Ракетный полет по высотной или баллистической траектории технически несколько проще, чем орбитальный, но он мало что дает в плане изучения условий космического полета, поскольку длительность невесомости при вертикальном пуске 2–4 минуты, а при наклонном не более 10–15 минут. В то время как даже один виток по орбите — это полтора часа невесомости. Затраты же времени и средств на проектирование и разработки, как и трудности осуществления, для баллистического и орбитального вариантов соизмеримы.
Американцы в своем проекте пилотируемого корабля «Меркурий» не обошли этап полета по баллистической кривой. Прежде чем запустить космонавта на орбиту, они дважды уже после полета Юрия Гагарина — 5 мая и 21 июля 1961 года — осуществили такие полеты (они их назвали суборбитальными).
Состояние невесомости длилось около 10 минут, и никаких исследований на борту космонавты практически осуществить не смогли. Это были чисто испытательные полеты. Вполне возможно, что эти полеты были вызваны неготовностью в 1961 году орбитального носителя «Атлас», и осуществлялись они с помощью маломощной ракеты «Редстоун».
Проработкой задачи о баллистическом полете человека занимался в отделе Тихонравова сектор, возглавляемый конструктором Николаем Потаповичем Беловым. К нему я и попал. Белов предложил мне сначала заняться вопросами устойчивости аппарата для полета по баллистической траектории на участке спуска, при входе в плотные слои атмосферы. Я с удовольствием принялся за эту задачу. И ее решение оказалось полезным и потом, для работ по «Востоку». На это ушла зима 1957/58 года. Одновременно я начал собирать группу для проектирования орбитального корабля. Тихонравов и Белов мне очень помогли, и вскоре в группе стало человек пятнадцать молодых инженеров. Мысль о работе над орбитальным космическим кораблем сидела в голове у многих. Думал о таком аппарате и Сергей Павлович.
Было немало скептиков, сомневавшихся в реальности поставленной в то время задачи. Были и противники, утверждавшие, что браться за пилотируемый спутник преждевременно и что надо идти по пути создания «автоматов» различного назначения и размера, набираться таким образом опыта. При этом имелись в виду не только объективные трудности, но и возможность реализовать замысел силами нашего КБ. Некоторые предлагали сначала создать крупный, на несколько тонн автоматический спутник. Другие считали, что отработку возвращения на Землю нужно начинать с небольших автоматических аппаратов.
Кстати говоря, 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 не менее сложное, чем для больших. Но для автоматов проблем, конечно, 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 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 (28 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, получилась 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.
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.
