.jpg/1280px-Crew_Dragon_at_the_ISS_for_Demo_Mission_1_(cropped).jpg)
Космическая капсула — космический корабль , предназначенный для транспортировки грузов, научных экспериментов и/или астронавтов в космос и из космоса. [1] Капсулы отличаются от других космических кораблей способностью выживать при возвращении и возвращать полезный груз на поверхность Земли с орбиты или суборбиты, а также отличаются от других типов возвращаемых космических кораблей своей тупой формой, отсутствием крыльев и часто содержащим мало топлива, кроме того, что необходимо для безопасного возвращения. Пилотируемые космические корабли на основе капсул , такие как «Союз» или «Орион», часто поддерживаются служебным или адаптерным модулем, а иногда дополняются дополнительным модулем для расширенных космических операций. Капсулы составляют большинство конструкций пилотируемых космических кораблей, хотя один пилотируемый космический самолет , « Спейс Шаттл », летал на орбите.
Текущие примеры пилотируемых космических капсул включают Soyuz , Shenzhou , и Dragon 2 . Примеры новых пилотируемых капсул в настоящее время находятся в разработке, включают NASA's Orion , Boeing's Starliner , российский Orel , индийский Gaganyaan , и китайский Mengzhou . Исторические примеры пилотируемых капсул включают Vostok , Mercury , Voskhod , Gemini , и Apollo , а активные программы включают запуски New Shepard . Пилотируемая космическая капсула должна быть способна поддерживать жизнь в часто сложной тепловой и радиационной среде в вакууме космоса. Она может быть одноразовой (используемой один раз, как Soyuz) или многоразовой (как Crew Dragon ).
«Восток» был первым пилотируемым космическим кораблем Советского Союза . Первым полетом человека в космос стал «Восток-1» , совершенный 12 апреля 1961 года космонавтом Юрием Гагариным .
Первоначально капсула была разработана для использования в качестве платформы для камеры для первой программы шпионских спутников Советского Союза «Зенит» и в качестве пилотируемого космического корабля. Эта конструкция двойного назначения имела решающее значение для получения поддержки Коммунистической партии для этой программы. В конструкции использовался сферический модуль спуска с биконическим модулем спуска, содержащим двигатели управления ориентацией , расходные материалы на орбите и тормозную ракету для завершения орбиты. Базовая конструкция использовалась в течение примерно 40 лет, постепенно адаптируясь для ряда других беспилотных спутников .
Это была одноместная капсула длиной 4,4 метра и диаметром 2,4 метра, весом 4,73 тонны при запуске. [2] Модуль спускаемого аппарата был полностью покрыт абляционным теплозащитным материалом диаметром 2,3 метра (7,5 фута) и весом 2460 килограммов (5420 фунтов). Капсула была покрыта носовым конусом для поддержания профиля с низким сопротивлением при запуске, с цилиндрической внутренней кабиной диаметром приблизительно 1 метр (3,3 фута), почти перпендикулярной продольной оси капсулы. Космонавт сидел в катапультируемом кресле с отдельным парашютом для спасения во время аварийного запуска и приземления во время обычного полета. Капсула имела свой собственный парашют для посадки на землю. Хотя официальные источники утверждали, что Гагарин приземлился внутри своей капсулы, что является требованием для квалификации в качестве первого пилотируемого космического полета в соответствии с правилами Международной авиационной федерации (IAF), позже выяснилось, что все космонавты Востока катапультировались и приземлялись отдельно от капсулы. Капсула обслуживалась коническим модулем оборудования, обращенным назад, длиной 2,25 метра (7,4 фута) и 2,43 метра (8,0 футов), весом 2270 килограммов (5000 фунтов), содержащим азот и кислород для дыхания, батареи, топливо, двигатели ориентации и тормозную ракету. Она могла поддерживать полеты длительностью до десяти дней. [3] Было успешно проведено шесть запусков Востока, последние две пары в одновременных полетах. Самый длительный полет был чуть менее пяти дней, на Востоке-5 14–19 июня 1963 года. [4]
Поскольку двигатели управления ориентацией располагались в приборном модуле, который был сброшен непосредственно перед входом в атмосферу, траектория и ориентация модуля возврата не могли активно контролироваться. Это означало, что капсула должна была быть защищена от тепла при входе со всех сторон, что определяло сферическую конструкцию (в отличие от конической конструкции проекта Mercury , которая позволяла получить максимальный объем при минимальном диаметре теплового экрана). [ необходима цитата ] Во время входа в атмосферу тепло от атмосферного трения настолько велико, что молекулы воздуха вокруг капсулы ионизируются, создавая слой плазмы вокруг капсулы, который блокирует радиосвязь с землей. Однако ионизированные газы в слое плазмы также могут использоваться для создания искусственного радиоокна, позволяя передавать и принимать сигналы связи, несмотря на помехи. [5] Некоторый контроль ориентации капсулы при входе в атмосферу был возможен за счет смещения ее центра тяжести. Правильная ориентация спиной к направлению полета была необходима для того, чтобы наилучшим образом выдерживать , что также максимизировало 8-9 g-силу .
Конструкция «Востока» была изменена для обеспечения возможности перевозки экипажей из нескольких космонавтов и была выполнена в двух полетах программы «Восход» . Цилиндрическая внутренняя кабина была заменена более широкой прямоугольной кабиной, которая могла вместить либо трех космонавтов, сидящих в ряд (Восход-1), либо двух космонавтов с надувным шлюзом между ними, чтобы обеспечить выход в открытый космос (Восход-2). Резервная твердотопливная тормозная ракета была добавлена в верхнюю часть спускаемого модуля. Катапультное кресло «Востока» было удалено для экономии места (таким образом, не было возможности для спасения экипажа в случае аварийного запуска или посадки). Полный космический корабль «Восход» весил 5682 килограмма (12 527 фунтов).
Нехватка места означала, что члены экипажа «Восхода-1» не носили скафандры . [6] Оба члена экипажа «Восхода-2» были в скафандрах, поскольку это подразумевало выход в открытый космос космонавта Алексея Леонова . Шлюзовая камера была необходима, поскольку электрические и экологические системы корабля охлаждались воздухом, а полная разгерметизация капсулы привела бы к перегреву. Шлюзовая камера весила 250 кг (551 фунт 2 унции), имела диаметр 700 мм (28 дюймов), высоту 770 мм (30 дюймов) в сложенном для запуска состоянии. В развернутом состоянии на орбите она была 2,5 м (8 футов 2 дюйма) в длину, имела внутренний диаметр 1 м (3 фута 3 дюйма) и внешний диаметр 1,2 м (3 фута 11 дюймов). Второй член экипажа носил скафандр в качестве меры предосторожности против случайной разгерметизации спускаемого модуля. Шлюзовая камера была сброшена после использования.
Отсутствие катапультных кресел означало, что экипаж «Восхода» должен был возвращаться на Землю внутри своего космического корабля, в отличие от космонавтов «Востока», которые катапультировались и спускались на парашютах по отдельности. В связи с этим была разработана новая система посадки, которая добавила к парашютным стропам небольшую твердотопливную ракету. Она срабатывала, когда спускаемый аппарат приближался к земле, обеспечивая более мягкую посадку.
Программа Mercury была первой пилотируемой космической программой США. Она проводилась с 1958 по 1963 год с целью вывода человека на орбиту вокруг Земли и его безопасного возвращения. Программа использовала небольшую капсулу, прикрепленную к ракете-носителю, для достижения орбиты. Разработка капсулы Mercury началась всерьез после того, как NASA выбрало McDonnell Aircraft Corporation в качестве своего подрядчика в 1959 году. [7] Главным конструктором космического корабля Mercury был Максим Фаже , который начал исследования в области пилотируемых космических полетов во времена NACA. [8] Он был 10,8 футов (3,3 м) в длину и 6,0 футов (1,8 м) в ширину; с добавленной системой аварийного спасения общая длина составила 25,9 футов (7,9 м). [9] При 100 кубических футах (2,8 м 3 ) обитаемого объема капсула была достаточно большой для одного члена экипажа. [10] Внутри было 120 органов управления: 55 электрических переключателей, 30 предохранителей и 35 механических рычагов. [11] Самый тяжелый космический корабль, Mercury-Atlas 9, весил 3000 фунтов (1400 кг) при полной загрузке. [12] Его внешняя оболочка была сделана из René 41 , никелевого сплава, способного выдерживать высокие температуры. [13]
Космический корабль имел форму конуса с горловиной на узком конце. [9] Он имел выпуклое основание, на котором был установлен тепловой экран (элемент 2 на схеме ниже) [14], состоящий из алюминиевых сот , покрытых несколькими слоями стекловолокна . [15] К нему был прикреплен ретропак ( 1 ) [16], состоящий из трех ракет, развернутых для торможения космического корабля во время входа в атмосферу. [17] Между ними находились три малые ракеты для отделения космического корабля от ракеты-носителя при выводе на орбиту. [18] Ремни, удерживающие пакет, можно было разъединить, когда он больше не был нужен. [19] Рядом с теплозащитным экраном находился герметичный отсек экипажа ( 3 ). [20] Внутри астронавт был прикреплен к облегающему сиденью с приборами перед ним и спиной к теплозащитному экрану. [21] Под сиденьем находилась система контроля окружающей среды, которая поставляла кислород и тепло, [22] очищала воздух от CO2 , паров и запахов, а также (в орбитальных полетах) собирала мочу. [23] [n 1] В отсеке для восстановления ( 4 ) [25] на узком конце космического корабля находились три парашюта: тормозной для стабилизации свободного падения и два основных парашюта, основной и запасной. [26] Между теплозащитным экраном и внутренней стенкой отсека для экипажа находилась посадочная юбка, которая раскрывалась путем опускания теплозащитного экрана перед посадкой. [27] Сверху в отсеке для восстановления находилась антенная секция ( 5 ) [28], содержащая как антенны для связи, так и сканеры для ориентации космического корабля. [29] К нему был прикреплен клапан, используемый для обеспечения того, чтобы космический корабль был обращен сначала к теплозащитному экрану во время входа в атмосферу. [30] Система аварийного спасения при запуске ( 6 ) была установлена на узком конце космического корабля [31], содержащем три небольших твердотопливных ракеты, которые могли быть запущены на короткое время в случае неудачного запуска, чтобы безопасно отделить капсулу от ее ускорителя. Она должна была раскрыть парашют капсулы для посадки поблизости в море. [32] (См. также профиль миссии для получения подробной информации.)
Космический корабль «Меркурий» не имел бортового компьютера, вместо этого все вычисления для входа в атмосферу производились компьютерами на Земле, а их результаты (время запуска двигателя и ориентация двигателя) затем передавались на космический корабль по радио во время полета. [33] [34] Все компьютерные системы, используемые в космической программе «Меркурий», размещались в помещениях НАСА на Земле . [33] Компьютерные системы представляли собой компьютеры IBM 701. [35] [36]
США запустили своего первого астронавта «Меркурия» Алана Шепарда в суборбитальный полет почти через месяц после первого пилотируемого орбитального космического полета. Советы смогли запустить второй «Восток» в однодневный полет 6 августа, прежде чем США наконец вывели на орбиту первого американца, Джона Гленна , 20 февраля 1962 года. Соединенные Штаты запустили в общей сложности два пилотируемых суборбитальных корабля «Меркурий» и четыре пилотируемых орбитальных корабля, причем самый длительный полет, «Меркурий-Атлас 9» , совершил 22 витка и продолжался 32 с половиной часа.
Многие компоненты в самой капсуле были доступны через их собственные небольшие дверцы доступа. В отличие от Mercury, Gemini использовал полностью твердотельную электронику, а его модульная конструкция облегчала ремонт. [37] Космический корабль Gemini был предшественником программы Apollo, целью которой была высадка людей на Луну. Он был разработан для проверки новых методов орбитального сближения и стыковки, но также имел улучшения в системах жизнеобеспечения, возвращении космических кораблей и других критических областях. [7]
Система аварийного запуска Gemini не использовала аварийную башню, работающую на твердотопливной ракете , а вместо этого использовала катапультные кресла самолетного типа . Башня была тяжелой и сложной, и инженеры NASA рассудили, что они могут обойтись без нее, поскольку гиперголическое топливо Titan II сгорало бы немедленно при контакте. Взрыв ускорителя Titan II имел меньший взрывной эффект и пламя, чем у Atlas и Saturn, работающих на криогенном топливе. Катапультных кресел было достаточно, чтобы отделить астронавтов от неисправной ракеты-носителя. На больших высотах, где катапультные кресла не могли быть использованы, астронавты возвращались на Землю внутри космического корабля, который отделялся от ракеты-носителя. [38]
Главным сторонником использования катапультных кресел был Чемберлин, которому никогда не нравилась аварийная башня Mercury, и он хотел использовать более простую альтернативу, которая также уменьшила бы вес. Он просмотрел несколько фильмов об авариях Atlas и Titan II ICBM, которые он использовал для оценки приблизительного размера огненного шара, произведенного взорвавшейся ракетой-носителем, и на основании этого он пришел к выводу, что Titan II произведет гораздо меньший взрыв, поэтому космический корабль мог бы обойтись катапультными креслами.
Максим Фаже , конструктор Mercury LES, с другой стороны, был не в восторге от этой установки. Помимо возможности того, что катапультные кресла могут серьезно травмировать астронавтов, они также будут пригодны для использования только в течение примерно 40 секунд после старта, к этому моменту ускоритель достигнет скорости 1 Маха, и катапультирование уже будет невозможно. Он также был обеспокоен тем, что астронавты будут запущены через выхлопную струю Titan, если они катапультируются в полете, и позже добавил: «Лучшее в Gemini было то, что им никогда не приходилось спасаться». [39]
Система катапультирования Gemini никогда не испытывалась с кабиной Gemini, находящейся под давлением чистого кислорода, как это было до запуска. В январе 1967 года фатальный пожар Apollo 1 продемонстрировал, что наполнение космического корабля чистым кислородом создает чрезвычайно опасную опасность возгорания. [40] В устной истории 1997 года астронавт Томас П. Стаффорд прокомментировал прерывание запуска Gemini 6 в декабре 1965 года, когда он и пилот Уолли Ширра едва не катапультировались из космического корабля:
Итак, получается, что мы бы увидели, если бы нам пришлось это сделать, то увидели бы, как погасли две римские свечи, потому что у нас было 15 или 16 фунтов на квадратный дюйм, чистый кислород, и мы находились в нем полтора часа. Вы помните трагический пожар, который у нас был на Мысе. (...) Господи, когда этот пожар и все такое, он бы сжег скафандры. Все было пропитано кислородом. Так что слава Богу. Это было еще одно: НАСА никогда не испытывало его в условиях, которые были бы, если бы им пришлось катапультироваться. У них были некоторые испытания в Чайна-Лейк, где у них был имитированный макет капсулы «Джемини», но они наполнили его азотом. Они не наполняли его кислородом в ходе испытаний с использованием саней. [41]
Gemini был первым космическим аппаратом, перевозящим астронавтов, который включал бортовой компьютер, Gemini Guidance Computer , для облегчения управления и контроля маневров миссии. Этот компьютер, иногда называемый Gemini Spacecraft On-Board Computer (OBC), был очень похож на Saturn Launch Vehicle Digital Computer . Gemini Guidance Computer весил 58,98 фунтов (26,75 кг). Его основная память имела 4096 адресов , каждый из которых содержал 39-битное слово, состоящее из трех 13-битных «слогов». Все числовые данные были 26-битными целыми числами в дополнительном коде (иногда используемыми как числа с фиксированной точкой ), которые либо хранились в первых двух слогах слова, либо в аккумуляторе . Инструкции ( всегда с 4-битным кодом операции и 9-битным операндом) могли находиться в любом слоге. [42] [43] [44] [45]
Космический корабль Apollo был впервые задуман в 1960 году как трехместный корабль для продолжения проекта Mercury, для выполнения нескольких типов миссий: доставка астронавтов на орбитальную космическую станцию , облет Луны или высадка на Луну . В 1960 и 1961 годах NASA запросило проекты технико-экономического обоснования у нескольких компаний, в то время как Faget и Space Task Group работали над собственным проектом, используя коническую/тупую капсулу (Command Module), поддерживаемую цилиндрическим служебным модулем, обеспечивающим электропитание и движение. NASA рассмотрело проекты участников в мае 1961 года, но когда президент Джон Ф. Кеннеди предложил национальные усилия по высадке человека на Луну в 1960-х годах, NASA решило отклонить исследования технико-экономического обоснования и продолжить проект Faget, сосредоточенный на миссии по высадке на Луну. Контракт на строительство Apollo был присужден North American Aviation .
Основной космический корабль Apollo был построен из двух сегментов: командного модуля (CM) и служебного модуля (SM). CM был 154 дюйма (3,91 м) в диаметре и 137 дюймов (3,48 м) в высоту, с массой 5560 кг (12 260 фунтов) при запуске. [46] Служебный модуль был 13 футов (4,0 м) в длину, с общей длиной транспортного средства командно-служебного модуля (CSM) 36 футов 2,5 дюйма (11,04 м), включая колокол двигателя. Двигатель служебного движения на гипергольном топливе был размером 20 500 фунтов-силы (91 000 Н), чтобы поднять CSM с поверхности Луны и отправить его обратно на Землю, используя профиль миссии прямого подъема . Для этого требовалась однократная ракета-носитель, намного большая, чем Saturn V , или же несколько запусков Saturn V, чтобы собрать его на околоземной орбите перед отправкой на Луну.
На раннем этапе профиль миссии прямого восхождения был заменен на рандеву на лунной орбите , дополнив CSM лунным экскурсионным модулем (LM) для доставки двух астронавтов на поверхность Луны. Это уменьшило чистую массу космического корабля, что позволило запустить миссию с помощью одного Saturn V. Поскольку началась значительная работа по разработке проекта, было решено продолжить существующий проект как Block I, в то время как версия Block II, способная к рандеву с LEM, будет разрабатываться параллельно. Помимо добавления стыковочного туннеля и зонда, Block II будет использовать усовершенствования оборудования, основанные на уроках, извлеченных из проекта Block I. Block I будет использоваться для беспилотных испытательных полетов и ограниченного числа пилотируемых полетов на околоземную орбиту. Хотя двигатель служебной установки теперь был больше, чем требовалось, его конструкция не была изменена, поскольку значительная разработка уже велась; однако топливные баки были немного уменьшены, чтобы отразить измененные требования к топливу. Исходя из предпочтений астронавтов, в блоке II CM будет заменена двухсекционная крышка люка с прислонной дверью , выбранная для предотвращения случайного открытия люка, как это произошло во время полета Гаса Гриссома на корабле «Меркурий-Редстоун-4» , на цельный люк, открывающийся наружу, чтобы облегчить выход в конце миссии.
Практика Mercury-Gemini по использованию предстартовой атмосферы с давлением 16,7 фунтов на квадратный дюйм (1150 мбар) чистого кислорода оказалась катастрофической в сочетании с конструкцией люка с запирающейся дверью. Во время участия в предстартовых испытаниях на площадке 27 января 1967 года в рамках подготовки к первому пилотируемому запуску в феврале весь экипаж Apollo 1 — Гриссом, Эдвард Х. Уайт и Роджер Чаффи — погибли в пожаре, охватившем кабину. Запирающаяся дверь не позволила астронавтам выбраться или быть извлеченными до их смерти. Расследование показало, что пожар, вероятно, начался из-за искры от перетертого провода и подпитывался горючими материалами, которых не должно было быть в кабине. Программа пилотируемого полета была отложена, поскольку в конструкцию космического корабля Block II вносились изменения с целью замены чистого кислорода перед запуском на воздушную смесь азота и кислорода, устранения горючих материалов из кабины и скафандров астронавтов, а также герметизации всей электропроводки и коррозионных трубопроводов охлаждающей жидкости.
Космический корабль Block II весил 63 500 фунтов (28 800 кг) с полной заправкой и использовался в четырех пилотируемых испытательных полетах на орбиту Земли и Луны, а также в семи пилотируемых миссиях по посадке на Луну. Модифицированная версия космического корабля также использовалась для перевозки трех экипажей на космическую станцию Skylab и в испытательной миссии Apollo-Soyuz, которая состыковалась с советским космическим кораблем «Союз». Космический корабль Apollo был выведен из эксплуатации после 1974 года.
В 1963 году Королев впервые предложил трехместный космический корабль «Союз» для использования в околоземной орбитальной сборке лунной исследовательской миссии. Советский премьер Никита Хрущев оказал на него давление , чтобы отложить разработку «Союза» для работы над «Восходом», а затем разрешил разработать «Союз» для космической станции и лунных исследовательских миссий. Он использовал небольшую, легкую колоколообразную возвращаемую капсулу с орбитальным модулем экипажа, прикрепленным к ее носу, содержащую большую часть жизненного пространства миссии. Служебный модуль должен был использовать две панели электрических солнечных батарей для выработки электроэнергии и содержать двигатель двигательной установки. Модель 7К-ОК, разработанная для околоземной орбиты, использовала возвращаемый модуль весом 2810 кг (6190 фунтов) размером 2,17 метра (7,1 фута) в диаметре и 2,24 метра (7,3 фута) в длину с внутренним объемом 4,00 кубических метра (141 кубический фут). Сфероидальный орбитальный модуль весом 1100 кг (2400 фунтов) имел размеры 2,25 метра (7,4 фута) в диаметре и 3,45 метра (11,3 фута) в длину со стыковочным зондом, с внутренним объемом 5,00 кубических метров (177 кубических футов). Общая масса космического корабля составляла 6560 килограммов (14 460 фунтов).
Десять из этих кораблей летали с экипажем после смерти Королева с 1967 по 1971 год. Первый ( Союз-1 ) и последний ( Союз-11 ) привели к первым смертельным случаям в космосе. Королев разработал 9850-килограммовый (21 720 фунтов) вариант 7К-ЛОК для использования в лунной миссии, но он никогда не летал с экипажем.
Русские продолжают разрабатывать и эксплуатировать «Союз» по сей день.
Космические капсулы также использовались для научных исследований и экспериментов в космосе. Например, китайский космический корабль «Шэньчжоу» проводил эксперименты в области естественных наук, материаловедения, гидродинамики и мониторинга космической среды. [47] КНР разработала свой космический корабль «Шэньчжоу» в 1990-х годах на основе той же концепции (орбитальный, возвращаемый и сервисный модули), что и «Союз» . Его первый беспилотный испытательный полет состоялся в 1999 году, а первый пилотируемый полет в октябре 2003 года доставил Ян Ливэя на 14 орбит вокруг Земли.
Семиместная капсула SpaceX Dragon 2 впервые была запущена с экипажем на Международную космическую станцию 30 мая 2020 года в рамках миссии Demo-2 для NASA. Хотя изначально она задумывалась как развитие беспилотной капсулы Dragon от SpaceX , которая использовалась для контракта NASA Commercial Resupply Services , требования пилотируемых космических полетов привели к значительному перепроектированию транспортного средства с ограниченной унифицированностью. Капсула Dragon была разработана для многоразового использования. Фактически, SpaceX запускала одну и ту же капсулу Dragon на Международную космическую станцию несколько раз, причем первое успешное повторное использование произошло в июне 2017 года.
Разработанная Blue Origin шестиместная капсула New Shepard — это суборбитальный пилотируемый космический корабль, предназначенный для пилотируемых исследований и космического туризма . Капсула также может летать без экипажа, неся большее количество полезных грузов и экспериментов.