На грани фантастики: о космическом крабле "Восток-1"

История освоения космоса пишется на благо народов Земли. И пока мы пишем сегодня о легендарном "Восток-1" астронавты NASA на "Орионе" уже поставили рекорд по удалению от Земли, завершают свой облет и, дай Бог, вернутся целыми и невридимыми, чтобы провести прес-конференцию в аккурат к Дню Космонавтики. 
Обидно немного, ну и зависть душит.

Контекст

Быть первым - значит не просто совершить действие, а навсегда изменить шкалу человеческих возможностей. Первый полет Юрия Гагарина дал человечеству новую идентичность: мы больше не прикованы к Земле. Законы физики не изменились, но исчез психологический барьер. Норвежцы, первые достигнувшие Южного полюса, первое восхождение на Эверест, первый полет в космос - эти мгновения не только рождают героев, но и открывают путь тысячам последователей. Важно не просто достичь, а доказать: "Это возможно". Именно первый снимает проклятие невозможности, превращая фантастику в инженерное задание. Имя первого остаётся в веках, а второй обречен быть лучшим из остальных.
Обойдемся без патетики и ностальгии - была такая страна, запустившая первой в космос человека на корабле "Восток-1". Вот об этом и поговорим.

Когда 4 октября 1957 года первый спутник забил свои позывные на орбите, Сергей Королёв уже знал: следующий шаг - человек. Но отправить живое существо в ледяной вакуум, через радиационные пояса и огненный вход в атмосферу — задача куда сложнее вывода металлического шара. Главная инженерная проблема звучала как приговор: создать систему, которая защитит хрупкое человеческое тело там, где нет давления, кислорода и привычной температуры. Ошибка означала смерть на глазах всего мира.
Решать эту задачу выпало коллективу ОКБ-1 под руководством Сергея Павловича Королёва. У него не было готовых решений, только опыт создания баллистических ракет и гений инженерной интуиции. Именно Королёв настоял на том, чтобы корабль максимально испытывали в беспилотном режиме, доводя каждую систему до надежности. 

"Восток" должен был победить в борьбе с космосом и в борьбе с Америкой за космос.
Не было возможности делать долго и проводить по шесть подряд успешных испытаний до официальной "постановки на вооружение". Из семи полетов кораблей "Восток" до Гагарина лишь три были успешными и лишь два - вернулись на Землю.

Ракета-носитель

Основой для первого пилотируемого полёта послужила межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 - легендарная "Семёрка", созданная в ОКБ-1 под руководством Сергея Королёва. Но путь к ней начался гораздо раньше, в послевоенной Германии.
После войны советские специалисты вывезли из Тюрингии трофейные ракеты "Фау-2" (А-4) и привлекли немецких инженеров для восстановления ракетной промышленности. В 1946 году в Нордхаузене был создан институт ракетной техники, главным инженером которого назначили Королёва. Там собирали первые "изделия Н", советские копии "Фау-2". Именно с изучения и воспроизведения немецкой ракеты началась советская ракетная школа. Первая отечественная баллистическая ракета Р-1, успешно испытанная в 1948 году, была прямой наследницей "Фау-2". За ней последовали Р-2 с увеличенной дальностью, а затем и Р-5: первая ракета с ядерным зарядом.

Ракета-носитель вообще вещь громоздкая, но вся слава достается, конечно, космическому кораблю. На ракету можно крепить как космический корабль, так и спутник или ядерный заряд - для чего "Семёрку" и разработали. Ее модификации впрочем до сих пор живее всех живых. Семейства ракет на ее основе успели побывать и "Спутником", и "Востоком", который нас интересует. Посмотрим, как тут все устроено.

В 1954 году вышло постановление о создании межконтинентальной баллистической ракеты. Так родилась Р-7 - двухступенчатая ракета "пакетной" схемы: четыре боковых блока (первая ступень) и центральный (вторая). 21 августа 1957 года после нескольких неудачных пусков Р-7 успешно достигла полигона на Камчатке. А 4 октября того же года модификация "Спутник" вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли.

В общем - все сработало.

Для полета человека ракету доработали до индекса 8К72. В отличие от боевого варианта, "Восток" получил систему аварийного спасения (САС) - специальный двигатель на верхушке, который за доли секунды уводил спускаемый аппарат с космонавтом при взрыве на старте. Еще одним отличием стал головной обтекатель, защищавший корабль от аэродинамических нагрузок и нагрева. Четыре боковых блока, представлявших собой первую ступень и центральный (вторая ступень) запускались одновременно на Земле. После выработки топлива боковые блоки сбрасывались, и центральный продолжал выведение "Востока" на орбиту. 
Ее пару слов о надежности: модификации "Семёрки", от "Востока" до "Союза", будут оставаться в эксплуатации более полувека.

Космический корабль

"Восток" состоял из двух основных частей: спускаемого аппарата (СА) и приборно-агрегатного отсека (ПАО). Их соединяли металлические ленты и пироболты, в нужный момент они разрывались, и отсеки расходились. Спускаемый аппарат имел форму шара диаметром 2,3 метра. Сферическая форма была выбрана не случайно: шар не требует ориентации в набегающем потоке и обеспечивает равномерный прогрев теплозащиты при входе в атмосферу. Внутри сферы с трудом помещалось одно катапультируемое кресло космонавта, приборная панель и пульт управления ПУ-7.

Свободного пространства почти не оставалось, пилот был тесно связан с системами корабля. Но на случай непредвиденной задержки спуска на борт заложили запас провизии и воды на десять суток.
Система жизнеобеспечения (СЖО) решала три главные задачи: дыхание, температуру и влажность. Воздух очищался от углекислого газа химическими поглотителями, а недостающий кислород подавался из баллонов. Запас был рассчитан на те же десять суток. Терморегулирование осуществлялось активной системой с радиатором на внешней поверхности ПАО - она отводила излишки тепла, не давая кабине превратиться в печь или холодильник. Приборно-агрегатный отсек имел форму усечённого конуса, в котором размещалась главная "силовая установка" корабля: тормозная двигательная установка (ТДУ-1) массой почти 300 кг, а также двигатели ориентации. Здесь же находились химические серебряно-цинковые батареи, обеспечивавшие электроэнергией все системы, и радиоаппаратура для связи с Землей. 

Сфера имела три люка диаметром 1 метр, размещенных в верхней части. Первый предназначался для технического обслуживания, второй обеспечивал вход и выход космонавта, а третий служил для раскрытия парашютной системы. Внутри конструкции находились три иллюминатора - два из них были вмонтированы в крышки люков.

Управление и автоматика

Главный принцип "Востока" в некотором смысле парадоксален: корабль создавали для человека, но управлять им должен был автоматика.

Врачи опасались, что в невесомости космонавт потеряет работоспособность или сойдет с ума, поэтому все ключевые операции - ориентацию перед торможением и выдачу импульса на спуск - выполняла автоматика по сигналам с Земли. Человек оставался пассажиром, за которым наблюдали датчики. Но умалять значение пилота не стоит. Что там на орбие - не знал никто. Человеческая психика сложней, чем у собак, да и требуется от полноценного пилота куда больше. В первом полете в космос цель ставилась - выжить и вернуться. Впрочем, имелось и ручное управление. Оно существовало как дублирующий канал, но с хитростью. На пульте ПУ-7 имелась кнопка "Ориентация" и команда на торможение, которые блокировались специальным замком.
Чтобы снять блокировку, космонавт должен был набрать на бортовом кодовом замке цифру 125 - код, запечатанный в конверт. Королёв боялся, что в состоянии стресса Гагарин нажмет кнопки случайно. Код ему сообщили перед стартом и конверт так и остался невскрытым.

Ориентация корабля возлагалась на биконическую инфракрасную систему "Чайка", датчики которой сканировали земной горизонт: когда корабль оказывался в нужном положении, автоматика давала команду на включение тормозного двигателя. В ручном режиме космонавт ориентировался визуально через иллюминатор, совмещая специальные метки с линией горизонта.
Именно ручная ориентация спасла полет: автоматика "Чайки" дала сбой, и Гагарину пришлось бы брать управление на себя, если бы не… впрочем, об этом чуть позже. Автоматика и человек на "Востоке" постоянно балансировали в тандеме "кто тут главный".

Самый сложный участок

Выведение на орбиту было триумфом инженерной мысли, но вместе с тем - операцией, многократно отработанной. Возвращение на Землю считалось самой опасной частью полета. Корабль входил в атмосферу на скорости около 8 км/с, и любая ошибка превращала его в огненный метеор. Спускаемый аппарат "Востока" не имел крыльев и не мог планировать, навыки летчика значения не имели. Аппарат шел на посадку по баллистической траектории, то есть падал как ядро, управляемый только силой тяжести и сопротивлением воздуха. Форма шара обеспечивала равномерный нагрев, но не давала подъемной силы. Перегрузки при таком спуске достигали 8–10 g.  Неподготовленный человек мог потерять сознание или получить травмы, но даже у подготовленного, испытывавшего во время тренировок перегрузки до 12 g в центрифуге, все могло пойти не по плану: к физическим перегрузкам добавлялось нервное напряжение.
Поведение человека в невесомости не было достаточно изучено и ученые опасались, что тот мог потерять самообладание. 

Разделение отсеков происходило после включения тормозного двигателя. Пироболты разрывали связи между СА и ПАО, но здесь инженеров ждала неожиданная проблема. В вакууме остаточный газ, расширяясь, создавал "вязкий замок" - отсеки не расходились. Первые испытательные корабли входили в атмосферу вместе с ПАО, что грозило гибелью космонавту. Проблему решили экспериментально: оказалось, что в плотных слоях атмосферы перепад давления сам разрывает соединение. Теплозащита спускаемого аппарата была изготовлена из асботекстолита (слоистого материала на основе асбестовых волокон). При входе в атмосферу внешний слой обгорал и испарялся, унося с собой гигаджоули тепла. Без этой защиты корабль сгорел бы за секунды. Толщина слоя достигла почти 10 см, а площадь ожога составила около 40% от первоначальной толщины.

Гагарин не приземлился внутри корабля. На высоте 7 км автоматика открывала люк спускаемого аппарата, и катапультируемое кресло выбрасывало космонавта наружу. Затем у кресла раскрывался небольшой стабилизирующий парашют, а на высоте 4 км - основной. Парашютная система была дублированной: при отказе основного вступал в действие запасной. Жесткой посадки не существовало, космонавт приземлялся на собственном парашюте со скоростью около 5 м/с, что соответствовало прыжку с небольшой высоты. Сам спускаемый аппарат падал рядом, достигая земли с ударом до 10 м/с. Система катапультирования, хоть и казалась архаичной, оказалась надежнее первых разработок мягкой посадки.

Нештатные ситуации

Первый полет человека в космос мог закончиться трагедией не один раз. Корабль "Восток" столкнулся с  серьезными нештатными ситуациями, и лишь стечение обстоятельств и выдержка Гагарина спасли миссию.
Эти проблемы во многом были порождены спешкой. Американцы буквально наступали на пятки, и советское руководство требовало запустить человека любой ценой. Системы не успели до конца отлаживать - отсюда отказ датчика и проблемы с разделением отсеков. Скафандр СК-1, в котором летел Гагарин, был разработан в экстренном порядке. Он обеспечивал защиту при разгерметизации кабины, но клапаны и шлюзы работали с перебоями. 
А весь полет - под пристальным контролем. В кабине размещались две телекамеры для наблюдения за космонавтом. Двусторонняя радиотелефонная связь с Землей была представлена аппаратурой, работающей в ультракоротковолновом и коротковолновом диапазонах, некоторые основные системы были дублированы, но это обычная практика обеспечения надежности.

Вопросов и с самого начала было множетсво, с самого выбора формы для корабля. Не было уверенности, что шар при падении в атмосфере сохранит нужную ориентацию: опасались, что вращение помешает вовремя задействовать парашют. Кто‑то предложил проверить идею на простой модели - легком шарике для пинг‑понга. Чтобы сместить центр тяжести и создать эксцентриситет, к нему прикрепили небольшой комок пластилина снизу. Эксперимент провели в лестничном пролёте: шарик сбрасывали со второго этажа. Результат оказался однозначным: он неизменно приземлялся на пластилиновую часть. Так на практике подтвердили устойчивость падения.

Полет "Востока-1" подтвердил работоспособность всех ключевых систем: жизнеобеспечения, терморегуляции, ориентации и спуска. Человек выдержал перегрузки, невесомость и психологическое напряжение — это сняло ограничения для дальнейших пилотируемых программ. Стало ясно, что можно планировать длительные экспедиции, стыковки и выход в открытый космос.
Американцы смогли повторить орбитальный полет лишь 20 февраля 1962 года. Джон Гленн приводнился в океане - технически это намного проще.
Конструктивные решения "Востока" нашли применение в других проектах. Военные спутники "Зенит" использовали ту же компоновку спускаемого аппарата и приборного отсека. В корабле "Восход" от катапультирования отказались в пользу системы мягкой посадки — экипаж приземлялся внутри капсулы. Тем не менее именно "Восток" задал архитектуру первого поколения советских пилотируемых кораблей и остается образцом инженерного прагматизма.