Почему ракета Р-7 до сих пор летает

В различных книгах, в СМИ, в интернет-обсуждениях, в личном общении среди людей, причастных к космонавтике и просто интересующихся этой темой, уже много лет идут баталии вокруг знаменитого детища советской космонавтики, ракеты Р-7 и ее потомков.

Одни говорят, что это – чудо советской техники, которое благодаря своему совершенству не устарело за 60 с лишним лет. Другие – что это анахронизм, место которому в музее и на свалке. Еще говорят, что последние издания «Союза» — это совсем новая ракета, у которой от «семерки» остался лишь внешний вид.

Начнем прямо с ходячих заблуждений. У людей, далеких от ракетной техники, есть некий стереотип, заложенный еще знаменитым художественным фильмом «Укрощение огня» — они считают, что параллельная схема расположения ступеней («пакет») была каким-то открытием Королева, и что она была лучше, чем последовательная (тандем).

На самом деле с точки зрения баллистики – а любое проектирование ракет начинается с баллистических расчетов – пакет априори хуже тандема. Почему? При последовательном расположении ступеней после отделения первой ступени вторая представляет собой полноценную ракету с полными баками, а при пакетной схеме после отделения первой ступени вторая ступень имеет частично опустошенные топливные баки. Можно показать с помощью формулы Циолковского, что это однозначный проигрыш, но и на уровне здравого смысла ясно, что ракете приходится нести лишний вес уже частично опустевших баков.

Так почему же Королев выбрал пакет? По двум причинам.

Во-первых, чтоб обеспечить потребную стартовую тяговооруженность, имевшимися и разрабатываемыми на тот момент довольно слабыми двигателями, нужно было бы установить на 1-ю ступень примерно такое же количество двигателей, что стоят сейчас на 1-й и 2-й ступенях, что потребовало бы появления еще одного двигателя для второй ступени. Королёв сэкономил один двигатель за счет более длительной работы двигателя центральной ступени.

А во-вторых, и главных, в то время еще не было опыта запуска ЖРД в полете, наземная же система зажигания была (и есть) очень проста и надежна. На ракете Р-7 все двигатели запускаются ОДНОВРЕМЕННО, еще на стартовом столе.

Это второе соображение и привело Вернера фон Брауна к параллельной схеме. Точнее, эту схему как решение проблемы запуска ЖРД в невесомости ему подсказал его учитель еще в конце 20-х годов, а дальше Вернер убедился в её достоинствах. Ну а Королев потом то ли у него в бумагах что-то такое увидел, то ли разведчики притащили, то ли сам додумался.

Русские потом придумали более хитрую схему — в последовательной конструкции двигатель второй ступени запускали тогда, когда первая ступень еще работала. Тяга первой ступени прижимала топливо и окислитель не хуже силы тяжести, и никаких проблем с запуском ЖРД не было. Но это потребовало соединения ступеней ажурными жаростойкими фермами — чтобы выхлопу двигателя второй ступени было куда выходить до разделения ступеней, и установки поверх первой ступени термощита (чтобы баки первой ступени не взорвались от выхлопа двигателя второй ступени). В общем, это было слишком сложно для начала 50-х годов.

Часто в дискуссиях выдвигается такой тезис: всё-то в СССР делали для военных, а потом уже приспосабливали для мирных целей. Ну, во-первых, ничего плохого в условиях ограниченных ресурсов в таком подходе нет. А во-вторых, как боевая ракета Р-7 была очень плоха, её защищенность в условиях войны была крайне низка, а время подготовки к пуску из постоянной боеготовности не позволяло произвести ответный запуск в случае внезапного нападения. Просто в тот момент необходимо было иметь хоть что-то немедленно, чем что-то лучшее, но на несколько лет позже. Этих нескольких лет могло и не быть.

Мы уже никогда не узнаем, имел ли в виду Королёв при выборе схемы Р-7 будущее космическое применение его ракеты, и сознательно сделал ракету, фактически негодную в качестве МБР, или нет. Однако формально он выполнил задание Родины и создал средство доставки термоядерного заряда на территорию потенциального противника. Противника это напугало — и позволило выиграть время.

Если мы посмотрим на остальные ракеты-носители в стране и в мире, то с удивлением обнаружим, что РН семейства «Союз» — уникальны, хотя использование «пакетной» схемы совсем не редкость в ракетостроении.

Вынужденно выбрав столь неоптимальную схему, разработчики и так столкнулись с кучей проблем. Если б они пошли традиционным путем и поставили Р-7 на стартовый стол днищем, то на центральный блок пакета пришлась бы огромная сжимающая нагрузка от веса обеих ступеней (всех 5-и блоков — центрального и 4 боковых). А ведь тонкостенные оболочки крайне плохо работают на сжатие. Чтоб выдержать эти нагрузки, пришлось бы либо сильно увеличить толщину стенок несущих баков, а следовательно их вес, либо увеличить давление наддува баков (как сделали американцы), что при диаметре баков порядка 3 м опять потребовало бы сильно увеличить толщину стенок и вес конструкции. Кроме того, сильно усложнилось бы ветровое крепление ракеты.

Поэтому сначала проектанты собирались установить ракету на 4 стартовых стола. Однако при этом система установки ракеты получалась крайне сложной. В результате этот клубок противоречий удалось блестяще разрешить совершенно оригинальным способом. Ракету не поставили, а подвесили!

Причем подвесили за тот же силовой пояс, который воспринимал в полете нагрузки от боковых блоков. БОльшая часть центрального блока оказалась не сжата, а растянута. Боковые блоки тоже оказались подвешены и растянуты. Заодно была решена и проблема ветрового крепления ракеты, т.к. место подвески оказалось выше центра тяжести.

Кстати, обратите внимание на полузаглубленное положение ракеты на стартовом устройстве. Этим расположением «убивалось сразу несколько зайцев». Уменьшалась ветровая нагрузка на нижнюю, самую «парусящую» часть корпуса, что исключило возможность резонансного раскачивания ракеты от порывов ветра. Несколько повышалась защищенность ракеты от нападения, хотя и несущественно. Уменьшалась высота удерживающих мачт, кабель-мачты, ферм обслуживания. Кроме того, уменьшалось время воздействия струй газа, истекающих из сопел двигателей, на площадку вокруг ракеты – во время зажигания, выхода двигателей на режим и первые 10 метров подъема ракеты пламя двигателей бьет только в газоотводный желоб.

Зато освобождение ракеты при старте от удерживающей конструкции превратилось в чудовищный геморой. Надо было строго синхронно освободить ракету от четырех удерживающих лап и быстро развести их в стороны, чтобы не мешать проходу боковых ступеней ракеты. Попытки решать эту задачу гидравликой привели к сложной и крайне ненадежной конструкции.

Но русские, вообще говоря, умные — когда припрёт. И задача была решена просто гениально. Силовое кольцо удерживающей конструкции состоит из 4-х сегментов, которые замыкаются в кольцо под воздействием веса самой ракеты и крепятся к коромыслам, имеющим с противоположного конца грузы-противовесы. Как только тяга двигателей ракеты уравновешивает силу тяжести ракеты, коромысла под действием противовесов поворачиваются вокруг своих осей вращения, разрывают силовое кольцо и уводятся в стороны!

Блестящее решение. Как говорят настоящие проектанты: «Самая лучшая система – система, которой нет, но она работает». Говорят, что американские специалисты, впервые побывавшие на нашем полигоне во время подготовки к полету «Союз-Аполлон», были просто в восхищении, увидев устройство стартовой позиции «Союзов» с этими вот механическими лапами.

Столь же оригинально и просто решена проблема безударного отделения боковых блоков в полете. Сначала рвутся нижние связи ББ с ЦБ, при этом момент вращения, имеющийся за счет небольшого эксцентриситета вектора остаточной тяги относительно верхних узлов подвески, начинает разворачивать боковые блоки относительно верхних узлов крепления в стороны.

Повернувшись на некоторый угол, верхний узел подвески получает свободу движения вниз, а так как тяга боковушек упала, а центрального блока – нет, ББ начинают двигаться вниз относительно ЦБ. На верхушке ББ освобождается поджатый шток (тот самый, который якобы погнули при сборке пакета аварийного пилотируемого «Союза») и срабатывает концевой выключатель, который дает сигнал системе управления.

Далее срабатывает пиротехническое устройство, открывающее крышку на баке окислителя в верхней части ББ. Струя газа из наддутого бака, действуя как небольшой реактивный двигатель, отбрасывает верхнюю часть ББ от ЦБ. Нижняя часть ББ и так уже с некоторой скоростью удаляется от ЦБ, и таким образом ББ, вращаясь вокруг своей нижней точки и двигаясь радиально, безударно уходит от ЦБ.

Постольку поскольку отсечка тяги ДУ по команде СУ происходит одновременно на всех 4-х ББ, то и отделение «боковушек» происходит строго синхронно, что мы и видим, наблюдая при пуске в ясную погоду отделение 1-й ступени. Еще лучше это стало видно сейчас на кадрах видеосъемки с борта РН.

Насколько надежна эта система — говорит тот факт, что из почти 2 тысяч пусков только при двух из них произошла рассинхронизация отделения, приведшая к аварии.

Вот так конструкторы Королева, борясь с технической и технологической убогостью производства в СССР, создали выдающуюся конструкцию ракеты и ракетной системы в целом. Конечно, некоторые из решений иначе как чудовищными не назвать (например, ракету на стартовом столе поворачивают целиком вместе со столом, чтобы к моменту пуска ракета смотрела на нужный азимут — так проще сделать систему управления). Но что делать — тяжелое детство, аналоговая ламповая техника, железные игрушки…

Как боевая ракета, Р-7 потеряла актуальность почти сразу по принятию на вооружение, как только у американцев появились МБР «Атлас» и им стало известно местоположение полигона Тюратам. Имея 2-х суточную готовность к пуску из постоянной боевой готовности и практически полную беззащитность от поражающих факторов взрыва ядерного боеприпаса (даже на максимальном по КВО МБР США удалении от стартовой позиции), шанс произвести пуск Р-7 был только в случае не менее 2-х суточного противостояния СССР и США в состоянии полной боеготовности. А вот применение Р-7 и ракет на её базе в качестве ракет-носителей космических аппаратов оказалось очень востребованным. Ни одна из отечественных или американских ракет вплоть до середины 60-х годов не была способна выводить на околоземную орбиту столь большой полезный груз.

Попутно отмечу, что и США, и КНР, да и большинство других стран, самостоятельно запустивших спутники, разрабатывали свои первые РН на базе боевых баллистических ракет. РН «Атлас-Центавр» создана на базе МБР «Атлас», РН семейства «Титан-2» и «Титан-3» — на базе МБР «Титан». Было бы просто глупо не воспользоваться имеющимися разработками.

Поражают темпы разработки Р-7. В мае 1954 года было принято постановление ЦК КПСС и СМ СССР о начале разработки ракеты, в ноябре того же года принят эскизный проект, в 1956 г. изготовленные первые ракетные блоки, огневые испытания отдельных блоков начались в августе того же года, а ОИ ракеты в сборе – в феврале 1957-го! Первая ракета поступила на полигон в декабре 1956 г., первый пуск был произведен 15 мая 1957, а первый успешный запуск – 21 августа того же года!

Мне приходилось работать с чертежами разработки 1955-56 г.г. И что бросилось в глаза? Примитивность чертежей. Чертежи не предназначались «для дураков», не «разжевывались» вещи очевидные квалифицированному рабочему. Встречаются и откровенные ошибки, которые тут же исправлены извещениями. Особенно это характерно для «одноразовых» чертежей оснастки. Какой смысл доводить до совершенства чертеж, который, скорее всего, после изготовления единичного экземпляра детали, узла или агрегата больше никому не понадобится? В моем случае чертежи понадобились только через 50 лет! И то – в качестве прототипа.

Возвращаясь к критике РН «Союз». Серьезным недостатком является большая трудоемкость её подготовки к пуску. Но странно предъявлять к ракете, спроектированной 65 лет назад, такие претензии. Существующая схема ракеты исключает возможность значительной автоматизации работ с ней даже при глубокой модернизации.

Так чем же, несмотря на очевидные недостатки, объясняется столь долгая и успешная эксплуатация РН этого семейства? Если ответить в трёх словах, то ответ будет:

Так сложились обстоятельства.

Какие же это обстоятельства?

Во-первых, от добра добра не ищут. Первые лет 10 эксплуатации Семерка и ее модификации практически полностью отвечала потребностям нашей космонавтики. Величина её полезной нагрузки позволяла осуществлять и пилотируемую программу, опережая при этом США, и запуск спутников фоторазведки. О последних скажем особо. В силу несовершенства тогдашней аппаратуры, для удовлетворения потребностей обороны было необходимо запускать спутники фоторазведки каждые 2 недели.

В результате уже к середине 60-х годов возникла потребность изготавливать 50-60 штук РН типа «Восток-Восход-Союз» ежегодно. Изготовление Р-7 в 1958 году было поручено авиационному заводу №1, одному из лучших авиазаводов страны. Он имел огромный опыт освоения серийного и даже массового производства совершенно различных самолетов в кратчайшие сроки. И тут завод не подкачал – нужные темпы выпуска РН были освоены. И это при её постоянных модернизациях и притом, что для завода это была задача второстепенная. Параллельно ей завод прилагал огромные усилия по выпуску и освоению все новых и новых КА фоторазведки.

Так какую же роль КА фоторазведки сыграли в долгожительстве РН «Союз»? Наличие большого и стабильного спроса на запуски «семёрки» позволило заводу и КБ довести до совершенства и конструкцию РН и технологию её изготовления. Мало того, и бОльшая часть полезных нагрузок для РН разрабатывалась и изготавливалась в том же КБ и на том же заводе, что и РН, что сильно упрощало жизнь и заводчанам и конструкторам, которые, к тому же, располагались на одной территории. И это – второе обстоятельство, продлившее жизнь семерки.

Действительно, имея отлаженное и относительно дешевое производство РН, десять раз подумаешь прежде, чем его закроешь, чтоб начать выпуск новой, пусть и лучшей, но еще не освоенной ракеты. А лишних ресурсов у страны, как мы помним, никогда не было. Поэтому работы по созданию новой ракеты-носителя, долженствующей заменить семерку, начались лишь в середине 70-х.

Разрабатывать новую ракету поручили, естественно, хохлам. Называлась эта ракета 11К77, или «Зенит». Ракета была очень простая — всего две ступени последовательно, на каждой ступени один двигатель (просто очень мощный). Кроме того, новая РН имела высокую степень автоматизации предстартового обслуживания (как у боевых ракет), что удешевляло обслуживание и делало его более безопасным.

Но хохлы работу предсказуемо завалили. Я слышал, что в конце 1980-х руководству ЦСКБ и завода «Прогресс» (разработчикам и изготовителям РН «Союз») предложили взять себе производство 77-го изделия, но они отказались. В условиях уже идущего развала такой геморой (подтирать дерьмецо за хохлами) был никому не нужен. Тем не менее я уверен, что не случись Перестройки и последующей гибели СССР, выпуск «Союзов» в 90-х был бы прекращен, а рабочей лошадкой советской космонавтики стал бы «Зенит». Но — не сложилось, вот «Союз» и остался.

Еще одной причиной долгожительства можно считать непрерывную модернизацию ракеты, которая привела к значительному росту её полезной нагрузки.

Есть еще один фактор, не относящийся собственно к ракете, но сильно портивший характеристики РН на базе Р-7. Это – география. СССР – во-первых, страна сильно удаленная от экватора, а во-вторых, континентальная, несмотря на обилие морей омывающих ее берега. Поэтому для запуска КА на экваториальные орбиты приходится тратить большую часть массы полезной нагрузки на разворот плоскости орбиты. Это – крайне энергозатратное мероприятие. Для примера можно сказать, что 20-тонная РН «Протон» выводит на геостационарную орбиту примерно такую же массу ПН, что и «Союз» при старте с экватора, и меньше, чем на траекторию полета к Луне!

Мало того, и полигон Тюратам (Байконур) и плесецкий полигон имеют весьма жесткие ограничения и по азимутам пуска, и по районам падения первых ступеней, что еще существенно уменьшает выводимую ПН. Для сравнения возьмем Восточный и Западный полигоны США. Восточный почти идеально подходит для запусков на орбиты с малым наклонением, а Западный – для полярных орбит. Именно поэтому полигон во Французской Гвиане является практически идеальным местом для запусков КА на экваториальные орбиты, что и привело в результате к строительству там стартового комплекса и технического комплекса для «Союзов».

Для Гвинеи денег не пожалели и спроектировали пусковой комплекс заново — он уже не имеет поворотного стола (современные «Союзы» сами умеют поворачиваться куда надо в полёте), зато имеет комфортабельную просторную закрытую башню обслуживания, и вообще там многое улучшено. Аналогичный комплекс построен и на космодроме «Восточный».

Кстати, вот еще один минус «семерки», оказавшийся одновременно и плюсом. Многодвигательность! Сколько было «пролито слез» экспертами по поводу того обстоятельства, что на ракете Н-1, в силу отсутствия ЖРД сравнимого по тяге с американским F-1, пришлось установить аж 30 одинаковых двигателей. Это обстоятельство выставляется, чуть ли не главной причиной неудачи с разработкой указанной РН. Однако это не помешало Илону Маску ставить на своих успешных ракетах связки из многих одинаковых двигателей.

На «семерке» и всех последующих модификациях РН этого семейства на первой-второй ступенях стоят формально два типа ЖРД: РД-107 и РД-108, но фактически это один двигатель, разница между ними заключается лишь в количестве рулевых камер, на РД-107 их две, а на РД-108, что устанавливается на центральном блоке – 4. На каждом блоке стоит по одному двигателю. Т.е. фактически на «пакете» стоит пять одинаковых 4-х камерных ЖРД с 12 рулевыми камерами. Т.е. на каждую ракету надо изготовить 20 больших одинаковых камер сгорания, 12 одинаковых маленьких КС и 5 одинаковых турбонасосных агрегата (ТНА). С одной стороны большое количество изделий на одну ракету удорожает производство и снижает надежность – чисто в силу увеличения количества. С другой стороны – повышает серийность выпуска, что в свою очередь удешевляет производство и повышает надежность. Вот такие подтверждения философских законов единства и борьбы противоположностей и перехода количества в качество.

При выпуске 60 шт. РН в год завод, выпускающий ЖРД для него, выпускал ежегодно по 300 практически однотипных ЖРД, т.е. меньше, чем 1 шт. в сутки, а если считать камеры сгорания, то вообще, 1200 шт. в год, 4 в день! Маск гордится производством одной камеры сгорания в 2 дня.

Кстати, Маск жулик и шарлатан, но он правильно понял опыт советского ракетостроения. Чтобы иметь дешевую и надежную ракету, её надо запускать часто и изготавливать, соответственно, большими сериями. Причем желательно иметь много запусков своей собственной полезной нагрузки. И вот мы видим массовые запуски спутников Starlink на непойми какие орбиты, каждый из которых объявляется успешным, лишь бы хоть как-то вытащились спутники выше атмосферы.. Всё совсем как в СССР.

Между прочим, зачастую наземная отработка оказывается дольше и дороже лётной. Мало того! Она в принципе не может выявить все возможные проблемы, т.к. условия полета в полном объеме на земле не воспроизводимы. И кроме того, обычно процентов 60 сложностей и неисправностей при наземной отработке приходится не на само изделие, а на испытательное оборудование и его связи с изделием. Один неудачный запуск может дать больше полезной информации конструкторам и проектантам, чем месяцы и годы наземной отработки. Главное тут — снять побольше информации в процессе пуска и полета.

В США этот парадокс массовости также прекрасно понимают. Точнее, понимали. Было подсчитано, что в общем содержание оборудования обходится практически одинаково что при производстве 30 ракет в год, что при производстве одной. Что соответственно ложится на конечную стоимость ракеты. Зарплаты персоналу завода также надо платить вне зависимости от загрузки, иначе он просто разбежится. Т.о. в самом грубом приближении себестоимость выпуска одной ракеты обратно пропорциональна годовой программе её выпуска.

Морин И.А. Опубликовано в ЖЖ с разрешения автора.

Материал: https://zelenyikot.livejournal.com/162790.html
Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем Proper на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@newru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.

Дочитал до конца? Жми кнопку!

You may also like...

54 Комментарий
старые
новые
Встроенные Обратные Связи
Все комментарии
Чтобы добавить комментарий, надо залогиниться.