Первый полет «Союз МС»: полвека эволюции

⇡#Рождение «Союза»

Первые пилотируемые корабли-спутники серии «Восток» (индекс 3КА) создавались для решения узкого круга задач — во-первых, чтобы опередить американцев, и, во-вторых, чтобы определить возможности жизни и работы в космосе, изучить физиологические реакции человека на факторы орбитального полёта. Корабль блестяще справился с поставленными задачами. С его помощью был осуществлён первый прорыв человека в космос («Восток»), состоялась первая в мире суточная орбитальная миссия («Восток-2»), а также первые групповые полёты пилотируемых аппаратов («Восток-3» — «Восток-4» и «Восток-5» — «Восток-6»). Первая женщина попала в космос также на этом корабле («Восток-6»).

Развитием этого направления стали аппараты с индексами 3КВ и 3КД, с помощью которых были осуществлены первый орбитальный полёт экипажа из трёх космонавтов («Восход») и первый выход человека в открытое космическое пространство («Восход-2»).

Первый в мире космический корабль «Восток». Графика А. Шлядинского

Однако ещё до того, как были установлены все эти рекорды, руководителям, конструкторам и проектантам королёвского Опытного конструкторского бюро (ОКБ-1) было ясно, что для решения перспективных задач лучше подойдёт не «Восток», а другой корабль, более совершенный и безопасный, обладающий расширенными возможностями, увеличенным ресурсом систем, удобный для работы и комфортный для жизни экипажа, обеспечивающий более щадящие режимы спуска и большую точность посадки. Для повышения научной и прикладной «отдачи» требовалось увеличить численность экипажа, введя в него узких специалистов — врачей, инженеров, учёных. Кроме того, уже на рубеже 1950—1960-х годов создателям космической техники было очевидно, что для дальнейшего изучения космического пространства нужно освоить технологии встречи и стыковки на орбите для сборки станций и межпланетных комплексов.

Летом 1959 года в ОКБ-1 начался поиск облика перспективного пилотируемого корабля. После обсуждений целей и задач нового изделия было решено разработать достаточно универсальный аппарат, пригодный как для околоземных полётов, так и для облётных лунных миссий. В 1962 году в рамках этих изысканий был инициирован проект, получивший громоздкое название «Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли» и короткий шифр «Союз». Основной задачей проекта, в ходе решения которой предполагалось освоить орбитальную сборку, был облёт Луны. Пилотируемый элемент комплекса, имевшего индекс 7К-9К-11К, получил название «корабль» и имя собственное «Союз».

Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли («Союз») должен был включать двухместный пилотируемый корабль для облёта Луны, разгонный блок для старта с околоземной орбиты и серию орбитальных танкеров-заправщиков. Рисунок В. Некрасова из архива «Новостей космонавтики»

Принципиальным его отличием от предшественников были возможности стыковки с другими аппаратами комплекса 7К-9К-11К, полёта на большие (вплоть до орбиты Луны) расстояния, входа в земную атмосферу со второй космической скоростью и посадки в заданном районе территории Советского Союза. Отличительной чертой «Союза» стала компоновка. Он состоял из трёх отсеков: бытового (БО), приборно-агрегатного (ПАО) и спускаемого аппарата (СА). Такое решение позволило обеспечить приемлемый обитаемый объём для экипажа из двух-трёх человек без существенного роста массы конструкции корабля. Дело в том, что спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов», покрытые слоем теплозащиты, содержали системы, нужные не только для спуска, но и для всего орбитального полёта. Вынеся их в другие отсеки, не имеющие тяжёлой теплозащиты, проектанты могли заметно сократить общий объём и массу спускаемого аппарата, а значит, значительно облегчить весь корабль.

Надо сказать, что по принципам разбиения на отсеки «Союз» мало чем отличался от своих заокеанских конкурентов — кораблей Gemini и Apollo. Однако американцам, обладающим большим преимуществом в области микроэлектроники с высоким ресурсом, удавалось создавать сравнительно компактные аппараты, не разделяя жилой объём на независимые отсеки.

Американский корабль Gemini был принципиально близок к «Союзу», но не имел дополнительного обитаемого отсека и оказался легче благодаря некоторым технологическим преимуществам

Из-за симметричного обтекания при возвращении из космоса сферические спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов» могли совершать лишь неуправляемый баллистический спуск с достаточно большими перегрузками и невысокой точностью. Опыт первых полётов показал, что эти корабли при посадке могли отклоняться от заданной точки на сотни километров, что значительно затрудняло работу специалистов по поиску и эвакуации космонавтов, резко увеличивая контингент сил и средств, привлекаемых для решения этой задачи, зачастую заставляя их рассредоточиваться по огромной территории. Например, «Восход-2» сел со значительным отклонением от расчётной точки в таком труднодоступном месте, что поисковики лишь на третьи (!) сутки смогли эвакуировать экипаж корабля.

Спускаемый аппарат «Союза» обрёл сегментально-коническую форму «фары» и при выборе определённой центровки летел в атмосфере с балансировочным углом атаки. Несимметричное обтекание порождало подъёмную силу и давало аппарату «аэродинамическое качество». Этим термином определяется отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению в поточной системе координат при данном угле атаки. У «Союза» оно не превышало 0,3, но этого хватало, чтобы на порядок (с 300—400 км до 5—10 км) повысить точность приземления и вдвое-второе (с 8—10 до 3—5 единиц) снизить перегрузки при спуске, делая посадку гораздо более комфортной.

Схема размещения космонавтов в спускаемом аппарате корабля «Союз»

«Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли» не был реализован в первоначальном виде, но стал родоначальником многочисленных проектов. Первым был 7К-Л1 (известен под открытым названием «Зонд»). В 1967-1970 годах по этой программе было предпринято 14 попыток запуска беспилотных аналогов этого пилотируемого корабля, 13 из которых имели целью облёт Луны. Увы, по разным причинам лишь три можно считать успешными. До пилотируемых миссий дело не дошло: после облёта Луны американцами и высадки на лунную поверхность интерес руководства страны к проекту угас, и 7К-Л1 закрыли.

Лунный орбитальный корабль 7К-ЛОК был частью пилотируемого лунного комплекса Н-1 — Л-3. В период с 1969 по 1972 год советская сверхтяжёлая ракета Н-1 стартовала четырежды, и каждый раз с аварийным исходом. Единственный «почти штатный» 7К-ЛОК погиб при аварии 23 ноября 1972 года в последнем пуске носителя. В 1974 году проект советской экспедиции на Луну был остановлен, а в 1976 году отменён окончательно.

Корабль для облёта Луны 7К-Л1 «Зонд» на разгонном блоке и в полётной конфигурации. Графика А. Шлядинского

В силу разных причин как «лунные», так и «орбитальные» ответвления проекта 7К-9К-11К не прижились, а вот семейство пилотируемых кораблей для проведения «тренировочных» операций по встрече и стыковке на околоземной орбите состоялось и получило развитие. Оно отпочковалось от темы «Союз» в 1964 году, когда было принято решение отработать сборку не в лунных, а в околоземных полётах. Так появился 7К-ОК, получивший в наследство имя «Союз». Основные и вспомогательные задачи первоначальной программы (управляемый спуск в атмосфере, стыковка на околоземной орбите в беспилотном и пилотируемом вариантах, переход космонавтов из корабля в корабль через открытый космос, первые рекордные автономные полёты на длительность) удалось решить за 16 запусков «Союзов» (восемь из них прошли в пилотируемом варианте, под «родовым» именем) до лета 1970 года.

Космический корабль «Союз» 7К-ОК с активным стыковочным узлом. Графика А. Шлядинского

⇡#Оптимизация задач

В самом начале 1970-х годов Центральное конструкторское бюро экспериментального машиностроения (ЦКБЭМ, так с 1966 года стало называться ОКБ-1) на базе систем корабля 7К-ОК и корпуса орбитальной пилотируемой станции ОПС «Алмаз», спроектированной в ОКБ-52 В. Н. Челомея, разработало долговременную орбитальную станцию ДОС-7К («Салют»). Начало эксплуатации этой системы лишало смысла автономные полёты кораблей. Космические станции обеспечивали получение гораздо большего объёма ценных результатов из-за более длительной работы космонавтов на орбите и наличия места для установки различной сложной исследовательской аппаратуры. Соответственно, корабль, доставляющий экипаж к станции и возвращающий его на Землю, из многоцелевого превращался в одноцелевой транспортный. Эта задача была возложена на пилотируемые аппараты серии 7К-Т, созданные на базе «Союзов».

Корабль «Союз-11» стыкуется со станцией «Салют-1». Графика А. Шлядинского

Две катастрофы кораблей на базе 7К-ОК, произошедшие за сравнительно короткий период времени («Союз-1» 24 апреля 1967 года и «Союз-11» 30 июня 1971 года), заставили разработчиков пересмотреть концепцию безопасности аппаратов данной серии и провести модернизацию ряда основных систем, что негативно сказалось на возможностях кораблей (резко уменьшился срок автономного полёта, экипаж сократился с трёх до двух космонавтов, которые совершали теперь полёт на ответственных участках траектории одетыми в аварийно-спасательные скафандры).

Эксплуатация транспортных кораблей типа 7К-Т при доставке космонавтов на орбитальные станции первого и второго поколения продолжилась, но выявила ряд крупных недостатков, обусловленных несовершенством служебных систем «Союза». В частности, управление движением корабля по орбите было слишком «привязано» к наземной инфраструктуре сопровождения, управления и выдачи команд, а используемые алгоритмы не страховались от ошибок. Поскольку СССР не имел возможности разместить наземные пункты связи по всей поверхности земного шара вдоль трассы, полёт космических кораблей и орбитальных станций значительную часть времени проходил вне зоны радиовидимости. Зачастую экипаж не мог парировать нештатные ситуации, возникающие на «глухой» части витка, а интерфейсы «человек — машина» были настолько несовершенными, что не позволяли в полной мере использовать возможности космонавта. Запас топлива для маневрирования оказался недостаточен, часто не позволяя осуществить повторные попытки стыковки, например при возникновении сложностей во время сближения со станцией. Во многих случаях это приводило к срыву всей программы полёта.

Стыковка корабля «Союз-15» со станцией «Салют-3» («Алмаз») не удалась из-за отказа системы сближения транспортного корабля. Графика А. Шлядинского

Для пояснения того, как разработчикам удалось справиться с решением этой и ряда других проблем, следует отступить немного назад во времени. Вдохновлённый успехами головного ОКБ-1 в области пилотируемых полётов, Куйбышевский филиал предприятия — ныне Ракетно-космический центр (РКЦ) «Прогресс» — под руководством Д. И. Козлова в 1963 году начал проектные проработки по военно-исследовательскому кораблю 7К-ВИ, который, кроме прочего, предназначался для разведывательных миссий. Не будем обсуждать саму проблему присутствия человека на спутнике-фоторазведчике, которая сейчас кажется по меньшей мере странной, — скажем лишь, что в Куйбышеве на основе технических решений «Союза» был сформирован облик пилотируемого аппарата, в значительной мере отличающегося от прародителя, но ориентированного на запуск с помощью ракеты-носителя того же семейства, что выводило корабли типа 7К-ОК и 7К-Т.

Проект, в который закладывалось несколько изюминок, космоса так и не увидел, и был закрыт в 1968 году. Основной причиной обычно считают стремление руководства ЦКБЭМ монополизировать тематику пилотируемых полётов в головном конструкторском бюро. Оно предложило вместо одного корабля 7К-ВИ спроектировать орбитальную исследовательскую станцию (ОИС) «Союз-ВИ» из двух компонентов — орбитального блока (ОБ-ВИ), разработку которого поручили филиалу в Куйбышеве, и пилотируемого транспортного корабля (7К-С), который проектировался своими силами в Подлипках.

Облик военно-исследовательского корабля 7К-ВИ с точки зрения художника журнала Flieger Revue

Были задействованы многие решения и наработки, сделанные как в филиале, так и в головном КБ, однако заказчик — Министерство обороны СССР — признал более перспективным средством разведки уже упоминавшийся комплекс на основе ОПС «Алмаз».

Несмотря на закрытие проекта «Союз-ВИ» и переброску значительных сил ЦКБЭМ на программу создания ДОС «Салют», работы по кораблю 7К-С продолжились: военные готовы были использовать его для проведения автономных экспериментальных полётов с экипажем из двух человек, а разработчики видели в проекте возможность создания на основе 7К-С модификаций корабля различного целевого назначения.

Интересно, что проектированием занималась команда специалистов, не связанная с созданием 7К-ОК и 7К-Т. Поначалу разработчики пытались, сохранив общую компоновку, улучшить такие характеристики корабля, как автономность и способность к маневрированию в широких пределах, путём изменения силовой конструкции и мест расположения отдельных модифицированных систем. Однако по мере продвижения проекта стало ясно, что кардинальное улучшение функциональности возможно лишь путём внесения принципиальных изменений.

Устройство корабля «Союз-Т». Графика В. Некрасова из архива «Новостей космонавтики»

В конечном итоге проект имел коренные отличия от базовой модели. 80% бортовых систем 7К-С были разработаны заново или значительно модернизированы, в аппаратуре применена современная элементная база. В частности, новая система управления движением «Чайка-3» строилась на базе бортового цифрового вычислительного комплекса на основе компьютера «Аргон-16» и бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Принципиальным отличием системы стал переход от прямого управления движением по данным измерений к управлению на основе корректируемой модели движения корабля, реализованной в бортовом компьютере. Датчики навигационной системы измеряли угловые скорости и линейные ускорения в связанной системе координат, которая, в свою очередь, моделировались в компьютере. «Чайка-3» рассчитывала параметры движения и автоматически управляла кораблём в оптимальных режимах с наименьшим расходом топлива, вела самоконтроль с переходом — в случае необходимости — на резервные программы и средства, выдавая экипажу информацию на дисплей.

Принципиально новым стал пульт космонавтов, установленный в спускаемом аппарате: основные средства отображения информации имели командно-сигнальные пульты матричного типа и комбинированный электронный индикатор на основе кинескопа. Принципиально новыми были приборы обмена информацией с бортовым компьютером. И пусть первый отечественный электронный дисплей обладал (как шутили некоторые специалисты) «интерфейсом куриного интеллекта», это уже был значительный шаг к тому, чтобы перерезать информационную «пуповину», связывающую корабль с Землёй.

Пульт космонавтов спускаемого аппарата корабля «Союз-Т». Фото с сайта

Была разработана новая двигательная установка с единой топливной системой для основного двигателя и микродвигателей причаливания и ориентации. Она стала надёжнее и вмещала больший запас топлива, чем раньше. На корабль вернули солнечные батареи, снятые после «Союза-11» для облегчения, усовершенствовали систему аварийного спасения, парашюты и двигатели мягкой посадки. При этом корабль внешне оставался очень похож на прототип 7К-Т.

В 1974 году, когда Минобороны СССР решило отказаться от автономных военно-исследовательских миссий, проект переориентировали на транспортные полёты к орбитальным станциям, а численность экипажа довели до трёх человек, одетых в обновлённые аварийно-спасательные скафандры.

⇡#Другой корабль и его развитие

Корабль получил обозначение 7К-СТ. По совокупности многочисленных изменений ему даже планировали дать новое имя — «Витязь», однако в итоге обозначили как «Союз Т». Первый беспилотный полёт новый аппарат (ещё в варианте 7К-С) совершил 6 августа 1974 года, а первый пилотируемый «Союз Т-2» (7К-СТ) стартовал лишь 5 июня 1980 года. Столь длительный путь к регулярным миссиям обуславливался не только сложностью новых решений, но и определённым противодействием «старой» команды разработчиков, которые параллельно продолжали доработки и эксплуатацию 7К-Т — в период с апреля 1971 года по май 1981 года «старый» корабль 31 раз слетал под обозначением «Союз» и 9 раз как спутник «Космос». Для сравнения: с апреля 1978 года по март 1986 года 7К-С и 7К-СТ совершил 3 беспилотных и 15 пилотируемых полётов.

Экспериментальный полёт Apollo – «Союз». Для стыковки использовался корабль модификации 7К-ТМ. Картина художника Роберта Маккола

Тем не менее, завоевав место под солнцем, «Союз Т» со временем стал «рабочей лошадкой» отечественной пилотируемой космонавтики — именно на его базе началось проектирование следующей модели (7К-СТМ), предназначенной для транспортных полётов к высокоширотным орбитальным станциям. Предполагалось, что ДОС третьего поколения будут работать на орбите с наклонением 65° для того, чтобы трасса их полёта захватывала большую часть территории страны: при запуске на орбиту с наклонением 51° всё, что остаётся севернее трассы, недосягаемо для приборов, предназначенных для наблюдения с орбиты.

Поскольку ракета-носитель «Союз-У» при запуске аппаратов к высокоширотным станциям недобирала примерно 350 кг массы полезного груза, она не могла вывести на нужную орбиту корабль в штатной комплектации. Необходимо было компенсировать потери грузоподъёмности, а также создать модификацию корабля, обладающую повышенной автономностью и ещё большими возможностями для маневрирования.

Проблему с ракетой решили переводом двигателей второй ступени носителя (получил обозначение «Союз-У2») на новое высокоэнергетическое синтетическое углеводородное горючее «синтин» («циклин»).

«Циклиновый» вариант ракеты-носителя «Союзу-У2» летал с декабря 1982 года по июль 1993 года. Фото Роскосмоса

А корабль переделали, оснастив усовершенствованной двигательной установкой повышенной надёжности с увеличенным запасом топлива, а также новыми системами – в частности, старую систему сближения («Игла») заменили новой («Курс»), позволяющей проводить стыковку без переориентации станции. Теперь все режимы нацеливания, в том числе на Землю и Солнце, могли выполняться либо автоматически, либо при участии экипажа, а сближение осуществлялось на основе расчётов траектории относительного движения и оптимальных манёвров — они выполнялись с помощью бортового компьютера при использовании информации от системы «Курс». Для дублирования был введён телеоператорный режим управления (ТОРУ), позволявший в случае отказа «Курса» космонавту со станции взять управление на себя и вручную состыковать корабль.

Корабль мог управляться по командной радиолинии или экипажем с использованием новых бортовых устройств ввода и отображения информации. Обновлённая система связи позволяла при автономном полёте связаться с Землёй через станцию, к которой летел корабль, что существенно расширяло зону радиовидимости. Вновь переделали двигательную установку системы аварийного спасения и парашюты (для куполов использовали облегчённый капрон, а для строп — отечественный аналог кевлара).

Эскизный проект на корабль следующей модели — 7К-СТМ — был выпущен в апреле 1981 года, а лётные испытания начались с беспилотного запуска «Союза ТМ» 21 мая 1986 года. Увы, станция третьего поколения оказалась всего одна — «Мир», и летала она по «старой» орбите с наклонением 51°. Но пилотируемые полёты корабля, которые начались с февраля 1987 года, обеспечили не только успешную эксплуатацию этого комплекса, но и начальный этап работы МКС.

Схема корабля «Союз ТМ»

При проектировании вышеуказанного орбитального комплекса для существенного снижения продолжительности «глухих» витков была предпринята попытка создать спутниковую систему связи, контроля и управления на основе геостационарных спутников-ретрансляторов «Альтаир», наземных пунктов ретрансляции и соответствующей бортовой радиоаппаратуры. Такая система успешно использовалась при управлении полётом во время эксплуатации станции «Мир», однако оснастить подобной аппаратурой корабли типа «Союз» в то время всё же не могли.

С 1996 года из-за высокой стоимости и отсутствия месторождений сырья на российской территории пришлось отказаться от использования «синтина»: начиная с «Союза ТМ-24» все пилотируемые корабли вернулись на носитель «Союз-У». Вновь возникла проблема недостаточной энергетики, которую предполагалось решать облегчением корабля и модернизацией ракеты.

С мая 1986 года по апрель 2002 года были запущены 33 пилотируемых и 1 беспилотный аппарат серии 7К-СТМ — все они шли под обозначением «Союз ТМ».

Корабль типа «Союз ТМ», пристыкованный к станции «Мир». En.wikipedia.org

Следующая модификация корабля была создана для эксплуатации в международных миссиях. Её проектирование совпало с разработкой МКС, точнее со взаимной интеграцией американского проекта Freedom и российского «Мир-2». Поскольку стройку предполагалось осуществлять американскими шаттлами, которые не могли подолгу оставаться на орбите, в составе станции должен был постоянно дежурить аппарат-спасатель, способный в случае возникновения чрезвычайной ситуации безопасно вернуть экипаж на Землю.

Соединённые Штаты работали над «космическим такси» CRV (Crew Return Vehicle) на базе аппарата с несущим корпусом X-38, а Ракетно-космическая корпорация (РКК) «Энергия» (так со временем стало называться предприятие — правопреемник «королёвского» ОКБ-1) предлагала корабль капсульного типа на базе масштабно увеличенного союзовского спускаемого аппарата. И тот и другой аппараты должны были доставляться на МКС в грузовом отсеке шаттла, который, кроме того, рассматривался как основное средство полёта экипажей с Земли на станцию и обратно.

Корабль-спасатель CRV должны были делать американские фирмы при участии европейских организаций. Графика ЕКА

20 ноября 1998 года в космос был запущен первый элемент МКС — функционально-грузовой блок «Заря», созданный в России на американские деньги. Строительство началось. На этом этапе стороны осуществляли доставку экипажей на паритетной основе — шаттлами и «Союзами-ТМ». Большие технические сложности, вставшие на пути проекта CRV, и значительное превышение бюджета заставили прекратить разработку американского корабля-спасателя. Специальный российский корабль-спасатель тоже не был создан, но работы в этом направлении получили неожиданное (или закономерное?) продолжение.

1 февраля 2003 года при возвращении с орбиты погиб шаттл Columbia. Реальной угрозы закрытия проекта МКС не было, но ситуация оказалась критической. Стороны справились с возникшим положением, уменьшив экипаж комплекса с трёх до двух человек и приняв российское предложение о постоянном дежурстве на станции российского «Союза ТМ». Затем подтянулся модифицированный транспортный пилотируемый корабль «Союз ТМА», созданный на базе 7К-СТМ в рамках ранее достигнутого межгосударственного соглашения России и США как составная часть комплекса орбитальной станции. Главным его назначением стало обеспечение спасения основного экипажа станции и доставка экспедиций посещения.

Схема размещения на МКС пилотируемых и грузовых транспортных кораблей. Графика HistoricSpacecraft.com

По результатам ранее проведённых полётов международных экипажей на «Союзах ТМ» в конструкции нового корабля были учтены специфические антропометрические требования (отсюда и литера «А» в обозначении модели): среди американских астронавтов есть персоны, довольно сильно отличающиеся от российских космонавтов по росту и весу, причём как в большую, так и в меньшую сторону (см. таблицу). Надо сказать, что эта разница влияла не только на комфорт размещения в спускаемом аппарате, но и на центровку, что было важно для безопасной посадки при возвращении с орбиты и потребовало модификации системы управления спуском.

Антропометрические параметры членов экипажа кораблей «Союз ТМ» и «Союз ТМА»

В спускаемом аппарате «Союза ТМА» установили три вновь разработанных удлинённых кресла с новыми четырёхрежимными амортизаторами, которые регулируются по массе космонавта. Оборудование в зонах, прилегающих к креслам, перекомпоновали. Внутри корпуса спускаемого аппарата в зоне подножек правого и левого кресел сделали выштамповки глубиной около 30 мм, которые позволили разместить рослых космонавтов в удлинённых креслах. Изменился силовой набор корпуса и прокладка трубопроводов и кабелей, расширилась зона прохода через входной люк-лаз. Установлены новый пульт управления, уменьшенный по высоте, новый холодильно-сушильный агрегат, блок запоминания информации и другие новые или дорабатываемые системы. Кабину экипажа по возможности расчистили от выступающих элементов, перенеся их в более удобные места.

Органы управления и системы индикации, установленные в спускаемом аппарате «Союза ТМА»: 1 – командир и бортинженер-1 имеют перед собой интегрированные пульты управления (ИнПУ); 2 — цифровая клавиатура для введения кодов (для навигации по дисплею ИнПУ); 3 — блок управления маркером (для навигации по дисплею ИнПУ); 4 — блок электролюминесцентной индикации текущего состояния систем; 5 — ручные поворотные вентили РПВ-1 и РПВ-2, отвечающие за наполнение магистралей дыхания кислородом; 6 — электропневмоклапан подачи кислорода при посадке; 7 — командир корабля наблюдает за стыковкой через перископический «Визир специальный космонавта (ВСК)»; 8 — с помощью ручки управления движением (РУД) кораблю придаётся линейное (положительное или отрицательное) ускорение; 9 — с помощью ручки управления ориентацией (РУО) кораблю задаётся вращение; 10 — вентилятор холодильно-сушильного агрегата (ХСА), выводящего из корабля тепло и излишнюю влагу; 11 — тумблеры включения вентиляции скафандров при посадке; 12 — вольтметр; 13 — блок предохранителей; 14 — кнопка запуска консервации корабля после стыковки с орбитальной станцией

В очередной раз доработали комплекс средств приземления — он стал более надёжным и позволял уменьшить перегрузки, возникающие после спуска на запасной парашютной системе.

Проблему спасения полностью укомплектованного экипажа МКС из шести человек в конечном итоге решили одновременным нахождением на станции двух «Союзов», которые с 2011 года, после ухода шаттлов в отставку, стали единственными пилотируемыми кораблями в мире.

Для подтверждения надёжности был проведён значительный (по нынешним временам) объём экспериментальной отработки и макетирование с контрольной примеркой экипажей, включая астронавтов NASA. В отличие от кораблей предыдущих серий, беспилотных запусков не проводилось: первый старт «Союза ТМА-1» состоялся 30 октября 2002 года сразу с экипажем. Всего до ноября 2011 года было запущено 22 корабля данной серии.

«Союз ТМА-15» отстыковался от МКС. Фото NASA

⇡#Цифровой «Союз»

С начала нового тысячелетия основные усилия специалистов РКК «Энергия» были направлены на совершенствовании бортовых систем кораблей путём замены аналогового оборудования цифровым, выполненным на современной компонентной базе. Предпосылками к этому стало моральное старение аппаратуры и технологии изготовления, а также прекращение выпуска ряда комплектующих.

С 2005 года предприятие вело работы по модернизации «Союза ТМА» для того, чтобы обеспечить выполнение современных требований к надёжности пилотируемых кораблей и безопасности экипажа. Основным изменениям подверглись системы управления движением, навигации и бортовых измерений — замена этого оборудования современными приборами на основе вычислительных средств с развитым программным обеспечением позволила улучшить эксплуатационные характеристики корабля, решить проблему обеспечения гарантированных поставок ключевых служебных систем, уменьшить массу и занимаемый объём.

Размещение вновь вводимой аппаратуры на корабле «Союз ТМА-М»

Всего в системе управления движением и навигации корабля новой модификации вместо шести старых приборов общей массой 101 кг установили пять новых массой около 42 кг. Потребление электроэнергии снизилось с 402 до 105 Вт, а производительность и надёжность центральной вычислительной машины выросла. В системе бортовых измерений 30 старых приборов общей массой около 70 кг заменили 14 новыми общей массой примерно 28 кг при той же информативности.

Для того чтобы организовать управление, электропитание и термостатирование новой аппаратуры, соответственно доработали системы управления бортовым комплексом и обеспечения теплового режима, выполнив дополнительные усовершенствования конструкции корабля (улучшена технологичность его изготовления), а также доработав интерфейсы связи с МКС. В результате удалось облегчить корабль примерно на 70 кг, что позволило увеличить возможности по доставке полезного груза, а также и далее повышать надёжность «Союза».

Один из этапов модернизации был отработан на «грузовике» «Прогресс М-01М» в 2008 году. На беспилотном аппарате, являющемся во многом аналогом пилотируемого корабля, устаревший бортовой «Аргон-16» заменили современной цифровой вычислительной машиной ЦВМ101 с тройным резервированием, производительностью 8 млн операций в секунду и ресурсом работы 35 тыс. часов, которая была разработана НИИ «Субмикрон» (Зеленоград, Москва). В новом компьютере используется RISC-процессор 3081 (с 2011 года ЦВМ101 комплектуется отечественным процессором 1890BM1T). Также на борту была установлена новая цифровая телеметрия, новая система наведения и экспериментальным программным обеспечением.

Старая и новая бортовые ЦВМ

Первый старт пилотируемого космического корабля «Союз ТМА-01М» состоялся 8 октября 2010 года. В его кабине стоял модернизированный пульт «Нептун», сделанный с использованием современных вычислительных средств и устройств отображения информации, отличающийся новыми интерфейсами и программным обеспечением. Все компьютеры корабля (ЦВМ101, КС020-M, компьютеры пульта) объединены в общую вычислительную сеть — бортовой цифровой вычислительный комплекс, интегрируемый в вычислительную систему российского сегмента МКС после стыковки корабля со станцией. В результате вся бортовая информация «Союза» может попасть в систему управления станции для контроля, и наоборот. Такая возможность позволяет оперативно изменять навигационные данные в системе управления корабля в случае необходимости выполнения штатного или срочного спуска с орбиты.

Европейские астронавты Андреас Могенсен и Тома Песке отрабатывают на тренажёре управление движением корабля «Союз ТМА-М». Скриншот с видео ЕКА

Первый цифровой «Союз» ещё не отправился в свой пилотируемый полет, а в 2009 году РКК «Энергия» обратилась в Роскосмос с предложением рассмотреть возможность дальнейшей модернизации кораблей типа «Прогресс М-М» и «Союз ТМА-М». Необходимость в этом вызвана тем, что в наземном автоматизированном комплексе управления выводились из эксплуатации морально устаревшие станции «Квант» и «Кама». Первые обеспечивают основной контур управления полётом кораблей с Земли через бортовой радиотехнический комплекс «Квант-В», производимый на Украине, вторые — измерение параметров орбиты корабля.

Современные «Союзы» управляются по трём контурам. Первый — автоматический: бортовая система решает задачу управления без вмешательства извне. Второй контур обеспечивается Землёй с привлечением радиотехнических средств. Наконец, третий — ручное управление экипажем. Предыдущие модернизации обеспечили обновление автоматического и ручного контура. Самый последний этап затронул радиотехнические средства.

Бортовая командная система «Квант-В» меняется на единую командно-телеметрическую систему, оснащённую дополнительным телеметрическим каналом. Последняя резко повысит независимость космических кораблей от наземных пунктов управления: командная радиолиния обеспечит работу через спутники-ретрансляторы «Луч-5», расширив зону радиовидимости до 70% длительности витка. На борту появится новая радиотехническая система сближения «Курс-НА», уже прошедшая лётные испытания на «Прогрессах М-М». По сравнению с прежним «Курсом-А» она легче, компактнее (в том числе за счёт исключения одной из трёх сложных радиоантенн) и энергоэкономичнее. «Курс-НА» производится в России и выполнен на новой элементной базе.

Система сближения «Курс-НА» была проверена в полётах грузовых кораблей «Прогресс М» новых модификаций. Фото Роскосмоса

В состав системы введена аппаратура спутниковой навигации АСН-КС, способная работать как с отечественной ГЛОНАСС, так и с американской GPS, что обеспечит высокую точность определения скоростей и координат корабля на орбите без привлечения наземных измерительных систем.

Передатчик бортовой телевизионной системы «Клёст-М» ранее был аналоговым, теперь его заменили цифровым, с кодированием видео в формате MPEG-2. Как следствие, снизилось влияние индустриальных помех на качество изображения.

В системе бортовых измерений применён модернизированный блок записи информации, выполненный на современной отечественной элементной базе. Существенно изменена система электропитания: более чем на один квадратный метр выросла площадь фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, а их КПД увеличился с 12 до 14%, установлен дополнительный буферный аккумулятор. В результате мощность системы выросла и обеспечивает гарантированное электропитание аппаратуры при стыковке корабля с МКС даже на случай нераскрытия одной из панелей солнечных батарей.

Изменено размещение двигателей причаливания и ориентации комбинированной двигательной установки: теперь программа полета сможет выполняться при отказе одного любого двигателя, а безопасность экипажа будет обеспечена даже при двух отказах в подсистеме двигателей причаливания и ориентации.

В очередной раз повышена точность радиоизотопного высотомера, включающего двигатели мягкой посадки. Доработки системы обеспечения теплового режима позволили исключить нештатное функционирование расхода теплоносителя.

Модернизирована система связи и пеленгации, позволяющая с помощью приёмника ГЛОНАСС/GPS определять координаты места посадки спускаемого аппарата и передавать их поисково-спасательной команде, а также в подмосковный ЦУП по спутниковой системе КОСПАС-SARSAT.

В наименьшей степени изменения затронули конструктив корабля: на корпусе бытового отсека установлена дополнительная защита от микрометеоритов и космического мусора.

Отработка модернизированных систем уже традиционно выполнялась на грузовом корабле — на этот раз на Прогрессе МС, который стартовал к МКС 21 декабря 2015 года. В ходе миссии впервые за время эксплуатации «Союзов» и «Прогрессов» был осуществлён сеанс связи через спутник-ретранслятор «Луч-5Б». Штатный полёт «грузовика» открыл путь к миссии пилотируемого «Союза МС». Кстати, старт «Союза ТМ-20АМ» 16 марта 2016 года завершил данную серию: на корабле был установлен последний комплект системы «Курс-А».

Ролик телестудии «Роскосмос», описывающий модернизации систем корабля «Союз МС».

⇡#Подготовка к полёту и старт

Конструкторская документация на монтаж приборов и оборудования Союза МС выпускалась в РКК «Энергия» с 2013 года. Тогда же началось изготовление корпусных деталей. Цикл изготовления кораблей в корпорации составляет примерно два года, поэтому начало лётной эксплуатации нового «Союза» относилось на 2016 год.

После того как первый корабль поступил на заводскую контрольно-испытательную станцию, некоторое время его старт планировали на март 2016 года, но в декабре 2015 года перенесли на 21 июня. В конце апреля запуск сдвинули на три дня. СМИ сообщили, что одной из причин переноса стало желание сократить промежуток между приземлением «Союза ТМА-19М» и запуском «Союза МС-01» «в целях более эффективной работы экипажа МКС». Соответственно, дату посадки «Союза ТМА-19М» сдвинули с 5 на 18 июня.

13 января на Байконуре началась подготовка ракеты «Союз-ФГ»: блоки носителя прошли необходимую проверку, и специалисты приступили к сборке «пакета» (связка из четырёх боковых блоков первой и центрального блока второй ступеней), к которому была присоединена третья ступень.

Сборка ракеты-носителя для корабля новой серии. Фото Роскосмоса

14 мая на космодром прибыл корабль, и началась его подготовка к пуску. Уже 17 мая прошло сообщение о проверке автоматической системы управления двигателями ориентации и причаливания. В конце мая «Союз МС-01» испытали на герметичность. В это же время на Байконур доставили двигательную установку системы аварийного спасения.

С 20 по 25 мая корабля тестировался на герметичность в вакуумной камере, после чего был перевезён в монтажно-испытательный корпус (МИК) площадки 254 для дальнейших проверок и испытаний. В процессе подготовки в системе управления обнаружились неполадки, которые могли привести к закрутке корабля при стыковке с МКС. Первоначально выдвинутая версия о сбое программного обеспечения не подтвердилась при испытаниях на стенде аппаратуры системы управления. «Специалисты обновили программное обеспечение, проверили его на наземном тренажёре, однако и после этого ситуация не изменилась», — сообщил анонимный источник в отрасли.

Первый «Союз МС» перед испытаниями в вакуумной камере. Фото Роскосмоса

1 июня специалисты рекомендовали перенести запуск «Союза МС». 6 июня состоялось заседание Государственной комиссии Роскосмоса под председательством первого заместителя главы Госкорпорации Александра Иванова, которое приняло решение перенести старт на 7 июля. Соответственно сдвинулся (с 7 на 19 июля) и запуск грузового «Прогресса МС-03».

Блок управления резервным контуром сняли с «Союза МС-01» и отправили в Москву для перепрошивки программного обеспечения.

Параллельно с техникой готовились и экипажи — основной и дублирующий. В середине мая российский космонавт Анатолий Иванишин и японский астронавт Такуя Ониси, так же как и их дублёры — космонавт Роскосмоса Олег Новицкий и астронавт ЕКА Тома Песке, успешно прошли испытания на специализированном тренажёре на базе центрифуги ЦФ-7: проверялась возможность ручного управления спуском корабля при имитации перегрузок, возникающих при входе в атмосферу. Космонавты и астронавты успешно справились с поставленной задачей, «приземлившись» максимально близко к расчётной точке посадки с минимальными перегрузками. Затем продолжились плановые тренировки на тренажёрах «Союза МС» и российского сегмента МКС, а также занятия по проведению научных и медицинских экспериментов, физическая и медицинская подготовка к воздействию факторов космического полёта и экзамены.

31 мая в Звёздном городке было принято окончательное решение об основном и дублирующем экипажах: Анатолий Иванишин — командир, Кэтлин Рубенс — бортинженер №1 и Такуя Ониси — бортинженер №2. В состав дублирующего экипажа вошли Олег Новицкий — командир, Пегги Уитсон — бортинженер №1 и Тома Песке — бортинженер №2.

24 июня основной и дублирующий экипажи прибыли на космодром, уже на следующий день осмотрели «Союз МС» в МИКе площадки 254, а затем приступили к тренировкам в Испытательном учебно-тренировочном комплексе.

Экипаж корабля «Союз МС-01» Кэтлин Рубенс, Анатолий Иванишин и Такуя Ониси представляют эмблему полёта

Интересна эмблема миссии, созданная испанским дизайнером Хорхе Картесом (Jorge Cartes): на ней изображён «Союз МС-01», сближающийся с МКС, а также указаны название корабля и фамилии членов экипажа на языках их родных стран. Номер корабля — «01» — выделен крупным шрифтом, причём внутри нуля изображён крохотный Марс, как намёк на глобальную цель пилотируемой космонавтики на ближайшие десятилетия.

4 июля ракету с пристыкованным кораблем вывезли из МИКа и установили на первую площадку («Гагаринский старт») космодрома Байконур. При скорости движения 3-4 км/ч процедура вывоза занимает около полутора. Служба безопасности пресекала попытки гостей, присутствовавших на вывозе, расплющить «на счастье» монетки под колесами тепловоза, тянущего платформу с уложенной на установщик ракетой-носителем.

6 июля Госкомиссия окончательно утвердила уже намеченный ранее основной экипаж 48-49-й экспедиции на МКС.

7 июля в 01:30 мск началась подготовка ракеты-носителя «Союз-ФГ» к пуску. В 02:15 мск космонавты, одетые в скафандры, заняли свои кресла в кабине «Союза МС-01».

В 03:59 объявлена 30-минутная готовность к пуску, начался перевод колонн обслуживания в горизонтальное положение. В 04:03 мск взведена система аварийного спасения. В 04:08 прошел доклад о выполнении предстартовых операций в полном объёме и эвакуации стартового расчета в безопасную зону.

За 15 минут до старта для поднятия духа «Иркутам» начали транслировать лёгкую музыку и песни на японском и английском языках.

В 04:36:40 ракета стартовала! Через 120 секунд сбросилась двигательная установка системы аварийного спасения и отошли боковые блоки первой ступени. На 295 секунде полёта отошла вторая ступень. На 530 секунде закончила работу третья ступень и «Союз МС» был выведен на орбиту. Новая модификация корабля-ветерана устремилась в космос. Экспедиция 48-49 на МКС началась.

⇡#Перспективы «Союза»

В этом году должны быть запущены ещё два корабля (23 сентября летит «Союз МС-02» и 6 ноября — «Союз МС-03») и два «грузовика», которые по системе управления во многом являются беспилотными аналогами пилотируемых аппаратов (17 июля — «Прогресс МС-03» и 23 октября — «Прогресс МС-04»). В следующем году ожидаются запуски трёх «Союзов МС» и трёх «Прогрессов МС». Примерно так же выглядят планы на 2018 год.

30 марта 2016 года, во время пресс-конференции руководителя Госкорпорации «Роскосмос» И. В. Комарова, посвящённой Федеральной космической программе на 2016—2025 годы (ФКП-2025), был показан слайд, демонстрирующий предложения по запуску к МКС в указанный период в общей сложности 16 Союзов МС и 27 «Прогрессов МС». С учётом уже опубликованных российских планов с конкретным указанием даты запусков до 2019 года табличка в общем согласуется с реалиями: в 2018-2019 годах NASA надеется начать полёты коммерческих пилотируемых кораблей, которые будут доставлять американских астронавтов на МКС, из-за чего отпадёт необходимость в столь значительном числе запусков «Союзов», как сейчас.

План запусков космических кораблей в рамках Федеральной космической программы на 2016—2025 годы, представленный руководителем Госкорпорации «Роскосмос» И. В. Комаровым. Иллюстрация с форума журнала «Новости космонавтики»

Корпорация «Энергия» по контракту с Объединённой ракетно-космической корпорацией (ОРКК) дооснастит пилотируемые корабли «Союз МС» индивидуальным снаряжением для отправки на МКС и возвращения на землю шести астронавтов по договору с NASA, срок окончания действия которого — декабрь 2019 года.

Запуски кораблей будут осуществляться ракетами-носителями «Союз-ФГ» и «Союз-2.1А» (с 2021 года). 23 июня агентство «РИА Новости» сообщило, что Госкорпорация «Роскосмос» объявила два открытых конкурса на изготовление и поставку трёх ракет «Союз-2.1А» для выведения грузовых кораблей «Прогресс МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2017 года, начальная цена контракта — более 3,3 млрд рублей) и двух «Союз-ФГ» для пилотируемых кораблей «Союз МС» (срок отгрузки — до 25 ноября 2018 года, максимальная цена на изготовление и поставку — более 1,6 млрд рублей).

Таким образом, начиная с только что проведённого запуска, «Союз МС» становится единственным российским средством доставки на МКС и возвращения космонавтов на Землю.

Варианты корабля для околоземных орбитальных полётов

Название	«Союз» 7К-ОК	«Союз» 7К-Т	«Союз» 7К-ТМ	«Союз Т»	«Союз ТМ»	«Союз ТМА»	«Союз ТМА-М»	«Союз МС»
Годы эксплуатации	1967-1971	1973-1981	1975	1976-1986	1986-2002	2003-2012	2010-2016	2016-…
Общие характеристики
Стартовая масса, кг	6560	6800	6680	6850	7250	7220	7150	-
Длина, м	7,48
Максимальный диаметр, м	2,72
Размах солнечных батарей, м	9,80	9,80	8,37	10,6	10,6	10,7	10,7	-
Бытовой отсек
Масса, кг	1100	1350	1224	1100	1450	1370	?	?
Длина, м	3,45	2,98	310	2,98	2,98	2,98	2,98	2,98
Диаметр, м	2,26
Свободный объём, м3	5,00
Спускаемый аппарат
Масса, кг	2810	2850	2802	3000	2850	2950	?	?
Длина, м	2,24
Диаметр, м	2,2
Свободный объём, м3	4,00	3,50	4,00	4,00	3,50	3,50	?	?
Приборно-агрегатный отсек
Масса, кг	2650	2700	2654	2750	2950	2900	?	?
Запас топлива, кг	500	500	500	700	880	880	?	?
Длина, м	2,26
Диаметр м	2,72

Если проследить всю пятидесятилетнюю эволюцию «Союзов», можно заметить, что все изменения, не связанные со сменой «рода деятельности», в основном касались бортовых систем корабля и сравнительно мало отражались на его внешности и внутренней компоновке. А ведь попытки «революций» предпринимались, и не раз, но неизменно натыкались на тот факт, что такие модификации конструкции (связанные, например, с увеличением размеров бытового отсека или спускаемого аппарата) вели к резкому нарастанию сопутствующих проблем: изменение масс, моментов инерции и центровки, а также аэродинамических характеристик отсеков корабля влекло за собой необходимость проведения комплекса дорогостоящих испытаний и ломки всего технологического процесса, в который с конца 1960-х годов было вовлечено несколько десятков (если не сотен) предприятий-смежников первого уровня кооперации (поставщиков приборов, систем, ракет-носителей), вызывая лавинообразный рост затрат времени и денег, которые могли и вовсе не окупиться полученными выгодами. И даже изменения, не влияющие на компоновку и внешний вид «Союза», вносились в конструкцию лишь при возникновении реальной проблемы, которую не мог решить имеющийся вариант корабля.

Конфигурация уводимой части головного блока с двигательной установкой системы аварийного спасения менялась в зависимости от модификаций «Союза». Графика А. Шлядинского

Союз МС станет вершиной эволюции и последней крупной модернизацией корабля-ветерана. В дальнейшем он будет подвергаться лишь незначительным доработкам, связанным со снятием с производства отдельных приборов, обновлением элементной базы и ракет-носителей. Например, планируется замена ряда электронных блоков в системе аварийного спасения, а также адаптация «Союза МС» под ракету-носитель «Союз-2.1А».

По мнению ряда экспертов, корабли типа «Союз» пригодны для выполнения ряда задач и за пределами околоземной орбиты. К примеру, несколько лет назад компания Space Adventures (выполняла маркетинг посещения МКС космическими туристами) совместно с РКК «Энергия» предлагала туристические полёты по траектории облёта Луны. Схема предусматривала два пуска ракет-носителей. Первым стартовал «Протон-М» с разгонным блоком, оснащённым дополнительным жилым модулем и стыковочным узлом. Вторым — «Союз-ФГ» с «лунной» модификацией корабля «Союз ТМА-М» с экипажем на борту. Обе сборки стыковались на околоземной орбите, а затем разгонный блок отправлял комплекс к цели. Запас топлива корабля был достаточен для выполнения коррекций траектории. По планам путешествие занимало в общей сложности около недели, давая туристам уже через двое-трое суток после старта возможность насладиться видами Луны с расстояния в пару сотен километров.

Разгонный блок с дополнительным жилым модулем и корабль «Союз ТМА-М» перед стартом к Луне. Графика Space Adventures

Доработка собственно корабля заключалась в первую очередь в усилении теплозащиты спускаемого корабля для обеспечения безопасного входа в атмосферу со второй космической скоростью, а также доработки систем жизнеобеспечения под недельный полет. Экипаж должен был состоять из трёх человек — профессионального космонавта и двух туристов. Стоимость «билета» оценивалась в $ 150 млн. Желающих пока не нашлось…

Между тем, как мы помним, «лунные корни» «Союза» говорят об отсутствии технических препятствий к осуществлению подобной экспедиции на доработанном корабле. Вопрос упирается лишь в деньги. Возможно, миссию можно упростить, отправляя «Союз» к Луне с помощью ракеты-носителя «Ангара-А5», стартующей, например, с космодрома Восточный.

Однако в настоящее время представляется маловероятным, что «лунные» «Союзы» когда-нибудь появятся: слишком мал платёжеспособный спрос на такие путешествия и слишком велики затраты на доработку корабля под крайне редкие миссии. Тем более что на смену «Союзам» должна прийти «Федерация» — пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП), который разрабатывается в РКК «Энергия». Новый корабль вмещает больший экипаж — четыре человека (а при аварийном спасении с орбитальной станции — и до шести) против трёх у «Союза». Ресурс систем и энергетические возможности позволяют ему (не в принципе, а в реалиях жизни) решать гораздо более сложные задачи, в том числе совершать полёты в окололунное пространство. Конструкция ПТК НП «заточена» под гибкое использование: корабль для полётов за пределы низкой околоземной орбиты, транспорт для снабжения космической станции, спасатель, туристический аппарат либо система для возврата грузов.

Сравнение масс, размеров и объёмов космических кораблей «Союз МС» (Россия), «Шэнь Чжоу» (Китай), CST-100 Starliner (США), Dragon-2 (США), Orion (США) и ПТК НП «Федерация» (Россия). Графика с сайта

Отметим, что последняя модернизация «Союзов МС» и «Прогрессов МС» позволяет уже сейчас использовать корабли в качестве «летающих испытательных стендов» для отработки решений и систем при создании «Федерации». Так оно и есть: проведённые доработки стоят в ряду мероприятий, направленных на создание ПТК НП. Лётная сертификация новых приборов и оборудования, установленных на «Союз ТМА-М», позволит принять соответствующие решения применительно к «Федерации».