«Пятисотка»: как рождался мощный универсальный «Протон»
16 июля 1965 года с космодрома Байконур состоялся первый пуск двухступенчатой ракеты УР-500, которая вывела на орбиту тяжелый спутник-лабораторию «Протон» для исследования космических лучей. Pro Космос разбирается, почему это событие стало вехой в истории отечественной космонавтики.
Начало пути
Весной 1961 года особое конструкторское бюро №52 (ОКБ-52) под руководством Владимира Челомея начало инициативную проработку изделия, способного играть роль межконтинентальной баллистической ракеты тяжелого класса, глобальной ракеты или мощного космического носителя. УР-500 (универсальная ракета со стартовой массой 500 т) должна была доставлять к цели термоядерный заряд предельной на тот момент мощности, или же выводить на околоземные орбиты разнообразные космические аппараты, включая пилотируемые военные ракетопланы.
ОКБ-52 отвечало за весь комплекс в целом; проектированием и производством ракеты занимался филиал №1 в Филях — машиностроительный завод имени М.В. Хруничева (ЗИХ) с собственным КБ. Сборку изделий планировалось осуществлять на заводе, после чего их отправляли по железной дороге к местам испытаний или запуска. Это позволяло сократить объем работ на стартовой площадке.
Для транспортировки были разработаны специальные закрытые платформы, которые обеспечивали сохранность блоков. Габариты ракеты соответствовали железнодорожным стандартам: диаметр и длина блоков адаптировались под размеры тоннелей, мостов и поворотов.
Поиск двигателя
Хотя использование долгохранимых самовоспламеняющихся компонентов топлива, таких как азотный тетраоксид («амил») и несимметричный диметилгидразин («гептил»), значительно упрощало конструкцию ракеты и стартового комплекса, разработка первой ступени оказалась непростой задачей.
На тот момент специалисты Филиала №1 не имели большого опыта в создании ракет. Они рассматривали различные варианты, включая моно- и полиблочные схемы. По воспоминаниям Эдуарда Радченко, ветерана КБ «Салют», ведущий конструктор УР-500 Виталий Выродов столкнулся с отсутствием мощного двигателя, способного обеспечить тягу для старта тяжелого носителя.
Изначально планировалось использовать РД-0203, разработанный ОКБ-154 Семёна Косберга для ракеты УР-200. Он строился по экономичной замкнутой схеме с дожиганием газа, отработанного на турбонасосе. Однако его тяга составляла всего 50 тонн. Проектанты рисовали компоновки с гипотетическими двигателями большей мощности, но отсутствие последних вынуждало искать альтернативные решения. Рассматривались различные компоновки, включая разное число РД-0203 (при стартовой массе ракеты 500 тонн на первую ступень пришлось бы поставить 12–14 двигателей), но это усложняло конструкцию и снижало надежность.
Ситуация изменилась осенью 1961 года, когда Сергей Королёв отказался от использования на сверхтяжелой ракете Н-1 двигателя РД-253 — к слову, тоже работающего по замкнутой схеме, но обеспечивающего тягу 150 тонн. Ракетчик Владимир Челомей договорился с двигателистом Валентином Глушко о применении РД-253 на первой ступени УР-500: в октябре–ноябре 1961 года группа специалистов Филиала №1 во главе с заместителем главного конструктора Дмитрием Полухиным посетила ОКБ-456, где изучила проектную документацию на РД-253 и дала положительное заключение о его пригодности.
Четыре или шесть блоков?
Полиблочная компоновка первой ступени предусмотрела сокращение числа двигателей до восьми. Она включала несущий центральный блок-бак окислителя и четыре подвесных боковых блока-бака горючего. РД-0203 на боковых блоках качались в карданах для управления вектором тяги, тогда как двигатели РД-253 стояли неподвижно, поскольку изначально узлов качания не имели.
Однако эта схема казалась специалистам Филёвского филиала слишком сложной из-за большого числа изделий разных разработчиков, обладающих отличающимися характеристиками, да еще функционирующих по разным циклограммам. Это затрудняло управление включением и работой (общие магистрали питания требовали учёта взаимного влияния характеристик двигателей) и снижало надёжность всей установки. Виталий Выродов, будучи двигателистом по образованию, осознавал эти проблемы и искал более надёжное решение.
В самом начале 1962 года была предложена новая компоновка: один центральный блок окислителя диаметром 4,1 метра с шестью двигателями РД-253 и шесть боковых блоков горючего диаметром по 1,6 метра. Эта схема упрощала силовую схему ступени, пневмогидравлическую схему двигательной установки, обеспечивала надёжное управление в полёте, а также снижала массу конструкции и обеспечивала устойчивость при транспортировке и сборке. Правда, для решения проблемы управления вектором тяги нужны были сильфонные узлы на топливных магистралях, а также узел качания для отклонения РД-253 на угол около 11°.
Компоновку с шестью двигателями и шестью боковыми блоками представили на рассмотрение руководству. Однако начальник Филиала №1 Виктор Бугайский изначально отказывался обсуждать изменения, ссылаясь на уже утверждённое решение Владимира Челомея по компоновке с восемью двигателями и четырьмя боковыми блоками. Переломным моментом стало появление проекта крылатого ракетоплана как полезной нагрузки для УР-500. Расчёты показали, что старая компоновка не обеспечивала эффективного управления в полёте, требуя установки громоздких хвостовых стабилизаторов. Новая же схема позволяла обойтись без них, обеспечивая устойчивое управление.
Особенности конструкции
Эскизы новой компоновки, выполненные Эдуардом Радченко за 1 (один!) день, были переданы в ОКБ-456, где согласились доработать РД-253. На совещании 16 января 1962 года начальник проектного отдела Филиала №1 Геннадий Дермичев и ведущий конструктор Виталий Выродов представили новую компоновочную схему. Владимир Челомей утвердил компоновку, признав ее оптимальной по динамической прочности, частоте колебаний жидкости и упругим колебаниям конструкции. Схема не только отвечала требованиям транспортировки и сборки, но и заложила фундамент для создания надежной и мощной ракеты, известной впоследствии как «Протон».
Концепция первой ступени, включающей комбинацией баков различного диаметра с закреплением двигателей в нижней части несущего «центра», а не на боковых блоках, как кажется со стороны, стала предметом патента № 36616, выданного 26 июля 1966 года группе разработчиков, в которую вошли В. Челомей, В. Бугайский, В. Карраск, Г. Дермичев, Э. Радченко, Я. Нодельман, В. Выродов, Н. Егоров и Ю. Колесников.
Моноблочная вторая ступень, имеющая тот же диаметр 4,1 метра, что и центральный блок первой ступени. Она оснащалась четырьмя качающимися в карданах двигателями (три РД-0208 и один РД-0209), которые являлись вакуумными модификациями упомянутого РД-0203. Они развивали тягу в пустоте по 60 тонн каждый. Разделение первой и второй ступеней — горячее (струи газов верхней ступени расталкивали нижнюю, упрощая запуск двигателей в полёте).
Кроме компоновки, УР-500 воплотила множество новшеств, таких как фрезерованные «вафлей» баки, уменьшающие массу конструкции, прокладка коммуникаций по борту изделия, стыкуемых через торец нижнего отсека, что устранило необходимость в кабель-мачте, двигатели замкнутой схемы на обеих ступенях и систему управления с дублированием и троированием гиростабилизированных платформ. Эти решения обеспечили высокую надёжность и эффективность ракеты.
Конец МБР
Как уже упоминалось, важной проблемой была доставка ракеты на полигон, находящийся на расстоянии более 2100 км от завода-изготовителя. Разработчики остановились на железной дороге, что наложило ограничение на максимальный диаметр транспортабельного блока — 4,1 метра.
Для перевозки блоков ракеты использовались специальные крытые железнодорожные платформы. Они оснащены жесткими ложементами и мягкими прокладками, которые защищали ракету от повреждений во время транспортировки. В один «вагон» паковался центральный блок, в другой — вторая ступень; три вагона служили для перевозки шести боковых блоков (по паре на платформе). Внутри вагона установлена система кондиционирования, которая поддерживает оптимальный температурный режим для ракеты на протяжении всего пути. Из-за больших габаритов движение состава с такими вагонами было возможно только при условии остановки встречных поездов.
24 апреля 1962 года вышло Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР о начале разработки ракеты УР-500 с окончательной полиблочной компоновкой первой ступени. В мае на базе этого варианта был выпущен аванпроект. 17 января 1963 года заказчик — Министерство обороны — утвердил тактико-технические требования. Проектирование УР-500 в целом завершилось к концу 1964 года. Можно было приступать к летным испытаниям.
В сентябре 1964 года на космодром прибыл Никита Хрущев. Владимир Челомей с гордостью показал ему технологический макет УР-500 на стартовом комплексе. Также были представлены транспортная тележка и макет шахтно-пусковой установки. Хрущев оценил ракету, поразившись ее размерами и возможностями. Он остался доволен, но с иронией спросил: «Так что мы будем строить — коммунизм или шахты для УР-500?» Было ясно, что идея военного применения ракеты его не вдохновляла.
После «октябрьского переворота» проект сверхмощной межконтинентальной и глобальной ракеты был свернут, и УР-500 переориентировали на космические задачи. Президент Академии Наук Мстислав Келдыш настоял на создании трехступенчатого варианта УР-500К, способного выводить более тяжелые грузы и участвовать в реализации очень сложных космических программ, в частности, пилотируемого облета Луны. Но для начала надо было хотя бы проверить концептуальные решения, заложенные в УР-500.
Первый пуск
Подготовка к запуску новой ракеты проходила на левом («челомеевском») фланге западной части полигона. Система собиралась и проверялась в горизонтальном положении в монтажно-испытательном корпусе (МИК) на технической позиции (площадка №92). Затем ракету вывозили из корпуса специальным транспортером-установщиком на железнодорожном ходу. На стартовой позиции (площадка №81) УР-500 поднималась из горизонтального положения в вертикальное и закреплялась на стартовом столе.
В отличие от знакомой всем королёвской «семёрки» челомеевская «пятисотка» не подвешивалась, а ставилась хвостовой частью непосредственно на поворотных опорах пускового стола. Обслуживание проводили с помощью передвижной башни на рельсовом ходу; перед стартом ее отводили в сторону.
Кабельные и заправочные операции выполняли с помощью сложного электро-, гидро- и пневморазъема. Его ответная часть находилась на днище центрального блока первой ступени.
Пусковой стол оборудовался двухлотковым газоотводным каналом. В момент старта и первые секунды полета шесть поворотных опор аккуратно сопровождают движение ракеты до высоты примерно 100-150 мм. Затем они убираются в специальные ниши стартового стола и закрываются защитными створками. Механизм стыковки разъемов поднимается вместе с опорами, отслеживая траекторию ракеты. После этого он отбрасывается вниз с помощью пневмоускорителя и герметично закрывается стальной бронекрышкой. Эта крышка также выполняет функцию рассекателя газовой струи.
Первый летный образец УР-500, известный как «изделие 8К82 №20701», прибыл на полигон 24 июля 1964 года. Руководителем Государственной комиссии по проведению летных испытаний стал генерал-майор артиллерии Александр Захаров, начальник НИИП-5 — космодрома Байконур.
Из-за спешки при подготовке ракеты на стартовой позиции возникла угроза аварии: при заправке баков окислителем один из разъемов оказался негерметичным, и часть азотного тетраксида разлилась на электрожгуты. Возник вопрос: пускать ракету или отложить старт? После проверки выяснилось, что замыкания на корпус нет. Владимир Челомей принял решение о запуске.
16 июля 1965 года, в 17:16 по местному времени, ракета стартовала. Выведение прошло успешно, и на орбите оказался тяжелый научный спутник «Протон-1». Только через несколько часов после запуска специалисты ОКБ-52 получили сигналы о том, что космический аппарат функционирует нормально.
Первый тяжелый спутник
Сразу после первого пуска УР-500 в советские СМИ в появились сообщения о создании уникального носителя «Протон», который способен вывести на орбиту гораздо больше груза, чем все предыдущие ракеты. Однако это утверждение касалось только советских средств выведения.
В прессе указывалась масса научной аппаратуры, установленной на последней ступени «Протона», которая составляла 12,2 тонны. Но на самом деле «чистая» масса полезной нагрузки двухступенчатой ракеты (без служебных систем на верхней ступени) составляла всего 8,3–8,4 тонны, что на 22–24% больше, чем у самой мощной на тот момент ракеты из «семёрочного» семейства.
Пока ЗИХ изготавливал двухступенчатую УР-500, головное ОКБ-52 по Постановлению ЦК КПСС и Совмина СССР №655-268 от 3 августа 1964 года разработало спутник-демонстратор расчетной массой на орбите 8300 кг, несущий 3500 кг научной аппаратуры и имеющий срок активного существования 45 суток.
Спутники «Протон» создавали в двух сериях (тип Н-4 и Н-6), для запуска на двух- и трехступенчатом варианте носителя соответственно. Кроме проверки возможностей ракеты, они решали важные задачи в астрофизике и ядерной физике. Например, изучали энергетический спектр и химический состав космических лучей с энергией от 10¹¹ до 10¹⁵ эВ, а также исследовали ядерные взаимодействия частиц сверхвысоких энергий, до 100 000 млрд эВ. Кроме того, с их помощью определялись интенсивность и энергетический спектр галактических электронов и гамма-лучей с энергией более 50 млрд эВ. Наконец, оценивалась радиационная опасность солнечных космических лучей.
Конструкция спутников разрабатывалась в ОКБ-52, научные инструменты — в Научно-исследовательском институте ядерной физики Московского Госуниверситета (НИИЯФ МГУ).
Конструкция включала в себя корпус с герметичным приборным отсеком, четыре солнечные батареи в форме «пропеллера» с наклоном 45°, головной обтекатель, а также системы раскрытия солнечных батарей, которые работали на пружинах и пневматике. Особое внимание уделялось надежности срабатывания.
Для спутников, запускаемых двухступенчатой ракетой, головной обтекатель делался неразрезным, с силовой конструкцией из поперечных шпангоутов и толстой обшивки. Его большой вес стал следствием недостаточного опыта конструкторов.
Для более тяжелых аппаратов следующей серии, запускаемых на трёхступенчатой ракете, обтекатель сделали разрезным, с тонкой обшивкой, усиленной гофром, и шариковыми замками. Это позволило снизить вес и повысить надежность раскрытия. Этот вариант имел пружинный привод обтекателя, который мог сбросится даже если несколько пружин выйдут из строя. Принципы «живучести» стали стандартом для последующих разработок реутовского предприятия.
За частицами высоких энергий
Научную аппаратуру разработал НИИЯФ МГУ: за 9 месяцев команда ученых под руководством Николая Григорова создала сложную систему, способную давать дала уникальные данные. Институт задействовал все ресурсы: механические мастерские, группу электронщиков и другие подразделения. Для работы понадобились массивные поглотители частиц, которые проходят более метра в тяжелых материалах, таких как свинец и железо. Ключевым инструментом стал ионизационные калориметры СЭЗ-14 весом 7 тонн для спутников серии Н-4 и ИК-15 весом 12,5 тонн для спутников серии Н-6.
Эти инструменты включали ионизационные камеры, мишени из графита и железа, а также детекторы заряда. СЭЗ-14 был оснащён более чем сотней усилителей импульсов, что было новаторским решением для космических аппаратов того времени.
Кроме того, в систему входили гамма-телескоп, сцинтилляторный телескоп, пропорциональные счётчики и газо-сцинтилляторный телескоп Черенкова. Эти устройства регистрировали частицы с энергией до 10 миллионов мегаэлектронвольт.
Научная аппаратура ставилась на крестовину (Н-4) или в цилиндрическую оболочку с фермой (Н-6), что обеспечивало прочность и минимальный вес.
Спутник обеспечивался электроэнергий даже без стабилизации солнечных батарей в полете, только за счет соответствующей конфигурации панелей. Фотоэлектрические преобразователи крепились к стеклосетке на лёгком профильном каркасе, образующем коробчатую конструкцию. Это позволяло минимизировать вес и обеспечить высокую сохранность элементов.
Панели раскрывались с помощью механической системы с шариковыми замками и пружинами, которая была дополнена дублирующей пневматикой для повышения надежности.
Терморегулирование осуществлялось с помощью радиатора-теплообменника. Связь поддерживалась через радиомаяк на частоте 19,910 МГц. Антенны были установлены сверху и снизу спутника, а датчики ориентации находились на пирамидальной конструкции.
Солнечные батареи и обтекатель прошли тщательные наземные испытания, включая статические, вибрационные и функциональные проверки. Для серии спутников Н-6 понадобился специальный электрогидравлический стенд в Кимрах, поскольку первоначальная конструкция… деформировалась при испытаниях. После модернизации стенда и сооружения тесты завершились успешно.
Результаты и значение
С 16 июля 1965 по 6 июля 1966 года двухступенчатая УР-500 («Протон») выполнила четыре пуска и вывела на орбиту три спутника:
16 июля 1965 года — «Протон-1» (проработал на орбите 45 дней);
2 ноября 1965 года — «Протон-2» (96 дней);
6 июля 1966 года — «Протон-3» (72 дня).
Третий по счету пуск, проведенный 24 марта 1966 года, завершился аварией из-за нештатного сброса хвостового отсека второй ступени.
В 1967 году, в рамках программы облета Луны начались испытания трёхступенчатой ракеты-носителя УР-500К, да еще и с разгонным блоком «Д» в качестве четвертой ступени. В первом полете 10 марта 1967 года на траекторию, имитирующую полет к Луне, был выведен беспилотный корабль «Зонд», обозначенный как «Космос-146».
Только после проведения нескольких пусков по облетной программе, 16 ноября 1968 года трехступенчатой ракетой-носителем УР-500К («Протон-К») на околоземную орбиту был выведен спутник «Протон-4» (аппарат серии Н-6 массой около 17 т). Он оставался в космосе 250 дней.
«Протоны» успешно выполнили научную программу, заложив основу для изучения космических лучей. В частности, они зафиксировали уникальный результат — «загиб» спектра протонов при энергии около 2·10¹² эВ, указывающий на обогащение космических лучей тяжелыми ядрами. Хотя однозначного подтверждения этого результата не было получено (для подтверждения требовались дополнительные запуски), данные спутников остаются ценным вкладом в астрофизику.
Конструкция спутников «Протон» стала пионерской для СССР, особенно в области создания больших солнечных батарей и тяжелых научных приборов. Их разработка продемонстрировала способность советских инженеров и учёных решать сложные задачи в сжатые сроки, заложив основу для будущих космических миссий.
А носитель «Протон» сыграл ключевую роль в отечественной и международной космических программах, став одной из самых мощных, надежных и универсальных ракет в мире. Уникальная компоновка, инновационные решения и возможности определили ее место в истории космонавтики.
«Протон-К» стал самым массовым тяжелым носителем в СССР и, пожалуй, в мире (во всяком случае, после ухода со сцены «Сатурна-5» и до появления «шаттла»). С его помощью на орбиту выводили автоматические станции для доставки лунного грунта, «Луноходы», межпланетные аппараты к Марсу, Венере и комете Галлея. Также он использовался для запуска долговременных орбитальных станций «Салют», орбитальных пилотируемых станций «Алмаз», транспортных кораблей снабжения и базовых модулей «Мира» и МКС. С 1996 года он начал использоваться для коммерческих запусков иностранных космических аппаратов.
С середины 2000-х основной модификацией ракеты стала «Протон-М». С его помощью запускались как российские, так и зарубежные аппараты. Благодаря «Протону-М» на орбиту был выведен многоцелевой лабораторный модуль «Наука» — значимое событие для отечественной космонавтики.
