Гонка королева за космос

Космические гонки XX и XXI века, часть 2: несбывшаяся мечта Королева

статья выходного дня

Официально СССР не участвовал в лунной гонке, и внешне получилось так, что США соревновались сами с собой. Потребовалось зачем-то американцам полететь на Луну? — ну и пусть летят, мы посмотрим на то, что у них получится. На деле в лунную гонку — как гонку автоматов, так и пилотируемую — вкладывались значительные средства. Но докладывать об этом предполагалось только по мере получения значимых результатов.

Параллельно с лунной гонкой шло постепенное рассекречивание космоса. Уже в энциклопедии «Космонавтика» 1971 года можно было увидеть реалистичные схемы космических аппаратов и прочитать про программу «Зонд», из которой можно было сделать однозначный вывод — пилотируемая лунная программа СССР существует! Но всего по-прежнему не говорили. И только в ходе перестройки 80-х годов мы смогли познакомиться с советской лунной программой во всех деталях.

А застрельщиком советской лунной программы был Сергей Павлович Королев, для которого полет вокруг Земли был только первым шагом перед освоением планет Солнечной системы. Уже в 1959 году он прорабатывал планы полета человека на Луну и Марс — и уже в начале 60-х годов специалисты знали в подробностях, как мы можем туда полететь. Рассматривалось несколько вариантов осуществления космических экспедиций. Компетенция руководителя ОКБ-1 была вне всяких сомнений, и ему не составляло труда вовлечь руководство страны в свои далеко идущие планы. Это было золотое время осуществления самых дерзких мечтаний, когда вся промышленность страны Совета работала на единую цель, и успех зависел только от работы конструкторов, инженеров и технологов. До Луны было рукой подать и на Марсе собирались садить яблони.

Почему Луна стала космическим камнем преткновения?

Итак, Луна — самое близкое к Земле небесное тело, на которое надо было добраться после освоения околоземной орбиты. И вернуться. Если бы мы были марсианами (по гипотезе панспермии так оно и есть), то полет на ближайшее к Марсу небесное тело — спутник Фобос был бы достаточно простой задачей. Фобос маленький и близкий к своей планете. Другое дело — Луна.

Схему экспедиции на Луну создал советский ученый украинского происхождения Юрий Васильевич Кондратюк. Как водится в то время, он был арестован по подозрению во вредительстве и провел некоторое время в шарашке. От сотрудничества со знавшим его Королевым он отказался, предположительно опасаясь контроля со стороны НКВД, и в 1941 году ушел добровольцем на фронт — где погиб в 1942 году.

Ю.В.Кондратюк (1897-1942)

Схема Кондратюка, с учетом ее модификации для реально состоявшихся полетов «Аполлонов», включает в себя:

• Вывод лунного комплекса в составе лунного орбитального корабля (ЛОК) и лунного корабля (ЛК) на низкую околоземную орбиту (НОО) многоступенчатой ракетой-носителем (РН)
• Отправка лунного комплекса к Луне по траектории свободного возвращения с облетом Луны, для чего набирается скорость, близкая ко второй космической
• Перестыковка ЛОК к ЛК на отлетной траектории
• Коррекции траектории на пути к Луне для подготовки выхода на окололунную орбиту
• Торможение около Луны для вывода лунного комплекса на орбиту искусственного спутника Луны (ОИСЛ) или, в случае возникновения аварийной ситуации — облет Луны с возвратом к Земле
• Коррекция ОИСЛ для выбора точки посадки
• Переход экипажа в ЛК
• Отстыковка ЛК от ЛОК
• Торможение ЛК на орбите Луны для перехода на орбиту прилунения
• Торможение ЛК в точке прилунения
• Зависание над поверхностью Луны для выбора безопасного места посадки
• Управляемая посадка на Луну
• Разгерметизация ЛК
• Выход на поверхность Луны в скафандрах
• Возвращение в ЛК
• Герметизация ЛК и восстановление штатного атмосферного давления
• Старт ЛК с Луны и выход на ОИСЛ
• Маневрирование ЛК на ОИСЛ для сближения с ЛОК
• Стыковка ЛК с ЛОК
• Переход экипажа в ЛОК
• Отстыковка ЛК
• Старт ЛОК с ОИСЛ на траекторию возвращения к Земле
• Коррекции траектории для выбора точки приземления и попадания в коридор входа в атмосферу со второй космической скоростью
• Отделение спускаемого аппарата (СА) от ЛОК
• Первый этап управляемого торможения СА в атмосфере
• Отскок от атмосферы и полет СА по суборбитальной траектории
• Повторный вход СА в атмосферу
• Управляемое или баллистическое торможение СА в атмосфере для посадки на Землю
• Раскрытие тормозных парашютов СА
• Посадка на парашютах

В советской программе на Луну высаживается только один космонавт и его переход из ЛОК в ЛК и обратно проходит через открытый космос. Это исключает из схемы полета перестыковку на отлетной траектории, по появляется необходимость разгерметизации орбитального отсека ЛОК.

Лунный орбитальный корабль СССР Союз 7К-ЛОК Лунный корабль

Сравним эту схему с орбитальными полетами кораблей «Восток», которые совершались до 1963 года:

• Вывод космического корабля (КК) на низкую околоземную орбиту (НОО) многоступенчатой ракетой-носителем
• Полет по НОО
• Ориентация и торможение КК для входа в атмосферу
• Расстыковка спускаемого аппарата (СА) и приборного отсека перед входом в атмосферу
• Баллистическое торможение СА в атмосфере
• Катапультирование космонавта и посадка на парашюте

Как видно, высадка на Луну намного сложнее в исполнении, чем полет на околоземную орбиту. При этом авария на каждом этапе приводит к срыву выполнения полетной задачи и, почти на всех этапах полета — к гибели экипажа. Чтобы можно было пожелать космонавтам «успешного выполнения полета и благополучного возвращения на родную Землю» надо было провести множество разнообразных тестов в беспилотном режиме. Между тем, отказы космической техники в 60-годы были обычным явлением — многие победы в космосе достигались только с нескольких попыток и после многократной отработки в беспилотном режиме, если речь шла о пилотируемых полетах. Неудачи прятались от публики среди спутников серии «Космос», предназначенных для «продолжения изучения космического пространства». Поэтому возникла парадоксальная ситуация — разработчики в деталях знали, как добраться до Луны и даже до Марса, но вероятность успеха предприятия в то время была очень мала. В отличие от полетов на околоземную орбиту, которые успешно выполнялись по более простой схеме.

В связи со сложностью схемы Кондратюка возникает вопрос — почему нельзя выбрать для полета на Луну более простую схему, например, прямой перелет без разделения ЛОК и ЛК? Ответ заключается в том, что для схемы прямого перелета требовалась многоступенчатая ракета-носитель очень большой стартовой массы — около 5000 тонн. А с очень тяжелыми РН есть одна проблема, которую мы сейчас обсудим.

Надежность ракет-носителей в зависимости от их класса

Современные ракеты-носители делятся на несколько классов в зависимости от величины полезной нагрузки (ПН), поднимаемой на орбиту высотой 200 км

1. Сверхлегкий класс — до 500 кг
2. Легкий класс — до 5 тонн
3. Средний класс — от 5 до 20 тонн
4. Тяжелый класс — от 20 до 50 тонн
5. Сверхтяжелый класс — от 50 тонн и выше

Деление это условное — к примеру, Р-7 относится к среднему классу, несмотря на то, что некоторые ее модификации поднимают меньше 5 тонн или вообще не предназначаются для доставки грузов на низкую орбиту. Здесь классификация делается сразу для всего семейства ракет, скомпонованных схожим образом.

Пилотируемое освоение космоса началось с помощью ракет среднего класса (в России) и ракет легкого класса (в США), но для организации лунной экспедиции требуется ракета сверхтяжелого класса. Между тем, нельзя просто отмасштабировать ракету среднего класса до сверхтяжелой. Создатели ракет сверхтяжелого класса стоят перед необходимостью увеличения их массового совершенства, для чего увеличивается число ракетных блоков и применяются более сложные и менее надежные ракетные двигатели с повышенной реактивной отдачей в расчете на единицу топлива (удельным импульсом — УИ).

Удельный импульс (УИ) — это одна из основных характеристик РД. Она непосредственно измеряется на стенде и равна отношению тяги РД к секундному массовому расходу топлива. Единицей измерения УИ является секунда, если тяга изменяется в тонн-силах и метры/c, если тяга измеряется в килоньютонах. В последнем случае условно говорят о «скорости истечения реактивных газов», которая действительно близка к УИ, определяемому в м/с, но в зависимости от конструкции РД может немного отличаться.

Керосиновые РД бывают открытой схемы и замкнутой схемы с дожиганием окислительного генераторного газа (ДОГГ).

• Открытая схема наиболее проста и популярна — ее различные модификации применялись и применяются в наиболее успешных ракетах — Р-7, Atlas, Сатурн и Falcon. В открытой схеме небольшая часть ракетного топлива используется для приведения в действие турбонасосного агрегата (ТНА), а все остальное топливо уходит на создание реактивной тяги.
• Замкнутая схема с дожиганием генераторного газа использует все топливо для создания тяги и обеспечивает большее давление в камере сгорания, что дает значительный рост УИ по сравнению с РД открытой схемы. Кислород подается в камеру сгорания не в криогенном жидком виде, а виде раскаленного генераторного газа, что способствует более полному и стабильному сгоранию горючего. Но перед этим агрессивный окислительный генераторный газ, в котором горит даже металл, приводит в действие ТНА, который становится наиболее уязвимым местом РД.

Кроме усложнения РД, приходится увеличивать их число — поскольку они так же, как и сами ракеты, не всегда поддаются простому масштабированию по тяге. Поэтому для РН существует тенденция к снижению их надежности обратно пропорционально их стартовому весу. Например, легкая ракета «Циклон-2» совершила 106 полетов вообще без аварий, в то время как средние ракеты «Союз» иногда падают, причем чаще, чем 1 раз за 100 запусков. Еще чаше случаются аварии с тяжелыми ракетами «Протон», которые применяются для введения спутников на геостационарную орбиту и в дальний космос. Статистика флагманской ракеты России «Протон-М» — 5 аварий на 109 полетов. Статистика сверхтяжелых ракет советского периода — всего 2 успешных запуска из 6.

Конечно, тенденцию к снижению надежности тяжелых РН не стоит абсолютизировать, но она есть и создает немало препятствий на пути амбициозных космических проектов. Проектировщики дальних космических экспедиций оказываются перед необходимостью выбора схемы полета с учетом фактора надежности техники.

История ракеты Н-1

Ракета Н-1 создавалась С.П.Королевым, как основная ракета марсианской экспедиции, назначенной совместным постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР 1960 года на 1971-1974 год. Ракета должна была обеспечить вывод 75-тонных блоков для сборки тяжелого межпланетного корабля (ТМК) на околоземной орбите, т.е. ее возможности более чем в 10 превосходили возможности ракет серии Р-7. При этом проектная стартовая масса ракеты составляла 2200 тонн, т.е. всего в 7.5 раз выше. Чтобы добиться увеличения массового совершенства, Королев выбрал схему многоступенчатого тандема на кислородно-керосиновом топливе с РД замкнутой схемы, обеспечивавшими на 16% больший удельный импульс по сравнению с РД открытой схемы РД-107/108.

Сборка многопуском позволяет контролировать риски дальней космической экспедиции. При всех операциях, выполняемых на околоземной орбите, возможна немедленная эвакуация экипажа на Землю. А также появляется возможность создания комплексов большой массы.

Для создания тяги на первую ступень ракеты Н-1 было установлено 24 РД НК-15 КБ Кузнецова, на вторую ступень — 8 высотных РД НК-15В и на третью ступень — 4 РД НК-31. В оригинальной конструкции ракеты использовались шаровые баки горючего и окислителя и эжектирование воздуха под днище первой ступени для увеличения стартовой тяги.

Ну а дальше на авансцену вышла Луна. Партии и правительству не хотелось отдавать Луну американцам (все победы в космосе должны были принадлежать только Стране Советов), поэтому в 1964 году ракета Н-1 была переназначена под лунную экспедицию. Решение о вступлении в лунную гонку оказалось запоздалым, потому что работа американцев над программой «Сатурн-Аполлон» в это время уже шла полным ходом. Но тогда еще казалось, что мы можем наверстать упущенное. Хотя уже в 1965 году стало понятно, что советская пилотируемая лунная программа сильно опаздывает.

РН Н-1 Л3 в монтажно-испытательном корпусе

Если для полета к Марсу необходимо было собирать ТМК из частей (его масса была примерно как у нынешней МКС), то к Луне в 60-е годы было целесообразнее лететь однопуском. Надо отметить, что первоначально Королев предпочитал многопусковую схему, но технологии сборки комплексов на орбите еще не были отработаны и делать на них ставку — значило заведомо проиграть лунную гонку американцам. Это было политически неприемлемо.

К сожалению, лунный однопуск требует намного большей доставляемой на орбиту массы, нежели 75 тонн, и большей стартовой тяги. Поэтому число РД НК-15 в первой ступени лунной ракеты Н-1 Л3 увеличили до 30, добавив 6 центральных двигателей. Расчетную массу выводимого груза довели до 90-100 тонн. Это тоже было мало (американская ракета Сатурн-5 поднимала 135 тонн), но таков был предел без применения водорода. Модернизация Н-1 под задачи лунного однопуска потребовала переработки и утяжеления ракеты до 2700 тонн, а затем и до 2950 тонн — не исключено, что именно это сыграло фатальную роль в ее судьбе.

Для организации лунной экспедиции блоки A,B,C ракеты Н-1 Л3 дополнили блоками Г и Д, работающими после выхода на околоземную орбиту. Блок «Г» предназначался для первоначального набора скорости по направлению к Луне, а блок «Д» выполнял по ходу полета три операции — доразгон к Луне, торможение для выхода на окололунную орбиту и отправку одноместного ЛК к Луне для его посадки.

Отметим, что в настоящее время разгонные блоки, работающие в космосе, не включают в состав ракеты-носителя, а относят к космической головной части (КГЧ).

Мы уже отмечали, что чем тяжелее ракета — тем она менее надежна. В то время еще не знали, что керосиновые РД замкнутой схемы окажутся по статистике в 10 раз менее надежными, чем привычные РД открытой схемы (ориентировочно ВБР 0.99 против ВБР 0.999). А если речь идет от 30-ти РД, то вероятность отказа хотя бы одного из них составляла по теории вероятностей — 26%! Новые двигатели требовали идеальной, аптекарской очистки тысяч тонн ракетного топлива, поскольку взрывались из-за малейших примесей или микроскопической металлической стружки в канале окислителя. Недостаток был также в том, что НК-15, в отличие от более поздних НК-33 были двигателями однократного включения и их нельзя было прожигать перед запуском, как это делается в настоящее время. Тестирование РД-15 проводилось выборочно из каждой партии, после чего доказавшие свою надежность РД выбрасывались, а оставшиеся непроверенными — ставились на ракету Н-1.

Нельзя сказать, что проблема надежности Н-1 не осознавалась ее разработчиками. Ими было предусмотрено беспрецедентное в истории космонавтики резервирование РД. До сих пор в мире не созданы ракеты, которые могут выполнить свою задачу при отказе любых трех РД первой ступени! Под руководством заместителя Королева Б.Е.Чертока была разработана система КОРД (КОнтроль Ракетных Двигателей, которая должна была отключать аварийные РД до их взрыва. Вот только КОРД оказался неэффективным, потому что не успевал отреагировать на развитие аварийной ситуации. И недоработанным — вместо предотвращения аварий КОРД усугублял их последствия. Отметим, что предупреждение взрывов керосиновых РД замкнутой схемы считается нерешенной проблемой до сих пор.

Аварии ракет на этапе их летных испытаний — вполне ожидаемое дело. В случае Н-1 Л3 трудности усугубились проблемами с ее многодвигательной установкой и еще тем, что работа ступени не отрабатывалась на стенде из соображения экономии средств. Тесты ракеты проводились врукопашную — в полете. Она так и не долетела до орбиты — все четыре запуска в 1969-1972 завершились на активном участке первой ступени. Особенно обидным был последний, четвертый пуск — первая ступень почти закончила работу и дело дошло до планового отключения шести дополнительных «лунных» РД. По версии КБ Кузнецова, при этом произошел гидроудар, который привел к частичному разрушению трубопроводов. Через 12 секунд взорвался насос окислителя одного из периферийных РД. Первая ступень разрушилась за 6 секунд до окончания ее работы. При этом ресурса второй и третьей ступеней вполне хватало для того, чтобы выполнить программу полета — но жесткая циклограмма запуска не предусматривала компенсацию аварии нижней ступени работой верхних ступеней, как это делается сейчас.

Можно ли предположить, что судьба Н-1 могла решиться в этом последнем полете в другую сторону? Вполне! Положение чаши весов зависит от принимаемых конструкторских решений и амбициозности задач. Немного меньше тяги и полезной нагрузки, немного больше надежности. Как бы то ни было, ракета Н-1 не полетела и Марс остался непокоренным.

Космические технологии с тех пор выросли, но национальные космические агенства забюрократизировались — там сейчас нет людей масштаба Королева, способных поставить и обосновать сверхзадачу. Тем не менее, в обход государственной бюрократии действуют частники, которые строят новые суперракеты, тоже на большом числе РД замкнутой схемы и тоже для полета на Луну и Марс. Мечту невозможно остановить!

В 1974 году руководителем космической программы СССР стал академик В.П.Глушко, который закрыл пилотируемую лунную программу. Собранные и готовые к запуску ракеты Н-1 с новыми более надежными двигателями НК-33 были уничтожены.

От того времени нам остались «корешки» — спасенные и законсервированные Кузнецовым РД НК-33, которые применяются в новых космических проектах, а также «вершок» ракеты Н-1 — ее блок «Д». Он применялся для отправки к Луне автоматических станций «Зонд», в модернизированном варианте — для запуска АМС Луна 15-24, тяжелых межпланетных станций к Венере и Марсу. Созданные на его основе разгонные блоки ДМ выводят спутники на высокие орбиты и отправляют их в дальний космос.

Но есть четкое впечатление, что мы могли бы извлечь из этой проигранной гонки не только «вершки» и «корешки» — но и всю сверхтяжелую ракету Н-1! И не на излете СССР, а уже в 70-е годы. Керосиновый супертяж Королева мог бы применяться для строительства МКС и обеспечить Россию возможностями по выведению тяжелых геостационарных спутников, меняя всю картину мирового рынка космических услуг. И, естественно, обеспечил бы нам лидерство в только что возобновившейся лунной гонке. Сейчас Россия проектирует сверхтяжелую ракету с аналогичными характеристиками, пытаясь наверстать упущенное 50 лет тому назад. А в США уже начинаются испытания многоразового звездного корабля «Старшип», который развивает идеи ракеты Н-1 и раскрывает весь заложенный в нее потенциал.

Возвращаясь к лунной гонке СССР — заметим, что она сводилась не к одной только пилотируемой программе. Следующая статья цикла будет о советской программе лунных АМС, которая была обеспечена альтернативными ракетными двигателями Глушко.

Сокращения:
РН — ракета-носитель
РД — ракетный двигатель
УИ — удельный импульс
КК — космический корабль
ЛК — лунный корабль
ЛОК — лунный орбитальный корабль
НОО — низкая околоземная орбита
ОМСЛ — орбита искусственного спутника Луны
ТНА — турбонасосный агрегат
ДОГГ — дожигание окислительного генераторного газа
ВБР — вероятность безотказной работы
АМС — автоматическая межпланетная станция

Источник