Так поступили американцы, впервые возвратившие на Землю маленькие капсулы своих спутников «Дискаверер». Шли к этому они около полутора лет и добились успеха едва ли не с десятой попытки. Дело это действительно было непростое и, кстати, для малых аппаратов не менее сложное, чем для больших. Но для автоматов проблем, конечно, намного меньше, чем для пилотируемых кораблей.
Прежде всего нужно было хорошо — реалистично и перспективно — поставить задачу на проектирование. И задача была сформулирована так: создать пилотируемый спутник, который после выведения на околоземную орбиту мог бы совершить по ней полет от одного витка до нескольких суток и возвратиться на Землю. На борту должен быть человек, с тем чтобы провести исследование его самочувствия и работоспособности в условиях космического полета, а также некоторые научные наблюдения и эксперименты.
В основе осуществления такого полета лежало достижение высокой надежности ракеты-носителя (это дело ракетчиков), конструкции корабля, системы управления, обеспечения жизнедеятельности космонавтов, спуска и других. Самой трудной и ответственной задачей было обеспечение возвращения космонавта на Землю.
В те годы, о которых мы сейчас ведем речь, многие специалисты даже в авиации практически не представляли, как можно решить эту задачу: затормозить и спустить с орбиты аппарат, движущийся со скоростью 8 километров в секунду (29 тыс. километров в час, 25 скоростей звука!), чтобы он не сгорел при входе в плотные слои атмосферы. Из газовой динамики было очевидно, что у лобовой части аппарата должна возникнуть плазма с температурой 6—10 тысяч градусов. Как отвести тепло, чтобы космонавт не «изжарился», — вот был вопрос вопросов, и в реальность решения этой задачи в ближайшие годы кое-кто тогда просто не верил.
А между тем в это время (во второй половине 50-х годов) уже были найдены методы расчета теплозащиты возвращающихся с орбиты объектов и показано, что создание ее вполне реально с конструктивной точки зрения. Это был результат исследований, проведенных академиками М. В. Келдышем, Г. И. Петровым, В. С. Авдуевским (тогда молодым доктором наук) и другими учеными. Специалисты нашли также оптимальный материал для теплозащитного покрытия: им оказался тогда хорошо известный асботекстолит. Он обладает свойством, поглощая огромные количества тепла, не плавиться, а испаряться в потоке набегающего воздуха. Не очень легкий материал, но достаточно эффективный. Однако создать конструкцию теплозащиты только полдела. Нужно найти такую компоновку аппарата, чтобы масса теплозащиты оказалась минимальной.
Но прежде всего нужно было решить другую принципиальную задачу — выбрать способ возвращения корабля. Вариантов имелось несколько. О крыльях мы уже говорили. Был еще вариант торможения и посадки с помощью авторотирующих винтов, подобных вертолетным. Эта схема одно время очень нравилась Сергею Павловичу. Но расчеты показали, что эффективной работы от них добиться трудно.
В марте — апреле 1958 года сделали окончательный выбор: спуск должен быть баллистическим, без подъемной силы, с парашютной системой посадки. Анализ и расчеты показали, что этот способ наиболее прост.
Следующий шаг — выбор формы корабля, вернее, возвращаемой его части. Казалось бы, естественно возвращать на Землю весь корабль. Но в этом случае масса тепловой защиты и парашютной системы, которая зависела от размеров и массы возвращаемого аппарата, получалась слишком большой. Нельзя допустить, чтобы теплозащита «съела» все запасы массы, необходимые для различного оборудования, обеспечения жизнедеятельности, топлива для ориентации и посадки. Значит, размеры возвращаемой части космического корабля нужно свести к минимуму.
Так возникло понятие спускаемого аппарата. А что оставалось вне его? На долю отсека, названного приборно-агрегатным, приходилось все то, без чего мог жить космонавт и можно было обойтись в течение получаса спуска корабля с орбиты: тормозная двигательная установка с топливными баками, система управления, радиооборудование, телеметрия и пр.
Если приборный отсек мог иметь любую форму, которая вписывалась бы в габариты обтекателя ракеты, то спускаемый аппарат мог иметь конфигурацию только вполне определенную. Условия такие: достаточный объем, хорошая устойчивость на спуске и как можно меньший вес теплозащиты. При расчете траектории спуска, тепловых потоков, решении проблемы устойчивости надо было учесть аэродинамику на гиперзвуковых, околозвуковых и дозвуковых скоростях. Рассматривались различные конфигурации: конус с различными углами раскрыва и радиусами затупления, обратный конус, зонт, закругленные цилиндры и прочее.
Однажды мы стали анализировать полусферу, и вдруг пришла мысль: а почему, собственно, не взять сферу? И мы остановились на сфере.
— Это не было тривиальным?
— Теперь это вполне может показаться тривиальным решением, но, по моему мнению, тогда это здорово упрощало задачу и помогло нам выиграть время. Дело не только в том, что сфера дает минимальную поверхность, а значит, близкий к минимуму вес теплозащиты при заданном объеме. Любая другая форма спускаемого аппарата потребовала бы проведения множества аэродинамических исследований, создания специальных методов расчета. Сфера была продута и просчитана, как говорится, вдоль и поперек. Все разгрызено и разжевано. Да и сами расчеты ее намного проще. Возьмите заостренное тело — в гиперзвуковом потоке надо считать косые скачки уплотнения, а на тупое тело, каким является сфера, садится прямой скачок, ударная волна отходит от тела, а за ней, то есть на поверхности тела, — дозвуковое обтекание. Все сравнительно просто.
Могло показаться, что точность посадки будет невысокой, а это было бы чревато опасностью потери спускаемого аппарата. Но расчеты убедили: точность получается в пределах допустимого — плюс-минус 300 километров. Учитывая равнинные пространства нашей страны, это не грозило какими-нибудь случайностями при посадке.
Другой вопрос: не окажутся ли при баллистическом спуске слишком высокими перегрузки, допустимы ли они для человека. Но и здесь расчеты показывали, что при входе в атмосферу под углом 5–6 градусов перегрузки будут не более 9—10, причем продолжительность таковых перегрузок не более минуты. Согласно экспериментальным исследованиям авиационных медиков, проведенным еще в 40-х годах, такие перегрузки для тренированных людей считались вполне переносимыми. Конечно, чтобы не превысить допустимые значения, нужно было гарантировать необходимый угол входа аппарата в атмосферу. Но и это оказалось вполне достижимым, хотя систему ориентации аппарата перед включением двигателя на торможение предстояло еще создать.
