НЕИЗВЕСТНЫЙ «ЦИКЛОН»

Ракета-носитель «Циклон-3». Начало 60-х годов прошлого века ознаменовалось не только соревнованием в космосе между США и СССР, но и гонкой ядерных вооружений. Первые образцы межконтинентальных баллистических ракет (МБР) «Атлас» в США и Р-7 в СССР не обладали высокой боеготовностью из-за применения в них в качестве окислителя низкокипящего жидкого кислорода. Военные же обеих стран считали необходимым иметь на вооружении ракеты, которые могли бы находиться в постоянной боеготовности.

Это и послужило толчком к разработке МБР на высококипящих компонентах топлива (азотная кислота и ее производные в качестве окислителя и так называемые гидразины в качестве горючего). Кроме того, данные компоненты топлива были самовоспламеняющимися, что в значительной степени упрощало конструкцию жидкостных ракетных двигателей, так как исключало применение специальных устройств для зажигания.

Первыми такими МБР стали в США «Титан-1», а в СССР Р-16. Это были двухступенчатые ракеты, которые несли мощные термоядерные заряды. Обе ракеты были достаточно близки по массово-габаритным характеристикам и по конструкции. Их дальнейшим развитием стали тяжелые МБР следующего поколения — в США «Титан-2» и в СССР Р-36, также весьма схожие по габаритам, полезной нагрузке и возможности шахтного базирования (с нахождением длительное время в боеготовом состоянии, исчисляемом минутами). Обе МРБ послужили прототипами для разработки семейств космических ракет-носителей в своих странах.

США использовали «Титан-2» для запуска космических кораблей «Джемини» и искусственных спутников Земли. Для космических ракет-носителей (PH) не нужна повышенная готовность к старту, и поэтому применение в них низкокипящих компонентов топлива было целесообразно из-за более высокого удельного импульса. Позднее американцы разработали серию PH «Титан-4», которая оснащалась 3-й ступенью «Центавр», работающей на жидких кислороде и водороде, и двумя навесными твердотопливными ускорителями большого диаметра. Это позволило довести полезный груз до 12 и более тонн и запускать космические аппараты (КА) к дальним планетам и даже за пределы Солнечной системы.

В СССР на базе МБР Р-36 и Р-З6орб. было разработано семейство PH «Циклон». Оно мало известно нашим читателям, так как только в «перестроечные» годы это название попало на страницы прессы. — А ведь это одно из самых надежных семейств PH среднего класса, использующих на всех ступенях высококипящие компоненты ракетного топлива — азотный тетроксид (окислитель) и несимметричный диметилгидразин (горючее). По причине высокой токсичности этих топливных компонентов для PH «Циклон» был реализован принцип «безлюдного» старта с полной автоматизацией подготовки предстартового цикла и запуска. Стартовые комплексы для них построены на космодромах Байконур и Плесецк.

Разработка PH «Циклон» была начата в днепропетровском ОКБ «Южное» под руководством академика М.К.Янгеля в августе 1965 г. по постановлению правительства, предусматривавшему создание носителя на базе тяжелой МБР Р-36. Такой выбор был не случаен — ракета выводила боевые блоки на суборбитальные траектории и орбиты искусственного спутника Земли.

В 1966 и 1967 гг. постановление было дополнено и в соответствии с ним создавались два варианта носителя — двухступенчатые «Циклон» и «Циклон-2». Их летные испытания начались в 1968 г. В итоге модифицированный вариант «Циклон-2» стал основным. Одновременно с ними шла разработка и трехступенчатой PH «Циклон-3». Создание носителя шло трудно и было завершено уже после смерти М.К.Янгеля под руководством академика В.Ф.Уткина. Первый пуск состоялся только 24 июня 1977 г. Летные испытания закончились принятием ракетно-космического комплекса с PH «Циклон-3» на вооружение в январе 1980 г. По состоянию на декабрь 2002 г. произведено 120 запусков PH «Циклон-3», и из них только пять были аварийными.

PH «Циклон»:

1 — головной обтекатель; 2 — телеметрическая антенна полезного груза; 3 — пружинные толкатели; 4 — шарниры; 5 — переходник полезного груза; 6 — приборный отсек 2-й ступени; 7 — телеметрическая антенна; 8 — топливный отсек 2-й ступени; 9 — хвостовой отсек 2-й ступени; 10 — обтекатели; 11 — рулевой ЖРД 2-й ступени; 12 — переходной отсек между 1-й и 2-й ступенью; 13 — бак окислителя; 14 — гаргрот; 15 — приборный отсск 1-й ступени; 16 — малый гаргрот; 17 — бак горючею; 18 — хвостовой отсск 1-й ступени; 19 — обтекатель; 20 — стартовая опора; 21 — рулевой ЖРД 1-й ступени; 22 — маршевый ЖРД 1-й ступени; 23 — телеметрические антенны. М — заклепочный шов (заклепки с полусферической головкой): Н — сварочный шов: П — химическое фрезерование: Р — нахлест листов обшивки

Первые две ступени PH «Циклон-3» и «Циклон-2» практически полностью унифицированы и представляют собой почти без переделок МБР Р-36. Разделение 1-й и 2-й ступени осуществляется по «полугорячей» схеме — для чего используется предварительный (до разделения ступеней) запуск рулевых двигателей 2-й ступени. Разделение 2-й и 3-й ступени — «холодное», с помощью четырех пружинных толкателей.

Первая ступень состоит из переходного отсека, бака окислителя, приборного межбакового отсека, бака горючего и хвостового отсека.

Переходной отсек предназначен для соединения 1-й и 2-й ступени. Конструкция его клепаная из алюминиевых сплавов. Она образована двумя торцевыми шпангоутами уголкового профиля, промежуточными шпангоутами г-образного профиля и продольными стрингерами коробчатого и Т-образного сечения. На внешней поверхности отсека имеются четыре люка. Мощные стрингеры закрытого профиля подкрепляют конструкцию в местах расположения люков.

Баки окислителя и горючего аналогичны по конструкции. Они сварены из цилиндрической обечайки, образованной шестью панелями и двумя сферическими днищами. Внутри баки подкреплены продольными ребрами, к которым приклепаны при помощи фитингов промежуточные шпангоуты. В верхних днищах баков выполнены люки-лазы для доступа внутрь при монтаже внутрибаковой арматуры. На нижнем днище бака окислителя смонтировано заборное устройство тарельчатого типа, а внутри бака горючего проходит его расходная магистраль. Она заключена в тоннельную трубу, имеющую продольные гофрированные ребра жесткости. Внутри по всей длине этого бака смонтированы шесть продольных радиальных перегородок — успокоителей жидкости. Материал панелей и днищ баков — алюминиевый сплав АМг6.

Баки соединены приборным отсеком, по конструкции аналогичным переходному. В нем размещены некоторые приборы систем управления и телеметрии. Такую же конструкцию имеет и хвостовой отсек. Внутри его размещается двигательная установка и ряд агрегатов ее пневмогидравлической системы. На нижнем опорном шпангоуте отсека смонтированы четыре стартовые опоры и пневмо-, гидро- и электроразъемы, для сопряжения PH со стартовым комплексом. На боковой поверхности отсека расположены четыре обтекателя с камерами рулевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Кроме того, под одним из них, находящимся в плоскости управления I и III, размещены ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) увода ступени после разделения. Снаружи ступени (под гаргротами) проложены пневмо- и гидрокоммуникации, а также кабельная сеть.

Силовая установка 1-й ступени состоит из двух двигателей — маршевого РД-261 и рулевого РД-855. Шестикамерный ЖРД РД-261 разработан в НПО «Энергомаш» под руководством академика В.П.Глушко. Он выполнен по схеме без дожигания генераторного газа и конструктивно состоит из трех одинаковых блоков РД-260, собранных на общей раме с единой кабельной сетью. Каждый блок имеет две камеры сгорания, турбонасосный агрегат (ТНА) с рамой, восстановительный газогенератор (ГГ), пиростартер для раскрутки ТНА, агрегаты автоматики и трубопроводы. Масса сухого двигателя — 1718 кг. Диаметр выходного сечения сопел — 768 мм.

Вывоз PH «Циклон-3» из МИКа

Рулевой двигатель РД-855, разработки ОКБ «Южное», также выполнен по схеме без дожигания. Он включает в себя четыре поворотные камеры (угол поворота ±41°), ТНА, восстановительный ГГ, пиростартер, агрегаты автоматики и трубопроводы. Поворот камер осуществляется гидроприводами. Кроме того, в состав двигателя входят окислительный ГГ и смеситель горючего. Выработанный в них горячий газ используется для наддува баков 1-й ступени. При старте PH сначала запускается рулевой ЖРД, происходит наддув баков, и примерно через 2 с запускается маршевый ЖРД.

Вторая ступень состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков.

Приборный отсек клепаной конструкции. Он имеет форму усеченного конуса. Снаружи покрыт теплоизоляцией. В нем четыре больших люка (один из которых закрыт обтекателем) для обслуживания аппаратов систем управления и телеметрии.

Топливный отсек образован цилиндрической обечайкой и тремя полусферическими днищами — верхним, нижним и промежуточным. Последнее делит отсек на две полости — окислителя и горючего Верхняя часть обечайки выполнена из кольцевых секций, а нижняя сварена из шести панелей. Через полость горючего проходит расходный трубопровод окислителя. Внутри обечайка полости окислителя гладкая, а обечайка полости горючего подкреплена силовым набором. Материал обечайки и днищ — АМг6. В полости окислителя установлены также устройства для демпфирования колебаний жидкости — сверху коническая оболочка и шесть радиальных перегородок вдоль образующей цилиндра. Наддув полостей происходит из специальных газогенераторов.

Хвостовой отсек также клепаной конструкции, которая аналогична хвостовому отсеку 1-й ступени. В нем расположены двигательная установка и агрегаты пневмогидравлической схемы 2-й ступени. На его нижнем торцевом шпангоуте имеется теплозащитный экран из титанового сплава. Снаружи ступени проходят электро- и пневмокоммуникации, закрытые гаргротом.

PH «Циклон-3» на стартовом столе

Двигательная установка 2-й ступени также состоит из двух двигателей — маршевого РД-262 и рулевого РД-856. Маршевый РД-262, разработки НПО «Энергомаш», имеет две камеры сгорания, ТНА, восстановительный ГГ. пиростартер, агрегаты автоматики и ряд других элементов. Камеры соединены специальной рамой, к которой крепится ТНА, расположенный горизонтально между камерами в области их критических сечений. Фактически данный ЖРД аналогичен по конструкции блокам маршевого двигателя 1-й ступени, но отличается соплом с более высокой степенью расширения. Масса сухого двигателя 665 кг, высота 2.04 м, диаметр 2,2 м.

Четырехкамерный рулевой двигатель 2-й ступени РД-856, разработки ОКБ «Южное», распложен идентично рулевому двигателю 1-й ступени и аналогичен по конструкции. Его камеры закрыты четырьмя обтекателями на боковой поверхности отсека. Под двумя из них, расположенными в плоскостях управления I и III, размещены РДТТ увода ступени. Также на внешней поверхности отсека имеются заправочные горловины. Оси камер сгорания отклонены на 5° относительно продольной оси ступени.

Третья ступень (получившая индекс С5) для PH «Циклон-3» была разработана специально. Она оснащена ЖРД РД-861 (созданным в ОКБ «Южное»), работающим на тех же компонентах топлива, что и обе нижние ступени, и допускает двукратный запуск. Третья ступень стыкуется со 2-й через переходной отсек, имеющий форму обратного конуса, и размещается внутри цилиндрической части головного обтекателя (ГО). Она состоит из рамы, топливного и хвостового отсеков. К раме, расположенной в передней части ступени, крепится и полезный груз. Топливный отсек 3-й ступени представляет собой тороидальный бак, сваренный из наружной и внутренней цилиндрических обечаек и трех днищ — верхнего, среднего и нижнего — из сплава АМг6. Среднее днище делит отсек на две полости — окислителя и горючего. Внутри полостей установлены демпферы колебаний жидкости, заборные устройства и другая арматура. В объеме, образованном внутренней обечайкой ТО, на раме смонтирован маршевый ЖРД.

РД-861 включает в себя камеру сгорания, ТНА, восстановительный ГГ, два пиростартера, систему выброса генераторных газов, приборы автоматики и другие элементы. Все агрегаты смонтированы на раме, которая крепится к нижнему шпангоуту бака горючего. Система выброса генераторных газов, отработавших в турбине ТНА, обеспечивает управление полетом 3-й ступени по каналам тангажа, рыскания и крена. Она состоит из газоводов, газораспределителей (клапанов перепуска) и восьми неподвижных газовых сопел — четырех по тангажу и рысканию и четырех по крену Сопла тангажа и рыскания находятся в хвостовом отсеке и расположены под углом 35° к продольной оси ступени.

Хвостовой отсек имеет форму усеченного конуса и предназначен для размещения исполнительных органов жидкостной реактивной системы управления с их приводами. Система управления предназначена для успокоения ступени с КА после отделения, ее стабилизации и ориентации в свободном полете и обеспечения запуска маршевого двигателя в невесомости. Она работает на тех же компонентах топлива, что и маршевый ЖРД, и представляет собой двигатель с вытеснительной подачей компонентов. В состав данной системы входят десять неподвижных миниатюрных камер сгорания, питаемых из основных баков, пускоотсечные электрогидроклапаны, трубопроводы и элементы крепления камер. Восемь из них используются для обеспечения ориентации и стабилизации ступени по тангажу, рысканию и крену, а две — для создания осевой перегрузки перед повторным запуском маршевого ЖРД.

Головной обтекатель (сделан в основном из алюминиевых сплавов). Его конструкция клепаная, образована поперечными шпангоутами, продольными стрингерами и лонжеронами, а также обшивкой. На боковой поверхности обтекателя сделаны люки для доступа и обслуживания КА и элементы сброса — шарниры и толкатели. Головной обтекатель сбрасывается на участке полета 2-й ступени, после прохождения плотных слоев атмосферы, и разделяется продольно на две половинки.

При создании ракетно-космического комплекса «Циклон» были внедрены новые подходы к организации работ по подготовке к пуску PH. Это вывело отечественное космическое ракетостроение в середине 60-х годов прошлого века на новый качественный уровень. Достаточно заметить, что до последнего времени по эксплуатационным характеристикам у комплекса не было аналогов за рубежом.

По предложению конструкторского бюро транспортного машиностроения, которому было поручено создание стартового комплекса, базовая ракета Р-36 была доработана для адаптации к наземному оборудованию. Это позволило автоматизировать все основные и многие вспомогательные операции. Уровень автоматизации по циклу предстартовой подготовки и пуска PH «Циклон-2» и «Циклон-3» составляет 100%, а в целом по работам на комплексе — не менее 80%. Единственной опасной ручной операцией является повторное подсоединение заправочных коммуникаций в случае отмены пуска.

Особенности технологии работ, проводимых с PH типа «Циклон», состоят в следующем. После сборки и проведения горизонтальных испытаний в монтажно-испытательном корпусе PH укладывается на специальный транспортно-установочный агрегат (ТУА). По нему проложены все необходимые коммуникации для связи ракеты с наземными системами. Коммуникации подсоединяются к PH и к плате, установленной в торце агрегата. Она снабжена разъемными устройствами, которые при наезде и подъеме ТУА на стартовый стол автоматически сочленяются с ответными разъемами коммуникаций стартовых систем. Кроме того, частью ТУА является опорное кольцо, к которому крепятся стартовые опоры PH.

Двигательная установка 1-й ступени (На пяти соплах надеты чехлы)

Транспортно-установочный агрегат подвозится к стартовому столу по железнодорожному пути и подсоединяется к стреле подъемника, который является частью стартового комплекса. Стрела поднимает ТУА с PH на стартовый стол, а опорное кольцо жестко крепится к нему. Стол представляет собой четыре опоры и газоотражатель в виде шестигранной пирамиды. После заправки за 1 — 2 мин до команды «Пуск» происходит освобождение PH от захватов, подъемная стрела с ТУА отводится на 24° и ракета стартует. При этом все сгораемые во время пуска изделия сосредоточены на ТУА и удаляются со стартовой позиции вместе с ним. Пусковой стол и другие агрегаты не требуют проведения ремонтных работ после пуска. Весь процесс от подъема PH до команды «Пуск» занимает примерно 2 часа 30 мин. Из них на заправку тратится всего 15 мин.

Стартовый комплекс «Циклон» имеет современные средства управления и контроля. На нем впервые организован процесс управления подготовкой и пуском по единой программе в полностью автоматическом режиме, начиная с подвода PH к пусковому столу.

В настоящее время в ОКБ «Южное» в соответствии с межгосударственными соглашениями между Украиной и Бразилией ведутся работы по созданию PH «Циклон-4», которая будет дальнейшим развитием PH «Циклон-3». Для нее создаются новая более мощная 3-я ступень и головной обтекатель увеличенного до 4 м диаметра, а первые две ступени останутся практически такими же, как и у «Циклона-3». Общая длина PH составит 38,392 м. В случае реализации проекта, на бразильском космодроме Алькантра, расположенном у экватора, должен быть построен комплекс для запуска PH «Циклон-4». Тогда PH сможет вывести полезный груз массой 5,35 т на орбиту высотой 500 км с наклонением 2,3°.

Рекомендации по моделированию

Ракета-носитель «Циклон-3» может быть интересной для опытных ракетомоделистов как объект для моделирования в классе S7 моделей-копий на реализм полета. Модель-копия, построенная в трех ступенях и действующая как прототип, может получить весьма высокую, приближающуюся к максимальной, оценку демонстрации полета. Это обусловлено возможностью установки на 1-ю ступень шести модельных ракетных двигателей (МРД), демонстрации трехступенчатого полета и выполнения максимально возможного числа специальных эффектов (сброс головного обтекателя, двукратное включение двигателя 3-й ступени, отделение до шести макетов КА, имитация предварительного запуска рулевых двигателей 1-й ступени). Кроме того, простота стартового комплекса, позволяет достаточно легко его смоделировать и сделать действующим.

И хотя прототип достаточно прост по обводам, но имеет привлекательную раскраску и маркировку, что позволяет надеяться на достаточно высокую стендовую оценку. Кроме того, такая модель-копия ни разу не участвовала в соревнованиях и будет совершенно новой для судей, а это несомненно повысит ее оценку.

Технические данные PH «Циклон-3»:

Стартовая масса, т…………………………………………………………….186

Масса полезного груза, т (на орбиту высотой 200 км)………….3.6

Длина, м………………………………………………………………………..39,270

1-я ступень

Длина, м………………………………………………………………………..18,870

Диаметр, м………………………………………………………………………3,000

Максимальный поперечный размер по обтекателям, м…….4,000

Тяга маршевого двигателя у земли, кН……………………………..2459

Давление в камере сгорания, кПа……………………………………..8,66

Продолжительность работы, с……………………………………………120

Тяга рулевого двигателя, кН……………………………………………….297

2-я ступень

Длина, м………………………………………………………………………..10,080

Диаметр, м………………………………………………………………………3,000

Максимальный диаметр приборного отсека, м…………………3,005

Максимальный поперечный размер по обтекателям, м…….3,802

Тяга маршевого двигателя, кН ……………………………………………883

Время работы, с………………………………………………………125 — 162

Тяга рулевого двигателя, кН…………………………………………….54,73

Диаметр ГО, м…………………………………………………………………2,700

Длина ГО, м…………………………………………………………………….9,540

Длина переходника, м……………………………………………………..0,780

3-я ступень

Тяга маршевого двигателя, ЖРД кН…………………………………..81,8

Продолжительность работы, с……………………………………………118

При постройке модели рекомендую принять конструктивные решения, принятые для модели-копии PH «Космос-ЗМ», опубликованные в «М-К» № 8 за 2000 г. Предварительные расчеты показывают, что удобным для моделирования будет масштаб 1:40, чтобы уложиться в максимальную стартовую массу для моделей-копий. При этом диаметр модели-копии составит 75 мм, а длина — 982 мм. Стартовая масса будет 600 — 700 г. И тогда для запуска модели достаточно шести МРД5-3 диаметром 13 мм, которые оптимально впишутся в макетные сопла 1-й ступени. На 2-й ступени достаточно установить один МРД20-6 диаметром 18,6 мм и на 3-й ступени — один МРД5-3.

Так как прототип не имеет оперения, основной сложностью будет обеспечение устойчивого полета всех ступеней модели-копии. Для 2-й и 3-й ступени задача решается применением блоков раскрывающихся стабилизаторов. Аэродинамическая форма прототипа такова, что при помощи загрузки нельзя добиться необходимого для устойчивого полета 1-й ступени положения центра тяжести модели, как в случае модели-копии PH «Космос-ЗМ». Поэтому на 1-й ступени целесообразно применить прозрачные стабилизаторы. Аккуратно сделанные стабилизаторы сильно не повлияют на стендовую оценку и позволят избежать загрузки носовой части модели.

В. МИНАКОВ, инженер

Литература:

1. «Новости космонавтики», № 2, 2001 г., стр. 37 — 38.

2. «Новости космонавтики», № 2, 2002 г., стр. 41 —47.

3. «Новости космонавтики», № 11, 2002 г., стр. 52 — 54.

4. «Новости космонавтики», № 12, 2003 г., стр. 39 — 42.

5. «Украинский ракетомоделизм», № 1, 1995 г., стр. 10— 14.

6. «Украинский ракетомоделизм». № 2, 1995 г., стр. 8— 13.

7 Первое М. Ракетные комплексы РВСН — «Техника и вооружение», № 5 — 6, 2001 г.

8. Паутницкий Ю В. и др. Отечественные ракеты-носители. — СПб., Изд. центр ГМТУ, 1996 г.

9. Морозов Б. и др. Космодром Плесецк. — г. Мирный, «Международный космический центр «Плесецк», 1992 г.

10. Уманский С.П. Ракеты-носители. Космодромы. — М., «Рестарт Плюс». 2001 г.

11. PH «Циклон-3». Альбом чертежей для ракетомоделистов. Под ред. С.Н.Конюхова. — ГКБ «Южное», 1996 г.