Ракетой за шиворот

Авария при запуске корабля «Союза МС-10» не стала катастрофой — жизни обоих космонавтов сохранила система аварийного спасения, основные элементы которой разрабатывались еще 60 лет назад. О том, как она устроена, в каких случаях ее приходилось использовать, и когда космонавты летали вообще без «страховки» N + 1 рассказывает космический блогер Филипп Терехов.

«Две минуты сорок пять секунд. Авария носителя. Быстро мы прилетели», — невесело пошутил командир «Союза МС-10» Алексей Овчинин.

В это время в кабине корабля звучал сигнал аварийной системы, а ему и его американскому напарнику еще предстоял баллистический спуск с перегрузкой 6,7G и посадка в казахстанской степи, в нескольких сотнях километрах от Байконура, откуда они стартовали всего за полчаса до этого.

Оба космонавта благополучно приземлились, но эта авария стала самой масштабной в истории российской космонавтики, последний раз подобное происходило в 1983 году, когда ракета «Союз» взорвалась на старте. Но и тогда, и теперь люди спаслись потому, что инженеры продумали, как именно спасать космонавтов на всех участках полета. Попробуем рассказать историю космических «спасательных шлюпок».

Полеты в кресле

Катапультные кресла, которые появились вместе с реактивной авиацией, стали первым средством спасения и в космонавтике. Именно такие кресла и стояли на первых советских космических кораблях «Восток» и американских кораблях второго поколения «Джемини». Их главным недостатком была сложность катапультирования в случае аварии на стартовом столе — на кресло «Джемини» поставили очень мощные двигатели, которые потенциально могли привести к травмам астронавтов, а на «Востоках» пришлось ставить специальную сетку около старта, чтобы «ловить» космонавта.

В случае «Востока» кресло с космонавтом выстреливалось в специальный круглый вырез в обтекателе ракеты-носителя. Причем катапультироемое кресло вводилось в действие и на этапе посадки — космонавт с его помощью покидал спускаемую капсулу корабля, а затем приземлялся на парашюте. Именно так совершали посадку первые советские космонавты, включая Гагарина. Но в надежности катапультируемого кресла в качестве системы спасения на старте были обоснованные сомнения, и хорошо, что «боевого» катапультирования при пуске в истории космонавтики не было.

Катапультируемые кресла стояли и на двух первых американских шаттлах — на не летавшем в космос экспериментальном «Энтерпрайзе» и на «Колумбии». Это были модифицированные катапультные кресла самолета-разведчика SR-71, и они могли спасти двух членов экипажа на верхней палубе кабины челнока в случае отказа двигателей в течение семи минут после старта. Впрочем эта возможность у них была только до высоты 80 тысяч футов (24,4 километра) — дальше траектория и скорость полета становилась такой, что стекло шлема скафандра должно было расплавиться.

В течение первых четырех полетов «Колумбии» экипаж состоял из двух человек, и катапультных кресел хватало на всех, но во время пятого полета на борту было уже четыре человека, и командир экипажа принял решение из этических соображений выключить возможность катапультирования. Остальные шаттлы строились изначально без катапультируемых кресел, а в 1986 году их сняли и с «Колумбии». Полный экипаж из семи астронавтов, расположенный на двух «этажах» кабины катапультировать было нельзя. У советского «Бурана» была та же проблема — катапультные кресла для двух пилотов предполагалось ставить для испытательных полетов, а потом их собирались снять.

Полеты на авось

Как это ни поразительно, в истории космонавтики были корабли, в которых спасение экипажа в процессе пуска не предусматривалось вообще. Например, в советском корабле «Восход», который по сути, был модифицированным «Востоком» вместо катапультируемого кресла для одного космонавта ставили два или три ложемента для экипажа. Возможность запустить в таком корабле трех человек вместо одного с лихвой оборачивалась неотвратимой гибелью космонавтов в случае аварии на старте или на первых секундах полета. «Восходы» с экипажем летали всего лишь два раза, причем во втором полете Алексей Леонов совершил первый в истории выход в открытый космос, то есть экипаж рисковал вдвойне.

После того, как с шаттлов сняли катапультные кресла в случае аварии на старте или на первых секундах полета у астронавтов не было никаких шансов. В полетных инструкциях были главы «Contingency Abort» («Нештатное аварийное прекращение полета»), но астронавты мрачно шутили, что они были написаны только для того, чтобы было что почитать перед смертью — шаттл мог совершить аварийную посадку только в том случае, если проблемы возникли после отделения боковых ускорителей, а сам корабль сохранил управляемость.

Катастрофа «Челленджера» показала всю порочность такого решения — астронавты пережили разрушение шаттла и погибли, когда кабина ударилась о воду. На то, чтобы переделать кабину и спасать ее целиком или прорезать рельсы на семь катапульт, не было средств, поэтому были созданы эрзац решения. Проблема была в то, что из люка шаттла нельзя было просто выпрыгнуть с парашютом — астронавт разбился бы о крыло. Поэтому инженеры сначала предложили совершенно безумное решение — астронавт цеплял бы себя к ракете и улетал в сторону на ней.

Астронавты отказались испытывать этот кошмар, и в результате была создана более консервативная система — из люка выдвигался направляющий штырь, астронавты надевали парашюты, прицеплялись к штырю и съезжали по нему.

Но эта система, увы, служила больше для успокоения — она могла спасти астронавтов только если шаттл сохранял управляемый полет, находился ниже 10 километров и летел с дозвуковой скоростью. Серьезная авария с этими условиями, к сожалению, никак не сочеталась.

Башня бегства

Вариант использовать специальную небольшую ракету, чтобы выдернуть космонавта вместе со спускаемой капсулой при пожаре, взрыве носителя на старте или в первые минуты полета, впервые реализовали в США — именно на самых первых кораблях «Меркурий» появилась характерная escape tower, которая сегодня украшает носители при всех пилотируемых запусках. Обратиться к этому методу пришлось не от хорошей жизни — Америка отставала в космической гонке из-за того, что у них не было мощного носителя, сопоставимого с королевской «семеркой». Для первых запусков использовалась ракета Redstone, которая едва могла обеспечить суборбитальный полет, а сам корабль был очень тесным — астронавты говорили, что они скорее надевают «Меркурий», чем садятся в него. В таком корабле не было места ни для тяжелого катапультного кресла, ни для направляющих для него.

Поэтому сверху на обтекателе ракеты-носителя была установлена твердотопливная ракета, которая в случае аварии должна была поднять корабль на высоту, где уже могла нормально сработать парашютная система корабля. Эта идея — дополнительной спасательной ракеты, установленной сверху носителя, стала фактически стандартом. Такая система использовалась на «Аполлонах», на «Союзах» и китайских «Шеньчжоу», ее будут использовать на будущем американском корабле «Орион» и российской «Федерации».

На «Союзах» система аварийного спасения (установка 11Д855М, если быть точным; помимо спасательной ракеты она включает в себя много других компонентов — блоки автоматики и навигации, двигатели головного обтекателя, стабилизаторы и многое другое) ставится на боевой взвод за 15 минут до старта и в случае аварии готова спасти космонавтов хоть со стартового стола.

В диапазоне от 15 минут до старта до 114 секунды полета (для «Союза МС») САС раскрывает решетчатые стабилизаторы внизу головного блока, отрывает два верхних отсека корабля «Союз» и уносит их вверх и в сторону на твердотопливных ракетных двигателях. Когда в них заканчивается топливо, спускаемый аппарат с космонавтами выбрасывается вниз из-под обтекателя, и на нем раскрывается сразу запасной парашют.

В диапазоне от 114 до 157 секунды полета верхняя «башня» САС уже сброшена. Но на головном обтекателе есть четыре двигателя головного обтекателя РДГ, которые в случае аварии уведут корабль от терпящей бедствие ракеты. Скорее всего, этот вариант и был использован в аварии «Союза МС-10». После того, как в РДГ закончится топливо, спускаемый аппарат выбрасывается из-под обтекателя и переходит на баллистический спуск и штатную посадку — после снижения до высоты 8,5 километра начинает ораскрываться основной парашют.

После 157 секунды полета сбрасывается и головной обтекатель. Двигателей увода больше нет, и в случае аварии выключаются двигатели ракеты-носителя, а корабль досрочно отделяется штатными пироболтами, которые сработали бы по окончании нормального выведения. По рассказам космонавтов, это довольно чувствительный «пинок», так что корабль будет уходить в сторону от ракеты.

В боевых условиях верхняя спасательная ракета «Союза» сработала, например, 26 сентября 1983 года. Меньше чем за две минуты до старта ракеты-носителя с кораблем «Союз-Т-10» на ракете начался пожар. К счастью, наземная команда это успела заметить и всего за четыре секунды до разрушения ракеты вручную активировала систему аварийного спасения. САС благополучно унесла корабль в сторону и мягко приземлила. Космонавты Владимир Титов и Геннадий Стрекалов испытали перегрузку до 18 G, но не пострадали и потом успешно летали в космос.

Титов упоминает еще один случай срабатывания САС, который произошел за восемь лет до этого. 5 апреля 1975 года к орбитальной станции «Салют-4» должен был отправиться корабль «Союз-18» с космонавтами Василием Лазаревым и Олегом Макаровым. Но на участке разделения второй и третьей ступени возникла проблема. Нормальный порядок разделения таков: сначала начинается запуск двигателя третьей ступени, затем выключается двигатель второй ступени, вторая ступень отделяется, и в последнюю очередь сбрасывается хвостовой отсек третьей ступени. Но в этот раз на 289-й секунде вместе с командой на выключение двигателя второй ступени из-за отказа реле одновременно выдается команда на сброс хвостового отсека, но только на три замка из шести. В результате третья ступень тягой двигателя выламывает три оставшихся замка, при этом закручиваясь. На 295-й секунде углы отклонения стали слишком большими (САС включается при отклонении больше 7 градусов) и система стала спасать космонавтов.

Двигатель третьей ступени выключился, корабль отделился от нее и стал выполнять операции, как при штатной посадке. «Союз» разделился на отсеки, и спускаемый аппарат с космонавтами перешел к программе управляемой посадки. Увы, из-за вращения его система управления потеряла правильные «верх» и «низ» и, вместо того, чтобы развернуть корабль верхом вверх, чтобы создавать подъемную силу, перевернула его. Корабль все сильнее зарывался в атмосферу и все интенсивнее тормозил, создавая опасную для жизни перегрузку. Максимум составил 21,3 G, и космонавты чуть не погибли. Посадка тоже не прошла без приключений — корабль сел на склон и не скатился в обрыв только благодаря тому, что зацепился парашютом за растительность.

Чтобы исключить риск таких запредельных перегрузок, алгоритм САС переделали. Теперь в случае аварии корабль закручивается вокруг продольной оси, чтобы возникающая подъемная сила обнулялась и происходил баллистический спуск. При обычной посадке спускаемый аппарат, похожий по форме на фару, «скользит» на теплозащитном щите — это создает подъемную силу и снижает уровень перегрузки. Если корабль спускается по очень крутой траектории, подъемная сила не возникает, и аппарат летит вниз как камень — это и называют «баллистическим спуском». Это не очень комфортно, но безопаснее, чем в случае перевернутой подъемной силой. «Союз МС-10» не успел разогнаться, поэтому перегрузка оказалась 6,7 G.

Двойного назначения

В новый кораблях, которые разрабатывают SpaceX и Boeing для доставки экипажей на МКС, двигатели системы спасения установлены либо в самих кораблях, либо в сервисном модуле. Благодаря этому двигатели можно использовать не только в случае аварии. Например, на корабле SpaceX Dragon V2 и в Boeing Starliner топливо САС можно использовать в орбитальном полете, они могут пригодиться и в качестве тормозных двигателей для мягкой посадки.

В суборбитальном туристическом корабле New Shepard благодаря этому САС может летать много раз, не используясь, когда все идет как надо:

Плюсом и минусом таких систем одновременно является то, что в этом случае аварийные двигатели нельзя сбросить при выведении, то есть кораблю приходится тащить с собой излишнюю массу.

Космические аварийные системы становятся все совершеннее, они спасают жизни людей, но лучше бы им никогда больше не приходилось включаться.

Филипп Терехов