Как «семерка» обогнала всех: особенности ракеты для гагаринского корабля
Одним из главных факторов, определивших облик первых пилотируемых космических кораблей, были возможности средств выведения. Космическая гонка заставила СССР и США отказаться от создания специальных носителей в пользу доработки баллистических ракет. Советские инженеры серьезно опередили американских конкурентов, так как ракета Р-7, на основе которой были созданы первые советские космические носители, обладала большей энергетикой, чем американские «Атлас» и «Титан».
Путь к «семерке» — от «тандема» к «пакету»
Легенда гласит, что высокая грузоподъемность Р-7 возникла из-за просчета советских ученых-ядерщиков, которые завысили массу термоядерной боеголовки. Однако это не совсем верно.
Постановление «О плане научно-исследовательских работ по ракетам дальнего действия на 1953–1955 годы», подписанное 13 февраля 1953 года Иосифом Сталиным, ставило задачу разработать первую в мире межконтинентальную ракету с дальностью полёта 8000 км и массой головной части 3000 кг.
В то время у СССР еще не было термоядерного заряда, поэтому «межконтиненталка» Р-7 (как и ракета средней дальности Р-5М) могла нести только атомную боеголовку типа РДС-4. Первая советская водородная бомба РДС-6с, испытанная 12 августа 1953 года, имела массу 4700 кг. Перед ядерщиками стояла задача создать более лёгкое, мощное и совершенное изделие. Но было сложно оценить параметры перспективной бомбы, так как рассматривались несколько вариантов.
В октябре 1953 года заместитель председателя Совета Министров СССР Вячеслав Малышев принял решение о разработке ракеты Р-7 под термоядерный заряд.
Сергей Королёв был шокирован: по первым оценкам создателя советской водородной бомбы Андрея Сахарова, ее масса превышала три тонны, а массу головной части ракеты требовалось увеличить до 5500 кг, что говорило о необходимости переделки почти готового эскизного проекта Р-7 стартовой массой 170 т.
20 мая 1954 года Королёв получил пересмотренное задание на Р-7: дальность — по-прежнему 8000 км, боевая часть — термоядерная, массой заряда вместе с аппаратурой автоматики 3400 кг (к слову — весной 1956 года, после испытания новой бомбы на принципе обжатия заряда, стало ясно, что изделие можно облегчить до 2900 кг и соответственно увеличить дальность Р-7). Ракета становилась тяжелее — около 270 т, объёмы топливных баков и тяга двигателей выросли.
Главный конструктор ОКБ-456 Валентин Глушко, ведущий специалист по жидкостным ракетным двигателям, спроектировал однокамерные РД-105 и РД-106 тягой 53-55 тс для первой и второй ступеней Р-7. Но из-за ограниченных технологических возможностей предприятия он решил использовать не одну, а четыре небольшие камеры. Вместе они были мощнее. Так появились РД-107 и РД-108 тягой около 80 тс.
До Р-7 эталоном многоступенчатой ракеты считалась «тандемная» схема, в которой ступени запускали двигатели последовательно. Теперь же предполагалось реализовать «пакетную» схему, предложенную в конце 1940-х давним знакомым Сергея Королева Михаилом Тихонравовым.
Его предложение заключалось в использовании соединённых в связку одинаковых уже имеющихся одноступенчатых ракет. Определенным образом сбрасывая их в полете, можно было достичь необходимой скорости.
Разглядев потенциал в «пакете», Сергей Королёв взялся за его разработку в ОКБ-1. К исследованиям возможностей "пакета" кроме группы Тихонравова он привлёк Мстислава Келдыша и его сотрудников из Математического института Академии наук.
В 1950-52 годах были проведены исследования различных схем. От идеи собрать в пакет изделия типа Р-2, Р-3 или Р-5 отказались, предпочтя конструкцию из блоков разных размеров с унификацией двигателей ступеней. Эта схема легла в основу проекта Р-7.
Самый тяжелый летательный аппарат в истории
Вид «семёрки» был непривычен: в те времена воображение рисовало изящное веретенообразное тело, устремлённое в небо, как у всех летавших «изделий».
"Пакетная" Р-7 казалась необычно кряжистой и громоздкой, но в то время она являлась не только самой большой ракетой, но и самым тяжёлым летательным аппаратом из созданных человеком!
Несмотря на необычный внешний вид, Р-7 стала шедевром инженерного искусства. Ракета состояла из центрального блока А (второй ступени) и четырёх боковых блоков Б, В, Г и Д (первая ступень), запускавшихся одновременно на земле. Это позволяло избежать включения второй ступени в полете и контролировать запуск двигателей. Каждый блок перевозился по железной дороге в отдельном вагоне.
Недостатком пакетной схемы было то, что вторая ступень начинала полет с полупустыми баками, что снижало эффективность. Использование двигателя второй ступени с момента старта облегчало двигательную установку первой ступени. По конструктивному совершенству "пакет" был на уровне других схем многоступенчатых ракет тех лет.
Из-за вытянутой конической формы боковые блоки получили прозвище «морковка». Внутри хвостового отсека находился двигатель РД-107 с двумя рулевыми камерами. В воздухе им помогал треугольный аэродинамический руль, установленный снаружи. «Морковки» связывались с «центром» двумя механическими тягами, передававшими боковые силы.
Над двигателем размещались баки жидкого азота для наддува топливных баков и перекиси водорода для турбонасосного агрегата. Баки основных компонентов – керосина и жидкого кислорода – были несущими и воспринимали все нагрузки в полете. Своей верхней частью «морковки» крепились к центральному блоку, передавая продольные силы от тяги двигателей.
Центральный блок А имел сложную веретенообразную форму из цилиндрических и конических поверхностей. В его основании стоял двигатель РД-108, который отличался от РД-107 четырьмя рулевыми камерами и меньшей тягой при старте. Над баками располагался приборный отсек для блоков управления, радиосистемы, приборов автоматики и других агрегатов.
Эти огромные по современным меркам блоки (об их габаритах даёт представление характерная табличка на люках приборного отсека, через которые техники на старте налаживали и обслуживали оборудования: «В отсек по двое не входить!») крепились к... фанерным перегородкам! На первый взгляд может показаться странным использование дерева в конструкции ракеты в эпоху металла. Однако всё объясняется просто: фанера отлично гасила вибрации, способные повредить приборы. Сверху размещалась боевая часть с термоядерным зарядом.
Гигантская ракета, висящая в «тюльпане»
Собранная «семёрка» имела в высоту более 34 м и поперечный размер свыше 10 м. Габариты потребовали строительства больших монтажно-испытательных корпусов на полигоне и циклопических стартовых сооружений, поражающих размерами и внешним видом.
Изначально планировалось собирать ракету на пяти пусковых столах: стоящие на торцах блоки соединялись между собой и образовывали готовое «изделие». Стартовое сооружение казалось простым, повторяя принципы установки ракет Р-1, Р-2 и Р-5.
Когда инженеры-прочнисты подсчитали напряжения в конструкции, возникающие при ветре или разной тяге двигателей, стало ясно, что эта схема не годится. Специалисты ОКБ-1 нашли выход: для того, чтобы нагрузки на земле не отличались от полётных, они «подвесили» ракету к стартовому комплексу в том месте, где боковые блоки крепятся к центру. Это решение усложнило схему пускового устройства и придало ему циклопический вид.
Предполагалось, что ракета будет опираться на четыре ферменных стрелы, которые после запуска двигателей будут раздвигаться гидравлическими домкратами.
В Государственном специальном конструкторском бюро специального машиностроения (ГСКБ «Спецмаш») Владимира Бармина идею восприняли без энтузиазма, но приступили к её реализации. В ходе работ инженеры сочли необходимым вообще отказаться от гидравлики для отвода ферм. Зачем она? Ведь эту работу может делать... гравитация! Пока ракета стоит на старте, она своим весом удерживает фермы в сведённом состоянии. Но как только при подъёме «изделие» перестаёт давить на них, шарнирно закреплённые фермы отводятся под действием собственного веса.
Простота пускового устройства обеспечила его надёжность, но добавила громоздкости. Четыре опорные фермы, названные «тюльпаном», устанавливались на мощном поворотном устройстве для прицеливания ракеты.
Третья ступень
Надо признать, что «семёрка» не годилась для роли боевого оружия. Ее громоздкость и техническая сложность не соответствовали военным понятиям «скрытность» и «защищённость». Однако недостатки Р-7, снижавшие её боевую ценность, оказались несущественными для космического носителя.
С небольшими доработками ракета могла доставлять в космос аппараты массой до полутора тонн.
Но несмотря на мощь «семёрки», для запуска межпланетных аппаратов и пилотируемых космических кораблей её возможностей не хватало. Даже при оптимизации траектории она могла доставить на орбиту высотой 180-200 км спутник массой не более 2-2,5 т, что было недостаточно для решения перспективных задач.
Ещё до запуска Первого спутника в ОКБ-1 началась разработка трёхступенчатого варианта носителя. Ракета могла вывести на низкую околоземную орбиту груз массой от 4 до 6 т, что открывало возможности для отправки к Луне и планетам небольших зондов и запуска пилотируемых кораблей и тяжёлых беспилотных спутников. Основной проблемой при создании третьей ступени была разработка высокоэкономичного двигателя, способного запускаться в условиях невесомости и вакуума.
Первым задание на разработку двигателя получило химкинское ОКБ-456. В то время его руководитель Валентин Глушко заинтересовался несимметричным диметилгидразином (НДМГ, гептил), новым синтетическим горючим, ядовитым, но долго хранящимся при комнатной температуре и самовоспламеняющимся при контакте с азотной кислотой или окислами азота. Глушко предложил сделать третью ступень «семерки» на топливе «жидкий кислород – гептил», поскольку последний давал лучшую энергетику по сравнению с керосином.
Разработка двигателя началась в 1958 году, в проект были заложены прогрессивные решения: камера с высотным соплом, новые методы охлаждения, газогенератор турбонасоса, работающий на продуктах разложения горючего. Но через год, при огневых испытаниях возникли проблемы: газогенератор работал неустойчиво, гептил разлагался в рубашке охлаждения, что приводило к прогарам камеры, высокие заданные параметры не были достигнуты. Работа затягивалась, возникала угроза срыва космических задач…
Для подстраховки ОКБ-456 задание на разработку более простого двигателя, работающего на тех же компонентах (жидком кислороде и керосине), что заливались в баки первой и второй ступеней, получило воронежское ОКБ-154 Семёна Косберга. Уже почти два десятилетия предприятие создавало агрегаты автоматики для авиационных двигателей и теперь втягивалось в ракетную тематику. Косберг стремился расширить круг заказов за счет космических задач и в феврале 1958 года предложил Королёву совместно разработать двигатель для третьей ступени.
За основу взяли задел по рулевым камерам для «семерки»: специалисты двигательного отдела ОКБ-1 под руководством Михаила Мельникова сконструировали эти рулевые камеры для первых вариантов РД-107/108, когда Валентин Глушко отказался от этой темы. Итак, Воронеж занялся турбонасосным агрегатом и автоматикой, а Подлипки – камерой.
Не все шло гладко, учитывая, что ОКБ-154 выполняло работы по другим темам. Но интуиция Сергея Павловича не подвела, и через семь месяцев после начала работ двигатель был готов. Конструкцию третьей ступени – блока Е – в сжатые сроки разработали в ОКБ-1, применив для сокращения длины тороидальные баки окислителя и горючего.
Основная проблема заключалась в том, что в невесомости компоненты топлива занимают произвольное положение, образуя пустоты и пузыри, заполненные газом наддува. Попадание такого пузыря на вход турбонасосного агрегата приводило к его остановке или невозможности запуска двигателя.
Эту проблему решили следующим образом: двигатель третьей ступени включался до окончания работы второй, когда перегрузка еще значительна и топливо в баках прижато к заборным устройствам, обеспечивая надежное поступление компонентов в турбонасос.
На верхней части приборного отсека второй ступени поставили колпак-отражатель с жаростойким покрытием, а ракетные блоки соединили ажурной фермой, похожей на забор-штакетник, чтобы выхлоп двигателя третьей ступени мог беспрепятственно выходить наружу. Это также решало проблему разделения – газы из двигателя расталкивали блоки, оставалось только открыть замки межступенчатой фермы. Для управления использовались четыре качающихся сопла, через которые выпускался отработанный газ.
Ракета-носитель, оснащенная третьей ступенью, позволила осуществить первый пролет около Луны и создание первого искусственного спутника Солнца (январь 1959-го), первое достижение поверхности Луны (сентябрь 1959-го), первый облет Луны с фотографированием обратной стороны (октябрь 1959-го). Ракета-носитель обозначалась как 8К72, официального названия не имела, в прессе ее иногда называли «Лунник».
Вскоре воронежское ОКБ-154 разработало более мощный, легкий и экономичный двигатель на тех же основных компонентах. Этот двигатель был применен для третьей ступени ракеты, предназначенной для запуска первого советского космического корабля.
Гептиловое изделие ОКБ-456 также не пропало: на его основе создали более совершенный двигатель, довели до серийного производства и установили на вторую ступень легкого носителя «Космос-1».
Третья ступень модернизированной «семерки» имела приборный отсек в средней части между баками. Там располагалась полуавтономная система управления с инерциальным блоком и радиокомандным управлением продольной и боковой дальностью, а также элементы телеметрии, энергоснабжения и автоматики. Система управления была разработана коллективом под руководством Николая Пилюгина, аппаратура радиоуправления — Михаила Рязанского. Гироскопические приборы проектировались коллективом Виктора Кузнецова.
Пуск!
Как же выглядел полет трехступенчатой «семерки»? Старт — это эффектное зрелище: грохот, море дыма заволакивает стартовый комплекс. Пуск начинается с одновременного включения двигателей первой и второй ступеней. Они постепенно выходят на основной режим, снижая нагрузки на ракету и давая время на обнаружение неисправностей: для отрыва от земли требуется слаженная работа 20 основных и 12 рулевых камер четырех боковых и одного центрального блока ракеты.
Как только тяга превысит вес ракеты, «семерка» начинает движение. Срабатывает контакт подъема, фиксирующий начало полета. Фермы пускового устройства распахиваются, и серебристое тело поднимается, опираясь на столб огня. Ракета движется все быстрее, пронзает облака и становится еле различимой звездочкой.
«Морковки» боковых блоков работают после отрыва от стартового стола 118-119 секунд. Когда их тяга спадает, разрываются нижние связи. Под действием остаточной тяги двигателей блоки поворачиваются в шарнирах верхнего пояса, где открываются сопла, через которые стравливается газ наддува из баков. Тяга отводит «морковки» от «центра». Разделение ступеней происходит на высоте 55 км при скорости 2750 м/сек.
На 155-й секунде сбрасывается обтекатель, защищающий груз ракеты от аэродинамических нагрузок. Блок А работает еще 175-180 секунд. На высоте 155 км и скорости 6500 м/сек запускается двигатель блока Е, выполняется горячее разделение ступеней. Полет проходит практически в вакууме.
Двигатель третьей ступени «слабоват», поэтому работает дольше остальных, и выключается через 609 секунд после старта. Наступает состояние невесомости, корабль отделяется от последней ступени.
В конструкторской документации модифицированная «семерка», созданная для запуска пилотируемого корабля, обозначалась «изделием 8К72К», а в советской печати ее называли «мощной трехступенчатой ракетой-носителем». В 1967 году ракету рассекретили и представили на международном аэрокосмическом салоне в Ле-Бурже, где "семерка" произвела фурор: на ее борту красовалась надпись «Восток»! Так ее и стали называть, причем не только в прессе и популярных изданиях, но и официально.
Блоки А, Б, В, Г и Д выпускались серийно на куйбышевском заводе «Прогресс», где затем производились все ракеты «семерочного» семейства. После изготовления первые две ступени ракет отправлялись в ОКБ-1, на завод №88, для доработки под установку третьей ступени, собираемой в Подлипках.
Двигатели для первых двух ступеней производились в Куйбышеве (ныне Самара) на авиамоторном заводе имени Фрунзе, двигатели третьей ступени изготавливал Воронежский механический завод, систему управления производил харьковский завод «Коммунар».
Королёв и его соратники рисковали, отправляя человека в космос на недостаточно отработанной ракете. Но они верили в своё детище, вкладывали в него душу, и оно отвечало им взаимностью. Сегодня Р-7 кажется не самым совершенным носителем, но в конце 1950-х он был единственным и неповторимым средством выведения на околоземную орбиту.
