Незаметные сложности ракетной техники: Часть 5. Стартовые сооружения

Стартовые сооружения — это отдельный интересный аспект космической техники. В самом деле, ракету надо собрать, вывезти на стартовый стол, ещё раз проверить, заправить, посадить экипаж (если пуск пилотируемый) и запустить. И каждая из задач бросает вызов инженерной сообразительности, материаловедению, сопромату и множеству других дисциплин.

Введение

Для того, чтобы было понятно, о чем идет речь, необходимо объяснить используемые термины и рассказать в общем, как происходит пуск ракеты-носителя.
Прежде всего, ракету-носитель и полезную нагрузку доставляют на космодром. Ракета-носитель практически всегда доставляется в разобранном виде, потому что так её проще перевозить. Затем ракету и полезную нагрузку собирают в одно целое и проверяют в специальном здании, которое для разных ракет в разных странах имеет множество различных названий: МИК (монтажно-испытательный комплекс), техническая позиция, технический комплекс, VAB (Vertical Assembly Building, здание вертикальной сборки), assembly building (здание сборки) и т.п. Затем ракета-носитель, обычно в сборе вместе с полезной нагрузкой, транспортируется на специальную площадку, с которой происходит пуск. Эта площадка имеет также множество названий — стартовый комплекс, стартовый стол, стартовое сооружение и т.п. Ракета, поставленная вертикально, весьма высокая штука, поэтому обычно есть т.н. башня обслуживания, которая позволяет добраться до нужных мест на уже установленной ракете.

Когда ракеты были маленькими

Чем меньше ракета, тем проще стартовый комплекс и меньше трудностей с ним. На заре ракетостроения весь стартовый комплекс состоял из ровной бетонной площадки, опоры для ракеты на небольших ножках и простенькой башни обслуживания:


Фау-2 и приставные лестницы.



Более продвинутый вариант башни обслуживания. Конус внизу установлен для равномерного выброса газов в стороны.

Даже на пилотируемых пусках со стартовыми комплексами небольших ракет не было особых сложностей:


1961 год, первая пилотируемая миссия программы «Меркурий» — «Mercury-Redstone 3». Башня движется на рельсах, технология аналогична строительному крану. Под стартовой опорой виден такой же конус для равномерного рассеивания газов.

В принципе, для небольших ракет такой подход жив и сегодня. Небольшая стартовая масса означает сравнительно небольшую мощность двигателя и отсутствие проблем с отведением газов, сравнительно короткое воздействие высокой температуры, что снижает требования к материалам.


РН «Космос-3М», совсем недавно снята с эксплуатации. Слева видна башня обслуживания, справа — простой стартовый стол.

На Западе примерно то же самое — небольшую ракету можно поставить на старт промышленным автокраном:


Слева Taurus, справа Minotaur V.

И пускать с более высокого, но всё равно простого стартового сооружения:


Слева Taurus, справа Minotaur V.

Как расцветал тюльпан

Наверное, самый необычный стартовый комплекс — у семейства ракет «Р-7». Во-первых, это единственный комплекс, в котором ракета не стоит на столе, а подвешена за середину. Во-вторых, в ранних версиях стартовый стол поворачивается целиком перед запуском. Ну и в-третьих, вместо башни обслуживания сделаны две «полубашни», которые, к тому же, отходят от ракеты поворотом в вертикальной плоскости. Почему были приняты такие решения?
Решение по первому пункту очень хорошо описано у Б.Е. Чертока. У ракет семейства Р-7 первая и вторая ступени собраны в пакет. И этот пакет очень плохо устанавливался на стартовый стол — требовалось серьезное усиление хвостового отсека, а это лишний вес, и возрастало ветровое сопротивление. Даже были идеи построить стену вокруг старта. Эскиз транспортного устройства, которое вывозило ракету и ставило на четыре стартовых стола, по одному для каждого бокового блока, тоже никого не воодушевлял. И тут возникла очень красивая инженерная идея. В полёте усилия боковых блоков передаются на центральный блок через их верхние части. Так почему бы не подвесить ракету на старте за эти же самые силовые узлы? В этом случае ракета на старте испытывает те же нагрузки, что и в полёте, и не надо специальных мер по усилению конструкции. А погружение ракеты внутрь стартового сооружения решает проблемы с ветровой нагрузкой.


Схема стартового стола. В самом низу есть ещё выдвижной стол для доступа персонала, здесь не показан.

Пункт два исходил из задачи облегчения работы системе управления. В то время развернуть ракету вместе со стартовым столом перед пуском было проще, чем настраивать разворот после старта для аналоговой системы управления. Сейчас, в век компьютеров, это уже анахронизм. На Байконуре столы умеют поворачиваться, и это используют, как доставшееся в наследство, а на новых стартовых комплексах (Куру, Восточный) столы уже без поворотных устройств.


Фото стартового сооружения в Куру.

Третий пункт обусловлен постоянными апгрейдами ракет семейства «Р-7». Сначала была простая одноуровневая площадка:


Когда «Р-7» стала «Востоком», к одноуровневой площадке добавили подвижную башню обслуживания:


Для «Восходов» и «Молний» ещё добавили уровней:


Итог немного предсказуем :)


Это Плесецк, тут 9 уровней, на Байконуре 8.
Большая фотография, очень красиво



Несмотря на красивый вид, сооружение не очень комфортное. Площадки открытые, продуваются всеми ветрами, и работа в мороз или жару — это незаметный героизм стартовых расчетов. Поэтому, когда стали строить старт «союзов» в Куру, спроектировали обычную мобильную башню (был ещё один фактор, о нем будет чуть позже):


Хороший результат эксплуатации новой башни привел к тому, что на «Восточном» будет такая же.

Пушки к бою едут задом

Отдельная интересная дилемма — это транспортировка ракеты на старт. И, конечно же, есть много возможных вариантов решения, со своими плюсами и минусами. Во-первых, ракету в сборе можно вообще никуда не везти — собрать сразу на старте, проверить и пустить. Во-вторых, ракету можно собрать горизонтально, отвезти на старт, установить её вертикально, и пустить. В-третьих, ракету можно собрать вертикально, и отвезти на старт сразу в вертикальном положении. А ещё можно эти варианты смешать.

Первый вариант реализуют, в основном, для небольших ракет (потому что это просто):


Снова Taurus. Слева, укрытая синим, первая ступень.

Также с этим вариантом экспериментировали, внезапно, индусы. Ракета PSLV собиралась сразу на стартовом столе.

Достоинства:

• Не нужно возить ракету на старт.

Недостатки:

• Нужно увозить от старта монтажно-испытательный комплекс.

Понятно, что с ростом размеров ракеты, МИК становится возить сложнее, чем ракету.

Вариант второй — это советская/российская школа, а также SpaceX. «Союзы», «Протоны», «Космосы», «Н-1», «Энергии», «Зениты» и «Falcon'ы» едут на старт в горизонтальном положении. Транспортер также является установщиком, и вертикализует ракету.


Достоинства:

• Длинный МИК построить проще, чем высокий.
• Везти в горизонтальном положении проще.

Недостатки:

• От ракеты и полезной нагрузки требуется дополнительная прочность на изгиб.

Вариант третий — это школа США. Затем к ним присоединились Индия, Китай, Европа.


«Великий поход», пилотируемый вариант, Китай.

Достоинства:

• На ракету и полезную нагрузку действует сила только в направлении «верх-низ».
• Не нужен установщик и процедура вертикализации.

Недостатки:

• Нужен высокий МИК.
• Несколько более сложная транспортировка.

Четвертый вариант — это космодром Куру. Дело в том, что европейские спутники часто просто не рассчитаны на транспортировку в горизонтальном положении. Для экономии веса они лишены прочности на изгиб. Но что делать, если «Союз» спроектирован для горизонтальной транспортировки? Решили сделать гибридный способ — первые три ступени едут как обычно, горизонтально, а полезная нагрузка с разгонным блоком устанавливаются уже на старте. Это — вторая причина создания мобильной башни обслуживания.


Достоинства:

• Сочетает в себе удобства горизонтальной транспортировки и вертикальной сборки.

Недостатки:

• Требуется чистая комната, мини-МИК в башне обслуживания.

Дилемма башни

Следующий вопрос — а нужна ли вообще башня обслуживания? Давайте все проверки проводить в МИКе, а пусковые операции производить автоматикой. В этом случае некому и незачем будет ходить по башне обслуживания, и её вообще не нужно будет строить. Идея привлекательная, но, как выяснилось, у неё есть и свои недостатки. Её первыми реализовали в СССР для ракеты «Зенит». Процесс установки, заправки, подготовки к пуску и пуска был полностью автоматизирован и не требовал от человека ничего кроме работы головой и нажатия кнопок. Старт получился простым и минималистичным:


Всё бы хорошо, но такой старт, во-первых, непригоден для пилотируемых пусков. Для того же «Зенита», который решили сделать пилотируемым, пришлось строить «скворечник» башни обслуживания:


Второй недостаток — на старте ничего нельзя исправить. Если возникает мелкий отказ, который при наличии башни можно было бы исправить за полчаса, ракету приходится снимать со старта и везти обратно в МИК. Башня также отсутствует у SpaceX, и те, кто следят за пусками Falcon'ов, наверняка заметили, что пуски регулярно переносятся на более позднюю дату. Конечно, неисправности бывают разные, и не все можно устранить на месте, но наличие башни дает возможность исправлять мелкие отказы быстро.

Дилемма башни 2

Ещё один вопрос, опять же связанный с башней — это вопрос её подвижности. Насколько необходимо и обосновано тратить деньги на то, чтобы башня могла отъезжать от старта? Тут руководствуются инженерной целесообразностью. Неподвижная башня должна выдерживать взрыв ракеты на старте. Подвижная же должна иметь моторы, колёса и рельсы, а также систему растягивания и собирания коммуникаций и трубопроводов. Что получается проще, дешевле и привычнее, то и делают. Здесь нет национальных школ, в каждом проекте инженеры делают как считают более удобным. Например, для «Протона» сделали мобильную башню:


Панорама стартового комплекса, вид с самого верха башни обслуживания.

А для «Ангары» — уже стационарную:

Трон Гулливера

Нельзя оставить без внимания стартовые комплексы для сверхтяжелых ракет. Размеры и сложность этих систем, а также выбранные технические решения просто поразительны.

Американцы действовали в традициях своей школы — вертикальной сборки и транспортировки. Ключевым элементом стал тягач-транспортер, который возил ракету вместе с частью стартового стола и башни обслуживания. Это менее известно, но была ещё вторая половина башни, которую возил тот же тягач:


«Сатурн-V» с верхней частью стартового стола и одной башней обслуживания едет на старт. Вторая башня ждёт своей очереди в «тупике» дорог для тягача. Вдалеке видно здание вертикальной сборки.

Небольшой инженерный курьез. Миссии «Аполлонов» к станции «Скайлэб» и миссия «Союз-Аполлон» использовали этот же стартовый комплекс LC39, но меньшую ракету — Saturn-IB. Для того, чтобы ракета стояла напротив тех же мачт на гораздо большем стартовом сооружении, был сделан «детский стульчик» — ферменная конструкция, поднявшая ракету до высоты «Сатурна-V»:


Советская ракета «Н-1» тоже была сделана в родных традициях, её везли в горизонтальном положении на гигантском установщике два тепловоза по параллельным рельсам. Разве что башня обслуживания была несколько необычной — достаточно небольшой.


С началом разработки многоразовых кораблей стартовые комплексы ждала одинаковая судьба — они были переделаны под многоразовые корабли по обеим сторонам океана.
В США была сделана очень изящная башня обслуживания с поворотным элементом:


В СССР был сделан комплекс из двух башен рядом:


Большие трубы на левой башне — система посадки и аварийной эвакуации экипажа. Фото с сайта Буран.ру, копирайт пришлось отрезать при кадрировании.

Газоводы

Если вы внимательно смотрели на поверхность под стартовым столом на фотографиях, то наверняка заметили туннели, проёмы, углубления. Это газоводы, они нужны для отведения выбрасываемых ракетой газов. Для мощных двигателей тяжелых ракет простого конуса под днищем уже недостаточно. Конструкция их может быть разной, в США чаще использовали насыпной стартовый стол с орошаемыми водой газоводами на уровне земли. Вода смягчает ударную волну и снижает температурную нагрузку на стенки. У нас газоводы обычно сухие и расположены ниже уровня земли. Апрельский пуск «Falcon'a» показал, что в случае использования орошаемых подземных газоводов стоит следить за уровнем жидкости в них — ракета стартовала сквозь фонтан грязи, хорошо, что это не вызвало проблем.

Заключение

В заключение красивое видео замедленного пуска «Зенита» на «Морском старте». Видна работа стартовых механизмов и испарение падающего льда.

Для навигации

Это — пятый пост цикла. Прямые ссылки на предыдущие:

1. Первый пост.
2. Твердотопливные двигатели.
3. Виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспортировка.
4. Схемы двигателей и внутренности баков.

Источники

1. ЦЭНКИ. Стартовые и технические комплексы.
2. КИК СССР — уникальные фотографии.
3. Панорамы сайта ФКА Роскосмос.
4. Отдельное спасибо за шикарные фотографии сайту loveopium.ru и блогеру russos.

Источник: habrahabr.ru/post/220977/