КАБИННЫЙ МОДУЛЬ

КАБИННЫЙ МОДУЛЬ

Кабина космического лунного корабля — это частица Земли в мире далеком, неведомом. С поверхности Луны на фоне неба Земля видна как малый диск, который можно закрыть рублевой монетой в вытянутой руке. В этом микропомещении должны быть обеспечены все условия для работы и отдыха человека. Поэтому кабина корабля представляет собой целый комплекс систем, оборудования и агрегатов, задача которых — обеспечить комфортные условия экипажу на всех участках полета.

Первое, что надо было решить: какая будет атмосфера в кабине. Ведь от атмосферы зависит и величина избыточного давления, которая определяет толщину защитных оболочек, а значит, и массу конструкции. Напрашивалась чисто кислородная атмосфера. У наших зарубежных коллег она и была выбрана. Это позволяло иметь по отношению к вакууму давление в кабине примерно 0,4 атмосферы (парциальное давление кислорода). Но это влекло за собой создание специальной арматуры, элементов безопасности, особой технологии производства, обмедненного инструмента и т. д. Опыта в этих вопросах у нас было существенно меньше, чем у американцев. Приняли атмосферу обычную воздушную, которую применяли до этого на всех советских пилотируемых аппаратах. Оставив парциальное давление кислорода без изменений, мы уменьшили содержание азота. В результате давление в кабине было примерно 560 мм ртутного столба. Это существенно облегчало отработку действий экипажа, да и по комфортности практически не проигрывали. Воздушная атмосфера приводила к дополнительным массам, но все понимали, что так будет безопасней и лучше. Позже жизнь подтвердила это.

В разделе «Облик Лунного корабля» мы вкратце описали, как выбиралась форма, образованная плоскими панелями. Но в те времена сделать плоскую панель было проблемой. По трехслойным панелям, скажем, с алюминиевыми сотовыми наполнителями, были только теоретические заделы, именно заделы. Методики их расчета требовали серьезных проверок, а технологическое обеспечение изготовления только разрабатывалось. Делать такие панели путем фрезерования представлялось сложным как в расчетном, так и в технологическом плане. Над нами «висел» придуманный в недрах министерства КИМ (коэффициент использования материала). Уже в семидесятых годах, когда научились использовать стружку от фрезерования, метод фрезерования стал широко практиковаться в авиастроении и полностью себя оправдал. А как нам хотелось сделать хотя бы переднюю стенку из плоской панели! Выбор передней части кабины был особо ответственен, ведь это было место работы космонавта. Нужно было обеспечить необходимые углы обзора как при посадке, так и при стыковке. Особенно тяжело давался сектор обзора при посадке: из иллюминатора должны быть видны район посадки и опорные устройства. В результате долгих споров угол обзора к вертикали был выбран в размере 7°.

Как расположить иллюминатор посадки, каков его размер, не будет ли он «бликовать», не ослепит ли отраженным светом? Эти и многие другие вопросы пришлось решать. В конце концов иллюминатор был выбран с размерами, существенно превышающими все до сих пор существовавшие на космических кораблях. На люк установили коллиматор, на который от системы управления проецировалась точка посадки. С помощью ручки управления космонавт совмещал эту точку с выбранным районом, и корабль шел к цели. Верхний иллюминатор предназначался для обеспечения стыковки. Условия его работы были известны, да и место сразу определили. Снаружи на него установили широкоугольный визир, через который космонавт определял местоположение своего корабля относительно орбитального корабля, расстояние до ЛОКа, необходимые углы маневра.

Обзор — это только зрительное восприятие, нужно еще уметь и управлять кораблем. Для этого надо разработать ручку управления, устройства преобразования и передачи сигнала и систему исполнительных органов. Предметом особой заботы стал выбор ручки управления. Опыт полетов на космических кораблях был очень мал. Обратились к летчикам-испытателям. Помнится, как в конструкторский зал пришли заслуженные летчики-испытатели Ю.А.Гарнаев и М.Л.Галлай. Пригласил их к нам один из сподвижников Королева, человек высокой инженерной эрудиции Е.Ф.Рязанов. «Знакомьтесь, — сказал он, — это летчики-испытатели, летчики, которые одолевали все сложнейшие технические вариации. Вы уже достаточно наспорились между собой. Давайте спросим их, как они представляют себе посадку Лунного корабля. Задавайте вопросы». Сколько вопросов им было задано! И на все наши вопросы были получены обстоятельные, с достаточным обоснованием ответы. Особенно досталось Ю.А.Гарнаеву. Он ведь первый в мире летал на турболете. Вопросы задавали разные: про его ощущения, про маневры над Землей, о необходимых углах обзора, наилучшей позе при управлении, по органам управления и т. д. Им не было конца. Долго расспрашивали его о том, какие необходимы ручки управления. Все сходились на кистевой рукоятке, примерно такой, какая была на корабле «Восток». Но ограниченная подвижность локтевого и плечевого суставов руки в скафандре не позволила установить эту рукоятку в корабль. Здесь рождается пальцевая ручка управления. Требования при управлении исходили из того, что космонавт должен уметь управлять кораблем в условиях разгерметизированной кабины. Наибольшую подвижность в случае, когда раздувался скафандр, имели пальцы. Хотя превышение рабочего давления было всего 0,4 атмосферы, но подвижность кистевого и локтевого суставов существенно уступали пальцам. Принятие пальцевого варианта ручки было необычным, это требовало определенных навыков, приобретаемых путем кропотливых тренировок, но это было уже, как говорится, делом техники.

Как разместить в кабине аппарата экипаж космического корабля?! Этот вопрос с первых полетов человека всегда был предметом особых исследований. Большие перегрузки при взлете и посадке определили наиболее благоприятную, с точки зрения восприятия перегрузок, позу космонавтов. Сегодня практически все знают, что корабли «Союз» комплектуются креслами, индивидуально подогнанными для каждого члена экипажа, при этом поза космонавта такова, что восприятие перегрузок идет в направлении грудь — спина. Для многоразовых крылатых аппаратов, таких как «Спейс Шаттл» или «Буран», поза космонавта осталась той же. Но поскольку условия полета таких аппаратов предусматривают ограничения по допустимым перегрузкам, не превышающим три единицы, кресла в них устанавливаются универсальные. А какое кресло делать в Лунной кабине? Ведь положение космонавта должно быть таково, чтобы обеспечивались стабильное положение его во время работы двигателей, необходимый обзор и управление, а также восприятие возникающих перегрузок. Чуть выше мы уже сказали о вертикальной позе при посадке, но как при такой позе обеспечить выполнение других условий? Требовался особый скафандр. Его разработка была поручена фирме Г.И.Северина. В этом скафандре космонавт должен уметь работать в кабине, спускаться на поверхность, передвигаться по поверхности, переходить через открытый космос в Лунный орбитальный корабль. Для обеспечения необходимой подвижности нужно было сделать минимальным перепад давлений. Давление в скафандре определили, что соответственно определило и атмосферу внутри него. Она стала чисто кислородной.

Рис. 13. Лунный скафандр

Рис. 14. Испытатель в лунном скафандре

Уже позже, через некоторое время, мы услышали о трагедии на стартовой площадке мыса Кеннеди 27 января 1967 г. При испытаниях корабля «Аполлон» в считанные секунды сгорело трое американских космонавтов: В.Гриссом, Э.Уайт, Р.Чаффи. Причиной пожара явилась искра, а дальше кислородная атмосфера сделала свое дело. Да, кислородная атмосфера требовала к себе отношения на «Вы». Это хорошо понимали и разработчики скафандра. Исходя из условий эксплуатации, разработчики выбрали скафандр ранцевого типа (рис. 13, 14). Это означало, что на спине скафандра открывалась «дверь». Через эту «дверь» космонавт забирался в скафандр, закрывался, проверял герметичность, после чего был готов к дальнейшим работам. На этой двери была смонтирована вся система жизнеобеспечения. Дверь была подвешена к жесткой раме, ее-то мы в дальнейшем использовали как элемент силового крепления.

Рис. 16. Система фиксации космонавта в скафандре в лунной кабине

Рис. 17. Рабочее место космонавта в кабине ЛК

Рис. 11. Макет ЛК для отработки входа космонавта

Размеры скафандра были внушительными. Места в кабине было не так уж много. Требовалась разработка специальной системы фиксации космонавта в скафандре. Эта система (рис. 16) должна позволять пройти космонавту на рабочее место (рис. 17), развернуться и жестко зафиксироваться. Фиксации подлежали и ноги космонавта. Таким образом центр масс космонавта был однозначно определен относительно продольной оси корабля и соответственно вектора тяги двигателей. К чему приводит, как его называют разработчики, разбаланс, а именно нахождение экипажа при работающих двигателях в нерасчетной точке, мы уже имели представление. Это было во время полета корабля «Восход-2». Отказала система автоматической посадки. Командир корабля П.И.Беляев взял управление на себя. Он сделал все, что ему было положено и что было детально отработано на Земле. Но хотелось еще лучше. Командир следил, чтобы ориентация корабля не нарушилась во время работы двигателей. Но достичь этого можно было, только сместившись со своего кресла. Этим он «сбил» боковую центровку. В результате корабль приземлился в лесах под Пермью. Целые сутки спасатели добирались до места посадки. Потребовалось прорубить просеку для вывоза спускаемого аппарата и космонавтов.

Размеры скафандра и его форма не позволяли протиснуться в стандартные люки. Они все были круглой формы. Получить круглую форму люка с хорошо обработанными стыковочными поверхностями довольно просто, используя токарный или карусельный станок. Но для прохода лунного скафандра необходим был такой диаметр люка, при котором не нарушалась бы силовая схема корабля. Нужно было искать что-то нестандартное. Родился проект входного люка овальной формы. На чертеже все выглядело довольно просто:

Раздвинь две половины круга, сделай прямолинейные участки и готово. Но изготовление требовало сложнейших фрезерных работ да еще особых приспособлений при вварке люка в оболочку кабины. Такое применялось в нашей отечественной космической технологии впервые. Технологам пришлось хорошенько попотеть. Но задача оказалась решаемой, и проект овального люка был утвержден (рис. 18, 19, 20, 21, 22).

Рис. 18. Первые шаги по пути в ЛК

Рис. 19. Отработка прохода космонавта в люк кабины ЛК

Рис. 20. Отработка прохода космонавта через люк кабины ЛК

Скафандр ранцевого типа был отработан достаточно хорошо. Позднее он нашел свое применение в программах по орбитальным станциям.

Оснащение кабины проходило по только что создававшимся правилам космической эргономики. Удобство работы было главным при оборудовании кабины. Надо было устанавливать целый ряд систем, с которыми космонавту надлежало работать. Практически все системы, кроме автоматического режима, имели ручной. Управление всеми ручными операциями производилось с пульта космонавта. Его разработка велась под руководством главного конструктора С.А.Бородина. Расположить пульт перед космонавтом по типу щитка управления на автомобиле не представлялось возможным, так как все свободное пространство занимал иллюминатор. Пришлось разместить пульт справа от иллюминатора, в зоне, где космонавт мог работать с ним правой рукой. На пульте расположили даже глобус Земли.

Безусловно, посадка человека на другой планете даже сегодня кажется фантастической. Проектирование ЛК, как и других отечественных кораблей, велось так, чтобы выполнение программы осуществлялось практически без участия человека. Так проектировались корабль Ю.А.Гагарина «Восток», корабль «Союз». А здесь посадка на Луну! Какое психологическое состояние будет у космонавта? Да еще когда нет рядом партнера, способного помочь в любую минуту. Поэтому перед разработчиками Лунного корабля стояла еще одна сложнейшая задача: совершить посадку на Луну, взлет и стыковку с орбитальным кораблем в автоматическом режиме. Были даже придуманы особые лебедки, затаскивающие космонавта в кабину в случае потери им работоспособности на Луне. Контроль работы систем корабля и самочувствия космонавта проводила телевизионная камера, висевшая над головой космонавта.

Перед выходом из кабины нужно было сбросить давление из нее, так как прижимающая сила внутреннего давления на выходной люк была настолько большой, что космонавту открыть его явно не хватило бы сил. Здесь нужно сказать, что роль специальной шлюзовой камеры, такой как на станции «Мир» и на кораблях «Спейс Шаттл», «Буран», выполняла сама кабина космонавтов. Поэтому установили специальный клапан сброса давления из кабины. Им управляли вручную. Время пребывания на поверхности Луны было определено в несколько часов. Это обуславливало только один выход космонавта на поверхность Луны.

Но независимо от этого нужно было создать специальную систему шлюзования, которая позволяла бы с учетом аварийных ситуаций проводить наддув кабины несколько раз. Современная жилая комната на Земле всегда оборудована средствами подогрева и охлаждения. В зависимости от погоды включается отопление или кондиционер. В лунной кабине эту роль выполняли элементы общей системы терморегулирования корабля: газожидкостной теплообменник и вентилятор. Они-то и поддерживали необходимый климат внутри по сигналам соответствующих датчиков.

В основную внутрикабинную систему входит также система обеспечения газового состава, назначение которой — подавать свежий воздух и убирать вредные примеси. Воздух из баллонов высокого давления через редуктор, который понижал давление до атмосферного, подавался в кабину через соответствующий клапан. Это можно было делать как вручную, так и по командам с Земли. А для поглощения выделяемых примесей использовались специальные поглотительные патроны. При ограниченном времени пребывания в кабине их эффективность была вполне достаточной.

Наружный корпус кабины использовался для размещения различных элементов корабля: антенн, баков с кислородом, агрегатов системы терморегулирования, двигателей ориентации и других элементов. Про блок двигателей ориентации мы расскажем отдельно.

А пока остановимся на довольно крупном агрегате системы терморегулирования. Уже говорилось о кольцевом радиаторе системы. Но его эффективность, несмотря на самое выгодное расположение, при активной работе тепловыделяющих систем была недостаточной. Поэтому во время пиковых нагрузок включался испарительный агрегат. За счет испарения воды происходило охлаждение радиатора единого контура системы терморегулирования (СТР) корабля. Этот агрегат разрабатывался на фирме Г.И.Воронина. Его разработка уникальна и, как сейчас говорят, применение его в конверсии дало бы хорошие результаты. Универсальность позволяла использовать его на любых космических объектах.

В кабинный модуль входил и приборный отсек. Сколько было споров как размещать аппаратуру: в виде отдельных приборов (мы называли это россыпью) или в виде цельных моноблоков? До сих пор наши смежники поставляли приборы россыпью: вычислитель, преобразователь, блок логики и т. д. Выбранная силовая схема приборного отсека, да и ограниченный его объем говорили за моноблочную схему. Пришлось выдержать не один бой с разработчиками. Ведь им передавались не свойственные для этих предприятий функции: обеспечение теплового режима внутри моноблока, разработка силовой рамы, внутриблочных связей и т. д. Но мы были стойкими в своих требованиях, и в результате в приборном отсеке появились моноблок системы управления, моноблок радиотехнических систем, моноблок системы управления бортовым комплексом и моноблок агрегатов автоматики системы энергоснабжения и элементов СТР. А на оставшихся местах на приборной раме разместили отдельные элементы автоматики и клапанов СТР, электронные блоки системы стыковки и прилунения, блоки управления навигационными приборами и т. д.

Вдруг что-то произойдет от удара? Это не давало покоя. Для исключения этого «вдруг» ко всей аппаратуре предъявили требование работать как в комфортных условиях — герметичных, с обеспечением щадящих температурных условий, так и в вакууме. Правда, это был аварийный режим. Переход на аварийный режим требовал срочного взлета и стыковки Лунного корабля с орбитальным кораблем.

Установить такую «корявую» кабину экипажа, чтобы ее центр масс был точно на центральной оси или оси, через которую проходит тяга двигателей, было очень трудно. Нужно было сделать специальное балансировочное поле. Так и сделали. Относительно ракетного блока весь кабинный модуль мог перемещаться на расстояние до 30 мм в любую сторону. Это оказалось возможным благодаря использованию специальных цилиндрических стаканов, которые ввели в конструкцию вынужденно. А дело было так. Когда мы уже стали задыхаться от нехватки выделенной массы, наши коллеги расчетчики нас осчастливили и добавили массу. Добавили, когда уже конструкция всего корабля была «завязана», т. е. выполнены и отработаны силовые агрегаты. Пришлось поднимать кабину. Здесь-то и появились эти стаканы. Подумали-подумали, а почему бы их не использовать как балансировочные площадки. Просчитали. Получилось. Нет худа без добра!

На верхних кронштейнах, где крепился блок двигателей, эти балансировочные поля были повторены. Это была, как мы называли, «грубая» центровка. При разработках появляются различные моменты, которые могут смещать центр масс уже после изготовления. Требовались еще элементы, позволяющие выправить центровку. Ими стали две химические батареи системы электропитания, размещенные снаружи на приборном отсеке. На раме для их крепления сделали специальные дополнительные места установок, и после определения фактического центра масс, можно было без особых хлопот, переставляя батареи, достигать требуемую центровку.

С другой стороны на цилиндрической части кабины была вварена герметичная плата, через которую проходили коммуникации к остающейся на Луне части корабля. Сюда и подходила, получившая у нас название «кабель-мачта», по аналогии со стартовыми устройствами. Перед взлетом корабля она отстреливалась и отводилась путем поворота от взлетной части.

В верхней части переходного отсека снаружи устанавливались на специальной плате чувствительные элементы системы управления — два датчика: солнечно-звездный и звездный. Их плата опиралась на бобышки цилиндрической части, на которых внутри отсека крепилась гироплатформа. Это позволяло свести к минимуму ошибки информации от взаимных погрешностей, точности требовались секундные, иначе можно было не прилететь в зону стыковки с Лунным орбитальным кораблем.