«Восход-2» стартовал 18 марта 1965 года ровно в 10 часов московского времени (07:00 по Гринвичу) с космодрома Байконур. Экипаж: Павел Беляев — командир и Алексей Леонов — пилот. Во время полета корабля «Восход-2» впервые в мире космонавт вышел из кабины космического корабля в открытый космос.

Посадка корабля «Восход-2» должна была состояться после 17 витков в автоматическом режиме, но автоматика не сработала. Корабль совершил ещё один виток вокруг Земли. На следующем витке командир корабля Павел Беляев перевёл корабль на ручное управление. Из-за того, что кресла космонавтов в кораблях «Восход» были повёрнуты на 90 градусов относительно пульта (и относительно исходного положения на корабле «Восток»), ручное управление кораблём было невозможно, если космонавты были пристёгнуты в кресле «по-посадочному». Поэтому Павлу Беляеву пришлось отстегнуться, сориентировать корабль, подготовить включение ТДУ, вернуться в кресло, пристегнуться и включить ТДУ. На то, чтобы вернуться в кресло и пристегнуться, ушло 22 секунды, что дало перелёт приблизительно на 165 км к северо-востоку. В результате корабль приземлился в нерасчётной точке (с координатами 59°34′21.5″ северной широты и 55°29′35.1″ восточной долготы), которая находится, приблизительно, в 75 километрах северо-западнее города Березники (Пермская область).

Посадка произошла в заснеженной тайге, далеко от населённых пунктов. Космонавты пробыли трое суток (по официальной версии — сутки) в тайге, пока их не обнаружили и к ним не прибыли спасатели. Однако вертолёт не мог приземлиться поблизости. Место посадки для вертолёта было оборудовано на следующий день в 9 км от места, где приземлились космонавты. Космонавты и спасатели добирались до вертолёта на лыжах. На вертолёте космонавты были доставлены в Пермь. Вечером космонавты прилетели на Байконур.

Полёт корабля «Восход-2» был последним пилотируемым полётом кораблей типа «Восход». Ранее планировался длительный, до 15 суток, пилотируемый полёт на корабле «Восход-3», но этот полёт был отменен. Был осуществлён длительный полёт корабля «Восход» («Космос-110») с собаками Ветерок и Уголёк на борту. Этот полёт начался 22 февраля 1966 года и продолжался 20 суток. Это был последний полёт кораблей «Восход».

Источники