Космический корабль «Аполлон» создан в США по одноименной программе, предусматривающей высадку американских космонавтов на Луну с последующим возвращением на Землю. Начало работ по этой программе относится к 1959—1960 гг. Летно-конструкторские испытания начались с 1963 г. Было проведено 10 испытаний системы аварийного спасения и других систем космического корабля «Аполлон» при пусках по баллистической траектории, 12 запусков с выходом на орбиту без экипажа и несколько пусков с экипажем, в том числе четыре полета на Луну. Два из них с посадкой на Луне.
Схема полета космического корабля «Аполлон» на Луну выглядит следующим образом.
С помощью трехступенчатой ракеты «Сатурн-V» со стартовым весом 2700 т на околоземную орбиту вначале выводится космический корабль «Аполлон» с экипажем из трех человек и третья ступень носителя с неполностью израсходованным запасом топлива. Дожигание этого топлива на орбите Земли позволяет кораблю выйти на траекторию полета к Луне. Подойдя к Луне, корабль начинает обращаться вокруг Луны. Два из трех членов экипажа переходят в отделяемую лунную кабину, которая совершает посадку на Луну.
Основные данные космического корабля «Аполлон»
| Элементы корабля | Вес, т | Габариты, м | |
| длина | диаметр | ||
| Отсек экипажа | 5.56 | 3.4 | 3.84 |
| Двигательный отсек | 22.8 | 7.6 | 3.91 |
| Лунная кабина | 14.5 | 6.0 | 9.7 (при развернутом шасси) |
| Система аварийного спасения | 3.0 | 7.0 | 1х1.47 (сечение основания рамы) |
| Итого (на старте) | 45.86 | 24.0 | 3.91 |
После проведения космонавтами исследований на Луне кабина взлетает с Луны, выходит на круговую селеноцентрическую орбиту и пристыковывается вновь к основному блоку корабля.
Космонавты из кабины переходят в основной блок, кабина отделяется, а основной блок с помощью бортового двигателя переходит с селеноцентрической орбиты на траекторию полета к Земле. Перед входом в атмосферу Земли от корабля отделяется спускаемый аппарат с космонавтами, который и совершает посадку.
Космический корабль состоит из основного блока и лунной кабины. В свою очередь основной блок состоит из отсека экипажа и двигательного отсека, а лунная кабина — из посадочной и взлетной ступеней.
Конструктивно-компоновочная схема космического корабля «Аполлон»
1 — маршевый двигатель; 2 — двигательный отсек; 3 — днище отсека экипажа с теплозащитным экраном; 4 — лаз для перехода из отсека экипажа в лунную кабину; 5 — посадочное шасси лунной кабины; 6 — опора посадочного шасси; 7 — лестница для спуска на поверхность Луны; 8 — двигатель посадочной ступени лунной кабины; 9 — посадочная ступень; 10 — блок двигателей системы ориентации на взлетной ступени лунной кабины; 11 — окна лунной кабины; 12 — остронаправленная поворотная антенна; 13 — двигатели системы ориентации отсека экипажа; 14 — двигатели системы ориентации всего корабля; 15 — остронаправленная антенна; 16 — люк для выхода на поверхность Луны.
Отсек экипажа является основной частью корабля и выполнен в виде конуса с углом раствора 66°. Корпус отсека состоит из верхней, средней и донной секций. Верхняя секция перед развертыванием парашютов сбрасывается. В средней секции, имеющей форму усеченного конуса, сделаны люки для доступа к оборудованию. Верхняя и средняя секции собираются из профилированных панелей толщиной 15.2 мм, соединенных пайкой. Панели сотовой конструкции изготовлены из нержавеющей стали. Толщина обкладочных листов 0.2—1 мм. Листы подвергаются химическому фрезерованию.
Донная секция представляет собой скругленное днище и собирается из сотовых панелей толщиной ~ 50 мм. Эта часть корпуса воспринимает основную тепловую нагрузку, поскольку отсек экипажа входит в атмосферу днищем вперед.
Фланцы для соединения донной и средней секции корпуса также изготовлены из сотовых панелей.
Кабина экипажа, размещенная в отсеке, состоит из верхней и нижней секций, соединенных кольцевой сваркой. Секции выполнены из сотовых алюминиевых панелей толщиной от 19 до 38 мм. Плотность сот составляет 0.07—0.114 г/см3. В кабине на специальных амортизаторах подвешены три кресла для космонавтов. Кресла расположены в ряд. Среднее кресло складывающееся. Сидения кресел могут устанавливаться под различным углом. При выводе на орбиту и при посадке кресла устанавливаются под углом 66°.
Спать космонавты должны по очереди, для чего под левым креслом оборудована специальная подвесная койка.
На левом кресле сидит командир корабля, на среднем — первый пилот, на правом — второй пилот (пилот лунной кабины).
Отсек экипажа космического корабля «Аполлон»
1 — передний входной люк; 2 — передний шлюз; 3 — программный механизм; 4 — двигатели системы управления; 5 — главная приборная доска; 6 — люк для входа экипажа; 7 — амортизатор кресла космонавта; 8 — правая приборная доска; 9 — иллюминатор для наблюдения; 10 — кресла экипажа; 11 — отрывной разъем; 12 — нижняя часть теплозащитного покрытия; 13 — вентилятор; 14 — панели контроля давления; 15 — левая приборная доска; 16 — перегородка передней части отсека; 17 — основной парашют.
Все оборудование отсека экипажа размещено с таким расчетом, чтобы центр тяжести отсека был расположен на определенном расстоянии от продольной оси. В результате этого при входе отсека экипажа в атмосферу создается некоторый угол атаки и возникает подъемная сила. Угол атаки может корректироваться системой ориентации.
Свободный объем в кабине составляет 6.1 м3 (~2 м3 на одного члена экипажа).
Космонавты входят в отсек через быстро открывающийся люк в боковой стенке, а переходят из отсека экипажа в лунную кабину через туннель и люк в верхней части отсека. Люк может быть открыт как изнутри, так и снаружи. Изнутри космонавты могут открыть люк за 2 сек., извне — за ~10 сек. Ручной инструмент для открывания люка хранится в верхней части отсека экипажа.
В кабине имеется шесть иллюминаторов.
Весь отсек экипажа снаружи имеет теплозащитный экран толщиной 63 мм на днище и 8—44 мм на верхней и средней секциях. Основу экрана составляет абляционный материал из фенольно-эпоксидной смолы со стеклянными микробаллонами. Удельный вес материала защитного экрана 0.53 г /см3.
Во время вывода корабля на орбиту отсек экипажа закрыт защитным чехлом из стеклопластика, который после достижения определенной высоты сбрасывается вместе с системой аварийного спасения. Чехол защищает отсек от аэродинамического нагрева и воздействия струй двигателей при включении системы аварийного спасения.
Отсек экипажа с помощью цилиндрического переходника сотовой конструкции соединен с двигательным отсеком. Длина переходника 102 мм.
Двигательный отсек предназначен для размещения маршевого и вспомогательных двигателей, запаса топлива (17.6 т), энергетической установки, а также всего прочего оборудования, которое не требует непосредственного наблюдения космонавтов. Отсек имеет форму цилиндра. Оболочка корпуса сотовой конструкции выполнена из алюминиевого сплава. В стенки корпуса вмонтированы трубки теплообменника, по которым циркулирует водный раствор гликоля. Регулирование температуры наружной поверхности корпуса обеспечивается окраской части поверхности составом с высоким коэффициентом отражения, а части — с низким. Маршевый двигатель (ЖРД), размещенный в отсеке, выдается из отсека на 2.94 м. Его вес 350 кг. Топливосмесь состоит из безводного гидразина с несимметричным диметилгидразином (горючее) и четырехокиси азота (окислитель). Топливо хранится в четырех баках из титанового сплава. Толщина стенок баков 1.77 мм. Наддув баков осуществляется гелием до давления 13 кг/см2.
В основном блоке (в отсеке экипажа и в двигательном отсеке) имеются навигационное оборудование, энергетическая установка на топливных элементах, связное оборудование, система жизнеобеспечения, система парашютов и система аварийного спасения (САС).
Навигационное оборудование состоит из вычислительного устройства, инерциального измерительного блока, блоков согласования вычислительного устройства с измерительным блоком, телескопа и секстанта. Вычислительное устройство имеет вес 26.3 кг и потребную мощность 100 вт. Телескоп с полем обзора 60° и точностью наводки 30". Секстант имеет кратность увеличения 28, поле зрения 1.8° и точность наводки 10". Оборудование размещено у подножия среднего кресла.
В состав навигационного оборудования входит также блок, обеспечивающий возможность ручного управления движения отсеком экипажа при входе в атмосферу и проведение коррекции траектории при полете к Луне и обратно.
Скорость и ускорение при входе в атмосферу даются в виде кривой, нанесенной на майларовую ленту, протягиваемую через окно в корпусе блока. Имеется индикатор крена, и на светящейся шкале указывается расстояние до точки, где должно начаться развертывание парашютной системы.
Энергетическая установка имеет вес 113 кг и обеспечивает среднюю мощность 1.42 кВт (пиковую 2.2 кВт). Время работы до первого отказа около 2000 час.
Связное оборудование состоит из трех унифицированных систем, работающих в сантиметровом, метровом и КВ-диапазонах. Вес оборудования 242 кг. Основной является система, работающая в сантиметровом диапазоне.
На борту корабля устанавливается также переносная телевизионная камера с различными объективами. Вес камеры 3.3 кг. Потребляемая мощность 6.5 Вт.
Система парашютов состоит из двух тормозных, трех вытяжных и трех основных. Диаметр тормозного парашюта 5 м, вытяжного — 3 и основного — 26.8 м. Система обеспечивает скорость приводнения 8 м/сек.
Лунная кабина космического корабля «Аполлон»
1 — поворотная антенна; 2 — окно в потолке кабины космонавтов, используемое для наблюдений во время стыковки взлетной ступени с основным блоком на селеноцентрической орбите; 3 — верхний люк; 4 — антенны метрового диапазона; 5 — взлетная ступень; 6 — направляющий штырь (для обеспечения стыковки); 7 — задний отсек с оборудованием; 8 — блок двигателей системы ориентации; 9 — антенны диапазона С; 10 — источники света, используемые при стыковке; 11 — посадочное шасси; 12 — антенна радиолокатора, обеспечивающего посадку на Луну; 13 — посадочная ступень; 14 — кожух двигателя посадочной ступени; 15 — лестница для спуска на поверхность Луны; 16 — площадка у переднего люка; 17 — передний люк; 18 — антенны диапазона С; 19 — импульсный источник света; 20 — серповидные антенны; 21 — фиксированная антенна; 22 — антенна радиолокатора, обеспечивающего встречу на орбите.
Лунный отсек корабля «Аполлон» - Lunar Module - Spaceship Apollo
+ Щелкните по рисунку, чтобы увеличить!
1 — стыковочный люк; 2 — антенна метрового диапазона волн; 3 — стыковочная мишень; 4 — хвостовая секция взлетной ступени для размещения оборудования; 5 — блок вспомогательных двигателей; 6 — антенна, работающая в диапазоне частот С; 7 — источник света; 8 — посадочное шасси; 9 — тарельчатая пята ноги шасси; 10 — антенна радиолокатора системы управления посадкой; 11 — средняя секция взлетной ступени; 12 — двигатель посадочной ступени; 13 — площадка у переднего люка; 14 — лестница для спуска на поверхность Луны; 15 — передний люк для выхода на поверхность; 16 — треугольное окно для командира корабля; 17 — импульсный источник света; 18 — серповидная антенна приемника метрового диапазона; 19 — фиксированная антенна, работающая в диапазоне частот S; 20 — антенна радиолокатора для встречи на орбите; 11 — герметичная кабина космонавтов; 22 — поворотная антенна, работающая в диапазоне частот S; 23 — инерциальный измерительный блок; 24 — окно в потолке для наблюдения при встрече и стыковке с основным блоком.
Система аварийного спасения (САС), предназначенная для отбрасывания отсека экипажа вверх и в сторону от ракеты-носителя в случае возникновения аварийной ситуации на старте и активном участке (до высоты 80 км), состоит из фермы, основного ракетного твердо-топливного двигателя тягой 70 т (время работы 6 сек.), вспомогательного РДТТ тягой 1.54 т (время работы 0.5 сек.) и РДТТ для отбрасывания фермы САС тягой 15 т (время работы 0.5 сек.). Вес основного РДТТ 2.18 т, вспомогательного — 0.03, РДТТ отделения фермы — 0.25 т. Полный вес САС 3 т.
Лунная кабина космического корабля «Аполлон» предназначена для доставки двух космонавтов с селеноцентрической орбиты на поверхность Луны и с поверхности Луны на селеноцентрическую орбиту. Кабина состоит из посадочной и взлетной частей. Корпус посадочной части изготовлен из листов алюминиевого сплава химическим фрезерованием. Четыре телескопические стойки посадочного шасси имеют разрушающиеся вкладыши из алюминиевых сот. Опоры шасси сотовой конструкции.
Корпус и каркас взлетной части лунной кабины также изготовлены из алюминиевых сплавов. В ней установлена цилиндрическая кабина экипажа объемом 5.38 м3. Атмосфера состоит из чистого кислорода под давлением 0.35 кг/см2. Космонавты в кабине находятся в подвесной системе, включающей пояс на бедрах космонавта и трос, перекинутый через блок. На полу кабины настелен мат из специального материала, чтобы ноги космонавтов не скользили. Имеются поручни и подлокотники. Кабина экипажа имеет три иллюминатора: два — в боковой стенке и один в верхней.
Средства для демпфирования ударных нагрузок при посадке корабля «Аполлон» на сушу
1 — выступы из разрушающегося материала; 2 — амортизаторы на креслах космонавтов; 3 — места крепления строп парашютов.
Система жизнеобеспечения лунной кабины разомкнутого типа. Вес системы 103 кг (без запасов питьевой воды), потребляемая мощность 251 Вт. Кислород хранится в баллонах. Запас воды может быть взят в количестве до 182 л. Для обеспечения жизнедеятельности космонавтов при выходе на поверхность Луны имеется ранцевая система жизнеобеспечения. Рассчитана, она на 3 часа нормальной и 1 час аварийной работы.
Система наведения и навигации лунной кабины состоит из цифрового вычислительного устройства, пульта ввода данных и получения информации, инерциального измерительного блока, телескопа, радиолокаторов посадки и встречи па орбите, приемоответчика и пяти блоков согласования данных. Вес радиолокатора встречи 32 кг, потребляемая мощность 110 Вт, дальность действия от 25 м до 740 км. Радиолокатор встречи и вся система управления полетом могут работать как в автоматическом режиме, так и в режиме ручного управления движением лунной кабины. Имеется аварийная система наведения, включающая цифровое вычислительное устройство, пульт ввода данных и съема информации и инерциального измерительного блока без гироплатформы.
В качестве источников питания используются серебряно-цинковые химические батареи общим весом 63.5 кг в посадочной части кабины и 59 кг во взлетной части.
Связное оборудование состоит из унифицированной системы сантиметрового диапазона и системы КВ-диапазона. Ранцевая система имеет самостоятельное связное оборудование из двух комплектов, состоящих из двух АМ-передатчиков, двух АМ-приемников, одного ЧМ-передатчика и одного ЧМ-приемника. Связь космонавтов на Луне с космонавтом на селеноцентрической орбите осуществляется через наземные станции.
Лунная кабина имеет два ЖРД: один для посадки на Луну (с регулируемой тягой в диапазоне 476—760 кг) и второй для взлета с Луны и обеспечения встречи с основным блоком корабля на селеноцентрической орбите. Для проведения научных исследований на Луне в лунной кабине имеются приборы, общим весом 95 кг, включающие: а) научные приборы типа сейсмометров, геофонов, магнитометров, спектрометров и пр.; б) оборудование для геологических исследований; в) телеметрическую систему; г) радиоизотопную энергетическую установку.
В отсеке оборудования, находящемся между третьей ступенью ракеты-носителя и кораблем «Аполлон», размещается оборудование системы наведения, управления полетом, траекторных измерений, телеметрии, обнаружения неисправностей, предстартовой проверки, электропитания и охлаждения.
Компоновочная схема ракеты-носителя «Сатурн» с космическим кораблем «Аполлон»
СЛЕВА: Компоновочная схема ракеты-носителя «Сатурн» с космическим кораблем «Аполлон»
А — первая ступень ракеты-носителя; Б — переходник между первой и второй ступенями; В — вторая ступень; Г — переходник между второй и третьей ступенями; Д — третья ступень; Е — отсек оборудования; Ж — лунная кабина космического корабля «Аполлон»; 3 — двигательный отсек; И — корабль «Аполлон»; К — система аварийного спасения; Л — отсек экипажа; М — переходник между ракетой-носителем и основным блоком корабля «Аполлон».
|
|
Пульты управления в отсеке экипажа и лунной кабине космического корабля «Аполлон»
а — главная панель пульта управления в отсеке экипажа: 1 — альтиметр; 2 — переключатели индикатора ориентации и индикатор ускорений относительно продольной оси; 3 — индикаторы параметров двигателей ракеты-носителя и бортовых двигателей корабля; 4 — индикатор ориентации; 5 — световые индикаторы состояния ракеты-носителя; 6 — приборы системы ориентации; 7 — индикаторы давления; 8 — переключатели различных бортовых систем; 9 — переключатели антенн метрового диапазона; 10, 11 — световые индикаторы различного назначения; 12 — индикаторы системы вспомогательных двигателей; 13 — переключатели радиотехнического оборудования; 14 — световое табло и кнопки управления вычислительным устройством; 15 — различные индикационные системы.
б — пульт управления в лунной кабине: 1 — панель переключателей различных бортовых систем у рабочего места командира корабля; 2 — панель переключателей системы электропитания и регуляторов радиотелефонной связи; 3 — панель переключателей пиротехнических устройств, радиолокаторов и аварийной системы наведения; 4 — панель переключателей источников света; 5 — главная приборная панель системы наведения и навигации; 6 — панель переключателей источников питания, системы ориентации и стабилизации, системы кондиционирования в хранилищах криогенной жидкости; 7 — центральная панель командира корабля; 8 — центральная панель пилота лунной кабины; 9 — панель переключателей источников света (у рабочего места пилота лунной кабины); 10 — панель переключателей различных бортовых систем; 11 — панель переключателей системы распределения электроэнергии; 12 — панель переключателей радиотехнической системы. |
А.И.Меньшов
"Космическая эргономика"
"Наука" (Ленинградское отделение)©1971
Далее дополнительное описание Сатурн-5, и всей программы "Аполлон"...
PRETICH.ru
***
* В первой части описан космический корабль Аполлон и спускаемый лунный модуль
Третий вариант лунной экспедиции был положен в основу известной американской программы «Аполлон». Осуществление этой программы стало возможным после создания самой мощной в США ракеты-носителя «Сатурн-5», первый запуск которой состоялся в 1967 г.
Ракета «Сатурн-5» характеризует современный уровень развития ракетной техники в США. При конструировании корабля «Аполлон» использовались идеи, характерные для тех концепций, которые преобладают в США при проектировании не только лунных, но отчасти и межпланетных пилотируемых кораблей. Поэтому мы остановимся сравнительно подробно на структуре и характеристиках ракетно-космической системы «Сатурн-5 — Аполлон».
Общая длина (высота) системы составляет 111 м, а начальная масса примерно 2950 т. На рис. 102, а указаны некоторые размеры частей системы.
|
|
|
Ракетно-космический комплекс «Сатурн-5 — Аполлон»: а) общий вид структуры комплекса; б) компоновка корабля «Аполлон»
S-IC — первая ступень; S-II — вторая ступень; S-IVB — третья ступень
1 — бак горючего первой ступени; 2 — бак окислителя первой ступени; 3 — переходник между первой и второй ступенями; 4 — бак окислителя второй ступени; 5 — бак горючего второй ступени; 6 — переходник между второй и третьей ступенями; 7 — бак окислителя третьей ступени; 8 — бак горючего третьей ступени; 9 — приборный отсек IU; 10 — лунный отсек; 11 — переходник LMA; 12 — служебный отсек; 13 — командный отсек; 14 — система аварийного спасения (САС); 15 — маршевый двигатель служебного отсека; 16 — блоки двигателей системы ориентации и стабилизации; 17 —теплозащитный экран; 18 —ферма САС; 19 — основной РДТТ САС; 20 — РДТТ для отбрасывания САС; 21 — вспомогательный РДТТ; 22 — аэродинамические рули САС.
Первая ступень ракеты «Сатурн-5», носящая обозначение S-IC, имеет массу 2280 m, причем масса топлива равна 2149 m. На ступени установлены пять двигателей F-1: четыре — в кардановых подвесах по периферии, способные отклоняться на угол 7°, и один, фиксированный, — в центре, направление тяги которого всегда совпадает с продольной осью ракеты. Двигатели F-1 рассчитаны на однократное включение и действуют в течение примерно 150 сек. Кроме того, на корпусе ступени S-IC установлены восемь тормозных РДТТ тягой 39 Т каждый, предназначенных для отделения первой ступени после расцепки.
Вторая ступень S-II имеет массу 485 m (с переходником), в том числе 444 m топлива (жидкий водород и жидкий кислород). На ней установлены пять двигателей J-2 (четыре — по периферии в кардановых подвесах, пятый, неподвижный, — в центре). Двигатели работают в течение 370 сек. На ступени установлены также пять РДТТ (каждый тягой 10,2 Т), сообщающих ступени после некоторого периода невесомости искусственную тяжесть на период 4 сек для осадки топлива, и четыре тормозных РДТТ (каждый тягой 17 Т) для отделения ступени.
Третья ступень S-IVB имеет массу 122 m (с переходником), в том числе 107 m топлива (жидкий водород и жидкий кислород). Она содержит один двигатель J-2, включающийся примерно на 160 сек при выведении корабля «Аполлон» на околоземную орбиту ожидания и на 320 сек при выведении его на траекторию полета к Луне. Имеются также два двигателя для осадки топлива (тягой по 1,45 Т).
К верхней части ступени жестко прикреплен приборный отсек IU (Instrument Unit) массой 1,95 m, который содержит аппаратуру инерциальной системы управления, счетно-решающее устройство, телеметрическую систему, радиоаппаратуру для траекторных измерений, источники электроэнергии, а также систему терморегулирования.
Полезная нагрузка ракеты состоит из трех отсеков космического корабля «Аполлон», переходника и системы аварийного спасения. Ее масса при полете корабля «Аполлон-11» составляла 49 762 кг, при полете «Аполлона-15» — 53,5 m.
Командный отсек CM (Command Module) массой 5561,5 кг (Указываются - в случае, если нет оговорок - массы для корабля «Аполлон-11». Значения в других полетах мало отличались от приведенных. Точные числовые значения, приводимые в различных источниках, зачастую не согласуются между собой), в том числе 111 кг топлива, является той частью всей ракетно-космической системы, которая после завершения экспедиции должна благополучно возвратиться на Землю. Кабина имеет объем 6 м3. На конической части отсека расположены 12 двигателей (каждый тягой 42,2 кГ) системы управления ориентацией, которые используются только на этапе входа в атмосферу. С их помощью регулируется подъемная сила (путем изменения угла крена), возникающая из-за отклонения центра масс отсека от продольной оси.
Служебный (двигательный) отсек SM (Service Module) имел массу 23 264,3 кг, в том числе 18,5 m топлива для маршевого двигателя (горючее — 50%-ная смесь безводного гидразина с несимметричным диметилгидразином, окислитель — четырехокись азота) и 608 кг топлива для вспомогательных двигателей. Маршевый двигатель может отклоняться на 8°, рассчитан на 50 включений, тяга его равна 9.3 Т (не регулируется), удельный импульс 308 сек, запас характеристической скорости 2,5 км/сек. Он используется для маневров на пути к Луне, вблизи Луны и при возвращении на Землю. Вокруг отсека расположены 16 двигателей системы управления ориентацией и стабилизацией, собранных в четыре блока (тяга каждого двигателя 45,4 кГ). Они используются также при операциях стыковки, так как могут сообщать и поступательное движение.
Командный и служебный отсеки вместе образуют основной блок корабля «Аполлон». Он существует как одно целое до момента, предшествующего входу в земную атмосферу.
Лунный отсек корабля «Аполлон»
+ Щелкните по рисунку, чтобы увеличить!
1 — стыковочный люк; 2 — антенна метрового диапазона волн; 3 — стыковочная мишень; 4 — хвостовая секция взлетной ступени для размещения оборудования; 5 — блок вспомогательных двигателей; 6 — антенна, работающая в диапазоне частот С; 7 — источник света; 8 — посадочное шасси; 9 — тарельчатая пята ноги шасси; 10 — антенна радиолокатора системы управления посадкой; 11 — средняя секция взлетной ступени; 12 — двигатель посадочной ступени; 13 — площадка у переднего люка; 14 — лестница для спуска на поверхность Луны; 15 — передний люк для выхода на поверхность; 16 — треугольное окно для командира корабля; 17 — импульсный источник света; 18 — серповидная антенна приемника метрового диапазона; 19 — фиксированная антенна, работающая в диапазоне частот S; 20 — антенна радиолокатора для встречи на орбите; 11 — герметичная кабина космонавтов; 22 — поворотная антенна, работающая в диапазоне частот S; 23 — инерциальный измерительный блок; 24 — окно в потолке для наблюдения при встрече и стыковке с основным блоком.
Лунный отсек LM (Lunar Module) или лунный корабль предназначен для высадки двух космонавтов на Луну и возвращения их на окололунную орбиту (рис. 103). Масса отсека 15 075,1 кг, в том числе 10,5 m топлива (того же, что и в служебном отсеке). Расстояние между противоположными пятами выпущенного шасси 9,5 м. Отсек состоит из посадочной ступени массой около 10 m и взлетной ступени массой около 4 m; каждая ступень имеет собственные двигатель и топливные баки. Хрупкая конструкция отсека рассчитана на слабое лунное притяжение.
Посадочная ступень (сухая масса 2035,3 кг) снабжена шарнирно подвешенным двигателем с регулируемой тягой, максимальная величина которой равна примерно 4,5 Т. При двух различных режимах работы двигателя тяга составляет 10—65% и 95—100% максимальной тяги. Удельный импульс двигателя 313 сек, максимальная продолжительность работы 1000 сек, характеристическая скорость 2,3 км/сек (запас топлива 8217 кг).
Взлетная ступень (сухая масса без космонавтов 2181,0 кг) содержит кабину (объем 6,7 м3, в том числе 4,53 м3 — свободный объем для двух космонавтов), основную часть системы жизнеобеспечения, системы навигации и управления, источники электроэнергии. Кабина лишена кресел; космонавты поддерживаются ременной системой. Основной двигатель взлетной ступени имеет постоянную тягу 1,59 Т и не поворачивается; характеристическая скорость равна 2,3 км/сек (запас топлива 2367,2 кг). 16 вспомогательных двигателей собраны в четыре блока (тяга каждого двигателя 45,4 кГ) и служат для ориентации и стабилизации всего лунного отсека или взлетной ступени, а также для отделения лунного отсека от основного блока, горизонтальных перемещений при висении над лунной поверхностью и т. д. (запас топлива 274,2 кг).
Начальная масса космического корабля «Аполлон-11», складывавшаяся из перечисленных выше масс трех отсеков корабля, равнялась 43 900,9 кг. По мере осуществления программы «Аполлон» корабль подвергался некоторым модификациям. Увеличилась масса основного блока. В нем стал размещаться комплект научных приборов и «субспутник», выводившийся на самостоятельную орбиту вокруг Луны. Расширение программы пребывания космонавтов на Луне (в частности, использование вездехода) привело к увеличению массы лунного отсека. Масса корабля «Аполлон-15» уже составляла 48 760 кг.
Лунный отсек при старте с Земли помещен внутри переходника LMA (Lunar Module Adapter) массой 1816 кг, который предохраняет отсек от аэродинамических нагрузок при прохождении плотных слоев атмосферы. К переходнику (а не к лунному отсеку!) пристыкован основной блок.
На самом верху системы «Сатурн-5 — Аполлон» крепится система аварийного спасения LES (Launch Escape Tower) массой 4045 кг. Ее ферма укреплена на теплозащитном экране, предохраняющем командный отсек на участке подъема в атмосфере. Система состоит из трех РДТТ: в случае угрозы аварии одновременно включаются два РДТТ, и командный отсек, отделившись от служебного, уносится в море. В верхней точке включается третий РДТТ, отбрасывающий систему спасения, после чего раскрываются парашюты. Если аварии не произошло, этот двигатель отбрасывает систему спасения вместе с теплозащитным экраном на высоте 70—80 км.
Перейдем теперь к последовательному изложению операций, которыми сопровождается экспедиция на Луну.
В соответствии с программой в момент Т + 2 мин 15 сек (Т — момент отрыва от стартового стола) должен быть выключен центральный двигатель первой ступени, а в момент Т + 2 мин 40,8 сек — остальные. Еще через 2,4 сек выключаются двигатели второй ступени S-II, а через 25 сек после этого сбрасывается система аварийного спасения вместе с теплозащитным экраном. Двигатели второй ступени выключаются в момент Т + 9 мин 11,4 сек на высоте 185,9 км при дальности 1640 км и скорости 6,94 км/сек. В момент Т + 9 мин 15,4 сек включается двигатель J-2 третьей ступени S-IVB, который, не выработав всего топлива, выключается в момент Т + 11 мин 40,1 сек. В результате третья ступень вместе с приборным отсеком IU и кораблем «Аполлон» (масса 136 m) достигает скорости 7,79 км/сек на расстоянии 2713 км от мыса Кеннеди и выходит на орбиту высотой 188 км и наклоном 32,6°.
В момент Т + 2 ч 44 мин 14,8 сек, на втором витке, повторно включается двигатель J-2 ступени S-IVB и через 5 мин 48,3 сек сообщает приращение скорости 3041,2 м/сек. В результате третья ступень с кораблем «Аполлон» (общая масса 63 m) выходит на траекторию полета к Луне на высоте 322,7 км с начальной скоростью 10 846,7 м/сек.
На пути к Луне производится перестроение отсеков корабля. После этого корабль принимает конфигурацию, показанную на рис. ниже, повторно разворачивается на 180° и после получения слабого импульса (6 м/сек при полете «Аполлона-11») удаляется от ступени S-IVB.
Некоторые этапы попета по программе «Аполлон»
а) перестроение отсеков на пути к Луне (отход основного блока от третьей ступени, поворот на 180°, отделение и отход перестроенного корабля от третьей ступени)) б) корабль вблизи Луны (шасси в рабочем положении); в) отделение лунного отсека от основного блока; г) сход лунного отсека с окололунной орбиты; 9) посадка лунного отсека; е) старт взлетной ступени лунного отсека; ж) стыковка взлетной ступени с основным блоком; з) вход командного отсека в земную атмосферу (АА — продольная ось отсека; υ, X, Y — направления векторов скорости, силы лобового сопротивления и подъемной силы).
Ступени S-IVB при полетах кораблей «Аполлон-11» и «Аполлон-12» затем получали небольшой импульс путем слива остатков топлива и, перейдя на новую орбиту, разгонялись потом в сфере действия Луны и покидали сферу действия Земли. Во всех последующих полетах ступени направлялись на Луну для искусственного возбуждения сейсмических колебаний лунной коры, эквивалентных последствиям взрыва 11 m тринитротолуола (скорость удара при падении порядка 2,5 км/сек). На фотоснимках, сделанных с окололунной орбиты в ходе операций программы «Аполлон», были обнаружены кратеры диаметром несколько десятков метров, образовавшиеся на Луне при падении ступеней S-IVB.
При первой экспедиции на Луну траектория полета корабля «Аполлон-11» являлась траекторией свободного возвращения: в случае выхода из строя маршевого двигателя служебного отсека корабль, обогнув Луну на расстоянии 110 км от поверхности, вернулся бы полого в атмосферу Земли и в момент Т + 145 ч 04 мин приводнился в запасном районе Тихого океана, причем необходимые коррекции могли быть совершены с помощью маломощных двигателей ориентации и стабилизации командного отсека. Благодаря уверенности в том, что маршевый двигатель «не подведет», последующие полеты к Луне проходили иначе. Сначала корабль двигался по траектории, отстоящей на 3000 км от лунной поверхности. Без дополнительных импульсов корабль при этом, выйдя из сферы действия Луны, стал бы двигаться по геоцентрической гиперболе и, пройдя на расстоянии 82 000 км от Земли, вышел бы из сферы действия Земли. Для входа в атмосферу понадобились бы коррекции, производимые с помощью маршевого двигателя или вспомогательных двигателей основного блока, или двигателей лунного отсека. При невозможности их осуществить корабль обречен на вечное движение по орбите вокруг Солнца... Однако в действительности обязательная вторая коррекция, производимая после 31 ч полета к Луне (из четырех возможных на пути к Луне), переводит посредством импульса 19,5 м/сек корабль на «гибридную» траекторию, проходящую на расстоянии примерно 120 км от Луны. Преимущество «гибридной» траектории — в экономии топлива и в лучших условиях управления и слежения с Земли на начальном участке и в момент посадки на Луну.
Около ближайшей к Луне точки траектории (над обратной стороной Луны) включается примерно на 6 мин маршевый двигатель основного блока, уменьшающий селеноцентрическую скорость примерно с 2,5 км/сек до 1,7 км/сек, и корабль переходит на эллиптическую окололунную орбиту с периселением на высоте примерно 315 км.
При полетах кораблей «Аполлон-11, -12» далее с помощью нового тормозного импульса маршевого двигателя корабль переводился на слабоэллиптическую орбиту высотой от 100 до 120 км, которая вследствие возмущений из-за нецентральности поля тяготения Луны сама затем по расчетам должна была превратиться в круговую высотой 111 км. С этой «базовой» орбиты и совершается переход отделившегося лунного отсека с двумя космонавтами на эллиптическую орбиту снижения с периселением на высоте примерно 15 км вблизи избранного места посадки. Тормозной импульс сообщается двигателем посадочной ступени.
По более позднему варианту плана (начиная с полета «Аполлона-13») на орбиту снижения с высотой периселения 15 км с помощью маршевого двигателя основного блока должен был переводиться весь корабль «Аполлон» прямо с начальной эллиптической орбиты, и отделение лунного отсека производится уже после этого. Основной блок затем с помощью разгонного импульса переходит на базовую орбиту ожидания высотой 111 км. Этот маневр позволял экономить топливо посадочной ступени лунного отсека для увеличения времени зависания над Луной в конце посадки.
Заключительный этап посадки начинается включением двигателя посадочной ступени вблизи периселения, на высоте 15 км и расстоянии 480 км от места посадки. Через 26 сек тяга делается максимальной. Еще через 4 мин бортовой радиолокатор начинает сообщать высоту, а через 2 мин после этого — скорость корабля относительно поверхности. При этом тяга уменьшается до 60% от максимальной. Через 8 мин 24 сек торможения на высоте 2,35 км и расстоянии 8,2 км от места посадки, при горизонтальной скорости 152 м/сек и вертикальной 45,7 м/сек начинается этап дальнего подхода с возможностью ручного управления. Наконец, через 10 мин 6 сек после начала торможения начинается этап ближнего подхода — до места посадки 550 м, высота 159 м, горизонтальная составляющая скорости 16,8 м/сек, спуск почти вертикален. Вертикальное снижение начинается на высоте 46 м, причем автоматически поддерживается постоянной скорость 0,9 м/сек. Предусмотрена возможность зависания над Луной, для чего тяга должна уменьшаться в точном соответствии с уменьшением массы корабля, чтобы не начался подъем. Двигатель включается космонавтами через 1 сек после того, как получен сигнал о касании поверхности одним из щупов (стержни длиной 170 см) на пятах посадочных опор. Такова расчетная схема посадки корабля «Аполлон-11».
Пребывание двух космонавтов на Луне сопровождалось в каждой экспедиции их двух-трехкратным выходом на поверхность для установки научной аппаратуры, проведения экспериментов, прогулок к заданным объектам (например, при полете «Аполлона-12» — к аппарату «Сервейер-3», совершившему посадку на расстоянии 180 м в 1967 г.), сбора образцов минералов. При полете «Аполлона-14» в распоряжении космонавтов была ручная тележка, а начиная с полета «Аполлона-15» — вездеход массой 208 кг, способный развивать максимальную скорость 13 км/ч (рекордная скорость 17 км/ч на небольшом склоне при полете «Аполлона-16»), обладающий ходом до 92 км и выдерживающий нагрузку до 490 кг. Шесть экспедиций доставили на Землю около 400 кг лунных образцов. Из доставлявшихся на Луну каждой экспедицией приборов, предназначенных для многолетних послеполетных экспериментов, особо должны быть отмечены сейсмометры и лазерные отражатели. В полетах кораблей «Аполлон-15, -16, -17» большой комплект научной аппаратуры находился в одной из секций служебного отсека. Необходимые материалы забирались отсюда при выходе в космос пилота командного отсека.
Немасштабная схема встречи взлетной ступени с основным блоком в ходе полетов кораблей «Аполлон-11» и «Аполлон-12»
1 — старт с Луны; 2 — выход на начальную эллиптическую орбиту; 3 — переход в апоселении на круговую орбиту; 4 — коррекция для изменения плоскости орбиты; 5 — переход на эллиптическую орбиту, соосную с орбитой основного блока; 6 — переход на траекторию перехвата основного блока; 7, 8 — коррекции; 9 — начало разгона для выхода на орбиту основного блока; 10 — начало группового полета; 11 — стыковка.
