Tàu vũ trụ Soyuz

Lịch sử

Tại Liên Xô vào cuối thập niên 50, các thiết kế của tàu vũ trụ có người lái đều được thực hiện bởi các kỹ sư tại cục thiết kế của Sergei Korolev. Korolev đã thiết kế tàu Vostok (Phương Đông) giúp Liên Xô đưa được người đầu tiên vào vũ trụ. Các nghiên cứu về các chuyến bay tiếp theo của Vostok để đưa người bay xung quanh Mặt Trăng bắt đầu vào năm 1959 dưới sự chỉ đạo của Tikhonravov. Lúc đó người ta thấy những chuyến bay như vậy cần sử dụng các thiết bị phóng dựa trên loại tên lửa đạn đạo R-7 của Korolev. Do loại tên lửa này không thể mang hơn 6 tấn tải trọng lên quỹ đạo, một tàu vũ trụ để bay quanh Mặt Trăng như vậy phải được lắp ghép trên quỹ đạo của Trái Đất qua các lần phóng tên lửa R-7. Như vậy, cần hoàn thiện kỹ thuật tiếp cận, kết nối và tiếp nhiên liệu giữa các tầng tên lửa trên quỹ đạo. Trong những năm 1960 – 1961, các nghiên cứu này, được đặt tên là "L1", được mở rộng bao gồm việc tiếp cận, kết nối của một vài tầng, và việc sử dụng tay máy để lắp ráp các tầng này.
Cùng lúc đó một bộ phận khác trong cục thiết kế của Korolev đang nghiên cứu về cấu hình của một phương tiện trở về Trái Đất cho các chuyến bay tiếp theo của Vostok. Phụ trách vấn đề này là bộ phận 11, và các ý tưởng thì không thiếu. Năm 1959, thiết kế trưởng Tsybin cùng với Solovyev của bộ phận 9 đưa ra thiết kế tàu vũ trụ có cánh với tỷ số hypersonic lift-to-drag trên 1.0. Prugnikov của bộ phận 8 và Feoktistov của bộ phận 9 đề nghị sự phát triển một khoang đạn đạo gồm các dạng khác nhau của các "hình cầu bị chia đoạn". Korolev đã đề nghị viện khí động lực học/thủy động lực học trung ương liên bang (TsAGI) nghiên cứu mọi cấu hình khả thi. Trong một bức thư A I Makarevskiy gởi cho Korolev vào ngày 9 tháng 9 năm 1959, TsAGI đưa ra sơ đồ nghiên cứu của họ. Công việc được hứa hẹn sẽ hoàn thành vào cuối năm 1959. Để khai thác cơ sở dữ liệu này, Reshetin đã triển khai một nhóm đề án thực hiện việc nghiên cứu một cách thỏa hiệp giữa các cấu hình khác nhau vào đầu năm 1960. Nó được nâng lên thành một bộ phận đề án dưới sự lãnh đạo của Timchenko vào năm 1961.
Các nghiên cứu năm 1960 xem xét các dạng cấu hình khác nhau như khoang đạn đạo, phối hợp thêm cánh của các tàu bay thông thường, và các dạng lai tạo không có đuôi. Mỗi cấu hình này có một nghiên cứu hoàn thiện về mặt lý thuyết trên các mặt khí động lực học, quỹ đạo bay, khối lượng, yêu cầu bảo vệ về nhiệt và những cái khác. Cuối năm 1960 người ta thấy rằng các thiết kế sử dụng cánh là quá nặng để có thể phóng bởi R-7 và trong một vài trường hợp gây ra khó khăn trong việc bảo vệ nhiệt khi trở về bầu khí quyển, những điều này nằm ngoài khả năng công nghệ lúc đó. Các nghiên cứu này thuộc loại phức tạp nhất từng được thực hiện, và Korolev đã nhận được sự hỗ trợ của các nhà khí động lực học tài năng nhất Liên Xô. Nổi bật là Likhushin tại NII-1, và những người bỏ đi khi Chelomei tiếp quản cục của họ, Myasishchyev tại TsAGI, và Tsybin tại TII-88. Năm 1962, hình dáng "đèn pha ôtô" được lựa chọn: phần đầu bán cầu nối với một hình nón cụt với góc nghiêng nhỏ (7 độ).
Bộ phận 11 đã hình thành ý tưởng hệ thống các module để giảm khối lượng khi trở về Trái Đất vào năm 1960. Thiết kế đề nghị của bộ phận 9 có 2 module giống như Apollo. Các nghiên cứu liên tục các năm 1961 – 1962 đưa tới kết luận là Soyuz nên gồm 4 phần. Từ trước tới sau gồm module sinh sống, module tiếp đất, module thiết bị - sự đẩy và một module phía sau có thể tách rời ra chứa các thiết bị điện tử phục vụ việc tiếp cận trong trên quỹ đạo của Trái Đất (nó sẽ được tách ra sau khi hoàn thành sự ghép nối cuối cùng trước khi chuyển sang quỹ đạo của Mặt Trăng. Tới thập niên 90, nhiều nhà chuyên môn của phương Tây vẫn xác định nhầm bộ phận có trong những mô hình ban đầu của Soyuz này là một thùng nhiên liệu).
Cấu hình này được lựa chọn sau những sự lo lắng đáng kể của các kỹ sư. Để kéo khoang tàu khỏi tên lửa trong trường hợp khẩn cấp, việc đặt khoang ở đầu của tàu là lý tưởng. Nhưng với khái niệm module sinh sống, cần có một cửa đi qua lớp bảo vệ nhiệt để nối 2 khu vực sinh hoạt với nhau. Các kỹ sư của Korolev không thể chấp nhận được ý tưởng xâm phạm sự nguyên vẹn của lớp bảo vệ vỏ tàu. Sau đó họ tham gia vào một cuộc chiến quyết liệt với các cục thiết kế khác khi các thiết kế của đối thủ - Soyuz VI của Kozlov và TKS của Chelomei cũng sử dụng các cửa này.
Đã có những ý kiến là thiết kế Soyuz của Korolev dựa trên thiết kế Apollo của General Electric. Tuy nhiên các nghiên cứu về niên đại của 2 đề án này chỉ ra là các công việc phát triển đầu tiên đã được thực hiện hầu như đồng thời. Độc lập với General Electric, Korolev đã đi đến mô hình tàu vũ trụ gồm nhiều phần và khái niệm khoang tàu. Tuy nhiên có nhiều thời gian để kết hợp các đặc điểm thiết kế của General Electric vào trong thiết kế của Soyuz trước khi nó được hoàn thành.
Ngày 7 tháng 5 năm 1963 Korolev đã ký vào bản đề án dự thảo cuối cùng của Soyuz. Về cơ bản nó gồm một tàu có người lái bay xung quanh Mặt Trăng Soyuz A (7K). Nó sẽ được đẩy xung quanh Mặt Trăng bởi một tầng tên lửa Soyuz B (9K), và tầng này được cung cấp nhiên liệu bởi tàu chứa nhiên liệu Soyuz V (11K). Tuy nhiên Korolev hiểu rằng nguồn tài trợ cho một dự án ở cấp độ này chỉ có thể kiếm được từ bộ quốc phòng. Do đó đề án dự thảo của ông đưa ra thêm 2 sự biến đổi của Soyuz 7K: tàu đánh chặn không gian Soyuz-P (Perekhvatchik – đánh chặn) và tàu điều khiển do thám Soyuz-R (Razvedki – tình báo). Soyuz-P sử dụng động cơ tên lửa Soyuz B để đẩy nó tới đánh chặn ở quỹ đạo có độ cao tới 6000 km.
Đề án phác thảo của Soyuz được trình lên hội đồng chuyên môn ngày 20 tháng 3 năm 1963. Tuy nhiên chỉ có các ứng dụng dò thám và đánh chặn của Soyuz được thông hiểu và ủng hộ bởi không quân VVS và binh chủng tên lửa RVSN. Korolev muốn tập trung vào các sứ mệnh không gian có người lái và tự cảm thấy không có thời gian làm việc với loại Soyuz quân sự. Vào năm 1963, OKB – 1 của ông đang làm việc với chiếc 3KV Voskhod chở 3 người, 3KD Voskhod-2 chở 2 người, thiết bị phóng rất lớn N1 11A52, các thiết bị phóng nhỏ hơn dựa vào nó 11A53 (N11) và 11A54 (N111) cùng một số lượng lớn các tàu vũ trụ không người lái. Do đó OKB – 1 được quyết định chỉ tập trung vào việc phát triển tàu 7K (Soyuz A), còn việc phát triển 9K (Soyuz B) và 11K (Soyuz V) được chuyển cho các cục thiết kế khác. Trong khi đó đề án quân sự Soyuz P và Soyuz R được ký hợp đồng phụ với Filial 3, một bộ phận con của OKB – 1 đặt tại Samara.
Tuy nhiên, trong khi Filial 3 nhận được ngân sách để phát triển phiên bản Soyuz quân sự thì Soyuz A của ông không nhận đủ sự hỗ trợ tài chính. Kế hoạch 7K-9K-11K cần tới 5 lần ghép nối tự động mới thành công. Điều này tỏ ra là bất khả thi vào thời điểm đó. Thay vào đó kế hoạch lên Mặt Trăng của Vladimir Nikolayevich Chelomei lại được ưu tiên hơn. Chelomei là một đối thủ tinh quái của Korolev. Tàu một người lái LK-1 của ông ta, dự định đi vào quỹ đạo của Mặt Trăng bởi một lần phóng duy nhất bằng tên lửa UR-500K của ông ta, được quan tâm nhiều hơn. Chelomei đưa ra đề án chi tiết LK-1 vào ngày 3 tháng 8 năm 1964, cùng trong ngày đó Liên Xô ban hành một nghị định lịch sử đề ra kế hoạch để đánh bại Mỹ trong cuộc đua lên cung trăng. Theo nghị định này Chelomei sẽ phát triển LK-1 để đưa người đi qua quỹ đạo Mặt Trăng trong khi Korolev phát triển N1-L3 để hạ cánh lên bề mặt Mặt Trăng. Điều này có nghĩa là kế hoạch 7K-9K-11K bị hủy bỏ.
Ngày 14 tháng 10 năm 1964, Khrushchev thôi nắm quyền lực và Chelomei cũng mất người đỡ đầu. Ngay sau đó, Korolev quay trở lại với đề án Soyuz A với phiên bản 7K-OK bay trên quỹ đạo Trái Đất, là nền tảng cho các thiết kế sau này của tàu Soyuz.

Module quỹ đạo (Бытовой Отсек - Bytovoy Otsek/BO - Orbital Module)

Đây là một module hình cầu nằm ở phần đầu của tàu. Module này giúp tăng thêm sự tiện nghi cho các phi hành gia với việc tăng thêm diện tích sinh hoạt trên quỹ đạo. Ngoài ra nó cũng tăng sự an toàn cho phi hành đoàn khi phân cách họ ra khỏi phần ghép nối ở phía đầu khi tàu gặp gỡ và ghép nối vào trạm.
Nó gồm có một cơ cấu kết nối (docking mechanism), cửa khoang và ăngten tiếp cận ở đầu phía trước. Cơ cấu kết nối giúp tàu kết nối vào trạm, cửa khoang giúp phi hành gia di chuyển từ tàu vào trạm, còn ăngten kết nối được sử dụng bởi hệ thống kết nối tự động, một hệ thống hoạt động dựa vào radar, để lái tàu về phía trạm giúp thực hiện việc kết nối. Trên module này có một cửa sổ. Đầu đối diện của module này nối với module tiếp đất bằng một cửa điều áp. Trên khoang này còn một cửa thứ 3 để phục vụ cho các hoạt động đi bộ không gian. Khoang quỹ đạo cũng có thể hoạt động như một nút không khí từ đó các phi hành gia có thể thực hiện các chuyến đi ra ngoài không gian. Cửa thứ 3 này cũng là nơi các phi hành gia đi vào bên trong tàu trên bệ phóng trước khi tàu được phóng lên. Trên khoang này còn có một toalét.
Trong những sứ mệnh không yêu cầu việc gặp gỡ và ghép nối trong không gian, hệ thống gặp gỡ và nối kết ở phần đầu module này được thay thế bởi các thiết bị khác. Trước khi tàu trở về Trái Đất, module quỹ đạo tách khỏi module tiếp đất và bị đốt cháy hoàn toàn khi đi vào bầu khí quyển.

Module hạ cánh (Спускаемый Аппарат - Spuskayemy Apparat/SA - Descent Module)

Phần này nằm ở giữa của tàu. Đây là module mà các phi hành gia ở trong quá trình phóng lên, trở về khí quyển và tiếp đất.
Module này chứa mọi hệ thống điều khiển và hiển thị của tàu, cũng như các hệ thống hỗ trợ sự sống và các ắcquy sử dụng trong quá trình hạ cánh. Trên module có dù chính, dù dự phòng và tên lửa dùng để hạ cánh. Trên các ghế có các miếng lót dành riêng cho từng phi hành gia. Các miếng lót này được thiết kế vừa vặn với từng người để đảm bảo một tư thế thoải mái và tiện nghi khi module này hạ cánh xuống đất. Một kính tiềm vọng gắn trên module giúp các phi hành gia có thể nhín thấy mục tiêu kết nối trên trạm hay quan sát Trái Đất bên dưới. 8 vòi đẩy dùng hydrô peroxyt trên phần này của con tàu giúp điều khiển, định hướng cho toàn bộ con tàu suốt quá trình hạ cánh tới khi các dù được bung ra. Hydrô peroxyt có khuynh hướng bị thoái hóa theo thời gian nên nó được coi là một trong những yếu tố giới hạn thời gian trên vũ trụ của tàu Soyuz. Hệ thống hướng dẫn, hoa tiêu và điều khiển trên module này điều chỉnh con tàu trong suốt giai đoạn hạ cánh. Đây là phần duy nhất của con tàu trở về được Trái Đất.

Hệ thống kiểm soát nhiệt

Viết tắt: SOTR (Sistema Obespecheniya Teplovogo Rezhima)
Giúp duy trì nhiệt độ ở mức bình thường (18 – 25oC) và độ ẩm 20 – 80% bên trong khu vực sinh hoạt và khoảng nhiệt độ 0 – 40oC cho các hệ thống và cấu trúc của tàu. Hệ thống gồm các yếu tố chủ động và thụ động, trong đó có lớp cách nhiệt EVI (Ekranno Vacuumnaya Izolyatsiya), hệ thống lưu thông khí, và các vòng chất lỏng làm mát bên trong và bên ngoài)
Để bảo vệ các hệ thống trên tàu khỏi sự thay đổi nhiệt độ rất mãnh liệt trong không gian, ngoại trừ các thành phần hoạt động như cảm biến, ăngten, cửa sổ, thiết bị kết nối, các vòi đẩy và các lá tản nhiệt, mọi phần bề mặt tiếp xúc với không gian của con tàu đều được bọc một lớp cách nhiệt màn chắn chân không nhiều lớp.

Hệ thống hỗ trợ sự sống

Viết tắt: KSOZh (Kompleks Sredstv Obespecheniya Zhiznideyatelnosti)
Gồm các hệ thống giúp tạo ra và duy trì điều kiện sống trên tàu. Nó gồm sự cung cấp nước, thức ăn, toa lét và hệ thống hỗ trợ sự sống khẩn cấp.
Sau thảm họa của tàu Soyuz 11 năm 1971, các phi hành gia phải mang một loại áo du hành gọi là "Sokol" (chim ưng) khi ở trên tàu để đề phòng trường hợp vỏ tàu bị thủng. Áo này trên chính thức cũng được coi là một phần của hệ thống hỗ trợ sự sống.

Hệ thống cung cấp năng lượng

Viết tắt:SEP (Sistema Elektropitaniya)
Hệ thống này cun cấp nguồn điện 27V cho toàn bộ các hệ thống trên tàu. Hệ thống này lấy năng lượng từ mặt trời thông qua 2 tấm thu năng lượng mặt trời. Năng lượng này được nạp vào các ăcquy chính và ắc quy dự phòng. Một ắcquy ở module hạ cánh, một ắcquy ở module quỹ đạo (module cư trú) và các thiết bị tự động và giám sát.

Hệ thống điều khiển phức hợp trên tàu

Viết tắt: SUBK (Sistema Upravleniya Bortovym Kompleksom)
Hệ thống này gồm nhiều công tắc lôgic: Thiết bị tính giờ chương trình APVU, bảng điều khiển của phi hành gia, hệ thống tách các module và hệ thống dây cáp. Hệ thống thi hành các mệnh lệnh của từ bảng điều khiển của phi hành gia, từ trạm điều khiển mặt đất, từ APVU hoặc thậm chí từ một con tàu khác sử dụng sự điều khiển từ xa.

Hệ thống gặp gỡ Kurs

Hệ thống Kurs (tiến trình) sử dụng một radar đáp ứng tích cực để đo đạc chuyển động tương đối giữa hai tàu vũ trụ trong quá trình tự động gặp gỡ và lắp ghép. Các tàu Soyuz và Progress được trang bị phần chủ động của hệ thống Kurs còn trạm không gian giữ phần thụ động.

Hệ thống ghép nối

Viết tắt: SSVP (Sistema Stukovki i Vnutrennego Perekhoda)
Lắp ghép là khả năng quan trọng hàng đầu của tàu Soyuz. Rất nhiều cơ chế lắp ghép đã được thử nghiệm trong khoảng năm 1967 – 1975 trước khi thiết kế "cây gậy và hình nón" được chấp nhận trở thành hệ thống lắp ghép cho Soyuz. Cơ chế này gồm một cái que trên tàu Soyuz và một hình nón tiếp nhận được cài đặt trên trạm.
Trong quá trình ghép nối, tàu Soyuz được đưa tới gần trạm (tự động hoặc bằng người lái) đủ để cái que trên Soyuz chạm vào hình nón tiếp nhận trên trạm. Khi Soyuz tiếp tục tiến lên, cái que này trượt thẳng tới trung tâm của hình nón và cuối cùng đi tới cái chốt ở trung tâm của hình nón. Các môtơ điện sau đó thu cái que này lại, kéo con tàu và trạm với nhau và tạo một đường hầm kín giữa tàu và trạm.
Ngoài ra các vòng đai xung xung quanh đường ngầm còn chứa các giao diện cho phép truyền điện năng, tín hiệu mệnh lệnh và điều khiển và không khí giữa tàu và trạm.
Cơ cấu này còn có một hệ thống kiểm tra lỗ rò trên mặt tiếp xúc (SKGS – Sistema Kontrolya Germetichnosti Styka) giúp kiểm tra áp suất ở mặt tiếp xúc và cân bắng áp suất giữa tàu với trạm, kiểm tra lỗ rò trên cửa chuyển tiếp và giải phóng áp suất khỏi bộ phận lắp ráp khi tàu tách khỏi trạm.

Hệ thống phát động hạ cánh

Viết tắt: SIO-S (Sistema Ispolnitelnikh Organov Spuska)
Hệ thống này có nhiệm vụ giữ cho tàu được định hướng thích hợp trong suốt giai đoạn then chốt của chuyến bay, giai đoạn trở vào bầu khí quyển của Trái Đất.

Bộ dụng cụ trợ giúp hạ cánh

Viết tắt: KSP (Kompleks Sredstv Prizemleniya)
Bộ dụng cụ này chứa tất cả các thiết bị giúp đảm bảo một sự hạ cánh an toàn trên mặt đất, mặt nước hay sau một cuộc phóng thất bại. các bộ phận chính của hệ thống này gồm một dù chính, dù phụ, động cơ giúp hạ cánh nhẹ nhàng và ghế ngồi hấp thu va chạm Kazbek.

Bộ dụng cụ di động hỗ trợ sống sót

Viết tắt: NAZ (Nosimiy Avariyniy Zapas)
Bộ dụng cụ này chứa mọi thiết bị giúp các phi hành gia sống sót nếu sự hạ cánh diễn ra không theo kế hoạch khiến phi hành đoàn của tàu phải chờ đội cứu hộ đến trong một khoảng thời gian dài.

Hệ thống thoát hiểm tên lửa

Viết tắt: SAS (Sistema Avariynogo Spaseniya). Được thiết kế để mang các bộ phận sinh sống được của tàu Soyuz khỏi tên lửa trong trường hợp tình huống khẩn cấp xảy ra ngay trên bệ phóng hoặc trong quá trình đi lên quỹ đạo.