Стыковка

Раньше стыковку пытались осуществлять через сутки после старта, но потом обнаружили, что именно в это время у космонавта пик расстройства вестибулярного аппарата — даже если космическая болезнь движения проявляется в слабой форме, все равно координация некоторое время оставляет желать лучшего. Поэтому решили дать возможность экипажу некоторое время адаптироваться к невесомости и стыковку проводить через двое суток Хотя адаптация вестибулярного аппарата в это время еще продолжается, но космонавты более готовы к проведению ответственной операции.

Стыковка, то есть «встреча» космических аппаратов на орбите, когда-то была настоящим чудом. Если говорить простым языком, стыковка — это присоединение двух или нескольких космических аппаратов герметично друг к другу, включая электрические и гидравлические разъемы, и объединение их объемов путем открытия люков. Чтобы осуществить стыковку на орбите, нужно сначала приблизиться к космическому аппарату, с которым необходимо стыковаться. А для этого требуется владение космической навигацией и системой сближения, которая помогала бы двум космическим кораблям найти друг друга в космосе.

Первая автоматическая стыковка на орбите была выполнена космическими аппаратами «Космос-186» и «Космос-188» 30 октября 1967 года. Правда, полной стыковки тогда не получилось — корабли выполнили лишь жесткий механический захват, но и это было уже большим достижением.

Первая успешная стыковка пилотируемых космических кораблей состоялась 16 января 1969 года. Это были корабли «Союз-4» и «Союз-5», в состав экипажей которых входили Владимир Александрович Шаталов, Борис Валентинович Волынов, Алексей Станиславович Елисеев и Евгений Васильевич Хрунов. При этом Хрунов и Елисеев осуществили переход из корабля в корабль через открытый космос. Так фактически была создана на короткое время (четыре с половиной часа) первая в мире космическая станция.

Без стыковки не обходится ни один современный полет в космос. Разработанная в СССР система стыковки оказалась настолько хороша, что американцы установили ее и на своих космических кораблях — «шаттлах», и на модулях космической станции.

Благодаря стыковке корабль доставляет на станцию космонавтов, припасы еды, контейнеры с топливом и другие материалы. Без стыковки не обойтись при подготовке к межпланетным полетам, когда идут сборка космических кораблей на орбите, заправка их топливом и доставка экипажа.

Готовятся к стыковке заранее. В ЦУПе планируются точное время старта корабля, высота и другие параметры орбиты станции, с которой предстоит совершить стыковку. После выведения корабля на орбиту он, как машина, которая перестраивается из одной полосы в другую, выходит на орбиту ожидания. Для этого он сделал — мы помним — два маневра. На вторые сутки, за два витка до встречи, ЦУП вводит в память бортового компьютера корабля информацию о параметрах двух орбит: корабля и станции. При помощи этой информации компьютер определяет путь, по которому корабль будет приближаться к станции — он называется траекторией сближения.

На тридцать втором витке система управления космического корабля приступает к выполнению процесса автономного автоматического сближения. Алгоритмы бортового компьютера корабля «Союз ТМ» самостоятельно рассчитывают необходимые импульсы для выполнения процесса сближения по оптимальным траекториям и для их осуществления выдают необходимые команды в бортовые системы.

Космонавты в корабле надевают скафандры, потому что вероятны нештатные ситуации, в которых произойдет разгерметизация или потребуется срочный спуск. Для иллюстрации расскажем про один случай, который произошел в симметричной ситуации на расстыковке 14 января 1994 года. Рассказывает космонавт Александр Александрович Серебров:

«Расстыковку мы проводили на дневной части витка. Перед спуском мы с Василием Васильевичем Циблиевым обнаружили, что лампа освещения в спускаемом аппарате не светит. Правый иллюминатор у нас был полностью закрыт возвращаемым грузом, а с левого я снял шторку, чтобы посветлее было, коль уж лампа не горит Однако теперь яркое солнце засвечивало Василию приборную доску, поэтому контролировать показания люминесцентных (светящихся) приборов ему было очень сложно. У нас была задача после расстыковки сфотографировать и отснять на видео и фото стыковочный узел для предстоящей стыковки американского „Шаттла“. Для этого я перешел в бытовой отсек И тут новое дело: корабль почему-то не слушался Василия, и нас несло на солнечную батарею станции, в район стыковочных узлов. Мы набирали скорость, сближаясь с „Миром“. Виктор Михайлович Афанасьев, командир сменившего нас экипажа, отдал команду „Всем в корабль!“, когда увидел, что мы летим прямо на них, и правильно — сейчас как разнесет станцию, надо и им срочно на спуск! Да и я думаю: „Кранты!“ У бытового отсека стенки тонкие, хрупкие, и при столкновении он обязательно треснет. Воздух выйдет минуты за две. Понял, что через виток меня вместе с бытовым отсеком отстрелят, а спускаемый аппарат перейдет в баллистический спуск Это все я просчитал мгновенно, да, собственно, и оставались какие-то секунды. Но за метр до станции скорость погасла. Алюминиевая антенна сдемпфировала. Затем последовал удар по солнечной батарее и — страшный грохот! Неужели сорвали у станции батарею? На Земле убьют ведь! Посмотрел — батарея на месте. Стало легче. Станция от удара потеряла ориентацию, потому что гиродины (силовые гироскопы) стали тормозиться. И так удачно получилось, что она повернулась к нам нужным стыковочным узлом. И я отснял всё наилучшим образом. Огляделся — мы чуток порвали экранно-вакуумную теплоизоляцию, с помощью которой поддерживается температурный режим внутри станции, других повреждений не заметил. Перешел обратно в спускаемый аппарат, и мы доложили о случившемся на Землю. Дело было вот в чем. Есть такой тумблер „Управление спускаемым аппаратом“, который должен стоять в положении „1“. Василий видел, что „клювик“ тумблера стоит правильно. Мы должны точно следовать бортинструкции. В ней имелось указание проверить ручку управления ориентацией, а про ручку управления движением, с помощью которой выполняются линейные перемещения корабля, почему-то ничего не было сказано. Иначе мы, конечно, заметили бы неладное. Просто особенность данного конкретного тумблера: его надо было чуть дальше „единички“ в сторону нуля продвинуть (подобные вещи требуется на примерке на Байконуре выявлять, да не заметили). Тем временем Василий дожал-таки тумблер, и корабль снова стал послушным. Мы построили ориентацию на торможение (потом оказалось, хорошо построили: меньше двух килограммов перекиси затратили на спуск)».

А вот как вспоминает об этой ситуации бортинженер Юрий Владимирович Усачев:

«На транспортном корабле включается тормозной двигатель для схода с орбиты. Он (транспортный корабль) увеличивается в размерах, кажется, начинает раскручиваться какая-то пружина — расстояние между нами сокращается все стремительнее. И я понимаю, что если „этому“ суждено случиться, то уход в спускаемый аппарат нас не спасет.

Я замер у иллюминатора. Корабль проносится около нас на расстоянии 30–40 метров!

Это было похоже на фантастику из серии „Звездные войны“. Когда он проскочил, я бросился к иллюминатору в каюте командира, увидел удаляющийся транспортный корабль и почувствовал, что мы были близки к…

И Господь спас нас пятерых — экипажи станции и корабля. Было немного жутковато осознавать, что можно вот так столкнуться, и привет».

Нечто похожее может произойти и на стыковке, потому скафандры обязательны.

Начинается дальний участок сближения. Теперь надо успешно провести космический корабль по выбранной траектории. Это делает система управления сближением. Космонавты контролируют информацию о параметрах сближения, отображаемую на пульте.

Чтобы избежать возможного столкновения со станцией на конечном этапе, сближение осуществляется в так называемую «вынесенную точку». Наверное, опасно прямо с проспекта на скорости зарулить в ворота гаража? Лучше заехать на площадку перед ним («вынесенная точка»), а потом аккуратно поставить машину в гараж. Так и в космосе: корабль ведут к пустому, не занятому, участку пространства примерно в километре от станции.

На расстоянии менее 200 километров радиотехническая система сближения обнаруживает и захватывает «цель». Теперь сближение можно производить более точно, и на дальности 20 километров вынесенную точку приближают к станции — на расстояние 750 метров. Когда расстояние от корабля до станции станет меньше восьми километров, бортовой компьютер переносит и вынесенную точку — теперь она находится на расстоянии всего 300 метров.

Корабль оказался на ближнем участке сближения. Теперь осуществляется облет станции — экипаж корабля подбирается к выбранному стыковочному узлу. При этом есть опасность повредить оборудование, находящееся на станции: с одной стороны — солнечные батареи, с другой — антенны и прочие приборы. Кораблю надо так приблизиться, чтобы ничего не задеть. Поэтому желательно делать это на свету и в зонах радиовидимости ЦУПа и наземных измерительных пунктов. Чтобы светотеневая обстановка благоприятствовала космонавтам при стыковке, стараются к сеансу радиосвязи вывести корабль в окрестность станции на дальность около километра.

За 100–200 метров корабль зависает напротив стыковочного узла, то есть его скорость относительно станции равна нулю. И вот, наконец, он начинает медленно-медленно приближаться к станции — два метра в секунду, чтобы не врезаться или не пролететь мимо нее. Если возникает опасность столкновения, происходит автоматический увод корабля от станции.

Желательно осуществить стыковку с первого раза. Выполнить вторую попытку будет гораздо сложнее. Причаливание осуществляется аккуратно, экипаж как бы подкрадывается к цели. Чтобы стыковочный механизм сработал нормально, необходимо расположить корабль и станцию на одной линии, совсем как ключ от двери перед тем, как вставить его в замочную скважину. Конечно, при этом неминуемо будут возникать боковые смещения и отклонения от оси. Как следствие этого, после сцепки два космических аппарата начинают немного колебаться один относительно другого. Однако эти колебания быстро прекращаются, как говорят, успокаиваются. Чтобы упростить этот процесс, сгладить колебания, предусмотрены амортизаторы.

Стыковка корабля к станции планируется в начале третьих суток его полета (на втором витке третьих суток, то есть на тридцать четвертом витке). Обычно стыковка осуществляется в автоматическом режиме. Приборы и системы, установленные на корабле, действуют по определенной программе, заложенной еще на Земле. Однако бывают случаи, когда командиру экипажа рекомендуется принять управление на себя и осуществить стыковку вручную, а это куда сложнее, чем продеть нитку в иголку. Для ручной стыковки командир использует специальную мишень, расположенную на причале станции. В процессе сближения экипаж осуществляет визуальный контроль стыковки по стыковочной мишени, которая подсвечивается Солнцем или фарой корабля. Наконец следует доклад: «Есть касание!»

«Причал», «причаливание» — термины из словаря моряков. Ничего удивительного — ведь и название «корабль» пришло из морского дела. Да, и в космосе, и в морском порту есть «причал». Однако на космической станции он не такой, как на морском берегу. Прибывшее судно достаточно принайтовить канатами или тросами к чугунному кнехту на причале, и экипаж может по трапу легко покинуть его. В космосе все сложнее. Причаливший космический корабль надо накрепко зафиксировать, плотно присоединить корабль к станции, проверить герметичность перехода и только потом переходить в космическую станцию.

Для этого придумали удобную систему стыковки с внутренним переходом. Она состоит из двух частей. Одна установлена на крышке переходного люка бытового отсека космического корабля, а ее автоматика размещена в самом отсеке. На другом космическом объекте, например станции, которая ожидает прилетающий корабль, находится вторая часть стыковочного устройства. Все операции по стыковке выполняются механизмами корабля, а механизмы станции находятся в ожидании.

Стыковочный механизм корабля представляет собой довольно сложное устройство со штырем, точнее штангой, которая может втягиваться в стыковочный механизм и выдвигаться. Она и выдвинулась, если читатель помнит, после первого витка.

Главная деталь ответной части, находящейся на станции, — приемный конус с гнездом, в которое должен попасть штырь. Сразу точно попасть в гнездо трудновато. Поэтому для облегчения дела перед гнездом расположен металлический конус. Наливая воду из чайника в бутылку, легко промахнуться мимо узкого горлышка, но если вставить в бутылку воронку (а она обычно делается в форме конуса), то струя воды, ударив в стенку воронки, затем неминуемо попадет в горлышко. Так и в стыковочном устройстве: достаточно попасть штырем в конус, и форма воронки сама загонит штырь в гнездо.

Мы не случайно только что сказали, что струя воды ударяет в стенку воронки. Так и для двух космических кораблей любая стыковка начинается с удара. Существует целая наука, называемая теорией удара, без которой разработать систему стыковки в космосе невозможно.

Чтобы сделать удар как можно слабее, надо уменьшить скорость сближения. Соударение штыря и конуса начинается с касания. В этот момент относительная скорость корабля и станции очень мала — обычно около 10 сантиметров в секунду, но не более 35 сантиметров в секунду. Касание и есть первый момент стыковки.

Главное сделали — попали! На конце штанги находится головка, вроде кулачка. На головке сделаны четыре защелки, которые зацепляются в гнезде. Как будто кулачок раскрылся и пальцы зацепились за гнездо. После того как взаимные колебания успокоятся, штанга начинает втягиваться и обе сцепившиеся части стыковочного устройства все плотнее и плотнее прижимаются друг к другу. Это одна из сложных операций, которую надо выполнить. Если ее проделать аккуратно, то стык окажется герметичным благодаря механизму его герметизации, который располагается на стыковочном шпангоуте (еще один морской термин!): он сделан в виде металлического кольца. Такое же кольцо находится и в стыковочном механизме станции. На каждом шпангоуте по восемь замков. После стягивания замки шпангоутов защелкиваются. Объединяются электрические цепи и другие коммуникации корабля и станции.

Специальные резиновые уплотнения не дадут воздуху выходить из корабля и станции. Но герметичность стыка надо проверить с помощью датчиков. И когда космонавты убедятся, что воздух не вырвется наружу, можно открыть внутренние люки и спокойно перейти через внутренний тоннель с корабля на станцию. Процесс этот долгий, занимает около двух часов. Поэтому журналистам, коллегам и родным космонавтов, иностранным гостям, руководителям космической отрасли и другим важным персонам, которые сейчас в ЦУПе внимательно следят за информацией на больших экранах, придется запастись терпением. Но вот, наконец, один из наиболее ответственных этапов полета успешно завершен.

А когда космический корабль уходит от станции, направляясь обратно на Землю, все проделывается в обратном порядке: люки закрываются, замки открываются, штанга выдвигается, штырь и гнездо расцепляются, пружинные толкатели отталкивают корабль от станции, космические аппараты расстыковываются.