V průběhu roku 1957-1958 se začal v rámci devátého oddílu OKB-1 formovat kolektiv, který je „podepsán“ pod zhmotněním první pilotované kosmické lodi. Na samém vrcholku pyramidy stál Sergej Pavlovič Koroljov, hlavní konstruktér a šéf kanceláře OKB-1. Práce na objektech vynášených raketami byly realizovány v oddílu číslo 9, který byl v kompetenci svého vedoucího, Michaila Klavdijeviče Tichonravova. A konečně, v oddílu 9 byl ustaven sektor číslo 2, který se zabýval hypotetickými projekty aparátů, v jejichž útrobách se měl do vesmíru podívat člověk, zatím pouze v podobě ideových návrhů, které se mohou, ale také nemusí dočkat realizace. Sektor měl na starosti N. P. Bělousov. V prosinci 1957 přešla právě do tohoto sektoru nová posila v osobě Konstantina Petroviče Feoktistova. Ten přišel z „dělostřeleckého“ institutu NII-4, kde se zabýval otázkami výpočtu trajektorie rakety R-7 v roli jaderného nosiče. Už předtím do devátého oddílu z NII-4 dorazil další „perspektivní kádr“, Gleb Maximov. Na konci roku si Tichonravov oba muže pozval k sobě a dal jim na výběr: jeden z nich se měl nadále zabývat projekty bezpilotních družic, druhý pak projekty pilotovaných družic. Nechal na Feoktistovovi a Maximovovi, aby se sami dohodli, kdo z nich si vybere lodě a kdo automaty. Maximov si vybral bezpilotní stroje, které samy o sobě měly velmi slibnou a zajímavou budoucnost. Rozjížděly se práce na sondách k Měsíci, na horizontu se také objevily projekty stanic k Marsu a Venuši. Feoktistov (ke své radosti) tedy mohl zamířit do Bělousovovy skupiny a tam pracovat na projektech cest člověka do vesmíru. Jak se později ukázalo, právě Feoktistov bude klíčovou osobností pro projekt Vostok…

Rodí se kosmická loď

Feoktistov se na pokyn Bělousova nejprve začal zabývat stabilitou balistického návratu aparátu při návratu na Zem ze suborbitálního letu. Pustil se tedy do práce, nicméně současně začal kolem sebe soustřeďovat skupinu inženýrů, kteří pokukovali po orbitálních pilotovaných letech. Zprvu se jednalo o aktivity v pozadí, ve volném čase a bez oficiální podpory vedení OKB-1, situace se však změnila po 15. únoru 1958. Toho dne si Sergej Koroljov nechal do své kanceláře zavolat Michaila Tichonravova a pověřil jej, aby ve svém oddíle začal formálně pracovat na projektu kosmické lodi s člověkem na palubě. Pro skupinu Konstantina Feoktistova se tento den stal pomyslným výstřelem, který konečně umožnil věnovat se tomuto úkolu naplno a využít podpory vedení kanceláře.

Sputnik-3
foto: autor

Projekt kosmické lodi dostal označení „OD-2“. Jednalo se o zkratku pro „orientovaný objekt ‚D‘“, přičemž označení „objekt D“ dostal při svém zrodu pozdější Sputnik-3, který měl původně být první umělou družicí. Po jeho startu se v koroljovském OKB-1 rozběhly práce na družici, která by byla schopna udržovat zadanou orientaci v prostoru a tuto schopnost měla využít při pořizování špionážních fotografií území nepřátelských států. Tento projekt obdržel název „OD“, jenže vinou záplavy práce a požadavků, které se na OKB-1 v těch letech snesly, projekt této družice nebyl realizován. Projekt OD-2 pak využil výsledků práce, které se na toto téma v kanceláři prováděly, i tak ale bylo tempo, které projektanti nasadili, doslova frenetické.

Feoktistov spolu se svými lidmi zprvu koncipoval východisko, z něhož měly veškeré práce vycházet: cílem bylo navrhnout pilotovaný aparát, jenž by byl schopen vykonat orbitální let v rozmezí od 90 minut (jeden oblet Země) až po deset dní, přičemž během libovolně dlouhého letu bude možné zkoumat práceschopnost člověka v podmínkách pobytu v kosmu, a aparát bude nejprve možné prověřit během bezpilotních startů. Feoktistovova skupina měla od počátku velkou podporu od Michaila Tichonravova a pakliže do oddílu 9 přišel nějaký mladý a perspektivní inženýr, bylo velmi pravděpodobné, že se ocitne právě v této skupině.

Během velmi krátké doby se podařilo zvolit základní konstrukční řešení, jež se stala úhelnými kameny projektu. Problémů, které bylo přitom třeba zvážit, bylo velmi mnoho. Už jen samotný tvar kabiny konstruktérům pořádně zamotal hlavu. Hned zkraje se Feoktistov a spol. shodli na tom, že kabina by se měla z orbity vracet balisticky, tedy bez aktivního řízení a její stabilita měla být zajištěna čistě rozložením hmoty a působením aerodynamických sil. V úvahu přicházely nejrůznější ideje, od konusů až po hřibovité tvary. Na konci dubna se pak v předchozím díle seriálu zmíněný K. S. Šustin, který se orbitálními lety okrajově zabýval ještě před začátkem roku 1958, zmínil Feoktistovovi o zajímavém nápadu, na který narazil při návštěvách institutu NII-1 (nově pojmenovaný legendární institut RNII, kde kdysi působil i Sergej Koroljov). Tamní inženýři A. S. Budnik a K. E. Petrovič pracovali na podobném úkolu a rozpracovali návrh kabiny ve tvaru polokoule. Feoktistov při spatření návrhu prý okamžitě poznal, že vlivem turbulencí za zadní plochou stranou by taková kabina byla aerodynamicky velmi nestabilní, ovšem vzápětí mu hlavou probleskla myšlenka: „…a proč nezkusit rovnou celou kouli?“ Jak se sám Feoktistov později ve svých pamětech vyjádřil, přesně toto je moment typu „heuréka“.

Jakýkoli jiný tvar by totiž bylo nutné nejprve podrobit velmi zdlouhavým propočtům a testům ve větrných tunelech, zatímco koule již byla z aerodynamického hlediska velmi dobře propočítána, prozkoumána a odzkoušena. Tím bylo možné významně ušetřit čas. Navíc koule má ze všech trojrozměrných těles vzhledem k objemu nejmenší povrch, což pro změnu znamenalo, že ve srovnání s jinými tvary bude možné ušetřit na hmotnosti tepelného štítu.

Detail povrchu s azbotextolitem
Foto: autor

À propos – tepelný štít. Materiáloví specialisté pro něj navrhli využít speciální tkaninu „azbotextolit“. Jednalo se de facto o mřížku hustě vypletenou azbestovými vlákny. Jeho vlastností mimo jiné bylo, že při zahřátí na extrémní teploty nehořel, ani se netavil, nýbrž se vypařoval. Při styku s rozžhaveným plazmatem při vstupu do atmosféry je jeho odpařováním z povrchu tělesa odváděna tepelná energie. Tak byl pro návratovou kabinu poměrně záhy zvolen štít ablativního typu (zatímco Američané nějakou dobu lavírovali mezi ablativním štítem a tzv. „heat sink“ materiálem, který nejprve teplo absorbuje, aby jej následně vyzářil do okolí).

Lehké vrásky na čelech zainteresovaným zprvu dělala stabilita koule při sestupu atmosférou. Panoval názor, že kabina bude nekontrolovaně rotovat, čímž bude ohrožena funkce padákového systému, padák se prostě zamotá. Řešení se nabízelo ve formě vyoseného těžiště. Ovšem bude tento přístup reálně fungovat? Bez praktických experimentů to nikdo nedokázal s určitostí předpovědět. Problém se podařilo vyřešit díky jednomu až banálně jednoduchému pokusu. Mnozí pracovníci devátého oddílu se během obědové pauzy bavívali hraním stolního tenisu. Kohosi napadlo zkusit využít pingpongový míček jako svého druhu maketu návratové kabiny s tím, že na jedno místo mázne kousíček plastelíny. Jako testovací stolice bylo použito schodiště a míček s plastelínou byl shazován z druhého patra na chodbu v přízemí. Ve všech případech míček přistál na část, kde na něm byl nalepen onen kousíček plastelíny. Pozdější výpočty a následně také již „dospělé“ testy potvrdily validitu tohoto kuriózního experimentu. Bylo jasno – při vhodném umístění těžiště bude koule během sestupu atmosférou krásně stabilní.

Dalším klíčovým prvkem projektu, o který však bylo nutno bojovat se samotným Koroljovem, byl způsob přistání. Z dnešního pohledu se zdá být samozřejmou volbou varianta přistání pomocí padáků, na začátku se však konstruktéři nevyhýbali promýšlení jiných, a nutno říci občas exotických, způsobů. Pozornost věnovali i variantě kabiny s křídly (ještě předtím, než byl definitivně určen její tvar), ovšem významnou podporu od samotného Koroljova získala varianta, která předpokládala sestup a přistání kabiny s využitím rotoru jako u vrtulníku.

Podle Feoktistovových vzpomínek Koroljov požádal prostřednictvím Tichonravova, aby se skupina vyvíjející loď touto myšlenkou vážně zabývala. Jeho přání bylo vyhověno, nicméně ukázalo se, že dosáhnout potřebné efektivity rotorových listů při sestupu by bylo za daných podmínek nemožné. Koroljovovi byly výsledky výpočtů a analýz zaslány s tím, že „hlavní“ je měl podepsat a následně měly být uloženy v archivu. Jenže Koroljov závěrečnou zprávu podepsat odmítl a tak spis putoval do archivu bez oficiálního „ukončení“. Jak prý posléze vyšlo najevo, Sergej Pavlovič se nedokázal smířit s tím, že myšlenka na využití rotoru při přistání nikam nevede a následně to zkusil ještě jednou – dva roky poté našel skupinu ochotných inženýrů, kterým vypomáhali specialisté z Vojensko-letecké konstruktérské akademie rudého praporu A. F. Možajského (takto krkolomně se v té době skutečně Možajského akademie nazývala, v originále její název zněl: „Краснознамённая военно-воздушная инженерная академия имени А. Ф. Можайского“). Skupina začala tento koncept opět rozpracovávat, ovšem vzhledem k tomu, že do dnešních dnů nebyl realizován ani jeden projekt s přistáním na tomto principu, jejich výzkum evidentně skončil ve slepé uličce stejně jako předchozí pokus.

Další zajímavou myšlenkou, jež se, na rozdíl od rotoru, dočkala realizace a je používána dodnes, byla koncepce přístrojového úseku. Feoktistov a jeho lidé velmi rychle došli k poznání, že pokud by kosmická loď přistávala jako celek, hmotnost nutné tepelné ochrany a velikost padákového systému by de facto pohltily většinu zásob hmotnosti, kterou bylo třeba vydělit na aparatury nutné pro přítomnost člověka na palubě a fungování lodi jako takové. Projektanti se rozhodli definovat výčet vybavení a komponentů, které nebyly nutné pro přežití pilota během sestupu atmosférou a přistání a také pro funkci návratového systému. Následně tyto položky umístili do separátního oddílu lodě, který se před sestupem mohl oddělit a tím mohla být hmotnost návratové kabiny snížena na nezbytné minimum. Přístrojový a agregátový úsek (PAO) mohl mít de facto jakýkoli tvar, neboť se nepočítalo s jeho fungováním v atmosféře.

Skupina konstruktérů postupně, za využití nových nápadů i idejí, jež byly rozpracovávány v předešlých měsících a letech, došla k podobě kosmické lodi a způsobu jejího využívání, který by se dal shrnout do několika tezí. Hmotnost lodi jako celku (s využitím třetího stupně rakety R-7 pro její navedení na finální dráhu) se měla pohybovat v rozmezí 4 500-5 500 kg. Pro první lety by bylo vhodné uvést loď na pokud možno kruhovou orbitu ve výšce maximálně 250 km. Loď samotná by měla mít prostředky pro změnu své orientace, za nejperspektivnější jsou v daných podmínkách považovány trysky se stlačeným plynem, eventuálně setrvačníky. Je zapotřebí vyvinout systém měření orbity a přenosu povelů a prostředky pro fónické spojení s pilotem. Vybavení pro let na oběžné dráze a brzdicí motor je vhodné umístit v samostatném úseku. Způsob sestupu z orbity by měl být čistě balistický, díky tomu bude možné ušetřit čas při konstrukci a testech návratové kabiny. Během průletu atmosférou by teplota na povrchu kabiny měla dosahovat maximálně 2 500-3 500°C, přičemž maximální přetížení by nemělo výrazně přesáhnout hodnotu 9 g, což je úroveň, která je pro člověka zcela bez úhony přežitelná. Pro boj s tepelným namáháním by měl postačovat tepelný štít o hmotnosti 1 300-1 500 kg. Pro vstup do atmosféry by měl brzdicí motor vyvinout impuls zhruba 65 000-85 000 kgf•s. Vstup do atmosféry by měla návratová kabina uskutečnit pod úhlem 2°. Návratová kabina by měl mít podobu koule, při využití tohoto tvaru a ideálních podmínkách by odchylka místa přistání neměla převyšovat 100-175 km. Spolehlivé přežití pilota zajistí jeho katapultáž ve výšce 10 km a samostatný sestup na osobním padáku. A konečně – pro účely vývoje je vhodné provádět testovací lety některých systémů na raketách R-2 nebo R-5, při komplexních testech pak je vhodné na palubě umístit pokusná zvířata, a to jak u suborbitálních letů, tak u orbitálních letů (je vhodné uskutečnit minimálně dva starty se zvířaty předtím, než na palubu usedne člověk).

Z dnešního pohledu se to zdá neuvěřitelné, ale od formálního zahájení prací na první pilotované kosmické lodi po hotovou koncepci čekající jen na rozpracování detailů uběhly všehovšudy jen asi čtyři měsíce. Je nutno přiznat, že již dlouho před únorem probíhaly úvahy, výpočty a byla navrhována dílčí řešení, přesto se jednalo o doslova rekordní termíny. Na začátku června 1958 bylo hotovo a Feoktistov s šéfem devátého oddílu Michailem Tichonravovem vzkázali Sergeji Koroljovovi, že jsou připraveni mu výsledky své práce prezentovat.

Datum oné schůzky se bohužel nepodařilo zpětně přesně stanovit, nicméně proběhla někdy v rozmezí 8.-10. června 1958. Paradoxně se ze vzpomínek Konstantina Feoktistova můžeme dozvědět přesný čas, kdy byl předběžný projekt, zatím pouze v ústní formě a pomocí několika náčrtů předložen Koroljovovi – 10 hodin dopoledne. Tichonravov s Feoktistovem toho rána vešli do pracovny hlavního konstruktéra s ne zcela příjemnými pocity. Nebyli si jisti, zda se podaří Koroljova přesvědčit, že výsledky práce kolektivu druhého sektoru oddílu číslo 9 jsou správné a zralé k realizaci. Feoktistov začal na velkém zasedacím stole rozkládat jednotlivé náčrty, grafy, schémata a tabulky a doprovázel je svým výkladem. Že je vše na dobré cestě, pochopil, když Koroljov při spatření náčrtu návratové kabiny pronesl: „Á – koule! Výborně,“ a začal si mnout ruce. Bylo evidentní, že Feoktistov a jeho lidé splnili očekávání klíčové postavy sovětského kosmického programu nad očekávání dobře.

Po půlhodinovém Feoktistovově výkladu trojice usedla ke stolu a ještě několik desítek minut probírala otázky týkající se shlédnutých materiálů, organizačních aspektů, spolupráce s dalšími konstrukčními kancelářemi a dodavatelskými organizacemi. Na konci setkání Koroljov koncepci kosmické lodi schválil a přikázal projekt podrobit kolečku oponentury u jednotlivých specializací v rámci OKB-1 a následně připravit v písemné podobě k podpisu v polovině srpna, což byl poměrně šibeniční termín, Feoktistov a Tichonravov však byli na takové podmínky práce zvyklí a svým způsobem jim takové termíny umožňovaly ze sebe a ze svých lidí dostat to nejlepší, co v nich bylo.

Dva následující měsíce pracovníci druhého sektoru ještě navýšili pracovní nasazení. Nezřídka se stávalo, že cesta domů byla považována za zbytečnost a odpočinek řešili přespáváním v kancelářích a v projektantském sále. A často se také zdálo, že projekt naráží na nepřekonatelné překážky. Za všechny lze jmenovat například postoj aerodynamiků a specialistů na tepelnou ochranu ke tvaru návratové kabiny. Podle nich byl totiž mnohem příhodnějším tvarem konus s konvexním dnem. A pokud už má mít návratová kabina tvar koule, navržená vrstva azbotextolitu, která měla mít tloušťku průměrně 50 milimetrů, podle nich neměla stačit. Podle jejich názoru nevzali Feoktistovovi lidé v úvahu sálání rozžhaveného plazmatu, které se nacházelo mezi rázovou vlnou a povrchem kabiny. Řešením mělo být zvýšení tloušťky tepelného štítu na čtyřnásobek. K tomuto názoru se částečně přiklonil i Koroljov a někteří jeho zástupci. Feoktistov byl podle svých slov připraven preventivně zvýšit tloušťku na 100 milimetrů, 200 milimetrů bylo podle něj a jeho spolupracovníků nesmyslně mnoho. Nakonec mu však nezbylo, než toto zvýšení tloušťky (a tím i hmotnosti) do projektu zahrnout. Jak nicméně posléze vyšlo najevo, opatrnost aerodynamiků a „těplovščiků“ byla přehnaná a vrstva byla nakonec „ořezána“ právě na oněch 100 milimetrů, které projektanti považovali od počátku za rozumný kompromis mezi hmotností a bezpečností.

18. srpna mohl Feoktistov odevzdat ke Koroljovovým rukám dokument nazvaný „Zpráva OKB-1. Materiály o předběžných pracích problematiky konstrukce umělé družice s lidmi na palubě (objekt OD-2)“. Dokument obsahoval devět kapitol, které se věnovaly obecné charakteristice letu kabiny s člověkem; možným konfiguracím lodi a přístrojového úseku; tvaru návratové kabiny a problematice stability při sestupu atmosférou; vybavení a rozložení jednotlivých agregátů v návratové kabině; tepelné ochraně návratové kabiny; problematice tepelných cyklů během letu na oběžné dráze; systémů ovládání a orientace; problematice sledování letu a komunikace. Poslední kapitola byla věnována nástinu experimentálních prací a programu testů během vývoje a prvních letů lodě.

Právě onen testovací program byl poměrně dobře promyšlen a měl zahrnovat statické testy, testy katapultážního systému pilota na zemi i ve vzduchu (včetně využití raket R-2 a R-5) a ověření funkce tepelného štítu za podmínek skutečného sestupu atmosférou. Testování lodě jako celku mělo zahrnovat jak balistické, tak orbitální lety se psy na palubě, přičemž po dvou úspěšných orbitálních testech měl následovat let člověka.

Mstislav Keldyš – výrazná osobnost a „teoretik kosmonautiky“
Zdroj: en.wikipedia.org

Koroljov projekt pozorně pročetl a se svými náměstky naznal, že jej lze začít šířit oficiálními cestami k dalším zainteresovaným. 15. září dokument podepsal a hned následující den nechal jeho kopie rozeslat hned do několika směrů. Jedním směrem byla legendární Rada hlavních konstruktérů, což byla skupina vůdčích osobností v jednotlivých klíčových specializacích. Krom Koroljova byli jejími původními členy také Valentin Gluško (vývoj a výroba raketových motorů), Vladimir Barmin (konstruktér startovních komplexů), Nikolaj Piljugin (autonomní systémy navádění), Michail Rjazanskij (systémy radiospojení a dálkového řízení) a Viktor Kuzněcov (specialista na gyroskopické přístroje). Postupem času k této sestavě přibyl ještě Mstislav Keldyš za NII-1, Alexej Bogomolov, který se zabýval problematikou telemetrie a měření trajektorií, a také Vladimir Kotělnikov coby vedoucí ředitel Ústavu radiotechniky a elektroniky Akademie věd SSSR. Krom těchto osobností projekt směřoval také do vyšších politických pater – do Ústředního výboru KSSS, k rukám členů vojensko-průmyslové komise a také předsedovi výboru Rady ministrů pro obrannou techniku Konstantinu Rudněvovi a veliteli raketových vojsk Mitrofanu Nedělinovi.

Projekt však zatím rozhodně neměl jednoznačnou podporu z vyšších míst a paradoxně ani v rámci OKB-1 nepanovala shoda na tom, zda práce na pilotované kosmické lodi je zrovna tím, co v dané době Sovětský svaz v oblasti kosmické techniky potřebuje. Pro mnohé bylo vyslání člověka do vesmíru pouhým avanturismem nemajícím žádný reálný a praktický užitek. Mnohem vyšší prioritu by si zasloužila práce na špionážních družicích. A navíc paralelně s výše popsanými procesy a událostmi stále ještě běžely, byť trochu stranou zájmu, práce skupiny N. P. Bělousova na projektu pilotovaných balistických skoků. I tomu největšímu optimistovi muselo být jasné, že realizace projektu OD-2 není v žádném případě jistou věcí…

(článek má pokračování)

Zdroje obrázků:

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Konstantin_Petrovich_Feoktistov.jpg
foto: autor
foto: autor
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Mstislav_Vsevolodovich_Keldysh.jpg