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».