Пользователь
380,4
рейтинг
28 декабря 2013 в 16:56

Долгая жизнь королёвской «семёрки»: успешные испытания «Союз-2.1в»


У ракеты «Р-7» оказалась удивительно долгая жизнь. Через пятьдесят шесть лет после первого пуска в мире эксплуатируются пять стартовых комплексов и строится шестой. И сегодня, в 16:30 МСК состоялся первый испытательный полёт новой модели семейства Р-7 — «Союз-2.1в». О длинной и славной истории «семёрки» и о её новой модификации я бы и хотел рассказать.

Колыбель цвета хаки


В начале двадцатого века ученые и энтузиасты занимались ядерной физикой и строили первые ракеты с жидкостным двигателем. Катализатор Второй Мировой войны породил реализованные в металле технологии — ядерную бомбу («Манхеттенский проект», США) и баллистические ракеты («Фау-2», Германия). Очевидная выгода от их сочетания и напряжение Холодной войны породили межконтинентальные баллистические ракеты, первой из которых стала «Р-7», созданная в ОКБ-1 Сергея Павловича Королёва.
Задача создания МБР требовала прорыва в новое, многие решения принимались априорно и определили судьбу ракеты:
  • В 1953 году масса головной части с термоядерной боеголовкой была принята равной 5,5 тонн по докладной записке Андрея Сахарова. Несмотря на то, что уже спустя месяц Сахаров нашёл возможность уменьшить вес вдвое, требование грузоподъемности для ракетчиков сохранили. Ракета получилась слишком мощной для боевой, но обрела блестящее космическое будущее. Что любопытно, в США была совершенно такая же ситуация при разработке МБР «Атлас». Американцы изменили требования, перепроектировали ракету (потратив время, которое им очень не помешало бы в космической гонке), выиграли в военном смысле (стартовые позиции «Атласов» были проще и дешевле, их построили в разы больше), но получили очень серьезные проблемы с запуском в космос человека — мощность МБР как ракеты-носителя была в дефиците.
  • Одной ступенью получить межконтинентальную дальность было невозможно. А двигателисты не могли гарантировать запуск двигателя в невесомости после отделения первой ступени. Пришлось ставить первую ступень сбоку. Стартовый комплекс получился открытым, очень большим и очень неподходящим для военного применения. У американцев были такие же проблемы, и они их решили крайне своеобразно — МБР «Атлас» также запускала все три двигателя при старте, а в полёте сбрасывала два двигателя из трёх вместе с частью хвостового отсека.
  • Для управления полётом ракеты использовалась радиокоррекция с наземных пунктов. Это было верное решение для своего времени (в США ничего лучше тоже не придумали). В случае размещения стартовой позиции на полигоне «Капустин Яр» в районе Астрахани наземные пункты оказывались в горах Кавказа и надежной связи дать не могли. Пришлось искать новое место, которым стал район разъезда Тюра-Там, из соображений секретности названный «Байконур». К сожалению, технический прогресс быстро сделал инерциальную навигацию достаточно точной и необходимость радиокоррекции отпала, а космодром в тяжелых климатических условиях и, после распада СССР, в другом государстве, остался.

15 мая 1957 года состоялся первый пуск (неудача: пожар бокового блока, потеря стабилизации, аварийное выключение двигателей). Третий пуск 21 августа был успешным для ракеты (головная часть разрушилась при входе в атмосферу). Наступал международный геофизический год, США неоднократно объявляли о намерении запустить искусственный спутник Земли, поэтому было решено использовать простаивающие в ожидании новых головных частей МБР как ракеты-носители. И 4 октября 1957 года началась космическая эра человечества.

Р-7 как конструктор




Первая версия «семёрки» имела две ступени — центральный блок «А» и четыре боковых блока «Б», «В», «Г», «Д».

Боковые блоки

Блоки «Б»-«Д» работали, в зависимости от модификации, ~100-120 секунд и сбрасывались. Разделение ступеней реализовано очень красиво — после разрушения нижних узлов связи хвостовая часть блоков отходит в сторону за счет последнего импульса двигателей, затем двигатели выключаются, и блоки выходят из верхних силовых узлов просто за счет своего веса.


Центральный блок

Блок «А» работает, в зависимости от модификации, ~240-290 секунд. В варианте МБР для точного прицеливания двигатель выключался в два этапа — сначала маршевые камеры, ступень переходила на режим малой тяги на рулевых камерах, и, при достижении требуемой скорости, выключались и они.


В двухступенчатом варианте Р-7 могла вывести на орбиту примерно тонну. Этого было мало, да и законы баллистики говорили о том, что небольшая третья ступень, работающая в апогее, серьезно бы увеличила грузоподъемность ракеты. Такой третьей ступенью стал блок «Е», ракета получила названия «Луна» и «Восток» и использовалась с 1958 по 1991 год.

Блок «Е»

С третьей ступенью «семёрка» уже могла вывести на околоземную орбиту 4,5 тонны или отправить небольшой аппарат к Луне. На этой версии ракеты были запущены первые «Луны», первый человек, разведывательные и народнохозяйственные спутники.


Более мощная третья ступень могла бы ещё повысить грузоподъемность ракеты. Так появился блок «И»:

Блок «И»

Блок «И» позволил выводить на орбиту уже ~7 тонн. Ракеты под названиями «Восход» и «Союз» запустили множество различных аппаратов, «Союз» в модификациях «Союз-2», «Союз-ФГ» и «Союз-У» используется до сих пор.


Для запуска более тяжелых аппаратов к Луне и спутников связи «Молния», которые выводились на высокоэллиптические орбиты, была добавлена четвертая ступень — блок «Л»

Блок «Л»

Четырехступенчатая ракета-носитель «Молния» обеспечила первую мягкую посадку автомата на Луну («Луна-9»), отправку аппаратов к Марсу/Венере и спутниковое вещание на территории СССР.


Если вам хочется более подробно посмотреть, как это всё работает и летает, рекомендую вот эту статью — семейство Р-7 в Orbiter'e представлено отлично.

2.1в


После этого обзора можно объяснить, в чем состоит новизна версии 2.1в. Во-первых, первая ступень, из боковых блоков «Б»-«Г», убирается. Блок «А» заменяется на новый, с новым двигателем (забавно, у него, похоже, пока нет буквенного имени). Блок «И» остаётся, но, вместо третьей ступени, становится второй. И третьей ступенью ставится новый блок выведения «Волга» (опционально). Получается ракета-носитель легкого класса (~2,8 т на 200 км, 1,4-1,7 т. на 800-1000 км или солнечно-синхронную орбиту с блоком выведения), способная эффективно заменить закрываемое семейство ракет «Космос» и конверсионные «Днепр», «Стрела», «Рокот», которые используют снятые с производства МБР.



Обратите внимание на изменение геометрических размеров первой ступени. Двигатель НК-33 при сравнимой массе имеет в полтора раза большую тягу, чем РД-108, и не имеет таких устаревших решений, как привод турбонасосного агрегата от отдельного бака с перекисью водорода. При этом сохраняется совместимость с существующими стартовыми сооружениями — используются те же узлы подвески, для нижней части стартового стола требуется минимальная доработка. Если говорить о более отдаленном будущем — возможны последующие модификации с добавлением геометрически более совершенных (цилиндр, а не конус) боковых блоков с новыми двигателями и ожидаемой полезной нагрузкой до 15-17 тонн.

Блок выведения «Волга»

Этот блок предназначен для довыведения спутников на требуемую орбиту при необходимости. Если у спутника нет собственной двигательной установки (а это верно для большого количества спутников на низких круговых орбитах), или же нужно осуществить вывод полезной нагрузки на солнечно-синхронную орбиту (что несколько сложнее вывода на «обычные» низкие околоземные орбиты), блок «Волга» способен разместить его на орбите с требуемыми параметрами и затормозиться, чтобы культурно сгореть в атмосфере и не мусорить в космосе. Блок разработан не с нуля, а является развитием двигательной установки спутников фоторазведки серии «Янтарь».


Вот небольшая схема, иллюстрирующая необходимость блока выведения:


Полезная нагрузка

Поскольку пуск является испытательным, в качестве полезной нагрузки установлены калибровочные сферы для радаров предупреждения о ракетном нападении — простые шары из полированного металла, и малый студенческий спутник «Аист», дублер которого был запущен в космос весной вместе со спутником «Бион».

Заключение


Несмотря на огромный по меркам высокотехнологичных технических систем возраст в 56 лет, семейство ракет на базе «семерки» не думает уходить в историю. Наоборот, судя по текущей ситуации, они будут эксплуатироваться ещё лет десять как минимум.

Спасибо за материалы:
  1. Артему Жарову за презентацию ЦСКБ Прогресс. Если хочется почитать подробнее о Союзе-2.1в — вам сюда.
  2. Александру Шлядинскому за рисунки, добрая треть из статьи взята у него.
  3. Сайту КИК-СССР. Обязательно посмотрите анимации «медузы».
  4. Сайту «Энциклопедия отечественной космонавтики».
  5. Сайту самарского военно-исторического клуба.

UPD: Появилось немного видео.
UPD2: Появилось видео пуска:
Филипп Терехов @lozga
карма
554,7
рейтинг 380,4
Пользователь
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (29)

  • +3
    Спасибо, прочиталось с удовольствием.

    Всегда было интересно, разве ферма, соединяющая ступени, не ухудшает аэродинамику?..
    • +2
      Разделение ступеней «горячее», т.е. сначала включается двигатель следующей ступени, а затем сбрасывается предыдущая. Поэтому закрытый переходник не подходит — некуда уходить выхлопу двигателя. Да и весить ферма должна меньше сплошного переходника. А поскольку диаметры ступеней совпадают, аэродинамические потери должны быть невелики.
  • 0
    Спасибо отличная статья в которую можно тыкать после очень распространенного заблуждения: «Россия проедает космическое наследие СССР» или «Ффффф космос только на софестцких ракетах, новые делать разучились».
    • +10
      Специально подчеркну, что проектировалась ракета с конца нулевых, то есть у нас есть квалифицированная молодежь в конструкторских бюро. И обратите внимание на то, что все полетело хорошо с первого раза, т.е. хорошо организованы процессы — производство, сборка, тестирование.
      • –2
        Ракета разрабатывалась с «нуля»? Вики говорит, что это всего лишь модификация «Союз-У», разработанной в 1973 году.
        • +9
          Перечитайте статью внимательней. Первая ступень фактически новая, с новой геометрией, заменой РД-108 на НК-33 + РД-0110Р, что требует новой системы управления. Ну и блок выведения тоже новый. Понятно, что не на пустом месте, но это закономерно для инженерных конструкций — даже первый ЖРД Цандера был модифицированной паяльной лампой.
          • +1
            Вопрос про «ноль» был исключительно из-за Вашего утверждения —
            «Специально подчеркну, что проектировалась ракета с конца нулевых, то есть у нас есть квалифицированная молодежь» уж не знаю как в коллективах, разрабатывающих НК-33 и РД-0110Р, но мои одногруппники, работающие в РКК Энергия и в НИИ ЦНИИМАШ самые «молодые» в своих отделах, простите, но нам за 40 и учились мы ещё при СССР…
            • +6
              «с конца нулевых» годов
              А что касается молодежи, почитайте тему на «Новостях космонавтики». Люди «в теме» радуются за молодёжь, значит, они её видят в отрасли. И даже прямая формулировка «Да, пожалуй, для ЦСКБ — это первая РН, практически самостоятельно созданная „с нуля“ (пусть и с оговорками).» там встречается.
    • –2
      новые делать разучились

      Конечно, разучились. Последние 30 лет делают одни и те же ракеты, без прорывных идей. Столько времени прошло, давно уже надо было освоить простые полёты на Луну и обратно, построить побольше станций на орбите, экспериментировать с другими типами двигателей.
      • +3
        Прогресс идёт по S-кривой. Пока ничего фундаментально нового не придумали, никаких «простых полётов на Луну». Ждите атомного буксира, относительно скоро ожидается. А если по-вашему это так просто — придумайте фундаментально новое сами. Человечество всегда нуждается в гениях.
  • +2
    Спасибо за статью. После прочтения новостей о выведении спутников новой ракета-носителем на новостных сайтах как раз хотелось найти более развернутый материал.
  • 0
    А всё потому, что работает на керосине.
    • +2
      А что вы этим хотели сказать? Есть несколько видов ракетного топлива, летают на всех. У пары «керосин+кислород» есть свои преимущества — менее токсично, чем гептил и стоит дешевле. Falcon, кстати, тоже на керосине работает.
      • +2
        Вот видите.
  • +2
    Спасибо!
  • +3
    Спасибо, что написали статью с любовью (это заметно с первых строк) и красотой. Редкость. С радостью бы читал так статьи и про другие наши разработки.

  • +1
    Меня вот всегда интересовал такой нубский вопрос по дизайну ракет, но не знал у кого спросить.

    Обычная ракета всегда казалось неустойчовой: попробуйте подкинуть авторучку щелчком пальца так, чтобы она полетела ровно и не кувыркнулась. Но если к верхушке авторучки приделать крючок и щелчок пальца будет прилагаться к этому крючку, таща, а не толкая с торца — то авторучка полетит аккуратнее)

    Вот так же и с ракетой. Почему никто не строит ракеты вот такого дизайна? (рисунок строго не судить, накатал на скорую руку для пояснения принципа: двигатели не толкают снизу, а тянут ракету; аэродинамику и компоновку можно изменить). В этом случае я вижу такие плюсы: на всю ракету только 3 двигателя (а не по комплекту на каждую ступень), секции после опорожнения сразу отстреливаются плавно уменьшая вес ракеты, намного проще управление (ракета не завалится как Протон на последней аварии и как куча других ракет, а будет плавно крениться и больше времени на выравнование). Минусы — надо как-то прокидывать топливопроводы от верхней секции через полезную нагрузку к фермам, сами фермы будут много весить.
    Эскиз
    image

    • +1
      Я вижу в вашей схеме следующие минусы:

      1) Воздействие выхлопных газов двигателей на ракету и полезный груз. Даже выхлопные газы от рулевых двигателей на зенитных ракетах, которые располагаются примерно по центру ракеты, представляют серьезную проблему для аэродинамического оперения ракеты, если оно располагается сзади. А тут не рулевые, тут маршевые двигатели. Пожгут и тросы внизу, и все остальное.

      2) Одни и те же двигатели нецелесообразно размещать на разных ступенях. В процессе полета масса ракеты существенно уменьшается. Если на старте для придания ракете заданного ускорения необходимы двигатели огромной мощности, то после отделения первой ступени остается лишь часть исходной массы. При сохранении прежней тяги двигателей ускорение ракеты превысит предел, переносимый человеком. Поэтому на современных ракетах используется дросселирование двигателей первой ступени: вначале они работают на полную мощность, а под конец работы где-то в районе 30% от номинала. Дальнейшее уменьшение тяги сопряжено с техническими трудностями, да и кпд двигателя, работающего на малой тяге, скорее всего, хуже, чем на номинале.
    • 0
      Не исключено, что срок службы двигателя равен времени работы ступени. Таким образом, у ракеты вашей конструкции двигатели просто выйдут из строя в середине полёта. Конструировать же двигатели, способные проработать всё время полёта нецелесообразно, поскольку их масса будет существенно больше.
    • +1
      Дополню предыдущих комментаторов. Эту проблему решает система управления, которая поддерживает неустойчивое равновесие.
      • 0
        Кстати, про систему управления, вики говорит о 2.1а:
        Первая модификация предусматривала замену двух[10] аналоговых систем управления на единую цифровую российского производства, что позволило значительно повысить точность выведения, устойчивость и управляемость ракеты, кроме того снизило зависимость от импортных комплектующих при производстве РН. Применение новой системы управления позволило использовать увеличенные головные обтекатели и соответственно увеличить габариты полезной нагрузки.


        Справедливо ли это и к 2.1в?
        • 0
          Роскосмос пишет: Для обеспечения устойчивости и управляемости и работы систем регулирования РН «Союз-2.1в» используется система управления с РН «Союз-2» этапа 1б с доработкой программно-математического обеспечения и изменением приборного состава.
          Аналоговых систем скорее всего вообще нигде не уже осталось. «Протон» цифровой, «Союз» (корабль) — тоже.
    • +3
      Отличная статья на Википедии, объясняющая, почему размещение двигателей сверху не прибавляет стабильности, а наоборот, даже ухудшает ее: en.wikipedia.org/wiki/Pendulum_rocket_fallacy (к сожалению, русского перевода не обнаружил). Вкратце: когда вы подвешиваете ручку на палец за крючок, палец всегда тянет ручку вертикально вверх, независимо от ее наклона и движения. Размещенные же наверху ракеты двигатели всегда имеют вектор тяги, параллельный ее вертикальной оси, и соответственнo двигающийся вместе с ракетой; таким образом, при отклонении от вертикали не происходит автоматической коррекции, как в случае с подвесом под пальцем. Вместо этого для стабилизации используется активное управление вектором тяги, а с ним всe равно, где располагать ось поворота — вверху или внизу ракеты. Весомая же причина выбора нижнего положения двигателей — так не нужны длинные топливопроводы.
    • +1
      попробуйте подкинуть авторучку щелчком пальца

      Более верной моделью будет карандаш, балансируемый на пальце (а не подбрасываемый), так как сила тяги действует постоянно, а не единичным толчком. Это случай обратного маяника, и требуемое быстродействие системы регулирования уменьшается с увеличением длины ракеты (чем длиннее карандаш, тем легче им балансировать).
  • +5
    Наконец-то легендарным «лунным» двигателям НК-33 нашлось применение в России! Очень рад за разработчиков и других, кто вложил свой труд в их производство. Приятно осознавать, что твой труд не пропал даром. Тем более, если его продукт в своем роде непревзойден.

    Вот, например, документальный фильм. Посмотрите, с каким почтением американцы относятся к этому двигателю!
  • +1
    А где можно почитать хороший обзор по текущей ракетной отрасли? Что есть и что планируется? Если есть так же информация о других странах, было бы просто превосходно.
  • 0
    Подскажите пожалуйста, какой тип топлива используется на «Волге»? Нашел информацию о том, что разработчики использовали наработки по двигателям для спутников. То есть это не керосин-кислород, надо полагать.
    • 0
      Да, насколько я слышал, там НДМГ+АТ.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.