«Наука в СССР» 1990 №2

На ранних этапах проектирования и определения облика "Энергии" было рассмотрено множество концепций построения этой системы, разнообразные варианты конструктивно-компоновочных схем. При их анализе учитывался прогноз развития космических аппаратов на длительный период. Он касался как пилотируемых аппаратов, запускаемых в околоземное пространство (в том числе крупных орбитальных станций), так и автоматических, предназначенных для решения народнохозяйственных, научных и оборонных задач. В прогноз включались также пилотируемые полеты на Луну и Марс.

Вместе с тем выбор облика "Энергии" зависел от возможностей ракетно-космической промышленности, от имеющихся стендово-испытательных и технических средств космодрома Байконур, где предполагалось проводить летные испытания и эксплуатацию ракеты. Влияло и стремление сделать новый носитель, затратив минимальные средства.

В результате были сформулированы основные требования к ракете.

Наиболее принципиальное требование к "Энергии" (в отличие от многоразовой транспортной системы "Спейс Шаттл") заключалось в том, чтобы новая ракета-носитель была универсальной, способной доставлять во внеземное пространство и многоразовый орбитальный корабль "Буран", и другие полезные грузы больших масс и габаритов. Это определило не только грузоподъемность (около 100 т), но и место расположения ее ноши", которая была помещена сбоку. Такая компоновка позволила при создании системы "Энергия-Буран" порознь испытывать ракету и корабль, запустить его на низкую орбиту. В дальнейшем она даст возможность выводить космические аппараты на высокие орбиты (с использованием дополнительных разгонных блоков), включая геостационарную, а также на траектории полета к Луне и планетам. При дальнейших работах были установлены основные характеристики "Энергии" (стартовая масса около 2 400 т, длина около 60 м, максимальный поперечный размер около 20 м) и уточнены ее возможности по выведению полезных грузов диаметром до 7 м и длиной до 40 м.

Другое важное требование: будущая космическая транспортная система должна быть такой, чтобы на ее основе можно было создать ряд ракет среднего и тяжелого класса грузоподъемностью от 10 до 200 т. Это позволило бы обойтись минимальным количеством вновь разрабатываемых маршевых двигателей и ракетных блоков для составления целого спектра разнообразных носителей. Было решено, что "Энергия" станет базовой системой и будет строиться по блочно-модульному принципу из блоков, используемых и для других ракет перспективного ряда.

Для I ступени "Энергии" были выбраны четыре модульных ракетных блока, работающих на кислородно-керосиновом топливе. Диаметр каждого из них — 4 м. С заводов-изготовителей на космодром они должны доставляться по железной дороге. II ступень "Энергии" представляет собой моноблок диаметром около 8 м и длиной около 60 м. В нем используется высокоэффективное кислородно-водородное топливо. Перевозится он на самолете. Каждый блок I ступени снабжен одним двигателем с тягой около 806 тс (в пустоте). II ступень имеет четыре двигателя, развивающих усилие примерно по 200 тс (в пустоте).

Модульный принцип компоновки транспортной системы оказался весьма экономичным как при наземной отработке блоков, так и при летных испытаниях, ибо проверка ракеты меньшего размера всегда обходится дешевле, чем большой. Кстати, "попутно" из одного кислородно-керосинового модуля I ступени был создан носитель "Зенит" грузоподъемностью 12-14 т.

Если использовать два модульных блока I ступени и блок II ступени, то можно составить ракету, способную поднять на опорную орбиту до 65 т. Система же из восьми модифицированных модульных блоков I ступени и модифицированного блока II ступени с увеличенными запасами топлива будет представлять собой уже сверхтяжелый носитель грузоподъемностью около 200 т.

Необходимость запускать космические аппараты на орбиты различных наклонений, включая полярные, а также стремление сократить площади отчуждаемых земель, куда падают ракетные блоки, отразились на решении конструкторов принять двухступенчатую схему ракеты. Соотношение ступеней подбиралось таким образом, чтобы обеспечить максимальную грузоподъемность ракеты и сравнительно небольшую удаленность падения, от места старта ракетных блоков I ступени — до 400 км. Причем скорости полета блоков I ступени не превысили 1,8 км/с, что дает возможность в дальнейшем спасать их и использовать повторно.

НАДЕЖНОСТЬ И ЕЩЕ РАЗ НАДЕЖНОСТЬ

Высокая стоимость выводимых с помощью "Энергии" полезных грузов заставила особое внимание уделить ее надежности. В связи с этим количество двигателей на ракете выбрано практически минимальным, причем обе ступени должны включаться почти одновременно. Тем же целям служит заложенный при разработке "Энергии" принцип: один отказ в любой системе — программа продолжает выполняться, второй отказ — работа всех систем переключается на обеспечение безопасности полета и спасение корабля. Реализуется принцип благодаря резервированию жизненно важных систем и агрегатов. Например, средства разделения ступеней отделения полезного груза от ракеты-носителя дублированы, аппаратура системы управления имеет трехкратную страховку, а турбогенераторные источники электропитания на II ступени — четырехкратную. То же самое можно сказать и о многих элементах двигательных установок рулевых приводов. Предусмотренные запасы прочности обеспечивают неразрушение ракеты-носителя в нештатных ситуациях. При испытаниях контрольные уровни надежности поэтапно подтверждались от изделия к изделию, в соответствии со специальной программой. Перед огневыми стендовыми испытаниями блоков ракеты-носителя, исходя из опыта наземной отработки таких систем у нас в стране и за рубежом, достаточно высокие характеристики надежности были определены как минимально допустимые. Их подтвердили многочисленные многоуровневые автономные проверки всех систем и агрегатов, а также комплексное опробование изделия в целом на универсальном стенде-старте и при "холодных", и при огневых испытаниях.

Новый стартовый комплекс, сооруженный для запуска универсальной ракетно-космической транспортной системы.

Однако мы понимали, что нельзя создать столь сложную техническую систему, работающую абсолютно безотказно. Неполадки, хотя и редкие, неизбежны. Поэтому при проектировании "Энергии" большое внимание уделялось ее живучести.

Были проанализированы более 500 возможных нештатных ситуаций, найдены способы выхода из них. Конструкторы сформулировали требования к бортовым системам и агрегатам и к ракете-носителю в целом, предусмотрели дополнительные средства контроля и локализации возможных повреждений.

Так, проектные параметры носителя выбирались таким образом, чтобы при отказе любого из двигателей I или II ступени в любой точке траектории обеспечивался управляемый полет. Именно с этой целью на II ступени установлен четвертый двигатель. В результате при выведении, например, многоразового корабля "Буран" он в зависимости от времени появления отказа может либо быть "доставлен" на низкую одновитковую траекторию полета по орбите искусственного спутника Земли с последующей посадкой на один из аэродромов, либо носитель может осуществить маневр возврата на активном участке выведения и обеспечить посадку корабля на полосу, расположенную вблизи стартового комплекса. Для облегчения подобных маневров на высоте не менее 200 м предусматривается слив из аварийных блоков I ступени наиболее тяжелой составляющей топлива — кислорода. При аварии же на старте или в первые секунды полета тяговооруженность ракеты-носителя достаточна, чтобы увести ее от сооружений полигона на безопасное расстояние.

Средства аварийной защиты двигателей I и II ступеней позволяют вести непрерывный контроль их состояния, фиксировать отказы и своевременно отключать аварийный двигатель без его разрушения. Для подавления очагов пожара на борту носителя имеются специальные средства пожаровзрывопредупреждения со своими датчиками газоанализа и температуры, а также запасами инертных газов, предназначенных для заполнения отсеков.

Этими и множеством других мер решается сложнейшая проблема обеспечения безопасности экипажей выводимых аппаратов

Более 500 возможных нештатных ситуаций проанализировали конструкторы «Энергии», чтобы гарантировать ей максимальную живучесть, а экипажу — возможно большую безопасность

в полете. В критических ситуациях на старте с помощью агрегата экстренной эвакуации экипаж и обслуживающий персонал смогут очень быстро покинуть корабль.

При выведении тяжелых непилотируемых грузов, когда в нештатных ситуациях выход на орбиту оказывается уже невозможным, аварийная ракета с полезным грузом упадет не куда попало, а в специально выделенные районы на территории СССР или в акватории Мирового океана.

Спасать корабль и обеспечивать безопасную трассу полета — это тоже принципиально новые свойства носителя. Предыдущие поколения ракет такими возможностями не обладали.

ПРЕЖДЕ ЧЕМ ОТОРВАТЬСЯ ОТ ЗЕМЛИ

Анализ требований по надежности, живучести и безопасности, проведенный на этапах эскизного и технического проектирования, показал, что они выполнимы лишь при тщательной наземной отработке составных частей ракеты и всего носителя в целом. Возникла необходимость провести огромное количество разнообразных испытаний.

Надежность — важное качество новой ракеты. Все ее запуски прошли успешно.

Мы руководствовались стремлением максимально подтвердить заданные характеристики на земле. На долю же летных испытаний должны были остаться только те вопросы, решить которые можно лишь в полете. Одновременно наземная отработка ориентировалась на использование существующих стендов и сооружений технического и стартового комплексов, построенных ранее для других ракет-носителей, с минимальным их дооснащением. Вместе с тем новизна и сложность космической системы все равно потребовали создать значительную экспериментальную базу — свыше 360 новых стендов и установок. И среди них уникальные: универсальный "стенд-старт", позволяющий проводить комплексные "холодные" и огневые испытания ракетных блоков, ракеты-носителя в целом ("пакета"); стенды для отработки средств разделения; действующая модель комплекса "Энергия-Буран" в масштабе 1:10 для определения динамических, тепловых и акустических нагрузок при пуске изделия и ряд других.

Всего же проведено около 7 тыс. комплексных и десятки тысяч автономных испытаний.

Так, к моменту пуска комплекса "Энергия-Буран" было изготовлено более 100 маршевых кислородно-водородных двигателей II ступени, которые проверялись свыше 600 раз. Наработка на одну силовую установку в среднем составила 6-7 полетных ресурсов. Маршевых же двигателей первой ступени было сделано порядка двухсот, и их свыше 600 раз подвергали испытаниям. Многие из них выдержали по 6-10 ресурсов и более.

Наземная отработка носителя завершилась комплексными огневыми испытаниями ракетных блоков I и II ступеней. Полноразмерные блоки I ступени прошли восемь успешных проверок, а блок II ступени — две. Причем на первом испытании II ступени произошло преждевременное автоматическое выключение двигателей из-за повышения сверх нормы температуры в хвостовом отсеке, вызванного нарушением целостности одного из трубопроводов пневмогидросистемы. Этот случай подтвердил правильность принципов, заложенных в системы аварийной защиты двигателей и пожаровзрывопредупреждения.

ЧТО ПОКАЗАЛИ ПОЛЕТЫ

По результатам успешных проверок всех систем тяжелого носителя на земле, а также учитывая, что 12 блоков I ступени к этому времени положительно показали себя при летных испытаниях в составе другой ракеты "Зенит", было принято решение провести экспериментальный пуск "Энергии" с крупногабаритным макетом космического аппарата. Его основная задача — проверить достаточность наземной отработки, определить газодинамические, акустические и вибрационные воздействия на изделие при пуске и полете, а также оценить готовность наземных комплексов и привлекаемых средств к будущим летным испытаниям "Энергии" с орбитальным кораблем.

Пуск столь сложной ракеты связан с определенным риском. Поэтому особое внимание уделялось выбору безопасных трасс выведения. Трасса (с наклоном орбиты 65°), намеченная для первого пуска, практически не задевала иностранные государства (Китай, Японию). К тому же в случае возникновения нештатных ситуаций блоки и отделяющиеся части имели наименьшую вероятность упасть на территории населенных пунктов, особенно в промышленных районах.

Впервые "Энергия" стартовала 15 мая 1987 г. Пуск прошел успешно. Программа испытания носителя выполнена полностью. К сожалению, макет космического аппарата из-за нештатной работы его бортовых систем на заданную орбиту не вышел. Тем не менее успешный экспериментально-отработочный пуск подтвердил возможность перехода к летным испытаниям носителя вместе с орбитальным кораблем "Буран".

Первое летное испытание системы "Энергия-Буран" планировалось на 29 октября 1988 г. Однако при так называемом наборе стартовой готовности, примерно за минуту до старта, автоматизированная система управления подготовкой пуска выдала команду "Аварийное прекращение пуска". Как показал последующий анализ, блок приборов, корректирующих гироскопы для прицеливания ракеты, слишком медленно отходил от ее тела. В кратчайшие сроки конструкция узла соединения блока с носителем была переделана. Новая получилась более простой и надежной.

Повторная команда на пуск "Энергии" с кораблем "Буран" прозвучала 15 ноября 1988 г. Полет прошел успешно. Возвращение на Землю и точная посадка "Бурана"* засвидетельствовали надежную работу всех систем ракеты-носителя и корабля.

*См.: Сваровский Н.Н. "Буран" — от старта до финиша. — Наука в СССР, 1989, №4 (прим. ред.).

Итак, два успешных пуска универсальной ракетно-космической транспортной системы "Энергия" подтвердили, что проектно-конструкторские решения, стратегия и объем наземной отработки правильны.

КАКОЙ БУДЕТ "ЭНЕРГИЯ" ЗАВТРА

Как уже говорилось, в конструктивное решение "Энергии" заложены возможности ее дальнейших модификаций для постоянного использования достаточно длительное время. Чтобы выводить полезные грузы массой до 18 т на геостационарную орбиту и обеспечивать разгон полезных грузов массой 32 т на траектории полета к Луне и до 28 т — к Марсу и Венере, предусматривается создать кислородно-водородный разгонный блок диаметром 5,5 м, с массой топлива порядка 70 т и двигателем с повышенной удельной тягой. Кроме того, ведется разработка специального блока довыведения (своего рода буксира) малой размерности (на базе разгонного блока, предназначенного для меньшего носителя). Буксир будет "дотягивать" крупногабаритные орбитальные станции и платформы с низких орбит на высоту до 1000 км.

На специальной железнодорожной платформе ракета выдвигается к месту старта.

На своей "спине" "Энергия" способна и сама доставлять в околоземное пространство громоздкие и тяжелые грузы. Для них проектируется специальный грузовой контейнер, устанавливаемый на носителе вместо орбитального корабля. Его внутренний диаметр 5,5 м и длина до 37 м.

В дальнейшем предусмотрено и совершенствование маршевых двигателей, систем и агрегатов, конструкций блоков ступеней с тем, чтобы увеличить грузоподъемность как самой "Энергии", так и ракет, которые будут сделаны в перспективе на ее базе.

Чрезвычайно важная проблема в осуществлении космических программ — снижение стоимости выведения на орбиту единицы массы полезного груза. В этом смысле развитие системы "Энергия" мы связываем с внедрением конструкций многоразового применения. Предполагается оснастить блоки I ступени средствами спасения — парашютами, двигателями мягкой посадки, посадочными устройствами. Они после отделения блоков от центрального тела носителя обеспечат их

Создание в перспективе многоразовых крылатых носителей приведет к появлению нового класса транспортных систем — авиационно-космических.

ориентированный полет и мягкую посадку в заданном районе. Рассматривается также возможность сделать блок II ступени в виде многоразовой крылатой ракеты, возвращающейся в район старта и совершающей посадку на аэродром. Решить задачу поможет опыт, накопленный при создании корабля "Буран". По нашему мнению, у него можно позаимствовать крыло, теплозащитное покрытие, шасси и некоторые другие элементы, что, безусловно, снизит затраты на разработку. В этом направлении уже предприняты кое-какие поиски, особенно в области аэрогазодинамики, динамики полета. Вполне реально оснастить крыльями и блоки I ступени.

Таким образом, создание в перспективе многоразовых крылатых носителей приведет к появлению нового класса транспортных систем — авиационно-космических. Они будут выполнять множество полетов с минимальным ремонтом. Для них не потребуется отчуждать земли, предназначенные сегодня для падения отделяющихся частей. Все это позволит значительно снизить стоимость выведения в космос полезных грузов, обеспечит всеазимутальность пусков, повысит комфорт самих полетов.

А КАКОВА ОТДАЧА ОТ "ЭНЕРГИИ"?

Рентабельность космических программ зависит не только от экономичности транспортных средств и увеличения объема и разнообразия работ, проводимых во внеземном пространстве. Немалые выгоды создание космической техники приносит непосредственно на Земле.

"Энергия" объединила усилия более чем 1200 конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов, заводов, строительно-монтажных и эксплуатирующих организаций 75 министерств и ведомств. Академии наук СССР и академий наук союзных республик. Таких масштабов не знала ни одна отечественная программа. Накоплен мощный научно-технический потен который позволяет осуществить технологический прорыв как в ракетно-космической сфере, так и во многих других областях народного хозяйства.

Сверхмощный транспортный самолет "Мрия" способен доставлять на космодром и отдельные блоки "Энергии", и многоразовый корабль "Буран".

Конструкционные материалы изготовленные специально для "Энергии", обладают значительной удельной прочностью, а многие к тому же работоспособны при криогенных температурах. Получены новые марки высокопрочных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, необычные теплоизоляционные и теплозащитные покрытия. В общей сложности новые материалы на "Энергии" составляют свыше 70% ее сухой массы, причем около 50 из них уже сегодня применяются в отраслях и машиностроения.

При создании ракеты-носителя разработаны и внедрены в промышленность оригинальные технологические процессы. Например, с помощью метода вакуумного дегазирования и регламентации температурно-временных параметров литья удалось получить слитки алюминиевых сплавов больших размеров весом до 3 тыс. кг, с повышенной чистотой. Освоена технология изготовления крупногабаритных "вафельных" конструкций оболочек для баков диаметром до 8 м. Их сборка осуществляется с применением электронно-лучевой и импульсно-дуговой сварки. В настоящее время проводится систематизация накопленных научно-технических достижений, ведутся поиски путей для их дальнейшего использования в народном хозяйстве.

Успехи достигнуты в сфере материаловедения и технологии. Предназначенные для отработки систем ракеты стенды, экспериментальные установки и другие сооружения, оснащенные современной электронно-вычислительной техникой, пригодны для испытаний и доводки различных летательных аппаратов.

Но вернемся снова в космос. С вводом "Энергии" в постоянную эксплуатацию на околоземных орбитах появятся крупные научно-исследовательские лаборатории, космические заводы для промышленного производства сверхчистых веществ, сплавов, оптических материалов, вакцин и других медицинских препаратов. Станет реальной широкая телефонизация страны с использованием тяжелых платформ связи на геостационарной орбите. Открываются широкие возможности для организации прямого телевизионного вещания, эффективной системы экологического контроля Земли, информатизации общества.

Тяжелая ракета-носитель "Энергия" позволит в недалеком будущем решать задачи по освоению Луны, доставить марсианский грунт на Землю, а в дальнейшем и осуществить пилотируемые экспедиции на эту планету.

Работы, связанные с полным раскрытием потенциала "Энергии", только начаты, но и они свидетельствуют о том, что большой круг задач по промышленному использованию космоса в интересах страны и всего человечества по программе "Звездного мира" можно решить уже в недалеком будущем.

Б.И. ГУБАНОВ,
доктор технических наук,
главный конструктор
универсальной
ракетно-космической
транспортной системы
"Энергия"


Фото А. Моклецова

Двухтысячетонная ракета "Энергия". Ее мощности и запасов топлива достаточно, чтобы совершить путешествие к Марсу.