Sredstva za spasavanje kosmonauta

Sve veće visine i brzine leta aviona zahtevaju sve složenija sredstva za spasavanje pilota. Padobran je najpre zamenjen otvorenim izbacivim sedištem, zatim hermetičkom kapsulom i, na kraju, hermetičkom kabinom.

Pri razvoju sredstava za spasavanje kosmonauta, naučnici se suočavaju sa novim teškoćama, zbog nedostatka detaljnih podataka o vasionskom prostoru, o opterećenjima koje kosmonaut može da podnese, kao i o prirodi udesa koji zahtevaju da se napusti kabina.

Situacije u kojima može doći do udesa mogu se podeliti u dve grupe, i to:

• prva, kada za primenu sredstava za spasavanje stoji na raspolaganju vreme kraće od pet sekundi (eksplozija rakete-nosača, gubitak potiska na startu, velika nestabilnost) i

• druga, kada za primenu sredstava za spasavanje stoji na raspoloženju vreme duže od pet sekundi (odstupanje od zadate putanje, gubitak potiska, nestabilnost, otkazivanje komandnog sistema, požar, dehermetizacija kabine, probijanje kabine meteoritima, otkaz sistema za obezbeđenje životnih uslova, otkazivanje pomoćnog energetskog uređaja, otkazivanje motorskog uređaja za kočenje, loše stanje članova posade itd.).

Prva grupa situacija u kojima može doći do udesa iziskuje brze postupke, jer bi inače moglo doći do katastrofe.

Gubitak potiska na startu i jaka nestabilnost mogu izazvati eksploziju rakete i uništenje broda i posade. Do takvih situacija dolazi zbog neispravnosti pogonske grupe i sistema upravljanja pri- likom pripreme za lansiranje, za vreme lansiranja i na aktivnom delu puta na visinama manjim od 75 km. Na visinama većim od 75 km vreme za preduzimanje potrebnih mera spasavanja prelazi 5 sekundi, tako da posada u većini slučajeva može ostati na brodu i pokušati da otkloni nastalu opasnost.

Sa gledišta zahteva bezbednosti koji se postavljaju pred sisteme za spasavanje, kosmički let se može podeliti na tri faze, i to:

• lansiranje i aktivna etapa leta u gustim slojevima atmosfere (do visine 75-100 km),

• let izvan granica gustih slojeva atmosfere (za vreme penjanja, let po orbiti i spuštanje),

• let u atmosferi na visinama manjim od 15 km (za vreme spuštanja i prizemljenja).

Pri razradi sistema za spasavanje kod kojeg se ceo brod odvaja od rakete nosača, odnosno kabina sa posadom od broda, ili članovi posade u izbacivim sedištima ili kapsulama, treba imati u vidu preopterećenja koja čovek može podneti, kako po veličini tako i po vremenu trajanja.

Raketni motori sa čvrstim pogonskim gorivom koji se koriste u sistemu za prinudno izbacivanje razvijaju puni potisak u trajanju 0,02-0,025 sekundi. Ako na kraju tog vremena ubrzanje dostigne veličinu 15 g, tada će priraštaj ubrzanja iznositi 750 g/s, tj. neće preći dozvoljenu vrednost od 1000 g/s.

Sistem signalizacije o situacijama koje bi mogle dovesti do udesa mora biti nezavisan od sistema koji dejstvuju u uslovima normalnog leta. Odstupanja od kursa i poremećaje u stabilizaciji kosmičke letelice otkrivaju sistemi za upravljanje i stabilizaciju.

Zahteve kojima treba da udovolji sistem za spasavanje kosmonauta na raznim etapama kosmičkog leta, kao i konstruktivno rešenje sistema, razmotrićemo na primeru kosmičke letelice čiji se podaci mogu naći u zapadnoj štampi.

Statistički i proračunski podaci pokazuju da pri izbacivanju broda-satelita u orbitu na visinu 35.860 km (period obrtaja 24 časa) ukupan broj udesa koji zahtevaju da se let prekine i posada napusti letelicu iznosi 94,5 na 1000 lansiranja, tj. verovatnoća uspešnog izvršenja leta iznosi 0,9055. Pri tome, broj udesa usled neispravnosti rakete-nosača iznosi 53%, a usled neispravnosti samog broda 47%. Pretpostavlja se da četvrtina svih udesa može da se dogodi u toku 28-dnevnog boravka na orbiti, a samo 15% za vreme povratka na Zemlju. Najopasnija je etapa aktivnog leta, jer se 50% udesa može dogoditi tokom prvih 14 minuta posle lansiranja. Bez sistema za prinudno napuštanje vasionskog broda ili sredstava za prinudni povratak na Zemlju, sve havarije na brodu završile bi katastrofama. Stoga, pouzdanost sredstava za spasavanje na vasionskim brodovima treba dovesti do stepena 0,999.

Na početku aktivnog leta kroz guste slojeve atmosfere uslovi su, uglavnom, kao za napuštanje aviona pri maksimalnom dinamičkom pritisku koji je uslovljen brzinom leta i gustinom vazduha.

U slučaju udesa, deo broda koji se odvaja mora dobiti takvo ubrzanje u odnosi na raketu-nosača, kojim bi se za 2-3 sekunde mogao udaljiti na rastojanje 120 m. Međutim, raketa može eksplodirati nakon 10 ili 20 sekundi posle odvajanja. Osim toga, možda zbog kvara neće moći da se prekine rad motora rakete. Tada kapsula mora da prestigne raketu ili da skrene ustranu, kako bi propustila raketu (slika 1).

Za vreme katapultiranja (2-3 sekunde) kapsulu treba stabilizovati. Ona treba da izvrši određen manevar koji će isključiti mogućnost da dospe u zonu dejstva parčadi eksplodirale rakete (prilikom katapultiranja na startu) i da izbegne mogućnost sudara sa raketom-nosačem posle prekida rada motora koji je izvršio katapultiranje (pri katapultiranju na otvorenom delu leta i pri visokom dinamičkom pritisku). Kapsula štiti posadu od natpritiska i dejstva parčadi u slučaju da raketa eksplodira, kao i od niskog atmosferskog pritiska na velikoj visini.

Slika 1. Spasavanje prilikom eksplozije rakete-nosača

Kapsuli se daje efikasan aerodinamički oblik kako bi se dobila takva granična preopterećenja koja čovek može da podnese. Ovde nije podesna kombinacija izbacivog sedišta - kapsule, jer je njega teško izvesti iz zone dejstva parčadi, naročito ako se katapultiranje vrši na startnom postolju.

Za vreme leta iznad gustih slojeva atmosfere nije potrebno da posada radi spasavanja napušta brod. U tom cilju kabina se može podeliti na 2-3 hermetička odeljka. U slučaju da dođe do požara na brodu, da kabinu probiju meteoriti ili da, iz bilo kojih razloga, nastupi dehermetizacija kabine, članovi posade mogu preći u neoštećeni deo.

Moguće je, takođe, dupliranje i decentralizacija najvažnijih sistema, zatim korišćenje sistema univerzalnog tipa, otklanjanje neispravnosti i oštećenja snagama same posade.

Specijalni medicinski preparati povećavaju izdržljivost članova posade na radijaciju. Ako se upotrebe, može se povećati dozvoljena doza radijacije i na račun toga smanjiti težina zaštitnih materijala.

Pri razradi sistema za spasavanje neophodno je da se detaljno planiraju putanje uvođenja u orbitu i razmeštaj rezervnih površina za ateriranje.

Za vreme spuštanja sa visine 18 km, kao i za vreme ateriranja, sistem za spasavanje mora da obezbedi brzi izlazak članova posade iz broda-satelita i njihovo bezbedno prizemljenje. Za tu svrhu su pogodna obična izbaciva sedišta, sedišta kapsule i nosni deo u vidu kapsule koji se odvaja.

Polazeći od navedenih zahteva, mogu se postaviti tri principijelne šeme sistema za spasavanje (slika 2). Prva šema (slika 2a), sa odvajanjem celog broda u slučaju potrebe, kako na startu tako i na putu do uvođenja u orbitu, sa mogućnošću prelaska na drugi brod-satelit i sa izbacivim sedištima za napuštanje broda na maloj visini. Tri izbaciva sedišta (po jedno sa svakog člana posade) izrađena su u obliku hermetičkih kapsula i imaju specijalnu lakšu konstrukciju proračunatu tako da se mogu održati na vodi.

Slika 2. Tri varijante sistema za spasavanje

Druga šema (slika 2b) je sistem za spasavanje sa odvajanjem broda u početnim fazama leta i spasavanjem u individualnim kapsulama podešenim za povratak na Zemlju sa orbite. Individualne kapsule za spasavanje snabdevene su motorskim uređajima za kočenje.

Treća šema (slika 2c) predstavlja sistem za spasavanje kod koga se odvaja nosna kapsula sa celokupnom posadom. Ovakva kapsula predstavlja sekundarnu kosmičku letelicu koja služi za napuštanje osnovne letelice na svim etapama leta. Ona čini nosni deo tog broda, a u njoj se nalazi i komandni odeljak. Ako dođe do nepovoljne situacije, članovi posade mogu lako preći u nosnu kopsulu.

Uporedivanjem ova tri tipa sistema za spasavanje, vidimo da je najpogodniji onaj sa nosnom kopsulom za odvajanje prilagođenom za izlazak u atmosferu. U tabeli objavljenoj u časopisu »Canadian aeronautacal Yournal« navedeni su podaci o procentima udesa kod aviona. Oni se upoređuju sa proračunskim podacima za kosmičke letelice sa raznim tipovima sredstava za spasavanje.

Razmotrićemo kako na raznim etapama leta funkcioniše sistem za spasavanje u vidu nosne kapsule koja se odvaja.

Postupak pri spasavanju na startu prikazan je na slici 3. Na signal o opasnosti od eksplozije, kosmonaut ili bilo koji član posade uključuje sistem za spasavanje. Nosna kapsula se hermetizira, odvaja od osnovne letelice i odbacuje pomoću uređaja za katapultiranje koji se nalazi na tornju.

Slika 3. - Spasavanje na startu uz korišćenje padobrana i krila za sklapanje

Kapsula se zatim automatski usmerava po zadatoj putanji tako što se upravlja vektorom potiska motora koji vrši katapultiranje. Pošto ovaj motor prestane da radi, kapsula dalje leti slobodno sve do 1000 m visine. Na toj visini se odvaja toranj i uključuje mali motor koji ga odbacuje u stranu od kapsule. Ateriranje se vrši pomoću padobrana ili krila za kočenje.

Tok spasavanja na aktivnom delu leta do visine 75 km isti je kao što je napred opisano. Ako motor za odvajanje kapsule nije bio iskorišćen, on će na toj visini biti odbačen. Na visinama do 4500 m sistem za sletanje se uključuje nakon nekoliko sekundi posle odbacivanja tornja za katapultiranje. Prvo se odvoji padobran za kočenje koji izvlači osnovnu kupolu u poluotvorenom stanju da bi se smanjio dinamički udar. Zatim se padobran potpuno otvara. Pred prizemljenje uključi se padobranski motor za kočenje kako bi se ublažilo prizemljenje. Pri udaru u zemlju padobran se odvaja. U slučaju spuštanja na vodu koriste se plovci koji stabilizuju kapsulu.

Ako se kapsula odvoji na velikim visinama, padobran za kočenje će se otvoriti tek kada se ona spusti na visinu 15 km a glavni padobran se otvara na visini 4500 m.

Ateriranje pomoću krila za kočenje koje se naduva odvija se na isti način. Motor za kočenje se u ovom slučaju nalazi na kapsuli i uključuje se pred ateriranje radi smanjenja progresivne brzine.

Na aktivnoj etapi leta na visinama preko 75 km 96% udesa će verovatno biti izazvano neispravnostima u raketi-nosaču. Zato će se mere za spasavanje sastojati u sledećem. Posle odvajanja motora od rakete-nosača od nje će se odvojiti i letelica-satelit koja je snabdevena motorom za kočenje. Zatim se letelica orijentiše u prostoru, uključi se motor za kočenje i započinje ulazak u atmosferu. Potom se motor za kočenje odbacuje i letelica planira ka rezervnom platou za sletanje. Na visini 6000 m u aerodinamičku struju se postave turboreaktivni motori i sletanje se obavi uz pomoć motora za kočenje.

Spasavanje za vreme slobodnog leta, pri uvođenju u orbitu i u toku leta na orbiti, vrši se odvajanjem nosne kapsule od letelice. To se postiže pomoću motora za kočenje osnovne letelice koja je sa nosnom kopsulom spojena užetom. Kapsula i motor za kočenje odvajaju se od letelice jednovremeno (slika 4). Posle toga komandni sistem postavlja kapsulu u položaj pogodan za pripajanje motora za kočenje. Motor se privuče pomoću užeta, dolazi na hvataljke koje istura kosmonaut i pričvršćuje za kapsulu. Zatim posada utvrđuje svoj položaj u prostoru i određuje vreme napuštanja orbite radi sletanja na rezervni prostor.

Slika 4. Spasavanje na orbiti

Posle napuštanja orbite menja se orijentacija kapsule a motor za kočenje se odbacuje kada zauzme pravilan položaj za ulazak u atmosferu. Pri ulasku u guste slojeve atmosfere kapsula manevriše promenom sile uzgona. Na taj način se postiže željena daljina leta. Nakon postepenog kočenja do podzvučne brzine, kapsula se spušta pomoću padobrana ili krila koje se naduva.

Na završnoj etapi leta i pri sletanju, spasavanje se vrši odvajanjem nosne kapsule pomoću motora za katapultiranje. Motori za katapultiranje, koji se stavljaju u pogon posle odvajanja kapsule, odbacuje se, pod uglom 37° odnosu na uzdužnu osu letelice. Po završetku rada motora za katapultiranje, kapsula leti slobodno do visine 90 m i spušta se pomoću padobrana ili krila koje se naduva.

Potrebno je ukazati na neke podatke o sistemima za spasavanje na kosmičkim letelicama »Merkuri« i »Džemini« na kojima su do sada leteli američki kosmonauti.

Na letelicama - satelitima »Merkuri« sistem za spasavanje posade izveden je na sledeći način (slika 5). Gornji deo satelita čini toranj metalne konstrukcije dugačak 4,26 m koji je pričvršćen za kapsulu eksplozivnim spojnicama. Na tornju je montiran raketni uređaj za katapultiranje, predviđen za odvajanje gondole od rakete-nosača u slučaju da dođe do udesa posle uključivanja startnih motora, pre odlepljivanja rakete sa gondolom od startne rampe, ili pak u početnoj fazi aktivnog leta. Katapultiranje se vrši pomoću motora sa čvrstim pogonskim gorivom koji razvija 22,7t potiska. Tri motorska usisnika postavljena su pod takvim uglom, u odnosu na uzdužnu osu tornja, da bi mlazevi izduvnih gasova proticali podalje od nezaštićenih delova satelita.

Posle odvajanja broda od rakete, odbacuje se motor za kočenje i toranj sa motorom za katapultiranje, a satelit se spušta pomoću padobrana.

Ako dođe do opasne situacije u vreme kada kosmonaut zauzima mesto u kabini broda, tada se do paljenja motora rakete-nosača predviđa korišćenje tornja visokog 36 m (u sklopljenom stanju 4,6 m) koji je montiran na specijalnom vozilu.

Pri letovima po projektu »Merkuri« sistem za spasavanje nije primenjen nijednom.
Na vasionskom brodu-satelitu »Džemini« sa dva člana posade kao sredstvo za spasavanje koristiće se izbaciva sedišta. Predvideno je da se koriste pri startu i na početnoj etapi aktivnog leta, do 21 km visine. Na visinama preko 21 km prilikom spasavanja najpre se odvoje motori rakete-nosača, zatim se brod-satelit odvaja od rakete i spušta na Zemlju pomoću elastičnog krila na sklapanje čija se rebra naduvavaju. Ovo krilo je smešteno sklopljeno u gondoli broda. Ono se koristi, takođe, prilikom normalnog povratka broda na Zemlju.

Slika 5. Sistem za spasavanje kod kapsule vasionskog broda »Merkuri«

U slučaju da se ne može izvršiti normalno prizemljenje samim brodom, kosmonauti koriste izbaciva sedišta, koja su postavljena jedno pored drugog pod uglom od 24°. Sedišta se izbacuju jednovremeno tako što jedan od kosmonauta povlači ručicu za aktiviranje mehanizma za ispaljivanje. Automatsko izbacivanje se odvija ovim redom: prvo pirotehnički uređaji otvore vratanca bočnih otvora kabine čiji se poklopci zafiksiraju u otvorenom položaju, posle toga se aktiviraju mehanizmi za ispaljivanje koji po šinama izbacuju sedišta kroz otvore, a nakon 0,2 sek. uključuju se raketni motori za ubrzanje sedišta.

Katapultiranje se vrši samo ručno. Odluku o katapultiranju donose kosmonauti sami, i nisu predvideni nikakvi automatski davači.

Kosmonauti se moraju naći van kabine 0,4 sek. posle isključenja raketnih motora za ubrzanje. Sedišta se odbacuju 150 m naviše i 300 m ustranu od letelice.

Svako sedište se podešava prema figuri kosmonauta. Na naslonu, koji je izrađen od peno-plastike i presvučen staklo-plastikom, nalazi se prostor zapremine 15.000 cm3 za podobran i ranac sa neophodnim stvarima. U donjem jastuku od staklo-plastike smeštena je rezerva kiseonika za 15 minuta. U drugom donjem jastuku nalazi se uređaj za prinudno odvajanje kosmonauta od sedišta posle izbacivanja iz kabine.

Na slici 6 prikazan je proces katapultiranja iz broda »Džemini« na velikim visinama sa primenom specijalnog padobrana za kočenje koji se naduvava, i zove se »ballut«. Padobran za kočenje obezbeđuje stabilizaciju kosmonauta u razređenim slojevima atmosfere, a odbacuje se posle otvaranja glavnog padobrana. Ako se katapultiranje vrši još na startu, predviđa se da se glavni padobran za spasavanje (prečnika 8,5 m) otvara automatski na visini 90 m na signal barometarskog davača.

Primeri koji su navedeni u članku pokazuju da sredstva za spasavanje kosmonauta postaju sve složenija sa povećanjem daljine i vremena trajanja vasionskih letova. Sa povećanjem udaljenosti kosmičkih trasa od Zemlje, predviđaju se sistemi za spasavanje kosmonauta za nekoliko mogućih naročitih slučajeva.

Sredstva za spasavanje postaju danas jedan od elemenata vasionskog broda, a u pogledu njihove pouzdanosti postavljaju se sve veći zahtevi.

Slika 6. Prinudno napuštanje broda »Džemini« sa dva člana posade

(1 - raketni motor za ubrzanje; 2 - uređaj za odvajanje kosmonauta od sedišta; 3 - ranac padobrana za kočenje; 4 - fal padobrana za kočenje; 5 - odbojni naslon-ranac sa glavnim padobranom i ranac sa najneophodnijim stvarima; 6 - padobran za kočenje; 7 - kapisla za otvaranje padobrančića; 8 -  padobrančić; 9 - kontejner sa neophodnim stvarima; 10 - jastuk sa rezervom kiseonika za slučaj nužde; 11 - glavni padobran)