Страсти по «Протону»

    Созданная более четверти века назад ракета-носитель (РН) "Протон" до сих пор остается одной из самых мощных, совершенных и надежных в мире. За 20 лет эксплуатации с ее помощью на орбиты выведено большое количество разнообразных аппаратов, в том числе космические станции серии "Салют", "Алмаз" и "Мир", транспортные корабли снабжения и модули, а также запущено несколько тяжелых спутников серии "Космос" и межпланетных станций к Луне, Венере, Марсу. Кроме того, это пока единственная ракета, которая у нас выводит спутники на геостационарную орбиту.

    Политическое и военное руководство страны в начале 60-х годов решило, что СССР должен иметь тяжелую межконтинентальную баллистическую ракету (МБР), способную нести боеголовку с тротиловым эквивалентом в десятки, а то и сотни мегатонн. Не будем оценивать сам факт необходимости "большой дубины". Наша цель - рассказать об этой ракете, ставшей впоследствии "Протоном".

    Предварительные работы по проекту новой баллистической ракеты, получившей наименование УР-500, были начаты в 1961 году в ОКБ-52 Государственного комитета по авиационной технике по инициативе и под руководством Генерального конструктора Владимира Николаевича Челомея. Это конструкторское бюро, осваивавшее новую для себя технику, начинало с разработки крылатых ракет. Общую стратегию проектирования осуществляло головное предприятие, разработкой МБР занимался филиал № 1 ОКБ-52, который возглавлял главный конструктор Виктор Николаевич Бугайский, а изготовлением - приданный филиалу Машиностроительный завод имени М.В. Хруничева. Филиал до осени 1960-го был самостоятельным предприятием авиационного профиля и имел наименование ОКБ-23. До слияния с "фирмой" Челомея им руководил видный советский авиаконструктор Владимир Михайлович Мясищев. ОКБ-23 имело опыт создания тяжелых самолетов-бомбардировщиков и вело эскизно-проектные проработки ракетно-космических аппаратов. Этим и обусловливалось быстрое и качественное освоение новой техники филиалом № 1 ОКБ-52.

    Как и большинство мощных стратегических ракет с ЖРД, новая МБР строилась по двухступенчатой схеме с последовательным их расположением. Исходя из необходимости выведения в будущем тяжелых полезных нагрузок (ПН) на околоземную орбиту, практически одновременно с МБР УР-500, для которой уже проектировались пусковые шахты, предполагалось создать ее трехступенчатую модификацию для использования в варианте ракеты-носителя.

    Для ускорения работ решили использовать в качестве верхних ступеней модифицированный вариант ранее спроектированной в ОКБ-52 стратегической ракеты УР-200, сходной по возможностям с МБР Р-9 С. Королева. Основной задачей стал выбор конструктивно-компоновочной схемы и проектных характеристик первой ступени. Решение "подвести" под существующую ракету новую стартовую ступень для увеличения забрасываемой массы представлялось вполне логичным: так поступили в то время американцы, предлагая оснастить двухступенчатую МБР "Титан" навесными твердотопливными ускорителями или мощной первой ступенью с ЖРД. Первый вариант был реализован в проекте носителя "Титан-3", а на основе второго получили "Сатурн-1". В. Челомей в своих изысканиях шел дальше: на базе МБР УР-500 примерно таким же способом он предполагал создать сверхмощную РН УР-700.

    Главным ведущим конструктором темы был назначен Павел Альбертович Ивенсен. В 1962 году эту должность занял Юрий Николаевич Труфанов, затем - Дмитрий Алексеевич Полухин, ставший впоследствии Генеральным конструктором КБ "Салют". Ведущим конструктором проекта был Виталий Андреевич Выродов.

    На ракете предполагалось использовать высококипящее долгохранимое топливо. Его компоненты очень токсичны, но допускают эксплуатацию в широком диапазоне температур окружающей среды, позволяют увеличить время нахождения в заправленном состоянии без применения термостатирования, которое необходимо для изделий на безвредном криогенном топливе, уменьшить период предстартовой подготовки. То, что компоненты топлива (окислитель - тетраксид азота, горючее - несимметричный диметил-гидразин) являются самовоспламеняющимися, позволяло упростить двигательную установку и увеличить ее надежность. Однако следует учесть, что к моменту начала разработки МБР УР-500 двигателей требуемой тяги, работающих на выбранных компонентах, в СССР еще не было.

    В ноябре 1961 года группа сотрудников филиала № 1 посетила ОКБ-456, где под руководством главного конструктора В. Глушко велись проектные проработки ЖРД РД-253 необходимой тяги. Это тот двигатель, который не взял для ракеты Н-1 С. Королев, потому что он работал на токсичных компонентах и не обеспечивал необходимого удельного импульса. Челомей договорился с Глушко о том, что после некоторой переделки РД-253 пойдет на первую ступень ракеты УР-500.

    Постановление Совета Министров СССР о создании новой ракеты вышло 29 апреля 1962 года. На разработку отводилось три года. В мае 1962-го приняли окончательную конструктивно-компоновочную схему. Предусматривалась возможность поблочной транспортировки ракеты с завода-изготовителя на стартовый комплекс по железной дороге, из-за чего появились ограничения на размеры блоков. Именно в габариты стандартных железнодорожных платформ и проездов пришлось проектантам "вписывать" ступени. По совокупности различных условий "победила" многоблочная компоновка первой ступени с оригинальным расположением баков-блоков.

    Ступень включала большой центральный блок с баком окислителя, воспринимавший нагрузки от тяги двигателей и от веса последующих ступеней с ПН; по бокам к нему в верхних и нижних точках навешены шесть блоков-баков горючего, воспринимавшие нагрузки только от собственного веса. Снизу к центральному блоку на силовой раме монтировались ЖРД, а сверху через решетчатый переходник устанавливалась вторая ступень, представлявшая собой моноблок, состоящий из двигательного и бокового отсеков (баки окислителя и горючего имеют общее разделительное днище). В верхней части второй ступени могли быть установлены либо приборный отсек и ПН, либо третья ступень с приборным отсеком и ПН.

    В качестве полезных нагрузок для ракет-носителей на базе тяжелой МБР В. Челомей рассматривал широкий спектр космических аппаратов (КА), предназначенных для решения оборонных, научно-исследовательских и народнохозяйственных задач. Некоторые из них начали разрабатывать на головном предприятии ОКБ-52 практически параллельно с ракетой УР-500. Наиболее сложным оказалось проектирование корабля ЛК-1 для пилотируемого облета Луны, аванпроект которого был подписан Генеральным конструктором в августе 1964 года. Для его запуска предполагалось использовать трехступенчатый вариант ракеты УР-500 с дополнительным разгонным блоком.

    Основные проектно-технологические задачи создания ракеты были решены к концу года. В начале же осени, во время визита на космодром Байконур политического руководства страны, В. Челомей не без гордости продемонстрировал Н. Хрущеву полноразмерный макет УР-500, установленный на пусковом столе вновь созданного стартового комплекса. Премьер остался доволен мощной ракетой.

    Казалось бы, для "пятисотки" все складывалось как нельзя лучше. Однако уже к исходу октября, после отставки Хрущева, отношение руководства страны к "фирме" В. Челомея резко изменилось. В ОКБ-52 направили различные проверяющие комиссии, которым предписывалось рассмотреть актуальность некоторых работ предприятия. Председателем одной из них был назначен академик М. Келдыш. Эта группа приняла решение о прекращении работ по стратегической ракете УР-200 ввиду того, что та по своим характеристикам уступала ракете Р-16 М. Янгеля, которую к тому времени уже приняли на вооружение. Такая же участь ждала УР-500, так как военная доктрина страны постепенно менялась и сверхмощная МБР стала не нужна. Однако благодаря твердой и настойчивой позиции М. Келдыша, который поддержал В. Челомея, эту ракету удалось отстоять, но теперь уже в новом качестве - не как боевую, а как носитель для космических аппаратов.

    Заниматься ракетно-космической тематикой ОКБ-52 разрешили. Под одну из программ - пилотируемого облета Луны - были выделены средства, позволявшие разработать трехступенчатый вариант носителя, получивший название УР-500К. Решающее слово в пользу носителя на базе тяжелой МБР должен был сказать его первый старт, и Челомей начал подготовку к запуску УР-500. КБ Н. Пилюгина в кратчайшие сроки подготовило новую программу полета, так как в качестве ПН устанавливался искусственный спутник для изучения космических лучей, разработанный в головной организации ОКБ-52.

    Старт состоялся 16 июля 1965 года. Выведение прошло успешно, и тяжелый научно-исследовательский ИСЗ "Протон-1" оказался на орбите. Летные испытания двухступенчатого варианта РН закончились через год. В результате четырех пусков вывели три ИСЗ серии "Протон" (третий запуск 24 марта 1965-го был неудачен из-за аварии второй ступени РН). Масса ПН (с учетом служебного оборудования, установленного на второй ступени РН) составляла не менее 12,2 т, из которых 3,5 т приходились на научное оборудование. Однако в полной мере грузоподъемность носителя, названного "Протоном", должна была проявиться при запуске его трехступенчатого варианта.

    Третья ступень фактически представляла собой укороченный вариант второй, и на ней стоял один ЖРД вместо четырех. Все основные ЖРД ракеты УР-500К строились по высокоэффективной замкнутой схеме с большим давлением в камерах сгорания и устанавливались на шарнирном подвесе для изменения вектора тяги. Кроме того, для управления по крену на третьей ступени стоял небольшой четырехкамерный ЖРД открытой схемы.

    Новая ступень была спроектирована. Но при разработке лунного облетного корабля у ОКБ-52 возникли проблемы. Руководство отрасли это насторожило, и оно усомнилось в возможности его создания к сроку только силами КБ В. Челомея и поручило представить альтернативный вариант проекта королевскому ОКБ-1. Сергей Павлович неоднозначно относился к УР-500, однако отдавал должное ее достоинствам.

    8 сентября 1965 года он представил несколько вариантов использования этой ракеты для облета Луны. Один из них предусматривал запуск с помощью "пятисотки" и разгонного блока "Д" (создаваемого для лунного комплекса Н1-ЛЗ) облегченного двухместного корабля "Союз", работы по которому в ОКБ-1 к тому времени подошли к стадии изготовления опытных образцов. Проект, получивший название УР-500К - Л-1, начали осуществлять.

    Уже с первых пусков беспилотных Л-1 "пятисотка" испытывалась в четырехступенчатом варианте: блок "Д" первый раз включался еще на участке выведения ПН на базовую околоземную орбиту, поэтому мог считаться и разгонным блоком корабля, и четвертой ступенью РН.

    В рамках облетной программы с 10 марта 1967 года по 20 октября 1970-го произвели 11 пусков УР-500К с разгонным блоком "Д" и кораблем Л-1 в беспилотном варианте ("Зонд"). Однако в целом на программу было выдано отрицательное заключение из-за недостаточной надежности систем как носителя, так и корабля: только полет "Зонда-7" признали полностью успешным. Частично успешными были пять запусков, остальные пять - неудачными. Причинами в 60% случаев являлись аварии РН, в 20% - отказы систем блока "Д" и в 20% - систем корабля.

    Таким образом, общая вероятность совершения облета Луны и приземления на территории Советского Союза составила не более 9%. Продолжение программы Л-1 сочли нецелесообразным, так как американцы уже не только облетели Луну, но и выполнили посадку на нее.

    Вот так не очень-то удачно поначалу складывалась "карьера" "Протона". Как говорят испытатели, ракета "набирала статистику". При этом разгонный блок "Д" прочно "прижился" к УР-500К. Параллельно с полетами по программе Л-1 носитель стал использоваться для пусков к Луне и планетам автоматических станций нового поколения. Так частично "реабилитировали" нашу программу, представленную мировой общественности как программу запуска автоматов серии "Луна". Они доставили на Землю образцы грунта с нашего естественного спутника, а два "лунохода" снабдили ученых большим объемом информации о его рельефе и "дорожных условиях".

    По сравнению с четырехступенчатым вариантом королевской "семерки" (РН "Молния") "пятисотка" имела более чем трехкратное преимущество по массе ПН, выводимой на отлетные траектории (при полетах к другим планетам). Двигатель разгонного блока мог многократно включаться в космосе, что сделало возможным с марта 1974 года использовать "Протон" для выведения спутников на геостационарную орбиту. С тех пор большинство пусков УР-500К приходится именно на ее четырехступенчатый вариант - с блоком "Д", а с 1976 года - с блоком "ДМ", позволяющим доставить на стационарную орбиту КА массой более 2300 кг. Это существенно больше возможностей американской РН "Титан-3" аналогичного класса.

    В конце 60-х проектанты из ОКБ-52 предлагали сделать на основе стандартной "пятисотки" новый носитель, способный выводить на отлетные траектории и на геостационарную орбиту ПН существенно большей массы. Для этого предполагалось заменить кислородно-керосиновый блок "Д" на более высокоэнергетический. Академик В. Глушко предложил двигатель РД-301, работавший на жидких фторе и аммиаке и по удельному импульсу приближавшийся к кислородно-водородным ЖРД. Главным его недостатком была чрезвычайно высокая токсичность используемых компонентов. Тем не менее наземные испытания новый двигатель прошел в полном объеме и даже получил сертификат на возможность использования в составе ракеты-носителя.

    В ОКБ-52 предложили оснастить связкой из четырех РД-301 третью ступень "Протона", что почти в полтора раза увеличивало массу ПН, выводимую на низкую околоземную орбиту. Работы по подготовке одного из двух стартовых комплексов к заправке верхних ступеней новыми компонентами топлива были в самом разгаре, когда специалисты и руководство смогли наконец понять, какой урон окружающей среде могла нанести даже не авария "Протона" с такой ступенью, а просто утечка топлива, которой, как показала практика, трудно избежать. Работы по фтороводородным блокам закрыли.

    Интересно отметить, что аналогичные попытки использовать фтор в качестве окислителя для ракет-носителей и КА, проводившиеся немного ранее в США, также были прекращены в основном по аналогичным причинам.

    После отмены программы создания сверхмощной ракеты-носителя Н-1 на складах куйбышевского НПО "Труд" осталось большое количество кислородно-керосиновых двигателей разработки Н. Кузнецова, по тяге примерно соответствовавших ЖРД В. Глушко и С. Косберга, установленным на трех нижних ступенях "Протона". В. Челомей счел целесообразным использовать эти двигатели на новом, экологически чистом варианте "пятисотки". Такое же предложение было выдано ЦНИИ машиностроения. Более высокий удельный импульс кузнецовских двигателей позволял резко увеличить грузоподъемность носителя. Однако замена компонентов топлива требовала коренной модернизации не только самой ракеты, но и всей наземной базы, включая стартовый комплекс. Эти предложения тогда не поддержали.

    Во второй половине 70-х годов специалисты ОКБ-52 предлагали еще один вариант экологически чистой двухступенчатой РН. Первая ступень оснащалась двигателями Кузнецова, а на второй устанавливался один ЖРД РД-0120. Этот мощный кислородно-водородный двигатель воронежское КБ "Химавтоматика" ("фирма" С. Косберга) делало для второй ступени носителя "Энергия", программа создания которого была объявлена приоритетной в масштабах страны. И хотя предлагаемая соратниками В. Челомея ракета по расчету имела гораздо более высокую надежность, чем "Протон", при почти вдвое большей грузоподъемности, руководству страны было не до нее. А зря: если бы параллельно с "Зенитом" (РН на базе бокового ускорителя ракеты "Энергия" грузоподъемностью 13,4 т) и "Энергией" (грузоподъемностью 102 т) в СССР создавалась эта модификация "пятисотки", оказалась бы заполнена ниша ПН массой от 20 до 40 т. Установив на "Протон" с водородной второй ступенью разгонный блок, работающий на том же криогенном топливе, при сравнительно небольших расходах на модификацию, разработчики получили бы надежную трехступенчатую ракету, способную вывести на геостационарную орбиту ПН массой 5,7- 7,6 т. Такого носителя ни тогда, ни сейчас за рубежом не было и нет. РН такого класса ("Ариан-5" и "Титан-4"-"Центавр") должны появиться только в середине 90-х годов.

    Сейчас, в пору "разброда и шатаний" в нашей космонавтике, в КБ "Салют" (правопреемник филиала № 1 ОКБ-52) продолжают проводиться проектно-конструкторские работы, направленные на совершенствование "Протона". Естественно, планы не столь величественны, как ранее, - они напрямую зависят от ассигнований. Предполагается более точно приземлять очищенные от несгоревшего топлива остатки (части) первых ступеней, примерно на 13% за счет форсирования двигателей увеличить грузоподъемность ракеты. До недавнего времени велась разработка нового кислородно-водородного разгонного блока, почти в два раза увеличивающего массу ПН на геостационарной орбите. Предлагаемая модернизация "пятисотки" сделает ее более экологически чистой и надежной, увеличит мощность, снизит удельную стоимость выведения и позволит космическому труженику "Протону" уверенно войти в XXI век.

   

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
«ПРОТОН» И «ТИТАН-IIIС»

Характеристики	«Протон»	«Титан-IIIС»
Стартовая масса РН, т	687	628
Масса ПН при выведении, т:
- на низкую околоземную орбиту	19,8	13,1
- на отлетную траекторию	5,7	3,3
- на геостационарную	2,2	1,4
Габариты РН, м:
- высота	54,84	37,9
- поперечный размер	7,4	9,8
ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ
Число и тип двигателей	6 ЖРД	2 РДТТ
Длина ступени, м	21,07	26,20
Диаметр корпуса блока, м	7,40	3,05
Тяга двигателей на Земле, тс	6х151	2х544
Время работы двигателей, с	127	110
ВТОРАЯ СТУПЕНЬ
Длина ступени, м	14,56	21,60
Диаметр корпуса ступени, м	4,10	3,05
Тяга двигателей в пустоте, тс	4х58,4	2х115
Время работы двигателей, с	210	158
ТРЕТЬЯ СТУПЕНЬ
Длина ступени, м	6,52	8,25
Диаметр корпуса ступени, м	4,10	3,05
Тяга двигателей в пустоте, тс	58,8+3,0	45,4
Время работы двигателей, с	241	204
Год начала разработки	1961	1961
Дата начала летных испытаний	16.07.65 г.	18.06.65 г.
Год принятия в эксплуатацию	1970	1968

   

    В настоящее время в эксплуатации находятся новые варианты обеих ракет-носителей, обладающих более высокими тактико-техническими характеристиками.