Встреча космических кораблей на орбите – одна из основных операций, выполняемых при полетах в космос. Она необходима для сборки и обслуживания орбитальных комплексов (смена экипажей, доставка припасов, дозаправка топливом и т. д.), для спасения экипажа в аварийных ситуациях, для ремонта космических объектов, таких как телескоп «Хаббл», например. Операция встречи возможна во многих практических ситуациях, и в каждом случае есть свои особенности. Так, причаливание космического корабля к орбитальной станции должно осуществляться со скоростью сближения, близкой к нулевой, чтобы удар при соприкосновении двух объектов большой массы не вызвал существенных деформаций конструкции, а перегрузки, возникающие при контакте объектов, не превышали допустимой величины. Для спасения экипажа станции в случае аварийной ситуации необходимо осуществить встречу корабля-спасателя с ней за возможно короткое время. При встрече в нормальных условиях (смена экипажа, снабжение станции) требование ко времени сближения не имеет столь существенного значения и на первый план выступает требование экономичности.
Наиболее экономичен (встреча происходит при минимальном расходе топлива) вариант выведения корабля в плоскость орбиты станции, но зато он требует запуска обоих объектов с одной и той же точки и исключительно точного, до секунд, выдерживания времени старта. Земля вращается (см. рис.), и потому периодичность пролета космической станции на стартовой установкой космодрома меняется в зависимости от высоты орбиты (см. таблицу).
Выведение осуществляется либо с прямым выходом корабля на орбиту станции, либо он предварительно выводится на промежуточную орбиту, называемую орбитой ожидания (дежурной орбитой), с последующим переходом на орбиту станции. В качестве промежуточной орбиты выбирается либо круговая, располагающаяся по соображениям экономичности ниже орбиты станции, либо эллиптическая орбита, апогей которой касается орбиты станции. Для построения орбиты ожидания с требуемыми параметрами необходимо выполнить ряд коррекций. Разница в периодах обращения объектов позволяет выбрать момент начала сближения при наиболее выгодном взаимном положении. На малых расстояниях начинается этап причаливания, который завершается стыковкой.
Раньше стыковку старались проводить через сутки после старта, но потом обнаружили, что именно в это время у космонавта наступает пик расстройства вестибулярного аппарата – даже если это расстройство 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, космонавты лучше готовы к проведению ответственной операции. К настоящему времени автоматическая стыковка отработана в достаточной степени, и на нее идут почти сразу после выведения; таким образом, космонавты прибывают на станцию всего через несколько часов после старта. Тем не менее двухсуточная схема сближения и стыковки остается резервной. Иногда ее используют как основную, например, при испытаниях новой модификации космического корабля.
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 г. 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 г. Это были корабли «Союз-4» и «Союз-5», в составе экипажей которых входили: В. А. Шаталов, Б. В. Волынов, А. С. Елисеев и Е. В. Хрунов. При этом Хрунов и Елисеев осуществили переход из корабля в корабль через открытый космос. Так фактически была создана на короткое время (4,5 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, запасы еды, контейнеры с топливом и многое другое. Без стыковки не обойтись при подготовке к межпланетным полетам, когда идет сборка космических кораблей на орбите, заправка их топливом и доставка экипажа.
Готовятся к стыковке заранее. В ЦУПе планируется 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. 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.
Космонавты в корабле надевают спасательные скафандры, потому что вероятны нештатные ситуации, в результате которых произойдет разгерметизация или потребуется срочный спуск.
Система управления корабля начинает автоматическое сближение. Алгоритмы бортового компьютера «Союза» самостоятельно рассчитывают необходимые импульсы для выполнения процесса сближения по оптимальным траекториям и для их осуществления выдают необходимые команды в бортовые системы. 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». Вероятно, 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 км радиотехническая система сближения обнаруживает и захватывает «цель». Теперь сближение можно производить более точно, и на дальности 20 км вынесенную точку приближают к станции – на расстояние 750 м. Когда расстояние от корабля до станции станет меньше 8 км, бортовой компьютер переносит и вынесенную точку – теперь она находится на расстоянии всего 300 м.
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 приблизиться так, 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 м корабль зависает напротив стыковочного узла, то есть его скорость относительно станции равна нулю. И вот наконец он начинает медленно-медленно приближаться к станции – 2 м/с, 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 – 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.
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 (или он сам делает это) 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 борт. 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 «серванте» бытового отсека. 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.
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 «теория 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 см/с, но не более 35 см/с. Касание и есть первый момент стыковки.
Главное сделано – 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 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, эта тщательная процедура продолжается около двух часов. И когда космонавты убедятся, что воздух не вырвется наружу, можно открыть внутренние люки и спокойно перейти через внутренний тоннель с корабля на станцию. Процесс проверки герметичности стыка долгий, занимает около двух часов. Поэтому журналистам, коллегам и родным космонавтов, иностранным гостям, руководителям космической отрасли и другим важным персонам, которые 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.
Космонавт Владимир Ляхов оставил на станции «Мир» в назидание следующему экипажу короткую записку: «Все будет не так». Действительно, в космосе очень многое не так, как на Земле, и первое, что вносит непохожесть, – невесомость.