[Kosmonauta.net] Załogowe statki kosmiczne - Wostok i Mercury

[Orionid]

Załogowe statki kosmiczne – Wostok (1)
BY REDAKCJA ON 7 PAŹDZIERNIKA 2017


Wizualizacja statku Wostok w 3d / Wojciech Kasprzak

Obecnie środowiska zainteresowane astronautyką i technologiami kosmicznymi czekają na szereg debiutów załogowych statków kosmicznych nowej generacji: MPVC Orion, Dragon 2, CST-100 czy rosyjskiej Federacji, mającej zastąpić statki Sojuz. Jest to doskonały pretekst do przeglądu tego typu konstrukcji, zaczynając od najwcześniejszych i kończąc na wymienionych powyżej statkach nowej generacji.

Kluczowe funkcje i parametry statków załogowych

Podstawowe funkcje załogowego statku kosmicznego to:

  1. Zapewnienie załodze transportu w przestrzeni kosmicznej i umożliwienie wypełnienia jej misji.
  2. Utrzymanie załogi przy życiu przez czas trwania misji.
  3. Sprowadzenie załogi bezpiecznie na Ziemię po zakończeniu misji.

Druga i trzecia funkcja powodują że załogowe statki kosmiczne pod pewnymi względami diametralnie różnią się od większości bezzałogowych sond i satelitów. Utrzymanie istot ludzkich przy życiu w środowisku wysokiej próżni, skrajnych temperatur i silnego promieniowania jest bardzo trudnym zadaniem, wymagającym specyficznych rozwiązań konstrukcyjnych, dodatkowego wyposażenia oraz zapasów. Sprowadzenie załogi bezpiecznie na Ziemię wymaga osłony przed wyzwalanym podczas hamowania w atmosferze ciepłem i niezawodnych mechanizmów lądowania (zwykle spadochronów i niekiedy silników lądowniczych).

Powyższe warunki powodują że duży ułamek masy załogowego statku kosmicznego stanowią podzespoły służące wyłącznie drugiej i trzeciej funkcji, zawsze kosztem funkcji pierwszej. Innymi słowy załogowe statki kosmiczne można powierzchownie uznać za konstrukcje o wysokim stopniu komplikacji (czyli wysokim stopniu ryzyka) i niewielkiej sprawności jako środku transportu.

Dlaczego więc nie rezygnujemy z wysyłania ludzi na niską orbitę okołoziemską w niebezpiecznych i mało ekonomicznych pojazdach zamiast poprzestać na automatycznych sondach badawczych, których dotychczasowe osiągnięcia są bezsprzeczne?

Można by zacytować którykolwiek z podniosłych banałów o niespożytej ludzkiej ciekawości, duchu przygody i przeznaczeniu człowieka leżącym w gwiazdach. Można też sprowadzić odpowiedź do trzech atutów które na tym etapie rozwoju technologicznego człowiek posiada na wyłączność: rąk, oczu i mózgu. Bez nieustannych prac konserwacyjnych stacje kosmiczne takie jak Mir czy ISS dawno już uległyby awariom i zniszczeniu, nie wspominając o tym że ich budowa byłaby niemożliwa bez udziału człowieka. Gdyby lądownik marsjański Schiaparelli nie polegał na sztywnym oprogramowaniu w sytuacji gdy opóźnienie transmisji uniemożliwiło jakąkolwiek interwencję, być może nie uległby katastrofie. Przykłady można mnożyć. Nasze maszyny są sprytne ale nie zawsze wystarczająco sprytne by przetrwać w tak wrogim środowisku jakim jest kosmos.

Ten i następne artykuły w serii spojrzą na szereg załogowych statków kosmicznych z różnych okresów historii porównując przy tym kilka wybranych parametrów decydujących o tym jak dobrze dany statek spełnia swoje trzy podstawowe funkcje. Wybrane parametry to:

    - Delta-V [m/s]. Jest to miara zdolności manewrowych statku. Jednostką jest prędkość [m/s] a sama liczba określa maksymalną prędkość jaką statek rozwinąłby zużywając całe dostępne paliwo. Delta-V określona jest następującym wzorem dv=g*Isp*ln(Mf/Me) gdzie g=9.81m/s2, Isp jest impulsem właściwym silnika wyrażonym w sekundach, ln to logarytm naturalny, Mf to masa statku z paliwem, Me to masa statku z pustymi zbiornikami.

    - Objętość użyteczna [m3]. Jest to objętość hermetycznie zamkniętego przedziału załogowego statku. Skład i temperatura atmosfery wewnątrz jest podtrzymywana i regulowana przez system podtrzymywania życia. Według wytycznych NASA i ESA objętość użyteczna na osobę rzędu 25m3 jest minimum, zaś rzędu 40-65m3 osobę jest już dość przestronna. Wytyczne te dotyczą misji długoterminowych. Większość statków załogowych ma objętość użyteczną na osobę nie przekraczającą 5m3, zwykle jest to o wiele mniej. Objętość użyteczna decyduje o swobodzie ruchów wewnątrz przedziału załogowego, zaspokojeniu takich potrzeb jak prywatność czy aktywność fizyczna w przypadku długich misji.

Sprawność systemu podtrzymywania życia [osobo-dni]. Jest to najważniejszy z punktu widzenia ludzkiej załogi system i składa się on z wielu współdziałających podzespołów:

System regulacji atmosferycznej. Odpowiada on za skład, ciśnienie i temperaturę atmosfery wewnątrz przedziału załogowego. Najważniejszym zadaniem tego podzespołu jest oczyszczanie powietrza z dwutlenku węgla wydychanego przez astronautów. W tym celu korzysta się z jednorazowych filtrów lub systemów regeneracji tlenu. W przypadku awarii to właśnie zwiększająca się zawartość dwutlenku węgla w atmosferze habitatu zagrozi życiu załogi w wiele szybciej niż brak tlenu. System ten jest również odpowiedzialny za ciągły obieg atmosfery w przedziale załogowym. Jest to niezbędne dla działania systemu filtracyjnego. W przypadku awarii wentylatorów dwutlenek węgla tworzyłby chmurę wokół głowy śpiącego astronauty powodując uduszenie lub skupiał się w określonych obszarach przedziału załogowego, czyniąc go niebezpiecznym dla życia.

System chłodzenia. Wbrew obiegowej opinii o zimnej próżni kosmicznej głównym problemem dla załogowych statków i stacji kosmicznych jest pozbywanie się nadmiaru ciepła. Statek kosmiczny wystawiony na światło słoneczne w odległości 1 jednostki astronomicznej od naszej gwiazdy zyskuje około 1400 W na 1m2 powierzchni. Elektronika prawie całą energię elektryczną musi oddać jako ciepło – mówimy o setkach do tysięcy watów. Organizm ludzki wytwarza od 100 W do około 400W zbędnego ciepła w zależności od poziomu aktywności. Zbędne ciepło musi być odprowadzane w sposób ciągły z przedziału załogowego – zwykle za pomocą aktywnych lub pasywnych systemów radiacyjnych – rozkładanych paneli na zewnątrz statku lub zamontowanych na jego powierzchni. Ciepło tracone jest poprzez promieniowanie podczerwone. Jest to bardzo powolny proces, którego tempo jest bardzo zależne od temperatury radiatorów. Statki stosują również zewnętrzne osłony termiczne o jasnych barwach lub wypolerowane metaliczne pokrycia mające odbijać światło słoneczne.

System przetwarzania i odzysku wody / utylizacji odpadów. W odizolowanym systemie jakim jest statek kosmiczny przetwarzanie produktów przemiany materii i śmieci jest bardzo ważne ze względów higieny i ekonomii masy. Ludzkie zapotrzebowanie na wodę zarówno do picia jak i do zachowania czystości jest zbyt duże by pozwolić sobie na wyrzucanie zużytej wody w próżnię, więc oczyszczanie i ponowne użycie jest preferowanym rozwiązaniem. Częścią tego systemu są również toalety i stacje sanitarne które w warunkach nieważkości są poważnym wyzwaniem.

Skład zapasów żywności. Jedna osoba potrzebuje około 2-2.5kg zapasów na dobę. Tego typu zapasy nie są przy obecnej technologii nawet częściowo odnawialne (tak jak opisane powyżej woda i powietrze) więc są krytycznym elementem w misjach długoterminowych. Nawet jednak w tym przypadku rozważane są koncepcje używania zużytych opakowań i liofilizowanych fekaliów do osłony załogi przed promieniowaniem kosmicznym podczas lotów międzyplanetarnych.

Większość opisywanych konstrukcji jest modułowa – minimalnie statek kosmiczny składa się z dwóch modułów:

  - Modułu załogowego (MZ) będącego jednocześnie habitatem, centrum dowodzenia i kapsułą powrotną dla załogi. MZ jest zwykle wyposażony w osłonę ablacyjną umożliwiającą przetrwanie hamowania atmosferycznego.

  - Modułu serwisowego (MS) zawierającego źródła zasilania i zarządzania energią, systemy orientacji w przestrzeni (silniki manewrowe i żyroskopy), nadajniki i odbiorniki oraz silniki główne wraz z paliwem.

Wszystkie opisywane statki są analizowane po odłączeniu ostatniego członu rakiety nośnej, zwykle używanego do osiągnięcia stabilnej orbity. Jeśli statek wyposażony jest w system ewakuacji awaryjnej też uznaje się go za odłączony. W ten sposób parametr Delta-V może być oceniany z równej stopy.

WOSTOK (ZSRR, 1961)

Historia programu

Po pierwszych oszałamiających sukcesach sowieckiego programu kosmicznego: Sputnika 1 (4 października 1957 – pierwszy sztuczny satelita na niskiej orbicie okołoziemskiej) i Sputnika 2 (32 dni po Sputniku 1 – pierwsze żywe stworzenie na orbicie – pies Łajka) następnym logicznym krokiem było umieszczenie na orbicie człowieka.


Rodzina rakiet nośnych R7 / wikimedia commons

Proces selekcji i treningu astronautów rozpoczął się w 1959 roku. Proces projektowania pierwszego załogowego statku kosmicznego był obarczony dodatkowymi wymaganiami natury politycznej i militarnej. Przywództwo ZSRR spoglądało dość niechętnie na program kosmiczny w aspekcie cywilnym i naukowym jeśli nie służyło to jego machinie propagandowej. Z tego powodu Sputnik 1 został wystrzelony na lekko zmodyfikowanej rakiecie balistycznej. Powstający projekt statku załogowego miał korzystać z podobnej modyfikacji pierwszej na świecie międzykontynentalnej rakiety balistycznej R-7 zwanej potocznie Siemiorką. Dodatkowo od samego początku powstający statek był projektowany z myślą o innym zastosowaniu – jako satelity szpiegowskiego. W tamtym okresie jedynym sposobem dyskretnego uzyskania zdjęć z orbity było umieszczenie na niej hermetycznej kapsuły z automatycznym aparatem fotograficznym po czym deorbitacja i w miarę miękkie lądowanie na terenie własnego państwa w celu wywołania filmów. Dopiero późniejsze technologie elektronicznego przetwarzania i przesyłu obrazów zniosły to wymaganie.

Statek Wostok, mimo że w historii lotów załogowych miał krótką, lecz ważną rolę, okazał się bardzo udaną konstrukcją pod postacią satelitów szpiegowskich Zenit i satelitów nauk biologicznych Bion. Pochodne te pełniły z powodzeniem służbę aż do lat 90-tych XX wieku.

Zanim 12 kwietnia 1961 roku Jurij Gagarin odbył swój historyczny lot odbyło się siedem lotów próbnych od maja 1960 do marca 1961 roku. Pierwszym z nich był prototyp pod kryptonimem Korabl-Sputnik 1 (eksperymentalny wariant oznaczony 1P). W wyniku niewłaściwej orientacji statku przy deorbitacji został on wyniesiony na wyższą ale niestabilną orbitę. W wyniku hamowania atmosferycznego kapsuła wylądowała po kilku latach w stanie Wisconsin, USA (źródła rosyjskie przeczą temu, twierdząc że statek spłonął w atmosferze). Kolejne cztery loty próbne używały rozwojowego wariantu 1K. Ładunkiem były zwykle psy i inne “próbki biologiczne”. Pierwszy z tej serii lotów nie otrzymał formalnego oznaczenia gdyż rakieta nośna uległa awarii niedługo po opuszczeniu stanowiska startowego. Korabl-Sputnik 2 był udanym testem i jego pasażerowie – psy Biełka i Striełka były pierwszymi organizmami które przeżyły lot w kosmos. Ten sukces dał oficjalne zielone światło dla programu lotów załogowych ZSRR. Korabl-Sputnik 3 nie kontynuował dobrej passy – podczas deorbitacji silnik nie wykonał pełnego programu i trajektoria kapsuły nie kończyła się na terytorium ZSRR. Wydano radiowo komendę o zniszczeniu kapsuły zabijając dwa psy będące ładunkiem testowym.

Następny start ponownie nie otrzymał formalnego oznaczenia, gdyż trzeci stopień rakiety uległ awarii i statek nie osiągnął orbity. Kapsuła wylądowała awaryjnie 3500km od stanowiska startowego. Obydwa przewożone psy przeżyły lądowanie a sama kapsuła została odzyskana, choć nie bez trudności.

Ostatnie dwa loty testowe Korabl-Sputnik 4 i 5 używały końcowego wariantu 3KA i były udane. Pierwszy z tych lotów był również pierwszym testem skafandra kosmicznego SK-1, którego miał później używać Jurij Gagarin i kolejni kosmonauci.

Misje załogowe

Analiza lotów testowych i ich statystyka (tylko trzy w pełni udane misje na siedem) sugerowały, że szanse powodzenia pierwszej misji załogowej były w okolicy 50%. Mimo to zdecydowano się na start Wostoka 3KA z Jurijem Gagarinem na pokładzie 12 kwietnia 1961 roku. Jednym z czynników decydujących były przewidywania wywiadu że Amerykanie mogą przeprowadzić pierwszy lot suborbitalny już w styczniu 1961 roku. Z punktu widzenia ZSRR każdy dzień opóźnienia mógł dać USA prowadzenie w wyścigu w kosmos.


Wostok podczas transportu / Zarya.info

Lot Gagarina w założeniach nie wymagał od pilota niczego innego jak przeżycia podróży. Osiągnięcie orbity było kontrolowane automatycznie, również manewr zejścia z orbity był zaprogramowany w komputerze pokładowym statku. Kontrola naziemna miała również możliwość zdalnego sterowania zachowaniem kapsuły. Sam Gagarin mógł przejąć kontrolę nad orientacją statku i głównym silnikiem tylko w wyjątkowych okolicznościach. Dostęp do sterowania ręcznego był chroniony hasłem które pilot przechowywał w kopercie. W danym czasie nie można było przewidzieć dokładnie reakcji człowieka na stan nieważkości i obawiano się ataku paniki, który w połączeniu z nieograniczonym dostępem do systemów sterowania mógł zagrozić misji. Hasło dostępu zostało mimo zaleceń przekazane Gagarinowi słownie przez Nikołaja Kamanina, szefa szkolenia korpusu kosmonautów.

Start rakiety nośnej i osiągnięcie orbity przebiegło pozornie bez zakłóceń. Odłączenie górnego stopnia również przebiegło normalnie. Sam statek posiadał w tym momencie wystarczającą ilość paliwa żeby zejść z orbity. Projekt Wostoka przewidywał że nawet w wypadku awarii silnika niska orbita docelowa obniżałaby się w wyniku interakcji z wyższymi partiami atmosfery i do lądowania doszłoby nie dalej jak za 10 dni od startu. Taka była też sprawność systemu podtrzymywania życia i zasilających go baterii. O czym Gagarina nie poinformowano był fakt, że orbita na której się znalazł była nieco wyższa i do lądowania doszłoby po około 20 dniach.

Plan lotu przewidywał jedno okrążenie wokół Ziemi, manewr deorbitacji i lądowanie na terenie ZSRR. Podczas całego lotu Jurij Gagarin zachowywał spokój i dobry humor a więc wcześniejsze obawy że ulegnie atakowi paniki nie okazały się słuszne. Łączność radiowa statku ze stacjami naziemnymi była nienajlepszej jakości i niekiedy zawodziła.

O ustalonym czasie silniki orientacyjne Wostoka ustawiły go we właściwym kierunku (wylotem silnika w kierunku lotu). Główny silnik modułu serwisowego zadziałał bez zarzutu i moduł załogowy i serwisowy znalazły się na obniżonej orbicie przecinającej atmosferę. Następnym krokiem było rozłączenie modułu serwisowego od załogowego, aby umożliwić temu ostatniemu kontrolowane hamowanie atmosferyczne. Cztery pasy przytrzymujące moduł załogowy zostały odrzucone bez problemu. Jedynym innym elementem fizycznie łączącym dwie części statku był gruby przewód zasilający. Dostarczał on prąd i odpowiedzialny był za wentylację i klimatyzację kapsuły (system podtrzymywania życia i baterie mieściły się w module serwisowym).

Kabel zasilający w całości lub w części nie uwolnił się ze swojego gniazda blisko szczytu modułu załogowego. Stanowił on podczas wchodzenia w górną atmosferę linę łączącą dwie części statku, nierówne sobie masą i właściwościami aerodynamicznymi. Spowodowało to gwałtowne obroty całości aż do momentu gdy kabel nie wytrzymał naprężeń i temperatur i pękł, uwalniając moduł załogowy z Gagarinem. Kulista kapsuła dość szybko odzyskała właściwe położenie – jej orientacja była z góry ustalona poprzez dodatkowy balast umieszczony w kierunku ruchu.

Należy zwrócić uwagę że podczas tych nieprzewidzianych przeciążeń i samego procesu hamowania atmosferycznego (przeciążenia rzędu 8g) Gagarin zachował przytomność.

Konstruktorzy Wostoka nie ufali do końca że lądowanie kapsuły na spadochronach będzie wystarczająco miękkie by pilot to przeżył. Sądząc z opisu świadków lądowania kapsuły Gagarina – całkiem słusznie. Wybiła ona w gruncie dość duża dziurę i dopiero po jednym odbiciu spoczęła nieruchomo.

Dlatego gdy moduł załogowy osiągnął prędkość terminalną i stabilną trajektorię na wysokości 7km luk znajdujący się za głową Gagarina został odstrzelony a chwilę później cały fotel pilota został wykatapultowany. Po wypaleniu się silników rakietowych fotela został on odrzucony i Jurij Gagarin resztę drogi na ziemię odbył na własnym spadochronie.

Należy zwrócić uwagę że system katapulty miał podwójną funkcję – w przypadku awarii rakiety nośnej umożliwiał pilotowi ucieczkę. W tym celu w osłonie aerodynamicznej chroniącej statek podczas startu zostawiono kolisty otwór pokrywający się z pozycją luku na powierzchni modułu załogowego.

Sama procedura powrotu na Ziemię pilotów statku Wostok mogła być użyta przez USA jako argument dyskwalifikujący ten statek jako pierwszy statek załogowy – nie zapewniał on bezpiecznego lądowania pilota. Tym samym dokładna procedura lądowania była utajniona ze względów propagandowych.

W ramach programu Wostok do połowy roku 1963 odbyło się jeszcze pięć lotów. Były to kolejno: pierwszy lot trwający ponad dzień (German Titow), pierwszy równoczesny lot dwóch statków (Nikołajew i Popowicz), rekordowy ponad czterodniowy lot Walerego Bykowskiego i wysłanie w kosmos pierwszej kobiety – Walentiny Tierieszkowej.

Ten ostatni lot miał dla ZSRR znaczenie czysto propagandowe – jako oznakę równości płci w systemie komunistycznym. Samo samopoczucie Tierieszkowej podczas prawie trzydniowego lotu nie było najlepsze i było pomijane w relacjach. W ostatnich latach wyszedł na jednak na jaw incydent, który mógł zakończyć się śmiercią kosmonautki. Zataiła go ona na prośbę Siergieja Korolowa, szefa sowieckiego programu kosmicznego. Okazuje się że automatyczny program deorbitacji zawierał błąd – podczas odpalenia silnika orientacja Wostoka byłaby odwrotna do zakładanej. Tym samym zostałby on wyniesiony z pustym zbiornikiem paliwa na wyższą orbitę. Tierieszkową czekałaby śmierć po wyczerpaniu się baterii zasilających układ podtrzymywania życia. Kosmonautka była jednak czujna i wykryła błąd niedługo po starcie. Właściwa wersja instrukcji została przesłana drogą radiową z centrum kontroli lotów i uniknięto tragedii. Dopiero po niezależnym od Tiereszkowej ujawnieniu błędu poczuła się ona zwolniona z przyrzeczenia i potwierdziła tą wersję wydarzeń.

Oryginalnie planowano w sumie trzynaście misji programu Wostok. Jednak po misji Walentiny Tierieszkowej uznano że ograniczone możliwości manewrowe statku i bardzo wąski margines bezpieczeństwa wymagają nowej konstrukcji. Zmodyfikowana wersja Wostoka – Woschod – miał spełnić to zadanie.

[Orionid]

Załogowe statki kosmiczne – Wostok (2)

Wostok – budowa

Chciałbym zwrócić uwagę że powyższe widoki izometryczne statku Wostok są kompilacją złej jakości lub sprzecznych ze sobą rysunków technicznych i fotografii. Niektóre elementy – jak na przykład silniki systemu kontroli orientacji są pokazane domyślnie gdyż nie istnieją wystarczająco godne zaufania i szczegółowe źródła które byłyby ogólnie dostępne.


Statek Wostok – widoki izometryczne (Wojciech Kasprzak)

Statek Wostok składał się z dwóch modułów – załogowego i serwisowego. Jest to minimalna i szeroko używana do dziś konfiguracja. Jednym z nielicznych wyjątków jest współczesny mu statek Mercury składający się z tylko z modułu załogowego z odrzucanym lekkim pakietem retro i późniejsze konstrukcje – Sojuz i Shenzhou, składające się dodatkowo z modułu orbitalnego. Wahadłowiec jest przypadkiem specjalnym, leżącym poza tą klasyfikacją.

Jednym z powodów właśnie takiego podziału na moduły załogowych statków kosmicznych jest ograniczenie masy całości. System podtrzymywania życia jest zwykle umieszczony w module serwisowym razem z napędem i systemami orientacji i mniejszymi silnikami manewrowymi. Wszystkie wyżej wymienione systemy są bezużyteczne podczas trwającego kilka minut hamowania atmosferycznego. Pozostawienie ich w module serwisowym którego przeznaczeniem jest spłonąć w atmosferze zmniejsza masę modułu załogowego, a tym samym wymagania stawiane chroniącym go osłonom termicznym a w kolejnej fazie powrotu – spadochronom. To z kolei ogranicza ich masę a tym samym masę całkowitą statku.

Parametry modułu załogowego

   - masa 2460kg,
   - objętość użyteczna 4m3,
   - załoga: 1

Moduł załogowy statku Wostok był kształtu kuli o średnicy równo 2300mm. Kula ta posiadała 3 okrągłe luki – jeden po lewej stronie pilota, jeden za jego plecami i jeden bezpośrednio przed nim. Luk po lewej stronie uwalniał spadochrony kapsuły po hamowaniu atmosferycznym i katapultowaniu pilota. Luk z tyłu służył umożliwiał wykatapultowanie fotela pilota w ostatniej fazie lądowania lub w przypadku awarii rakiety nośnej. Luk z przodu umożliwiał kosmonaucie zajęcie miejsca przed startem i był zaopatrzony w iluminator Vzor, który pozwalał na skontrolowanie orientacji kapsuły przed wejściem w atmosferę. Powierzchnia modułu załogowego była wyposażona w dodatkowe iluminatory umożliwiające kosmonaucie obserwację otoczenia.

Jednym z powodów dla którego projektanci wybrali dla kapsuły właśnie taki kształt był fakt że właściwości aerodynamiczne kuli były dobrze określone. Kolejnym powodem był najkorzystniejszy ze wszystkich kształtów stosunek objętości do powierzchni – co zmniejszało masę modułu załogowego. Trzecim jest brak słabych strukturalnie miejsc, które występują w miejscach zmiany krzywizny kapsuły w przypadku innych geometrii. Z podobnych powodów sferyczne lub zaokrąglone cylindryczne formy są preferowane przez projektantów statków kosmicznych dla wszelkich zbiorników pod ciśnieniem – czy to zbiorników paliwa czy przedziałów załogowych.

Skłonność kapsuły do niekontrolowanych obrotów została powstrzymana przez balast umieszczony pod astronautą. Sprawiał on że podczas hamowania w atmosferze kapsuła zachowywała stałą orientację w stosunku do kierunku ruchu.

Blisko szczytu kapsuły znajdował się dużych rozmiarów port kabla zasilającego doprowadzający energię elektryczną oraz zapewniający wymianę atmosfery której skład i temperaturę kontrolował system podtrzymywania życia w module serwisowym. Najprawdopodobniej prowadzona była nim również łączność radiowa zapewniana przez główne anteny modułu serwisowego. Instrumentacja kapsuły była minimalna – pilot był tylko pasażerem jeśli misja przebiegała bez zakłóceń.

Ze szczytu kapsuły wystawało kilka anten o różnej długości. Na pierwszy rzut oka widać że najdłuższe z nich nie zmieściłyby się w osłonie aerodynamicznej rakiety nośnej. Te anteny były sprężyste i rozprostowywały się dopiero po odrzuceniu osłony.

Cała powierzchnia modułu załogowego była pokryta przeszywaną osłoną termiczną jasnej barwy, upodabniając jej wygląd do piłki futbolowej. Jako ciekawostkę można potraktować fakt że większość przedstawień statku prezentuje srebrzystą powierzchnię kapsuły, tyczy się to również modeli poglądowych czy hobbistycznych. Wynika to częściowo z faktu że osłona termiczna po przejściu przez atmosferę zostawała w zwęglonych strzępach (istnieje kilka nieostrych fotografii przedstawiających kapsułę bezpośrednio po lądowaniu). Eksponaty muzealne są pozbawione nawet resztek tej osłony – najprawdopodobniej ze względów estetycznych. Poza tym srebrzysta powierzchnia jest lepsza ze względów propagandowych i tego typu przedstawienia statku Wostok widniały nawet w encyklopediach wydawanych w strefie wpływów ZSRR, o czym autor może zaświadczyć.

Moduł załogowy był przymocowany do znajdującego się poniżej modułu serwisowego czwórką pasów biegnących od szczytu kapsuły aż po skraj modułu serwisowego. Kable te niosły również zasilanie radiowęzła wieńczącego kapsułę. Pasy te były przecinane (najprawdopodobniej za pomocą ładunków pirotechnicznych) podczas odłączenia modułów.

Moduł załogowy statku Wostok jest niewiele wyższy od dorosłego mężczyzny i może wydawać się bardzo mały. Jednak 4 metry sześcienne objętości to bardzo dużo jak na konstrukcje z początku ery kosmicznej. Dowodzi tego choćby fakt że wersja rozwojowa Wostoka – Woschod był w stanie pomieścić w takiej samej kapsule aż trzech kosmonautów, choć bez skafandrów kosmicznych.

Moduł serwisowy

   - masa 2270kg w tym 275kg paliwa,
   - system podtrzymywania życia na 10 osobo-dni,
   - delta-V 155m/s

Moduł serwisowy statku Wostok miał ogólny pokrój połączonych ze sobą ściętych stożków o średnicy wspólnej podstawy 2445mm i sumarycznej długości około 2600mm (bez anten). Górna krawędź modułu, na styku z gniazdem modułu załogowego była otoczona charakterystycznymi kulistymi zbiornikami zawierającymi gazy niezbędne dla funkcjonowania systemu podtrzymywania życia oraz sprężony gaz silniczków orientacyjnych. Poniżej znajdowała się tak zwana galeria elektryczna z kilkoma portami serwisowymi. Grafiki sporządzone na potrzebę tego artykułu nie pokazują dość niechlujnej plątaniny kabli otaczającej porty serwisowe – można je natomiast dobrze zobaczyć na niektórych zdjęciach historycznych.

Pomiędzy portami serwisowymi, blisko wspólnej podstawy stożków, w najszerszym przekroju statku, znajdują się silniki kontroli orientacji. Umożliwiały one obracanie osi statku w zależności od potrzeby ale nie pozwalały na kontrolowane manewry wymagane na przykład w dokowaniu na orbicie. Ponownie – silniczków tych nie sposób było pokazać na grafikach w odpowiedniej formie z powodu braku dostępnych informacji.

Dolna część modułu serwisowego zwęża się do dyszy głównego silnika. Ten obszar modułu pokryty jest parami żebrowanych radiatorów na wspólnym zawiasie, odpowiadających za odprowadzanie ciepła generowanego przez samego kosmonautę, działający system podtrzymywania życia i łączności oraz oświetlenie Słońcem. Ilość odprowadzanego ciepła była regulowana poprzez rozkładanie i składanie skrzydeł radiatorów (w zależności od tego czy statek znajdował się w świetle czy był w cieniu planety).

Źródłem niezbędnej energii elektrycznej były baterie – technologia ogniw fotowoltaicznych nie była wówczas znana. Tym samym właśnie pojemność baterii statku była czynnikiem decydującym o ramach czasowych podejmowanych misji.

System podtrzymywania życia polegał najprawdopodobniej na jednorazowych filtrach węglowych do oczyszczania powietrza z dwutlenku węgla. Sugeruje to fakt że nawet o wiele późniejsze statki Apollo i Sojuz korzystały z tak podstawowego systemu. Kolejnymi niezbędnymi elementami musiały być wentylator odpowiedzialny za obieg powietrza i jego temperaturę oraz system wykrywający opadające poziomy tlenu i pozwalający uzupełnić go ze sprężonych zbiorników na szczycie modułu serwisowego.

Sam główny silnik był napędzany mieszanką podtlenku azotu i amin i oferował jedynie 155m/s delta-V. Było to niewiele więcej niż niezbędne minimum pozwalające zepchnąć statek z niskiej orbity okołoziemskiej. W stopniu nawet większym niż moduł załogowy moduł serwisowy był zaopatrzony w anteny systemów łączności i czujników. Również jak w przypadku anten modułu załogowego część z nich była zbyt długa by ukryć je w osłonie aerodynamicznej rakiety nośnej. Te anteny również były sprężyste i prostowały się po odrzuceniu osłony.

Podsumowanie

Statek Wostok mimo swojego eksperymentalnego charakteru jest podstawą dla wielu udanych konstrukcji pochodnych (wspomniane wcześniej satelity Zenit i Bion). Jego niedostatki jako załogowy statek kosmiczny były jednak bardzo oczywiste. Jedynym dostępnym profilem misji była niska orbita okołoziemska i deorbitacja. Nie umożliwiał on rozwoju umiejętności kadr kosmonautycznych – człowiek był tylko pasażerem i ładunkiem testowym. Po uzyskaniu pierwszych niezbędnych informacji na temat wpływu nieważkości na organizm ludzki ryzykowanie życia kosmonautów w tak niebezpiecznym pojeździe nie mogło być usprawiedliwione. Według specyficznej logiki panującej w ZSRR kolejne kroki milowe rozwoju programu kosmicznego miały być osiągnięte przy jeszcze większym ryzyku podczas programu Woschod.

Bardzo dziękujemy Panu Wojciechowi Kasprzakowi za nadesłanie powyższej obszernej analizy.

Źródło: Załogowe statki kosmiczne – Wostok

[Orionid]

Załogowe statki kosmiczne – część 2: Mercury (1)
BY REDAKCJA ON 4 LISTOPADA 2017


Wizualizacja pojazdu Mercury / Wojciech Kasprzak

Przeprowadzony przez ZSRR start Sputnika 2 w listopadzie 1957 z psem Łajką na pokładzie był bardzo wyraźnym sygnałem dla USA, że ich przeciwnik po drugiej stronie Żelaznej Kurtyny rozważa wysłanie człowieka w kosmos. W październiku 1958 został zatwierdzony Program Mercury, którego celem było wysłanie amerykańskiego astronauty na niską orbitę okołoziemską.

Program Mercury

Rozważając historię Programu Mercury pierwszą rzeczą rzucającą się w oczy jest szereg różnic w podejściu ZSRR i USA do zarządzania programem kosmicznym. Biuro konstrukcyjne Siergieja Koroliowa, OKB-1, było tajne. Sam Koroliow stał się znany opinii publicznej dopiero po swojej przedwczesnej śmierci w 1966 – poprzez swój nekrolog w “Prawdzie”. Prace OKB-1 były ściśle kontrolowane przez Naczelnego Konstruktora i trzymały się jednej, narzuconej przez niego wizji. Opisany w poprzednim artykule statek Wostok nabrał swojej ostatecznej postaci w rekordowo szybkim czasie a w przypadku niepowodzenia którejkolwiek z misji po prostu by ją utajniono aby uniknąć utratę twarzy.

W przypadku Programu Mercury do jawnych przetargów na zaprojektowanie pierwszego amerykańskiego załogowego statku kosmicznego stanęło aż dwanaście firm. Ostatecznie przetarg wygrała korporacja McDonnell Aircraft. Ta sama firma w 1967 roku w wyniku fuzji została przemianowana na McDonnell Douglas. Ponownie w wyniku fuzji w 1997 stała się częścią Boeinga. Naczelnym projektantem kapsuły został Maxime Faget. Założenia przetargu wymagały aby statek w jak największej części składał się z już sprawdzonych podzespołów i rozwiązań.

Program Mercury miały obsługiwać trzy typy rakiet nośnych. Były to kolejno: Little Joe, Mercury Redstone i Mercury Atlas. Dwie ostatnie rakiety nośne były, tak jak w przypadku sowieckiego programu załogowego, zmodyfikowanymi rakietami balistycznymi. Little Joe był małą rakietą na paliwo stałe, służącą do testowania wieży ratowniczej w warunkach maksymalnego obciążenia aerodynamicznego. Mercury Redstone był przeznaczony do lotów suborbitalnych będących przymiarkami do osiągnięcia orbity. Mercury Atlas miał odpowiednie osiągi aby umieścić kapsułę na niskiej orbicie okołoziemskiej.


Rakiety nośne programu Mercury, od lewej Atlas, Redstone i Little Joe / Wiki

Ponownie, w odróżnieniu od programu sowieckiego, gdzie prace odbywały się w zamkniętym gronie pod osłoną tajemnicy państwowej, program amerykański obsługiwały ośrodki produkcyjne, szkoleniowe i badawcze rozsiane po całym kraju, od wybrzeża do wybrzeża.

Kolejnym czynnikiem różniącym obydwa programy było podejście do ewentualnej porażki i śmierci astronauty podczas misji. Pula kandydatów sowieckich liczyła ponad dwadzieścia osób, tak jak w przypadku inżynierów budujących statek – o tożsamości utajnionej przed społeczeństwem aż do osiągnięcia sukcesu. W przypadku programu amerykańskiego sama nazwa jest w tym kontekście znacząca. Oryginalnie miał to być Program Astronauta. Administracja nie chciała jednak skupiać uwagi mediów i społeczeństwa na ludziach mogących potencjalnie zginąć na oczach całego świata. Zamiast tego wybrano nazwę Mercury. Żadnego z lotów testowych i załogowych nie zamierzano utajniać i wszystkie postępy programu były komentowane w gazetach i kronikach filmowych. Tym samym administracja USA znajdowała się w gorszej sytuacji od swoich odpowiedników w ZSRR którzy mogli niepowodzenia zataić lub zignorować i przeć dalej.

Program Mercury był zakładnikiem zarówno opinii publicznej jak i zmiennej łaski polityków obawiających się o swoje notowania. Jest to los dzielony przez wszystkie programy kosmiczne NASA aż do dnia dzisiejszego.

Ostatnią i kluczową różnicą pomiędzy obydwoma programami był profil według którego wybierano kandydatów do lotów. Pierwszym kosmonautom ZSRR nie można odmówić szaleńczej odwagi i poświęcenia lecz byli oni traktowani jak “próbki biologiczne” mające przetrwać loty, po lotach zaś pełnili rolę maskotek państwowej propagandy.

Amerykańskich astronautów było siedmiu, szybko zyskując zbiorowe miano “Siódemki Mercury”. Byli to Malcolm Carpenter, Leroy “Gordo” Cooper, John Glenn, Virgil “Gus” Grissom, Walter “Wally” Shirra, Alan Shepard i Donald “Deke” Slayton. Slayton nie odbył lotu w ramach programu Mercury z powodu kłopotów zdrowotnych. Pozostał on jednak w NASA i doczekał się swojej szansy podczas wymagającej misji Apollo-Soyuz. Wszyscy kandydaci byli wojskowymi pilotami-oblatywaczami i posiadali wyższe wykształcenie techniczne lub ścisłe.

Jest to istotny fakt gdyż astronauci Mercury mieli wkład w proces projektowania kapsuły. Niejednokrotnie sugerowali bądź wymagali zmian w rozplanowaniu wnętrza pojazdu i systemów sterowania czerpiąc zarówno ze swojej wiedzy technicznej jak i doświadczenia w pilotażu eksperymentalnych maszyn. Podczas samych lotów wykazywali się oni również większą autonomią niż ich radzieccy odpowiednicy. Jednym z głównych celów lotów suborbitalnych było na przykład przetestowanie ręcznego sterowania orientacją kapsuły. Sam proces szkolenia zawierał oprócz wyczerpujących testów odporności fizycznej i psychicznej również pracę z symulatorami systemów sterowania kapsuły. Inaczej niż w statkach Wostok, gdzie kosmonauta musiał zdać się na komputer pokładowy i kontrolę naziemną a sterowanie ręczne chronione było hasłem w kopercie, w statkach Mercury to właśnie astronauta miał mieć ostatnie słowo w razie kryzysu. Mógł on w każdej chwili przejąć kontrolę wyłączając automatykę czy zdalne sterowanie.

Ta zdolność do samodzielnych decyzji w połączeniu z wysokimi kompetencjami technicznymi pozostała do dziś standardem do którego muszą dostosować się astronauci NASA oraz wszystkich innych agencji kosmicznych. Większość astronautów z “Siódemki Mercury” odbyła ponowne loty w kosmos. Wyjątkiem był tylko Michael Carpenter. Reszta przez długie lata pozostała w NASA pełniąc rolę aktywnych astronautów, administratorów i szkoleniowców nowych kadr.

Ostatnią funkcją astronautów, jak można się domyślić, były kampanie PR mające utrzymać poparcie społeczne dla projektu i służyć administracji USA jako narzędzie propagandowe.

Misje testowe

Zanim doszło do pierwszych załogowych lotów suborbitalnych odbyło się siedemnaście lotów bezzałogowych wszystkich trzech typów rakiet nośnych. Służyły one do sprawdzenia samych rakiet jak również aerodynamiki konfiguracji wieża ratownicza-kapsuła-rakieta nośna. Początki Programu Mercury nie nastrajały optymistycznie. Pierwsze siedem testów stanowiły głównie starty rakiety Little Joe, badające różne aspekty aerodynamiki samej kapsuły i procedury użycia wieży ratunkowej. Były one tylko w połowie udane. W tym okresie przeprowadzono jeszcze próbę modyfikowanej rakiety Atlas, pod kryptonimem Big Joe. Choć nie zakończyła się ona katastrofą ujawniło się wiele problemów z samą orbitalną rakietą nośną i sposobem zamocowania kapsuły na jej szczycie. Ten okres testów zamknął Beach Abort – test działania wieży ratunkowej w sytuacji przerwania misji na stanowisku startowym. Zakończył się on sukcesem.

Następna była misja Mercury-Atlas 1. Rakieta nośna niosąca niekompletną kapsułę bez wieży ratowniczej uległa zniszczeniu w pierwszej minucie lotu. Powodem było lokalne wyboczenie powłoki rakiety tuż pod kapsułą. Nadmierne naprężenia były najprawdopodobniej wywołane przez niewłaściwą aeordynamikę konfiguracji pozbawionej wieży ratowniczej. Ta katastrofa wywołała znaczące opóźnienia w programie. Ostatecznie kolejne egzemplarze rakiety Atlas miały wzmocnioną powłokę w krytycznym miejscu.

Po kolejnej udanej misji Little Joe nadszedł czas na kolejny ważny krok – misję Mercury Redstone 1. Miał być to test konfiguracji suborbitalnej statku Mercury, używający mniejszej rakiety nośnej Redstone. Lot ten przeszedł do historii jako “Czterocalowy Lot”. Z powodu niewłaściwej kolejności odłączenia kabli zasilających podczas startu silniki zostały wyłączone. Rakieta zdążyła się wznieść 10cm w powietrze po czym opadła z powrotem na stanowisko startowe, ulegając lekkim uszkodzeniom. Żeby dosypać soli do rany w wyniku szeregu nieprzewidzianych odczytów z czujników ciśnienia atmosferycznego i przyśpieszenia systemy sterujące kapsuły wystrzeliły wieżę ratowniczą a potem zapasowy i główny spadochron. Całość, oglądana na archiwalnym filmie, sprawia wrażenie czegoś wyjętego z kreskówki. Utrzymująca się przez następny dzień dobra pogoda sprawiła że rakieta z wciąż przymocowanymi spadochronami nie przewróciła się w podmuchach wiatru i dopiero po opróżnieniu zbiorników zdołano zabezpieczyć Mercury Redstone 1.

Kolejna misja, Mercury Redstone 1A, powtarzająca zadania swojego pechowego poprzednika była sukcesem (choć nie bezwarunkowym). Problemem była zbyt stroma trajektoria wznoszenia i zbyt duże przyśpieszenia, spowodowane niewłaściwą pracą pompy paliwowej, która pracowała na za szybkich obrotach. Mimo wszytko konfiguracja ta została dopuszczona do dalszych testów.


Mercury Redstone 1 (Czterocalowy lot) – moment odstrzelenia wieży ratowniczej (youtube)

Kolejna misja, Mercury Redstone 1A, powtarzająca zadania swojego pechowego poprzednika była sukcesem (choć nie bezwarunkowym). Problemem była zbyt stroma trajektoria wznoszenia i zbyt duże przyśpieszenia, spowodowane niewłaściwą pracą pompy paliwowej, która pracowała na za szybkich obrotach. Mimo wszytko konfiguracja ta została dopuszczona do dalszych testów.

Pierwszym z nich było wysłanie w lot suborbitalny tresowanego szympansa na pokładzie Mercury Redstone 2. Szczęśliwym ochotnikiem był szympans o imieniu Ham. Niestety problem który ujawnił się podczas lotu Mercury Redstone 1A znów dał o sobie znać. Rakieta nośna zaczęła schodzić z wyznaczonego kursu i Ham został poddany przeciążeniom rzędu 17g. Po przedwczesnym opróżnieniu zbiorników utleniacza i wyłączeniu silników nastąpiło awaryjne przerwanie misji. Wieża ratunkowa oddzieliła kapsułę od poruszającej się bezwładnie rakiety nośnej. Pakiet retro został odrzucony według planu ale w tej samej chwili nastąpiła dehermetyzacja kabiny. Awaria spowodowana była obluzowanym sworzniem zamykającym chrapę do pobierania powietrza, która miała się otworzyć na o wiele mniejszym pułapie. Szczęśliwie Ham chroniony był przez skafander kosmiczny z zamkniętą przyłbicą, więc nie ucierpiał. Spadochrony otworzyły się bez zarzutu i sprowadziły kapsułę bezpiecznie nad powierzchnię morza. Nowo zainstalowany system poduszki lądowniczej pompowanej poprzez uwolnienie osłony termicznej zadziałał, lecz nie idealnie. Osłona termiczna odbiła się od powierzchni morza i wybiła dwie dziury w dnie kapsuły. Dodatkowo woda zaczęła wlewać się przez wcześniej otwartą chrapę powietrzną.

Ham został uratowany z tonącej kapsuły na czas. Szympans przeżył podczas pechowego lotu przeciążenia, które wywołałyby u człowieka poważne obrażenia lub śmierć. Oprócz tego przez cały czas lotu starał się wypełniać zadania do których trenowano go popularną wtedy metodą behawioralną. Zadania zwykle sprowadzały się do pociągania za dźwignie na sygnał. Zakładając że ten aspekt lotu był podobny do późniejszego lotu z udziałem kolejnego szympansa oznaczało to że w dodatku do potwornych przeciążeń, wirowania kapsuły przy otwarciu spadochronów i ogólnego przerażenia, które musiało ogarnąć Hama był jeszcze rażony prądem w ramach kary. Trudno się dziwić że kiedy jakiś czas po locie pokazano mu kapsułę Mercury był, delikatnie mówiąc, bardzo poruszony.

Kolejne pięć lotów próbnych miały w większości pomyślne wyniki a najważniejszym z nich był udany lot kwalifikacyjny konfiguracji orbitalnej Mercury Atlas 2. Należy zaznaczyć w tym miejscu że powyżej opisane problemy były spowodowane głównie wadami rakiet nośnych i interfejsów pomiędzy nimi i samą kapsułą. Mercury był na tyle prostym systemem że nie sprawiał wielkich kłopotów co było zgodne z założeniami projektowymi.

Same loty testowe były jawne i liczne porażki i katastrofy budziły krytykę wśród polityków i samych środowisk związanych z lotami kosmicznymi. Krytykowano też marnotrawstwo środków jakie stanowiło rozwijanie aż trzech typów rakiet nośnych i wprowadzenie etapu lotów suborbitalnych jako odskoczni do osiągnięcia orbity. Jednym z argumentów było prawie takie samo ryzyko na jakie wystawiany był astronauta podczas startu i wznoszenia, które słusznie uznawano za najbardziej ryzykowną fazę misji. Należy jednak pamiętać że decydenci projektu starali się w razie katastrofy móc powiedzieć że starali się jak tylko się dało obniżyć ryzyko. Pojawiały się również głosy że loty testowe z udziałem szympansów były stratą czasu. Było to o tyle prawdą że szympansy są o wiele silniejsze i bardziej odporne od ludzi więc nie były dobrym analogiem do testowania wpływu przeciążeń panujących na pokładzie kapsuły podczas startu. Nie wspominając o okrucieństwie całego pomysłu, ale to tylko prywatne zdanie autora.

Misje załogowe

W ramach programu Mercury odbyło się sześć misji załogowych. Każdy z astronautów nadał swojej kapsule imię kończące się liczbą 7, w nawiązaniu do “Siódemki Mercury”. Pierwsze dwie były misjami suborbitalnymi z użyciem rakiet Redstone.

Pierwszym Amerykaninem, który znalazł się w kosmosie bez osiągnięcia orbity był Alan Shepard w kapsule “Freedom 7”. Stało się to piątego maja 1961 roku, trzy tygodnie po historycznym locie Gagarina. Z powodu różnych problemów technicznych astronauta musiał wytrzymać ponad cztery godziny na stanowisku startowym czekając na zezwolenie na start. Jednocześnie z powodów wizerunkowych nie rozpowszechniano informacji że w tym czasie Shepard musiał załatwić potrzebę fizjologiczną w skafander. Po prostu nie przewidziano że będzie to stanowić problem podczas lotu który miał trwać około kwadransa. Werner von Braun nie pozwolił astronaucie opuścić kapsuły ze względów technicznych. Kontrola lotów była zaniepokojona że mokry skafander spowoduje spięcia w którymś z czujników medycznych co mogło grozić porażeniem elektrycznym. W końcu zgodzono się wyłączyć czujniki i Shepard mógł rozwiązać swój problem.

Kiedy w końcu wydano zezwolenie na start rakieta nośna zadziałała bez zarzutu, wynosząc kapsułę na trajektorię balistyczną o apogeum 181 km. Podczas lotu poza atmosferą Alan Shepard przetestował działanie systemu silników orientacyjnych kapsuły w trybie kontroli automatycznej i w trybie sterowania ręcznego. Użyto również pakietu retro mimo, że nie był on konieczny w locie suborbitalnym. Kolejny krok – odrzucenie retrorakiet aby odsłonić osłonę termiczną przed ponownym wejściem w atmosferę – był również udany, choć instrumenty pokładowe nie zapaliły odpowiedniej kontrolki.

Shepard pozwolił automatycznemu systemowi orientacji ustawić kapsułę do hamowania atmosferycznego po czym kontrolował ją ręcznie, aż do osiągnięcia największych przeciążeń (około 11g) po czym oddał kontrolę autopilotowi. Lądowanie przebiegło planowo i astronauta został podjęty razem z kapsułą przez helikopter operujący z pobliskiego lotniskowca.

Kolejny lot suborbitalny przeprowadził Gus Grissom w “Liberty Bell 7”. Lot przebiegł bezproblemowo, aż do momentu wodowania. Pirotechnika mająca w razie awarii odstrzelić właz kapsuły zadziałała z jakiegoś powodu i Grissom musiał opuścić szybko tonącą kapsułę. “Liberty Bell 7” została wyłowiona z dna morskiego dopiero w 1999 roku.

Po pierwszych lotach suborbitalnych nastąpiły dodatkowe trzy loty bezzałogowe, ostatni ponownie z szympansem na pokładzie, jako ostatnia próba przed wysłaniem astronauty na orbitę. Misja Mercury Atlas 5 wyniósł na niską orbitę okołoziemską szympansa o imieniu Enos. Lot, planowany na trzy orbity został skrócony z powodu licznych problemów technicznych, które ujawniły się po starcie. Najważniejszym z nich była awaria jednego z silników orientacyjnych co powodowało cykliczną utratę właściwego położenia kapsuły i zwiększone zużycie paliwa. System podtrzymywania życia również nie działał właściwie, doprowadzając do przegrzania wnętrza kapsuły. Enos, podobnie jak wcześniej Ham miał podczas lotu wykonywać przećwiczone wcześniej zadania. Niestety system zarządzania karami również uległ awarii i szympans został porażony prądem aż 76 razy mimo przewidzianych szkoleniem reakcji. Misja została jednak uznana za udaną i zapalono zielone światło do startu orbitalnego.

Trzeci załogowy lot programu Mercury i pierwszy lot orbitalny odbył sie 20 lutego 1962 roku. Rakieta nośna Mercury Atlas 6 wyniosła na niską orbitę okołoziemską (149×248 km) kapsułę “Friendship 7” z Johnem Glennem na pokładzie. Lot przewidywał trzy okrążenia Ziemi i manewr deorbitacji. Z powodu wadliwego działania jednego z silników orientacyjnych Glenn próbował sterowania ręcznego i w końcu musiał pozwolić kapsule czasowo tracić orientację, żeby oszczędzać paliwo. Dodatkowo z powodu wadliwego czujnika zaszło podejrzenie że poduszka lądownicza a tym samym osłona termiczna nie są zamocowane do kapsuły. Kontrola naziemna długo nie mogła zdecydować czy odrzucić retropakiet po manewrze deorbitacji czy zostawić go. Gdyby osłona termiczna była rzeczywiście oddzielona od reszty kapsuły tylko pasy mocujące retropakietu miały szansę utrzymać ją we właściwej pozycji. Taką właśnie decyzję podjęto a wraz z nią ryzyko utraty stabilności kapsuły podczas hamowania aerodynamicznego. Glenn usiłując powstrzymać kapsułę od koziołkowania zużył całe paliwo manualnego systemu orientacji i musiał przez resztę wejścia w atmosferę polegać na szwankującym systemie automatycznym, który również zużył całe paliwo. W trakcie hamowania retropakiet uległ całkowitemu spaleniu i w kawałkach przeleciał wokół kapsuły. Sytuację uratowało dopiero rozwinięcie się spadochronu hamującego który wyrównał lot i umożliwił normalne wodowanie. Okazało się, że osłona termiczna i poduszka lądownicza zadziałały bez zarzutu.

W ramach programu Mercury odbyły się jeszcze trzy loty: Malcolma Carpentera (“Aurora 7”), Waltera Shirry (“Sigma 7”) i Leroya Gordona Coopera (“Faith 7”). Lot “Faith 7” zasługuje na wspomnienie z kilku powodów. Po pierwsze był to najdłuższy lot kapsuły Mercury, trwający ponad 34 godziny. Rozszerzenie możliwości układu podtrzymywania życia wymagało kilku modyfikacji (wymontowanie peryskopu i zapasowego gniazda silników orientacyjnych). Wiemy, że były możliwe dalsze modyfikacje – jedna z planowanych lecz odwołanych misji Mercury przewidywała aż trzydniowy pobyt na orbicie.

“Faith 7” była misją która udowodniła, że sposób selekcji oraz szkolenia astronautów jak również przyznanie im dużej autonomii w sterowaniu statkiem było właściwym posunięciem. Podczas dziewiętnastego okrążenia Ziemi awarii uległ system elektryczny zasilający automatyczny system kontroli orientacji. Gordon Cooper wykreślił na szybie linie odniesienia, sterując ręcznie utrzymał kapsułę we właściwej pozycji i używając tylko zegarka ręcznego przeprowadził manewr deorbitacji. Był na tyle precyzyjny że zdołał wodować kapsułę w bezpośredniej bliskości lotniskowca.

To wydarzenie wyznaczyło w jaki sposób wybiera się oraz szkoli astronautów do dnia dzisiejszego. Jedynym wyjątkiem jest zniesienie wymaganej wcześniej przynależności do sił zbrojnych.

Dalsze loty kapsuł Mercury odwołano – spełniły one swoje zadanie. Kolejne wysiłki skupiono na pierwszym statku kosmicznym w dzisiejszym rozumieniu tego słowa – zdolnym do zmiany orientacji, manewrów orbitalnych oraz manewrów precyzyjnych, takich jak dokowanie. Rozpoczął się Projekt Gemini.

[Orionid]

Załogowe statki kosmiczne – część 2: Mercury (2)

Mercury – budowa


Statek Mercury – widoki izometryczne / Wojciech Kasprzak

Formalnie statek Mercury składa się z dwóch modułów: modułu załogowego i pakietu retrorakiet, mających za zadanie sprowadzić pojazd z orbity. Drugi z tych elementów jest jednak niewielki i stosunkowo prosty w konstrukcji. Jego funkcja jest wyłącznie napędowa, o jednorazowym działaniu.

W przypadku awarii rakiety nośnej kapsuła była odrzucana od niej za pomocą wieży ratowniczej. Ten typ rozwiązania jest wykorzystywany z powodzeniem do dziś. Ten element nie jest pokazany na grafikach, ponieważ odrzucano go jeszcze przed osiągnięciem stabilnej orbity.

Moduł załogowy
– masa 1118kg,
– objętość użyteczna 1.7 m3,
– załoga: 1,
– system podtrzymywania życia: maksymalnie 1.5 osobo-dni, standardowo w przybliżeniu 0.5 osobo-dni.

Kapsuła Mercury ma pokrój ściętego z dwóch stron stożka. Szczyt zwieńczają cylindryczne zasobniki spadochronów – zwalniającego i znajdujących się poniżej niego głównego i zapasowego. Cylindry zasobników są też miejscem montażu skromnego przekaźnika radiowego i czujników kontroli orientacji statku względem horyzontu. Kolejnym ważnym elementem jest hamulec aerodynamiczny otwierający się ze szczytu zasobnika spadochronu hamującego jak klapa. Zapewniał on właściwą orientację kapsuły podczas hamowania w atmosferze.

Kolejnym ważnym podzespołem umieszczonym w tym rejonie są cztery dysze systemu kontroli orientacji pozwalające skierować oś statku w dowolną stronę. Są one stosunkowo niewielkie ale znajdują się w dużej odległości od środka ciężkości statku blisko dna kapsuły. Są tym samym w stanie wytworzyć odpowiedni moment obrotowy i tylko niewielką niezrównoważoną siłę ciągu zaburzającą całkowitą prędkość kapsuły na orbicie.

Główna, stożkowata część kapsuły jest pokryta prawie w całości panelami o żebrowanej powierzchni. To rozwiązanie umożliwia zwiększenie wytrzymałości strukturalnej i powierzchni użytecznej przez którą statek pozbywa się zbędnego ciepła w razie potrzeby.

Na powierzchni kapsuły znajduje się klapa wejściowa dla astronauty, pokryta żebrowanymi panelami i przez to ciężka do zlokalizowania na pierwszy rzut oka. Kolejnymi otworami jest małe okno obserwacyjne, umieszczone na wprost twarzy astronauty i otwierany luk peryskopu znajdującego się między jego nogami. Dodatkowo kapsuła posiada port kabla zasilania zewnętrznego dla okresu spędzanego na stanowisku startowym.

Tuż ponad podstawą stożka, po przeciwległych stronach kapsuły znajdują się kolejne dwa gniazda silników kontroli orientacji. Działając parami kontrolują obrót statku wokół własnej osi nie powodując zmiany całkowitej prędkości statku. Z tego też powodu umieszczone są w najszerszym miejscu kapsuły by uzyskać jak największy moment obrotowy przy jak najmniejszym ciągu (moment jest iloczynem siły i ramienia na którym działa siła).

W tym miejscu należy zwrócić uwagę, że opisany powyżej układ silników kontroli orientacji jest jednym z bardziej optymalnych dla stożkowej geometrii kapsuły i był używany w późniejszych konstrukcjach (na przykład do kontroli orientacji samego modułu załogowego statków Apollo). Nie jest to jednak pełny system silników manewrowych – nie umożliwia precyzyjnej modyfikacji prędkości statku w kierunkach prostopadłych do jego osi ani precyzyjnych manewrów hamowania i przyśpieszania. Tym samym Mercury nie był zdolny do korekt kursu ani manewrów takich jak dokowanie. System orientacji miał następujące tryby pracy: zdalne sterowanie, kontrola automatyczna, ręczna i kontrola hybrydowa (fly by wire). Ostatni tryb oznaczał, że pilot wprowadzał wymaganą orientację a sterowanie automatyczne robiło resztę.

Spód kapsuły jest wypukłą osłoną termiczną mającą chronić kapsułę podczas hamowania atmosferycznego. Z powodu grubości tarczy środek ciężkości całości konstrukcji jest przesunięty w tył. Tuż przed lądowaniem osłona termiczna jest oddzielana od kapsuły. Jej ruch w dół powoduje błyskawiczne nadmuchanie łączącej osłonę termiczną z kapsułą poduszki lądowniczej, mającej zmniejszyć siłę uderzenia o wodę.

Samo wnętrze kapsuły było wypełnione do granic możliwości fotelem pilota, prymitywnym oprzyrządowaniem, systemem podtrzymywania życia, i zbiornikiem nadtlenku wodoru wykorzystywanym jako paliwo systemu kontroli orientacji. Sam zbiornik paliwa był podzielony na dwie części – jeden obsługiwał ręczną kontrolę orientacji, drugi automatyczną. Astronauci twierdzili że Mercury był noszony jak ubranie a nie pilotowany.

Układ podtrzymywania życia miał bardzo ograniczoną sprawność: sądząc z okresu typowej misji było to około 12 osobo-godzin. Ostatnia misja Mercury, “Faith 7” z Leroyem Cooperem na pokładzie miała długość około 36 godzin po wymontowaniu peryskopu i zapasowego zestawu silników manewrowych i zamontowaniu dodatkowych zbiorników i baterii. Systemy regulacji temperatury często szwankowały, wymagając ręcznej kontroli. Równie częste było również przegrzewanie się kapsuły.

Ostatnim elementem modułu załogowego były trzy pasy mocujące pakiet retro, niosące również kable sygnałowe sterujące jego działaniem.

Pakiet retro
– masa 468kg,
– delta-V 185m/s

Pakiet retro miał za zadanie sprowadzić statek z orbity. Był przymocowany pasami w centrum osłony termicznej na dnie modułu załogowego i miał pokrój grubego bębna z trzema dyszami głównymi i trzema małymi dyszami uruchamianymi po odrzuceniu ostatniego stopnia rakiety nośnej aby oddalić się na bezpieczną odległość.

Główny napęd stanowiły trzy silniki na paliwo stałe, uruchamiane w sekwencji aby utrzymać w miarę stały ciąg. Przyglądając się grafikom można zauważyć że dysze nie są skierowane prosto do tyłu a celują swoimi osiami w punkt ciężkości kapsuły. Rozwiązanie to zapobiegało koziołkowaniu statku podczas manewru deorbitacji. Po zakończeniu manewru pasy mocujące były odrzucane razem z pustym pakietem retro i kapsuła wchodziła w atmosferę kontrolowana przez silniczki orientacyjne w górnych partiach atmosfery i hamulec aerodynamiczny w niższych (zapewniał on ustawienie osłony termicznej w kierunku lotu).

Wostok i Mercury – porównanie konstrukcji


Wostok i Mercury – porównanie konstrukcji / Wojciech Kasprzak

Patrząc na graficzne porównanie kapsuł Mercury i Wostok, będących swoimi odpowiednikami po obu stronach żelaznej kurtyny nie sposób oprzeć się wrażeniu, że są to diametralnie różne konstrukcje. Zważywszy że zdolności manewrowe obydwu konstrukcji są zbliżone (czyli bardzo małe), obydwie są w stanie pomieścić tylko jednego pasażera i spełniają tą samą prostą w profilu misję źródła różnic należy szukać w dwóch miejscach.

Pierwszą zasadniczą różnicą wpływającą na konstrukcje statku były osiągi przeznaczonych dla nich rakiet nośnych. ZSRR wykorzystało bardzo zaawansowaną jak na tamte czasy rakietę balistyczną R7 której kolejne wersje wynoszą do dziś satelity oraz statki Sojuz i Progress. Odzwierciedla to masa Wostoka – jest on 3.5 raza cięższy od kapsuły Mercury. Rakiety Redstone i Atlas miały mniejsze osiągi a proces ich dostosowania dla lotów załogowych był kłopotliwy i kosztowny. Współczesne wersje rakiet Atlas są jednymi z najczęściej używanych i najbardziej niezawodnych. We wczesnych latach 60tych to jednak sowiecka rakieta nośna R7 była lepsza.

Druga zasadnicza różnica wynika pośrednio z pierwszej. Program Mercury musiał zadowolić się masą kapsuły mniejszą niż 1.5 tony. Miało to swoje dobre strony – konstrukcja była zwarta a więc nie wymagała ciężkiej struktury by zachować odpowiednią wytrzymałość. Z powodu tych ograniczeń sięgano również po proste rozwiązania techniczne. Proste rozwiązania techniczne z reguły zwiększają niezawodność.

Jedynym z elementów kapsuły Mercury, który zdaje się wybiegać naprzód w porównaniu do Wostoka, jest system kontroli orientacji. Liczy się tu zarówno układ silników, zaawansowana jak na tamte czasy automatyka i tak samo dobrze przemyślany system sterowania ręcznego.

Kolejnym jest system wodowania z poduszką lądowniczą Mercurego. Trzeba tu przypomnieć dla porównania że kosmonauci musieli opuszczać kapsułę Wostok na własnych spadochronach. Moduł załogowy sowieckiego statku robił w gruncie duże otwory (kratery), nawet spowolniony przez spadochron.

Warty jest również uwagi fakt że sowieccy konstruktorzy mieli dość duże zaufanie do swoich silników rakietowych wyposażając Wostoka w silnik na paliwo ciekłe podczas gdy Mercury korzystał z bardziej niezawodnego i prostszego w konstrukcji silnika na paliwo stałe.

Mimo bardzo nierównych mas i różnych geometrii obydwa statki spełniały postawione przed sobą zadania. Jednak z racji minimalistycznego podejścia Mercury nie zostawiał wiele miejsca na ulepszenia. Wostok z kolei był na tyle elastyczny że następna generacja statków załogowych ZSRR – Woschod, była po prostu dość znaczną modyfikacją pierwszej konstrukcji. Z kolei statki Gemini odziedziczyły, po odpowiednim powiększeniu, generalny kształt modułu załogowego i uzupełniły go o pełnoprawny moduł serwisowy. Kolejnym cennym spadkiem po kapsułach Mercury jaki dostały Gemini był zaawansowany system kontroli orientacji. Dał im pod pewnymi względami prowadzenie nad nowym sowieckim statkiem w trakcie drugiego etapu wyścigu w kosmos.

Dziękujemy Panu Wojciechowi Kasprzakowi za nadesłanie tekstu

Źródło: Załogowe statki kosmiczne – część 2: Mercury