Sojoez (ruimtevaartuig)

Schematische weergave van de drie onderdelen van het Sojoez TMA-ruimtevaartuig.

Een Sojoez-ruimtevaartuig bestaat uit drie delen (van voor naar achter):

• Een bolvormige baanmodule, die de bemanning tijdens hun missie onderdak biedt;
• Een kleine aërodynamische terugkeermodule, die de bemanning naar de aarde terugbrengt;
• Een cilindervormige servicemodule met zonnepanelen erop, die de instrumenten en motoren bevat.

De orbitale en dienstmodules zijn voor eenmalig gebruik en worden vernietigd bij terugkeer in de dampkring. Hoewel dit verspilling lijkt, vermindert het de hoeveelheid hitteschilden die nodig zijn voor de terugkeer, en bespaart het massa in vergelijking met ontwerpen die alle leefruimte en levensvoorzieningen in één enkele capsule bevatten. Hierdoor kunnen kleinere raketten worden gebruikt om het ruimtevaartuig te lanceren of kan de voor de bemanning beschikbare leefruimte worden vergroot (6,2 m3 in de Apollo CM tegen 7,5 m3 in de Sojoez) in het massabudget. De orbitale en terugkeergedeelten zijn bewoonbare leefruimte, terwijl de dienstmodule de brandstof, hoofdmotoren en instrumentatie bevat. De Sojoez is niet herbruikbaar; hij is vervangbaar. Voor elke missie moet een nieuw Sojoez-ruimtevaartuig worden gemaakt.

Sojoez kan tot drie bemanningsleden vervoeren en biedt levenssteun voor ongeveer 30 mensdagen. Het levensinstandhoudingssysteem levert een stikstof/zuurstof-atmosfeer met een partiële druk op zeeniveau. De atmosfeer wordt geregenereerd door middel van kalium superoxide (KO2) cilinders, die het grootste deel van de kooldioxide (CO2) en het door de bemanning geproduceerde water absorberen en de zuurstof regenereren, en lithium hydroxide (LiOH) cilinders die de resterende CO2 absorberen.

Het voertuig wordt tijdens de lancering beschermd door een payload fairing, die samen met de SAS na 2 1⁄2 minuten na de lancering wordt afgeworpen. Het heeft een automatisch koppelingssysteem. Het schip kan automatisch worden bediend, of door een piloot onafhankelijk van de grondcontrole.

Launch escape systemEdit

Het Vostok ruimtevaartuig maakte gebruik van een schietstoel om de kosmonaut te redden in het geval van een lage hoogte lancering mislukking, evenals tijdens de terugkeer in de dampkring, maar het zou waarschijnlijk niet effectief zijn geweest in de eerste 20 seconden na de lancering, wanneer de hoogte te laag zou zijn voor de parachute om uit te werpen. Geïnspireerd door de Mercury LES, begonnen Sovjet ontwerpers in 1962 te werken aan een soortgelijk systeem. Dit omvatte de ontwikkeling van een complex sensorsysteem om verschillende parameters van de lanceervoertuig te controleren en een afbreking teweeg te brengen als een storing in de booster optrad. Gebaseerd op gegevens van R-7 lanceringen door de jaren heen, ontwikkelden de ingenieurs een lijst van de meest waarschijnlijke storingscondities voor het voertuig en konden de afbrekingscondities beperken tot voortijdige scheiding van een strap-on booster, lage motor stuwkracht, verlies van verbrandingskamerdruk, of verlies van booster geleiding. Het “Spacecraft Abort System” (SAS; Russisch: Система Аварийного Спасения, geromaniseerd: Sistema Avarijnogo Spaseniya) kon ook handmatig worden geactiveerd vanaf de grond, maar in tegenstelling tot Amerikaanse ruimtevaartuigen, was er geen manier voor de kosmonauten om het zelf te activeren.

Omdat het bijna onmogelijk bleek om de hele payload shroud netjes te scheiden van de Soyuz service module, werd besloten om de shroud te laten splitsen tussen de service module en de descent module tijdens een abort. Vier opvouwbare stabilisatoren werden toegevoegd om de aërodynamische stabiliteit tijdens de opstijging te verbeteren. Twee testruns van de SAS werden uitgevoerd in 1966-1967.

Het basisontwerp van de SAS is vrijwel ongewijzigd gebleven in 50 jaar gebruik en alle Sojoez-lanceringen dragen het. De enige wijziging was in 1972, toen de aerodynamische kuip over de SAS-motormondstukken werd verwijderd om gewicht te besparen, omdat het herontworpen Sojoez 7K-T ruimtevaartuig extra levensinstandhoudingsapparatuur vervoerde. De bevoorradingsveerboot Progress zonder bemanning heeft een dummy-ontsnappingstoren en verwijdert de stabilisatorvinnen uit de lijkwade van de lading. Er zijn drie mislukte lanceringen van een bemand Sojoez-voertuig geweest, Sojoez 18a in 1975, Sojoez T-10a in 1983 en Sojoez MS-10 in oktober 2018. De mislukking in 1975 werd afgebroken na het afwerpen van de ontsnappingstoren. In 1983 redde de SAS van Sojoez T-10a met succes de kosmonauten uit een brand op het lanceerplatform en een explosie van de draagraket. Meest recentelijk in 2018 redde het SAS-subsysteem in de payload shroud van Sojoez MS-10 met succes de kosmonauten van een raketstoring 2 minuten en 45 seconden na de liftoff nadat de ontsnappingstoren al was afgeworpen.

Orbitale moduleEdit

Baanmodule van het Sojoez-ruimtevaartuig module

Sojoez-ruimtevaartuig afdalingsmodule

Instrumentatie-/voortstuwingsmodule van het Sojoez-ruimtevaartuig

Het voorste deel van het ruimtevaartuig is de orbitale module (Russisch: бытовой отсек, geromaniseerd: bytovoi otsek), ook bekend als het bewoningsgedeelte. Hierin bevindt zich alle apparatuur die niet nodig is voor de terugkeer naar de aarde, zoals experimenten, camera’s of vracht. De module bevat ook een toilet, landingsgestel en communicatieapparatuur. Het inwendige volume is 6 m3 (210 cu ft), de leefruimte 5 m3 (180 cu ft). Op de laatste Sojoez-versies (sinds Sojoez TM), werd een klein raam geïntroduceerd, waardoor de bemanning een voorwaarts uitzicht heeft.

Een luik tussen de module en de daalmodule kan worden gesloten om het te isoleren en indien nodig als luchtsluis te fungeren, waarbij bemanningsleden naar buiten gaan via de zijpoort (in de buurt van de daalmodule). Op het lanceerplatform betreedt de bemanning het ruimtevaartuig via deze poort. Door deze scheiding kan de orbitale module ook aan de missie worden aangepast met minder risico voor de daalmodule, die van levensbelang is. De conventie van oriëntatie in een micro-g-omgeving verschilt van die van de afdalingsmodule, aangezien bemanningsleden met hun hoofd naar de koppelingspoort staan of zitten. Ook de redding van de bemanning op het lanceerplatform of met het SAS-systeem wordt bemoeilijkt door de orbitale module.

Scheiding van de orbitale module is van cruciaal belang voor een veilige landing; zonder scheiding van de orbitale module kan de bemanning de landing in de daalmodule niet overleven. De reden hiervoor is dat de orbitale module het correct ontplooien van de parachutes van de daalmodule zou belemmeren, en dat de extra massa het vermogen van de hoofdparachute en de remmotoren om voor een veilige zachte landingssnelheid te zorgen te boven gaat. Met het oog hierop werd de orbitale module tot het eind van de jaren tachtig gescheiden vóór de ontsteking van de terugkeermotor. Dit garandeerde dat de daalmodule en de orbitale module zouden worden gescheiden voordat de daalmodule in een terugkeerbaan zou worden gebracht. Na de problematische landing van Sojoez TM-5 in september 1988 werd deze procedure echter gewijzigd en wordt de orbitale module nu gescheiden na de terugkeermanoeuvre. Deze wijziging werd doorgevoerd omdat de TM-5-bemanning pas 24 uur na het afwerpen van hun orbitale module, die hun sanitaire voorzieningen bevatte en de koppelingskraag die nodig was om aan de Mir te koppelen, een baan om de aarde kon verlaten. Het risico van het niet kunnen loskoppelen van de orbitale module wordt in feite kleiner geacht dan het risico van het nodig hebben van de faciliteiten erin, inclusief het toilet, na een mislukte deorbit.

AfdalingsmoduleEdit

Replica van de Instapmodule van het Sojoez-ruimtevaartuig in het Euro Space Center in België

De afdalingsmodule (Russisch: Спуска́емый Апппара́т, tr. Spuskáyemy Apparát), ook bekend als terugkeercapsule, wordt gebruikt voor de lancering en de reis terug naar de aarde. De helft van de daalmodule is bedekt met een hittebestendige bekleding om hem tijdens de terugkeer te beschermen; deze helft is tijdens de terugkeer naar voren gericht. Het wordt eerst afgeremd door de atmosfeer, dan door een remparachute, gevolgd door de hoofdparachute die het vaartuig afremt voor de landing. Op één meter boven de grond worden de achter het hitteschild gemonteerde remmotoren met vaste brandstof afgevuurd om een zachte landing mogelijk te maken. Een van de ontwerpeisen voor de afdalingsmodule was dat deze een zo hoog mogelijk volumetrisch rendement (inwendig volume gedeeld door rompoppervlak) moest hebben. De beste vorm hiervoor is een bol – zoals de afdalingsmodule van het baanbrekende Vostok-ruimtevaartuig – maar een dergelijke vorm kan geen lift geven, hetgeen resulteert in een zuiver ballistische terugkeer. Ballistische terugkeer is moeilijk voor de inzittenden vanwege de hoge vertraging en kan niet worden gestuurd na hun eerste ontbranding in de omloopbaan. Daarom is gekozen voor de “koplamp”-vorm die de Sojoez gebruikt – een halfrond voorste gedeelte dat met een nauwelijks gekromde (zeven graden) kegelvormige sectie verbonden is met een klassiek hitteschild met bolvormige sectie. Door deze vorm kan een kleine hoeveelheid lift worden gegenereerd als gevolg van de ongelijke gewichtsverdeling. De bijnaam werd bedacht in een tijd dat bijna elke koplamp rond was. De kleine afmetingen van de afdalingsmodule leidden ertoe dat er na de dood van de bemanning van de Sojoez 11 slechts bemanningen van twee personen aanwezig waren. De latere Sojoez T-ruimtevaartuigen hebben dit probleem opgelost. Het inwendige volume van de Sojoez SA is 4 m3 (140 cu ft); 2,5 m3 (88 cu ft) is bruikbaar voor de bemanning (leefruimte).

DienstmoduleEdit

Aan de achterkant van het voertuig bevindt zich de servicemodule (Russisch: прибо́рно-агрега́тный отсе́к, tr. pribórno-agregátny otsék). Het heeft een drukvat in de vorm van een uitpuilend blikje (instrumentatiecompartiment, priborniy otsek) dat systemen bevat voor temperatuurregeling, elektrische stroomvoorziening, radiocommunicatie over lange afstand, radiotelemetrie, en instrumenten voor oriëntatie en controle. Een drukloos deel van de dienstmodule (voortstuwingscompartiment, agregatniy otsek) bevat de hoofdmotor en een op vloeistof werkend voortstuwingssysteem voor het manoeuvreren in een baan om de aarde en het inzetten van de afdaling naar de aarde. Het schip heeft ook een systeem van motoren met lage stuwkracht voor de oriëntatie, bevestigd aan het tussencompartiment (perekhodnoi otsek). Buiten de dienstmodule bevinden zich de sensoren voor het oriëntatiesysteem en het zonnepaneel, dat op de zon wordt gericht door het schip te draaien. Een onvolledige scheiding tussen de dienstmodule en de terugkeermodule leidde tijdens Sojoez 5, Sojoez TMA-10 en Sojoez TMA-11 tot noodsituaties, die leidden tot een onjuiste oriëntatie bij de terugkeer (de bemanning ging eerst via het luik naar binnen). Door het falen van enkele explosieve bouten werd bij de laatste twee vluchten de verbinding tussen de dienst- en terugkeermodule niet verbroken.

TerugkeerprocedureEdit

De Sojoez gebruikt een methode die vergelijkbaar is met die van de Amerikaanse Apollo-commando- en dienstmodule om zichzelf in een baan om de aarde te brengen. Het ruimteschip wordt motor-voorwaarts gedraaid en de hoofdmotor wordt afgevuurd om aan de andere kant van de aarde te landen, vóór de geplande landingsplaats. Dit vereist de minste stuwstof voor de terugkeer; het ruimtevaartuig reist op een elliptische Hohmann transferbaan naar het punt waar de atmosferische weerstand het voldoende vertraagt om uit de baan te vallen.

Vroeg Sojoez-ruimtevaartuigen zouden dan de dienst- en orbitale modules gelijktijdig losmaken van de daalmodule. Aangezien zij met leidingen en elektrische kabels met de daalmodule zijn verbonden, zou dit helpen bij hun scheiding en voorkomen dat de daalmodule zijn oriëntatie zou wijzigen. Latere Sojoez-ruimtevaartuigen maakten de orbitale module los voordat de hoofdmotor werd afgevuurd, waardoor stuwstof werd bespaard. Sinds het probleem met de landing van de Sojoez TM-5 wordt de orbitale module opnieuw pas losgemaakt na het afvuren van de terugkeer, wat tot noodsituaties van de Sojoez TMA-10 en TMA-11 heeft geleid (maar deze niet heeft veroorzaakt). De orbitale module kan niet in een baan om de aarde blijven als toevoeging aan een ruimtestation, omdat het luchtsluisluik tussen de orbitale en de terugkeermodule deel uitmaakt van de terugkeermodule, en de orbitale module daarom drukloos wordt na de scheiding.

Herontsteking wordt meestal gedaan aan de “dageraad” kant van de aarde, zodat het ruimtevaartuig kan worden gezien door bergingshelikopters als het daalt in de avondschemering, verlicht door de zon wanneer het zich boven de schaduw van de aarde bevindt. Het Sojoez-toestel is ontworpen om aan land neer te komen, gewoonlijk ergens in de woestijnen van Kazachstan in Centraal-Azië. Dit in tegenstelling tot de eerste bemande ruimtevaartuigen van de Verenigde Staten, die in de oceaan neerstortten.

Systemen van het ruimtevaartuigEdit

Sojoez-diagram

Exploded plan van het Sojoez MS ruimtevaartuig.

• Warmtebeheersingssysteem – Sistema Obespecheniya Teplovogo Rezhima, SOTR
• Levensinstandhoudingssysteem – Kompleks Sistem Obespecheniya Zhiznedeyatelnosti, KSOZh
• Stroomvoorzieningssysteem – Sistema Elektropitaniya, SEP
• Communicatie- en volgsystemen – Rassvet (Dawn) radiocommunicatiesysteem, meetsysteem aan boord (SBI), Kvant-V ruimtevaartuigbesturing, Klyost-M televisiesysteem, orbit radio tracking (RKO)
• Complex besturingssysteem aan boord – Sistema Upravleniya Bortovym Kompleksom, SUBK
• Gecombineerd voortstuwingssysteem – Kompleksnaya Dvigatelnaya Ustanovka, KDU
• Chaika-3 bewegingscontrolesysteem (SUD)
• Optische/visuele apparaten (OVP) – VSK-4 (Vizir Spetsialniy Kosmicheskiy-4), nachtzichtapparaat (VNUK-K, Visir Nochnogo Upravleniya po Kursu), doklicht, pilotenvizier (VP-1, Vizir Pilota-1), laserafstandsmeter (LPR-1, Lazerniy Dalnomer-1)
• Kurs rendez-vous systeem
• Docking systeem – Sistema Stykovki i Vnutrennego Perekhoda, SSVP
• Teleoperatorbesturingsmodus – Teleoperatorniy Rezhim Upravleniya, TORU
• Ingangsactuatorsysteem – Sistema Ispolnitelnikh Organov Spuska, SIO-S
• Landingshulpmiddelenset – Kompleks Sredstv Prizemleniya, KSP
• Draagbare overlevingsuitrusting – Nosimiy Avariyniy Zapas, NAZ, met daarin een TP-82 Cosmonaut overlevingspistool of Makarov pistool
• Sojoez lanceer ontsnappingssysteem – Sistema Avariynogo Spaseniya, SAS