корпусу космических аппаратов, механизма введения парашюта (или парашютов) в поток. По характеру срабатывания парашютные системы делят­ся на одно — и многокаскадные.

Однокаскадная парашютная система состоит из одного парашютного купола, вводимого в поток системой отделения, например путем отстрела крышки люка пиросистемой (стреляющим механизмом). Многокаскадная система состоит из не­скольких последовательно вводимых парашютных куполов: вытяжного, предназна­ченного для стабилизации корабля и введения в поток тормозного купола; тормозного — для снижения скорости движения космического аппарата до значе­ний, допускаемых для введения в поток основного купола; основного — для гаше­ния скорости парашютирования космических аппаратов до расчетных значений. Иногда основной купол используется в режиме тормозного парашюта, при этом купол рифуется (обжимается), т. е. искусственно уменьшается его площадь и изменяется его форма с помощью рифовочной стропы (на участке работы основного купола рифовочная стропа перерезается) (рис. 9). На некоторых космических аппаратах имеется запасная парашютная система на случай выхода из строя основной.

Оптимизация парашютной системы достигается выбором геометрической фор­мы куполов, тканей для куполов, режимов их наполнения. Куполы, стропы и стренги парашютных систем изготовляются из высокопрочных тканей на основе капронового или нейлонового волокна; иногда применяется стекловолокно и другие органические и неорганические материалы.

При разработке парашютных систем конструкторы стремятся к снижению удельной массы ткани, силовых элементов парашютной системы, к повышению плотности укладки куполов, строп и т. п.

Парашютные системы нашли применение в космических кораблях «Восток», «Восход», «Союз», «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» и некоторых беспилотных

Рис. 9. Схема приземления спускаемого аппарата космического корабля «Восток» с катапультированием космонавта и спуском его на парашюте: /—отстрел люка и катапультирование космонавта на высоте 7 км; 2 — отделение вытяжного, введение основного парашютов и отделение космонавта от кресла на высоте 4 км; 3 — отстрел люка и ввод тормозного парашюта спускаемого аппарата на высоте 4 км; 4 — отделение тор­мозного и введение основного парашютов спускаемого аппарата на высоте 2,5 км; 5—отделение НАЗа; 6 — приземление космонавта

кораблях; они используются также для спасения первых ступеней некоторых ракет-носителей (таких, как корабль «Спейс шаттл») и снижения посадочной скорости космических кораблей самолетного типа. Например, на трехместном космическом корабле «Аполлон», предназначенном для полетов на Луну, система приземления состоит из двух тормозных парашютов площадью по 3 м2 и трех основных — по 26,8 м2 .

Системы, подобные парашютным, используются также в космических аппара­тах, совершающих посадки на планеты, имеющие атмосферу.

Кроме основных систем приземления почти все космические корабли снабжены системами аварийного спасения (САС) (рис. 10). При возникновении ситуации, в которой становится невозможным выведение космического корабля на орбиту

Рис. 10. Система аварийного спасения орбиталь-
ного отсека с космонавтом:

1—носовой обтекатель с контейнерами парашютов; 2, 3 — блоки твердотопливных двигателей соответственно / и II ступеней; 4 — обтекатель двигателей II ступени; 5 — орби­тальный отсек дли космонавтов; 6 — стыковочные узлы с ракетой-носителем

искусственного спутника Земли, например при аварии ракеты-носителя, а также при созда­нии угрозы безопасности экипажу на старте САС принудительно удаляет кабину с экипажем на безопасное расстояние от ракеты-носителя.

В условиях аварии ракеты-носителя на участ­ке вывода на орбиту (при времени полета примерно 120…180 с) спасение экипажа может осуществляться аварийным отделением спускае­мого аппарата (на космических кораблях «Союз», «Меркурий» и «Аполлон») или ката­пультированием экипажа в креслах (на кос­мических кораблях «Восток», «Джемини»),

По первой схеме спускаемый аппарат с по­мощью двигательной установки САС отво­дится на безопасное расстояние от ракеты — носителя при аварии на старте или в самом на­чале траектории.

Двигательная установка обеспечивает подъем спускаемого аппарата на высоту 1,5 км, дос­таточную для включения и работы системы приземления. Двигательная установка связана со спускаемым аппаратом через элементы головного обтекателя (на корабле «Союз» — см. рис. 10) или установлена на спускаемом аппарате (на кораблях «Меркурий», «Аполлон» и «Вос­ток»). При нормальном полете после прохож­дения участка больших скоростных напоров дви­гательная установка сбрасывается.

По второй схеме для увода спускаемого аппарата от ракеты-носителя применяются ракет­ные ускорители на катапультируемых креслах космонавтов. В дальнейшем космонавты при­земляются на индивидуальных парашютах (см. рис. 9).

Один из вариантов применения САС описан в газете «Красная Звезда» от 30 мая 1987 г. Это был случай применения советской САС, происшедший 27 сентября 1983 г., когда готовился к старту космический корабль «Союз», на котором находились космонавты В. Г. Титов и Г. М. Стрекалов.

Тщательная подготовка космической техники с многократной автоматической проверкой, значительно усложнившейся в настоящее время, предусматривает слу­чайности, которые могут создать чрезвычайные обстоятельства, когда бывают необходимы средства для спасения жизни космонавтов. Так, на первых косми­ческих кораблях «Восток», на которых летали космонавты Ю. А. Гагарин, Г. С. Титов, А. Г. Николаев, П. Р. Попович, В. Ф. Быковский и В. В. Те­решкова, были установлены катапультные кресла. Их применение предусматри­валось как в случае аварии, так и для приземления в нормальных условиях после завершения полета. Космонавт размещался в катапультном кресле. Так он совершал старт, полет на орбите, а после завершения задания, в процессе подготовки к возвращению на землю космонавт принимал изготовочную позу, фиксировался в кресле и после входа в плотные слои атмосферы, снизившись до высоты 2…3 км, катапультировался. Через заданное время космонавт отделялся от кресла и дальше спускался на личном парашюте. Кабина в то время еще не была оборудована системой мягкой посадки, и потому приземление ее происходило с большими перегрузками. Для снижения до переносимых перегрузок необхо­димо было ее оборудовать парашютной системой очень больших размеров. Ка­бина же была оборудована только парашютом таких размеров, чтобы при сопри­косновении с землей не была повреждена находящаяся там аппаратура.

В дальнейшем была создана САС, которая обеспечивала приземление космо­навтов вместе с кабиной, без применения катапульт. Такая система и была при­менена 27 сентября 1983 г. Эта САС представляет собой устройство, состоящее из ряда твердотопливных двигателей, опоясывающих корпус спускаемого аппарата, образуя своеобразную «юбку». Для обеспечения стабилизации аппарата при сни­жении, после отделения от космического корабля, имеется специальное устрой­ство в виде решетки, которая до отделения САС прижата к корпусу. Все устройство вместе со специальной системой автоматики и составляет САС.

Вот как описал применение этой системы космонавт В. Г. Титов: «Объявили полуторачасовую готовность. Ведется проверка систем… Наконец проверка за­кончена…

Быстро ли летело предстартовое время или плыло неторопливо, соразмерно тем многочисленным операциям, которые предстояло выполнить? Трудно сказать. Там, в корабле, порой за несколько коротких секунд можно пройти расстояние в несколько лет. Но отдаться воспоминаниям не успеваешь. Когда летал первый раз, ожидание было иное, не терпелось все испытать… впереди загадочная необычность. Второй раз осознанное предвкушение вхождения в невесомость. Обычно советуют не думать об ощущениях, думать о работе, и все стабили­зируется…

Идет отсчет последних секунд… Ждем легкого толчка и появления гула внизу. Он оповестит о выходе двигателя на режим. Секунда, другая…

Ожидание привычного не сбывалось. Даже после еще какого-то времени. Почувствовал, что ракету качнуло. Подумал: ветер рванул. Прошла волна легкой вибрации, которая не понравилась. Вибрация уменьшилась, а затем пошла вторая волна. Она быстро нарастала. И вдруг — сильный рывок. «Взрыв»,— обожгла мысль. Но поддаться ей не успел… Приглушенный треск вернул к действительности. Это рвались пиропатроны САС, включаемые автоматикой САС. На какой-то миг оцепенел, но тут же понял: что-то происходит не штатно. Сбросился обте­катель… Надо запомнить в деталях все происходящее и как можно больше задиктовать на магнитофон. Слышим голос, но уже и сами поняли: сработала система аварийного спасения.

Теперь все шло штатно. Открылся парашют, началось легкое покачивание. Сели на днище. В левый иллюминатор видим горящий старт. Снова слышим голос: «Спокойно, ребята, все нормально. Сейчас к вам подойдут и помогут выйти из корабля…»

И тут вспомнились слова Гагарина: «Все мы — испытатели, и каждому прихо­дится что-то делать первый раз… Так оно и будет».

Система аварийного спасения сработала четко. Автоматика не подвела.

Все длилось считанные секунды. Система спасения за эти секунды была испытана в реальных условиях».

После известной катастрофы американского корабля «Челленджер» в январе 1986 г., когда на 25-м старте корабля типа «Спейс шаттл» погибло семь астронавтов, NACA решило оснастить орбитальные ступени МВКА «Спейс шаттл» средствами аварийного покидания. Была выбрана САС космонавтов для покидания орбиталь­ной ступени (ОС) «Спейс шаттл» в условиях управляемого планирующего полета в диапазоне высот 3350—7300 м. Эта система представляет собой телескопическую штангу, выдвигаемую через люк ОС после отстреливания крышки. С помощью специального кольцевого устройства космонавты при покидании аппарата будут скользить по выдвигаемой штанге и смогут избежать столкновения с крылом или другими элементами конструкции ОС до раскрытия парашюта.

Телескопическая штанга из коррозионно-стойкой стали диаметром 0,76 м имеет длину 3,0…3,2 м и состоит из двух секций, раздвигаемых с помощью нагружен­ной пружины. При подготовке к покиданию аппарата каждый космонавт надевает на штангу специальную кольцевую стропу из композиционного материала кевлар, которая имеет четыре ролика с игольчатыми подшипниками, обеспечивающими мягкое скольжение по штанге и стабилизацию направления движения космонавта. Кольцевая стропа вручную пристегивается к лямке, вшитой в подвесную систему парашюта около правого плеча космонавта. При покидании ОС космонавт держит лямку правой рукой, подгибает колени при проходе через люк и вываливается из него. Лямка длиной 0,35 м для крепления кольцевой стропы складывается вдвое; она крепится отрывной строчкой, которая разрывается при определенном усилии. Разрывное действие позволяет сложенной вдвое лямке раскладываться с заранее определенной скоростью, что служит своеобразным амортизатором, снижающим нагрузки воздушного потока на космонавта при его скольжении по штанге.

По сравнению с САС, использующей вытяжные ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ), применение телескопической штанги считается более безопасным и более приемлемым по критерию стоимости — эффективности для условий эксплу­атации МВКА «Спейс шаттл». Выбранная система проще, легче и требует меньше места для размещения. Считают, что она позволит покидать аппарат быстрее, чем при наличии вытяжных РДТТ. Проведенные наземные испытания с моделированием покидания ОС показали, что при использовании выдвижной штан­ги все члены экипажа могут покинуть аппарат в течение 90…100 с, а в случае применения вытяжных РДТТ это время составит 112 с.

Однако наличие выбранной САС требует, чтобы все космонавты были одеты в специальные (противоперегрузочные) костюмы с аварийным запасом кислорода, парашютом, поплавковым устройством и комплектом жизнеобеспечения.

САС с выдвижной штангой была выбрана после испытания в течение несколь­ких месяцев двух предложенных систем. В процессе этих испытаний на моди­фицированном самолете С-141В при скоростях полета 240…370 км/ч было соверше­но 66 покиданий самолета парашютистами-добровольцами ВМС. В этих испыта­ниях использовалась монолитная штанга длиной 2,95 м, которая выдвигалась через левый люк десантирования и изгибалась вниз и назад относительно самолета. Штанга эффективно фиксировала начальный участок траектории движения пара­шютистов с тем, чтобы они не коснулись конструкции самолета.

В июне 1988 г. проводились несколько серий сокращенных испытаний по сертификации эксплуатационного образца телескопической штанги и летных образ­цов комплекта оборудования космонавтов (подвесная система, парашюты и др.). В этих испытаниях тоже были использованы модифицированные самолеты С-141В.

Летный образец двухсекционной штанги был установлен на ОС «Дискавери» в июле 1988 г. Полет этой ступени в составе МВКА «Спейс шаттл» произведен 4 августа 1988 г. успешно — к средствам спасения прибегать не пришлось. Наличие на борту САС, безусловно, придало уверенность экипажу.

Франция с середины 1970-х гг. совместно с Англией и ФРГ разрабатывает
высотно-космический самолет (ВКС) «Гермес», который будет выводиться на орби­ту ракетой-носителем «Ариан». ВКС «Гермес» должен быть оснащен принципи­ально новой САС экипажа, которая может применяться только в атмосфере на участках выведения и возвращения на Землю. САС предусматривает исполь­зование отделяемой от ВКС кабины экипажа (рис. 11), которая приземляется с помощью парашютов и системы мягкой посадки. Герметизированная отделяе­мая кабина массой 2,5 т может отстреливаться от аппарата по наклонной плоскости с помощью РДТТ массой 350…500 кг, который за 4 с создает тягу 25 т.

После отделения кабины от ВКС в атмосфере небольшие РДТТ с регулируемым вектором тяги ориентируют кабину на траектории возвращения. Воздушные тормоза уменьшают скорость полета кабины, а стабилизация полета обеспечи­вается при помощи небольшого парашюта и «эффекта поперечного V» кабины. После уменьшения скорости до 10 м/с вытяжной блок парашютов приводит в действие основную парашютную систему площадью 400 м2, раскрывающуюся в два этапа и обеспечивающую горизонтальное положение кабины. В системе мягкой посадки предусматривается применение тормозных РДТТ и амортизирующих блоков в виде надувных баллонов или деформирующейся конструкции.

Кресла космонавтов оборудуются амортизирующими устройствами. В аварий­ных ситуациях вероятность посадки ВКС на воду может составлять не более 0,7, гер­метичность обеспечивается в течение 6 ч.

Рис. 11. Схемы срабатывания систе-
мы аварийного спасения ВКС
«Гермес»:

а — отстрел кабины от ВКС; б — выпуск стабилизирующего парашюта; в — стабили­зация и снижение скорости; г — выпуск вы­тяжных парашютов; д — выход куполов ос­новных трех парашютов и отделение вы­тяжных; е — спуск кабины и ее при­земление

Далее ВКС выполняет планирующий полет до района, где возможно отделение кабины экипажа, или за 6…7 мин полета достигает района аварийной посадки в Дакаре (острова Зеленого Мыса), где и совершает приземление. В случае отказа тормозной системы ВКС посадка может быть выполнена при помощи аэрофинишера, как на авианосцах.

Однако при возвращении на Землю и полете ВКС в атмосфере на гипер­звуковых и сверхзвуковых скоростях экипаж может рассчитывать лишь на надеж­ность аппарата, поскольку отделение в аварийной ситуации при спуске в атмосфере возможно лишь после перехода на трансзвуковые и дозвуковые скорости.

На советском космическом корабле многоразового применения «Буран» систе­ма спасения на старте представляет собой трубу от кабины до подземного бункера, расположенного в 100 м от пускового стола. Космонавты и обслужи­вающий персонал в случае необходимости съезжают вниз, в бункер, попадая в одно из 16-ти помещений, массивная стальная дверь автоматически захлопы­вается за ними. Скорость скольжения по трубе ограничивается, перед бунке­ром осуществляется торможение. После старта (до выхода на орбиту) и на посадке космонавты могут использовать в аварийной ситуации катапультные кресла.