«Техника-молодежи» 1987 г №10, с.28-33
| Павел ПОПОВИЧ, дважды Герой Советского Союза, летчик-космонавт СССР, заместитель начальника Центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина Александр ЖЕЛУДКОВ, ведущий конструктор |
| М |
ножество космических аппаратов делает околоземное пространство чем-то похожим на прибор для демонстрации броуновского движения. Пилотируемые и автоматические, большие и малые, они проносятся по разнообразным околоземным орбитам и межпланетным траекториям. Сколько же типов ракет-носителей нужно было сознать, чтобы привести в движение столь разнообразную и многочисленную космическую армаду? Очень мало — до сих пор все космические старты обеспечили всего лишь четыре типа носителей. Рассказ о них начнем с ракетной системы-ветерана, положившей начало освоению космоса.
...Новейший пилотируемый корабль «Союз ТМ» выводится на орбиту трехступенчатой ракетой-носителем типа «Союз». Ракета удивительно похожа на предшественницу, доставившую когда-то в космос корабль-спутник «Восток», — четыре блока первой и центральный блок второй ступени имеют продольную схему разделения и образуют «пакет» (см. центральный разворот). Их двигатели запускаются на старте одновременно. Выработав топливо, «боковушки» уходят в стороны от центрального блока. Он отделяется вторым, а оставшаяся третья ступень разгоняет корабль до выхода на расчетную орбиту.
Если же третью ступень ракеты «Союз» мысленно заменить коническим обтекателем, получим не что иное, как двухступенчатую ракету Р-7 «Спутник», которая 30 лет назад вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли, открыв космическую эру человечества. Конструктивные решения, некогда заложенные в эту ракету академиком С. П. Королевым и его соратниками, на десятилетия вперед предопределили возможность ее развития за счет установки дополнительных ракетных ступеней. В чем секрет подобного уникального космического долгожительства?
Прежде чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление, чтобы выяснить, какие вообще условия нужны для запуска космического аппарата.
Их два: тяга двигателей, во-первых, и запас топлива, во-вторых, должны быть достаточны для старта ракетной системы и разгона аппарата до заданной скорости (последняя зависит от параметров орбиты ). Напомним, что увеличение скорости достигается тем, что ракета составляется из отдельных ступеней, которые поэтапно отбрасываются по мере того, как топливо в них вырабатывается.
Проектирование — это всегда компромисс, говорят конструкторы. И действительно, наглядный пример тому — создание ракеты «Спутник». Своей компоновкой она во многом обязана жесткому требованию — ее блоки должны вписываться в «железнодорожные» габариты. Конечно, это не могло не ухудшить ее аэродинамические параметры, что привело к небольшому увеличению расхода топлива, но в целом весовые характеристики пакетной схемы оказались хорошими. За счет чего?
К моменту отделения первой ступени во второй вырабатывалось примерно 40% топлива. Выходит, что на участке самостоятельного полета вторая ступень оказывалась с едва ли не наполовину опорожненными и, следовательно, ставшими балластом баками? Однако этот «минус» конструкторы компенсировали. Они создали хитроумный силовой каркас, позволивший разгрузить и, следовательно, облегчить большую часть центрального блока, так как тяга двигателей первой ступени передавалась лишь на малый участок центрального блока — чуть выше верхних узлов крепления «боковушек».
Несколько слов о самих двигателях «Спутника». — Поскольку наибольшая часть массы ракетных комплексов — в среднем 90% и более — приходится на топливо, после появления первых же баллистических ракет, скажем, отечественной Р-1 (см. историческую серию «ТМ» за 1981 г.), одной из важнейших конструкторских задач стало повысить эффективность преобразования химической энергии топлива в кинетическую в ракетных двигателях.
Так с течением времени растет удельная тяга двигателей ракет-носителей. |
Известно, что для разгона ракеты требуется тем меньше топлива, чем с большей скоростью выбрасывается рабочее тело — продукты сгорания. Поэтому эффективность ракетного двигателя принято характеризовать удельной, то есть отнесенной к секундному расходу рабочего тела, тягой. Будем в дальнейшем определять ее в секундах, не вдаваясь в подробности выбора этой размерности, необходимой здесь лишь для сравнения.
История ракетного двигателестроения есть история борьбы за увеличение удельной тяги двигателей. Последние, как видно из рисунка, делятся на две заметно отличающиеся по величине этого важного параметра группы. В одну собраны двигатели первых ракетных ступеней, в другую — вторых и третьих. Значит, атмосферное давление влияет на их работу?
Расширяясь в реактивном сопле, продукты сгорания разгоняются до сверхзвуковой скорости. Если двигатель работает в пустоте, то, увеличивая степень расширения рабочего тела, можно увеличивать скорость истечения газов и соответственно удельную тягу.
Для двигателей, работающих в атмосфере, существуют ограничения. Если давление газов на срезе сопла меньше, чем в окружающей среде, скорость истечения уменьшается и удельная тяга падает. Следовательно, чем выше атмосферное давление, тем большим должно быть давление в газовом потоке. Ну а высотный, с «большим расширением» двигатель у поверхности Земли окажется неэкономичным или вообще не сможет работать.
Означает ли это, что в земных условиях сопло в принципе не может обеспечить большую степень расширения рабочего тела и, следовательно, высокую удельную тягу? Вовсе нет, Чтобы поднять эти параметры, сохраняя допустимое давление на срезе сопла, достаточно повысить давление в камере сгорания. Как? Увеличить подачу топлива — поставить более мощные и, увы, более тяжелые турбонасосные агрегаты. Разумеется, они будут потреблять топлива существенно больше...
Теперь для нас становится очевидной еще одна проблема, с которой когда-то столкнулись создатели «Спутника», избравшие продольную схему разделения ступеней: как добиться эффективной работы двигателя второй ступени, который должен был обеспечивать взлет и у земли, и на больших высотах. Выход — резко повысить давление в камерах сгорания. Но, уже говорилось, мощный турбонасос оказался бы непозволительно тяжелым «балластом» на большей части траектории. В поиске очередного компромисса отличился коллектив, возглавляемый академиком В. П. Глушко, под руководством которого разработаны все двигатели первых и большинства вторых ступеней.
Первая и вторая ступени «Спутника» были оснащены четырехкамерными* ракетными двигателями, соответственно РД-107 и РД-108. Различия между ними минимальны. РД-107 работают 140 с, а РД-108 — за счет незначительного уменьшения давления в камерах сгорания — 320 с. Поскольку РД-108 после отделения боковых блоков должен управлять движением ракеты, в одиночку он имеет не две, а четыре рулевые камеры. Как в основном, так и в рулевых камерах РД-107 и РД-108 окислителем служит жидкий кислород а горючим — керосин.
* Так называют двигатели, имеющие четыре независимые камеры сгорания при общей системе подачи топлива.
Конструкция сопел у обоих двигателей выбрана такой, что давление газа в струе составляет около 40% атмосферного у земли. Среди других стартовых двигателей они отличаются наибольшим разрежением в струе газа, поэтому их наземная удельная тяга почти на 20% меньше, чем в пустоте. Однако, когда на высоте 7 км давление на срезе сопел начинает превышать атмосферное, реализуются преимущества сопла с большим расширением. Учитывая, что первый этап полета вовсе не ограничивается высотой 7 км, такой выбор параметров ракетных сопел позволил унифицировать двигатели обеих ступеней.
Появившийся в США в 1966 году кислородно-керосиновый двигатель Ф-1 (в составе первой ступени ракеты «Сатурн-V») — он обеспечил полеты американских астронавтов на Луну — имел лишь на 3,5% большую удельную тягу у земли. Поэтому и доныне находящиеся в строю космических долгожителей двигатели РД-107 и РД-108 можно считать выдающимся достижением отечественной и мировой науки и техники.
Но вернемся к семейству ракетных систем, созданному на базе ракеты «Спутник». Тяга ее двигателей у земли составляла 410 тс, масса стартующих блоков лишь 267 т. Поэтому «Спутник» можно было дооснастить дополнительными ракетными ступенями.
Начали с установки сравнительно небольшого блока Е. Так появилась на свет ракета-носитель, масса которой (вместе с головной частью — кораблем-спутником «Восток») была на 20 т больше, чем у базовой ракеты. Блок Е имел кислородно-керосиновый однокамерный двигатель с четырьмя рулевыми соплами, тяга которого в пустоте достигала 5 тс.
Миссия ракеты-носителя «Восток» не ограничилась доставкой на орбиту беспилотных кораблей-спутников и кораблей «Восток». Начиная с 1959 года она занималась доставкой в космос аппаратов «Луна-1», «Луна-2» и «Луна-3» (после чего мы впервые увидели снимки обратной стороны Луны), а также некоторых спутников серии «Космос», далее последовали первые спутники «Метеор» и «Электроны», исследовавшие радиационный пояс Земли.
Однако, чтобы в космосе смогли работать более тяжелые аппараты, мощность ракеты-носителя пришлось увеличить. Для этого блок Е заменили ракетным блоком И, также снабженным кислородно-керосиновым двигателем конструкции С. А. Косберга. Его тяга в пустоте уже была не 5, а 30 тс. Так появилась ракета-носитель, известная сейчас под названием «Союз», стартовая масса которой достигла 310 т.
В пилотируемой космонавтике новый носитель дебютировал с кораблями «Восход». Что касается беспилотных полетов, то начиная с 1966 года ракета «Союз» выводила на орбиту спутники серии «Космос» и метеорологические спутники «Метеор».
Самое же первое «выступление» этой ракеты состоялось в четырехступенчатом варианте, иногда называемом «Молния». С ее помощью в 1961 году была запущена межпланетная станция «Венера-1». Тогда появилось на свет принципиально новое в практической космонавтике понятие — старт с орбиты. Двигатель блока Л, служившего четвертой ступенью, запускался не сразу после выработки топлива в блоке И, а лишь после того, как оказывался на промежуточной околоземной орбите, — а там обеспечивался энергетически выгодный перелет к нашей соседке по Солнечной системе. Что касается самого блока Л, то, будучи «спрятанным» вместе с космическим аппаратом под общим обтекателем ракеты, он представлял собой, в сущности, настоящую космическую ступень. Благодаря тому что ее тороидальные топливные емкости охватывали, подобно бубликам, двигатель, конструкторам удалось добиться высокой плотности компоновки.
Что сделали аппараты, запущенные четырехступенчатым «Союзом», общеизвестно. Подчеркнем лишь наиболее важное: мягкая посадка на Луну, детальное картографирование ее обратной стороны, исследование атмосферы и физических характеристик грунта Венеры, а также космического пространства между орбитами Земли и Марса. Кроме того, мощный носитель позволил вывести ИСЗ «Прогноз» на высокоэллиптические орбиты. Наконец, благодаря стартам с орбиты создана оригинальная система спутников связи. Она заслуживает более подробного рассказа.
Спутник связи «Молния» с блоком Л выводится на промежуточную орбиту. У нее большое — до 65° — наклонение к плоскости экватора. В южной точке включается двигатель блока Л и переводит «Молнию» на высокоэллиптическую орбиту с периодом обращения 12 часов. Над Северным полушарием спутник как бы зависает, достигая высоты в апогее 40 000 км, затем с ускорением уходит вниз. На высоте всего 600 км проносится над Южным полушарием и вновь взмывает вверх. Чтобы обеспечить круглосуточную радиовидимость над всей территорией нашей страны, расположенной, как известно, выше 35° северной широты, достаточно системы из трех спутников «Молния». Всего же с помощью носителя-ветерана к концу 1986 года одних только «Молний» запущено 118.
Время ставило новые задачи. Чтобы на околоземной орбите заработали крупногабаритные станции-лаборатории, требовался существенно более мощный носитель. Ракета-носитель «Протон» конструкции академика В. Н. Челомея появилась в 1965 году. В двухступенчатом варианте она доставила на околоземные орбиты тяжелые исследовательские спутники «Протон» с массой более 12 т, в трехступенчатом — свыше 17 т, а также все орбитальные станции, тяжелые транспортные корабли-спутники «Космос», астрофизический модуль «Квант».
«Протон» выполнен по схеме «тандем» — с последовательным соединением ступеней. На первый взгляд может показаться, что нижняя часть ракеты выполнена по пакетной схеме. Но это не так — на несущую центральную емкость с окислителем навешены не ракетные блоки, а шесть баков с горючим.
Успех «Протону» обеспечили и оригинальная конструкция, и совершенные двигатели. Первая его ступень, оснащенная шестью однокамерными двигателями РД-253, развивала на старте тягу в 900 тс. И хотя это лишь в два с небольшим раза выше, чем у «Союза», грузоподъемность «Протона» оказалась втрое большей.
За счет чего? Дело в том, что РД-253 работает на высококипящем самовоспламеняющемся топливе, используя в качестве окислителя четырехокись азота, а горючего — несимметричный диметилгидразин. Примечательно особо высокое давление в его камере сгорания — 150 кгс/см2, что в 2,5 раза превышает достигнутое на РД-108. Даром, как известно, ничто не дается; для столь стремительного роста давления потребовалось в 3,5 раза увеличить мощность турбонасоса (на единицу создаваемой двигателем тяги). Важная деталь — для привода турбонасосов, обеспечивающих топливом двигатели первой ступени «Протона», потребовалась бы мощность двигателей трех таких гигантов, как Ан-22 «Антей». Установка на РД-253 тяжелого турбонасоса и увеличение затрат топлива на его работу во многом себя оправдали, потому что продукты сгорания из турбины насоса не выбрасываются, как раньше, в атмосферу, а дожигаются в камере сгорания двигателя, давая заметный прирост его тяги. Вместе с рядом других мероприятий это позволило создать мощный и экономичный двигатель.
На второй ступени «Протона» установлены четыре, а на третьей — один однокамерный двигатель конструкции С. А. Косберга с тягой в пустоте 60 тс. Еще 3 тс тяги добавляет рулевой четырехкамерный двигатель, которым оснащена третья ступень.
У «Протона», как и у «Союза», предусмотрен четырехступенчатый вариант. Роль четвертой ступени исполняет ракетный блок Д с массой 17,5 т. Он обеспечивает старт с орбиты, а также позволяет периодически корректировать траектории при перелетах, для чего предусмотрена возможность многократного включения его двигателя, работающего на кислородно-керосиновом топливе.
Четырехступенчатые «Протоны» помогли забросить на поверхность нашего естественного спутника «Луноходы», доставить на Землю пробы лунного грунта, сделать анализ грунта Венеры. Совсем недавно «Протоны» участвовали в осуществлении программы «Вега» (см. «ТМ» № 3-4 за 1985 г. и № 9 за 1986 г.). А впереди у них исследование Фобоса (см. «ТМ» № 4 за этот год).
Разумеется, для запуска многих аппаратов можно обойтись менее мощным и более дешевым средством доставки, нежели «Протон» или «Союз». С 1962 года большая часть спутников серий «Космос» и «Интеркосмос» выводится на орбиту двухступенчатыми ракетами «Космос» с последовательным соединением ступеней. До 1977 года широко использовалась ракета «Космос» с характерным ферменным соединением ступеней. Четырехкамерный двигатель РД-214 первой ступени, развивавший при старте тягу всего 65 тс, работал на смеси окислов азота с азотной кислотой и продуктах переработки керосина. Вторая ступень снабжалась однокамерным двигателем РД-119 с тягой 11 тс в пустоте, работавшим на жидком кислороде и несимметричном диметилгидразине.
В существующем виде первая ступень «Космоса» оснащается более мощным четырехкамерным двигателем РД-216 со стартовой тягой 150 тс. На второй также установлен двухкамерный двигатель РД-219 с тягой 90 тс в пустоте, использующий, как и РД-216, в качестве окислителя смесь окислов азота с азотной кислотой, а горючего — несимметричный диметилгидразин.
...Парк ракет-носителей постоянно пополняется. В мае этого года вышла на летно-конструкторские испытания новая ракета «Энергия». Она универсальна. Боковое размещение полезного груза позволяет ей выводить в космос как многоразовые пилотируемые корабли с развитыми аэродинамическими поверхностями, так и всевозможные народнохозяйственные и научные космические объекты. Президент АН СССР академик Г. И. Марчук оценил появление «Энергии», способной доставить на орбиту более 100 т полезной нагрузки, как фундаментальную основу мирного освоения космоса. Появляется возможность сборки орбитальных комплексов из крупногабаритных конструкций, солнечных энергоустановок для нужд космического производства, вывод на геостационарную орбиту тяжелых спутников связи. Характеризуя энергетику нового ракетного комплекса, отметим — он открывает возможность полета научных аппаратов в окрестности Солнца. (Как ни странно, но в Солнечной системе труднее всего приблизиться к нашему светилу. У баллистиков есть такое понятие — характеристическая скорость, то есть скорость, до которой ракета смогла бы разогнаться при полном израсходовании топлива, двигаясь в пустоте при отсутствии сил притяжения. Так вот, чтобы обеспечить полет к Солнцу, нужно располагать почти втрое большей характеристической скоростью, чем для полета к самой далекой планете Солнечной системы — Плутону.) «Энергия» определяет будущее нашей космонавтики, но она дополняет, а не заменяет существующие носители при нынешнем многообразии космических задач — у каждого из них есть свой участок работы.
...Новые и новые космические аппараты необходимы человеку на бесконечных дорогах Вселенной. И поэтому над Байконуром, Плесецком, Капустиным Яром вспыхивают и в колышущемся мареве уходят в небо могучие факелы ракет. Попутного ветра, возносящие ввысь!
На центральном развороте журнала изображены все типы отечественных ракет-носителей, обеспечивших наши космические старты. Старт первой баллистической ракеты С. П. Королева Р-1 и мощных современных «Протонов» и «Энергии» (см. фото на стр. 32) разделяют четыре десятилетия.
Первый в мире искусственный спутник Земли (А) не только подтвердил реальность полетов вблизи нашей планеты. Он дал толчок к освоению дальнего космоса.
Третий советский «лунник» (Б) приоткрыл вечную тайну ночного светила. Сфотографировав невидимую обратную сторону Луны и совершив гравитационный маневр, станция вернулась на геоцентрическую орбиту и уже с нее передала снимки. Такие маневры с использованием сил тяготения небесных тел не требуют затрат топлива и теперь часто применяются при межпланетных перелетах.
Передать на дальние расстояния ультракороткие радиоволны — задача непростая. Как известно, они не могут самостоятельно огибать земную поверхность: нужны ретрансляторы. Спутник «Молния» (В) избавляет от строительства грандиозных сетей радиорелейных и кабельных линий. Еще более выгодны спутники связи «Горизонт», «Экран», «Радуга», выведенные на геостационарную орбиту. Хотя их запуск с помощью тяжелого «Протона» обходится несколько дороже, зато антеннам не надо отслеживать движение спутника — он постоянно висит над заданной точкой планеты.
Космонавтика дала возможность напрямую «разглядывать» небесные тела. Мягкая посадка «Луны-9» открыла дорогу аппаратам, доставившим на Землю пробы лунного грунта (Г).
Одно из последних космических достижений — программа «Венера-Галлей» (Д). Две «Веги» доставили к Венере спускаемые аппараты и устремились навстречу комете (см. «ТМ» № 3-4 за 1985 г., «ТМ» № 9 за 1986 г.). Они не только выполнили свою программу, но и помогли с высокой точностью навести на комету европейский космический аппарат «Джотто».
Однако освоение Вселенной с помощью одних лишь космороботов, пусть даже самых совершенных, невозможно. Крайне важно развивать технику пилотируемых полетов. В левой части разворота — схемы пилотируемых космических аппаратов.
Корабль «Восток» по современным представлениям достаточно прост, он предназначался для отработки принципов пилотирования. Логическим развитием конструкции «Востоков» стали многоместные «Восходы». На них отрабатывались система мягкой посадки, выход человека в открытый космос. Последний тип советских космических кораблей — «Союз». До сих пор новые модификации «Союза» доставляют экипажи на орбитальные станции, ставшие своеобразными плацдармами для освоения околоземного космоса.
«Мир» принадлежит уже к третьему поколению орбитальных станций. Его задача — принимать сменные исследовательские модули. Это сделало «Мир» не только универсальным, но и просторным, а значит, более удобным для работы космонавтов на орбите по сравнению с предыдущими станциями. Одна из них — «Салют-7» показана в составе орбитального комплекса с транспортным кораблем «Союз Т-14» и тяжелым грузовым кораблем-спутником «Космос-1686». Это пример взаимодействия ракет-носителей «Протон» и «Союз». В скором времени с ними начнет сотрудничать и «Энергия».
