Самая замечательная ракета
Юбилей запуска первого спутника будет в октябре, но именно сегодня, 15 мая, 60 лет назад впервые поднялась в небо ракета, которая вывела его на орбиту. Знаменитая "семерка", обеспечившая череду побед Советского Союза в космосе, восхитивших весь мир, празднует сегодня свой шестидесятилетний юбилей на "рабочем месте" - ракеты на ее базе летают сейчас и будут летать еще лет десять минимум. Можно долго спорить, какая ракета-носитель является лучшей, но, на мой взгляд, титул самой замечательной ракеты однозначно принадлежит семейству Р-7. "Семерку" проектировали без преувеличения гениальные люди. И в конструкции ракеты до сих пор можно найти результаты их остроумных, талантливых и местами парадоксальных решений.
Один из первых пусков Р-7, фото из архива ЦЭНКИ
Красота по-советски
Современные ракеты-носители прагматичны до скуки. Цилиндрические ступени в лучшем случае оканчиваются выступом надкалиберного обтекателя, да иногда где-нибудь унылую ровную поверхность нарушает выступающий трубопровод. На этом фоне "семерка" с коническими боковыми блоками и второй ступенью сложной формы выглядит настоящей красавицей.
Ступени РН "Союз", фото из буклета ЦСКБ "Прогресс"/cosmopark.ru
На фото хорошо видно, что центральный блок (вторая ступень) в верхней части шире, чем в нижней. Кроме того, если приглядеться, заметно, что верхняя часть центрального блока коническая, и ступень сначала расширяется, а потом уже сужается.
Ракета "Восток" на ВДНХ, фото Sergei Arssenev/Wikimedia Commons
Если задуматься, боковые блоки тоже вызывают вопросы. Кроме того, что они конические, и, значит, в них поместится меньше топлива, чем в цилиндрические той же высоты, многие современные ракеты вообще не используют боковые блоки. Почему же они появились на "семерке"?
Р-7, она же по индексу Главного ракетно-артиллерийского управления, 8К71, должна была быть межконтинентальной баллистической ракетой, и нести водородную бомбу массой 5,4 тонны на расстояние 8240 километров. Советские конструкторы уже умели делать одноступенчатые ракеты, летающие на 1200 км (Р-5), но простые расчеты показывали, что одной ступени для такой дальности и грузоподъемности не хватит. Теоретическое решение - многоступенчатые ракеты - было предложено еще в начале 20-го века Циолковским, но его практическая реализация сразу же поставила огромное количество проблем перед инженерами. Самый очевидный вариант, поставить вторую ступень над первой, означал, что двигатель второй ступени придется включать на большой высоте, в условиях почти вакуума и невесомости. Как там поведет себя запускающийся ракетный двигатель, никто пока не знал. Поэтому было принято решение установить первые ступени пакетом вокруг второй. В этом случае все пять двигателей запускались на Земле, под электрическим контролем наземных систем, и, только если все было в порядке, ракета отрывалась от стартового стола.
Принятое решение скомпоновать ракету "пакетом" породило множество новых проблем, потому что у конструкторов вместо одной ракеты появилось, фактически, пять. Инженеры, привыкшие к свободно стоящей на стартовом столе ракете, сначала спроектировали четыре отдельных стола для боковых блоков, и собирались транспортировать ракету на старт в вертикальном положении. А сами боковые блоки изначально хотели сделать цилиндрами высотой 20,92 м. Но идея плохо смотрелась уже на чертежах. Транспортер выглядел громоздким, сложным и дорогим, четыре отдельных стола неприемлемо нагружали центральный блок, и, к тому же, небольшой ветер грозил опрокинуть ракету. А боевая ракета не могла дожидаться хорошей погоды. Паллиативные решения вроде строительства стены вокруг старта выглядели уродливо и плохо решали проблему. Нужно было придумать что-то принципиально новое.
В полете усилие от боковых блоков передавалось на силовой шпангоут центрального блока в его верхней части. И возникла очень изящная идея использовать уже существующий на ракете элемент в стартовом сооружении. Ракету подвесили за середину так, что на стартовом столе она испытывала нагрузки, практически совпадающие с полетными.
Узел крепления бокового блока с карманом под кронштейн стартового сооружения, фото КИК СССР
Кронштейн стартового сооружения, фото КИК СССР
Ракета в стартовом сооружении, фото КИК СССР
Также, боковые блоки сделали коническими и уменьшили их длину на 1,3 м. Подобное решение, во-первых, снижало требования к скорости отвода силовых опор, а во-вторых, в полете сдвигало назад центр давления, облегчая работу системы управления.
Подвешивание ракеты "под бока" решало и проблему ветровой нагрузки - появилась возможность опустить хвостовую часть под стартовое сооружение, спрятав ее от ветра и избавиться от "китайской стены" вокруг старта.
Схема стартового сооружения, рисунок из архива КБОМ
Нерациональный транспортер тоже удалось ликвидировать, заменив вертикальную сборку и транспортировку на горизонтальную. Установочный агрегат стал легким и изящным.
Установка РН "Союз" в стартовое сооружение, фото Рамиль Ситдиков/РИА Новости
Укрощенная гравитация
"Самый надежный механизм - механизм, который отсутствует" - эти слова приписывают Владимиру Бармину, главному конструктору стартовых сооружений. И по этому афоризму семейство ракет "Р-7" близко к абсолютной надежности, потому что множество действий выполняют не специальные механизмы, а прирученная гравитация.
Просто и надежно до гениальности реализован старт "семерок". При запуске боковых блоков неизбежен разброс тяги. При этом могут возникать большие возмущающие моменты, а "запоздавший" блок мог бы в худшем случае вывалиться из пакета. Синхронизировать запуск двигателей средствами 50-х годов было невозможно. Но эту проблему сумели красиво обойти - боковые блоки при запуске выходили на промежуточную ступень тяги, меньшую, чем масса ракеты. Возмущающие моменты парировались фермами стартового сооружения. Если все было в порядке, запускался двигатель центрального блока. Суммарная тяга двигателей превышала вес ракеты, и она начинала подниматься. Когда ракета поднималась на 49 миллиметров, кронштейны стартовых опор выходили из креплений, и ракета оказывалась в свободном полете. А с промежуточной ступени на полную тягу боковые блоки переходили проще и надежней, что позволяло это делать уже в полете.
Ракета чуть поднялась, опоры уже начинают выдвигаться, стоп-кадр из видео сделан КИК СССР
Анимация старта по видео ЕКА
А силовые опоры и кабель-мачты отводятся под действием гравитации - на них стоят большие и тяжелые противовесы.
Противовесы - желтые цилиндры, фото Роскосмоса
Отделение боковых блоков тоже сделано просто до гениальности. Перед разделением двигатели боковых блоков переводятся на пониженную тягу, а рулевые двигатели выключаются. Затем разрываются нижние силовые связи в хвосте ракеты.
Нижние силовые связи, фото КИК СССР
Двигатели боковых блоков специально расположены под углом к оси блока.
Ось блока и направление тяги двигателя, схема КИК СССР
Поэтому после разрыва силовых связей блоки начинают поворачиваться.
Фото КИК СССР
Затем двигатели боковых блоков выключаются. Двигатель центрального блока (второй ступени) продолжает работать, и боковые блоки под своим весом просто вываливаются из креплений. Сразу после разрыва механического соединения раскрывается дренажный клапан кислородного бака, и боковые блоки начинают закручиваться.
Дренажный клапан под красной предохранительной крышкой по центру, фото КИК СССР
Только в 21 веке на "Союзах" поставили бортовые камеры, и мы смогли увидеть вблизи, насколько это красиво.
Анимация по видео ЕКА
Уникальные кадры штатных и аварийных разделений рекомендую посмотреть на сайте КИК СССР.
Парадоксы немецкого наследия
Американская и советская ракетно-космическая техника многое позаимствовали из немецких трофеев, доставшихся после окончания Второй мировой войны. И, если американцам достался главный конструктор "Фау-2" Вернер фон Браун с большей частью своей команды, то "улов" СССР был скромнее - запасные части ракет и конструкторы второго эшелона вроде Гельмута Греттрупа. Тем не менее, иногда проскакивают обвинения в том, что, якобы, советские конструкторы не разрабатывали ракеты самостоятельно, а воровали идеи немецких конструкторов. При желании в интернете можно найти даже рисунки якобы проекта Греттрупа, подозрительно похожего на Р-7.
Рисунок astronautix.com
Любой, хоть сколько-нибудь интересовавшийся историей космической техники, знает, что даже формально копия "Фау-2", советская Р-1, уже отличалась от нее тем, что была модифицирована под производство в СССР, и использовала другие материалы. А уже начиная с Р-2 советские конструкторы отодвинули немцев и стали идти своей дорогой. Греттрупа отпустили из СССР еще в 1953 году, до начала разработки Р-7, продержав до этого несколько лет в информационной изоляции, а Г-5 был проектом крылатой, а не баллистической ракеты. Так что обвинения в плагиате полностью безосновательны. Но, в то же время, я знаю в "семерке" две вещи, которые до сих пор несут немецкий след.
Первая - это стартовый ключ, поворотом которого дается последняя ручная команда на пуск ракеты. Конструкторы, создавая пульты стартовых систем Р-7 хотели поставить более современно выглядящий выключатель, но военные, привыкшие к команде "ключ на старт" попросили оставить механический ключ.
Ключ на старт в Музее космонавтики, фото из ЖЖ yellow-reporter
Вторая - идея привода турбонасосного агрегата от каталитического разложения перекиси водорода. В присутствие катализатора концентрированная перекись превращалась в горячий водяной пар, и высвободившаяся энергия вращала турбины, подающие в двигатель компоненты топлива. Концепция использовалась и на "Фау-2", и на советских Р-1, Р-2, Р-5, до сих пор жива на семействе Р-7, и только на последующих ракетах от нее отказались. В 1950-х это был простой, компактный и надежный, пусть и не самый эффективный вариант, а сейчас это смотрится анахронизмом. В более современных ракетах стоят газогенераторы в виде небольших камер сгорания, которые используют те же компоненты и из тех же баков, что и основной двигатель. Но модернизировать двигатели и менять конструкцию уже поздно, надежность двигателя за сотни пусков наработана буквально космическая, так что газогенератор с перекисью будет летать на "семерке" до конца ее эксплуатации.
Газогенератор, рисунок lpre.de
Сложное, простое и необычное
Когда при проектировании Р-7 одна ракета фактически превратилась в пять, возникла проблема неравномерного расхода топлива. Как бы ни старались двигателисты производить одинаковые двигатели, и тогда и сейчас тяга и расход компонентов конкретного экземпляра двигателя будут находиться в каком-то диапазоне. На технике 50-х годов терялись бы десятки тонн топлива, а ракета испытывала бы несимметричные нагрузки от разной массы боковых блоков. Поэтому пришлось сделать специальную систему синхронизации опорожнения баков.
Если надежность одного ракетного блока равна 0,9, то, поскольку для нормального полета нужна работа всех пяти, надежность нужно перемножить, и итоговая надежность составила бы 0,95, то есть 0,59, что совершенно неприемлемо. И это еще не учитывая надежности системы управления, системы разделения и т.д. Конструкторам пришлось кардинально улучшить надежность систем - все, что можно, не только дублировали, но и ставили три одинаковые системы с голосованием (мажорирование). А то, что нельзя было дублировать, например, двигатели, подвергали наземной отработке и испытаниям. Фактически, создав Р-7, советские ракетчики вышли на качественно новый уровень обеспечения надежности технических систем.
Изящное решение, ставшее традиционным для советской и российской космической техники придумали двигателисты. Двигатель с большой камерой сгорания и параметрами, требуемыми для Р-7, создать не удавалось. А в камерах сгорания меньшего размера процессы были более понятными и управляемыми. Одну большую камеру заменили на четыре маленькие, а выгода от повышения эффективности двигателя перевесила потери от увеличения его массы. На исходной "семерке" получилось аж 32 камеры сгорания - 20 маршевых и 12 рулевых.
Транспортировка РН "Союз" на старт, фото NASA
Надежно зажечь 32 камеры сгорания - нелегкая задача. Благодаря тому, что на первой и второй ступенях двигатели запускаются на земле, стало возможным реализовать очень простое и дешевое решение - пиротехнические шашки с электрическим запалом на деревянных креплениях.
Пирозажигательные устройства на деревянных креплениях
Представляя из себя, фактически, гигантские спички, пирозажигательные устройства стоят копейки, и позволяют надежно запускать двигатель - если шашка по какой-то причине не загорелась, система управления получит информацию об этом, и остановит запуск ракеты. Надежность системы такова, что старт ракеты по причине плохого зажигания отменяют реже, чем раз в десятилетие.
Но самую забавную особенность семейства Р-7 я приберег напоследок. "Семерка", наверняка, единственная из существующих ракет-носителей, где перед стартом персонал проворачивает вручную турбонасосные агрегаты двигателей при помощи "кривого стартера", как на старых автомобилях.
Вид сверху на турбонасосный агрегат, музей РКК "Энергия", собственное фото
На Р-7 в качестве окислителя используется жидкий кислород. Он очень холодный, и стремится заморозить все, до чего сможет добраться. Турбонасосный агрегат перед стартом обогревается, но чтобы убедиться, что на на нем не намерз лед, и он может свободно вращаться, персонал открывает небольшой лючок на боку каждого блока, вставляет в отверстие "кривой стартер", и проворачивает его.
Лючок для проворота ТНА вручную, музей РКК "Энергия", собственное фото
Заключение
Шестьдесят лет - немаленький срок для технической системы. Конечно, ракета с тех пор неоднократно модернизировалась, и, несмотря на все архаичные элементы конструкции, остается эффективной и конкурентоспособной. А наработанную сотнями пусков надежность крайне сложно будет превзойти. Уже в 21 веке для нее появились два новых старта - в Куру и на "Восточном". Красивая, гениальная, сложная, простая и парадоксальная - все это наша самая замечательная "семерка".