Sojuz (statek kosmiczny)

Schemat przedstawiający trzy elementy statku kosmicznego Sojuz TMA.

Samolot kosmiczny Sojuz składa się z trzech części (od przodu do tyłu):

• Sferoidalny moduł orbitalny, który zapewnia zakwaterowanie załogi podczas misji;
• Mały aerodynamiczny moduł powrotny, który zawraca załogę na Ziemię;
• Cylindryczny moduł serwisowy z przymocowanymi panelami słonecznymi, który zawiera instrumenty i silniki.

Moduły orbitalny i serwisowy są jednorazowego użytku i ulegają zniszczeniu po ponownym wejściu w atmosferę. Choć może się to wydawać marnotrawstwem, zmniejsza to ilość osłon termicznych wymaganych przy ponownym wejściu w atmosferę, oszczędzając masę w porównaniu z konstrukcjami zawierającymi całą przestrzeń życiową i systemy podtrzymywania życia w jednej kapsule. Pozwala to na użycie mniejszych rakiet do wystrzelenia statku kosmicznego lub może być wykorzystane do zwiększenia przestrzeni mieszkalnej dostępnej dla załogi (6,2 m3 w Apollo CM vs 7,5 m3 w Sojuzie) w budżecie masowym. Część orbitalna i powrotna to przestrzeń mieszkalna, a moduł serwisowy zawiera paliwo, silniki główne i oprzyrządowanie. Sojuz nie nadaje się do wielokrotnego użytku; jest to statek zużywalny. Do każdej misji musi być wyprodukowany nowy statek kosmiczny Sojuz.

Sojuz może zabrać na pokład do trzech członków załogi i zapewnić im podtrzymanie życia przez około 30 osobodni. System podtrzymywania życia zapewnia atmosferę azotowo-tlenową o ciśnieniu parcjalnym na poziomie morza. Atmosfera jest regenerowana przez butle z nadtlenkiem potasu (KO2), które pochłaniają większość dwutlenku węgla (CO2) i wody wytwarzanych przez załogę i regenerują tlen, oraz butle z wodorotlenkiem litu (LiOH), które pochłaniają resztki CO2.

Podczas startu pojazd jest chroniony przez owiewkę ładunku użytecznego, która jest wyrzucana wraz z SAS w 2 1⁄2 minuty po starcie. Posiada automatyczny system dokowania. Statek może być sterowany automatycznie lub przez pilota niezależnie od kontroli naziemnej.

System ucieczki ze startuEdit

Samolot Wostok posiadał fotel katapultowy, który miał ratować kosmonautę w przypadku awarii podczas startu na małej wysokości, a także podczas ponownego wejścia w atmosferę, jednak prawdopodobnie byłby nieskuteczny w ciągu pierwszych 20 sekund po starcie, kiedy wysokość byłaby zbyt mała, aby spadochron mógł się rozwinąć. Zainspirowani projektem Mercury LES, radzieccy konstruktorzy rozpoczęli prace nad podobnym systemem w 1962 roku. Obejmowały one opracowanie złożonego systemu czujników monitorujących różne parametry rakiety nośnej i uruchamiających przerwanie lotu w przypadku awarii boostera. Na podstawie danych ze startów R-7 na przestrzeni lat, inżynierowie opracowali listę najbardziej prawdopodobnych trybów awarii pojazdu i mogli zawęzić warunki przerwania lotu do przedwczesnego oddzielenia się boostera, niskiego ciągu silnika, utraty ciśnienia w komorze spalania lub utraty naprowadzania boostera. System przerywania lotu statku kosmicznego (SAS; rosyjski: Система Аварийного Спасения, zromanizowane: Sistema Avarijnogo Spaseniya) mógł być również uruchamiany ręcznie z ziemi, ale w odróżnieniu od amerykańskich statków kosmicznych, kosmonauci nie mieli możliwości samodzielnego jego uruchomienia.

Ponieważ prawie niemożliwe okazało się czyste oddzielenie całego wanty ładunkowej od modułu serwisowego Sojuza, zdecydowano, że podczas abortu wanta zostanie rozdzielona pomiędzy moduł serwisowy i moduł zstępujący. W celu poprawy stabilności aerodynamicznej podczas wznoszenia dodano cztery składane stabilizatory. W latach 1966-1967 przeprowadzono dwie serie próbne SAS.

Podstawowa konstrukcja SAS pozostała prawie niezmieniona przez 50 lat użytkowania i wszystkie starty Sojuza są w nią wyposażone. Jedyna modyfikacja miała miejsce w 1972 roku, kiedy to ze względów oszczędnościowych usunięto aerodynamiczną osłonę nad dyszami silnika SAS, ponieważ przeprojektowany statek kosmiczny Sojuz 7K-T przenosił dodatkowe urządzenia podtrzymujące życie. Prom dostawczy Progress bez załogi posiada atrapę wieżyczki ratunkowej i usuwa płetwy stabilizatora z osłony ładunku użytecznego. Były trzy nieudane starty załogowego pojazdu Sojuz, Sojuz 18a w 1975 roku, Sojuz T-10a w 1983 roku i Sojuz MS-10 w październiku 2018 roku. Porażka w 1975 roku została przerwana po odrzutach wieży ratunkowej. W 1983 r. SAS Sojuza T-10a z powodzeniem uratował kosmonautów przed pożarem na płycie i eksplozją pojazdu nośnego. Ostatnio w 2018 roku podsystem SAS w osłonie ładunku użytecznego Sojuza MS-10 z powodzeniem uratował kosmonautów przed awarią rakiety 2 minuty i 45 sekund po starcie, po tym jak wieża ratunkowa została już wyrzucona.

Moduł orbitalnyEdit

Moduł orbitalny statku kosmicznego Sojuz moduł orbitalny

Moduł orbitalny statku kosmicznego Sojuz moduł zejściowy

Moduł instrumentacyjno-napędowy statku kosmicznego Sojuz

Przednią część statku kosmicznego stanowi moduł orbitalny (ros: бытовой отсек, romanizowane: bytovoi otsek), znany również jako sekcja habitatowa. Mieści on cały sprzęt, który nie będzie potrzebny do ponownego wejścia na orbitę, taki jak eksperymenty, kamery czy ładunek. Moduł zawiera również toaletę, awionikę dokującą i sprzęt komunikacyjny. Pojemność wewnętrzna wynosi 6 m3 (210 stóp sześciennych), przestrzeń mieszkalna 5 m3 (180 stóp sześciennych). W najnowszych wersjach Sojuza (od Sojuza TM) wprowadzono małe okno, zapewniające załodze widok do przodu.

Luk pomiędzy nim a modułem zniżania może być zamknięty tak, aby w razie potrzeby pełnił rolę śluzy powietrznej, z której załoga wychodzi przez boczny port (w pobliżu modułu zniżania). Na platformie startowej załoga wchodzi do statku kosmicznego przez ten port. Taka separacja pozwala również na dostosowanie modułu orbitalnego do misji przy mniejszym ryzyku dla krytycznego dla życia modułu zstępującego. Konwencja orientacji w środowisku mikrograwitacji różni się od tej w module zniżania, ponieważ członkowie załogi stoją lub siedzą głową do portu dokującego. Również ratowanie załogi podczas przebywania na stanowisku startowym lub z systemem SAS jest skomplikowane ze względu na moduł orbitalny.

Oddzielenie modułu orbitalnego jest krytyczne dla bezpiecznego lądowania; bez oddzielenia modułu orbitalnego nie jest możliwe przeżycie przez załogę lądowania w module opadającym. Dzieje się tak dlatego, że moduł orbitalny przeszkadzałby w prawidłowym rozwinięciu spadochronów modułu zstępującego, a dodatkowa masa przekracza możliwości głównego spadochronu i silników hamujących do zapewnienia bezpiecznej prędkości miękkiego lądowania. W związku z tym do późnych lat 80-tych moduł orbitalny był oddzielany przed zapłonem silnika powrotnego. Gwarantowało to, że moduł schodzący i orbitalny zostaną oddzielone zanim moduł schodzący znajdzie się na trajektorii powrotnej. Jednak po problematycznym lądowaniu Sojuza TM-5 we wrześniu 1988 roku procedura ta została zmieniona i obecnie moduł orbitalny jest oddzielany po manewrze powrotu. Zmiana ta została wprowadzona, ponieważ załoga TM-5 nie mogła deorbitować przez 24 godziny po wyrzuceniu modułu orbitalnego, który zawierał ich urządzenia sanitarne i kołnierz dokujący potrzebny do przyłączenia do Mir. Ryzyko związane z brakiem możliwości oddzielenia modułu orbitalnego jest efektywnie oceniane jako mniejsze niż ryzyko konieczności korzystania z urządzeń w nim się znajdujących, w tym toalety, po nieudanej deorbitacji.

Moduł zstępującyEdit

Replika modułu wejściowego statku kosmicznego Sojuz w Euro Space Center w Belgii

Moduł zejściowy (rosyjski: Спуска́емый Апппара́т, tr. Spuskáyemy Apparát), zwany również kapsułą reentry, służy do startu i powrotu na Ziemię. Połowa modułu schodzącego jest pokryta żaroodporną powłoką, która chroni ją podczas powrotu; podczas powrotu jest ona skierowana do przodu. Początkowo jest on spowalniany przez atmosferę, następnie przez spadochron hamujący, a po nim przez spadochron główny, który spowalnia statek do lądowania. Na wysokości jednego metra nad ziemią odpalane są silniki hamujące na paliwo stałe zamontowane za osłoną termiczną, co zapewnia miękkie lądowanie. Jednym z wymogów projektowych dla modułu zstępującego było to, aby miał on jak największą sprawność objętościową (objętość wewnętrzna podzielona przez powierzchnię kadłuba). Najlepszym do tego celu kształtem jest kula – tak jak w pionierskim module schodzącym statku kosmicznego Wostok – ale taki kształt nie może zapewnić żadnej siły nośnej, co skutkuje czysto balistycznym powrotem. Powrót balistyczny jest ciężki dla pasażerów ze względu na duże opóźnienie i nie można nim sterować poza początkowym spalaniem deorbitacyjnym. Dlatego też zdecydowano się na kształt „reflektora”, który jest używany w Sojuzie – półkulisty obszar przedni połączony przez ledwie pochyloną (siedem stopni) część stożkową z klasyczną osłoną cieplną o przekroju kulistym. Kształt ten pozwala na wytworzenie niewielkiej siły nośnej dzięki nierównomiernemu rozłożeniu masy. Nazwa została wymyślona w czasach, gdy prawie każdy reflektor był okrągły. Niewielkie wymiary modułu zstępującego spowodowały, że po śmierci załogi Sojuza 11 na pokładzie znajdowały się tylko dwuosobowe załogi. Późniejsze statki kosmiczne Sojuz T rozwiązały ten problem. Pojemność wewnętrzna Sojuza SA wynosi 4 m3 (140 cm3); 2,5 m3 (88 cm3) jest przeznaczone dla załogi (przestrzeń życiowa).

Moduł serwisowyEdit

Z tyłu pojazdu znajduje się Moduł serwisowy (rosyjski: прибо́рно-агрега́тный отсе́к, tr. pribórno-agregátny otsék). Posiada pojemnik ciśnieniowy w kształcie wybrzuszonej puszki (przedział oprzyrządowania, priborniy otsek), w którym znajdują się systemy kontroli temperatury, zasilania elektrycznego, łączności radiowej dalekiego zasięgu, radiotelemetrii oraz przyrządy do orientacji i kontroli. W nieciśnieniowej części modułu serwisowego (przedział napędowy, agregatniy otsek) znajduje się silnik główny oraz system napędowy zasilany cieczą, służący do manewrowania na orbicie i inicjowania zejścia na Ziemię. Statek posiada również system silników o małej sile ciągu do orientacji, umieszczony w przedziale pośrednim (perekhodnoi otsek). Na zewnątrz modułu serwisowego znajdują się czujniki systemu orientacji oraz bateria słoneczna, która jest zorientowana w kierunku Słońca poprzez obrót statku. Niepełne oddzielenie modułów serwisowego i powrotnego doprowadziło do sytuacji awaryjnych podczas misji Sojuz 5, Sojuz TMA-10 i Sojuz TMA-11, co spowodowało nieprawidłową orientację podczas powrotu (najpierw właz wejściowy dla załogi). Awaria kilku śrub wybuchowych nie przecięła połączenia między modułami serwisowym i powrotnym podczas dwóch ostatnich lotów.

Procedura wejścia w atmosferę powrotnąEdit

Sojuz wykorzystuje do deorbitacji metodę podobną do amerykańskiego modułu dowodzenia i serwisowego Apollo. Statek kosmiczny jest obracany silnikiem do przodu i główny silnik jest odpalany w celu deorbitacji po dalekiej stronie Ziemi przed planowanym miejscem lądowania. Wymaga to najmniej paliwa do ponownego wejścia na orbitę; statek kosmiczny podróżuje po eliptycznej orbicie transferowej Hohmanna do punktu interfejsu wejścia, gdzie opór atmosferyczny spowalnia go na tyle, że wypada z orbity.

Wcześniejsze statki kosmiczne Sojuz miałyby wtedy moduły serwisowy i orbitalny odłączane jednocześnie od modułu schodzącego. Ponieważ są one połączone przewodami rurowymi i elektrycznymi z modułem schodzącym, ułatwiłoby to ich oddzielenie i pozwoliło uniknąć zmiany orientacji przez moduł schodzący. Późniejsze statki kosmiczne Sojuz odłączały moduł orbitalny przed odpaleniem głównego silnika, co pozwalało zaoszczędzić paliwo. Od czasu problemu z lądowaniem Sojuza TM-5, moduł orbitalny jest ponownie odłączany dopiero po odpaleniu silnika powrotnego, co doprowadziło (ale nie spowodowało) do sytuacji awaryjnych Sojuzów TMA-10 i TMA-11. Moduł orbitalny nie może pozostać na orbicie jako dodatek do stacji kosmicznej, ponieważ właz śluzy powietrznej pomiędzy modułem orbitalnym a modułem powrotnym jest częścią modułu powrotnego, a zatem moduł orbitalny ulega dekompresji po oddzieleniu.

Wystrzelenie powrotne jest zwykle wykonywane po „świtowej” stronie Ziemi, tak aby statek kosmiczny był widoczny dla helikopterów ratowniczych podczas opadania w wieczornym zmierzchu, oświetlony przez Słońce, gdy znajduje się ponad cieniem Ziemi. Statek Sojuz jest zaprojektowany do lądowania na lądzie, zazwyczaj gdzieś na pustyniach Kazachstanu w Azji Środkowej. Jest to kontrast w stosunku do wczesnych załogowych statków kosmicznych Stanów Zjednoczonych, które lądowały w oceanie.

Systemy statku kosmicznegoEdit

Schemat Sojuza

Plan eksplodujący statku kosmicznego Sojuz MS.

• System kontroli termicznej – Sistema Obespecheniya Teplovogo Rezhima, SOTR
• System podtrzymywania życia – Kompleks Sistem Obespecheniya Zhiznedeyatelnosti, KSOZh
• System zasilania – Sistema Elektropitaniya, SEP
• Systemy łączności i śledzenia – system łączności radiowej Rassvet (Dawn), pokładowy system pomiarowy (SBI), sterowanie statkiem kosmicznym Kvant-V, system telewizyjny Klyost-M, śledzenie radiowe orbity (RKO)
• Pokładowy kompleksowy system sterowania – Sistema Upravleniya Bortovym Kompleksom, SUBK
• Kombinowany system napędowy – Kompleksnaya Dvigatelnaya Ustanovka, KDU
• System kontroli ruchu Chaika-3 (SUD)
• Urządzenia optyczne/wzrokowe (OVP) – VSK-4 (Vizir Spetsialniy Kosmicheskiy-4), noktowizor (VNUK-K, Visir Nochnogo Upravleniya po Kursu), światło dokowania, celownik pilota (VP-1, Vizir Pilota-1), dalmierz laserowy (LPR-1, Lazerniy Dalnomer-1)
• System renderowania Kurs
• System dokowania – Sistema Stykovki i Vnutrennego Perekhoda, SSVP
• Tryb sterowania teleoperatorem – Teleoperatorniy Rezhim Upravleniya, TORU
• System siłowników wejściowych – Sistema Ispolnitelnikh Organov Spuska, SIO-S
• Zestaw pomocy do lądowania – Kompleks Sredstv Prizemleniya, KSP
• Przenośny zestaw przetrwania – Nosimiy Avariyniy Zapas, NAZ, zawierający pistolet survivalowy TP-82 lub pistolet Makarowa
• System ucieczki po starcie Sojuza – Sistema Avariynogo Spaseniya, SAS