Служебный модуль корабля «Аполлон»

Служебный модуль (англ. Service Module, SM) — составная часть орбитального корабля «Аполлон», в которой находятся служебные системы корабля, включая маршевую двигательную установку и двигатели системы управления, топливо к ним (составляет около 75 % массы модуля), электроэнергетическая установка на кислородно-водородных топливных элементах, часть системы связи. Модуль обеспечивает все маневры корабля на траектории полета к Луне, коррекцию траектории, выход на орбиту искусственного спутника Луны, переход с лунной орбиты на траекторию полета к Земле и коррекцию траектории возвращения, его энергоустановка снабжает экипаж электроэнергией и питьевой водой, из установленных в нем баллонов получает кислород система жизнеобеспечения корабля. В экспедициях «Аполлона-15, -16 и -17» в служебном модуле размещался также комплект научных приборов SIM для исследований на окололунной орбите. В экспедиции «Аполлона-13» взрыв одного из кислородных баллонов в этом модуле привел к отмене высадки на Луну и аварийному возвращению на землю.

Модуль имеет форму цилиндра длиной и диаметром около 4 метров. На него приходится около 2/3 длины и более половины массы корабля. От момента старта до входа в атмосферу модуль жестко соединен с командным модулем. Перед входом в атмосферу служебный модуль отделяется и сгорает в атмосфере.

Основные данные

Производитель: North American Rockwell
 
Длина (с соплом): 7,92 м
Длина (без сопла): 3,94 м
Диаметр: 3,91 м
 
Полная масса: около 24,5 тонн1
Сухая масса: около 6,1 т2
Масса топлива: около 18,4 т3
 
Двигатели:
Маршевая установка: 1 двигатель вытеснительной схемы тягой 9,3 тс, удельный импульс около 314 с. Установлен на кардановом подвесе
Система управления: 16 двигателей (в 4 блоках), тяга по 45,5 кгс, удельный импульс ок. 240 с
Топливо: горючее — аэрозин-50 (смесь 50/50 гидразина и несимметричного диметилгидразина), окислитель — четырехокись азота (N2O4)
 
Электросистема: 3 топливных элемента по 1,4 кВт каждый, напряжение 30 В; аккумуляторы

[1, 2, 3, 4]

Конструкция

Модуль имеет достаточно простую структуру, он состоит из центрального отсека (или туннеля) и шести пронумерованных цилиндрических отсеков (так называемых секторов) вокруг него. Основными конструктивными элементами являются передняя и задняя (или верхняя и нижняя) переборки, шесть расположенных по радиусу продольных балок, четыре сотовых панели, разделяющих сектора, четыре сотовых панели под двигателями системы управления, заднего теплоупорного щита и обтекателя. Продольные балки изготовлены из алюминиевого сплава механической и химической фрезеровкой, их толщина меняется от 5,1 см до 4,6 мм. Передняя и задняя переборки закрывают верхнюю и нижнюю часть модуля. Передние части продольных балок простираются дальше передней переборки и удерживают командный модуль. Три переборки имеют деформируемые проставки, другие три — деформируемые при сдвиге проставки и натяжные элементы. Для разделения модулей используются пирозаряды, расположенные по центру этих элементов.

Задний теплоупорный щит окружает маршевый двигатель модуля и защищает его от тепла, вырабатываемого двигателем во время работы. Промежуток между командным модулем и передней перегородкой служебного модуля закрыт обтекателем толщиной 1,3 см и высотой 55,9 см. Обтекатель состоит из 16 частей, представляющих собой чередующиеся восемь радиаторов электросистемы и восемь алюминиевых сотовых панелей.

Диаметр круглой центральной секции 111,8 см. Доступ к оборудованию в каждом секторе обеспечивается дверцами для обслуживания, расположенными по окружности внешней части модулей. Эти дверцы предназначены для установки оборудования и для проверок, во время космического полета они не используются.

Панели секторов и блоков системы управления имеют толщину 2,5 см. Они изготовлены из алюминиевой сотовой сердцевины, покрытой алюминиевыми листами с обоих сторон. Панели секторов прикреплены болтами к продольным балкам. К панелям на противоположных сторонах модуля крепятся радиаторы, рассеивающие тепло, которое выделяет система жизнеобеспечения; площадь радиаторов около 2,8 кв. м.

Сектора

Шесть периферийных секторов модуля по размеру разделены на 3 группы, так что имеется по паре секторов одинакового рамера. Угол 360 градусов вокруг центрального туннеля разделен на два 50-градусных угла, занятых секторами №№ 1 и 4, два 60-градусных угла, занятых секторами №№ 3 и 6, и два 70-градусных угла, занятых секторами №№ 2 и 5.

Сектор № 1

В секторе № 1 обычно располагался балласт, уравновешивающий модуль. В экспедициях «Аполлона-15, -16 и -17» в служебном модуле размещался комплект научных приборов SIM для исследований на окололунной орбите. Он включал панорамную и картирующую камеры, гамма-спектрометр, лазерный альтиметр, масс-спектрометр и небольшой спутник Луны, который отстреливался на орбите. Во время возвращения от Луны пилот командного модуля выходил в открытый космос, чтобы забрать из этого отсека отснятую пленку и отнести ее в командный модуль.

Сектор № 2

Cектор № 2, занимающий угол 70 градусов вокруг центрального туннеля, содержит на внешней поверхности часть радиатора и один из блоков двигателей системы управления. Внутри сектора находится промежуточный бак окислителя, магистрали и баки двигателей системы управления. Промежуточный бак окислителя — больший из двух баков, снабжающих четырехокисью азота маршевый двигатель. Высота цилиндрического титанового бака составляет около 3,91 м, его диаметр — около 1,30 м. В баке содержится около 6300 кг окислителя. Окислитель подается к двигателю именно из этого бака, он соединен магистралями с двигателем и со вторым баком окислителя.

Сектор № 3

Cектор № 3, занимающий угол 60 градусов вокруг центрального туннеля, содержит на внешней поверхности вторую часть радиатора и еще один блок двигателей системы управления. Внутри него расположен второй бак окислителя и магистрали. Второй бак окислителя похож на промежуточный бак, но он меньше размером. Его высота почти такая же, как у промежуточного бака (около 3,92 метров), но диаметр меньше — около 1,14 м. В баке содержится около 5100 кг четырехокиси азота. Окислитель из этого бака поступает по магистралям к промежуточному баку в секторе № 2.

Сектор № 4

Cектор № 4 — один из 50-градусных секторов, он содержит большую часть электросистемы модуля, в том числе три топливных элемента, два бака с криогенным кислородом и два бака с криогенным водородом, и электрораспределительную коробку. Здесь же расположен приборный щит гелиевой системы.

Три топливных элемента размещены на креплениях в верхней трети сектора. Длина каждого из элементов — около 112 см, диаметр - около 56 см. Большая доля электроэнергии и некоторая доля питьевой воды корабля обеспечивается этими элементами.

Криогенные (находящиеся при сверхнизкой температуре) баки содержат кислород для системы для жизнеобеспечения, а также кислород и водород для топливных элементов. Баки имеют сферическую форму. Кислородные баки смонтированы вплотную друг к другу по центру сектора, водородные баки расположены один над другим под кислородными баками. Кислородные баки изготовлены из инконеля (никелево-железного сплава), их диаметр несколько больше 66 см, каждый из баков содержит около 148 кг кислорода в надкритическом состоянии. Рабочая температура баков — от -184 ºC до 62 ºC. Температура кислорода должна поддерживаться на уровне -183 ºC, чтобы он оставался жидким. Водородные баки изготовлены из титана, их диаметр около 81 см. В каждом баке содержится более 13 кг водорода (из-за чрезвычайно низкой плотности водорода его баки имеют больший размер, хотя масса водорода в них значительно меньше). Водород также находится в надкритическом состоянии, рабочие температуры его баков — от -254 ºC до 62 ºC. Температура водорода должна поддерживаться на уровне -254 ºC, чтобы он оставался жидким.

Электрораспределительная коробка функционирует совместно с топливными элементами, контролируя выработку и распределение электроэнергии.

Сектор № 5

Сектор № 5 — второй из 70-градусных секторов. На его внешней поверхности находится часть радиатора для системы терморегулирования и блок двигателей системы управления. Внутри сектора располагается промежуточный бак горючего.

Промежуточный бак горючего занимает большую часть внутреннго объема сектора. Цилиндрический бак сделан из титана, его размер совпадает с размером промежуточного бака окислителя: высота около 3,91 метров, диаметр около 1,30 метров. В баке помещается около 3950 килограммов горючего (смесь 50 % гидразина и 50 % несимметричного диметилгидразина) для маршевого двигателя. Горючее подается к двигателю именно из этого бака, он соединен магистралями с двигателем и со вторым баком горючего.

Сектор № 6

На поверхности сектора № 6 находится вторая часть радиатора и блок двигателей системы ориентации, внутри него расположен второй бак горючего. Второй бак горючего по размерам совпадает со вторым баком окислителя: он около 3,92 метров в высоту и около 1,14 метров в диаметре. В баке помещается около 3200 кг горючего. Горючее из этого бака поступает по магистралям к промежуточному баку в секторе № 5.

Размеры промежуточных и вторых баков горючего и окислителя попарно совпадают. Разница в массе компонентов, которые они содержат, проистекает из того, что плотность окислителя на 5 % выше, чем плотность горючего.

Центральный сектор

В центральном секторе, или туннеле, находятся два гелиевых бака и маршевый двигатель.

Гелиевые баки имеют форму сфер диаметром около 1,02 метра. Они располагаются один поверх другого в верхней части центрального сектора. Каждый бак содержит около 555 литов газообразного гелия под давлением около 24,8 МПа. Газ используется в двигательной подсистеме для наддува баков окислителя и горючего. Компоненты топлива под воздействием давления наддува перетекают из одного бака в другой и далее по магистралям к маршевому двигателю.

Маршевый двигатель находится в нижней половине центрального сектора, при этом юбка его сопла выдвинута за пределы задней переборки модуля более чем на 2,7 метра. Длина двигателя (включая юбку сопла) составляет около 3,9 метра, его масса — около 295 килограммов. Двигатель используется для торможения корабля при его выведении на окололунную орбиту, для разгона корабля при возвращении к Земле с окололунной орбиты, и для промежуточных коррекций траектории на пути к Луне и обратно.

Внешняя поверхность

На внешней поверхности служебного модуля расположены радиаторы для подсистем терморегулирования и электроснабжения, служебные двигатели, антенны, кабели связи и сигнальные лампы.

Радиаторы подсистемы терморегулирования имеют больший размер и расположены один напротив другого в нижней части модуля. Один радиатор представляет собой панель, которая накрывает сектора №№ 2 и 3, другой накрывает сектора№№ 5 и 6. Радиаторы, площадь каждого из которых равна примерно 2,8 квадратных метров, состоят из пяти параллельных первичных труб и четырех вторичных труб, смонтированных горизонтально, и смонтированного вертикально ряда труб. Хладагент, представляющий смесь воды и гликоля, протекает по этим трубам, при этом в космос излучается тепло, которое хладагент переносит от кабины командного модуля и от работающего электрооборудования.

Радиаторы системы электрообеспечения расположены на обтекателе в передней части служебного модуля. Каждая из восьми панелей (которые чередуются с восемью сотовыми алюминиевыми панелями) состоят из трех труб, которые излучают в космос избыток тепла, выделяемого топливными элементами. Для каждого элемента используется отдельный излучающий контур; таким образом, одна из труб на каждой из панелей соединена с соответствующим топливным элементом.

Двигатели системы управления скомпонованы в четыре блока, размещенные в верхней части служебного модуля с промежутками по 90 градусов. Устройство блоков таково, что двигатели находятся на внешней стороне панелей, а все остальные компоненты — внутри. Два двигателя в каждом блоке ориентированы вверх и вниз, два — вбок в противоположных направлениях. Компоненты блоков внутри секторов включают в себя два бака окислителя и два бака горючего, бак гелия, а также клапаны, регуляторы и магистрали. Длина каждого из блоков — около 2,4 метров, ширина — около 0,9 метра.

Снаружи на задней переборке модуля расположена узконаправленная антенна диапазона S. На противоположных сторонах модуля вблизи его верха расположены две всенаправленные антенны VHF. На обтекателе расположена антенна транспондера стыковочного радара. Узконаправленная антенна диапазона S, используемая для связи в дальнем космосе, состоит из четырех рефлекторов диаметром около 79 см, окружающих квадратный рефлектор со стороной 30 см. Во время пуска она сложена вдоль сопла маршевого двигателя и находится внутри адаптера лунного модуля. После отделения корабля от адаптера антенна раскрывается, занимая нужный угол относительно служебного модуля. Всенаправленные антенны, имеющие саблевидную форму, изготовлены из нержавеющей стали, их длина около 34 сантиметров, а толщина около четверти миллиметра.

Кабели связи представляют собой расположенные внутри обтекателя магистрали и электрические кабели, связывающих служебный модуль с командным модулем, а также наружных кабели, соединенные с башней обслуживания. Через последние подаются кислород и азот для наддува кабины, хладагент (смесь воды с гликолем), электричество от наземного источника, и газ для продува.

На алюминиевых панелях обтекателя расположены семь сигнальных ламп. Четыре (одна красная, одна зеленая и две желтых) служат для помощи во время стыковки, указывая стороны модуля; один используется в качестве прожектора для освещения при выходах в открытый космос, один — проблесковый маяк, используемый во время сближений, и один — прожектор, который используется при сближении на дистанциях от 150 метров вплоть до стыковки с лунным модулем.

Отделение служебного модуля от командного

Отделение служебного модуля от командного модуля происходит при возвращении от Луны незадолго до входа в атмосферу. Последовательность событий при отделении управляется автоматически двумя дублированными контроллерами отстрела служебного модуля, которые расположены на его передней переборке.

Для нормального разделения действия должны осуществляться быстро одно за другим. В их числе: разрыв всех связей между модулями, передача электрического управления, а также запуск двигателей системы управления модуля, чтобы увеличить расстояние между разделившимися модулями.

Перед разделением экипаж командного модуля передает электрическое управление системе управления командного модуля (для изменения ориентации в течение всего полет вплоть до входа в атмосферу используется система управления служебного модуля). После передачи управления астронавты могут произвести наддув системы управления командного модуля и проверить ее перед началом маневров по входу в атмосферу.

Затем электрическое управление возвращается подсистеме служебного модуля. Команда на разделение подается вручную одним из двух дублированных переключателей на главном пульте. Эти переключатели подают сигналы контроллерам отстрела служебного модуля. Сначала эти контроллеры посылают сигнал на пиротехнические устройства, разрывающие электрические цепи между модулями. При этом прекращается течение электротока в проводах внутри кабеля, соединяющего модули.

Через десятую долю секунды после обесточивания проводов по сигналу контроллеров срабатывают пиротехнические устройства, разрывающие физические связи между модулями. В число этих физические связей входят три натяжных элемента и соединительный кабель. Натяжные элементы представляют собой скобы, удерживающие командный модуль на трех опорных площадках служебного модуля. Линейные заряды в каждом натяжном элементе рассекают их, и модули разделяются. Одновременно с этим пирозаряды приводят в действие гильотинки, пересекающие магистрали и провода соединительного кабеля.

Одновременно с выдачей сигналов на пиротехнические устройства контроллеры посылают сигналы, по которым запускаются двигатели системы управления служебного модуля. Двигатели крена включаются на 5 секунд, отклоняя курс служебного модуля от курса командного модуля, а другие двигатели, отдаляющие служебный модуль от командного, работают до исчерпания топлива или до исчерпания электроэнергии в топливных элементах. Эти маневры уводят служебный модуль на достаточно большое расстояние от траектории входа в атмосферу командного модуля.

Вскоре после разделения служебный модуль входит в атмосферу и сгорает.

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License