Научно-популярно о космосе и астрономии (lozga) wrote in engineering_ru,
Научно-популярно о космосе и астрономии
lozga
engineering_ru

Такие похожие и такие разные «Союз» и «Аполлон»

01.jpg
15 июля исполнилось 40 лет миссии "Союз-Аполлон", историческому полету, который часто считают окончанием космической гонки. Впервые два корабля, построенные на противоположных полушариях, встретились и состыковались в космосе. "Союз" и "Аполлон" были уже третьим поколением космических аппаратов. К этому моменту конструкторские коллективы уже "набили шишки" на первых экспериментах, и новые корабли должны были находиться в космосе долго и выполнять новые сложные задачи. Думаю, будет интересно посмотреть, к каким техническим решениям пришли коллективы конструкторов.

Введение


Любопытно, но в изначальных планах и "Союзы" и "Аполлоны" должны были стать аппаратами второго поколения. Но в США достаточно быстро осознали, что между последним полетом "Меркурия" и первым полетом "Аполлона" пройдет несколько лет, и для того, чтобы это время не пропало зря, была запущена программа "Джемини". А СССР ответил на "Джемини" своими "Восходами".

Также, для обоих аппаратов главной целью была Луна. США не жалели денег на лунную гонку, потому что до 1966 года СССР имел приоритет во всех значимых космических достижениях. Первый спутник, первые лунные станции, первый человек на орбите и первый человек в открытом космосе - все эти достижения были советскими. Американцы изо всех сил стремились "догнать и перегнать" Советский Союз. А в СССР задача пилотируемой лунной программы на фоне космических побед затмевалась другими насущными задачами, например, надо было догонять США по количеству баллистических ракет. Пилотируемые лунные программы - это отдельный большой разговор, а здесь мы поговорим про аппараты в орбитальной конфигурации, такой, в какой они встретились на орбите 17 июля 1975 года. Также, поскольку корабль "Союз" летает много лет и претерпел множество модификаций, говоря о "Союзе", мы будем иметь в виду версии близкие по времени к полету "Союз-Аполлона".

Средства выведения


Ракета-носитель, про которую обычно редко вспоминают, выводит космический корабль на орбиту и определяет многие его параметры, главными из которых будут максимальный вес и максимальный возможный диаметр.

В СССР для вывода нового корабля на околоземную орбиту решили использовать новую модификацию ракеты семейства "Р-7". На РН "Восход" заменили двигатель третьей ступени на более мощный, что увеличило грузоподъемность с 6 до 7 тонн. Корабль не мог иметь диаметр больше 3 метров, потому что в 60-х годах аналоговые системы управления не могли стабилизировать надкалиберные обтекатели.

02.jpg
Слева схема РН "Союз", справа - старт корабля "Союз-19" миссии "Союз-Аполлон"

В США для орбитальных полетов использовалась специально разработанная для "Аполлонов" РН "Saturn-I" В модификации -I она могла вывести на орбиту 18 тонн, а в модификации -IB - 21 тонну. Диаметр "Сатурна" превышал 6 метров, поэтому ограничения на размер космического корабля были минимальными.

03.jpg
Слева Saturn-IB в разрезе, справа - старт корабля "Apollo" миссии "Союз-Аполлон"

По размерам и весу "Союз" легче, тоньше и меньше "Аполлона". "Союз" весил 6,5-6,8 т. и имел максимальный диаметр 2,72 м. "Аполлон" имел максимальную массу 28 т (в лунном варианте, для околоземных миссий топливные баки были не полностью залиты) и максимальный диаметр 3,9 м.

Внешний вид


04.jpg

"Союз" и "Аполлон" реализовывали ставшую уже стандартной схему деления корабля на отсеки. Оба корабля имели приборно-агрегатный отсек (в США он называется сервисным модулем), спускаемый аппарат (командный модуль). Спускаемый аппарат "Союза" получился очень тесным, поэтому на корабль был добавлен бытовой отсек, который также мог использоваться как шлюзовая камера для выхода в открытый космос. В миссии "Союз-Аполлон" американский корабль также имел третий модуль, специальную шлюзовую камеру для перехода между кораблями.

"Союз" по советской традиции запускался целиком под обтекателем. Это позволяло не заботиться об аэродинамике корабля на выведении и располагать на наружной поверхности хрупкие антенны, датчики, солнечные батареи и прочие элементы. Также, бытовой отсек и спускаемый аппарат покрыты слоем космической теплоизоляции. "Аполлоны" продолжали американскую традицию - аппарат на выведении был закрыт лишь частично, носовую часть прикрывала баллистическая крышка, выполненная конструктивно вместе с системой спасения, а с хвостовой части корабль был закрыт переходником-обтекателем.

05.jpg
"Союз-19" в полете, съемка с борта "Аполлона". Темно-зеленое покрытие - теплоизоляция

06.jpg
"Аполлон", съемка с борта "Союза". На маршевом двигателе, похоже, местами вспучилась краска

07.jpg
"Союз" более поздней модификации в разрезе

08.jpg
"Аполлон" в разрезе

Форма спускаемого аппарата и теплозащита


09.jpg
Спуск корабля "Союз" в атмосфере, вид с земли

Спускаемые аппараты "Союза" и "Аполлона" похожи друг на друга больше, чем это было в предыдущих поколениях космических кораблей. В СССР конструкторы отказались от сферического спускаемого аппарата - при возвращении с Луны он потребовал бы очень узкого коридора входа (максимальная и минимальная высота, между которыми нужно попасть для успешной посадки), создал бы перегрузку свыше 12 g, а район посадки измерялся бы десятками, если не сотнями, километров. Конический спускаемый аппарат создавал подъемную силу при торможении в атмосфере и, поворачиваясь, менял ее направление, управляя полетом. При возвращении с земной орбиты перегрузка снижалась с 9 до 3-5 g, а при возвращении с Луны - с 12 до 7-8 g. Управляемый спуск серьезно расширял коридор входа, повышая надежность посадки, и очень серьезно уменьшал размеры района посадки, облегчая поиск и эвакуацию космонавтов.

10.jpg
Расчет несимметричного обтекания конуса при торможении в атмосфере

11.jpg
Спускаемые аппараты "Союза" и "Аполлона"

Диаметр 4 м, выбранный для "Аполлона", позволил сделать конус с углом полураствора 33°. Такой спускаемый аппарат имеет аэродинамическое качество порядка 0,45, а его боковые стенки практически не нагреваются при торможении. Но его недостатком были две точки устойчивого равновесия - "Аполлон" должен был входить в атмосферу ориентированным дном по направлению полета, потому что в случае входа в атмосферу боком, он мог перевернуться в положение "носом вперед" и погубить астронавтов. Диаметр 2,7 м для "Союза" делал такой конус нерациональным - слишком много места пропадало впустую. Поэтому был создан спускаемый аппарат типа "фара" с углом полураствора всего 7°. Он эффективно использует пространство, имеет только одну точку устойчивого равновесия, но его аэродинамическое качество ниже, порядка 0,3, а для боковых стенок требуется теплозащита.

В качестве теплозащитного покрытия использовались уже освоенные материалы. В СССР применяли фенол-формальдегидные смолы на тканевой основе, а в США - эпоксидную смолу на матрице из стеклопластика. Механизм работы был одинаковый - теплозащита обгорала и разрушалась, создавая дополнительный слой между кораблем и атмосферой, а сгоревшие частицы принимали на себя и уносили тепловую энергию.

12.jpg
Материал теплозащиты "Аполлона" до и после полета

Двигательная система


И "Аполлоны" и "Союзы" имели маршевые двигатели для коррекции орбиты и двигатели ориентации для изменения положения корабля в пространстве и выполнения точных маневров по стыковке. На "Союзе" система орбитального маневрирования была установлена впервые для советских космических кораблей. По каким-то причинам конструкторы выбрали не очень удачную компоновку, когда маршевый двигатель работал от одного топлива (НДМГ+АТ), а двигатели причаливания и ориентации - от другого (перекись водорода). В сочетании с тем, что на "Союзе" баки вмещали 500 кг топлива, а на "Аполлоне" 18 тонн, это привело к разнице запаса характеристической скорости на порядок - "Аполлон" мог изменить свою скорость на 2800 м/с, а "Союз" только на 215 м/с. Больший запас характеристической скорости даже недозаправленного "Аполлона" делал его очевидным кандидатом на активную роль при сближении и стыковке.

13.jpg
Корма "Союза-19", хорошо видны сопла двигателей

14.jpg
Двигатели ориентации "Аполлона" крупным планом

Система посадки


Системы посадки развивали наработки и традиции соответствующих стран. США продолжали сажать корабли на воду. После экспериментов с системами посадки "Меркуриев" и "Джемини" был выбран простой и надежный вариант - на корабле стояли два тормозных и три основных парашюта. Основные парашюты были резервированы, и безопасная посадка обеспечивалась при отказе одного из них. Такой отказ произошел при посадке "Аполлона-15", и ничего страшного не случилось. Резервирование парашютов позволило отказаться от индивидуальных парашютов астронавтов "Меркурия" и катапультных кресел "Джемини".

15.jpg
Схема посадки "Аполлона"

В СССР традиционно сажали корабль на сушу. Идеологически система посадки развивает парашютно-реактивную посадку "Восходов". После сброса крышки парашютного контейнера срабатывают последовательно вытяжной, тормозной и основной парашюты (на случай отказа системы установлен запасной). Корабль спускается на одном парашюте, на высоте 5,8 км сбрасывается теплозащитный экран, а на высоте ~1 м срабатывают реактивные двигатели мягкой посадки (ДМП). Система получилась интересная - работа ДМП создает эффектные кадры, но комфортность посадки изменяется в очень широком диапазоне. Если космонавтам везет, то удар о землю практически неощутим. Если нет, то корабль может чувствительно удариться о землю, а если совсем не повезет, то еще и опрокинется на бок.

16.jpg
Схема посадки

17.jpg
Совершенно нормальная работа ДМП

18.jpg
Дно спускаемого аппарата. Три круга сверху - ДМП, еще три - с противоположной стороны

Система аварийного спасения


Любопытно, но, идя разными путями, СССР и США пришли к одинаковой системе спасения. В случае аварии специальный твердотопливный двигатель, стоявший на самом верху ракеты-носителя, отрывал спускаемый аппарат с космонавтами и уносил его в сторону. Посадка производилась штатными средствами спускаемого аппарата. Такая система спасения оказалась самой хорошей из всех использованных вариантов - она простая, надежная и обеспечивает спасение космонавтов на всех этапах выведения. В реальной аварии она применялась один раз и спасла жизни Владимира Титова и Геннадия Стрекалова, унеся спускаемый аппарат от горящей в стартовом сооружении ракеты.

19.jpg
Слева направо САС "Аполлона", САС "Союза", различные версии САС "Союза"

Система терморегуляции


В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами. Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково:

20.jpg

Средства обеспечения ВКД


И "Аполлоны" и "Союзы" проектировали с учетом возможной необходимости внекорабельной деятельности (выхода в открытый космос). Конструкторские решения также были традиционными для стран - США разгерметизировали весь командный модуль и выходили наружу через стандартный люк, а СССР использовал бытовой отсек в качестве шлюзовой камеры.

21.jpg
ВКД "Аполлона-9"

Система стыковки


И "Союз" и "Аполлон" использовали стыковочное устройство типа "штырь-конус". Поскольку при стыковке активно маневрировал корабль, и на "Союзе" и на "Аполлоне" были установлены штыри. А для программы "Союз-Аполлон", чтобы никому не было обидно, разработали универсальный андрогинный стыковочный агрегат. Андрогинность означала, что могли состыковаться любые два корабля с такими узлами (а не только парные, один со штырем, другой с конусом).

22.jpg
Стыковочный механизм "Аполлона". Он, кстати, использовался и в программе "Союз-Аполлон", с его помощью командный модуль стыковался со шлюзовой камерой

23.jpg
Схема стыковочного механизма "Союза", первая версия

24.jpg
"Союз-19", вид спереди. Хорошо виден стыковочный узел

Кабина и оборудование


По составу оборудования "Аполлон" заметно превосходил "Союз". Прежде всего, в состав оборудования "Аполлона" конструкторы сумели добавить полноценную гиростабилизированную платформу, которая с высокой точностью хранила данные о положении и скорости корабля. Далее, командный модуль имел мощный и гибкий для своего времени компьютер, который при необходимости можно было бы перепрограммировать прямо в полете (и такие случаи известны). Интересной особенностью "Аполлона" было также отдельное рабочее место для астронавигации. Оно использовалось только в космосе и было расположено под ногами астронавтов.

25.jpg
Панель управления, вид с левого кресла

26.jpg
Панель управления. Слева расположены органы управления полетом, по центру - двигателями ориентации, сверху аварийные индикаторы, снизу связь. В правой части индикаторы топлива, водорода и кислорода и управление электропитанием

Несмотря на то, что оборудование "Союза" было проще, оно было самым продвинутым для советских кораблей. На корабле впервые появился бортовой цифровой компьютер, а в состав систем корабля входило оборудование для автоматической стыковки. Впервые в космосе использовались многофункциональные индикаторы на электронно-лучевой трубке.

27.jpg
Панель управления кораблей "Союз"

Панорама спускаемого аппарата корабля "Союз-35"

Система жизнеобеспечения


Система жизнеобеспечения была традиционной для стран. В США использовалась кислородная атмосфера при пониженном давлении, в СССР - кислородно-азотная смесь при атмосферном давлении. Эта ситуация делала невозможной прямую стыковку кораблей. Пришлось делать специальный шлюзовой отсек. Причем если из "Аполлона" в "Союз" можно было перейти очень быстро, то для обратного перехода приходилось три часа сидеть в шлюзовом отсеке, дыша чистым кислородом, чтобы удалить из крови азот. Даже советские комбинезоны становились пожароопасными в атмосфере "Аполлонов", и пришлось разрабатывать специальную ткань, в которой советские космонавты смогли бы навестить "Аполлон". Как показала практика, неудобства кислородной атмосферы перевесили ее достоинства, уже на Спейс Шаттлах атмосфера была близка к земной, и сейчас на чисто кислородной атмосфере никто не летает.
Специфика атмосферы означала, что на старте "Аполлона" астронавты должны были быть в скафандрах. На "Союзах" же летали в спортивных костюмах до катастрофы "Союза-11", после чего для безопасности старт и посадка стали происходить только в скафандрах.
С точки зрения удобства кабина "Союза" маленькая и тесная, но это компенсируется бытовым отсеком.
Бытовые удобства на "Союзе" были заметно лучше - на "Аполлонах" стоял очень некомфортный туалет.

Система электропитания


"Аполлоны" использовали очень удобную для полетов длительностью 2-3 недели систему - топливные элементы. Водород и кислород, соединяясь, вырабатывали энергию, а полученная вода использовалась экипажем. На "Союзах" в разных версиях стояли разные источники энергии. Были варианты с топливными элементами, а для полета "Союз-Аполлон" на корабле установили солнечные батареи.

Заключение


И "Союзы" и "Аполлоны" оказались по-своему очень удачными кораблями. "Аполлоны" успешно слетали к Луне и станции "Скайлэб". А "Союзы" получили крайне долгую и успешную жизнь, став основным кораблем для полетов к орбитальным станциям, с 2011 года они возят на МКС и американских астронавтов, и будут возить их, как минимум, до 2018 года.

Но за этот успех была заплачена очень дорогая цена. И "Союз" и "Аполлон" стали первыми кораблями, в которых погибли люди. Что еще печальнее, если бы конструкторы, инженеры и рабочие меньше спешили и после первых успехов не перестали бы бояться космоса, то Комаров, Добровольский, Волков, Пацаев, Гриссом, Уайт и Чеффи были бы живы.

Дополнительные материалы


Сюжет о программе "Союз-Аполлон" ТВ Роскосмоса


Фильм о программе NASA


P.S> Небольшое объявление. В эту субботу, 25 июля, в Уфе пройдет моя лекция "Луна и лунные программы". Встреча ВК.

Интересно? Подписывайтесь на обновления.
Tags: космос
Subscribe
promo engineering_ru апрель 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 59 comments