В 1960 году, на заре практического освоения космического пространства, в ОКБ под руководством Сергея Павловича Королёва были сформулированы предложения по созданию средств для орбитальной сборки. Подчеркивалось, в частности, что одна из важнейших задач — сближение и сборка космических аппаратов на орбитах искусственных спутников Земли. Отмечалось, что обслуживание постоянно действующих пилотируемых спутников (смена экипажа, доставка продовольствия, специального снаряжения и др.) связано с регулярными сближениями и стыковками на орбите, наработанный в этом деле опыт позволит в случае необходимости успешно осуществлять спасение экипажей пилотируемых спутников и космических кораблей.
Корабли «Восток» и «Восход» выполняли ограниченный круг научно-технических задач, главным образом экспериментально-исследовательских. Новые космические корабли серии «Союз» были предназначены для относительно длительных полетов, маневрирования, сближения и стыковки на околоземных орбитах.
10 марта 1962 года Королёв утверждает технический проспект, озаглавленный «Комплекс сборки космических аппаратов на орбите спутника Земли (тема "Союз")». В этом документе впервые дается обоснование возможности использования модификации космического корабля «Восток-7» с космонавтом-«монтажником» на борту для отработки стыковки и сборки на орбите. Для этого корабль предполагалось снабдить системами сближения и стыковки, а также маршевой ДУ многократного включения и системой микродвигателей причаливания и ориентации. «Восток-7» мог быть использован для сборки на орбите искусственного спутника Земли космической ракеты, состоящей из трех одинаковых ракетных блоков. С помощью такой космической ракеты предлагалось выполнить облет Луны специальным кораблем Л1 с экипажем из одного-трех человек.
Через некоторое время появился второй проспект, озаглавленный «Сборка космических аппаратов на орбите спутника Земли», утвержденный С.П. Королёвым 10 мая 1963 года. В нем тема «Союз» звучит уже четко и убедительно. Основной объект документа — комплекс, состоящий из последовательно выводимых и стыкующихся на орбите разгонных блоков кораблей-танкеров для его заправки и «Союз».
В проспекте ставились две основные задачи: отработать стыковку и сборку на орбите и облететь Луну пилотируемым аппаратом. По мнению Королёва, увязка решений по двум этим задачам обеспечивала приоритет СССР в освоении космоса.
В связи с разработкой варианта прямого облета Луны кораблем Л1 программа «Союз» была нацелена на отработку сближения и стыковки космического корабля с последующим переходом членов экипажа из корабля в корабль. Эскизный проект «Союза», подписанный в 1965 году, отражал уже новые тактико-технические требования к кораблю. Отработка «Союза» в беспилотной варианте была начата 28 ноября 1966 года запуском спутника «Космос-133». После неудачной попытки запуска беспилотного «Союза» в декабре 1966 года, окончившейся аварией ракеты-носителя и срабатыванием системы аварийного спасения на старте, 7 февраля 1967 года орбитальный полет с посадкой в Аральское море совершил второй беспилотный «Союз» («Космос-140»).
Первый пилотируемый полет на «Союзе-1» совершил 23–24 апреля 1967 года летчик-космонавт В.М. Комаров, однако из-за отказа парашютных систем при спуске полет окончился катастрофой.
Первая автоматическая стыковка была выполнена 30 сентября 1967 года беспилотными кораблями-спутниками «Космос-186 и -187» и повторена 15 апреля 1968 года кораблями-спутниками «Космос-212» и «Космос-213». После беспилотного полета корабля «Союз» (спутник «Космос-238»), запущенного 28 августа 1968 года, начались регулярные полеты «Союзов».
Фактически задача программы «Союз» — стыковка пилотируемых космических кораблей с переходом космонавтов через космос — была выполнена 16 января 1969 года в ходе полета кораблей «Союз-4 и -5» с космонавтами В.А. Шаталовым, Б.В. Волыновым, А.С. Елисеевым и Е.В. Хруновым. Оставшиеся корабли «Союз» были перенацелены на выполнение технологических экспериментов в групповом полете и длительном полете.
В октябре 1969 года по программе «Союз» состоялся групповой полет трех космических кораблей — «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8» с семью космонавтами на борту. Уже сам факт запуска с одного космодрома с минимальными интервалами трех космических кораблей подряд представлял собой значительное техническое достижение. Большое значение имел полученный в этом эксперименте опыт управления групповым полетом. Слаженно действовала целая система, состоявшая из трех космических кораблей, наземного командно-измерительного комплекса, группы научно-исследовательских судов и спутника связи «Молния-1».
На борту «Союза-6» был проведен уникальный эксперимент — сварка в условиях космоса. Она производилась на специально сконструированной сварочной установке «Вулкан». Сварочный узел «Вулкана» был смонтирован в орбитальном отсеке, а пульт дистанционного управления находился в кабине корабля.
Орбитальный отсек был разгерметизирован, и сварка была выполнена тремя способами: сжатой дугой, электронным лучом и плавящимся электродом. В ходе эксперимента проводились сварка тонколистовой нержавеющей стали и титана, резка нержавеющей стали, титана и алюминия, обработка неметаллических материалов. Затем орбитальный отсек был вновь загерметизирован, космонавты демонтировали установку, перенесли образцы в спускаемый аппарат и впоследствии доставили их на Землю. Успешный эксперимент открыл перспективы для строительных и монтажных работ в космосе.
1 июня 1970 года стартовал новый «Союз» — девятый. Этот полет дал неоценимый материал для дальнейшего развития космонавтики. Особенно ценными были медико-биологические исследования влияния факторов длительного космического полета на организм человека.
Командир корабля А.Г. Николаев, совершивший свой второй космический рейс, и бортинженер В.И. Севастьянов установили тогда мировой рекорд длительности космического полета. Они работали на околоземной орбите 424 часа. Программа полета была насыщена многими экспериментами по автономной навигации в космосе, научными исследованиями околоземного космического пространства.
Корабль «Союз» имеет внушительные размеры. Его длина — около 8 метров, наибольший диаметр — около 3 метров, масса перед стартом составляет почти 7 тонн. Все отсеки корабля покрыты снаружи специальным теплоизолирующим «одеялом», защищающим конструкцию и оборудование от перегрева на Солнце и слишком сильного охлаждения в тени.
В корабле три отсека: орбитальный, приборно-агрегатный и спускаемый аппарат. Орбитальный отсек по форме представляет собой две полусферы, соединенные цилиндрической вставкой. На наружной поверхности орбитального отсека установлены большие и малые антенны радиосистем корабля, телекамеры и другое оборудование.
В орбитальном отсеке космонавты работают и отдыхают во время полета по орбите. Здесь размещаются научная аппаратура, спальные места экипажа, различные бытовые устройства. На верхней полусфере отсека — шпангоут, на котором установлен стыковочный агрегат, и люк для перехода в корабль, с которым стыкуется «Союз».
Круглый люк соединяет орбитальный отсек со спускаемым аппаратом. «Спускаемый аппарат имеет сегментально-коническую форму, напоминает фару, — пишет в своей книге Л.А. Гильберг. — Такая форма при определенном расположении центра тяжести придает аппарату аэродинамическое качество — при полете в атмосфере возникает аэродинамическая подъемная сила, которая регулируется разворотом аппарата вокруг продольной оси. Это позволяет осуществить управляемый спуск — снизить перегрузки до 3–4 единиц и существенно повысить точность приземления.
На наружную поверхность спускаемого аппарата нанесено прочное теплозащитное покрытие; нижняя часть аппарата, которая рассекает воздух при спуске и сильнее всего подвержена аэродинамическому нагреву, закрыта особым теплозащитным экраном, который сбрасывается после раскрытия парашюта, чтобы облегчить кабину космонавтов перед приземлением. При этом открываются прикрытые экраном пороховые двигатели мягкой посадки, которые включаются перед самым соприкосновением с Землей и смягчают толчок при посадке.
Спускаемый аппарат имеет два иллюминатора с жаропрочными стеклами, люк, ведущий в орбитальный отсек. Снаружи находится оптический визир, который облегчает космонавтам ориентацию и позволяет наблюдать за другим кораблем при причаливании и стыковке. В нижней части по окружности спускаемого аппарата расположены шесть двигателей системы управления спуском, которые используются при возвращении корабля на Землю. Эти двигатели помогают удерживать спускаемый аппарат в положении, позволяющем использовать его аэродинамические качества.
В верхней части спускаемого аппарата находятся отсеки с основным и запасным парашютами».
Приборно-агрегатный отсек цилиндрической формы с небольшой конической «юбкой» пристыкован к спускаемому аппарату и предназначен для размещения большей части бортовой аппаратуры корабля и его двигательных установок.
Конструктивно отсек разделяется на три секции переходную, приборную и агрегатную. Приборная секция представляет собой герметический цилиндр. В нем находятся радиосвязная и радиотелеметрическая аппаратура, приборы системы ориентации и управления движением, некоторые агрегаты систем терморегулирования и электропитания. Две другие секции не загерметизированы.
В приборно-агрегатном отсеке размещена основная двигательная установка корабля, которая используется для маневрирования на орбите и торможения при спуске.
Она состоит из двух мощных жидкостных ракетных двигателей. Один из них — основной, другой — резервный. С помощью этих двигателей корабль может перейти на другую орбиту, сблизиться с орбитальной станцией или отойти от нее, замедлить движение для перехода на траекторию спуска. После торможения на орбите отсеки корабля отделяются друг от друга. Орбитальный и приборно-агрегатный отсеки сгорают в атмосфере, а спускаемый аппарат приземляется в заданном районе посадки. Когда до Земли остается 9–10 километров, срабатывает парашютная система. Сначала раскрывается тормозной парашют, а затем — основной. На нем аппарат совершает плавный спуск. Непосредственно перед приземлением на высоте одного метра включаются двигатели мягкой посадки.
Система двигателей малой тяги состоит из 14 двигателей причаливания и ориентации и из 8 двигателей для точной ориентации. В приборно-агрегатном отсеке находятся также гидроагрегаты системы терморегулирования, баки с топливом, шаровые баллоны системы наддува исполнительных органов, аккумуляторы системы электропитания. Источником электроэнергии служат также солнечные батареи. Две панели этих батарей полезной площадью около 9 квадратных метров закреплены снаружи на приборно-агрегатном отсеке. На кромках батарей — бортовые огни красного, зеленого и белого цветов, которые помогают ориентироваться при причаливании и стыковке кораблей.
Снаружи установлен и ребристый радиатор-излучатель системы терморегулирования, который позволяет отвести в космос избыточное тепло корабля. На приборно-агрегатном отсеке много антенн — радиотелефонной связи корабля с Землей на коротких и ультракоротких волнах, радиотелеметрической системы, траекторных измерений — и датчиков системы ориентации и управления движением.
Опыт применения корабля «Союз» и станций «Салют» показал, что необходимо совершенствовать орбитальные комплексы не только для увеличения длительности работы станций, расширения программ и сферы исследований, но и для увеличения возможностей транспортного корабля, повышения безопасности экипажа, улучшения эксплуатационных характеристик.
Для решения этих задач на базе «Союза» был создан новый корабль — «Союз Т». Оригинальные конструкторские решения позволили увеличить численность экипажа до трех человек. Корабль оснастили новыми бортовыми системами, в том числе вычислительным комплексом, объединенной двигательной установкой, солнечными батареями, системой жизнеобеспечения для автономного полета.
Особое внимание конструкторы уделили высокой надежности и безопасности полета. Корабль позволял вести управление в автоматическом и ручном режимах, включая участок спуска, даже в такой тяжелой расчетной нештатной ситуации, как разгерметизация на орбите спускаемого аппарата. Длительность полета «Союза Т» в составе станции была доведена до 180 суток.
Все эти новые технические решения в полной мере оправдали себя во время полета космонавтов В. Джанибекова и В. Савиных к «Салюту-7», находившемуся в свободном дрейфе. После стыковки корабль своими ресурсами дал возможность экипажу провести восстановительный ремонт станции. Другим не менее ярким примером служит перелет космонавтов Л. Кизима и В. Соловьева со станции «Мир» на «Салют-7» и обратно с грузом массой до 400 килограммов.
Дальнейшее развитие космической программы с целью создания постоянно действующего орбитального комплекса потребовало усовершенствования корабля «Союз Т». Перед разработчиками стояла задача обеспечить совместимость корабля со станцией «Мир», повысить его энергетические возможности и усовершенствовать бортовые системы.
Как пишет И. Минюк в журнале «Авиация и космонавтика»: «Необходимость повышения энергетики космических транспортных средств обусловлена тем, что корабль "Союз Т" обеспечивал доставку экипажа из трех человек только на орбиту высотой порядка 300 километров. А ведь устойчивая орбита станции лежит выше 350 километров.
Выход был найден за счет снижения "сухой" массы корабля, применения для парашютных систем более легкого высокопрочного материала и новой двигательной установки системы аварийного спасения. Это позволило довести высоту стыковки трехместного корабля "Союз ТМ" со станцией "Мир" до 350–400 километров и увеличить массу доставляемого груза.
Одновременно шло совершенствование его бортовых систем, в том числе радиосвязи для переговоров экипажа с Землей, измерителей угловых скоростей, двигательной установки с секционированным хранением запасов топлива, а также теплозащитной одежды космонавтов. Необходимо отметить, что "Союз ТМ" в составе орбитального комплекса может резервировать некоторые функции станции. Так, он в состоянии проводить необходимую ее ориентацию и подъем орбиты, осуществлять электропитание, а его система терморегулирования способна сбросить избыток тепла, образовавшегося на орбитальном комплексе».
На базе «Союза» создан еще один космический аппарат, обеспечивающий функционирование долговременных орбитальных станций, — это «Прогресс». Так назван одноразовый автоматический грузовой транспортный космический корабль. Его масса после заправки и загрузки — немного более 7 тонн.
Автоматический грузовой космический корабль «Прогресс» предназначен для доставки на орбитальные станции «Салют» различных грузов и топлива для дозаправки двигательной установки станции.
Хотя он во многом напоминает «Союз», в его конструкции имеются и существенные отличия. Этот корабль тоже состоит из трех отсеков, но их назначение и, следовательно, конструкция иные. Грузовой корабль не должен возвращаться на Землю. Естественно, в его составе нет и спускаемого аппарата. После выполнения своей функции он отстыковывается от орбитальной станции, соответствующим образом ориентируется, включается тормозной двигатель, аппарат входит в плотные слои атмосферы над расчетным районом Тихого океана и прекращает существование.
Вместо спускаемого аппарата имеется отсек для перевозки топлива — горючего и окислителя, а орбитальный отсек в «Прогрессе» превратился в грузовой. В нем на орбиту доставляют запасы пищи и воды, научную аппаратуру, сменные блоки различных систем орбитальной станции. Весь этот груз весит более двух тонн.
Приборно-агрегатный отсек «Прогресса» похож на аналогичный отсек корабля «Союз». Но и в нем есть некоторые различия. Ведь «Прогресс» — корабль автоматический, и поэтому здесь все системы и агрегаты работают только самостоятельно или по командам с Земли.
Пилотируемые грузовые корабли постоянно совершенствуются. С 1987 года космонавты доставляются на орбитальные станции и возвращаются на Землю на модифицированном корабле «Союз ТМ». Модифицирован и грузовой «Прогресс».