Проект "Искусственная гравитация"

Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.

Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.

Как известно, на каруселях и других вращающихся аттракционах создается весьма продолжительная искусственная тяжесть за счет центробежных сил. Поэтому профессиональная карусель — центрифуга — стала одним из действенных инструментов для отбора и тренировки космонавтов, на ней проверяют способность выдерживать повышенную тяжесть. Большие перегрузки неизбежно действуют во время подъема в космос, на пути к невесомости, в полете на ракете. Создать искусственную карусель на орбите Королев задумал не случайно.

Уже следующий за Гагариным полет в космос принес большую неожиданность. В течение суток второй космонавт планеты Герман Титов испытывал в невесомости, мягко говоря, большой дискомфорт. 

Надо сказать, что создание искусственной тяжести рассматривалось многими корифеями теоретической космонавтики, начиная с нашего Циолковского и немца Оберта. Уже в средине 50-х фон Браун, работая в Америке над ракетами, спроектировал космическую станцию с вращающимся «колесом», по периферии которого создавалась перегрузка.

В 1963 году Королев думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей. И уж, конечно, не случайно будущая система искусственной тяжести рассчитывалась на одну шестую земной — такую же, как на Луне.

Картинка из книги "Полёт в мировое пространство" (1949)

Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес, система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля сыскался идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя. Ступень выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Ее-то и «подобрал» Королев для своего эксперимента. Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Дело в том, что перегрузка пропорциональна расстоянию от центра вращения и скорости вращения в квадрате. Из «карусельной практики» и из опыта состоявшихся и несостоявшихся космонавтов известны те неприятные ощущения, которые испытывает человек на вращающейся платформе.

Когда стали разрабатывать систему искусственной тяжести, космическая медицина уже поднялась на высокий научный уровень. Скорость, с которой можно безболезненно вращать космонавта на орбите, определили как раз по ускорению Кориолиса, задавшись относительной скоростью перемещения космонавта в корабле, все — строго по законам классической механики. В итоге нам, инженерам-создателям системы, досталась от специалистов по космической медицине угловая скорость в два оборота в минуту. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Однако это было еще не все. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий.

Исходная конфигурация системы искусственной тяжести — ИТ (до перецепки):

После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» — ракетный блок И, как его называли в ОКБ-1, — весила около 3 т. Через несколько секунд после расхождения метров на пять включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс блоку И, увеличивая скорость расхождения (радиальную скорость) до 10 м/с. Сматывая трос с барабана лебедки, ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Ни мало ни много, а для эксперимента требовался 1 км троса. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз — чтобы закрутить систему, по терминологии классической механики — сообщить блоку И тангенциальную скорость. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли. Под действием центробежной силы трос натягивался с силой 20 кг, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка. 

Окончательная конфигурация ИТ (после перецепки). Сила искусственной тяжести прижимает космонавтов к креслу:

Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

Уже из столь краткого описания видно, что система получилась совсем не простой. Анализ показывал, что ракетный блок и корабль начинали колебаться за счет начальных возмущений, а трос, как натянутая струна, мог колебаться по собственному, как известно, совсем уж не простому закону. С этими колебаниями надо было бороться, не давать им выйти из-под контроля. С этой целью на блоке И устанавливалась дополнительная реактивная система управления (РСУ), которая так же, как РСУ на корабле «Восход», демпфировала угловые колебания блока относительно троса. Еще более тонкие явления, которые тоже вытекали из законов классической механики и определялись так называемыми градиентами гравитационных сил, при анализе у нас игнорировались. До них в те годы по-настоящему еще не добрались, а эти чисто космические силы орбитального полета могли существенно повлиять на неземную космическую механику, которая рассчитывалась по земным законам. К тому же, в нашем стальном, а значит электропроводящем, тросе, летящем в магнитном поле Земли, неизбежно возникли бы уникальные электромагнитные явления.

На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Помог еще один закон классической механики, называемый принципом сохранения кинетического момента. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с; при этом сила возрастала с 20 кг до 1000 кг. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 т действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю в объятия естественной тяжести становился невозможным.

Вот такая длинная и непростая процедура космической «раскрутки» была задумана к середине 1964 года.

Также много лет спустя мы стали разрабатывать эксперимент с многокилометровым тросом. Только тогда мне пришлось познакомиться с теми уникальными физическими явлениями, которые возникают в этих сугубо космических системах. Конечно, в середине 60-х мы были молодыми и только познавали космос. И все-таки странно, что тогда никто из нас, даже будущий академик Раушенбах, не обратил должного внимания ни на особенности орбитальной механики троса, ни на 100-вольтовое напряжение, которое генерируется в тросовом проводнике, летящем в магнитном поле Земли со скоростью почти 8 км/с. Странно, потому что как раз в эти годы на Западе начали разрабатывать теорию этого уникального явления. Безусловно, определенную роль сыграла закрытость нашей космической техники, оторванность наших специалистов от мировой космонавтики, ведь в это время на Западе появились первые публикации, посвященные теории электродинамических систем в космосе.

Тогда нашему отделу досталась практическая механика, наиболее трудоемкая часть системы: лебедка, демпферы продольных и поперечных колебаний, механизм перецепки. Все они не имели прототипов. Наряду со стыковочным механизмом это задание оказалось для нас в те годы, пожалуй, самым сложным и комплексным. Проектировать и испытывать эту систему пришлось параллельно со стыковкой и другими, менее объемными, зато многочисленными заданиями.

Во второй половине 1964 и в начале 1965 года мы сконструировали все эти и другие компоненты системы искусственной тяжести. Тогда мы действительно очень спешили. Помню, как В.Ф. Кульчак, одна из самых работящих и упорных наших конструкторов, не выдержав очередного раунда изменений, чуть не бросила мне на стол почти готовые чертежи. Завод «Машиноаппарат» приступил к созданию прецизионных магнитных и электромагнитных тормозов. В мае 1965 года небольшая группа конструкторов с нашим материаловедом Л.М. Маленковой выехала в Ленинград, где на сталепрокатном заводе, заложенном еще в петровские времена, для нас изготавливали специальный космический трос. Чтобы сделать его легче, трос выполнили двухступенчатым, в соответствии с законом изменения перегрузки на орбите.

Вскоре уже в металле стали видны контуры километровой лебедки в виде первых корпусных деталей, размеры которых были необычными для этого цеха, привыкшего к небольшим приводам и механизмам.

Все компоненты и узлы были изготовлены, и мы приступили к отработке. И все-таки мы опаздывали, не успевая угнаться за планами нашего Главного конструктора.

Несмотря на всю секретность, за океаном, конечно, прослышали о наших планах создать искусственную тяжесть в космосе. Американцам очень не хотелось в очередной раз уступать нам «впервые в мире», и они сделали реальную попытку воспроизвести нашу схему на орбите на кораблях «Джемини». 

В начале 1966 года Королев лег в больницу, а я уехал в Азов. Из больницы он не вернулся.

Сначала мы не знали, чем закончится наша искусственная и связанная с ней естественная тяжесть. В начале марта мы еще провожали «Восход-3», предназначенный для длительного полета, на полигон. Я его так и запомнил висящим на кране в нашем, тогда новом «малом» КИСе на 2-м производстве. Тогда мне казалось, что вскоре мы будем провожать «Восход-4» с демпфером, механизмом перецепки и узлом отстрела троса.

Наверно, это был оптимизм социалистического реализма.

В течение 1966 года возникали проблемы, связанные с планами длительного полета на «Восходе». Ряд технических и политических соображений также говорили не в пользу старых кораблей. В конце концов наш новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». По его указанию проектанты некоторое время рассматривали возможность создать искусственную тяжесть на базе нового корабля «Союз». Вскоре стало ясно, что там реализовать это гораздо труднее, чем на «Восходе», несмотря на то что РСУ (ракетная система управления) нового корабля позволяла более эффективно выполнить многие операции. Мы пытались протестовать и спасти хотя бы один «Восход» с искусственной тяжестью, но нас никто не слушал. Вскоре другие земные, естественные и искусственные тяжести захлестнули нового главного и многих из нас.

Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, досаждая всем своими большими размерами, пока их не сдали... на металлолом к какому-то очередному празднику.