В полетах на «Джемини» решались три новые операционные задачи: маневрирование, включая сближение и стыковку на орбите, выход в открытый космос и длительный полет в условиях невесомости. Решение этих задач в то время все еще выглядело проблематичным, а они были критическими для осуществления лунной программы.
Маневрирование в космосе, изменение орбиты полета требовали< разработки теории и новых бортовых и наземных средств. Прежде всего было необходимо создать комплекс навигационных приборов для измерений параметров орбиты и бортового компьютера для обработки результатов измерений и вычислений орбитальных параметров. По этим данным компьютер мог вычислить параметры необходимых маневров для достижения цели, для реализации которых в виде разворотов и ускорений самого корабля требовалась целая система реактивных двигателей. Только общее число этих двигателей — 36 — говорит само за себя. Для достижения Луны оказалось необходимым маневрирование на разных участках полета, включая сближение и стыковку на окололунной орбите.
Для возвращения с орбиты также впервые требовалось создать систему управляемого спуска в атмосфере, без которой вернуться с Луны со второй космической скоростью было просто невозможно.
Именно для «Джемини» космические инженеры стали впервые создавать бортовой комплекс управления движением корабля в пространстве, без которого современный полет в космос нереален. В частности, также впервые на космическом корабле появился настоящий бортовой компьютер. Получил дальнейшее развитие и наземный, также компьютеризированный, комплекс управления. Стоит еще раз отметить, что в области создания и особенно внедрения вычислительной техники американцы с самого начала ушли далеко вперед, как в космосе, так и на Земле.
После прилунения астронавтам предстояло работать на Луне. Для этого на Земле требовалось создать скафандры, другую специальную технику и научиться ею пользоваться в космосе. Внекорабельная деятельность (ВКД), особенно с учетом невесомости, требовала специфического подхода, включая психологический настрой. Только в этом случае навыки работы в безопорном пространстве, приобретенные при имитации невесомости на Земле, в полной мере можно было использовать в космосе.
Продолжительность полетов в капсулах «Меркурий» фактически исчислялась часами. Для достижения Луны необходимо провести в космосе около недели. В начале 60–х полеты такой длительности все еще выглядели проблематичными. И, конечно, требовалось создать необходимую для этого технику, прежде всего системы жизнеобеспечения и электроснабжения.
Что касается источника электроэнергии, то именно на «Джемини» американцы впервые опробовали в космосе так называемые топливные элементы (fuel cells), или, по–нашему, электрохимические генераторы электроэнергии (ЭХГ), работающие на основе реакции соединения кислорода и водорода с побочным продуктом в виде воды, тоже необходимой в космосе. Забегая вперед, надо отметить, что в космосе эта техника давалась им очень не просто; знаменитая фирма «Дженерал Электрик» («General Electric Company») продолжала отработку, когда первые корабли уже начали летать. Однако продолжительность полетов без ЭХГ даже при очень больших ограничениях не превышала 4—5 суток; как известно, на одних аккумуляторах далеко не уедешь и не улетишь. Несмотря на прессинг, ЭХГ удалось подготовить только к полету «Джемини-4». Следует заметить, что при полетах продолжительностью одна—две недели ЭХГ является действительно очень эффективным генератором, имеющим существенные преимущества перед солнечными батареями (СБ): аппаратура ЭХГ не столь громоздка и не вносит столь сильных ограничений на ориентацию корабля, как СБ. Экологически чистая «электростанция» оказалась одной из немногих систем, которую создали в начале 60–х, а использовали в последующих космических проектах, и не только на «Аполлоне», но и позднее на «Спейс Шаттле».
В целом «Джемини», этот настоящий космический корабль, получился весьма удачным, несмотря на то что его вес (3,5 т) составлял лишь 50% веса нашего «Союза». Его выводила на орбиту ракета «Титан-2» — боевая МБР, доработанная под пилотируемый полет. Американцы посчитали этот космический носитель настолько надежным, что не побоялись летать без системы аварийного спасения (САС), аналогичной примененной на «Меркурии», и ограничились лишь введением катапультируемых кресел. На «Аполлоне» они снова вернулись к САС.
История выбора катапультируемых кресел связана с попыткой создать управляемый парашют типа надувного парапланера (названного американцами по имени его изобретателя — Рогалло), с тем чтобы обеспечить посадку на сушу с возможностью маневра. Отработать многообещающую конструкцию не удалось, а кресла остались. Возможность спасения при аварии с использованием кресел считалась сомнительной, особенно при полете на ракете «Титан», а опасность катапультирования с перегрузкой до 24g оставалась реальной. Воспользоваться такой катапультой можно только в самом крайнем случае. За всю программу такая ситуация сложилась лишь однажды. При пуске «Джемини-6» произошла отсечка двигателей первой ступени, и ракета «Титан» на супертоксичном топливе, которого так опасался Королёв, оказалась на краю катастрофы. Как вскоре выяснилось, ослаб электроразъем связи ракеты с «землей», к тому же не удалили защитную крышку в трубопроводе одного из двигателей ракеты. Не расстыкуйся этот разъем, катастрофа была бы неминуемой.
Экипажу корабля надо было выбирать между спасением при помощи катапультирования и надеждой, что ракета все?таки не взорвется. Несмотря на то что инструкция в такой ситуации требовала катапультироваться, ветеран Уолтер Ширра и тогда новичок Том Стаффорд, наш будущий «железный Том», выбрали надежду, и она их не подвела. При катапультировании с такой суперперегрузкой их космической карьере, возможно, пришел бы конец, и никогда бы нам не видать нашего Тома. Настоящий летчик–испытатель должен летать не только по книге. В тот раз они оказались очень удачливы и с разъемом, и с выбранным решением.
Впрочем, и «Титан», и сам корабль не подвели американцев, хотя отказов за все 12 полетов набралось довольно много. Для отработки, для того чтобы приобрести уверенность и убедить в этом других, перед началом пилотируемых полетов провели два беспилотных пуска. Надо сказать, что успешному выполнению этой космической программы способствовал и элемент удачи.
При проектировании корабль разделили на два основных модуля: командный и служебный. В последнем, разбитом на две секции, размещалась вся основная аппаратура, необходимая для орбитального полета: реактивные двигатели для маневрирования на орбите, источники электроэнергии, баки с кислородом, водородом и топливом и другие приборы управления. В отличие от «Меркурия» для управляющих двигателей перешли с «перекиси водорода» на более эффективное двухкомпонентное топливо.
Командный модуль, по форме напоминающий капсулу «Меркурия» (его иногда продолжали называть капсулой), довели, что называется, до ума, модуль стал по–настоящему управляемым при спуске с орбиты в атмосфере. Концепцию, замышленную М. Фаже и его коллегами, реализовали полностью: за счет смещения центра масс от оси симметрии и вращения капсулы по крену удалось не только снижать перегрузки при спуске, но и маневрировать при посадке. Боковые и продольные маневры обеспечивали большую точность приземления: вместо сотни — всего несколько километров. Чтобы управлять по крену, а также демпфировать продольные колебания капсулы, в ее состав ввели блок управляющих реактивных двигателей. Они могли также использоваться как дублирующая подсистема при отказе орбитальных двигателей служебного модуля. Этот резерв действительно пригодился в одном из полетов, в трудную минуту.
Оба модуля, командный и служебный, сконструировали также очень рационально, учтя весь опыт «Меркурия». При этом особое внимание обращалось на технологичность сборки и… разборки, а это, как показала практика, было часто еще важнее. Так, служебный модуль разделили на два отсека и предусмотрели хороший доступ к приборам с возможностью их замены при подготовке корабля к полету. Этому способствовало, прежде всего, то, что проект попал в руки очень способных и активных проектантов НАСА и не менее продвинутых конструкторов фирмы «Макдоннелл», бывших самолетчиков, создавших капсулу «Меркурий». Общая компоновка «Близнецов» действительно напоминала фюзеляж самолета с двухместной кабиной. Астронавты размещались в катапультируемых креслах, а иллюминаторы смотрели вперед и вверх. В левом кресле располагался командир, который пилотировал корабль в космосе, управляя ориентацией и другими маневрами. Второй пилот, он же — бортинженер, обеспечивал навигацию, общался с компьютером, контролировал работу бортовых систем.
