Первая для полета человека

Мечта подняться ввысь укреплялась в людях с древних времен не только при наблюдении полетов птиц и движения облаков, но и при работе с пороховыми фейерверочными и боевыми ракетами. История сохранила сведения о нескольких попытках полета с помощью подъемной силы ракет: китайца Ван Гу около 1500 года, турка Хасана Челеби в 1632 году и американца Лоу в 1913 году. В силу несовершенства, малой эффективности и взрывоопасности двигателей на черном порохе эти попытки не увенчались успехом, а развитие воздухоплавания и авиации вообще свело их значение на нет. Идея ракетного полета становится по-настоящему популярной и актуальной лишь после появления работ К. Э. Циолковского по космонавтике. Над ее воплощением начинают работать в наиболее развитых странах. Поскольку тяга первых ЖРД была недостаточной для вертикального подъема пилота, их стали устанавливать на крылатых аппаратах — ракетопланах. Первый советский ракетоплан РП-318-1 конструкции С. П. Королева совершил успешные полеты в феврале — марте 1940 года. Это направление техники не только породило реактивную авиацию, но и дало некоторый опыт подготовки к чисто ракетному, или, точнее говоря, ракетодинамическому полету человека.

Как только появились мощные БРДД, сразу же возникли проекты их использования для подъема человека на большую высоту. Выступая на конференции по ракетным исследованиям верхних слоев атмосферы в апреле 1956 года, Королев назвал полет человека на ракете «одним из самых злободневных вопросов» и отметил, что «в настоящее время эта задача становится все более и более реальной». Вместе с тем он выразил сомнение по поводу того, «имеет ли практический смысл для исследования вертикальный подъем человека на ракете». Действительно, дальнейший ход событий показал, что от такого полета можно смело отказаться. Все, что он мог дать для развития систем жизнеобеспечения и спасения, было получено при пусках геофизических машин с животными.

Атмосферный полет человека на ракете не нес в себе чего-либо принципиально нового, а затраты и степень риска при его осуществлении были на том же уровне, что и для космического запуска, до которого оставалось не так уж долго. 17 сентября 1957 года в докладе, посвященном 100-летию со дня рождения Циолковского, Королев заявил на весь мир, что «советские ученые работают над проблемой посылки ракет на Луну и облета Луны, над проблемой полета человека на ракете». Тогда очень немногие восприняли эти слова всерьез. Ведь до запуска спутника трудно было поверить в то, что в советских конструкторских бюро уже полным ходом идет разработка проектов для исследования Луны и полета человека на орбиту.

Проектные расчеты показали, что при снабжении первой космической ракеты-носителя третьей ступенью ее возможности резко возрастают: при увеличении массы ракетных блоков всего на 6% полезный груз, выводимый на орбиту, становится в 3,5 раза больше, кроме того, это позволяет достичь второй космической скорости. Конечно, после создания мощной пятиблочной базовой ракеты задача разработки для нее дополнительного блока третьей ступени была не такой уж сложной, но и тут возникли свои проблемы.

Самым легким новый ракетный блок был бы со сферическими баками. Но тогда его диаметр получался гораздо меньше, чем у центрального блока и разрабатывавшегося пилотируемого корабля. Поиски других форм топливных вместилищ привели к разработке оригинальных баков торообразной формы, не имеющих аналогов в мировой ракетной технике. Их создание потребовало очень высокого уровня технологии, в частности штамповки и сварки, и тщательной гидравлической отработки, связанной со сложностью забора топлива.

Третья ступень должна быда работать уже практически в пустоте. По-скольку сопротивление среды там неощутимо и возмущения, действующие на ракету, ничтожны, ее можно было снабдить очень слабыми органами управления — качающимися соплами, действующими на отработавших газах привода турбонасосного агрегата. По логике действия, ЖРД верхнего блока должен был запускаться после окончания работы и отброса второй ступени. Но проектанты избрали другой способ, казалось бы, противоречащий логике. Двигатель третьей ступени включался тогда, когда еще работала вторая ступень. В результате его запуск происходил не в невесомости, а при действии перегрузки, третья ступень ни на мгновение не оставалась неуправляемой, кроме того, под действием его струи происходил отброс отработавшей второй ступени. Время выхода этого двигателя на режим полной тяги было строго согласовано со временем прекращения тяги двигателя центрального блока. В этот момент подавалась команда на раскрытие замков, соединяющих блоки между собой, и ступени надежно расходились. Принятие такой схемы разделения вызвало к жизни и еще одно оригинальное решение: сплошной дюралевый переходный отсек между ступенями был заменен ажурной стальной фермой. Струя запускаемого ЖРД ударялась в титановый отражатель, защищавший от прогара и взрыва центральный блок, и равномерно растекалась в стороны.

При полете в плотных слоях атмосферы полезный груз предохранялся от воздействия скоростного напора головным обтекателем. Он представлял собой легкую и прочную дюралевую оболочку, которая делилась вдоль на две части при открытии соединяющих их замков и отбрасывалась пружинными толкателями.

Первый полет новая ракета-носитель совершила 2 января 1959 года — она вывела на околосолнечную орбиту автоматическую межпланетную станцию «Луна-1». В том же году было произведено первое достижение поверхности Луны и фотографирование ее обратной стороны. А тем временем в КБ Королева шла упорная работа над созданием космического корабля «Восток», имя которого получила и вся ракетно-космическая система для выведения его на орбиту. В процессе решения всех научных, проектно-конструкторских, производственно-технологических, испытательских, эксплуатационных и организационных проблем, связанных с осуществлением первого в истории полета человеку на ракете, особое внимание уделялось обеспечению его безопасности ее достижению во многом способствовало то, что до исторического старта 12 апреля 1961 года ракета совершила много полетов как в двухступенчатом, так и в трехступенчатом вариантах, включая орбитальные полеты четырех кораблей-спутников с животными на борту. Как известно, все шесть полетов ракеты с легендарным космическим кораблем «Восток» прошли безукоризненно. Позднее эта машина широко применялась для запуска многих автоматических ИСЗ серий «Электрон», «Метеор», «Полет» и «Космос».

Первая межпланетная и народнохозяйственная

Ракета-носитель «Восток» успешно совершила первые старты с автоматическими станциями «Луна» и кораблями-спутниками. Казалось, что возможности дальнейшего повышения ее грузоподъемности исчерпаны. Но в это время в КБ С. П. Королева, работавшем в тесном сотрудничестве со многими научно-исследовательскими институтами Академии наук СССР и ряда отраслей промышленности, оснащенными передовой вычислительной техникой на основе новейших ЭВМ, были проведены углубленные теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию ракет. В результате появилось множество оригинальных конструктивных и технологических решений. Проектные расчеты показали, что с их использованием может быть осуществлена гораздо более совершенная третья ступень для космической ракеты-носителя, чем созданная для «Востока». При этом оказывалось возможным вывести на орбиту полезный груз более 6 т. В отличие от прежней, третьей, ступени, называвшейся ракетным блоком Е, новая стала обозначаться как блок И. Благодаря примененным сферическим бакам, имеющим наименьший вес на единицу объема, при том же диаметре, что и у блока Е, и вдвое большей длине, на блоке И удалось запасти в 4 раза больше топлива. Это позволило увеличить массу полезного груза на 25%. Казалось бы, не такой уж большой выигрыш, но именно этой части массы не хватало, чтобы поставить на ракету еще одну — четвертую ступень, обеспечивающую запуск космических аппаратов с промежуточной орбиты. Применение тяжелой третьей ступени потребовало Некоторого упрочнения и утяжеления конструкции центрального и боковых блоков. На третью ступень пришлось установить более мощный четырехкамерный ЖРД. Но все это окупалось новыми возможностями, открывавшимися перед отечественной космонавтикой, благодаря возможности старта с орбиты ИСЗ, выгодность чего была обоснована еще К. Э. Циолковским. Так, запуски на Луну уже можно было производить не в строго ограниченные даты, а практически в любые сутки, и масса, которой сообщалась вторая космическая скорость, увеличивалась почти в 5 раз. А это позволяло запускать гораздо более оснащенные автоматические станции, снабженные собственной двигательной установкой и аппаратурой для коррекции траектории. Для таких станций становилась реальной задача полета не только к Луне, но и к Венере и Марсу. Применение орбитальной ступени давало также возможность выводить спутники большого веса на гораздо более разнообразные по местоположению и высоте перигея и апогея орбиты, что открывало широкие перспективы применения ИСЗ в народном хозяйстве.

Здесь наиболее заманчивой была идея создания спутника — ретранслятора телепередач. Такой спутник, выведенный на стационарную орбиту над экватором, мог бы обеспечить радиотелесвязь почти на всю страну. Но баллистический анализ показал, что из-за слишком большого удаления территории СССР от экватора масса, которую сможет вывести на стационарную орбиту новая ракета, все-таки далеко не достаточна для создания спутника связи. И тогда появился проект «Молния». Молодые инженеры из КБ Королева предложили вместо одного стационарного запустить три высокоапогейных спутника.

Сменяя друг друга, они могли обеспечить круглосуточную связь Москвы с любой точкой северного полушария при условии очень точного выведения их сначала на промежуточную орбиту с перигеем 200 км и апогеем 500 км, лежащим в южном полушарии. В точке апогея через 50 мин после выхода на орбиту должен был включаться ЖРД четвертой ступени, который увеличивал скорость спутника на 2500 м/с и доводил его апогей, уже над северным полушарием, до требуемых 40 тыс. км, что обеспечивало его радиовидимость там в течение 8 —10 ч. Следующие два спутника должны были запускаться на такую же орбиту через каждые 8 ч так, чтобы большие оси их орбит оказались бы развернуты друг относительно друга на 120°. Новая ракета-носитель обеспечила выполнение всех этих сложных требований при достаточно большой массе спутника, позволявшей установить на нем не только мощную и надежную ретрансляционную аппаратуру, но и корректирующую двигательную установку для длительного поддержания исходной орбиты, несмотря на сильное возмущающее воздействие Луны и Солнца.

Поскольку спутники «Молния» составили большую часть полезных грузов, выводимых четырехступенчатой ракетой-носителем, ей и было присвоено это же название. Наиболее сложной проблемой ее создания было обеспечение запуска ЖРД четвертой ступени при старте с промежуточной орбиты в условиях невесомости. Ракетный блок этой ступени — блок Л — имел конструкцию, подобную блоку Е ракеты «Восток». Он, как и остальные блоки королевских ракет-носителей, работал на жидком кислороде и керосине. Так как до момента запуска блок должен был находиться более или менее длительное время (в зависимости от цели полета) в условиях космического пространства, он весь был надежно теплоизолирован. А это потребовало укрыть его вместе с полезным грузом от скоростного напора воздуха (при взлете) под головной обтекатель, сбрасываемый в начале работы второй ступени. Для максимального использования полезного пространства под обтекателем на блоке были применены баки кольцевой (торовой) формы, между которыми устанавливались приборы автономной системы управления полетом ракеты на участках третьей и четвертой ступеней. Блок Л устанавливался на блоке И с помощью переходной фермы, на которой монтировалась система стабилизации ракеты на безмоторном («пунктирном») участке полета после отделения от третьей ступени. На этой же ферме были укреплены четыре твердотопливных ракетных двигателя, обеспечивавших начальную осевую перегрузку, необходимую для запуска ЖРД четвертой ступени в условиях невесомости. После выхода ЖРД на режим дальнейшая стабилизация ступени обеспечивалась его работой, и ферма, ставшая ненужным балластом, отделялась. А после достижения расчетной скорости и выключения ЖРД опустевший ракетный блок отделялся от полезного груза.

Первый старт ракета-носитель «Молния» приняла 4 февраля 1961 года, когда была опробована работа блока и на орбиту вышел седьмой советский ИСЗ с рекордной для того времени массой 6483 кг. 12 февраля был произведен первый успешный старт с промежуточной орбиты ИСЗ, и в далекое путешествие отправилась автоматическая межпланетная станция «Венера». Затем ракетно-космическая система «Молния» применялась для запуска еще шести АМС «Венера», трех — «Зонд», десяти — «Луна», одной — «Марс» и нескольких десятков спутников связи «Молния-1».

По программе «Космос»

Первый прорыв в космос, осуществленный с помощью мощных ракет-носителей (РН) «Спутник», «Восток» и «Молния» в 1957—1961 годах и положивший основы всем ведущим направлениям космонавтики, дал нашим ученым богатейший исходный материал для выработки долгосрочной программы космических исследований. Та ее часть, которая должна была вестись автоматическими ИСЗ на околоземной орбите, получила наименование программы «Космос». В процессе ее разработки стало очевидно, что во многих случаях по этой программе целесообразно запускать не тяжелые и сложные космические лаборатории, оснащенные, подобно третьему советскому ИСЗ, большим комплексом самых разнообразных приборов, а сравнительно простые и легкие малые спутники, несущие аппаратуру для решения узкого круга научных проблем. При этом значительно облегчалась задача разработки спутника, отпадали трудности взаимной увязки сроков создания и расположения на нем приборов, времени их действия в полете и передачи полученных данных на Землю. Для спутника специального назначения было гораздо проще выбрать оптимальную траекторию полета и обеспечить требующуюся ориентацию относительно объекта исследования. Все это сулило большой экономический эффект, особенно с учетом того, что малые спутники легко было унифицировать по конструкции корпуса и обслуживающих систем. Но получить этот эффект можно было только в том случае, если бы для их запуска была разработана достаточно простая и дешевая РН.

Предварительный анализ показал, что такую машину, получившую, как и вся программа, название РН «Космос», можно создать на базе ракеты конструкции М. К. Янгеля. Она создавалась позже ракет С. П. Королева и сочетала в себе грузоподъемность и высокие летные характеристики ракеты В-5 с удобством в эксплуатации ракеты В-11. Так же как и последняя, она работала на высококипящем топливе: азотной кислоте и углеводородном горючем типа керосина. Мощный ЖРД для этой ракеты был создан конструкторским бюро В. П. Глушко.

По схеме он был близок к двигателям РН «Спутник», с которыми разрабатывался почти одновременно. Он состоял из четырех неподвижных камер высокого давления с центробежными насосами и турбиной, вращаемой продуктами разложения перекиси водорода. Для управления ракетой использовались не рулевые двигатели, а газовые рули из жаропрочного материала на основе графита. Поскольку из условий технологической преемственности ракета имела тот же диаметр баков, что и В-5, а сопла четырехкамерного двигателя не вписывались в этот размер, ее хвостовой отсек был снабжен расширяющейся конической юбкой.

Летные испытания этой ракеты — первенца нового конструкторского коллектива, большая часть которого были комсомольцы, пришедшие к Янгелю прямо с вузовской скамьи, начались 22 июня 1957 года. За последующие годы машина прошла всестороннюю отработку и была доведена до высокой степени надежности. Поэтому ее почти без изменений и решили использовать в качестве первой ступени новой РН, несмотря на то, что у нее был ощутимый недостаток: сравнительно низкий удельный импульс (почти на 20% меньше, чем у кислородных ЖРД ракеты «Спутник»). Этот недостаток скомпенсировали за счет создания второй ступени с максимально высокими энергетическими и весовыми характеристиками.

Ракетный блок второй ступени РН «Космос» и его двигатель, созданные советской промышленностью, явились подлинными шедеврами, превосходившими в то время все мировые достижения в ракетостроении. Вторая ступень работала на жидком кислороде и новом высокоэффективном горючем — несимметричном диметилгидразине, синтезированном химиками для космических двигателей. Ее ЖРД РД-119 конструкции В. П. Глушко имел одну небольшую цилиндрическую камеру сгорания и огромное сопло, обеспечивавшее расширение истекающих из камеры газов в 1350 раз. Достижению высокого удельного импульса способствовало и то, что для привода турбины использовались газообразные продукты разложения основного горючего, а не перекиси водорода. Отработав на турбине, они выбрасывались за борт ракеты через систему неподвижных рулевых сопел. Управляющие моменты для стабилизации и ориентации второй ступени создавались путем изменения расхода газов через то или иное сопло с помощью газораспределителей с электроприводами, как на блоке Е ракеты «Восток». Соединение ступеней и их разделение с использованием переходной фермы и огневого отражателя были осуществлены по «горячей» схеме, изобретенной для второй и третьей ступеней «Востока».

16 марта 1962 года РН «Космос» впервые вывела спутник на около-земную орбиту. По конструкции «Космос-1» напоминал первый наш ИСЗ ПС-1. Но, несмотря на свою простоту, он открыл дорогу самому многочисленному в мире семейству разнообразных научно-исследовательских автоматических спутников, большая часть которых в течение многих лет запускалась с помощью этой же ракеты. И когда семь лет спустя встал вопрос о носителе для спутников, создаваемых по программе «Интеркосмос», ученые социалистических стран единодушно решили использовать и для этой программы ту же надежную и экономичную ракету. В новой роли РН, отличающаяся от прежней рядом усовершенствованных систем и агрегатов, успешно выступила 14 октября 1969 года, когда вывела на орбиту ИСЗ «Интеркосмос-1». Затем она доставила на орбиты еще ряд спутников «Интеркосмос», а также советско-французские ИСЗ «Ореол» и индийские ИСЗ «Ариабата» и «Бхаскара». 12 октября 1967 года с ее помощью был осуществлен чрезвычайно интересный эксперимент по запуску «Вертикального космического зонда» (ВКЗ). Этот аппарат с весом научной аппаратуры 35 кг был поднят на высоту 4400 км. При этом по всей траектории зондирования были получены основные характеристики стратосферы, ионосферы и околоземного космического пространства, включая данные о концентрации электронов и положительных ионов, температуре электронов, плотности нейтрального водорода, а также об общей интенсивности космических лучей и дозах радиации под различными защитами во время пролета поясов радиации. Запуски ВКЗ существенно дополнили сведения о строении атмосферы и заатмосферной среды.

В настоящее время по программе «Космос» создано целое семейство двух-, трех- и четырехступенчатых РН различной грузоподъемности.

Коллектив, воспитанный академиком М. К. Янгелем, достойно продолжает начатое им дело, постоянно помня его слова: «То, что нами создано, было хорошим, может, даже наилучшим на момент, когда мы начинали это хорошее создавать. Но наша техника развивается так быстро, что сейчас термин «самое хорошее», «самое лучшее» уже не имеет под собой объективного обоснования.

Государством вложено очень много средств в производство и обеспечение использования ракет-носителей. Поэтому перед нами, я имею в виду и наших смежников, стоит непреложная задача номер один — всеми силами и средствами поддерживать и совершенствовать созданное нами».

Для рейсов «Земля - орбита»

Опыт первых полетов человека в космос на кораблях серии «Восток», исходные результаты медико-биологических исследований на орбите и главный из них: человек может жить, мыслить, работать в условиях космического полета может адаптироваться к длительной' невесомости — имели неоценимое значение для развития всей дальнейшей программы исследования и освоения внеземного пространства. «Безграничный космический океан станет в ближайшие годы одной из самых крупных областей приложения новейших человеческих познаний в различных областях науки и техники для того, чтобы люди в космосе могли надежно и безопасно работать и отдыхать», — писал академик С. П. Королев. Под его руководством на основе экспериментальных ракет-носителей и космических кораблей уже с 1962 года начала создаваться серийная унифицированная ракетно-космическая система «Союз», которая должна была обеспечить не отдельные героические прорывы в космос, а его планомерное обживание как новой сферы обитания и производственной деятельности. При разработке системы «Союз» основные усилия были сосредоточены на создании принципиально нового по конструктивной схеме многоместного космического корабля, который должен был обеспечить человеку гораздо более длительное пребывание в космосе и намного лучшие условия на всех участках полета от старта до посадки при относительна небольшом увеличении массы и размеров по сравнению с первенцем космического флота — кораблем «Восток». Достижения ракетостроения, воплощенные в конструкцию носителей «Спутник», «Восток» и «Молния», позволяли создать на той же проектно-конструктдрской и производственной базе и РН для «Союза», обеспечить ее максимальную грузоподъемность при существенном увеличении надежности и экономичности, что особенно важно для серийной машины.

При создании ракеты-носителя «Союз» были взяты три первые ступени РН «Молния», доработанные в соответствии с нормами прочности и основными положениями по повышению надежности пилотируемых ракетно-космических систем, впервые введенными по инициативе Главного конструктора при подготовке полета Ю. А. Гагарина. Конструкция центрального ракетного блока (блока А), боковых блоков (Б, В, Г, Д) и блока третьей ступени (И), зарекомендовавших свою работоспособность, не претерпела никаких принципиальных изменений, кроме необходимого упрочнения наиболее нагруженных элементов. Зато головная часть ракеты была создана совершенно заново. Это было вызвано единственным требованием обеспечить спасение космонавтов при аварии РН на стартовой площадке и атмосферном участке полета.

В случае отказа ракеты, еще не израсходовавшей огромной массы заправленных в нее жидкого кислорода ри керосина, необходимо было мгновенно увести космонавтов от очага неизбежно следующего за аварией пожара и взрыва на расстояние, c которого возможен спуск на парашюте в безопасное место. На одноместном корабле «Восток» для этого, как и в процессе штатного возвращения на Землю, космонавт в скафандре катапультировался из спускаемого аппарата (СА) с помощью кресла, снабженного ракетными двигателями.

Но если бы «Союз» снабдили тремя катапультируемыми креслами, тремя скафандрами и тремя отстреливаемыми люками, то не осталось бы массы и места для его оснащения новыми техническими и научно-исследовательскими системами и для рассчитанных на долгий полет запасов воздуха, воды, пищи и рабочих компонентов. Поэтому решено было применить единую систему аварийного спасения (САС) экипажа, способную осуществить увод от ракеты и спасение всего СА, снабженного основной и запасной парашютными системами и двигателями мягкой посадки.

Корабль «Союз», конструкция которого была рассчитана на работу в безвоздушном пространстве, как и другие космические аппараты, устанавливался на ракете под обтекателем, а СА располагался в его средней части. Поскольку отвести от ракеты только спускаемый аппарат было очень сложно, приняли следующую конструкцию САС. В носовой части ракеты монтировалась аварийная двигательная установка, состоящая из твердотопливных ракетных двигателей трех типов. Непосредственно на головном обтекателе устанавливался основной двигатель, включающийся в случае аварии и быстро отводящий верхнюю часть головного обтекателя с бытовым отсеком и СА корабля от ракеты. 12 сопел этого мощного двигателя расположены по кругу в его верхней части и развернуты под углом 30° от продольной оси. Над ними находится небольшой обтекатель в виде полусферы, под которым спрятаны четыре двигателя управления. Они включаются вслед за основным, обеспечивая разворот и увод спасаемой части в сторону от опасной зоны. Еще выше находится двигатель разделения, который, включаясь последним, обеспечивает отделение головного обтекателя и его увод от СА. После этого вводится основной парашют и СА совершает спуск и мягкую посадку, как при возвращении из штатного полета. Для того чтобы движение спасаемой конструкции происходило устойчиво в требуемом направлении, верхняя часть головного обтекателя снабжена стабилизатором, состоящим из четырех решетчатых крыльев, обычно прижатых к оболочке обтекателя, а при аварии становящихся перпендикулярно к направлению полета. Для этой же цели служит и балансировочный груз, установленный над соплами двигателя разделения на самом конце ракеты. В штатном полете вся двигательная установка САС уводится в сторону от траектории полета перед отделением обтекателя, а сам он сбрасывается так же, как, на РН «Восток».

Поскольку работа над кораблем «Союз» была очень сложной и требовала длительного времени и для ее завершения было желательно иметь опыт полетов многоместных кораблей и выхода человека в открытое космическое пространство, было принято решение о создании на базе «Востока» экспериментальных кораблей «Восход».

Ракета-носитель «Союз» совершила первый полет 16 ноября 1963 года. Тогда с ее помощью был выведен на орбиту тяжелый автоматический ИСЗ «Космос-22». Затем последовали запуски еще нескольких спутников серии «Космос», а 12 октября 1964 года и 18 марта 1965 года были выполнены, исторические полеты кораблей «Восход» и «Восход-2». 22 февраля 1966 года, на орбиту был выведен биоспутник «Космос-110», на борту которого две собаки и другие биологические объекты совершили 22-суточный полет в условиях повышенной радиации. При всех этих полетах ракета еще не была снабжена двигателями САС.

В полном составе РН «Союз» совершила первый старт 23 апреля 1962 года, когда ушел в свой бессмертный полет летчик-космонавт СССР В. М. Комаров. С тех. пор она вывела на орбиту 40 кораблей «Союз» и 4 корабля «Союз Т» (причем 41 их полет был пилотируемым), 12 грузовых кораблей «Прогресс» и несколько десятков автоматических геофизических, астрофизических, биологических и экспериментально-технических спутников серии «Космос».

Юрий Бирюков
инженер