Крылья Родины
№ 1 / 1989

РАКЕТА

Универсальная ракетно-космическая транспортная система "Энергия" выполнена по двухступенчатой схеме - "пакет" с продольной компоновкой ступеней. Центральный блок могучего носителя является его второй ступенью, в вокруг него скомпонованы четыре блока первой ступени. Сбоку к центральному блоку прикреплен орбитальный корабль. Высота ракеты около 60 м, максимальный поперечный размер - 18 м, Суммарная мощность силовой установки "Энергии" - 170 млн. л.с.

Первая ступень ракеты состоит из четырех блоков длиной 40 м, диаметром - 4м. Каждый блок имеет четырехкамерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) РД-170, работающий на жидком кислороде и углеводородном горючем. Двигатель построен по наиболее экономичной - замкнутой схеме, при которой отработанный в турбине газ дожигается в основной камере сгорания. Тяга двигателя у поверхности Земли составляет 740 т. В пустоте его удельный импульс - 308 сек, а тяга - 806 т. Давление в камере сгорания составляет 250 кг на квадратный сантиметр. РД-170 снабжен сверхмощным турбонасосным агрегатом мощностью более 250 тыс. л.с.

Вторая ступень ракеты - центральный блок длиной почти 60 м и диаметром 8 м работает на кислородно-водородном топливе и имеет четыре однокамерных ЖРД. Тяга каждого ЖРД 148 т у поверхности Земли и 200 т - в пустоте.

Создание многоресурсного маршевого двигателя большой тяги для второй ступени на энергоемких компонентах топлива является значительным достижением советского ракетостроения. Конструкторам удалось обеспечить высокие заданные характеристики при минимальных газодинамических потерях, регенеративном охлаждении, стойкости применяемых материалов в среде жидкого водорода.

Для управления движением ракеты на участке ее выведения маршевые двигатели "Энергии" снабжены прецизионной электрогидравлической системой рулевых приводов. Они развивают суммарное усилие до 50 т в каждой плоскости качания маршевых двигателей первой ступени и более 30 т - на второй ступени ракеты.

Двигатели ракеты-носителя работают на высокоэнергетических видах топлива. В качестве окислителя используется жидкий кислород, охлажденный до температуры минус 186°. Для двигателей второй ступени жидкий водород, охлажденный до минус 255°. При изготовлении топливных баков, трубопроводов, элементов гидроавтоматики использованы специальные конструкционные материалы, выдерживающие криогенные температуры и обладающие значительной удельной прочностью. Применены также новые марки высокопрочных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, новые теплозащитные и теплоизоляционные покрытия. В общем, доля новых материалов в ракете-носителе превышает 70% ее сухой массы.

Конструкторы "Энергии" еще при создании ракеты особое внимание уделяли ее надежности и живучести. В частности, было предусмотрено резервирование основных жизненно важных систем и агрегатов, включая маршевые двигатели, рулевые приводы, турбогенераторные источники электропитания, пиротехнические средства. С поэлементным и схемным резервированием создан комплекс автономного управления. Новшеством являются специальные средства аварийной защиты, обеспечивающие диагностику состояния маршевых двигателей обеих ступеней и своевременное отключение аварийного агрегата при отклонениях в его работе. Дополняют их эффективные системы предупреждения пожара или взрыва.

При возникновении в момент запуска нештатной ситуации "Энергия" может продолжать управляемый полет даже с одним выключенным маршевым двигателем первой или второй ступени. Когда такая ситуация возникает при запуске с пилотируемым орбитальным кораблем, то конструктивные меры, заложенные в ракете, обеспечивают его выведение на низкую "одновитковую" траекторию полета по орбите искусственного спутника Земли с последующей посадкой на один из аэродромов.

Важная отличительная черта "Энергии" - ее универсальность. Она способна выводить в космос не только многоразовые орбитальные корабли "Буран", но и другие крупногабаритные космические аппараты весом более 100 тонн.

КОРАБЛЬ

Орбитальный корабль многоразового использования "Буран" внешне похож на самолет схемы "бесхвостка" с низкорасположенным дельтовидным крылом и утолщенным фюзеляжем. Общая длина корабля - 36,4 м, высота (на стоянке) по хвостовому оперению - 16,45 м, диаметр фюзеляжа -5,6 м, размах крыла - около 24 м, площадь - 250 м² , угол стреловидности - 45°

В передней части фюзеляжа "Бурана" размещена обтекаемая герметичная кабина объемом 73 кубических метра. В ней при пилотируемом полете находится экипаж и размещена основная часть оборудования и аппаратура, обеспечивающая полет корабля от старта до посадки. Шесть окон, общей площадью остекления 2,25 м² , гарантируют экипажу, который может состоять из 2-4 космонавтов, хороший обзор. Предусмотрено также шесть мест для пассажиров.

В центральной части фюзеляжа - негерметичный грузовой отсек длиной 18,3 м и диаметром 4,7 м со створками в его верхней части. Отсек предназначен для доставки на орбиту и возвращения на Землю различных грузов. Вес доставляемого на орбиту груза может достигать 30 т, а возвращаемого на Землю - около 20 тонн. Из кабины экипажа в грузовой отсек можно пройти через герметичный люк. Шасси корабля трехстоечное.

Для довыведения "Бурана" на опорную орбиту, маневрирования на орбите, ориентации и стабилизации на корабль установлена объединенная двигательная установка. Она включает в себя два маршевых, расположенных в корневой части фюзеляжа, двигателя, средней и малой тяги, установленных перед кабиной и в задней части хвостового отсека. При планировании в атмосфере экипаж использует для управления аэродинамические органы: элевоны, руль направления, балансировочный щиток. Корабль оснащен системами управления движением, электропитания, жизнеобеспечения, стыковки, терморегулирования и другими бортовым оборудованием и аппаратурой.

После выполнения космических операций двигатель корабля дает тормозной импульс. Он сходит с орбиты, совершает планирующий полет в атмосфере и горизонтальную посадку на специально подготовленную полосу космодрома Байконур. Посадка выполняется как на обычном самолете, но без использования тяги двигателей.

В числе ряда технических проблем, которые пришлось решать при создании "Бурана", одной из наиболее трудных оказалась проблема обеспечения "нормальных" тепловых условий для экипажа, самого корабля и возможной полезной нагрузки. Дело в том, что при спуске с орбиты в атмосфере Земли температура некоторых участков поверхности корабля в результате аэродинамического торможения может достигать 1500 градусов. Чтобы это не привело к пожару или разрушению машины, внешнюю поверхность "Бурана" покрыли специальными теплозащитными плитками, созданными на основе тонких волокон чистого кварца.

Нижнюю поверхность корабля покрыли черными плитками, а верхнюю и боковые - белыми. Плитки изготавливали по специальной программе, которая учитывает конкретное место их установки, его профиль и конфигурацию. Таких гладких, строго соответствующих форме, рассчитанной не ЭВМ, плиток для "Бурана" потребовалось около 38 тысяч. Они наклеивались на поверхность с небольшим зазором между ними, чтобы при температурном расширении металла корпуса корабля теплозащитная обшивка не разрушалась. Технология изготовления этих плиток разработана советскими специалистами и отличается от американской. Подвергающиеся наибольшему нагреву нос фюзеляжа и передние кромки крыла и киля выполнены из тугоплавкого графитового материала.

Орбитальный корабль "Буран" рассчитай на 100 полетов по маршруту Земля- орбита-Земля. Стартовая масса корабля может достигать 105 т, посадочная -  82 т. Максимальная продолжительность автономного полета - до 30 суток. При управляемом спуске "Буран" способен совершать в атмосфере боковые маневры влево и вправо на расстояние до 2000 км от расчетной трассы. Это позволяет кораблю практически в любое время прекратить полет по орбите и приземлиться на аэродроме. Важная особенность "Бурана" и в том, что он может эксплуатироваться и в пилотируемом, и в беспилотном автоматическом режиме, в который он и ушел 15 ноября прошлого года.

Для подготовки и пусков ракеты-носителя "Энергия" с орбитальным кораблем "Буран" и другой возможной полезной нагрузкой на космодроме Байконур созданы специальные технический и стартовый комплексы, оснащенные всем необходимым оборудованием, со своими подъездными путями и инженерными коммуникациями, предназначенными для приеме ракеты-носителя и корабля, их хранения, сборки, испытаний и стыковки.

Подготовка ракеты и корабля к пуску начиняется с транспортировки отдельных блоков "Энергии" и "Бурана" с заводов-изготовителей в монтажно-испытательные корпуса (МИКи), отдельно сооруженные для носителя и орбитального корабля. Для перевозок их крупногабаритных конструкций используется специальная модификация тяжелого самолета 201 М конструкции В.М.Мясищева. (Этот самолет может поднять крупногабаритные грузы массой до 50 тонн.) Такой груз крепится на фюзеляже самолета. Доставленные на байконурский аэродром блоки на автомобильных трайлерах перевозятся в монтажно-испытательные корпуса.

Особенно грандиозен по своим размерам МИК, в котором собирается и испытывается "Энергия". Его длина и ширина превышают 240 метров. Высота некоторых пролетов достигает 60 метров. Здесь блоки проверяются, собираются в ступени, а затем в "пакет". Сборка и стыковка ступеней осуществляется в горизонтальном положении. В этом МИКе проводятся и комплексные испытания систем ракеты.

Внушителен МИК и для "Бурана", хотя его высота "всего" около 40 м. Он разделен на пять залов. Поступающие в них раздельно фюзеляж с крыльями, киль, бортовые системы и другие части, агрегаты и детали корабля тщательно проверяются и собираются в единое целое. Здесь же весь его корпус обклеивается теплозащитными плитками.

Прошедший комплексные испытания "Буран" с помощью специальных пирозамков крепится к центральному блоку "Энергии". После чего и проводятся испытания обоих аппаратов как единого целого. Ими заканчивается цикл работ на так называемой технической позиции.

Последний, завершающий этап подготовки к пуску проходит на стартовой позиции. В стартовом комплексе ракетно-космической системы "Энергия" их две. Первая - штатная, вторая - универсальный стенд-старт. Он используется для отработки в наземных условиях блоков первой, второй ступеней и "пакета" в целом, с включением маршевых двигателей на практически полное полетное время. Стенд-старт может использоваться и для запуска системы. Кстати, первый пуск "Энергии" 15 мая 1987 г. был осуществлен со стенда-старта. В стартовый комплекс входят также криогенный центр, хранилища жидкого кислорода, жидкого водорода и азота, специальные баллоны высокого давления, наполненные гелием, сжатым до 400 атмосфер. Общая же масса хранящихся в этих емкостях заправочных компонентов доходит до пяти тысяч тонн.

Центр стартовой позиции представляет собой весьма сложное сооружение. На пять этажей вниз от нулевой отметки уходит заглубленное железобетонное строение. В нем находятся все необходимое для предстартовых испытаний и обеспечения пуска, в том числе системы вентиляции и термостатирования, компрессоры, нагнетатели, контрольно-проверочная аппаратура и т. д.

Ракету с прикрепленным "Бураном" к центру стартовой позиции доставляют в горизонтальном положении на специальном транспортно-установочном агрегате. О его размерах и грузоподъемности можно судить по тому, что он движется по двум железнодорожным колеям с расстоянием между ними в 18 метров и катить его по силам лишь четырем тепловозам. Этот агрегат своими мощными домкратами переводит ракету с кораблем в вертикальное положение и устанавливает на пусковом устройстве. Оно представляет собой железобетонную конструкцию, оснащенную механизмами удержания ракеты в вертикальном положении и устройствами для подвода к ней пневмогидравлических и электрических связей.

В центре пускового устройства, под ракетой, находится железобетонный газо-пламяотражательный лоток в виде колодца. По нему и отводятся пламя и газы, рвущиеся из 20 сопел работающих двигателей ракеты. Глубина колодца - 23 м, диаметр - около 20 м. Стоящая в середине колодца бетонная восьмигранная пирамида разделяет газово-огненный поток на части и направляет его в три газохода, выходящие в степь. Стенд-старт имеет один газоход, углубленный относительно поверхности Земли, более чем на 40 м.

Обслуживание ракеты и корабля на старте осуществляется с площадок 100-метровой башни. Кроме башни обслуживания на стартовой площадке расположены дивераторы-молниеотводы высотой 175 м, заправочно-дренажная мачта, специальная система экстренной эвакуации космонавтов и обслуживающего персонала, система газового контроля среды с автоматической сигнализацией, мачты с 670 прожекторами освещения.

Все связи наземных систем с ракетой осуществляются через торец "Энергии" и ее боковую поверхность с заправочно-дренажной мачты высотой 64 м. Она имеет подвижные площадки, по которым проложены коммуникации для заправки, дренажа, а также электрокабели связи "земля-борт". Перед стартом подвижные площадки мачты поочередно отводятся, а последняя, где проложена магистраль дренажа водорода, отходит уже после запуска двигателей и начала движения ракеты. Делается это для того, чтобы предупредить грозящее пожаром и даже взрывом смешивание подаваемого в ракету водорода с атмосферным воздухом. На отвод этой 20-тонной последней площадки отпускается всего несколько секунд.

Агрегат экстренной эвакуации экипажа и обслуживающего персонала состоит из двух тоннелей - труб диаметром до 4 м. Они почти параллельно тянутся из подземного бункера к специальному шлюзу, находящемуся на уровне кабины "Бурана". По одному из них космонавты будут доставляться в корабль с помощью специальных тележек, а через другой они при аварийной ситуации могут мгновенно покинуть его. Благодаря хитроумной конструкции весь путь от корабля до бункера займет менее 15 секунд.

Следует особо отметить, что предстартовые испытания и контроль работы всех систем ракеты и корабля всегда ведется не выборочно, а глобально, с помощью автоматики. Скорость поверочного опроса некоторых участков доходит до 128 раз в секунду. С таким мизерным интервалом контролируются чуть ли не 20 тысяч параметров ракеты и корабля.

Полностью автоматизирован и весь процесс заправки ракеты компонентами топлива и газами. И хотя он достаточно надежен, все же вокруг стартового комплекса установлена зона повышенного внимания радиусом 15 км. За 13,5 часа до пуска, когда начинается заправка ракеты, по зоне исключаются любые передвижения. С начала же продувки топливной системы азотом, чтоб удалить из нее остатки воздуха, покидают площадки обслуживания и стартовики, а когда дело доходит до заправки водородом, на старте не остается ни одного человека. За шесть часов до пуска все - в бункерах и безопасной зоне.

И вот "Энергия" с "Бураном" готовы к полету. Запуск двигателей обеих ступеней ракеты осуществляется почти одновременно. Их суммарная тяга в начале полета - около 3600 тонн. Такая схема позволяет уйти от проблемы запуска двигателя в невесомости и дополнительно повышает надежность выведения комплекса на расчетную высоту.

Блоки первой ступени после выработки топлива отделяются от ракеты попарно, затем разделяются и приземляются в расчетном районе. При первых полетах повторное их использование не планируется, но в дальнейшем предусмотрено оснащение их средствами возвращения и посадки. После диагностических, профилактических и ремонтно-восстановительных работ они будут использоваться повторно.

Центральный блок - вторая ступень отделяется после набора суборбитальной скорости. Она приводняется в расчетном районе акватории Тихого океана. Такая схема выведения выбрана, чтобы исключить засорение околоземного пространства отработанными крупногабаритными фрагментами ракет.

Двигательная установка "Бурана" включается на высоте 150-160 км. Два импульса позволяют разогнать корабль до космической скорости, и он выходит на орбиту искусственного спутника Земли. Выполнив там программу полета, "Буран" разворачивается хвостом вперед. Двигательная установка дает тормозной импульс, и корабль берет курс на Землю. Начинается планирование, заход на посадку и посадка на полосу.

Посадочный комплекс для "Бурана" расположен в 12 км от стартового сооружения. В его состав входят объединенный командно-диспетчерский пункт (ОКДП) и взлетно-посадочная полоса. Ее длина - 4500 м, ширина - 84 м, толщина около полуметра. Кроме, того ВПП имеет так называемые зоны безопасности по 3 метра с каждой стороны и по 500 метров с торцов.

В шестиэтажном корпусе ОКДП с аппаратным залом обзора размещены станция приема телеметрической и другой информации, главный зал управления и анализа, вычислительный комплекс, системы навигации и посадки орбитального корабля, метеорологический центр, служба орнитологии. Задача ОКДП - обнаружение, наведение, завод на посадку, остановка корабля, его послеполетное обслуживание и отправка в монтажно-испытательный комплекс.

Радиотехнические средства посадочного комплекса способны обнаружить возвращающийся корабль на дальности 400 км и на высоте 40 км. Заход на посадку возможен с восточного и западного направления. Посадочная скорость корабля - около 340 км/ч, длина пробега - 1100-2000 м. Для сокращения пробега "Буран" снабжен тремя тормозными парашютами общей площадью 75 м². Вводится он при скорости пробега 300-330 км/ч. При уменьшении ее до 50 км/ч парашют отстреливается.

После возвращения корабля в МИК на нем проводятся диагностические, профилактические и ремонтно-восстановительные работы. Затем после испытаний корабль устанавливается на новую ракету-носитель и может вновь стартовать на орбиту.

Следует отметить, что внешне советский многоразовый корабль "Буран" и корабли американской системы "Шаттл" похожи. Это сходство диктуют законы аэродинамики. В целом же корабли имеют ряд принципиальных отличий. Главное из них в том, что "Энергия" и "Буран", хотя и объединены в одну систему, но во многом являются автономными аппаратами, "Энергия" способна выводить на орбиту не только "Буран", но и другие космические объекты. Второе отличие нашего "Бурана" от кораблей системы "Шаттл" в том, что он может, как продемонстрировано в ноябре 1988 г., выполнять полет без экипажа, то есть полностью в автоматическом режиме.

На создание новой советской космической транспортной системы потребовалось примерно 10 лет ("годы застоя" в определенной мере сказались в первый период ее разработки) и столько же средств, сколько потратили США на программу "Шаттл": в валютном эквиваленте около 10 млрд. долларов.

Нужны ли такие дорогостоящие транспортные системы? Годы космической эры подтвердили огромное будущее освоения и использования космоса в интересах науки и народного хозяйства. Ныне в нем систематически трудятся искусственные спутники Земли серии "Космос", совершают рейсы межпланетные станции, несут вахты метеорологические, связные, природоведческие и спасательные спутники, плодотворно действуют долговременные орбитальные станции.

Все эти направления работ связаны с большим грузопотоком по трассе Земля-орбита-Земля. Поэтому разработка экономически более эффективных транспортных средств является главной задачей снижения стоимости доставки на орбиту килограмма полезного груза. Сейчас она обходится в тысячи рублей и в дальнейшем при использовании транспортных космических систем одноразового применения существенного снижения этой стоимости достигнуть нельзя. Уменьшить расходы могут лишь многоразовые транспортные системы. Уже разработаны различные схемы и средства спасения ракетных ступеней, например, с помощью парашютов, гибких крыльев, и их повторное использование. Но настоящий экономический эффект могут дать на трассе Земля-орбита-Земля одно- и двухступенчатые транспортные системы типа воздушно-космических самолетов (ВКС), оснащенных универсальными двигательными установками (об их проектах см. "КР" № 2-3 за 1988 г.). Наш "Буран", как и корабли системы "Шаттл", являются прообразами таких самолетов будущего.

Создание комплекса "Энергия"-"Буран" является закономерным шагом вперед отечественной ракетно-космической и авиационной техники. После летных испытаний этого комплекса наша космонавтика будет иметь в своем арсенале транспортные системы как одноразового, так и многоразового использования, позволяющие не только выводить на орбиты полезные грузы малых и больших масс, но и возвращать их на Землю.

До настоящего времени выход из строя любого элемента находящегося на орбите космического аппарата приводит к полному или частичному прекращению его работы. Использование широкоманевренных многоразовых кораблей позволит проводить их ремонт и профилактические осмотры, своего рода "оживлять" автоматические спутники Земли различного назначения. Такие корабли, как "Буран", позволят возвращать с орбиты на Землю с автоматических аппаратов материалы научных экспериментов и исследований, доставлять на эти автоматы новое оборудование. При необходимости может быть возвращен на Землю для профилактики, ремонта или модернизации и сам спутник, а затем вновь доставлен на орбиту. А одно это сулит существенный экономический эффект, исчисляемый многими сотнями миллионов рублей.

Универсальная ракетно-космическая транспортная система "Энергия"-"Буран" является значительным вкладом в развитие авиационно-космической техники. В сочетании с одноразовыми ракетами-носителями и долговременными орбитальными станциями она открывает новые широкие перспективы дальнейшего изучения и использования космического пространства в интересах науки и народного хозяйства.

Г. МАКСИМОВ,
научный обозреватель журнала "Крылья Родины"

Web-master: ©Вадим Лукашевич 1998-2008
E-mail: buran@buran.ru