РАКЕТА, ПОДНЯВШАЯ В КОСМОС Ю. ГАГАРИНА

Посвящается создателям и испытателям космической техники. Будничное утро 12 апреля 1961 года. Первые часы трудового дня. И вдруг по радио — позывные важного правительственного сообщения. В эфир врывается торжественный и взволнованный голос известного диктора Ю.Левитана: «Внимание, говорит Москва!!! Работают все радиостанции Советского Союза!!! Передаем сообщение ТАСС. О первом в мире полете человека в космическое пространство… В Советском Союзе выведен на орбиту вокруг Земли первый в мире космический корабль-спутник «Восток» с человеком на борту. Пилотом-космонавтом космического корабля… является гражданин Союза Советских Социалистических Республик летчик майор Гагарин Юрий Алексеевич!»

Сбылась мечта основоположника современной космонавтики К.Э.Циолковского: представитель человечества вырвался в космическое пространство. И первым космонавтом Земли стал наш соотечественник! Это было великое достижение ученых, конструкторов и рабочих, ставшее по праву праздником для нашего народа, да и всего мира! С тех пор этот апрельский день вся планета отмечает как Международный день авиации и космонавтики.

Для полета человека в космос был создан не только космический корабль «Восток», но и транспортное средство — многоступенчатая ракета-носитель, позже также получившая имя корабля.

В 1956 году в ОКБ-1, где создавалась межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 и которым руководил главный конструктор С.П. Королев — выдающийся ученый в области ракетно-космической техники и один из крупнейших пионеров космонавтики, приступили к разработкам аппаратов для космических полетов. Уже в следующем году был организован специальный отдел, возглавляемый известным конструктором в области ракетостроения М.К.Тихонравовым — одним из пионеров ракетной техники. Его сотрудники разрабатывали проекты пилотируемых и автоматических космических аппаратов, запускаемых при помощи ракет-носителей, создаваемых на базе Р-7.

Рис.1. Блок Е ракеты Р-7 с кораблем «Восток-1»

Рис.2. Схема отделения блоков 1-й ступени:

А — центральный блок (3-я ступень); Б,Г — боковые блоки (1-я ступень); а,б,в — три условных положения боковых блоков в процессе их отделения

Предварительные проработки проектов запуска автоматических межпланетных станций (АМС) и пилотируемых кораблей-спутников были закончены весной 1958 года. Они показали, что энергетические возможности ракет-носителей «Спутник», созданных на базе боевых межконтинентальных баллистических Р-7, исчерпаны. Из расчетов, выполненных в ОКБ-1 под руководством С.П.Королева, стало ясно, что для получения второй космической скорости в 11,2 км/с, которая позволит достичь Луны и планет солнечной системы, необходимо создать новую трехступенчатую ракету-носитель. Кроме того, она должна обеспечить выведение полезного груза массой более 4,5 т на орбиту искусственного спутника Земли.

Третьего марта 1958 года от имени руководителей ракетно-космического комплекса в правительство были направлены предложения по разработке такого носителя и космических аппаратов для исследования Луны. Через две недели (20 марта) соответствующее постановление было уже принято, а через три месяца (1 июля) ОКБ-1 представило эскизный проект, который предусматривал два варианта ракет. Для реализации проекта требовалось создать новую 3-ю ступень — ракетный блок Е, оснащенный двигателем с удельной тягой на 30—40 единиц больше, чем у существующих образцов, и приспособленный для запуска в космическом пространстве. А также систему управления, способную обеспечивать измерение скорости полета до 11 км/с с точностью 0,3—0,5 м/с.

Оба варианта базировались на усовершенствовании «семерки» Р-7А (индекс 8К74) и отличались третьими ступенями. Первый из них, принятый как основной (индекс 8К73), должен был иметь 3-ю ступень с двигателем ОКБ-456 тягой 10 т (главный конструктор В.П.Глушко — основоположник отечественного жидкостного ракетного двигателестроения, один из пионеров ракетной техники) Компонентами топлива служили жидкий кислород и несимметричный диметилгидрозин. (Второй, запасной вариант (индекс 8К72) —с двигателем совместной разработки ОКБ С.Л.Косберга (известного конструктора авиационных и ракетных двигателей) и ОКБ-1. Тяга двигателя 5 т, компоненты топлива — жидкий кислород и керосин. ОКБ-456 в установленные сроки не смогло разработать двигатель, и запасной вариант стал основным.

Базовая двухступенчатая ракета Р-7 была построена по схеме «пакет» с продольным делением ступеней. Первая состояла из четырех одинаковых боковых ракетных блоков (Б, В, Г и Д), закрепленных во взаимно перпендикулярных плоскостях стабилизации I—IV вокруг второй ступени — центрального блока А. Выбор такой конструктивной схемы был обусловлен несколькими факторами. Во-первых, необходимость транспортировки ракетных блоков по железной дороге ограничивала их геометрические характеристики размерами габаритов железнодорожного вагона. Во-вторых, отсутствие опыта запуска жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в условиях вакуума заставляло запускать их на Земле под контролем и в случае небхо-димости отменять старт. В-третьих, для обеспечения надежности пришлось отказаться от создания пневмо- и гидравлических связей между ракетными блоками, практически превратив их в самостоятельные ракеты.

Эти соображения привели к тому, что центральный блок имел продолжительность работы двигателя и соответственно емкость баков вдвое больше, чем боковые. Для устранения разбалансировки масс частей пакета при работе маршевых ЖРД ввели специальную систему синхронного опорожнения баков. Ее задачей было обеспечить одновременное расходование компонентов топлива как из баков отдельного ракетного блока, так и блоков. Это достигалось небольшим изменением соотношения подачи компонентов топлива в двигатели. Сложная форма ракетных блоков обеспечивала необходимые аэродинамические характеристики и устойчивость полета во всем диапазоне скоростей.

БОКОВЫЕ БЛОКИ упирались своими передними сферическими упорами в специальные кронштейны, закрепленные на силовом шпангоуте бака окислителя центрального блока. Конструкция кронштейнов обеспечивала передачу только продольных нагрузок с боковых блоков и не препятствовала свободному выходу передних упоров при исчезновении продольной силы при выключении двигателей 1-й ступени. В нижней части боковые блоки были скреплены с центральным посредством подвижных соединений типа «ласточкин хвост» и попарно стянуты трубчатыми стержнями, воспринимающими и передающими поперечные силы. Эти стержни закреплялись в пневмозамках центрального блока. Такая силовая схема пакета обеспечила нахождение части центрального блока в зоне растягивающих сил на участке полета 1-й ступени, что позволило заметно снизить массу его конструкции.

На всех ракетных блоках были установлены четырехкамерные ЖРД открытой схемы, работающие на топливе жидкий кислород плюс керосин. Эти двигатели РД-107 (на 1-й ступени) и РД-108 (на центральном блоке), созданные в ОКБ-456 под руководством В.П.Глушко, отличались только количеством рулевых двигателей (два на РД-107 и четыре на РД-108), работающих на основных компонентах топлива. Привод турбонасосного агрегата использовал парогаз, образующийся при разложении перекиси водорода. Рулевые двигатели разрабатывались в ОКБ-1 под руководством В.А.Мельникова.

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА бокового блока состояла из силового конуса со сферическим упором на вершине, несущих конических баков окислителя и горючего, соединенных межбаковым отсеком, отсека тороидальных баков перекиси водорода и жидкого азота, а также хвостового отсека. Снаружи его располагался аэродинамический руль, а внутри — ЖРД. Со стороны, обращенной к центральному блоку, задняя часть хвостового отсека и его торец были покрыты теплозащитным экраном, изготовленным из листов полированной стали, под которыми положили слой асбеста. (Экран ввели после первого аварийного запуска ракеты 15.04.1957 г.) Длина бокового блока без выступающей части сопел ЖРД составила 19,2 м, максимальный диаметр 2,68 м и сухая масса — 3,75 т.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ БЛОК состоял из приборного отсека, бака окислителя, образованного двумя конусами, соединенными большими основаниями через мощный силовой шпангоут, межбакового отсека, бака горючего, отсека тороидальных баков перекиси водорода и жидкого азота, хвостового отсека с ЖРД. На хвостовом отсеке, нижнюю часть которого также закрыли теплозащитным экраном, смонтировали обтекатели рулевых двигателей. Длина центрального блока составила 26,8 м, максимальный диаметр 2.95 м и сухая масса — 7 т.

Рис.3. Ракета-носитель с космическим кораблем «Восток-1»:

1 — головной обтекатель; 2 — спускаемый аппарат; 3 — толкатель: 4 — ферма-переходник; 5 — рулевое сопло блока Е; 6,18 — антенны; 7 — приборный отсек блока А; 8 — бак окислителя блока А; 9 — кронштейн; 10—силовой конус; 11 — бак окислителя бокового блока; 12— бак горючего блока А; 13 — бак горючего бокового блока; 14— стяжные стержни; 15 — двигатель РД-108; 16 — двигатель РД-107 ; 17 — двигатель РО-7 ;

VI — заклепочный шов (заклепки с потайной головкой); VII— шов точечной сварки; VIII— заклепочный шов (заклепки с полусферической головкой); IX— сварной шов

Отделение блоков 1-й ступени происходило следующим образом. Их маршевые двигатели переводились на режим малой тяги, а управляющие двигатели выключались. Пневмозамки освобождали стяжки, и пакет раскрывался снизу под действием момента силы тяги двигателей (рис. 2а). Сферические упоры поворачивались и выходили из зацепления с кронштейнами на центральном блоке, который уходил вперед. В этот момент замыкались концевые выключатели.

По их команде смолкали двигатели боковых блоков и открывались сопла, расположенные на внутренней стороне силового конуса, через которые стравливалось давление наддува бака окислителя (рис. 26). Реактивная сила отводила верхние части боковых блоков от центрального на безопасное расстояние (рис. 2в).

Изменения в конструкции Р-7 при установке на нее 3-й ступени (диаметром 2,58 м) были незначительными. Для уменьшения массы 1-й и 2-й ступеней был ограничен объем телеметрических измерений. Радиотехнический отсек перенесли на 3-ю ступень. Принятая впервые схема «горячего разделения» с запуском двигателя 3-й ступени до выключения двигателя 2-й потребовала установить на верхней крышке кислородного бака центрального блока ферму-переходник длиной 1,26 м и отражатель, позволявший отводить газы в нужном направлении.

Для снижения массы конструкции, сокращения габаритов ступени и сопряжения ее с центральным блоком была принята компоновка блока Е с тороидальными баками, соединенными между собой цилиндрической вставкой. Двигатель РО-7 размещался внутри «баранки». Управление и стабилизация ступени по курсу и тангажу осуществлялось двумя парами жестко закрепленных на внешней поверхности ступени сопел, а по крену — четырьмя поворотными соплами. Рабочим телом для них служил отработанный парогаз турбины. На участке выведения для защиты от набегающего потока полезный груз закрывался обтекателем из двух половин, который сбрасывался на участке полета 2-й ступени. Общая масса 3-й ступени составляла 7984 кг, а после расходования топлива — 1472 кг. Общая длина ракеты-носителя 8К72 с АМС была 33,5 м, максимальный размер по концам аэродинамических рулей — 10,3 м, стартовая масса — 279 т.

Первый запуск новой ракеты-носителя в сторону Луны с АМС массой 361 кг 23 сентября 1958 года был неудачным. На 87-й секунде полета произошла авария из-за продольных колебаний конструкции, передававшихся через питающие трубопроводы в двигатели. Они вызвали колебания давления в камере сгорания, что в конечном итоге приводило к взрыву. При втором пуске 12 октября — авария по той же причине. Ракетчики впервые столкнулись с подобным явлением, которое потребовало введения специальных демпферов в систему питания ЖРД для устранения эффекта резонанса. После проведения доработок 4 декабря состоялся третий запуск. Он также был неудачным: на 245-й секунде произошла авария наноса перекиси водорода на двигателе центрального блока, однако телеметрия показала, что колебания в тракте питания погашались.

Успешным оказался старт 2 января 1959 года — пуск и полет ракеты-носителя 8К72 с АМС «Луна-1» прошли нормально. Впервые, через 731,8 с после старта, была достигнута вторая космическая скорость. Правда, АМС не попала в Луну из-за небольшой неточности в системе радиоуправления выключения двигателя 2-й ступени. Межпланетная станция прошла мимо и стала первым в мире искусственным спутником Солнца! В подтверждение факта полета космической ракеты, когда она находилась на расстоянии 113 тыс. км от Земли, из специального устройства на борту была выброшена «натриевая комета», которую наблюдали и фотографировали наземные обсерватории.

Следующий пуск 18 июля закончился очередной аварией ракеты-носителя, вызванной выходом из строя гирогоризонта. Однако, через два месяца (12 сентября) состоялся запуск новой АМС «Луна-2», которая впервые в мире достигла поверхности вечного спутника Земли и доставила в район Моря Ясности вымпелы с изображениями государственного герба СССР. А через три недели (4 октября) к Луне опять стартовала очередная АМС «Луна-3». Она впервые сфотографировала обратную, невидимую с Земли сторону нашей ближайшей соседки по космосу. Причем для этого полета была выбрана сложная траектория с использованием для маневров гравитационных полей Луны и Земли.

Запуски к Луне продолжались. Дважды — 15 и 19 апреля 1960 года — они оказались неудачными из-за аварии носителя. Это были попытки запуска АМС, которая должна была сфотографировать обратную стороны Луны с точной привязкой к ее видимой стороне.

Тем временем, пока отрабатывалась ракета-носитель и ее пуски с АМС, сотрудники одного из подразделений отдела М.К.Тихонравова, которое Королев называл «детским садом», так как в нем работала совсем «зеленая» молодежь — недавние выпускники институтов, под руководством кандидата технических наук К.П.Феоктистова (будущий космонавт, профессор), показали неперспективность пилотируемых полетов по баллистической траектории и сосредоточились на проработке орбитального полета. Результатом их работы стал проект тяжелого одноместного корабля-спутника «Восток» (индексы 1К и ЗКВ) массой в 4,5—4,8 т. Корабль в окончательном виде состоял из двух отсеков: приборного с двигательной установкой и спускаемого аппарата сферической формы. Максимальная продолжительность полета — десять суток. Ведущим конструктором корабля был О.Г.Ивановский.

Для запуска космического корабля «Восток» выбрали носитель 8К72, позволявший выводить на орбиту ИСЗ полезный груз массой до 5 т и в достаточной мере отработанный при запусках АМС. У 3-й ступени удлинили переходный отсек, и ее длина составила 2,98 м. На ступень опирался шпангоут приборного отсека космического корабля, который на активном участке был закрыт аэродинамическим обтекателем диаметром 2,7 и длиной 6,6 м. Обтекатель сбрасывался на участке полета 2-й ступени. В нем было сделано большое отверстие для подхода к люку спускаемого аппарата, который использовался для посадки космонавта в корабль, отстрела катапультируемого кресла при возвращении на Землю и в случае аварии ракеты-носителя на активном участке до сброса головного обтекателя. Длина ракеты-носителя с космическим кораблем «Восток» составила 38,36 м, а стартовая масса 287 т.

Первый пуск тяжелого корабля-спутника «Восток-1» (1КП) 15 мая 1960 года сразу оказался успешным. Но при следующем запуске (28 июля) произошла авария 1-й ступени носителя. Однако, меньше чем через месяц (19 августа) и затем 1 декабря были успешно выведены на околоземную орбиту тяжелые корабли-спутники 1К № 2 и № 5. И снова (22 января) при пуске 1К № 6 — авария, на этот раз 3-й ступени. Но через полтора месяца (9 и затем 25 марта 1961 года) наконец были успешно запущены корабли-спутники ЗКА № 1 и № 2. Последний из них полностью выполнил программу полета. Все эти экспериментальные запуски ракеты-носителя с кораблем-спутником «Восток» позволили надежно отработать их конструкцию и бортовую аппаратуру и дали возможность государственной комиссии принять решение о первом полете человека в космическое пространство.

И вот 12 апреля 1961 года в 9 ч 06 минут 59 с стартовала ракета-носитель 8К72 № Е10316 с двадцатисемилетним летчиком ВВС старшим лейтенантом Ю.А. Гагариным, и в эфире прозвучало его знаменитое «ПОЕХАЛИ!» А через несколько минут полета, когда по радио передавали сообщение ТАСС, стало известно, что космонавту присвоили звание майора. Это был шестнадцатый пуск знаменитой ракеты-носителя.

Пилотируемые полеты были продолжены 6 августа суточным полетом космонавта Г.С.Титова. Через год, 11 и 12 августа 1962 года, состоялся групповой полет космических кораблей «Восток-3» и «Восток-4» с космонавтами А.Г.Николаевым и П.Р.Поповичем. Программа пилотируемых полетов на «Востоках» была завершена в июне 1963 года групповым полетом «Востока-5» (космонавт В.Ф.Быковский) и «Востока-6», который пилотировала первая в мире женщина-космонавт В.В.Терешкова. Все они так же, как и Ю.А.Гагарин, «за героический подвиг — полет в космос, прославивший нашу Родину, за проявленные мужество, отвагу, бесстрашие и беззаветное служение советскому народу, делу прогресса всего человечества» были отмечены высшими государственными наградами — орденом Ленина и Золотой Звездой Героя Советского Союза.

В дальнейшем на базе космических кораблей «Восток» были разработаны спутники «Зенит-2» и «Зенит-4». Кроме них, позже было создано большое количество спутников различного назначения, в том числе научные и биологические «Фотон»/«Бион». Для их запуска на базе ракеты-носителя 8К72 разработаны носители 8А92 и 8А92М, также носившее гордое имя «Восток». Самая поздняя модификация ракеты-носителя «Восток» (индекс 8А92М) летала до середины 80-х годов. С ее помощью была выполнена советско-индийская космическая программа по запуску спутников «Бхаскара».

Технические данные ракеты-носителя 8К72 «Восток-1»

Длина, м………………………………………………………………………38,36

Максимальный поперечный размер

(по аэродинамическим рулям), м…………………………………10,3

Стартовая масса, т…………………………………………………………..287

Сухая масса, т…………………………………………………………………..29

Длина 1-й ступени

(без выступающей части сопел ЖРД), м………………………19,2

Максимальный диаметр, м………………………………………………2,68

Сухая масса, т…………………………………………………………….4×3,75

Стартовая масса, т…………………………………………………………..170

Тяга у земли ЖРД РД-107 1-й ступени, т………………………4×82

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

Длина 2-й ступени с переходной фермой, м…………………28,75

Максимальный диаметр, м………………………………………………2,95

Сухая масса, т…………………………………………………………………….8

Стартовая масса, т…………………………………………………………..102

Тяга у Земли ЖРД РД-108 2-й ступени, т………………………81,2

Продолжительность работы, с…………………………………………290

Длина 3-й ступени с головным обтекателем, м……………….9,61

Диаметр блока Е, м………………………………………………………..2,58

Диаметр головного обтекателя, м…………………………………….2,7

Сухая масса, т………………………………………………………………….9,5

Стартовая масса, т…………………………………………………………….15

Тяга ЖРД РО-7, г……………………………………………………………5,5

Продолжительность работы, с…………………………………………440

В. МИНАКОВ, инженер