186 суток на орбите (спросите у космонавта)

Тим Пик

• Вместе с тремя членами экипажа «Союз» может доставить обратно на Землю 50 кг груза.

• Вес ракеты «Союз» составляет 7150 кг, а КК весит 2950 кг.

• «Союз» может оставаться в космосе в течение 210 дней (пристыкованным к МКС в режиме гибернации).

В:Под действием скольких g вы находитесь в ходе взлета?

О: Величина g (ускорение свободного падения) во время запуска зависит от того, на какой ракете вы летите. Вообще, g – это перегрузка. Каждая ракета имеет свой собственный g-профиль, который описывает ускорение, действующее на ваше тело во время всего полета, и от этого зависит перегрузка. На первый взгляд это может выглядеть немного запутанно. Ниже представлен g-профиль нашего «Союз ТМА-19М» (см. стр. 58).

Итак, почему же на графике мы видим три пика? Все дело в том, что для выхода на орбиту необходимо огромное количество энергии. Для получения этой энергии используется ракетное топливо; оно тяжелое и находится в прочных отсеках. После сгорания топлива эти отсеки уже не нужны, и они отбрасываются, чтобы уменьшить вес ракеты. Это называется «ступенчатость»; ракета «Союз» является трехступенчатой. Для экипажа это означает, что в ходе взлета д, действующее на тело, будет изменяться в зависимости от того, на какой стадии мы находимся и сколько топлива уже потрачено.

Максимальное ускорение развивается на первом этапе, когда работают все четыре ускорителя первой стадии. Это позволяет развить мощность в 9 миллионов лошадиных сил и обеспечить более быстрый разгон, чем у болида Формулы-1.

По мере сгорания топлива ракета становилась легче, но ускорение все равно растет, перевалив за значение 4 g.

Это было удивительное чувство – меня все сильнее вжимало в кресло, мышцы живота напряглись; я сосредоточился на правильной технике дыхания, которую отрабатывал несколько месяцев на тренировках в центрифуге… и одновременно старался удержаться от радостного смеха.

После первого сброса произошел сильный толчок, а затем быстрое замедление. Возникло ощущение, что нас толкнули и теперь мы падаем. Вскоре скорость вновь начала расти, хотя и намного спокойнее, чем на первой стадии. Именно на второй стадии я показал в камеру большой палец. Одной из обязанностей командира в ходе взлета является включение камер, чтобы центральное командование могло видеть всех членов экипажа в разные моменты времени. Когда Юрий включил камеры, ускорение было только 1,5g, поэтому было легко поднять руку и помахать.

Еще один толчок, и произошел сброс второй ступени; остался последний, третий сегмент с топливом, и наш КК на его вершине. Мне показалось, что третий этап был самой волнующей частью. Хотя ускорение не было столь же агрессивным, как на первом этапе, ракета, уже поднявшись в космос, в этой точке была в почти горизонтальном положении. Чувство чистой скорости было ошеломляющим, и я, помню, думал: «Как долго это может продолжаться?» После сброса третьей ступени вновь последовал толчок, а затем стало устрашающе тихо, и вдруг предметы внутри корабля начали парить – мы вышли на орбиту.

В:Когда заканчивается и начинается космос?

О: Официально принято считать, что граница между «небом», или атмосферой Земли, и космосом находится на высоте 100 км. Эта граница называется «линией Кармана» (названа в честь Теодора фон Кармана, венгерско-американского инженера и физика). Но все не так просто. Нашу атмосферу трудно измерить, потому что она становится все тоньше по мере увеличения высоты.

Расстояние в 100 км фактически помещает нас в термосферу, которая простирается от 80 км до 500-1000 км. Таким образом, МКС, вращающаяся вокруг Земли на высоте около 400 км, находится именно в термосфере. Это, конечно, космос, но там все еще есть молекулы газов, составляющих воздух. Тем не менее этот «воздух» настолько разрежен, что одна молекула должна пролететь около одного километра, прежде чем случайно встретиться с другой молекулой (насколько эта молекула одинока, можно понять, зная, что сейчас в ваших легких сейчас находится около 3?10

молекул газа, или 30 000 000 000 000 000 000 000 000 молекул). И все же действия этой крайне разреженной атмосферы достаточно, чтобы создать небольшое сопротивление, которое приводит к тому, что орбита МКС снижается в среднем на два километра каждый месяц. Вот почему МКС должна периодически перестраиваться, иначе она упадет на Землю. Другие спутники, такие, например, как космический телескоп «Хаббл», орбита которого пролегает на высоте около 560 км, также находятся под действием этого сопротивления и медленно опускаются к Земле.

МКС также перемещается в ионосфере, которая включает в себя термосферу и распространяется далее, вплоть до экзосферы. Ионосфера представляет собой слой атмосферы, ионизированный солнечной и космической радиацией; атомы, лишенные электронов, оставляют за собой оболочку из энергетически свободных электронов и положительных ионов, которая окружает Землю. Для нас хорошо то, что ионизированные газы отражают радиоволны в диапазоне; это делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния (в качестве альтернативы вы могли бы, конечно, просто использовать Skype, Face Time, Snapchat…).

Экзосфера простирается до умопомрачительной высоты в 10 000 км, а дальше сливается с солнечным ветром. Космос? Да. Но некоторые ученые считают, что космос начинается на высоте 50 км, на вершине стратосферы, ведь 99 % воздуха в нашей атмосфере находится ниже этой черты. Но Международная федерация астронавтики решила, что линия Кармана будет пролегать на высоте 100 км, где атмосфера Земли настолько ничтожна, что обычные самолеты не могут передвигаться достаточно быстро, чтобы создать аэродинамический подъем.

В:Почему ракетам необходимо двигаться так быстро?

О: Одно дело – попасть в космос, но совсем другое – остаться там. Если двигатель ракеты «Союз» перестанет работать на высоте 100 км, то вы, хотя и попадете в космос, надолго там не задержитесь. Это обусловлено тем, что пока еще не развита достаточная скорость, чтобы остаться на орбите. Вместо этого ракета начнет двигаться по суборбитальной траектории и под действием земного притяжения в конце концов упадет на Землю. Разница между орбитальной и суборбитальной траекторией в том, что при движении по орбитальной траектории скорость настолько велика, что падения не произойдет, поскольку сила притяжения Земли, действующая на корабль, компенсируется кривизной земной поверхности. Вообще, на орбите можно оставаться вечно, если не случится воздействия какой-либо внешней силы. Волшебная скорость, необходимая для того, чтобы удержаться, называется первой космической скоростью и составляет 7,9 км/с, или 28 440 км/ч, – это примерно в десять раз выше скорости пули… вот почему ракетам необходимо двигаться столь быстро!

В:Сколько времени требуется для достижения космоса? – Jake@trislowe

О: Что ж, это зависит от ракеты-носителя, а точнее, от соотношения тяги и веса. Конечно, важны и другие факторы (к примеру, лобовое сопротивление, динамическое давление и структурные ограничения), но если в двух словах, то ситуация здесь такая же, как и с обычным автомобилем: мощный двигатель при прочном, легком и аэродинамическом каркасе обеспечит более быстрое достижение пункта назначения. Что касается «Союза», то, если считать, что космос начинается на высоте 100 км, вы доберетесь туда чуть больше чем за три минуты. К этому времени вы уже будете путешествовать в несколько раз быстрее скорости звука. Первый американский астронавт Алан Шепард летел на ракете MercuryRedstone 5 мая 1961 года. Она была разработана на основе армейской баллистической ракеты и, хотя не могла развить необходимой орбитальной скорости, отличалась небольшими размерами и весом, что означало очень быстрое путешествие в космос. Шепард добрался до высоты 188 км примерно через две с половиной минуты, испытав перегрузку в 6,3 g на пути вверх. Должно быть, это был забавный полет!

В:Сколько времени требуется, чтобы выйти на орбиту?

О: Когда мы преодолели эту важную границу (высоту 100 км) и вышли в космос, «Союзу» потребовалось чуть больше времени, чтобы преодолеть еще 230 км. От стартовой площадки до орбиты полет занял 8 минут 48 секунд – это может показаться быстрым путешествием в космос, но, уверяю вас, время тянется долго, когда ты сидишь на головке ускоряющейся пули!

В:Что космонавты делают в ходе запуска – вы управляете космическим кораблем или это осуществляют компьютеры?

О: Во время запуска основной задачей команды является мониторинг всех систем. Весь процесс запуска автоматизирован, и экипаж вмешивается только в случае чрезвычайной ситуации.

Помимо этапов отделения частей ракеты, описанных ранее, во время запуска происходят еще несколько важных событий. Один из них – сброс носового, или головного, обтекателя, который защищает находящийся под ним космический корабль. За отметкой 80 км большая часть атмосферного воздуха остается позади. Сопротивление в этот момент очень мало, а значит, аэродинамический нагрев поверхности КК в результате высокоскоростных столкновений с молекулами воздуха также очень мал. Выполнив свою работу по защите корабля в момент прохождения через нижние слои атмосферы, носовой обтекатель становится мертвым грузом – самое время избавиться от него.

На самом деле это был незабываемый момент, когда обтекатель был сброшен и мы впервые посмотрели в иллюминаторы. Конечно, мы все еще были крепко пристегнуты, а иллюминаторы находятся выше уровня глаз, так что вид был не идеальный. Тем не менее, глядя вверх, мы ясно видели, как небо быстро меняет свой цвет с синего на черный – это говорило о том, что, преодолев последние слои атмосферы, мы устремились в космос.

На этом этапе важно следить за давлением внутри корабля, поскольку мы быстро приближались к вакууму. С правого сиденья трудно увидеть всю панель управления, но я мог контролировать системы жизнеобеспечения и внутреннее давление. Мы все внимательно смотрели на часы в ожидании третьего сброса. После него нам предстояло сверить показатели, которые подтверждают успешный выход на орбиту. Если эти показатели отличаются от оптимальных, то у экипажа есть всего лишь несколько секунд, чтобы вмешаться и изменить ситуацию. К счастью, у нас третий сброс (отделение третьей ступени) и выход на орбиту прошли без накладок, и мы, не теряя времени, начали готовиться к сближению с МКС.

В:Что происходит, если во время запуска что-то идет не так?

О: «Союз» – одна из самых надежных ракет, а также одна из самых безопасных. Однако достичь космоса задача довольно трудная, и в прошлом были проблемы. Большим плюсом «Союза» является наличие системы эвакуации, которая позволяет экипажу живым вернуться на Землю, если что-то пойдет не так в любой точке от стартовой площадки до орбиты. Однако я не говорю, что это будет безопасно, потому что экипаж на некоторых этапах прерванного запуска может подвергаться перегрузкам более 20 д, и в этом нет ничего хорошего.

Важная часть «Союза» – двигательная установка системы аварийного спасения (ДУ САС). На ранних стадиях запуска, когда корабль выходит из плотных слоев атмосферы, эта система может эвакуировать два верхних отсека космического корабля (спускаемый аппарат и бытовой отсек), укрытые носовым обтекателем. Потом, также под обтекателем, спускаемый аппарат и бытовой отсек разделяются, ДУ САС отводит спускаемый аппарат подальше от ракеты, и на безопасной для выброса парашюта высоте начинается спуск.

На самом деле ДУ САС, как и головой обтекатель, нужны в течение 1 минуты и 54 секунд от момента старта (первый этап полета), затем, если все прошло нормально, они сбрасываются. Если после этого что-то пойдет не так, система автоматического прерывания полета отключит ракетный двигатель и также отделит спускаемый аппарат и бытовой отсек; далее спускаемый аппарат с экипажем будет осуществлять баллистический спуск на парашюте.

И наконец, на последнем этапе полета, когда корабль выходит на орбиту, но еще не набрал орбитальной скорости, в случае ЧП происходит разделение трех отсеков: спускаемого аппарата, бытового и приборно-агрегатного, после чего начинается управляемое снижение спускаемого аппарата.

На протяжении всего запуска главным сигналом для экипажа, что что-то пошло не так (помимо нарастающего шума, вибрации или взрыва, конечно), является красный предупреждающий сигнал «АВАРИЯ НОСИТЕЛЯ» (аварийный сигнал бустера). Уверяю, никто из экипажа не хотел бы его увидеть.

Система эвакуации спасла жизнь российских космонавтов Владимира Титова и Геннадия Стрекалова 26 сентября 1983 года. Проблемы возникли на заключительных этапах заправки, незадолго до запуска: у основания ракеты начался пожар. Несмотря на некоторую задержку (контрольные кабели были сожжены, а активация системы производилась с помощью линий радиосвязи), система была активирована – буквально за несколько секунд до того, как ракета взорвалась. Экипаж был эвакуирован с перегрузкой 14-17 д; приземлились они примерно в четырех километрах от стартовой площадки.

Годы спустя Титов в интервью утверждал, что одним из первых действий команды было отключение диктофона из-за чрезмерного количества ругательств!

Еще одна чрезвычайная ситуация случилась 5 апреля 1975 года. Командир Василий Лазарев и бортинженер Олег Макаров стартовали на корабле «Союз-18», направляясь на космическую станцию «Салют-4». На высоте 145 км предполагалось отделение второй и третьей ступеней. Но сработали только три из шести замков, удерживающих ступени, и в результате произошло воспламенение третьей ступени до отделения второй. Космический корабль отклонился от заданной траектории, и немедленно была активирована система отделения спускаемого аппарата. Экипаж выжил, хотя испытал очень высокие перегрузки – до 21,3 g. Однако если Макаров полностью восстановился и совершил еще два полета, то Лазарев получил внутренние травмы и больше не летал.

В:Где бы вы приземлились, если бы во время запуска сработала система эвакуации?

О: Важным фактором, который следует учитывать при запуске ракет, является местность, над которым вы будете пролетать. При запуске ракеты из космоса будут падать обломки, а в случае аварийной ситуации – и космический корабль.

Запуск на восток от Байконура был бы самым эффективным с точки зрения использования «свободной» скорости вращения Земли, но в этом случае ускорители первой ступени упали бы в Китае, не говоря уже об усложнении поисково-спасательной операции при прерванном запуске. Поэтому, чтобы выдержать большую часть траектории запуска над Россией, ракету направляют немного севернее.

Итак, вернемся к вопросу. Если запуск по каким-то причинам прерывается в его начале, спускаемый аппарат, вероятно, приземлится где-нибудь в Казахстане или на востоке России; но если бы аварийная эвакуация случилась незадолго до выхода на орбиту, то можно оказаться даже в Японском море.

Грубо говоря, при аварийном прерывании полета в течение первых 283 секунд вы приземлитесь в степях на востоке Казахстана; при прерывании полета с 283-й по 492-ю секунду – в гористой местности на юго-востоке России, недалеко от границы с Монголией. При прерывании полета в следующие 14 секунд спускаемый аппарат окажется на самом севере Китая. И наконец, при отмене полета с 506-й до 528-й секунды (время выхода на орбиту) вам грозит промочить ноги в Японском море.

Понятно, что это охватывает обширную территорию, поэтому логистика поисково-спасательных операций организована феноменально. Российское федеральное агентство воздушного транспорта отвечает за поиск и спасение воздушных и космических объектов. На схеме (с. 70) показан масштаб подготовки к запуску «Союза»: в нем задействованы 12 вертолетов и 6 самолетов, которые могут взлететь с 12 аэродромов; охват территории – более 5000 км. Также подготовлено морское судно для эвакуации космического корабля из акватории Японского моря.

В:Сколько времени требуется, чтобы попасть на МКС?

О: Раньше на то, чтобы добраться до станции, требовалось около двух дней (то есть корабль должен был 34 раза облететь Землю). Это значит, что экипажу приходилось открывать люк в жилой модуль, где можно поспать, поесть и сходить в туалет. На борту «Союза» достаточно питьевой воды и сухих пайков, но не так много развлечений. К счастью, великолепные виды из космоса скрашивают ожидание главного события. Ладно, это шутка, но длинное сближение не очень-то удобно, потому что время неэффективно используется, причем не только космонавтами, но и сотрудниками Центра управления полетами (ЦУП), и поэтому в августе 2012 года был разработан четырехрядный профиль сближения с использованием грузового корабля «Прогресс». Для такого сближения требуются очень точно рассчитанные запуск и траектория выхода на орбиту. Новая ракета-носитель «Союз-ФГ» и КК «Союз ТМА-М» такую точность обеспечивают. Этому во многом способствовало применении модернизированных двигателей первой и второй ступеней с новыми форсуночными головками, которые предназначены для ввода топлива в огневое пространство ракетного двигателя.

При длительном сближении ЦУП наблюдал за траекторией ракеты, чтобы проверить орбитальные параметры, а затем поступали команды с учетом исправления возможных ошибок, допущенных во время запуска. При новом подходе считается, что если при выходе на орбиту и происходят незначительные отклонения, то они могут быть исправлены позже, в ходе сближения со станцией. Быстрое сжигание топлива позволяет «Союзу» прибыть на МКС всего через шесть часов после запуска. Сближение и стыковка обычно занимают еще 30 минут, после чего надо провести несколько проверок, прежде чем открыть люк на космическую станцию. В общей сложности экипаж перебирается на борт МКС через восемь-девять часов после запуска. Мне посчастливилось попасть на «короткое» (4 орбиты) сближение, но двухдневное сближение все еще используется, если тестируется новая версия программного обеспечения для ракеты или космического корабля и, конечно, как резервный вариант на тот случай, если что-то пойдет не так во время быстрого сближения.

Быстрое сближение снижает усталость экипажа. Стартовый день бывает довольно утомительным – экипаж просыпается примерно за девять часов до запуска, стыковка происходит через 15 часов (если считать от подъема), а затем необходимо потратить еще несколько часов на решение определенных задач. Я прекрасно помню, что спал ну просто очень хорошо, когда наконец удалился в свой отсек на борту МКС.

В:Как происходит сближение с МКС?

О: Наш корабль был запущен на очень низкую (около 230 км) орбиту, отдаленно напоминающую эллипс. Двести тридцать километров – это настолько низко, что там все еще есть небольшое атмосферное сопротивление, и без каких-либо дополнительных маневров мы бы совершили 20 оборотов, а потом снова вошли в атмосферу Земли. Поэтому сначала нам пришлось «нормализовать» орбиту (сделать ее более крутой) и подняться на высоту примерно 340 км. При нашем «коротком» (четырехорбитальном) сближении это было выполнено путем запрограммированного включения двух двигателей с использованием так называемого перехода Гомана – речь идет о наиболее экономичном способе перехода с одной круговой орбиты на другую.

Если не углубляться в орбитальную механику, можно сказать так: при запуске двигателя на земной орбите космический корабль не полетит быстрее, а будет уходить все дальше в космос, теряя при этом скорость. Вы достигнете самой высокой части эллиптической орбиты с противоположной стороны от точки, где запускали двигатель. Потом, ускоряясь, вы вернетесь к отправной точке. Трюк заключается в том, чтобы запустить двигатель во второй раз, когда КК доберется до самой высокой точки орбиты, и – вуаля – вы перей дете на другую орбиту. Эта более высокая орбита называется орбитой фазирования. ЦУП, просчитывая данные орбиты фазирования, отправляет нам корректировки на бортовой навигационный компьютер. Дальнейшее включение двух двигателей необходимо для внесения корректировок – это позволяет кораблю подняться на высоту порядка 370 км.