Системой управления корабля, получившей неофициальное название "Чайка", должен был заниматься главный конструктор Николай Алексеевич Пилюгин, но и он был чрезвычайно загружен работой по основному ракетному направлению. В результате Королев решил создавать такой комплекс силами ОКБ-1, возложив ответственность за это на своего заместителя Бориса Евсеевича Чертока. Конструирование системы ориентации, являющейся частью комплекса управления, возглавил Борис Викторович Раушенбах, которого Королев переманил в свою "фирму" вместе с коллективом.
Чтобы торможение корабля на орбите не обернулось ускорением, он должен быть правильно ориентирован в пространстве. Для этого на "Востоке" были реализованы две схемы ориентации. Автоматическая ориентация запускалась либо по команде с Земли, либо бортовым программно-временным устройством "Гранит" (в случае отказа устройства – пилотом). Для надежности она содержала два независимых контура управления: основной и резервный. Основной контур должен был обеспечить трехосную ориентацию с помощью инфракрасной вертикали. Она была придумана и создана в Центральном конструкторском бюро "Геофизика" для ориентации научных спутников. Прибор различал границу между "теплой" Землей по всей ее окружности и "холодным" космосом. Инфракрасная вертикаль считалась надежной, поскольку с успехом прошла натурные испытания на ракетах "Р-5А" в августе-сентябре 1958 года.
Резервная система ориентации, предложенная Раушенбахом, была куда проще. Известно, что корабль летит по направлению вращения Земли – с запада на восток. Соответственно, для торможения ему необходимо повернуться двигателем к Солнцу, которое является прекрасным ориентиром. Посему возникла идея разместить на корабле солнечный датчик из трех фотоэлементов (прибор "Гриф"). Главным недостатком такой системы по сравнении с основной было только то, что она не могла ориентировать корабль без Солнца, то есть в "тени" Земли.
Обе системы имели релейные блоки управления, которые выдавали команды на пневматические клапаны микродвигателей ориентации, работающих на сжатом азоте, Выбранное направление поддерживали три гироскопических датчика угловых скоростей, поэтому орбита корабля называлась на профессиональном жаргоне "гироскопической". Перед выдачей импульса торможения вся система проходила тест – если в течение минуты заданная ориентация строго выдерживалась, начинала работать "ТДУ-1". Сам процесс ориентации занимал несколько минут.
В случае отказа автоматики пилот мог перейти на ручное управление. Для него разработали необычную оптическую систему – в иллюминатор, расположенный под ногами, встраивался ориентатор "Взор", включающий два кольцевых зеркала-отражателя, светофильтр и стекло с сеткой. Солнечные лучи, идущие от линии горизонта, попадали на первый отражатель и далее через стекла иллюминатора проходили на второй отражатель, который направлял их на глаз космонавта. При правильной ориентации корабля космонавт периферийным зрением видел во "Взоре" изображение линии горизонта в виде концентрического кольца. Направление полета корабля определялось по "бегу" земной поверхности – при правильной ориентации она совпадала с курсовыми стрелками, нанесенными опять же на стекло иллюминатора.
Дублировалось и разделение отсеков корабля. На орбите они были стянуты металлическими лентами. Кроме того, через кабель-мачту осуществлялась связь между оборудованием кабины и приборного отсека. Эти соединения надо было оборвать, для чего использовались многочисленные и опять же задублированные пиротехнические устройства: внешние кабели перерубались пироножами, стяжные ленты и герморазъем кабель-мачты отстреливались пиропатронами. Управляющий сигнал на разделение выдавало программно-временное устройство после окончания работы тормозной установки. Если по каким-то причинам сигнал не проходил, на корабле имелись термодатчики, генерирующие тот же сигнал по повышению температуры окружающей среды при входе в атмосферу. Импульс разделения сообщал надежный пружинный толкатель, расположенный в центре переднего съемного днища приборного отсека.
Разумеется, все эти и другие системы корабля требовали испытаний в космосе, поэтому Сергей Королев решил начать с запуска более простого корабля-прототипа, фигурирующего в документах под индексом "1КП" ("Корабль Простейший").
Трудное время
Космический корабль-спутник "1КП" довольно заметно отличался от конечного варианта "Востока". На нем не было теплозащиты, систем жизнеобеспечения и средств катапультирования. Зато на нем установили блок солнечных батарей и новую коротковолновую радиостанцию "Сигнал", созданную для оперативной передачи части телеметрической информации и надежной пеленгации корабля. Чтобы компенсировать недостающий вес (и инерцию), на корабль заложили тонну железных брусков. После этого масса "1КП" стала соответствовать проектной – 4540 кг.
15 мая 1960 года с полигона Тюра-Там стартовала ракета-носитель "Р-7А" с лунным блоком "Е". Она успешно вывела "1КП" на орбиту с высотой 312 км в перигее и 369 км в апогее. Аппарат получил официальное название "Первый космический корабль-спутник". Через четыре дня по сигналу с Земли была дана команда на включение "ТДУ-1". Однако подвела система ориентации, основанная на инфракрасной вертикали. Вместо того чтобы затормозить, корабль разогнался и поднялся на более высокую орбиту (307 км в перигее и 690 км в апогее). Он оставался там до 1965 года. Если бы на борту находился пилот, его гибель была бы неизбежна.
Сергея Павловича Королева совсем не расстроила эта неудача. Он был уверен, что в следующий раз свести корабль в правильном направлении обязательно получится. Главное – сработала "ТДУ-1", а переход на более высокую орбиту является ценным экспериментом сам по себе, хорошо продемонстрировав возможности ориентируемых космических аппаратов.
Постановлением правительства устанавливались сроки запусков кораблей. В мае 1960 года на орбиту должны были отправиться два корабля "1КП"; до августа 1960 года – три корабля "1К", создаваемых для отработки основных систем корабля и аппаратуры фоторазведчика; в период с сентября по декабрь 1960 года – два корабля "3К" с полноценной системой жизнеобеспечения: на таком предстояло лететь первому космонавту).
Времени, как водится, было в обрез. Поэтому конструкторы решили не повторять запуск "1КП", а сразу готовить "1К". Новый корабль отличался от "простейшего" прежде всего наличием теплозащиты и катапультируемого контейнера с подопытными животными, который являлся одним из вариантов контейнера для будущих полетов человека. В контейнере разместили кабину для животных с лотком, автоматом кормления, ассенизационным устройством и системой вентиляции, катапультные и пиротехнические средства, радиопередатчики для пеленгации контейнера, телекамеры с системой подсветки и зеркал.
Поскольку на этот раз спускаемый аппарат должен был вернуться на Землю, его снабдили парашютной системой. Спускаемый аппарат выпускал свой парашют по сигналу барометрических датчиков на высоте порядка 10 км, а после снижения до высоты 7–8 км отстреливалась крышка люка и катапультировался контейнер с животными.
Наконец все было готово, и 28 июля 1960 года на полигоне Тюра-Там стартовала ракета "Р-7А". Под ее головным обтекателем находился корабль "1К" № 1 с собаками Лисичкой и Чайкой на борту. И вновь ракета показала свой непростой характер. На 24-й секунде полета из-за возникших высокочастотных колебаний взорвалась камера сгорания блока "Г". Еще через десять секунд пакет развалился, упав на территории полигона. Спускаемый аппарат разбился при ударе о землю, собаки погибли. Подлинную причину колебаний так и не выяснили, списав на отступление от технологических норм. Королев тяжело переживал эту катастрофу – рыжая Лисичка была его любимицей.
Страшная гибель собак подстегнула конструкторов к созданию надежной системы аварийного спасения на этапе выведения. В этой разработке принял участие сам главный конструктор, весьма озабоченный большим количеством отказов ракет на первых минутах полета. Система аварийного спасения работала следующим образом. Если сбой происходит до 40-й секунды полета, то по сигналу, подаваемому из бункера, катапультируется контейнер с космонавтом. Если ракета начинает вести себя ненормально в промежутке с 40-й по 150-ю секунду полета, ее двигатели отключаются и при падении ракеты до 7 км осуществляется катапультирование по штатной схеме. Если что-то не заладится с 150-й по 700-ю секунду, опять же вырубаются двигатели и отделяется уже весь спускаемый аппарат. При неисправности блока "Е", которая может произойти в промежуток с 700-й по 730-ю секунды полета, выключается его собственный двигатель, но при этом отделяется весь корабль. Однако задача спасения на первых 15–20 секундах полета не имела удовлетворительного решения. Все, что можно было сделать – это развесить металлические сети в районе предполагаемого падения космонавта после его катапультирования, ведь парашют в этом случае просто не успел бы раскрыться. Но даже если космонавт останется цел, до него могло добраться пламя пожара.
Сергея Королева беспокоило, что пилота нельзя спасти на этих роковых секундах, но поскольку затягивать работы над кораблем было невозможно, главный конструктор решил, что в данной ситуации пилотируемый запуск следует производить только после двух удачных полетов полностью собранного беспилотного корабля.
К следующему запуску готовились с особой тщательностью. 16 августа состоялся вывоз ракеты на старт с расчетом пустить ее на следующий день. Неожиданно на носителе забраковали главный кислородный клапан, и пришлось задержать пуск, пока не привезли новый специальным рейсом из Куйбышева. Больше всех по этому поводу переживали медики. Они уверяли, что подопытные собаки от непривычной обстановки стартовой позиции "сойдут с ума" раньше, чем доберутся до космоса. Но животные стоически перенесли задержку.
19 августа 1960 года с полигона Тюра-Там успешно стартовала ракета-носитель "Р-7А". Она вывела на орбиту высотой 306 км в перигее и 339 км в апогее беспилотный корабль "1К" № 2 массой 4600 кг, получивший официальное название "Второй космический корабль-спутник". На его борту находились собаки Белка и Стрелка.
Обе собаки были небольшими и светлой масти. Белка весила четыре с половиной килограмма, Стрелка – на килограмм больше. Как и у Лайки, у новых собак-космонавтов регистрировались артериальное давление, электрокардиограмма, тоны сердца, частота дыхания, температура тела и двигательная активность. На орбите они были не одни: в отдельном герметичном контейнере, расположенном в той же катапультируемой установке, находились две белые крысы и двенадцать белых и черных мышей, насекомые, растения и грибы. Вне катапультируемого контейнера помещались еще двадцать восемь мышей и две крысы. Кроме того, в спускаемом аппарате разместили пакеты с семенами различных сортов кукурузы, пшеницы и гороха, чтобы проверить воздействие космического полета на их урожайность.
Наблюдения за животными велись с помощью системы "Селигер" с двумя телекамерами, снимавшими собак анфас и в профиль. На Земле изображение фиксировалось на кинопленку. Благодаря этой съемке, а также расшифровке медицинских параметров выяснилось, что на четвертом и шестом витках Белка вела себя крайне неспокойно, билась, старалась освободиться от привязных ремней, громко лаяла. Потом ее вырвало. Позднее этот факт повлиял на выбор длительности первого полета человека – один виток.
Перед спуском с орбиты вновь отказала основная система ориентации, построенная на инфракрасной вертикали. Сергей Королев был в бешенстве, но его успокоили, объяснив, что это хороший шанс испытать резервную систему, ориентирующуюся по Солнцу. 20 августа наземный измерительный пункт выдал команду на запуск программно-временного устройства "Гранит", обеспечивающего последовательность операций спуска. Сработала "ТДУ-1", спускаемый аппарат отделился от приборного отсека, вошел в атмосферу и приземлился в треугольнике Орск – Кустанай – Амангельды с отклонением всего лишь на 10 км от расчетной точки. Он пробыл в космосе больше суток, совершив семнадцать витков вокруг Земли.
В отличие от предыдущих собак, клички которых и факт гибели надолго засекретили, Белка и Стрелка стали знаменитыми. Во многих советских школах после возвращения корабля проводились специальные уроки хорошего отношения к дворнягам. Рассказывают, что на Птичьем рынке в Москве резко увеличился спрос на беспородных щенков.
Собаки быстро реабилитировались после полета. Позднее Стрелка дважды приносила здоровое потомство – шесть щенков. Каждый из них был на учете, и за него персонально отвечали. В августе 1961 года Никита Сергеевич Хрущев отправил щенка по кличке Пушок в подарок Жаклин Кеннеди, жене президента США.
А злополучную систему инфракрасной вертикали, которая подвела во второй раз, решили с будущих кораблей снять. Основной стала система солнечной ориентации – на нее же вывели два контура управления микродвигателями, оставив третий за пилотом.
Вдохновленные успешным полетом Белки и Стрелки, ракетчики назначили запуск пилотируемого корабля на декабрь 1960 года. В правительстве их поддержали. Однако за первым серьезным успехом последовала длинная череда неудач и даже трагедий.
В сентябре 1960 года образовалось так называемое "астрономическое окно", подходящее для запуска аппаратов к Марсу. Сергей Королев и здесь собирался захватить приоритет, отправив к красной планете автоматическую станцию и сфотографировав вблизи ее загадочные "каналы". Для этой станции профессор Александр Игнатьевич Лебединский из МГУ подготовил блок оборудования, призванный определить, есть ли жизнь на Марсе. Королев предложил предварительно проверить этот блок в казахстанской степи. К восторгу ракетчиков, прибор показал, что на Тюра-Таме жизни нет. В результате оборудование Лебединского оставили на Земле.
Станцию "1М" массой 500 кг собирались пускать с помощью новой модификации ракеты – четырехступенчатой "Р-7А", снабженной разгонным блоками "И" и "Л". Позднее ракета получила красивое название "Молния".
Из-за задержек с подготовкой космического аппарата и ракеты старт все время откладывался. В конце концов, когда надежды на то, что станция пройдет вблизи красной планеты, уже не оставалось, запуск состоялся. 10 октября 1960 года ракета-носитель "Молния" с аппаратом "1М" № 1 ушла со старта. Однако тут же потерпела аварию. Причину установили довольно быстро. Еще на участке работы блока "А" (второй ступени) начали нарастать резонансные колебания в блоке "И" (третьей ступени). В результате сильнейшей вибрации произошло нарушение командной цепи по каналу тангажа, и ракета начала отклоняться от траектории. Двигатель блока "И" включился, но проработал всего 13 секунд до отказа системы управления на 301-й секунде полета. Верхние ступени вместе с автоматической станцией разрушились при входе в плотные слои атмосферы над Восточной Сибирью; остатки ракеты упали в 320 км северо-западнее Новосибирска.
Лихорадочно подготовили запуск ракеты с автоматической станцией "1М" № 2. Он состоялся 14 октября. И опять – авария. На этот раз нарушилась герметичность системы подачи жидкого кислорода. Керосиновый клапан блока "И", облитый жидким кислородом, замерз, и двигатель не смог включиться. Третья ступень и станция сгорели в атмосфере. Обломки ракеты упали в Новосибирской области.
Марс остался недоступен. Удрученные ракетчики вернулись в Москву, и тут их нагнало страшное известие – 24 октября 1960 года на полигоне Тюра-Там случилась катастрофа.
В тот день на 41-й стартовой площадке готовили к запуску боевую межконтинентальную ракету "Р-16" конструкции Михаила Кузьмича Янгеля. После ее заправки была обнаружена неисправность в автоматике двигателя. Техника безопасности требовала в такой ситуации слить топливо и лишь после этого устранять неполадки. Но тогда наверняка сорвался бы график запуска, пришлось бы отчитываться перед правительством. Главнокомандующий ракетными войсками маршал Митрофан Иванович Неделин принял роковое решение устранить неполадку прямо на заправленной ракете. Ее облепили десятки специалистов, поднимаясь на нужный уровень по фермам обслуживания. Сам Неделин лично наблюдал за ходом работ, сидя на табурете в двадцати метрах от ракеты. Его, как обычно, окружала свита, состоявшая из руководителей министерств, главных конструкторов различных систем. Когда была объявлена тридцатиминутная готовность, подали питание на программное устройство. При этом случился сбой и прошла незапланированная команда на включение двигателей второй ступени. С высоты нескольких десятков метров ударила струя раскаленных газов. Многие, в том числе и маршал, погибли сразу, даже не успев понять, что произошло. Другие пытались бежать, срывая с себя горящую одежду. Но их удержал забор из колючей проволоки, ограждавший со всех сторон стартовую установку. Люди попросту испарялись в адском пламени – от них оставались лишь очертания фигур на выжженной земле, связки ключей, монеты, пряжки ремней. Маршала Неделина впоследствии опознали по сохранившейся "Звезде Героя". Всего в той катастрофе погибли 92 человека. Более 50 человек получили ранения и ожоги. Конструктор Михаил Янгель уцелел благодаря случайности – отошел перекурить как раз перед взрывом.
Хотя все вышеперечисленные аварии не имели прямого отношения к программе "Восток", они косвенно повлияли на нее. Траурные мероприятия, расследование причин катастрофы и ликвидация ее последствий заняли много времени. Лишь в начале декабря команда Королева смогла приступить к запускам космических кораблей.
Возобновление испытаний обернулось новыми проблемами. 1 декабря 1960 года ракета "Р-7А" вывела на орбиту корабль "1К" № 5 ("Третий космический корабль-спутник") с собаками Пчелкой и Мушкой на борту. Параметры орбиты выбирались баллистиками с тем расчетом, чтобы в случае отказа "ТДУ-1" корабль сошел с нее самостоятельно. Перигей составил 180 км, апогей – 249 км. О том, что в корабле-спутнике находятся собаки, было объявлено открыто, поэтому весь мир с большим интересом следил за космическим путешествием дворняг.
В суточном полете корабль вел себя нормально, но во время спуска был внезапно уничтожен системой аварийного подрыва объекта. В ходе расследования причин гибели корабля выяснилось следующее. Систему подрыва установили по требованию военных – она предназначалась для фоторазведчиков "Зенит-2" ("2К") и была нужна для того, чтобы секретное оборудование и пленки с заснятыми объектами не попали в руки "потенциального противника". В случае если траектория спуска окажется слишком пологой и возникнет вероятность приземления на территорию другого государства, система срабатывает и уничтожает космический аппарат.
К этому печальному варианту корабль подтолкнула мелкая неисправность в тормозной двигательной установке. Дело в том, что "ТДУ-1" работает 44 секунды. Все это время она должна быть строго ориентирована в пространстве по вектору орбитальной скорости, иначе корабль просто закувыркается. Конструктор тормозной установки Алексей Исаев нашел изящное решение – стабилизировать ее за счет газов, истекающих из газогенератора, подавая их в набор рулевых сопел, которые устанавливались вокруг главного сопла "ТДУ-1". Похоже, одно из рулевых сопел было повреждено. Из-за этого корабль сошел с расчетной траектории, после чего и сработала система подрыва.