Владимир БУГРОВ,
непосредственный разработчик
проектов кораблей для
полета на Марс и Луну
Пионеры ракетно-космической техники, сплотившие вокруг себя коллективы энтузиастов, мечтали о межпланетном полете. Вот выдержки из заметки, написанной заместителем С. П. Королева, начальником проектного отдела ОКБ-1 Михаилом Клавдиевичем Тихонравовым в стенгазету нашего отдела еще в 1962 году.
"Перед Днем космонавтики я вспоминаю сценку из далекого прошлого... В начале весны 1934 года в воротах дома N 19 по Садовой-Спасской улице в Москве задержались два инженера ГИРДа, который помещался во дворе этого дома. "Хотел бы я знать, - сказал один, - кто будет проектировать и строить корабль для полета человека в Космос". "Конечно, это будет коллектив, обязательно коллектив! - ответил другой. - Знаю, и ты, и я будем в этом коллективе. И если ни одна наша ракета еще не летала в космос, то это не значит, что мы не доживем до межпланетного полета человека. Обязательно доживем!... " Один из этих инженеров стал главным конструктором и создал тот коллектив, о котором мечтал тогда".
Мечты о межпланетном полете, овладевшие молодым Сергеем Королевым в начале 30-х годов, пробудили в нем завидную целеустремленность. На пути к цели он столкнулся с непониманием, завистью, отстранением от дела, необоснованным арестом в 1938 году, ссылкой на Колыму, работой в "шарашках" при НКВД. Но он не изменял своей цели, обращался к Сталину и после досрочного освобождения волей и настойчивостью определил свою судьбу. Руководство страны сумело разглядеть и оценить его особые качества. В 1946 году Королев назначен главным конструктором баллистических ракет дальнего действия основного средства доставки ядерного оружия до цели. Создавая ракетно-ядерный щит, он не забывал о межпланетном полете. Его ракета Р-7 оказалась способной не только нести ядерный заряд, но и разогнать корабль с человеком на борту до первой космической скорости и вывести его на орбиту вокруг Земли. Используя возможности Р-7, Королев осуществил целую серию триумфальных полетов пилотируемых кораблей и автоматических, в том числе межпланетных, аппаратов и станций.
Но еще до начала пилотируемых полетов на околоземные орбиты Королев намечает фантастическую цель - разогнать корабль с человеком до второй космической скорости, вырваться за пределы земного тяготения и отправить его к ближайшей планете. После предварительных проработок в ОКБ-1, 23 июня 1960 года вышло постановление правительства о создании ракетно-космической системы со стартовой массой 1000-2000 т, обеспечивающей выведение на орбиту вокруг Земли тяжелого межпланетного корабля массой 60-80 т. Именно межпланетного корабля, о котором 70 лет назад мечтали 27-летний Королев и 34-летний Тихонравов. Через 26 лет после описанной Тихонравовым встречи Королев стал главным конструктором межпланетного пилотируемого ракетно-космического комплекса для полета человека на Марс (Н1-ТМК), это самый яркий проект Королева, вершина его творчества.
В структуре Н1-ТМК две составные части: ракетный комплекс (РК) в составе трехступенчатой ракеты Н1, технического, стартового комплексов, других наземных сооружений, обеспечивающих подготовку, старт и выведение на ОИСЗ 75-тонных блоков, из которых собирается на орбите вторая составная часть Н1-ТМК - межпланетный космический комплекс (МКК).
Главным элементом ракетного комплекса была сверхтяжелая трехступенчатая ракета Н-1 (Рис. 1). Стартовый вес ракеты на начальном этапе составлял 2200 т, вес полезного груза, выводимого на ОИСЗ высотой 300 км, - 75 т. Именно для полета на Марс создавалась ракета Н1, а не для соревнований с американцами, кто раньше сядет на Луну, о котором без конца рассказывают нам пресса и телевидение. Стартовый вес межпланетного комплекса - 500-1000 т может быть сформирован на околоземной орбите только путем сборки, поэтому вес полезного груза 75 т выбран Королевым, исходя из возможностей создания ракеты в кратчайший срок. В дальнейшем под Лунную программу вес был увеличен до 2800 и 95 тонн (Рис. 2). На базе Н1, используя ее верхние ступени, предполагалось создание унифицированного семейства ракет на экологически чистых компонентах: Н11 со стартовой массой 700 т и полезным грузом 20 т, использовавшей 2, 3 ступени Н1 и дополнительную 4 ступень; Н111 со стартовой массой 200 т и полезным грузом 5 т, использовавшей 3 ступень Н1 и дополнительную 4 ступень.
Конструктивно Н1 состояла из трех блоков - А, Б и В - с поперечным делением, представлявших собой силовые каркасные оболочки, воспринимавшие внешние нагрузки, внутри которых располагались сферические топливные баки, двигатели и другие системы. Блоки соединялись между собой переходными отсеками ферменного типа. На блоке А устанавливалось 24 двигателя, на блоке Б - 8, на блоке В - 4. За счет многодвигательной установки первой ступени обеспечивалось выведение полезного груза даже при отказе двух двигателей.
В качестве топлива для двигателей была выбрана нетоксичная, наиболее дешевая и освоенная в производстве пара - керосин и кислород с перспективой применения водорода. Разработка двигателей была поручена Н. Д. Кузнецову (ОКБ-276) в связи с тем, что В. П. Глушко, двигатели которого применялись на предыдущих ракетах, отказался разрабатывать двигатели для Н1 на принятых компонентах топлива. Это обстоятельство, переросшее в неразрешимый конфликт между Королевым и Глушко, отрицательно повлияло не только на результаты работ по ракете Н1 и Марсианскому проекту, но и на судьбу созданного Королевым огромного коллектива в ОКБ-1 и в смежных организациях и предопределило закат нашего лидерства в космонавтике.
При разработке Н1 необходимо было проявить новый подход при решении ряда научно-производственных проблем: по статической и динамической прочности, вопросам аэро- и газодинамики, созданию большого количества новых типов сложнейшей крупногабаритной арматуры, созданию базы для наземной экспериментальной отработки, уникальных сооружений на технической и стартовой позициях, в том числе филиала завода на космодроме для изготовления баков и сборки крупногабаритных отсеков. Работы по комплексу Н1 проводились под прямым руководством Королева, возглавлявшего совет главных конструкторов, и его первого заместителя Мишина.
Проектирование тяжелого межпланетного корабля (ТМК) для полета к Марсу Королев поручил Тихонравову - своему старому соратнику, с которым они мечтали о межпланетном полете. Оно проводилось в отделе № 9, в секторе Глеба Юрьевича Максимова под непосредственным руководством Тихонравова. Группа, занимавшаяся ТМК, в разные периоды насчитывала от 8 до 15 человек. Имея 6-летний опыт работы в ОКБ Лавочкина, я оказался основным исполнителем по этой теме: разрабатывал компоновку, состав, весовую сводку ТМК, комплексные вопросы по экспедиции в целом. Максимов был занят текущими работами по автоматам, и мне приходилось часто работать напрямую с Тихонравовым, а он регулярно встречался с Королевым и получал от него советы и рекомендации для разработки проекта.
Компоновка ТМК менялась по мере решения проблем длительного полета и уточнения требований к системам корабля. На первых этапах работы главной проблемой, определявшей компоновку, являлась невесомость. Бороться с ней пытались путем вращения корабля вокруг центра масс для создания искусственной тяжести. Жилые и чаще посещаемые отсеки размещались на максимальном расстоянии от центра вращения. Разумным представлялось расстояние 10-12 метров. Остальная масса компактно располагалась на противоположной стороне.
Следующая проблема - обеспечение продуктами питания, водой и воздухом. Запасы этих компонентов для экипажа из 3 человек на 2-3 года полета имели неприемлемые весовые характеристики, снизить их можно было за счет воспроизводства на борту. Эту задачу решал замкнутый биолого-технический комплекс (ЗБТК). В его составе проектировалась оранжерея площадью 60 кв. м, на которой размещались картофель, сахарная свекла, рис, бобовые, капуста, морковь, салат и другие огородные культуры. Растения выращивались на компактных стеллажах, на гидропонике, их корни располагались в специальных капсулах, к которым подводился питательный раствор. В состав ЗБТК также входили: хлорелльный реактор, ферма с животными - кроликами или курами и система утилизации отходов с запасами реактивов. По вопросам растениеводства регулярно проводились консультации с ведущими специалистами страны.
Солнечный поток для освещения растений сжимался цилиндрическими концентраторами, располагавшимися вдоль корпуса корабля, и вводился внутрь через щелевые иллюминаторы. Корабль для создания искусственной тяжести вращался. Концентраторы постоянно ориентировались на Солнце. Ось вращения корабля должна постоянно поворачиваться на Солнце. Для выполнения такого поворота вес топлива двигателей мог составлять 15 т, что требовало дополнительно несколько ракет Н1.
Для решения противоречия плоскость вращения корабля совместили с плоскостью траектории полета, что снизило вес, но породило новые проблемы. Появился узел вращения между концентраторами и корпусом корабля, Концентраторы стали двойной кривизны для сжатия солнечного потока в двух плоскостях, что усложнило их конструкцию. Иллюминатор диаметром до одного метра стал сферической формы из высокопрочного и жаропрочного стекла на основе ситалов.
Королев и Тихонравов уже в то время интуитивно понимали, что в длительных полетах можно будет обойтись без искусственной тяжести, что существенно могло упростить компоновку, но экспериментальных подтверждений этого в то время не было, и мы прорабатывали все варианты. Компоновки тех лет, сложные, неконструктивные, футуристические, сегодня вызывают улыбку, но такова была история, так рождался Марсианский проект.
В начале весны 1962 г. компоновка ТМК упростилась (Рис. 5). Она представляла собой пятиэтажный цилиндр переменного диаметра, каждый этаж которого как отдельный модуль имел определенное функциональное назначение, что должно было позволить большую гибкость при заказе смежным организациям, сохранении ответственности за надежность на всех этапах создания и эксплуатации и параллельную отработку.
Первый этаж - жилой, с расположенными в нем тремя индивидуальными каютами для экипажа, туалетами, пленочными душевыми, комнатой отдыха с библиотекой микрофильмов, кухней и столовой. Второй - рабочий, с рубкой для ежедневного контроля и управления всеми системами ТМК, мастерской, медицинским кабинетом с нагрузочными тренажерами, лабораторией для проведения научно-исследовательских работ, надувным внешним шлюзом. Третий - биологический отсек, с расположенными в нем стеллажами с высшими растениями, светораспределительными устройствами, арматурой для подачи питательных растворов, клетками с животными, хлорельным реактором, емкостями для хранения урожая и химикатов, частью арматуры и оборудования ЗБТК. Четвертый - приборно-агрегатный отсек, в котором была сосредоточена основная масса приборов, аппаратуры и арматуры всех систем ТМК, он же решал задачу радиационного убежища.
Пятый этаж располагался снаружи, это была корректирующая двигательная установка с запасом топлива и спускаемый аппарат (СА), который стыковался своим верхним люком к люку в корпусе ТМК, расположенному в специальной сферической нише. На днище СА, закрывая нишу, размещалась КДУ с запасами топлива и частью аппаратуры, увеличивая радиационную защиту экипажа в полете и обеспечивая автономное маневрирование СА при возвращении на Землю и при нештатных ситуациях во время старта к Марсу. Экипаж управлял кораблем из СА при выполнении всех динамических операций. Снаружи на корпусе ТМК размещались концентраторы, солнечные батареи, радиаторы и жалюзи системы терморегулирования, антенны дальней радиосвязи, люк с надувным шлюзом для выхода из ТМК, элементы для передвижения по наружной поверхности.
В июле 1962 года по поручению Королева был подготовлен проспект плана освоения Марса. План предусматривал четыре этапа. Первая экспедиция на Марс планировалась в начале 1974 года. Тихонравов, вернувшись от Королева после его ознакомления с материалами проспекта, принес написанную им записку и попросил меня переписать ее в мою секретную рабочую тетрадь (записка была написана на обороте секретного черновика, который мог быть уничтожен), вот выдержки из ее текста:
"... 4. Задачи освоения Луны и Марса различны. 5. Первая задача - проектирование корабля для большой экспедиции с возвращением. 6. Это возможно: а) на базе сборки, б) с ЭРДУ, в) с ЗБТК...
9. Нужно дублировать следующие трудности: а) нет ЭРДУ - вариант с жидкостными двигателями. б) нет ЗБТК - вариант с запасами. в) сборка ... По пункту в: 1) возможно, потребуется облет не по соображениям науки и техники. 2) идти на риск посадки на Марс без возвращения на том же корабле. (Экспедиция из минимального числа людей ждет следующий корабль.) Таким образом, можно делать облетный, но он должен быть элементом сборного!!! Нужно проектировать элементы".
Эти очень важные конкретные указания были для меня планом дальнейших действий.
(Продолжение следует)
(Окончание)
На первых порах при разработке проекта полета на Марс в ОКБ-1 рассматривался вариант с использованием электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) для разгона с ОИСЗ к Марсу и других маневров. Он обладал высокими энергетическими характеристиками, допускавшими вольное обращение с массой полезного груза. Королев и Тихонравов слабо верили в возможность применения ЭРДУ в обозримом будущем. Королев в своей записке дал прямое указание ориентироваться на ЖРД для разгона к Марсу. Именно этим его проект принципиально отличается от остальных.
Во исполнение указания Королева мной был проведен сравнительный анализ возможности полета на Марс с применением ЖРД. По формуле Циолковского на логарифмической линейке было просчитано 24 варианта полета на Марс с вариациями по удельной тяге, воспроизводству продуктов в ЗБТК и по высотам орбиты у Марса, определены веса по всем этапам полета и исходные веса перед стартом с ОИСЗ.
План освоения Марса показывает, что кажущееся многообразие творчества Королева на самом деле строго подчинено одной конечной цели - полету на Марс - и отвечает главному принципу системного подхода: цели составных частей системы совпадают с целями системы.
Дополнительно по поручению Королева были подготовлены плакаты, иллюстрирующие схемы осуществления экспедиции, компоновку ТМК, общий вид марсианского экспедиционного комплекса перед стартом с ОИСЗ, для разных схем, компоновочную схему межпланетного комплекса в варианте с аэродинамическим торможением, и пояснительная записка. Материалы были доложены им на большом совещании с участием М. В. Келдыша, Н. И. Крылова, С. А.Афанасьева, Д. Ф. Устинова и были одобрены.
С начала 1963 года в соответствии со сделанными выводами начались проработки варианта с аэродинамическим торможением.
Экспедиционный комплекс при погружении в марсианскую атмосферу будет испытывать перегрузки и нагрев, допустимые пределы которых весьма ограниченны из-за большого количества внешних элементов, размеры, форма и прочность которых не рассчитаны на полет в атмосфере. Эта особенность с учетом требований по обеспечению искусственной тяжести, сборки комплекса на ОИСЗ и ряда других влечет за собой новый подход к компоновочной схеме ТМК, экспедиционного комплекса и всех его промежуточных конфигураций.
При наличии в составе МКК тормозного блока количество ракет Н1, необходимых для его сборки, составит 14-15, а время сборки на орбите 3-4 года, что не может рассматриваться всерьез. Отказ от тормозного блока позволит сократить количество потребных носителей до 5, а время сборки - до 1 года. Реализация этих мероприятий могла бы сократить стартовый вес до 350-300 тонн, а количество ракет - до четырех, что, с учетом перспективных возможностей Н1 выводить на орбиту до 240 тонн делала вариант полета на Марс на ЖРД вполне реальным в обозримые сроки.
На четвертый год проектирования облик межпланетного космического комплекса (МКК) был сформирован (рис. 3). Для сборки на орбите в его состав был введен монтажный отсек сферической формы с 6 стыковочными узлами. К двум противоположным узлам стыковались центральный модуль разгонного (с ОИСЗ) ракетно-космического комплекса, с одной стороны, с другой - ТМК с разгонным (с ОИСМ) блоком и посадочный комплекс. Перпендикулярно к ним стыковались 4 боковых модуля разгонного комплекса и укладывались вдоль центрального, образуя единую двигательную установку. После старта к Марсу МКК на этапах осуществления экспедиции меняет свой состав, вес и форму. По расчетам конца 1963 года вес комплекса на ОИСЗ составлял 360 тонн. Из них 103 тонны разгонялись к Марсу ракетно-космическим комплексом весом 257 тонн. Выход МКК на орбиту спутника Марса в проекте Королева выполнялся за счет аэродинамического торможения в его атмосфере. На устройства для торможения отводилось 20 тонн. На орбите спутника Марса МКК имел массу 83 тонны и состоял из следующих частей (рис. 4) Посадочный комплекс (ПК) - 30 тонн. В его составе тормозные и посадочные устройства, взлетная ракета (16,5 т), капсула возвращения (3, 5 т). Орбитальный межпланетный комплекс (ОМК) - 53,1 тонны. В его составе - ракетный блок для разгона ТМК с ОСМ к Земле и тяжелый межпланетный корабль. Элемент, в котором размещался экипаж при полете к Марсу и обратно, образующий единую конструкцию, понимался как собственно ТМК (он же в шутку - Тихонравов Михаил Клавдиевич). В его составе орбитальный модуль (12,9 т), корректирующая двигательная установка (1,8 т) и возвращаемый на Землю аппарат весом 2,1 тонны, что составляет около 0,5 % от начального веса комплекса на ОИСЗ.
Описанный облик межпланетного комплекса сформировался у нас лишь к 1964 году.
С января 1964 года в соответствии с выводами были развернуты работы по проектированию тяжелой орбитальной станции (ТОС) для отработки ТМК на орбите. Были проведены работы по выбору оптимальных высот орбиты станции с учетом ее торможения в атмосфере, необходимости одновременной доставки на нее экипажей и грузов, наличия вокруг Земли радиационных поясов. При разработке ТОС особое внимание уделялось модульности. Модули ТМК и ТОС должны были создаваться независимо друг от друга, иметь возможность автономного изготовления, отработки, модернизации, замены и исключить срыв подготовки комплекса из-за неготовности одного из элементов. Принципы, положенные в основу проектирования ТОС в 1964 году Королевым как первым главным конструктором тяжелых орбитальных станций, к сожалению, начали реализовываться только через 25 лет в 1986-1987 годах.
К лету 1964 года наш отдел располагал всеми необходимыми исходными проектными материалами и был готов расширить фронт работ в отделах ОКБ-1 и смежных организациях. Было подготовлено все для выпуска постановления правительства о привлечении к работам по экспедиции на Марс смежных организаций. Однако этого не произошло. Королева заставили разрабатывать программу высадки на Луну и марсианский проект стал заложником лунного.
До настоящего времени в работах тех лет отмечаются триумфальные полеты наших космонавтов, запуски автоматических аппаратов и станций без объяснения истинного смысла этих обширных исследований. Достоверных сведений о работах по марсианскому проекту Н1-ТМК нет. Все материалы в 1974 году уничтожены. А был ли марсианский проект Королева? В сегодняшних публичных представлениях истории развития проекта полета на Марс в Королевском ОКБ-1 - РКК "Энергия" упомянуты проекты 1960, 1969, 1988-2001, 2002-2003 годов, ориентированные на ЭРДУ, которой нет и поныне. А вот Королевский проект 1960-1964 гг. - величайший проект ХХ века - не упомянут вовсе. Хотя реальность его осуществления в то время была гораздо выше, чем сегодняшних планов.
Основа марсианского проекта Королева - ракета Н1 - вышла на летные испытания, но ей не дали успешно слетать. Представляя Н1 лишь виновницей проигрыша Лунной гонки, авторы не задают простой вопрос: если Королев с 1959 года делал лунную ракету, то почему через пять лет ему пришлось ее кардинально переделывать? Он, что, не умел пользоваться формулой Циолковского? Определить стартовый вес лунного комплекса - задача для студентов. Дело не в этом. Сегодня, когда идут разговоры о полете на Марс и на бумаге пишутся планы, вопрос о том, был ли Королевский проект экспедиции на Марс или не был - принципиальный. Если был, то следующий вопрос: кто и почему его похоронил 40 лет назад? В "похоронной" команде могут оказаться очень уважаемые люди. Сегодня космонавты, и не только наши, летают на ракете и корабле, созданными Королевым почти полвека назад. Летают на чужую станцию. Если Королев ошибся в выборе цели - межпланетном полете, то к какой цели мы двигались 40 лет после него? Чтобы сегодня ставить новые большие задачи, нужно внимательно проанализировать историю нашей космонавтики и сделанные нами ошибки, чтобы не повторить их снова.
P. S. В первой статье для "Тверской Жизни" я сообщал, что, несмотря на утрату архивных материалов, достоверные сведения о проекте сохранились. В 1994 году, узнав об уничтожении архивных материалов по ТМК, я рассекретил и забрал в личное пользование свои рабочие тетради. Они весьма подробны и дают полное представление о тех идеях и решениях, которые закладывались Королевым и Тихонравовым в проект полета на Марс более сорока лет назад.