Этот текст написан инженером-ракетостроителем, который не один десяток лет посвятил работе на «РКЦ Прогресс». Это предприятие производит и модернизирует одну из самых известных и востребованных в мире ракет – «Союз». Эта ракета исторически развивается от легендарной Р-7, сконструированной под руководством Сергея Королёва, и запустившей первый спутник, первого человека, первые автоматические межпланетные станции… Ниже будет много букв об уникальности конструкции ракеты, о секретах её успеха, об особенностях технологии производства, и о том, чему у советских инженеров научился Илон Маск.
_________________________________
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 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. В таких обсуждениях много политических моментов. Давайте спокойно разберемся в вопросе с точки зрения инженера.
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 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 [«боковушки» «Союз» и есть первая ступень – Прим. Zelenyikot] 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 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, серьезного увеличения диаметра первой ступени, что, в свою очередь, повлекло бы за собой невозможность транспортирования её железнодорожным транспортом либо увеличения количества стыков и общего усложнения ракеты. При этом не забываем, что Р-7 создавалась как боевая ракета и она должна была перевозиться ж/д транспортом без ограничений. 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.
Так вынужденно появилась нынешняя, привычная для телезрителей схема.
Часто в дискуссиях выдвигается и 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. 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 никогда не узнаем, имел ли в виду Королёв при выборе схемы Р-7 будущее космическое применение его ракеты или нет. Однако он выполнил задание Родины и создал средство доставки термоядерного заряда на территорию потенциального противника.
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.
И так, вынужденно выбрав столь неоптимальную схему, разработчики столкнулись с кучей проблем. Если б они пошли традиционным путем и поставили Р-7 на стартовый стол, то на центральный блок пакета пришлась бы огромная сжимающая нагрузка от веса обеих ступеней (всех 5-и блоков). А 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, 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 решили 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 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.
Освобождение ракеты при старте от удерживающей конструкции, вообще, решено 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».
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.
Как видим, разработка ракеты проходила в условиях очень жестких ограничений не только по времени, но и чисто технических. В результате великолепной изобретательности разработчиков и возникло это уникальное произведение инженерного искусства.
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! Я думаю, что сейчас 3 года шло бы только согласование Постановления. Интересен вопрос: каким образом удавалось обеспечить такие темпы? Ну, помимо высокой квалификации исполнителей и руководителей, обычно говорят о высокой мотивированности всех участников процесса. Главным фактором, конечно, была гораздо меньшая забюрократизированность всей системы. Еще хотелось бы отметить один малоизвестный, но важный фактор, снижающий трудозатраты и ускоряющий разработку. 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. Отступая немного в сторону, скажу, что довелось мне держать в руках и чертежи выпуска военных лет — деталей Ил-2.В сравнении с современными чертежами они – очень просты. Не удивительно, что их выпуск доверялся простым чертежникам, максимум – техникам. Сейчас любую примитивную деталь рисует дипломированный инженер.
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.
Более подробно об этом надо рассказывать в отдельной статье. 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, освоению выпуска гигантских РН Н-1 и «Энергия»!
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. Сделано это было, на мой взгляд, очень разумно.
Разрабатывать и изготавливать новую РН поручили Днепропетровску, имевшему большой опыт разработки современных боевых ракет. При этом «убивалось сразу несколько зайцев»: новая РН имела высокую степень автоматизации предстартового обслуживания, (как у боевых ракет), что удешевляло обслуживание и делало его более безопасным; имела всего две ступени, что в перспективе должно было сделать ее изготовление дешевле семерки; первая ступень ракеты должна была стать боковым блоком РН «Энергия». Называлась эта ракета 11К77или «Зенит». Однако разработка её затянулась. Полноценно она залетала лишь во второй половине 80-х. 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. 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», в независимости от того, где его производство было бы размещено – в Куйбышеве или в Днепропетровске. А в реальности, при фактическом отсутствии альтернативы в виде «Зенита», оставшегося за границей нового государства, и при наличии отлаженного производства, РН «Союз» оказалась очень востребованной на международном рынке запусков. Ракета – надежная, производство и запуск ее по западным меркам – крайне дешевое, политические ограничения на ее использование со стороны Запада – частично сняты, так почему бы и не воспользоваться? А для завода и КБ – спасение в условиях фактического прекращения финансирования со стороны нового государства. Какие уж тут новые разработки!? Выжить бы. Вот вам и третья причина долгожительства легендарной ракеты.
Четвертой 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».
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.
В отношении Маска. Он правильно понял опыт советского ракетостроения. Чтоб иметь дешевую и надежную ракету, её надо запускать часто и изготавливать, соответственно, большими сериями. Причем желательно иметь много запусков своей собственной полезной нагрузки. И мы видим массовые запуски спутников Starlink! И еще, 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.
Возьмем для примера испытания РН Н-1. Вот, что пишет о них Черток Б.Е. «Городами стреляем!» Т.е. пеняет на страшную дороговизну таких испытательных запусков. У Королёва не было ни времени ни средств для создания дорогостоящего и огромного испытательного оборудования и он вынужденно шел традиционным для раннего советского ракетостроения путем натурных испытаний. Хотя спорный вопрос: что в итоге оказалось бы дороже – 4 неудачных запуска или сооружение грандиозного стенда для испытаний первой ступени Н-1 в сборе. Мало того, из 4 отказов минимум один – закрутка по каналу крена – а скорее 3 из 4, точно не был бы выявлен в стенде. И что мы наблюдаем у Илона Маска? Десяток огромных (9 м в диаметре !) и дорогущих прототипов Старшипов разбиваются при летных испытаниях прежде, чем достигается успех.
Причем успех чисто локальный, абсолютно неизвестно как поведет себя Starship в реальном полете, который обещают произвести
в 2022 г.
Однако есть и существенное отличие космической стратегии Маска от советской. Это – ставка на многоразовость. Идея многоразовости в корне противоречит идее массового производства. Ведь чем чаще запускается одна и та же ступень, тем меньше их надо изготовить. По предварительным итогам 2021 года только в одном из пусков Falcon 9 использовалась новая первая ступень, в остальных 30 пусках повторно использовались уже летавшие экземпляры. Производя по одной ступени в год, не обеспечишь дешевизну изготовления. Ракетный завод – очень серьезное предприятие, требующее многочисленного и дорогостоящего станочного парка. Кроме того для производства конкретной ракеты требуется изготовить самим или заказать на стороне многочисленную специальную оснастку, которую нигде, кроме изготовления конкретной ракеты, не используешь. Ну и, наконец, квалифицированные рабочие и инженерные кадры. Это совсем не землекопы или укладчики асфальта, их не уволишь на год, чтоб при необходимости снова нанять на месяц работы. Квалификация должна постоянно поддерживаться выполнением соответствующей работы. Если человек выполняет ту или иную операцию не регулярно, а от случая к случаю, то надо ждать от него беды. Все мы помним аварию «Протона», когда датчик ускорений был неправильно установлен малоопытным сборщиком, вопреки наличию «защиты от дурака».
В США это так же прекрасно понимают. Так в конце 60-х подкомиссия Сената по космонавтике с обеспокоенностью писала, что при снижении темпа выпуска РН «Сатурн-5» ниже критического уровня можно ожидать увеличение вероятности аварий по вине производства. 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 так же 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. Это уже не говоря о существенном усложнении и удорожании многоразовой ракеты по сравнению с одноразовой, а так же достаточно существенном снижении массы выводимой полезной нагрузки. Кстати, это недостаток многоразовых РН SpaceX частично обратил в достоинство. Ведь далеко не при всех пусках РН загружается на 100%. В случае многоразовой РН вместо балласта возможно варьировать массу выводимой ПН, выбирая одноразовый или многоразовый вариант. А из многоразовых выбирать возвращение на плавучую платформу (бОльшая ПН) или возвращение в район стартовой позиции (меньшая ПН). Правда при этом усложняется логистика и удорожается эксплуатация.
Как же совместить многоразовость и большую программу выпуска ракет заводом? Тут возможны два варианта. Самый очевидный – на порядок увеличить количество запусков в год, Т.е. производить не 30, а 300 запусков в год, тогда при 10-кратном использовании ступеней производству надо будет выпускать 30 многоразовых ступеней в год, что всего в два раза меньше, чем выпускал советский завод «Прогресс» в СССР. Такая программа выпуска сможет обеспечить приемлемый уровень затрат на единицу продукции и хорошее качество изготовления. Где взять такое количество полезных нагрузок? Самим их изготавливать и запускать. Запуски для создания многотысячной группировки Starlink – путь в нужном направлении.
Второй вариант менее очевиден. Сразу выпустить необходимое количество ракет на много лет вперед, а потом закрыть производство. Например, если планировать 50 запусков каждый год на протяжении 10 лет, то при кратности использования ступеней равной 10 потребуется изготовить 50 ракет. В таком случае можно оптимизировать производственные мощности таким образом, что вложения окупятся за планируемый срок выпуска. Например, изготавливать ежегодно по 20 ракет и через 2,5 года определиться – закрывать производство или продолжить выпуск, если стало понятно, что возник дополнительный спрос. Примерно так действуют нефтяники, планируя разработку небольших месторождений. Например, открыто небольшое месторождение объемом 1 млн. тонн. Можно установить мощности, которые выкачают его за 1 год, но куда потом девать практически новое оборудование и инфраструктуру? Поэтому они устанавливают такие мощности, которые амортизируются к концу добычи. Но этот вариант в условиях неопределенности рынка запуска полезных нагрузок, достаточно рискован.
Морин И.А.
_____________________________________
Публикуется с разрешения автора. В оформлении использованы фото и видеоматериалы Роскосмоса, ESA и SpaceX.