Теоретически М.К.Янгель мог сделать двухступенчатую РН, спроектировав вторую ступень к стоящей на вооружении ракете Р–5М, как в свое время сделал В.С.Будник, разработав ракету Р–1М на базе королёвской «единички». Однако для Михаила Кузьмина с «политической» точки зрения было крайне важно «выйти в свет» с носителем, разработанным на базе собственной ракеты, какой была Р–12, а не на базе «пятёрки», разработанной в королёвском ОКБ–1. Работа предстояла интересная, но очень сложная. Как признают сами проектанты, они слабо верили в то, что успеют сделать свой носитель до первого запуска спутника в ОКБ–1. Другое дело, если бы работы там столкнулись с какими–либо серьезными трудностями…
Пуск «семерки» со спутников ПС-1
Р–12 даже без всякого полезного груза не могла достигнуть орбитальной скорости. Но, по мнению разработчиков, было бы неправильно говорить о том, что создание носителя на базе Р–12 невозможно.
Трудности с разработкой легкой системы управления могли заставить проектантов из Днепропетровска пойти на отчаянный на первый взгляд шаг, хотя именно так поступили американцы. Последние вышли из положения достаточно элегантно: для первой национальной РН «Авангард» они так построили траекторию полета нижних ступеней, оснащенных достаточно мощной (и тяжелой!) надежной системой управления, что в конце полета продольная ось ракеты оказывалась параллельна местному горизонту. Если при этом запустить двигатель верхней ступени, то он будет работать только на приращение горизонтальной скорости. При этом набранный до этого вертикальный избыток скорости, постепенно уменьшаясь, будет «тащить» верхнюю ступень со спутником к апогею траектории. В момент достижения апогея подъем прекратится, и вектор скорости ракеты совпадет с местным горизонтом. Если к этому времени ракета наберет скорость, равную первой космической на данной высоте, то она выйдет на круговую околоземную орбиту.
Работа СУ верхней ступени в данном случае сводится к тому, чтобы заботиться об устойчивой работе двигателя и уменьшении возмущающих усилий, которые стремятся «спихнуть» ракету с расчетной траектории. Можно поставить сравнительно несложную систему для парирования таких возмущений (систему стабилизации), которая будет гораздо меньше и легче, чем «полноценная» система управления. Под последней подразумевается система, способная путем управления вектором тяги по времени изменять параметры траектории полета.
Можно и совсем отказаться от системы управления (что и сделали американцы на «Авангарде»), просто жестко застабилизировав ступень на все время работы двигателя за счет вращения её вокруг продольной оси. Эта же закрутка в случае необходимости создаст и «искусственную тяжесть», помогая осадить топливо к топливозаборным устройствам при запуске ЖРД.
Проектанты из Днепропетровска знали о работах по многоступенчатой РН с верхними ступенями, стабилизированными вращением (проект «Орбитер»), проведенных в 1952–1955 гг. Редстоунским арсеналом и Агентством баллистических ракет Армии США. 23–24.05.1955 г. авторы проекта объявили, что, используя связки небольших пороховых ракет в качестве стабилизированных вращением верхних ступеней в сочетании с ракетой «Редстоун», они могут уже через год запустить на орбиту первый в мире ИСЗ. Мог ли Янгель пойти по такому пути?
РН «Орбитер». Справа, в увеличенном масштабе – связка РДТТ верхних ступеней под общим обтекателем
По–видимому, нет. Во–первых, американцы к этому времени уже накопили опыт разработки РДТТ на новых топливах, отличающихся от наших порохов. Во–вторых, даже сами заокеанские ракетчики считали принятое ими решение временным выходом из создавшегося положения. Как говорилось в предыдущей главе, наши разработчики не имели опыта работы с высокоэффективными «космическими» РДТТ. Кроме того, они создавали носитель с взглядом на перспективу. Пример американцев их не мог вдохновить совершенно точно.
(Справедливости ради следует отметить, что все решения, описанные выше, так или иначе были реализованы впоследствии. Так, все без исключения первые национальные РН зарубежных стран имели три и более ступеней, причем в качестве последней ступени использовались РДТТ, стабилизированные вращением. Твердотопливная верхняя ступень в совокупности с жидкостными нижними была использована в проекте «Авангард» и затем «Тор–Дельта»; связки малых РДТТ с успехом применялись в качестве верхних ступеней в РН «Юнона–1» и –2» (развитие проекта «Орбитер»); оптимальные по массовым характеристикам вторая и третья ступени с «космическими» РДТТ использовались в носителе «Спарта» для запуска первого австралийского ИСЗ «Вресат»; в США созданы двухступенчатые РН «Тор–Альтер» и «Тор–Бёрнер» с твердотопливными верхними ступенями. Кроме того, прогресс в области РДТТ привел к появлению в США, Японии, Индии и Израиле РН с твердотопливными двигателями на всех ступенях. По мере совершенствования РН число ступеней уменьшилось с четырех у «Скаута» до двух у носителя LLV (США). С сожалением можно констатировать, что, несмотря на очевидные успехи при создании РДТТ у нас в стране, отечественный полностью твердотопливный носитель «Старт–1» полетел впервые только в 1992 г. Эта ракета представляет собой модификацию серийной МБР «Тополь» — прим. авт.)
Таким образом, проект «упрощенной РН–подстраховки» не завязался. Проектно–поисковые работы, проведенные в январе–марте 1957 г. в ОКБ–586, показали, что создание полноценного носителя пусть даже для очень легкого ИСЗ — гораздо более сложная задача, чем представлялось первоначально. Ничего не достигнув на пути упрощения, оставалось перешагнуть искусственные барьеры, ограничивающие размерность второй ступени, и начать разработку системы с «полноценными», полностью управляемыми ступенями. Естественно, это приводило к ломке всей первоначально стройной концепции. Однако, сравнительно большая вторая ступень давала простор различным перспективным решениям. Можно лишь констатировать с сожалением, что уникальный шанс быстро и «малой кровью» сделать носитель ИСЗ и опередить «семёрку», остался неиспользованным.
Годичный срок прошел. 15.05.1957 г. состоялся первый старт королёвской Р–7. Несмотря на трудности и некоторые неудачи в начале ЛКИ, уже в четвертом пуске 21.08.1957 г. ракета совершила успешный полёт из Тюратама на расчётную дальность. Через шесть дней, после прочесывания района падения на Камчатке обнаружили фрагменты головной части. Факт полета на дальность 6300 км был подтвержден материально, о чем немедленно сообщили в печати.
Система управления РН «Юнона-1» со связкой твердотопливных ракет в верхней части
Необходимо заметить, что сообщение ТАСС о запуске советской межконтинентальной ракеты не слишком обеспокоило Америку. За год до этого, 20.09.1956 г., в США была запущена модифицированная ракета «Редстоун» с двумя верхними ступенями на основе связок РДТТ, которая перебросила миниатюрный груз — макет ГЧ — на дальность свыше 5311 км. Официальные власти полагали, что «советы» сделали нечто подобное, не имеющее само по себе стратегической ценности и искусственно раздутое «красной пропагандой». Однако американские специалисты и военные совершенно иначе отнеслись к этому факту.
Последовательность действия РН «Юнона-2» при запуске зонда «Пионер-4»: 1 – отделение первой ступени; 2 – сброс головного обтекателя; 3 – включение связки РДТТ второй ступени; 4 – включение связки РДТТ третьей ступени; 5 – включение РДТТ четвертой ступени; 6 – отделение зонда
Они внимательно следили за работой советских ракетчиков, тем более, что некоторые сведения о ней просачивались за рубеж даже по официальным каналам. Интересно проследить за появлением таких сообщений. Дело в том, что «действующие лица», причастные к созданию реальной техники, в Советском Союзе были глубоко засекречены и, естественно, никаких выходов к средствам массовой информации практически не имели (за исключением особых случаев, возникающих, как правило, после того, как то или иное значимое событие уже произошло). И наоборот, люди (в том числе ученые и инженеры), которые выступали в советской прессе и на радио, могли только догадываться о реальном положении вещей и судить о предстоящих событиях с точки зрения «формальной логики» только по аналогии с тем, что в это время происходило на Западе.
Вот несколько примеров. После дискуссии по проблемам ИСЗ, широко освещаемой в американской прессе, 10.01.1955 г. московское радио сообщило, что советские ученые считают запуск спутника делом самого ближайшего будущего. Вскоре после того, как весной 1955 г. был утвержден и детально описан в печати проект первого национального американского ИСЗ «Авангард», 30 июля СССР сообщил о существовании в стране плана запуска спутника. Через три дня, 2 августа, на Шестом международном астронавтическом конгрессе в Копенгагене глава советской делегации, Л.И.Седов в своем докладе уже подробно рассказывал о программе запуска советского ИСЗ в рамках научно программы грядущего Международного Геофизического Года. Интересно, откуда Седов мог знать о таких планах, если проект спутника в ОКБ–1 был готов только в конце 1955 г., а Постановление о работах по ИСЗ было принято 30.01.1956 г.? И это далёко не единственные случаи «нестыковок».
Тем не менее, после того, как 26 августа 1957 г. ТАСС сообщило об успешном испытании МБР, американским специалистам стало очевидно, что наши перспективы на успешный запуск ИСЗ более чем благоприятны.
Схема МБР Р-7А и Р-16
Правильность сообщения ТАСС подтвердили американские разведывательные данные. После многочисленных перепроверок 12.09.1957 г. на совещании ученых–консультантов и советников армии генерал–лейтенант Джон Гэвин заявил, что, по его мнению, Советский Союз запустит свой ИСЗ не позже чем через 30 дней.
Рисунок художника А.Соколова «ПС-1 на орбите»
Утром 4 октября 1957 г., во время ланча в Редстоунском арсенале, Дж.Гэвин, доктор фон Браун и доктор Шиллинг пришли к выводу, что близок запуск первого ИСЗ в России. Запоздалое пророчество: уже к вечеру пришло сообщение о запуске первого советского спутника… В тот же день начали сбываться самые мрачные прогнозы Дж.Гэвина, который еще в августе предсказывал психологическое и техническое поражение США в том случае, если бы русские опередили американцев с запуском спутника.
Таким образом, характеристики «семёрки» как МБР и РН были подтверждены. Политический результат запуска первого в мире ИСЗ был достигнут и даже превзошел ожидания. Для днепропетровцев уже не имело смысла гнать вперед, сломя голову. Настало время продуманных, взвешенных и семь раз проверенных решений.
Четырехступенчатая РН «Скаут» с РДТТ на всех ступенях
Ракета Р–12 прошла полный курс наземной отработки и вышла на этап ЛКИ. Результаты начала летных испытаний обнадеживали проектантов. С одной стороны, успех Р–12 их вдохновлял. Уверенно смотря в будущее своего детища, они уже совершенно серьезно говорили о космической программе, которая могла быть реализована на основе именно этой ракеты. С другой стороны, после успешных ЛКИ времени на «раскачку» с разработкой носителя не осталось. Опережающими темпами началось проектирование новых ракет.
Спокойно работать над проектами новых изделий в ОКБ–586 в этот период было особенно сложно. На коллектив постоянно сваливались новые задачи — то начиналась разработка морских баллистических ракет, которая вскоре отменялась, приходилось осваивать и передавать производство ЖРД и ускорители для лавочкинской МКР «Буря», то заводу неожиданно спускалась директива об изготовлении пусковых установок для подводных лодок. Естественно, все эти перипетии отвлекали силы и время и это не могло не привести к замедлению темпов разработки носителя ИСЗ.
Однако работы (хотя и не всегда подкрепленные соответствующими ассигнованиями) все же велись. С учетом предыдущих НИР по носителю и проектов нынешних ракет, а также с использованием результатов полетов первых ИСЗ, днепропетровцы всерьез разрабатывали концепцию собственной космической программы. В ее основе лежала ракетно–космическая система, состоящая из РН и многофункционального спутника–платформы.
В отличие от специалистов ОКБ–1, сотрудники КБ «Южное» предлагали свою концепцию аппаратов для изучения космического пространства. Вместо единичных, сложных и дорогостоящих спутников — «летающих лабораторий» типа «Спутника–3» они предлагали наладить массовое производство сравнительно простых, максимально унифицированных аппаратов, снабженных стандартным набором служебных систем. ИСЗ уже не предназначались для проверки возможности функционирования спутника на орбите и служили вполне конкретным научным целям. При каждом пуске единичного спутника предполагалось выполнять 1–2 космических эксперимента, для чего на каждом ИСЗ должны были устанавливаться 1–2 несложных научных прибора сравнительно небольшой массы. Для нормального функционирования приборов на спутнике имелся комплекс служебных систем единый для всего семейства ИСЗ. В его состав входили системы электропитания, терморегулирования, управления, телеметрической информации, программно–временные устройства. Изначально для упрощения работы наземного персонала предусматривалась большая автономность спутников. В зависимости от продолжительности работы на орбите и потребляемой электроэнергии, их энергоснабжение могло осуществляться либо от солнечных батарей, либо от бортовых аккумуляторов.
Новая концепция предполагала использование не только серийной ракеты, но и серийного (боевого) стартового комплекса. Процедура подготовки РН представлялась следующим образом: вторая ступень собирается на заводе в Днепропетровске и отправляется по железной дороге на полигон. Туда же отправляется спутник. На полигоне в специальном монтажно–испытательном корпусе (МИК) производится проверка этой ступени и спутника. Затем выбирается первая ступень — ракета Р–12, стоящая на дежурстве. К ней подводится башня обслуживания. С помощью специального крана с Р–12 снимается боеголовка, на место которой устанавливается вторая ступень с ИСЗ. Затем производится заправка баков компонентами топлива: первой ступени — с помощью стационарного оборудования стартового комплекса, а второй — подвижным заправщиком.
Работы по Р–16 влияли на разработку легкого носителя. Естественно, напрямую применить полученные в проекте МБР решения было невозможно именно из–за масштабного фактора. Использованная в «большой» ракете «холодная» (точнее говоря, на Р–16 была реализована «полугорячая» схема разделения, когда в конце участка работы первой ступени включаются рулевые ЖРД второй, которые отводят ступени на безопасное расстояние и дают возможность запустить основной двигатель второй ступени — прим. авт.) схема разделения ступеней в данном случае не годилась из–за сложности циклограммы работы, а малая размерность второй ступени РН не позволяла применить специальные рулевые ЖРД. На этой ступени пришлось обойтись единым двигателем и было решено применить «горячую» схему разделения.
Такая схема подразумевает отвод второй ступени от отработавшей первой под действием силы тяги собственного двигателя после раскрытия замков связи. При этом ЖРД верхней ступени запускается в конце работы (на «конечной ступени») двигателя нижней, а межступенчатые связи разрываются при спаде тяги двигателя первой ступени и нарастании тяги двигателя второй. Неуправляемый участок полета РН практически отсутствует; нет проблем с запуском ЖРД второй ступени, так как нет пассивного участка полета, а, следовательно, и невесомости.
Характерная особенность «горячего» разделения — воздействие факела двигателя второй ступени на верхнюю часть первой. Для уменьшения теплового воздействия торец нижней ступени закрывается профилированным газоотражательным экраном, а решетчатый (ферменный) или щелевой межступенчатый переходник позволяет газам свободно выходить из сопла ЖРД второй ступени.
На принятие решения о «горячей» схеме разделения ступеней повлияли отечественные разработки двухступенчатых зенитных ракет, доведенных к этому времени до стадии серийного производства и поставленных на вооружение. Газы при включении ЖРД второй ступени истекали через отверстия в переходнике между ступенями.
Вторым фактором стала разработка «лунного» варианта «семёрки». Беглого взгляда достаточно, чтобы заметить, что именно под впечатлением использования ферменного переходника на трехступенчатом варианте Р–7 днепропетровцы поняли, что ЖРД второй ступени их РН следует запускать перед окончанием работы двигателя первой ступени. В качестве органов управления второй ступени (возможно, опять–таки, не без оглядки на подлипкинцев) применили рулевые сопла, через которые сбрасывался отработанный на ТНА газ после газогенератора.
Параметры второй ступени напрямую зависели от ее двигательной установки и системы управления. Простые ракеты с РДТТ или ЖРД с вытеснительной системой подачи уступили место ступеням с жидкостным двигателем, имеющим турбонасосную систему подачи и высокие характеристики. На вторую ступень поставили систему управления.
Для ускорения разработки и постройки второй ступени логичнее всего было рассматривать ее как укороченный вариант первой, сохраняя производственную оснастку при изготовлении баков, межбаковых и хвостовых отсеков этой ступени по аналогии с соответствующими отсеками первой.
Для упрощения эксплуатации РН двигательные установки обеих ступеней должны были работать на аналогичных компонентах топлива. Азотнокислотный двигатель можно было заказать в ОКБ В.П.Глушко, А.М.Исаева или С.А.Косберга. Кроме того, ЖРД можно было разработать самостоятельно в одном из подразделений ОКБ–586 — в конструкторском бюро по жидкостным двигателям (КБ–4), в котором под руководством И.И.Иванова с 28.07.1958 г. создавались рулевые двигатели для Р–16.
ЖРД на азотной кислоте, конечно, не давал высокого удельного импульса, но при оптимальном проектировании ступеней, масса ПГ, выводимого двухступенчатой РН с ракетой Р–12 в качестве первой ступени, могла достигнуть 100–150 кг, что давало возможность приступить к разработке носителя.
Однако судьба распорядилась иначе. Для анализа последующих событий необходимо совершить еще один экскурс в «параллельную» историю, происходящую в это время, но вроде бы не имеющую пока непосредственной связи с днепропетровским носителем.
Схема верхней ступени «лунного» варианта РН на базе «семерки»
