Введение

Из курса физики я узнала, что для того чтобы тело стало искусственным спутником Земли, ему нужно сообщить скорость равную 8 км/с (I космическая скорость). Если такую скорость сообщить телу в горизонтальном направлении у поверхности Земли, то при отсутствии атмосферы оно станет спутником Земли, обращающимся вокруг нее по круговой орбите.

Такую скорость спутникам способны сообщать только достаточно мощные космические ракеты. В настоящее время вокруг Земли обращаются тысячи искусственных спутников!

А для того чтобы достичь других планет космическому кораблю необходимо сообщить II космическую скорость, это около 11, 6 км/с! Например чтобы достичь Марса, что в скором времени собираются сделать американцы, нужно лететь с такой огромной скоростью более восьми с половиной месяцев! И это не считая обратной дороги на Землю.

Каким же должно быть устройство космического корабля, чтобы достичь таких огромных, невообразимых скоростей?! Данная тема меня сильно заинтересовала, и я решила узнать все тонкости конструкции космических кораблей. Как оказалось, задачи практического конструирования вызывают в жизни новые формы летательных аппаратов и требуют разработки новых материалов, которые в свою очередь создают новые проблемы и выявляют много интересных аспектов старых проблем как в области фундаментальных, так и в области прикладных исследований.

Материалы

Основу развития техники составляют знания о свойствах материалов. Во всех космических аппаратах используются разнообразные материалы в самых различных условиях.

В последние несколько лет резко возросло количество изучаемых материалов и представляющих для нас интерес характеристик. Быстрый рост количества технических материалов, используемых при создании космических кораблей, а также возрастающая взаимозависимость конструкций космических кораблей и свойств материалов иллюстрируются табл. 1. В 1953 г. алюминий, магний, титан, сталь и специальные сплавы представляли интерес в первую очередь как авиационные материалы. Пять лет спустя, в 1958 г., они получили широкое применение в ракетостроении. В 1963 г. каждая из указанных групп материалов включала уже сотни комбинаций элементов или составных частей, а количество представляющих интерес материалов увеличилось на несколько тысяч. В настоящее время почти везде нужны новые и усовершенствованные материалы, и вряд ли положение изменится в будущем.

Таблица 1

Материалы, используемые в конструкциях космических аппаратов

Материал
Бериллий
Материалы, обеспечивающие регулирование теплового режима
Термоэлектрические материалы
Фотоэлектрические материалы
Защитные покрытия
Керамика
Материалы, армированные нитями
Уносимые покрытия (абляционные материалы)
Слоистые материалы
Полимеры
Тугоплавкие металлы
Специальные сплавы
Титановые сплавы
Магниевые сплавы
Алюминиевые сплавы

Потребность в новых знаниях в области материаловедения и технологии материалов находит отклик в наших университетах, частных компаниях, независимых исследовательских организациях и различных правительственных органах. Табл.2 дает некоторое представление о характере и масштабах исследований, проводимых НАСА в области разработки новых материалов. Эти работы включают как фундаментальные, так и прикладные исследования. Наибольшие усилия сосредоточены в области фундаментальных исследований по физике твердого тела и химии. Здесь представляют интерес атомное строение материи, межатомные силовые взаимодействия, движение атомов и особенно влияние дефектов, соизмеримых с размерами атомов.

Таблица 2

Программа исследования материалов

К следующей категории относятся конструкционные материалы с большой удельной прочностью, как титан, алюминий и бериллий, теплостойкие и тугоплавкие сплавы, керамика и полимеры. К особой группе следует отнести материалы для сверхзвуковой транспортной авиации.

В программе НАСА постоянно возрастает интерес к категории материалов, используемых в электронике. Ведутся исследования сверхпроводников и лазеров. В группе полупроводников изучаются как органические, так и неорганические материалы. Ведутся также исследования в области термоэлектроники.

И наконец, программа исследования материалов завершается рассмотрением с весьма общих позиций вопросов практического использования материалов.

Чтобы показать потенциальные возможности применения результатов исследования материалов в будущем, я остановлюсь на исследованиях, связанных с изучением влияния пространственного расположения атомов на фрикционные свойства металлов.

Если бы удалось уменьшить трение между соприкасающимися металлическими поверхностями, то это позволило бы усовершенствовать практически все типы механизмов с подвижными частями. В большинстве случаев трение между соприкасающимися поверхностями велико, и чтобы его снизить, применяется смазка. Однако понимание механизма трения между несмазанными поверхностями также представляет большой интерес.

На рис.1 представлены некоторые результаты исследований, проведенных в Льюисском исследовательском центре. Эксперименты проводились в условиях глубокого вакуума, так как атмосферные газы загрязняют поверхности и резко изменяют их фрикционные свойства. Первый важный вывод состоит в том, что фрикционные характеристики чистых металлов в сильной степени зависят от их естественной атомной структуры (см. левую часть рис.1). При затвердевании металлов атомы одних образуют гексагональную пространственную решетку, а атомы других - кубическую. Было показано, что металлы с гексагональной решеткой обладают гораздо меньшим трением, чем металлы с кубической решеткой.

Рис 1. Влияние атомной структуры на сухое трение (без смазки).

Рис.2. Требования к теплостойким материалам.

Космический корабль напоминает подводную лодку: здесь и там экипаж вынужден жить в герметической ка­бине, полностью изолированной от внешней среды. Со­став, давление, температура и влажность воздуха внутри кабины будут регулироваться специальным аппаратом. Но преимуществом космического корабля по сравнению с подводной лодкой явится меньшая разница между дав­лением внутри кабины и снаружи. А чем меньше эта раз­ница, тем тоньше могут быть стенки корпуса.

Для отопления и освещения кабины корабля можно использовать солнечные лучи. Обшивка корабля, подобно земной атмосфере, задерживает пронизывающие меж­планетное пространство ультрафиолетовые лучи Солнца, которые в больших количествах вредны для человече­ского организма. Для лучшей защиты при столкнрвениях с метеорными телами обшивку корабля целесообразно делать многослойной.

Конструкция космического корабля зависит от его назначения. Корабль для посадки на Луну окажется во многом не похож на корабль, предназначенный для по­лёта вокруг неё; корабль для полёта на Марс должен быть построен иначе, чем корабль, отправляющийся на Венеру; ракетный корабль на термохимическом топливе будет су­щественно отличаться от атомного корабля.

Космический корабль на термохимическом топливе, предназначенный для перелёта на искусственный спутник, будет представлять собой многоступенчатую ракету раз­мерами с дирижабль. При старте такая ракета должна весить несколько сот тонн, а её полезный груз примерно в сто раз меньше. Плотно примыкающие друг к другу ступени будут заключены в обтекаемый корпус для лучшего преодоления сопротивления воздуха при полёте в атмосфере. Сравнительно небольшая кабина для экипажа и кабина для остального полезного груза раз­местятся, повидимому, в носовой части корабля. Так как экипажу придётся провести на борту такого корабля лишь непродолжительное время (меньше часа), отпадёт необ­ходимость в сложном оборудовании, которым будут осна­щены межпланетные корабли, предназначенные для длительного полёта. Управление полётом и все измерения будут осуществляться автоматически.

Отработавшие ступени ракеты можно будет спускать обратно на Землю либо на парашюте, либо с помощью выдвижных крыльев, превращающих ступень в планёр.

Рассмотрим ещё один вариант космического корабля (см. рис. 8, в центре, на стр. 24-25). Корабль отправится с искусственного спутника в полёт вокруг Луны для продолжительного обследования её поверхности без по­садки. Выполнив задание, он вернётся прямо на Землю. Как видим, этот корабль состоит в основном из двух спаренных ракет с тремя парами цилиндрических баков, наполненных горючим и окислителем, и двух космических планёров с выдвижными крыльями, предназначенных для спуска на поверхность Земли. Корабль не нуждается в обтекаемой обшивке, так как старт производится за пределами атмосферы.

Такой корабль будет полностью построен и испытан на Земле, а затем переброшен на межпланетную стан­цию в разобранном виде. Отдельными партиями туда до­ставят топливо, снаряжение, запасы продовольствия и кислорода для дыхания.

После того как корабль соберут на межпланетной станции, он отправится дальше в мировое пространство.

Горючее и окислитель будут поступать в двигатель из центральных цилиндрических баков, которые представ­ляют собой основные кабины космического корабля, вре­менно залитые топливом. Они опорожняются спустя не­сколько минут с момента взлёта. Временно экипаж располагается в менее удобной кабине планёра.

Достаточно открыть небольшой кран, соединяющий баки с безвоздушным пространством, чтобы остатки топ­лива мгновенно улетучились. Затем баки-кабины на­полняются воздухом, и экипаж переходит в них из пла­нёра; здесь астронавты проведут всё остальное время полёта.

Подлетев к Луне, корабль превращается в её искус­ственный спутник. Для этого используются горючее и окислитель, находящиеся в задних боковых баках. После использования топлива баки отцепляются. Когда на -

Ступит время возвращения н включат двигатель. Топливо для этой цели хранится в передних боковых баках. Пе­ред погружением в земную атмосферу экипаж пересажи­вается в космические пла­нёры, которые отцепляются от остальной части корабля, продолжающей кружить во­круг Земли. Планёр входит в атмосферу Земли и, манев­рируя выдвижными крылья­ми, снижается.

При полёте с выключен­ным двигателем люди и пред­меты на корабле будут неве­сомы. Это представляет боль­шие неудобства. Конструкто­рам, возможно, придётся со­здать на борту корабля ис­кусственную тяжесть.

Корабль, изображённый на рис. 8, построен как раз по этому принципу. Две его составные части, взлетающие как одно целое, затем отде­ляются друг от друга, оста­ваясь, однако, связанными тросами, и при помощи небольших ракетных двига­телей приводятся в круго­вое движение вокруг обще­го центра тяжести (рис. 6). После того как будет до­стигнута требуемая скорость вращения, двигатели вы­ключаются и движение продолжается по инерции. Возникающая при этом центробежная сила, со­гласно идее Циолковского, должна заменить путешестве

Сегодня стартовала Всемирная неделя космоса. Проводится она ежегодно с 4 по 10 октября. Ровно 60 лет назад на околоземную орбиту вывели первый рукотворный объект советский «Спутник-1». Он вращался вокруг Земли 92 дня, пока не сгорел в атмосфере. После этого открылась дорога в космос и человеку. Стало понятно, что его нельзя отправлять с билетом в один конец. Как развивались космические технологии, узнал корреспондент телеканала «МИР 24» Владимир Сероухов.

В 1961 году саратовские зенитчики засекли на радаре неопознанный летающий объект. Их заранее предупредили: если они увидят такой падающий с неба контейнер, мешать его полету не стоит. Ведь это первый в истории космический спускаемый аппарат с человеком на борту. Но приземляться в этой капсуле было небезопасно, поэтому на высоте 7 километров катапультировался и спустился на поверхность уже с парашютом.

Капсула корабля «Восток», на сленге инженеров - «Шарик», тоже спустилась на парашюте. Так на Землю вернулись Гагарин, Терешкова и другие первопроходцы космоса. Из-за особенностей конструкции пассажиры испытывали невероятные перегрузки в 8 g. Гораздо легче условия в капсулах «Союз». Их используют более полувека, но в скоро должны заменить новым поколением кораблей - .

«Это кресло командира экипажа и второго пилота. Как раз те места, с которых будет выполняться управление кораблем, контроль всех систем. Кроме этих кресел по бокам будут еще два кресла. Это уже для исследователей», - рассказывает заместитель начальника летно-испытательного отдела РКК «Энергия» Олег Кукин.

По сравнению с семейством кораблей «Союз», которые все-таки морально устарели, и где в тесноте могли разместиться лишь трое космонавтов, капсула «Федерации» - настоящие апартаменты, 4 метра в диаметре. Сейчас главная задача - понять насколько удобен и функционален будет аппарат для экипажа.

Управление теперь доступно двум членам экипажа. Пульт шагает в ногу со временем - это три сенсорных дисплея, где можно контролировать информацию и быть более автономным на орбите.

«Вот для того, что бы выбрать место посадки, куда мы можем сесть. Мы непосредственно видим карту, трассу полета. Погодные условия они также могут контролировать, если эта информация будет передана с Земли, - отметил заместитель начальника летно-испытательного отдела РКК «Энергия» Олег Кукин.

«Федерация» рассчитана для полетов на Луну, это около четырех суток пути в одну сторону. Все это время космонавты должны находиться в позе эмбриона. В спасательных креслах, или ложементах удивительно удобно. Каждое - ювелирная работа.

«Измерение всех антропометрических данных начинается с измерения массы», - указал начальник сектора медицинского отдела НПП «Звезда» Виктор Синигин.

Вот оно - космическое ателье, предприятие «Звезда». Здесь для космонавтов делают индивидуальные скафандры и ложементы. Людям легче 50 килограммов путь на борт заказан, как и тем, кто тяжелее 95. Рост тоже должен быть средним, чтобы уместиться в салоне корабля. Поэтому и мерки снимают в позе эмбриона.

Так отливали кресло для японского космонавта Коичи Ваката. Получили отпечаток таза, спины и головы. В условиях невесомости рост любого космонавта может увеличиться на пару сантиметров, так что ложемент делают с запасом. Он должен быть не просто комфортным, но и безопасным в случае жесткой посадки.

«Сама идея моделирования в том, что бы уберечь внутренние органы. Почки, печень они капсулированные. Если дать им возможность расшириться они могут порваться, как полиэтиленовый пакет с водой, упавший на пол», - пояснил Синигин.

Всего таким способом сделали 700 ложементов не только для россиян, но и для японцев, итальянцев и даже коллег из Штатов, которые работали на станциях «Мир» и МКС.

«Американцы на своем «Шаттле» везли наши ложементы и скафандры, которые мы для них делали, и другое спасательное снаряжение. Оставляли это все на станции, на случай аварийного покидания станции, но уже на нашем корабле», - рассказал ведущий инженер испытательного отдела НПП «Звезда» Владимир Масленников.

Отчалит в космос, когда ему подберут подходящий ракетоноситель. Это должно случиться уже через четыре года. Испытание даст отсчет новой эпохе космической эры.

Приборная панель корабля «Восток-1» Ю. А. Гагарина. Центральный Музей Вооруженных Сил, Москва

Общая масса космического корабля достигала 4,73 тонны, длина (без антенн) - 4,4 м, а максимальный диаметр - 2,43 м.

Корабль состоял из сферического спускаемого аппарата (массой 2,46 тонны и диаметром 2,3 м) также выполняющего функции орбитального отсека и конического приборного отсека (массой 2,27 тонны и максимальным диаметром 2,43 м). Масса теплозащиты от 1.3 тонны до 1.5 тонн. Отсеки механически соединялись между собой при помощи металлических лент и пиротехнических замков. Корабль оснащался системами: автоматического и ручного управления, автоматической ориентации на Солнце, ручной ориентации на Землю, жизнеобеспечения (рассчитаной на поддержание внутренней атмосферы, близкой по своим параметрам к атмосфере Земли в течение 10 суток), командно-логического управления, электропитания, терморегулирования и приземления. Для обеспечения задач по работе человека в космическом пространстве корабль снабжался автономной и радиотелеметрической аппаратурой для контроля и регистрации параметров, характеризующих состояние космонавта, конструкции и систем, ультракоротковолновой и коротковолновой аппаратурой для двусторонней радиотелефонной связи космонавта с наземными станциями, командной радиолинией, программно-временным устройством, телевизионной системой с двумя передающими камерами для наблюдения за космонавтом с Земли, радиосистемой контроля параметров орбиты и пеленгации корабля, тормозной двигательной установкой ТДУ-1 и другими системами.

Вес космического корабля вместе с последней ступенью ракеты-носителя составлял 6,17 тонны, а их длина в связке - 7,35 м.

При разработке спускаемого аппарата конструкторами была выбрана осесимметричная сферическая форма, как наиболее хорошо изученная и имеющая стабильные аэродинамические характеристики для всех диапазонов углов атаки на разных скоростях движения. Это решение позволяло обеспечить приемлемую массу тепловой защиты аппарата и реализовать наиболее простую баллистическую схему спуска с орбиты. В тоже время, выбор баллистической схемы спуска обуславливал высокие перегрузки, которые предстояло испытать человеку, работающему на борту корабля.

Спускаемый аппарат имел два иллюминатора, один из которых размещался на входном люке, чуть выше головы космонавта, а другой, оснащённый специальной системой ориентации, в полу у его ног. Космонавт одетый в скафандр, размещался в специальном катапультируемом кресле. На последнем этапе посадки, после торможения спускаемого аппарата в атмосфере, на высоте 7 км, космонавт катапультировался из кабины и совершал приземление на парашюте. Кроме того, была предусмотрена возможность приземления космонавта внутри спускаемого аппарата. Спускаемый аппарат имел собственный парашют, однако не был оснащён средствами выполнения мягкой посадки, что грозило оставшемуся в нём человеку серъёзным ушибом при совместном приземлении.

Аппаратура кораблей «Восток» была выполнена как можно более простой. Манёвр возвращения обычно обрабатывался по автоматической команде, передаваемой по радио с Земли. С целью горизонтальной ориентации корабля использовались инфракрасные датчики. Выравнивание вдоль оси орбиты выполнялось при помощи звёздных и солнечных датчиков ориентации.

В случае отказа автоматических систем космонавт мог перейти на ручное управление. Это было возможно за счёт использования оригинального оптического ориентатора «Взор», установленного на полу кабины. На иллюминаторе размещалась кольцевая зеркальная зона, а на специальном матовом экране были нанесены стрелки, указывающие направление смещения земной поверхности. Когда космический корабль был правильно сориентирован относительно горизонта все восемь визиров зеркальной зоны освещались солнцем. Наблюдение земной поверхности через центральную часть экрана («бег Земли») позволяло определить направление полёта.

Решить, когда следует начать манёвр возвращения космонавту помогал другой прибор - небольшой глобус с часовым механизмом, который показывал текущее положение корабля над Землёй. Зная исходную точку положения можно было с относительной точностью определить место предстоящей посадки.

Эта ручная система могла быть использована только на освещённой части орбиты. Ночью Земля не могла наблюдаться через «Взор». Автоматическая система ориентации должна была иметь возможность работать в любое время.

Корабли «Восток» не были приспособлены для полётов человека на Луну, а также не допускали возможности полёта людей не прошедших специальной подготовки. Во многом это обуславливалось конструкцией спускаемого аппарата корабля, ласково именуемого Шарик . Сферическая форма спускаемого аппарата не предусматривала использования двигателей ориентации. Аппарат походил на шар, основной вес которого был сконцентрирован в одной части, таким образом, при движении по баллистической траектории он автоматически разворачивался тяжёлой частью вниз. Баллистический спуск означал восьмикратную перегрузку при возвращении с земной орбиты и двадцатикратную при возвращении от Луны. Похожим баллистическим аппаратом была капсула «Меркурий»; корабли «Джемини», «Аполлон» и «Союз» благодаря своей форме и смещённому центру тяжести позволяли снизить испытываемые перегрузки (3 G для возвращения с околоземной орбиты и 8 G при возвращении с Луны), и обладали достаточной манёвренностью для изменения точки посадки.

Советские корабли «Восток» и «Восход» также, как американский «Меркурий» не умели выполнять орбитальные манёвры, допуская лишь выполнение поворотов относительно основных осей. Повторный запуск двигательной установки не предусматривался, она использовалась лишь с целью выполнения возвратного тормозного манёвра. Тем не менее, Сергей Павлович Королёв перед началом разработки «Союза» рассматривал возможность создания манёвренного «Востока». Этот проект подразумевал стыковку корабля со специальными разгонными модулями, что в перспективе позволяло использовать его в задаче по облёту Луны. Позднее идея манёвренной версии корабля «Восток» была реализована в разведывательных спутниках «Зенит» и специализированных спутниках «Фотон».

Строение космического корабля «Восток 1»

Большая советская энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия. 1969--1978.

1. Антенна системы командных радиолиний. 2. Антенна связи. 3. Кожух электроразъемов 4. Входной люк. 5. Контейнер с пищей. 6. Стяжные ленты. 7. Ленточные антенны. 8. Тормозной двигатель. 9. Антенны связи. 10. Служебные люки. 11 Приборный отсек с основными системами. 12. Проводка зажигания. 13. Баллоны пневмосистмы (16 шт.) для системы жизнеобеспечения. 14. Катапультируемое кресло. 15. Радиоантенна. 16. Иллюминатор с оптическим ориентиром. 17. Технологический люк. 18. Телевизионная камера. 19. Теплозащита из абляционного материала. 20. Блок электронной аппаратуры.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРАБЛЕ

Регистрационный номер	1961-Mu-1 / 00103
Дата и время старта (всемирное время)	06ч.07м. 12.04.1961
Место старта	Байконур, площадка 1
Ракета-носитель
Масса корабля (кг)
Начальные параметры орбиты:
Наклонение орбиты (градус)
Период обращения (минут)
Перигей (км)
Апогей (км)
Дата и время посадки космонавта (всемирное время)	07ч.55м. 12.04.1961
Место посадки	К сев.-зап. от дер. Смеловка Саратовской обл.
Продолжительность полета космонавта
Пройденное расстояние (км)
Количество витков вокруг Земли
Коротко о полете	Первый полет человека в космос.

Список использованной литературы

1. Глушко В.П. "Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР", Москва, 1987

2. Большая советская энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия. 1969--1978.

3. Бобков В.Н. Из истории авиации и космонавтики. Выпуск 72. Космические корабли типа «Восток» И «Восход». Экспериментальные исследования на их базе.

4. Пилотируемые космические корабли "Восток" и "Восход" / В кн. "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П.Королева. Б.м. [г.Королев], 1996, с. 20 -118.