«Космонавтика и ракетостроение» 2002 №1, с.159-175
Докт. техн. наук И.К.Бажинов
В |
В отделе П.И.Иванова Михаил Клавдиевич, хорошо зная труды К.Э.Циолковского [9], помимо других работ, организовал исследования составных ракет. В отделе стали разрабатываться приемлемые методы расчета траекторий полета составных ракет пакетной схемы и отыскания оптимальных конструктивно-баллистических их параметров, проводиться исследовательские расчеты [2]. Разработка таких методов была необходима, поскольку из-за отсутствия в то время электронных вычислительных средств расчеты приходилось вести на ручных механических машинках. Основные исследования в отмеченных направлениях вел И.М.Яцунский. Достаточно быстро были выполнены начальные разработки методов и получены первые практические результаты, в которых учитывались достижения ОКБ С.П.Королева в области одноступенчатых ракет.
Михаил Клавдиевич поддерживал постоянную связь с Сергеем Павловичем Королевым и информировал его о результатах проводимых работ. В начале 1948 г. был получен ряд результатов, свидетельствующих о перспективности составных ракет и возможности их создания в недалеком будущем. Этим результатам Тихонравов придавал важное значение и решил выступить с докладом «Пути осуществления больших дальностей стрельбы» на заседании Ученого совета института. Такой доклад Михаил Клавдиевич сделал в начале лета 1948 г. в присутствии специалистов и ученых из других организаций.
К этому времени в ОКБ-1 С.И.Королева была создана ракета Р-1 с дальностью полета около 300 км на основе немецкой Фау-2, разработана новая ракета Р-2 на дальность порядка 600 км, прорабатывалась ракета на дальность примерно 1000 км (так называемая «тысячная ракета») [7]. Практическую возможность достижения еще больших дальностей в то время почти никто, особенно в кругах военных специалистов, не признавал. Поэтому сообщение Михаила Клавдиевича о том, что, «пакет» из разрабатываемых в ОКБ-1 «тысячных ракет» способен достичь любых дальностей полета, и даже вывести на орбиту искусственные спутники Земли (ИСЗ), взбудоражило зал, вызвало бурю отрицательных и даже язвительных откликов и выступлений. По иронии судьбы среди таких выступающих были и специалисты, ставшие впоследствии видными учеными в области ракетодинамики и космонавтики, например П.Е.Эльясберг, Г.С.Нариманов и др. Очень, немногие специалисты поняли принципиальную ценность результатов, доложенных Михаилом Клавдиевичем, и высказывались с пониманием его идей. Эти идеи были поддержаны С.П.Королевым, президентом ААН А.А.Благонравовым, сочувственно к ним относился и начальник НИИ-4 генерал А.И.Нестеренко. Благодаря заинтересованной помощи этих крупных ученых доклад М.К.Тихонравова был повторен 14 июля 1948 г. на годичном заседании Академии артиллерийских наук. Доклад был выслушан с огромным вниманием, однако реакция участников заседания, в основном, была подобна реакции большинства членов ученого совета НИИ-4 [6]. По свидетельству участника этого совещания И.М.Яцунского было много критических и даже оскорбительных выступлений в адрес Михаила Клавдиевича. Голоса в поддержку принципиальных идей М.К.Тихонравова были очень немногочисленными.
Одним из результатов докладов М.К.Тихонравова явилось то, что вышестоящее руководство расформировало в НИИ-4 отдел П.И.Иванова, как занимающийся неактуальными проблемами, и только по настоятельной просьбе Михаила Клавдиевича разрешило оставить для продолжения исследований составных ракет одного И.М.Яцунского. Сам же М.К.Тихонравов был переведен на должность научного консультанта института. Доклад М.К.Тихонравова при активной поддержке С.П.Королева и А.А.Благонравова все же был опубликован в журналах «Доклады Академии артиллерийских наук» (М., 1949, вып. 6), «Ракетная техника» [4] и позже в сборнике [5].
С.П.Королев, узнав о расформировании отдела П.И.Иванова, в поддержку М.К.Тихонравова выдал НИИ-4 официальный заказ на выполнение НИР по дальнейшим исследованиям составных ракет (см. [6], а также комментарий Ю.В.Бирюкова к докладу М.К.Тихонравова [5]). Можно считать, что с этого времени начался новый этап работ этой группы.
Бóльшая часть военно-инженерной общественности восприняла результаты, изложенные в докладах М.К.Тихонравова в 1948 г., как слишком фантастические, нереальные. Однако доклады новизной идей, содержащихся в них, всколыхнули научно-инженерную мысль и вынудили заняться исследованиями проблем создания составных ракет более широко и детально.
Обосновав необходимость расширения состава группы для проведения исследований по официальному заказу С.П.Королева, М.К.Тихонравов в конце 1949 г. добился включения в нее молодых специалистов-инженеров Г.Ю.Максимова, Л.Н.Солдатовой, Я.И.Колтунова и А.В.Брыкова. Первые трое только что окончили МАИ, а А.В.Брыков — МВТУ. Г.Ю.Максимов, Д.Н.Солдатова и А.В.Брыков проработали в группе до конца её существования,. Я.И.Колтунов в 1951 г. перешел на работу в другое подразделение института [2]. В 1950 г. к работе в группе М.К.Тихонравова был вновь привлечен Т.М.Москаленко, пришел также Б.С.Разумихин. Г.М.Москаленко участвовал в работе группы до 1953 г., а Б.С.Разумихин — до 1952 г. В 1950 г. в группу были направлены для подготовки дипломных проектов и последующей работы студенты МАИ О.В.Гурко и автор настоящей статьи, которые проработали в ней до конца её существования, как и возвратившийся туда в 1953 г. В.Н.Галковский.
В марте 1950 г. в НИИ-4 должна была гостояться научно-техническая конференция по вопросам ракетной техники. По предложению М.К.Тихонравова и при активной поддержке С.П.Королева в программу конференции был включен доклад «Ракетные пакеты и перспективы их развития». В этом докладе Михаил Клавдиевич развил идеи, изложенные им в предыдущих выступлениях, дополнил новыми результатами и впервые прямо говорил о ближайших перспективах создания искусственных спутников Земли, вплоть до полетов на них человека [2]. Так, по техническому заданию С.П.Королева в группе был рассмотрен двухступенчатый «пакет» из трех ракет Р-3, разработка которых была начата в тот период в ОКБ. Каждая из них должна была переносить на дальность 3000 км боевую часть массой порядка 3 т. Были рассмотрены основные конструкционные доработки такой ракеты, необходимые для соединения подобных ей в «пакет», и оценены его энергетические характеристики (подробнее см. [7]). В результате было показано, что «пакет» может обеспечить не только перенос тяжелой боевой части на любую дальность, но и вывод на орбиту спутника, масса которого может оказаться достаточной для полета на нем человека. Доклад был выслушан внимательно, но по-прежнему преобладали недоверчивые и сатирические выступления. На конференции присутствовал С.П.Королев с одним из своих заместителей.
Несколько позже проработки «пакета» из трех ракет Р-3 были включены С.П.Королевым в эскизный проект ракеты Р-3 [17, с. 300], который, как известно, по ряду причин не был реализован. Но проведенный анализ был, пожалуй, первой попыткой исследования вопроса создания ИСЗ, базирующегося на конкретных проектных проработках одноступенчатых ракет королевского КБ.
Прочитав еще в начальных классах школы ряд научно-фантастических книг по тематике космических путешествий, автор статьи всерьез увлекся космонавтикой и решил в будущем работать именно в этой области. Наиболее логичным путем к такой работе, было окончание авиационного института. Закончив среднюю школу с золотой медалью, в 1945 г. я был принят на первый курс самолетостроительного факультета Московского авиационного института (МАИ), где продолжал изучать техническую литературу по космонавтике. В тот период я занимался спортивной гимнастикой и однажды в спортзале института познакомился с другим студентом-«самолетчиком», увлекавшимся тяжелой атлетикой, — М.Ф.Решетневым, будущим генеральным конструктором НПО прикладной механики, академиком РАН. Михаил был старше меня на один курс, он рассказал мне о существовании в МАИ студенческого кружка, изучающего работы покосмонавтике и познакомил меня со старостой кружка студентом моторостроительного факультета Олегом Гурко. На одно из занятий кружка пришел М.К.Тихонравов, и Олег познакомил меня с ним. Состоялся первый разговор с Михаилом Клавдиевичем. Я рассказал ему о своем увлечении проблемами космонавтики. Встречи были и в последующем, в конце концов Михаил Клавдиевич предложил мне после окончания МАИ пойти работать к нему в группу в НИИ-4, с чем я с радостью согласился. Несколько раньше такое же предложение он сделал и О.В.Гурко.
«Пробиться» в НИИ-4 было нелегко, так как институт был военным и являлся сугубо секретным учреждением. Поскольку я и О.В.Гурко заканчивали МАИ в один и тот же год, то мы стремились в НИИ-4 совместно, и нам в этом помогал М.К.Тихонравов. Преодолев ряд сложностей , мы добились распределения в НИИ-4, и, по просьбе Михаила Клавдиевича в 1950 г. были направлены туда на дипломное проектирование. Мне повезло, я сразу же попал на дипломное проектирование в группу к самому М.К.Тихонравову. Он был назначен моим руководителем от НИИ-4, а от МАИ — Владимир Михайлович Мясищев (он в тот период преподавал там). О.В.Гурко был направлен на дипломное проектирование в другое подразделение НИИ-4.
Со времени моего прибытия в НИИ-4 встречи и обсуждения разных вопросов с М.К.Тихонравовым стали регулярными, и я получил возможность составить всестороннее и полное представление об этом неординарном человеке. Михаил Клавдиевич старался подбирать для работы инженеров -энтузиастов идей развития космонавтики и создавал в группе особый психологический климат. Каждый новый сотрудник очень быстро проникался сознанием чрезвычайной важности и перспективности исследований, в которых начинал принимать участие. Тихонравов стремился подобрать задачу, соответствующую увлечениям сотрудника. Особенно он приветствовал те случаи, когда специалисты сами находили, выдвигали и решали проблемные вопросы. В рабочих беседах Михаил Клавдиевич умел говорить доступно, ярко и убедительно. Все это способствовало тому, что коллектив группы работал увлеченно, не считаясь с личным временем, и решал многие проблемные вопросы в короткие сроки. Вместе с тем руководитель всячески поощрял расширение научного кругозора сотрудников, приучая своих учеников не бояться неизвестных им областей знаний и смелее их осваивать, если необходимо в интересах дела.
Очень скоро все это я почувствовал на себе. И для иллюстрации расскажу коротко о своей дипломной работе. При первом же разговоре Михаил Клавдиевич предложил мне в дипломном проекте разработать составную двухступенчатую ракету пакетной схемы, способную доставить боевую часть (БЧ) массой 3 т на дальность 10 тыс. км, а также оценить, какой груз такая ракета сможет вывести на орбиту ИСЗ. При этом для ракетных двигателей должно быть применено перспективное высокоэффективное топливо. Основные характеристики двигателей, работающих на таком топливе, до этого никто не определял, и Тихонравов предложил мне сделать соответствующий термодинамический расчет. Надо сказать, что в МАИ в нашем выпуске учебный процесс был продлен, и нам стали читать лекции по основам ракетной техники, однако с термодинамическими расчетами двигателей не знакомили — это было прерогативой моторостроительного факультета. Я сказал Михаилу Клавдиевичу, что методы расчета жидкостных ракетных двигателей для меня — полная неизвестность и вряд ли я смогу сделать такой расчет. Но он был тверд, ответив, что мне это необходимо. Пришлось самому данные методы осваивать с помощью технической литературы, и, в конечном счете, такой расчет был сделан. Далее, в наших дипломных проектах предусматривалась специальная часть, в которой один из разделов проекта должен быть проработан углубленно. Тихонравов предложил мне изучить литературу о метеоритах и попытаться найти что-нибудь полезное для повышения эффективности боевой части (БЧ) ракет, которая предполагалась снаряженной химическим взрывчатым веществом. По предположению Михаила Клавдиевича эффективность БЧ могла быть повышена за счет снижения веса ее тепловой защиты путем оптимизации траектории движения боевой части в атмосфере. Опять новая для меня область знаний — тепловой нагрев и защита от него быстродвижущихся в атмосфере тел. Однако здесь мне удалось обойти необходимость глубокого изучения этой сложной тематики. Просмотрев ряд работ астрономов по метеоритам, я обратил внимание на статью,, в, которой автор приходил к заключению, что при соударении метеорита с твердой поверхностью планеты со скоростью, большей 4,5 км/с, молекулы вещества метеорита теряют между собой связи и происходит его взрыв. При этом энергия взрыва приблизительно равна кинетической энергии метеорита в момент соударения. Применяя это к падению боевой части (скорость которой в конце разгона ее ракетой для полета на дальность 10000 км составляет более 7 км/с), можно считать, что при соприкосновении ее с Землей со скоростью, большей 4,5 км/с, энергия взрыва складывается из энергии взрывчатого вещества и кинетической энергии движения БЧ. Следовательно, чем выше скорость ее соприкосновения с Землей Vc, тем больше энергия взрыва. Повышение Vc возможно путем снижения аэродинамического торможения боевой части за счет применения более крутых траекторий ее полета, увеличения массовой плотности и отношения массы БЧ к площади её поперечного сечения. Следовательно, варьирование этих параметров может выявить такое их сочетание, при котором энергия взрыва боевой части будет наибольшей.
Все эти соображения я изложил Михаилу Клавдиевичу и предложил в спецчасти проекта изучить влияние упомянутых факторов на эффективность БЧ. Тихонравову понравилась такая идея. Составленное задание на мой дипломный проект было доложено другому руководителю — В.М.Мясищеву. Прочитав задание, он поднял брови и удивленно посмотрел на Михаила Клавдиевича. Тот объяснил ему свою точку зрения на подготовку сотрудников. Выполнить дипломный проект я успел в нужные сроки, хотя работать пришлось крайне напряженно. Мои руководители мне всемерно помогали. На защите проекта получил оценку «отлично».
7 сентября 1951 г. после отпуска пришел официально работать в группу М.К.Тихонравова. Первое время я посвятил знакомству с направлениями работ сотрудников группы и с научно-техническими отчетами об уже выполненных исследованиях, главным образом, основных проблемах создания мощных межконтинентальных составных баллистических ракет (БР) согласно отмеченному выше заказу С. П. Королева. Вот коротко о работах группы в те годы и в дальнейшем.
Г.М.Москаленко анализировал данные о весовых характеристиках основных агрегатов жидкостных БР, проектируемых в ОКБ С.П.Королева, а также информацию редких тогда американских публикаций, находил относительные значения упомянутых характеристик и рассматривал возможные их изменения в применении к составным ракетам. Позже результаты этих исследований он поместил в монографию [8]. Кроме того, разрабатывались и возможные компоновки подобных ракет различных типов.
И.М.Яцунский создал методику приближенных расчетов движения составных ракет на активном и пассивном участках их полетов с учетом влияния на движение центрального поля тяготения, атмосферы и вращения Земли. В этой методике принимались во внимание теоретические результаты оптимизации движения ракет в пустоте, полученные К.Э.Циолковским [9], Д.Е.Охоцимским и Т.М.Энеевым [10, 11], а также требования к движению ракеты в атмосфере, выявленные в ОКБ С.П.Королева при испытаниях одноступенчатых ракет. С помощью упомянутой методики на основе полученных Г.М.Москаленко результатов весового анализа ракет Яцунский проводил расчеты различных вариантов составных ракет пакетных схем параллельного и последовательного действия. Целью этих исследований являлось определение оптимальных основных конструктивно-баллистических параметров составной ракеты (распределения масс и начальных перегрузок по ее ступеням, наилучшего ракетного топлива и т.п.), которые обеспечивали бы наименьший стартовый вес такой ракеты при заданных полезной нагрузке и дальности полета.
А.В.Брыков изучал возможные схемы и средства соединения ступеней составных ракет. Такие средства должны были обеспечивать надежное сочленение ступеней при их работе в составе ракеты и безопасное их отделение после выработки топлива. Для составной ракеты типа «пакета» с переливом части топлива из боковых блоков в центральную ступень необходимо было проработать средства такой его перекачки. Над этим Анатолий Викторович работал вместе с Лидией Николаевной Солдатовой. С ней же он занимался проектной разработкой экспериментального «пакета» из трех ракет Р-2. Несколько позлее А.В.Брыков исследовал возможности исключения влияния ошибок импульса последействия ракетного двигателя после его выключения на отклонение дальности полета головной части ракеты (была разработана методика исключения такого влияния, примененная в дальнейшем при создании ряда боевых БР).
Мне Игорем Марьяновичем было предложено для начала изучить применяемый метод приближенного расчета траекторий полета составных ракет, попытаться упростить этот метод и повысить точность расчетов. Данную задачу мне удалось достаточно быстро решить, и некоторое время вместе с И.М.Яцунским я проводил по новой методике исследовательские расчеты ряда типов составных БР. Это была одна из первых моих практических работ.
Ракеты Р-1 и Р-2 имели аэродинамические стабилизаторы и были статически устойчивыми при полете в атмосфере. На будущих больших составных ракетах от аэродинамических стабилизаторов явно целесообразно было отказаться. В связи с этим возникала проблема обеспечения устойчивости движения таких ракет на активном участке их полета. Изучением возмущенного движения статически неустойчивых ракет и выработкой необходимых мер для обеспечения их устойчивости занимались Б.С.Разумихин и Г.Ю Максимов. Ими в итоге была теоретически показана возможность достижения устойчивости движения таких ракет и предложены необходимые меры по перенастройке их автоматов стабилизации. Лида Солдатова в тот же период для оценки величин аэродинамических возмущений проектировала модели составных ракет пакетной схемы и выполняла их продувки в небольших аэродинамических трубах, имевшихся в НИИ-4.
Одной из важных проблем создания межконтинентальных баллистических ракет являлось обеспечение нужной точности их полета на активном участке. Глебу Максимову и мне было поручено изучить влияние возможных возмущений на отклонения траектории БР и рассмотреть возможности его уменьшения. Такие исследования мы проводили в линейном приближении и рассматривали различные методы управления боковым движением ракеты и моментом выключения ее двигателя в конце активного участка с целью уменьшения влияния отклонений движения БР на погрешности точек падения ее ГЧ, причем рассматривалась возможность использования для этих целей как наземных измерительных радиосредств, так и бортовых инерциальных систем. Полученные результаты показали возможность и пути обеспечения приемлемой точности полета ракет.
Глеб Максимов изучил также в 1950 г. теоретические условия оптимальности выведения ИСЗ на круговые орбиты разной высоты, показав, что на орбиты высотой, большей 300 км, спутник выгодно выводить в два этапа. Сначала с помощью ракеты он доставляется в нижнюю точку эллиптической орбиты, а затем в ее апогее ИСЗ придается дополнительный импульс для перевода его на круговую орбиту высотой, равной высоте апогея переходного эллипса. Впоследствии такой эллипс был назван эллипсом Хомана. Максимовым была построена кривая зависимости величины необходимой для такого маневра суммарной характеристической скорости VΣ от высоты круговой орбиты (рассмотрен был плоский случай) и показано, что максимум VΣ отвечает орбитам радиусом порядка 43 тыс. км.
Я.И.Колтунов с самого начала увлекся решением сложных проблем динамики старта составных ракет и определения требований к стартовому комплексу, исследуя различные возможные схемы стартовых комплексов и оценивая их характеристики. Экими вопросами он занимался во все время, пребывания в группе Тихонравова.
Олегу Гурко Михаил Клавдиевич поручил изучать вместе с И.М.Яцунским проблемы защиты головных частей межконтинентальных ракет (а также возвращаемых на Землю ИСЗ) от аэродинамического нагрева при их движении в атмосфере на нисходящем участке траектории. Рассмотрев ряд способов теплозащиты головной части, Гурко и Яцунский обратили внимание на возможность защиты путем выдавливания охладителя (например воды) через пористую поверхность в пограничный слой обтекающего объект потока. Такая теплозащита оказалась весьма эффективной за счет не столько отбора охладителем тепла от горячего обтекающего потока, сколько перестройки структуры пограничного слоя, что значительно уменьшало количество тепла, передаваемого к поверхности. Позже Олег Гурко стал проводить экспериментальные продувки охлаждаемых моделей с целью подтверждения указанных закономерностей перестройки пограничного слоя потока. Этими проблемами Олег занимался несколько последующих лет. Однако устройство такой тепловой защиты конструктивно оказывалось не простым. Поэтому в ОКБ С.П.Королева и в будущем в других конструкторских бюро было принято другое решение конструкции тешюзащиты ГЧ и спускаемых с орбиты аппаратов: защищаемая поверхность покрывалась специальной обмазкой, которая при нагреве испарялась, чем и достигался эффект, подобный отмеченному выше.
Работы по изучению и решению различных проблем создания межконтинентальных составных ракет продолжались в группе Михаила Клавдиевича до 1953 г. Результаты всех исследований регулярно высылались в ОКБ С.П.Королева. Мало известно, что в начале 50-х годов группой были подготовлены и М.К.Тихонравовым представлены в Правительство СССР два докладных письма, в которых аргументированно указывалось на возможность создания составных баллистических ракет, способных доставлять боевые грузы на межконтинентальные и большие дальности. Вероятно, эти письма также сыграли определенную роль в принятии постановления правительства о создании составных баллистических ракет.
Конечно, доклады М.К.Тихонравова в 1948 г. и последующие работы сотрудников его группы не определили конкретный проектный облик будущей первой советской составной ракеты Р-7, для этого нужен был огромный труд коллективов ОКБ-1 и его смежных организаций. Однако в результате выполненных исследований были показаны возможности решения основных проблем создания составных ракет, очерчено поле рациональных значений основных характеристик такой ракеты для осуществления более точного поиска их оптимальных значений, рассмотрен ряд возможных компоновок составных ракет. Все это позволило уже на самых ранних этапах разработки Р-7 оценить ожидаемые значения ее основных характеристик, а также возможности ракеты, подобной Р-7, по выводу на орбиты искусственных спутников Земли. Эти результаты уже в начале проектных проработок облика межконтинентальных ракет обеспечили возможность С.П.Королеву принятия ряда принципиальных решений, таких как выбор для доставки боевых грузов на большие дальности (порядка 1000 км) баллистических составных, а не крылатых ракет, также рассматриваемых в то время; пакетной схемы составной баллистической ракеты для дальнейшей проработки и т.п.
К 1953 г. С.П.Королев принял основные решения по облику межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, и в ОКБ-1 развернулись соответствующие широкие опытно-конструкторские работы. В 1954 г. по этому поводу было принято правительственное постановление, согласно которому к работам привлекалась широкая кооперация смежных предприятий.
В связи с развертыванием работ над Р-7 во всей полноте возникла проблема организации и обеспечения ее летных испытаний. Комплекс вопросов, которые необходимо было при этом рассмотреть и решить, был велик. Для их исследования в НИИ-4 в 1953 г. была утверждена тема № 22, и к работам, кроме группы Тихонравова, были привлечены сотрудники и других его подразделений. С целью создания испытательного полигона для Р-7 были начаты и ряд других НИР — ракетно-космическая тематика в НИИ-4 стала бурно развиваться. Особенно интенсивные работы в этом направлении стали проводиться после поручения институту Правительством СССР головной роли по созданию полигонного измерительного комплекса (ПИК) для межконтинентальных ракет. В ходе исследований рассматривались требования к испытаниям составных межконтинентальных ракет, к расположению полигона, составу измерительных средств, систем связи и т.д.
В рамках группы М.К.Тихонравова И.М.Яцунским осуществлялись расчеты и анализ ряда возможных трасс испытательных запусков составных ракет (некоторые подробности см. в статье [13]). А.В.Брыков проработал метод определения координат движения БР по результатам угловых и дальномерных измерений и решил задачу об оптимальном расположении наземных пунктов контроля траектории движения ракеты относительно трассы её полета. Мной совместно с Г.Ю.Максимовым и Г.М.Москаленко в 1953 г. были рассмотрены некоторые вопросы и особенности организации летных испытаний составных ракет и т.д. Однгко группа Тихонравова в 1953-м и последующие годы основной акцент в своих исследованиях перенесла в другую, более близкую ей, область.
Как-то в начале 1953 г. я и Г.Ю.Максимов обсуждали вопрос о том, что к конкретным работам по созданию составных ракет уже подключились большие коллективы в различных организациях и что поисковая работа нашей группы в этом плане становится не очень нужной. Сразу же возникла мысль о том, что пора, пожалуй, направить основные наши усилия на анализ проблем создания ИСЗ. Туг же мы набросали черновик плана дальнейших исследований по созданию автоматических и пилотируемых спутников. Конечно, сегодня он выглядит достаточно простым, но в тот период идеи, заложенные в него, нас окрылили. Мы немедленно рассказали обо всем этом Михаилу Клавдиевичу, он нас горячо поддержал и попросил план сделать более детальным, а на его основе разработать предложение об открытии в НИИ-4 научно-исследовательской темы по обоснованию возможностей и путей создания искусственных спутников Земли. Такие предложения с участием всей группы были подготовлены, и Тихонравов доложил их руководствам института и Управления ракетного вооружения Главного артиллерийского управления.
Нужно отметить, что к 1953 году у большинства руководителей вооруженных сил и военно-промышленного комплекса уже сформировалось понимание огромного значения боевых баллистических составных ракет и перспективности создания и применения искусственных спутников Земли. Поэтому предложение Михаила Клавдиевича об открытии в НИИ-4 специальной НИР по упомянутой проблеме, поддержанное С.П.Королевым, при активном участии заместителя начальника НИИ-4 Г.А.Тюлина было принято командованием (А.И.Соколов), и в 1954 г. первая такая тема под номером 72 в институте стала реальностью. Научным руководителем работ был назначен М.К.Тихонравов, ответственным исполнителем И.М.Яцунский. Мы все отвечали за различные разделы темы. Ее утверждение явилось прямым свидетельством признания идей и результатов усилий М.К.Тихонравова и его группы, чему мы, конечно, безмерно радовались.
В рамках темы 72 было запланировано комплексно исследовать инженерными методами все основные неясные и проблемные вопросы создания ИСЗ и наметить пути их решения (в частности, пилотируемых), причем должны были быть рассмотрены как относительно простые неориентированные спутники, так и способные ориентироваться и разворачиваться в пространстве и совершать маневры на орбите. Все получаемые результаты излагались в научно-технических отчетах и высылались в ОКБ-1 С.П.Королеву. Большинство этих данных позже были помещены в монографию [14].
Работы в группе велись в следующих направлениях. Во-первых, исследовались траектории выведения искусственных спутников Земли на разные орбиты. Раньше, как отмечалось, Г.Ю Максимов показал, что на низкие орбиты ИСЗ выгодно выводить при непрерывном активном участке полета ракеты-носителя (РН), а на высокие в два этапа — сначала вывод в перигей переходного эллипса с высотой апогея, равной высоте круговой орбиты, а затем повторное включение двигателя в районе апогея для перевода спутника на круговую орбиту. Первая часть работы двигательной установки ракеты является основной и выглядит в общих чертах так. Совершается вертикальный старт РН, и несколько секунд продолжается ее вертикальный подъем. Затем обеспечивается начальный наклон траектории под нужным азимутом за счет создания в некотором интервале времени некоторого угла ее атаки. Далее совершается полет ракеты с нулевым углом атаки до ее вылета из плотных слоев атмосферы. После этого считается, что РН летит в пустоте. Оптимальная траектория полета в этом случае была найдена Т.М.Энеевым и Д.Е.Охоцимским [11], Г.Ю.Максимов уточнил и развил это решение [14] и показал, что траектория будет оптимальна, если угол тангажа ракеты на этом участке постоянен по отношению к местному горизонту под ней. Начальный разворот траектории и величина угла тангажа при полете в пустоте выбираются такими, при которых наклон вектора скорости РН к местному горизонту в конце работы ее двигателя на нужной высоте был равен нулю как в случае вывода ИСЗ на низкую орбиту, так и в перигей переходного эллипса. И.М.Яцунским и мной еще раньше, как это отмечалось выше, были разработаны практические приближенные методы расчета траектории составной ракеты на всех участках ее полета, теперь методы были модернизированы применительно к выведению ИСЗ. По таким методикам нами производились оценочные расчеты весов спутников, которые могли бы быть доставлены на орбиты ракетами, подобными разрабатываемой в ОКБ-1 Р-7.
Вторым неясным вопросом было влияние ошибок выведения ИСЗ на элементы реализуемых орбит. Надо было установить, достаточна ли точность работы систем управления межконтинентальных баллистических ракет для того, чтобы вывести спутник на орбиту, близкую к требуемой, не приведут ли возможные ошибки к быстрому его падению на Землю. С этой целью Г.Ю.Максимов оценил влияние таких ошибок на возможные отклонения элементов орбиты спутника при непрерывном активном участке полета РН. Мной была выполнена такая же работа применительно к «разрывному» участку выведения ИСЗ [14]. В итоге было показано, что точность работы систем управления достаточна для его вывода в космическое пространство.
Далее нужно было проанализировать, как влияют на орбиту ИСЗ основные возмущения при длительном его полете. Эти вопросы исследовали Г.Ю.Максимов и И.М.Яцунский. Первый изучал влияния нецентральности поля Земли за счет её эллиптичности, притяжений со стороны Солнца и Луны, а также остатков атмосферы Земли на невысокие орбиты спутников, а второй — влияние на орбиту ИСЗ высших гармоник (аномалий) поля тяготения Земли [14, 15]. В результате были выявлены условия допустимости всех этих возмущений и оценены их величины.
Одной из волнующих в тот и последующие периоды являлась проблема обеспечения встречи двух ИСЗ на орбите с целью их стыковки. Хоть мы уже неплохо знали общие законы орбитального движения космического аппарата (КА), однако возможность сближения двух КА, перемещающихся со скоростями около 8 км/с каждый, эмоционально не легко было принять. Ведь даже самые быстрые артиллерийские снаряды летали со скоростями 1,5-2 км/с, а их встреча на траектории...? Тем интереснее этой проблемой было заниматься. Мной на основе соотношений между ошибками работы системы управления ракетой и отклонениями орбиты после повторного включения ДУ на разрывном участке выведения (см. выше) КА была рассмотрена и показана возможность мягкой встречи двух аппаратов на орбите. В порядке постановки анализировалась также задача об управлении движением с целью сближения [14].
Важнейшей стороной обеспечения полета искусственного спутника Земли является контроль реализуемых и изменяющихся в полете элементов его орбиты. Для этого необходимо, предусмотреть измерения параметров движения ИСЗ по орбите и разработать соответствующий метод определения ее элементов по упомянутым данным. Метод оценки текущих координат положения ИСЗ путем одновременного измерения дальности до него или визирования спутника одновременно с двух-трех наземных станций слежения, широко используемый в геодезии и при контроле движения ракет на активных участках полета, для контроля движения ИСЗ оказывается неприемлемым. Объясняется это тем, что, двигаясь по орбите, он пролетает на каждом своем обороте вокруг Земли над разными ее районами. Поэтому для контроля орбиты спутника указанным способом потребовалось бы чрезвычайно много станций слежения с соответствующей измерительной аппаратурой. Проанализировав особенности полета ИСЗ, И.М Яцунский и Г.Ю.Максимов еще в 1953 г. решили использовать опыт и методологию астрономической науки. Ведь в астрономии издавна орбиты небесных тел чаще всего определялись по результатам измерений, проведенных с помощью телескопов лишь одной обсерватории, правда, в течение больших промежутков времени. Конечно, условия слежения за ИСЗ отличны от условий астрономических наблюдений — в первую очередь, за счет быстроты видимого перемещения спутника сравнительно с естественными небесными телами. Проведя необходимые проработки, И.М.Яцунский и Г.Ю.Максимов выделили основные черты соответствующего метода [14], в основу которого были положены законы орбитального движения ИСЗ и статистический метод обработки результатов измерений — метод наименьших квадратов. Исследования этого вопроса были продолжены, и позже их результаты были применены при разработке эскизного проекта наземного командно-измерительного комплекса [12].
Во время движения искусственного спутника Земли по орбите для выполнения различных наблюдений, решения разного рода задач, возлагаемых на него, наконец, для совершения маневров будущих спутников на орбитах, в том числе схода с неё, необходимы определение и стабилизация положения осей ИСЗ в пространстве, а также развороты спутника для того, чтобы его оси заняли нужное положение. Облик аппаратуры и систем, которые обеспечивали бы эти функции, в тот период были неясными, и эти вопросы необходимо было изучить. Такими исследованиями занялся Г.Ю.Максимов. Он рассмотрел возможности ориентации ИСЗ по результатам наблюдений Солнца, Луны, Земли, а также ярких звезд, изучил требования, которым должны удовлетворять приборы, установленные иа борту спутника и используемые для его ориентации в пространстве; были исследованы также гироскопические системы, позволяющие запоминать опорные направления в пространстве и обеспечивать задаваемые развороты ИСЗ относительно этих направлений (в последних разработках принял участие также и автор статьи). Схематично были рассмотрены реактивные установки, обеспечивающие развороты и стабилизацию спутника по командам от гироскопической системы, а также реактивные двигатели для его маневрирования на орбите. Главной целью анализа была оценка возможных характеристик систем. В результате был намечен возможный облик системы ориентации и разворотов ИСЗ в пространстве.
Важнейшим вопросом для обеспечения функционирования искусственного спутника Земли являлось снабжение всех его устройств электроэнергией. Химические батареи были слишком массивны и для работы на борту спутника вряд ли могли быть применены в качестве основного источника энергии. Естественно, возникло намерение использовать каким-то образом солнечную радиацию. Анализ вопросов энергообеспечения ИСЗ был поручен М.К.Тихонравовым Л.Н.Солдатовой. Кто-то в группе вспомнил про статью в популярном журнале «Радио» об источнике энергии, работающем по принципу термопары с применением в качестве источника тепла керосиновой осветительной лампы. Это была отправная точка для начала анализа. Лидия Николаевна рассмотрела возможность создания для ИСЗ источника электроэнергии, действующего при использовании нагрева Солнцем и охлаждения космосом, проконсультировавшись по этому поводу у известных советских физиков. Источник на основе термопары оказался недостаточно эффективным, но физики обратили внимание Солдатовой на фотоэлементы, о которых в то время было мало что известно. В ходе исследований удалось показать, что источник на базе фотоэлементов может оказаться приемлемым, и получить первые оценки его характеристик. В дальнейшем такие источники энергии применялись на очень многих ИСЗ.
Другим важным и в какой-то мере неожиданным оказался вопрос о том, как и куда девать тепловую энергию, излучаемую различными приборами искусственного спутника Земли и получаемую за счет его нагрева Солнцем и Землей. Ведь сколько энергии потребляется ИСЗ и поступает извне, столько же нужно было каким-то образом отвести от него во избежание перегрева. Кроме этого, поскольку все приборы летающего спутника находятся в невесомости, то даже при наличии атмосферы внутри него никакой естественной конвекции не может быть. Поэтому возникал вопрос о рациональной принудительной вентиляции в ИСЗ. Анализом и решением всех упомянутых вопросов занимались И.М.Яцунский и О.В.Гурко. Они исследовали зависимость условий поглощения спутниковой поверхностью радиации от Солнца и Земли и излучения внутренней теплоты ИСЗ в космическое пространство, обрисовали систему специальных покрытий поверхности спутника и жалюзи. Открытие и закрытие жалюзи позволяло регулировать тепловой режим внутри ИСЗ. Исследователями были также выработаны требования к системе внутренней принудительной вентиляции. Все это дало возможность наметить пути решения данного вопроса и оценить характеристики такой системы.
Известно, что на Землю падает множество мелких и крупных метеоритов. Предполагалось, что в околоземном космическом пространстве могла накапливаться космическая пыль. Поэтому, естественно, возникал вопрос, насколько движущиеся с большими скоростями метеориты и мелкие метеорные частицы представляют опасность для ИСЗ. А.В.Брыков по поручению М.К.Тихонравова оценил вероятность столкновения с спутником метеоритов различных размеров и скоростей. Было показано, что такая вероятность невелика, и ею можно пренебречь. Более чем сорокалетний опыт космических полетов подтвердил эту оценку.
Михаил Клавдиевич много внимания уделял изучению проблем возвращения на Землю беспилотных и пилотируемых спутников (или специально приспособленных для этого агрегатов, входящих в их состав). Напомню, что О.В.Гурко и И.М.Яцунский занимались решением проблемы теплозащиты ИСЗ при его полете в атмосфере Земли путем применения одного из возможных способов — выдавливания охладителя через пористую поверхность спутника в пограничный слой. В итоге они разработали соответствующие методики расчетов необходимых потоков охладителя для поддержания нужного температурного режима поверхности. Мной было рассмотрено влияние на требуемое количество охладителя изменений параметров траекторий планирующего спуска и геометрических характеристик ИСЗ одной из возможных форм [16]. Мне также было поручено рассмотреть зависимости действующих на спутник перегрузок от параметров траекторий и основных характеристик объекта при баллистическом и планирующем способах его спуска. Анализировались также возможные отклонения точки посадки спускаемого аппарата от расчетной. В последнем случае изучался, в основном, баллистический способ спуска. Г.Ю.Максимов исследовал влияние погрешностей реактивного торможения ИСЗ при его сходе с орбиты, автор статьи изучал зависимость точности посадки аппарата от случайных колебаний плотности атмосферы и ошибок аэродинамических коэффициентов.
Позже, в 1958-1959 гг., на основе оценок рассеивания точек приземления кораблей типа «Восток», анализа баллистических условий прохождения трасс полета корабля над территорией СССР и требований обеспечения его посадки на основном и двух-трех запасных витках в ровных и малонаселенных областях мной были разработаны рекомендаций по выбору размера и расположения района возможных посадок пилотируемых кораблей. Наиболее удобными оказался северный Казахстан. Рекомендации были приняты и помещены в эскизный проект наземного командно-измерительного комплекса для кораблей «Восток» [12]. Первый из них, пилотируемый Ю.А.Гагариным, вследствие своей кратковременности (один оборот вокруг Земли) совершил посадку в Саратовской области. Однако почти все последующие корабли типов «Восток» и «Союз» приземлялись в выбранном районе. Мной был разработан также алгоритм оперативного расчета маневра схода с орбиты корабля «Восток» для его посадки в заданный район. Алгоритм в дальнейшем был запрограммирован и реализован при обеспечении полетов этих кораблей Э.П.Веселковым.
Для перевода искусственного спутника Земли на траекторию спуска в заданный район в штатной ситуации нужно сообщить такой тормозной импульс аппарату, при котором требуется его трехосная ориентация. Но для безопасности космонавтов в случае отказа основной системы ориентации необходимо было найти запасные надежные варианты спуска. И.М.Яцунский разработал такой способ посадки корабля и соответствующие методики работы космонавтов в том случае, если возможна только одноосная его ориентация по датчику направления на Солнце, считавшемуся наиболее надежным. О.В.Гурко нашел метод посадки первых пилотируемых кораблей за счет постепенного аэродинамического управляемого их торможения в верхних слоях атмосферы. Этот метод мог применяться при отказе штатной реактивной системы корабля. Обе запасные методики его спуска с орбиты были приняты С.П.Королевым.
В этот период О.В.Гурко в какой-то мере исследовал также альтернативные средства выведения объектов на орбиту на основе аэрокосмических аппаратов. Остальные члены группы, увлеченные работами над близкими проблемами создания и запуска первых искусственных спутников Земли, относили такие средства к достаточно далекому будущему и потому в то время серьезно ими не занимались.
Выполняемые работы позволяли определить значения массово-геометрических и энергетических характеристик основных агрегатов и систем ИСЗ. Для оценки его облика в целом на основе получаемых характеристик анализировались возможные компоновки и сводные характеристики спутников в двух вариантах — неориентированного (ему присвоили индекс «объект Д») и ориентированного («объект ОД»). Компоновка первого исследовалась А.В.Брыковым и Л.Н.Солдатовой, а второго — В.Н.Галковским. Эта разработка показала, что такие объекты «Д» и «ОД» могут быть созданы и выведены на орбиту с помощью ракеты Р-7, что можно считать одним из принципиальных результатов работ группы.
Все получаемые данные исследований оформлялись в виде научно-технических отчетов и высылались в ОКБ С.П.Королева, где были использованы. Сергей Павлович высоко ценил работы группы; так, в тезисах доклада о разработке эскизного проекта искусственного спутника Земли он пишет: «Особо должны быть отмечены первые работы М.К.Тихонравова и его группы» [17, с.362].
Работы над искусственными спутниками Земли велись очень интенсивно, и уже в 1954 г. пути решения основных проблем и главные возможные характеристики будущих ИСЗ были определены. На основе этих материалов Михаил Клавдиевич дал указание группе подготовить для Правительства СССР докладную записку «Об искусственных спутниках Земли». Проект такой записки был подготовлен, и Тихонравов доложил 172 проект С.П.Королеву и М.В.Келдышу. Последний попросил своих сотрудников Д.Е.Охоцимского и Т.М.Энеева также принять участие в подготовке докладной записки с учетом результатов исследований в Отделении прикладной математики Математического института АН СССР. Итоговый вариант записки был подписан М.К.Тихонравовым и представлен в 1954 г. С.П.Королевым в Правительство СССР [17, с.343]. Как известно, на основании этой докладной записки, а также предложения С.П.Королева о запуске первых искусственных спутников Земли с помощью ракеты Р-7, представленного в правительство тогда же, в 1956 г. было принято правительственное постановление, согласно которому ОКБ С.П.Королева поручалось создать и запустить ИСЗ с использованием упомянутой ракеты Р-7, определялся порядок работ и кооперация смежных организаций для решения поставленной задачи. НИИ-4 Минобороны, в котором работала группа М.К.Тихонравова, становился, согласно данному постановлению, головной организацией по проектированию и развертыванию наземного командно-измерительного комплекса (НКИК) для обеспечения полетов искусственных спутников Земли. Результаты работ сотрудников группы Тихоиравова в этой области, были использованы при разработке эскизного проекта НКИКа первых ИСЗ [12].
В группе Михаила Клавдиевича исследовались также некоторые вопросы военного применения искусственных спутников Земли. Так, И.М.Яцунский изучал возможности наблюдения поверхности Земли с помощью длиннофокусных фотоаппаратов. Выделив ряд проблем и указав пути их решения, он показал возможность фотосъемки с разрешением на местности до 1-2 метров. Игорь Марьянович оценил требуемые характеристики фотоаппаратуры, устанавливаемой для этого на ИСЗ. Автором настоящей статьи рассматривались возможность и целесообразность поражения наземных целей боевыми грузами, сбрасываемыми с ИСЗ, были оценены энергетические и точностные характеристики сбрасываемых грузов.
Год 1956 стал годом окончания работы группы М.К.Тихонравова в НИИ-4 Минобороны. Нужно отметить, что она административно никогда не выделялась в самостоятельное подразделение. Сначала группа включалась в отдел П.И.Иванова (которому были поручены и другие работы, не связанные с тематикой группы), затем Н.Д.Найды, Н.В.Егиазарова, С.Г.Гриншпуна и т.д. Однако вследствие большого авторитета Михаила Клавдиевича в научно-тематическом отношении группа была самостоятельна. В связи с развертыванием работ над ИСЗ в ОКБ С.П.Королева (согласно указанному выше постановлению) в 1956 г. в ОКБ-1 ушли работать сначала Л.Н.Солдатова, затем Г.Ю.Максимов. Стремился туда перейти и я, однако меня, как офицера, не отпустили, сказав при этом, что военнослужащий должен работать там, где ему приказывает командование, и мне пришлось остаться в НИИ-4 Минобороны еще 4 года [ 18], до демобилизации из армии. Впрочем, за этот период мне довелось участвовать в интересных работах по созданию НКИК под руководством Ю.А.Мозжорина [12], пришедшего в НИИ-4 в конце 1955 г., в интереснейших командировках в Казахстан по выбору конкретного места расположения космодрома Байконур и его измерительных пунктов[12] и ряде других.
В 1956 г. ушел работать в ОКБ-1 к Сергею Павловичу и сам М.К.Тихонравов, создав там знаменитый отдел №9. В НИИ-4 из группы Михаила Клавдиевича остались к этому времени только И.М.Яцунский, А.В.Брыков, О.В.Гурко, В.Н.Галковский и автор настоящей статьи. На базе остатков группы была создана новая лаборатория №14, начальником которой был назначен П.Е.Эльясберг. Ее пополнили новые сотрудники из смежных подразделений института: Т.Д.Агеева, Г.Р.Успенский. Пришли работать В.Д.Ястребов, Б.Л.Журин, Г.А.Колегов, а также молодые офицеры, только что закончившие высшие военные учебные заведения, А.В.Цепелев, Э.П.Веселков, П.Я.Аничков и др. Лаборатория быстро стала в НИИ-4 центром разработок баллистико-навигационных проблем создания и обеспечения полетов космических аппаратов различных типов и назначения. Однако это тема для другой статьи.
В преддверии запуска первого искусственного спутника Земли в сентябре 1957 г. состоялась юбилейная научно-техническая конференция отделений технических и физико-математических наук АН СССР, посвященная 100-летию со дня рождения К.Э.Циолковского и развитию его идей. Командование НИИ-4 поручило сделать доклады на этой конференции И.М.Яцунскому и мне. Доклады были опубликованы [15, 16].
31 декабря 1957 г. в связи с созданием ракеты Р-7 и успешным запуском первого искусственного спутника Земли большой группе ученых и инженеров в Кремле вручались Ленинские премии СССР. Были среди них и члены группы — М.К.Тихонравов, И.М.Яцунский, И.К.Бажинов и А.В.Брыков, которым премия была присуждена за обоснование возможности создания и запуска первого ИСЗ. М.К.Тихонравов позже был удостоен звания Героя Социалистического Труда СССР. Г.Ю.Максимову Ленинская премия была присуждена несколько позже — за участие в создании первых автоматических лунных аппаратов. Думается, что С.П.Королев, представляя к награде Г.Ю.Максимова, безусловно, учитывал его большой вклад в работы группы М.К.Тихонравова. 1. Галковский В. Н, Москаленко Г. М
ЛИТЕРАТУРА
2. Яцунский И. М. О деятельности М.К. Тихонравова в период с 1947 г. по 1953 г. по обоснованию возможности создания составных ракет. АН СССР. Там же.
3. Бажинов И. К. Деятельность М.К.Тихонравова в 1950-1956 гг. в области исследования основных проблем создания ИСЗ. Там же.
4. Тихонравов М. К. Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами. — Ракетная техника, 1949, №3, с.10-16.
5. Тихонравов М. К. Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами (доклад в Академии артиллерийских наук 14.07. 1948 г.). — В сб. ст.: Из истории авиации и космонавтики. М.: РАН Национальный комитет по истории и философии науки и техники, 1995, вып.67.
6. Яцунский И. М Обоснование М.К.Тихонравовым идеи многоступенчатой ракеты пакетной схемы (к 30-летию доклада М.К.Тихонравова). — В сб. ст.: Из истории авиации и космонавтики. М.: РАН. Национальный комитет по истории и философ ми науки и техники, 1995, вып.26, с. 185-188.
7. Бажинов И. К., Максимов Г. Ю. Об исследованиях возможностей создания в СССР мощных составных ракет и искусственных спутников Земли. — В сб. ст.: Исследования по истории и теории развития авиационной и ракетно-космической науки и техники. М.: АН СССР, 1989, вып.7.
8. Москаленко Г. М. Инженерные методы проектирования в ракетодинамике. М.: Машиностроение, 1974.
9. Циолковский К. Э. Труды по ракетной технике. Под редакцией М.К.Тихонравова. М.: Оборонгиз, 1947.
10. Охоцимский Д. Е. К теории движения ракет. — ПММ, 1946, т.Ю, вып.2, с.251-272.
И.Охоцимский Д. Е., Энеев Т. М. Некоторые вариационные задачи, связанные с запуском искусственного спутника Земли — УФН, 1957, т.63, вып. 10, с.5-32.
12. Мозжорин Ю. А. Мемуары «Так это было...». М.: ЗАО «Международная программа образования», 2000, с.76, 410.
13. Бажинов И. К. Ю.А.Мозжорин и первые полигонные и измерительные комплексы в отечественной ракетно-космической технике. — Космонавтика и ракетостроение, 2000, №21.
14. Тихонравов М. К., Яцунский Г. М., Максимов Г. Ю. и др. Основы теории полета и элементы проектирования ИСЗ. М.: Машиностроение, 1967.
15. Яцунский И. М. О влиянии геофизических факторов на движение спутника — Успехи физических наук, 1957, т.63, вып.1а.
16. Бажинов И. К. Исследование условий спуска искусственного спутника на Землю. — Вестник АН СССР, 1957, №12, с. 106.
17. Творческое наследие академика С.П.Королева. М.: Наука, 1980.
18. Бажинов И. К. Развитие работ по космической баллистике и навигации в ЦНИИ машиностроения в.1960-1985 гг. — Космонавтика и ракетостроение, 2000, №21