Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №06 за 2010 год

Примерно так рисовалась пионерам космонавтики картина работы человека в открытом космосе.

Первое в мире реальное устройство для свободного перемещения в космосе, созданное по американской программе «Джемини», было выполнено как раз по схеме «реактивного пистолета». Оно носило название HHMU (HandHelded Maneuvering Unit, «ручное устройство маневрирования»), работало на сжатом кислороде и применялось во время выхода в открытый космос астронавта корабля «Джемини-4» Эдварда Уайта. Такой пистолет, конечно, давал большую свободу передвижения, чем страховочный фал, связывающий с кораблем, но при этом как минимум одна рука астронавта была занята.

Лет 30–40 назад казалось, что до эпохи индустриального освоения космоса рукой подать. А для сборочно-монтажных и ремонтных работ на околоземных орбитах, конечно, потребовались бы устройства индивидуального передвижения в открытом пространстве. К сожалению, для таких задач реактивные пистолеты оказались непригодны, причем главным образом из-за низкой точности, поскольку управлялись вручную и на глазок. Устройство для перемещения космонавта-монтажника должно обеспечивать надежную ориентацию в пространстве, точное передвижение из точки в точку, комфортные условия работы и большую автономность действия.

«Реактивная подкова»

Уже в начале 1960-х было известно, что человеку гораздо проще управлять линейными скоростями и перемещениями, чем вращательными движениями. Поэтому система ориентации устройства должна быть хотя бы частично автоматизированной и ограничивать угловые скорости и ускорения. Например, было определено, что двигатель ориентации ни в коем случае не должен позволять космонавту вращаться быстрее, чем со скоростью 40–50 градусов в секунду. Желательно также, чтобы система точно определяла свои координаты или хотя бы расстояние и ориентацию относительно цели движения и места, куда надо вернуться. Всегда должна сохраняться связь с космическим кораблем или с Землей, и все это должно обеспечиваться в течение нескольких часов автономной работы. Если опираться на элементную базу 1960-х годов, то вырисовывался агрегат массой в сотни, если не тысячи килограммов. Чтобы уложиться в разумные ограничения по массе, конструкторам приходилось искать компромисс между ручным и автоматическим управлением.

Таким компромиссом было советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), которое разрабатывалось сначала для кораблей «Восход», а затем, в 1965–1966 годах, по программе военных станций «Алмаз». Установка в форме подковы как бы обнимала космонавта в скафандре. Перемещение обеспечивалось двумя блоками — разгонным и тормозным, каждый из 42 пороховых двигателей. Срабатывание одного двигателя разгоняло космонавта на 20 сантиметров в секунду. Вдоль современной стометровой Международной космической станции (МКС) с такой скоростью можно было бы пролететь примерно за 10 минут. Двигаться медленнее было невыгодно, быстрее — опасно и расточительно. И разгонные, и тормозные двигатели размещались так, чтобы вектор тяги проходил через центр масс, не вызывая разворотов космонавта. Система ориентации состояла из 14 миниатюрных сопел, работавших на сжатом воздухе, и управлялась «джойстиком» на подлокотнике подковы, причем автоматика ограничивала скорость разворота.

Масса УПМК составляла 90 килограммов, а вместе с пилотом в скафандре — 250 килограммов. Аккумуляторы обеспечивали до четырех часов автономной работы в открытом космосе. А запаса топлива, если бы целиком потратить его на ускорение в одном направлении, хватило бы для разгона до скорости 32 м/с. Этот параметр в космонавтике называют характеристической скоростью устройства. Применение твердого ракетного топлива и сжатого воздуха упрощало эксплуатацию и повышало безопасность УПМК. К сожалению, испытать устройство на орбите советским космонавтам так и не удалось.

Небесный тихоход

Маневренность аппарата определяется запасом топлива и скоростью его истечения из сопла. Скорость зависит от температуры газа и степени расширения сопла. Высокая температура сгорания жидкого или твердого топлива обеспечивает скорость истечения 2–3 км/с. Из баллона сжатый воздух через сопло течет в три – пять раз медленнее, и для разгона газа требуется во столько же раз больше. И все же для маневров вблизи станции в основном пользуются сжатым воздухом. Главное здесь — надежность и безопасность использования, скорости нужны небольшие, и при переходе на ракетное топливо выигрыш в массе рабочего тела теряется из-за увеличения массы и сложности двигательной установки и оборудования для ее обслуживания. Для автомобиля запас топлива определяет путь, который он сможет проехать. В космосе же от топлива зависит не путь, а суммарное изменение скорости, которого можно достичь, израсходовав весь запас. Даже большое расстояние можно преодолеть с минимальными запасами топлива, если снизить скорость. Но чрезмерно медлить за бортом станции не дают другие ограничения: ресурс жизнеобеспечения скафандра и высокая стоимость работ в открытом космосе.

Советское устройство перемещения и маневрирования космонавта 21КС было настоящим космическим кораблем в миниатюре и предназначалось для «строительных работ» в космосе. 1. Ранец с запасом сжатого газа и системой управления

2. Сопла бокового смещения

3. Отгибаемые подлокотники с рукоятками управления

Оседлать космический ранец

Ради повышения характеристической скорости и улучшения маневренности предпринимались и попытки использовать в устройствах передвижения жидкое топливо. Так, в AMU (Astronaut Maneuvering Unit) — первом американском устройстве «ранцевого» типа — топливом служила жидкая 90-процентная перекись водорода. Масса устройства составляла 75 килограммов, из них 20 приходилось на системы жизнеобеспечения, а 11 — на топливо. При этом характеристическая скорость AMU была вдвое выше, чем советской модели — 76 м/с. При выведении на орбиту AMU крепилось снаружи на приборно-агрегатном отсеке корабля. Работа астронавта в открытом космосе выглядела так. Одетый в скафандр, он выходил из гермокабины, с помощью поручней переходил к устройству и надевал его как ранец. После этого можно было отделяться от корабля и маневрировать. Общая масса этого своеобразного космического аппарата, состоявшего из астронавта в полном снаряжении и AMU, достигала 185 килограммов. Движение в космосе обеспечивали 16 небольших ракетных двигателей. Испытания системы состоялись в июне 1966 года во время полета корабля «Джемини-9А». Но первый блин оказался комом. Астронавт Юджин Сернан с большим трудом добрался до установки, оседлал «космический мотоцикл» и вдруг обнаружил, что… ничего не видит! Переход через открытый космос не прошел даром — астронавт очень устал, пот застилал ему глаза и конденсировался на стекле гермошлема. И ведь рукой его, как на Земле, не сотрешь! Вдобавок оказалось, что Сернан не может манипулировать «джойстиком» управления AMU — рука не дотягивалась, а когда дотянулась, он сломал рукоятку — ее заклинило. Одновременно ухудшилась связь с напарником Томасом Стаффордом, оставшимся в кабине «Джемини». Астронавту ничего не оставалось делать, как отсоединиться от AMU и возвратиться в корабль.