Хроника космических сверхтяжеловесов. Часть 1. Лунные «динозавры»

Человек издревле стремился превзойти себя. Используя заложенный природой потенциал, мы одновременно боялись и тянулись ко всему грандиозному. Если наши древние предки стремились уподобиться богам, воздвигая колоссальные памятники архитектуры, то без сомнения «вавилонской башней» нашего времени стала космическая эра. Лучше всего воистину космические амбиции человеческого гения выражают его масштабные технологические проекты. Ниже речь пойдет об истории создания сверхтяжелых космических транспортных систем и о будущих перспективах их использования.



В марте 59 года, за два года до первого пилотируемого полета в космос, НАСА проводило огневые испытания мощнейшего на то время (и до начала 80ых гг) ракетного двигателя Ф 1, детища фирмы Rocketdyne.

Этому однокамерному ЖРД весом в 9т, тягой в 700т и удельным импульсом в 265с, отводилась важная роль в будущей лунной ракете программы Аполлон. Из проектов лунной ракеты Сатурн С 2, 3 и 4, в окончательной версии носителя сконструированного командой Вернера фон Брауна, к 62г была выбрана конфигурация уже с 5 двигателями Ф 1 – Сатурн С 5, или позднее Сатурн 5.

Справка: Удельный импульс ракетного двигателя выражает его эффективность. Являясь соотношением создаваемого количества движения (импульса) к расходу топлива, он переводится на «человеческий» язык как время (в секундах), в течении которого двигатель создает тягу в 1кг, расходуя топливо такой же массы. Чем выше У.импульс, тем эффективнее двигатель и экономичнее расход топлива. В посте эта величина, как и тяга, указанна для уровня моря при старте и возрастает в среднем во время полета на 10-15%.

Одно из огневых испытаний двигателя Ф 1 в 60г. Обратите внимание на характерную темную ракетную струю. Особенности системы охлаждения сопла двигателя, когда через трубки в его структуре часть топлива прокачивается в камеру сгорания.


Установка двигателей Ф 1 на первую ступень РН Сатурн 5. Нижняя часть сопла устанавливалась уже после монтажа двигателя


Более чем через год, в конце 63 года, на другой стороне земного шара проводились испытания советского ЖРД НК 15, маршевых двигателей первой ступени конкурента американского носителя – ракеты Н 1, совместного детища Мишина и Королева. Из за относительно небольшой тяги в 150т (при весе в 1,2т и импульсе 297с), изначально предполагалось разместить 24 двигателя на первой ступени ракеты. К окончанию испытаний двигателя в 67г, число их довели до 30, с увеличением полезной нагрузки ракеты от 70 до 90т.

30 двигателей НК 15 на Блоке А РН Н 1.


В ноябре того же года, первый Сатурн 5 уже стоял на стартовой позиции мыса Канаверал, во Флориде. Беспилотная испытательная миссия Аполлона 4 стартовала точно по расписанию 9 ноября 1967г в 12 часов по мировому времени. Первая ступень ракеты S1C благодаря 5 двигателям Ф 1, позволяла ракете высотой в 110м и весом почти в 3000т, развивать стартовую тягу в 3500т!

«Традиционная» для НАСА вертикальная доставка и установка РН Сатурн 5 к стартовому столу. Мыс Канаверал, Флорида. Масштабы впечатляют


Ступень S1C весила 2300т и потребляла 770 000 литров керосина Рп1 и 1 300 000 л кислорода в течении 150 -160 секунд, разгоняя ракету до 2,3 км/с на высоте в 68 км.

Вторая ступень ракеты – SII весом в 460т, включала 5 двигателей J2, обеспечивавших суммарную тягу в 500т в вакууме (импульс 420 с в пустоте). В течении 6 минут все 5 двигателей потребляли 70 тонн водорода и 360т кислорода, пока ступень не отделялась на высоте в 186км, при скорости в 7 км/с.
Третья ступень SIVB (и по совместительству вторая ступень носителя Сатурн 1Б), располагала одним двигателем J2, для которого ступень заправлялась 73 тоннами кислорода и 16т водорода.

Двигатель включался дважды, сначала для довыведения ступени на низкую орбиту в течении 2,5 минут, а затем уже для разгона до Луны. Впрочем, программа Аполлона 4 ограничилась лишь тестированием корабля Аполлон на земной орбите. Грузоподъемность ракеты во время миссии Аполлон 15 составила 140т на низкой земной орбите (НОО).

Схема ракеты Сатурн 5


Запуск РН Сатурн 5


К тому времени советские конструкторы осознали что запаздывают, ибо тестовый полет ракеты Н 1 планировался лишь к 69 году. Для обеспечения приоритета СССР в лунной гонке решено было сконцентрироваться на пилотируемом облете Луны по программе Зонд, с помощью еще молодого тогда детища Челомея – РН «Протон». К первому пилотируемому облету Луны в рамках американской миссии Аполлон 8 в декабре 68 года, Луну успели облететь лишь две советские черепахи.

Пилотируемая версия РН Протон К с лунным кораблем 7к Л1 (облет Луны). Пилотируемые варианты РН легко отличить по расположенной на макушке Системе Аварийного Спасения. Обратите внимание на 4 решетчатых стабилизатора на головном обтекателе РН, по подобию РН «Союз»


Ровно через два месяца, в феврале 69 года, первая ракета Н 1 уже готовилась к первому полету на Байконуре. По планам этот колосс высотой в 105м и весом в 2800т, должен был доставить полезный груз, включавший лунный экспедиционный комплекс 7К-Л1А/Л1С весом в 90т, на земную орбиту.

«Традиционная» уже для советской космонавтики горизонтальная доставка и установка РН Н 1 на стартовый стол. Космодром Байконур


Первая ступень «Блок А», весом в 1880т и вооруженная 30 кислород/ керосиновыми двигателями НК 15, развивала тягу при старте в 4600т, до полной отработки топлива в течении 120 секунд.

3D анимация РН Н 1. Можно заметить выдвижение в полете решетчатых стабилизаторов на первой ступени


Вторая ступень «Блок Б» весом в 560т, разгонялся 8 двигателями НК 15В, развивавшими тягу в 1400т в течении 120 секунд. В виду универсальности ракеты Н 1, «Блок Б» вместе с третьей ступенью «Блоком В» и четвертой «Блоком Г», мог быть использован как самостоятельная РН Н 11, выводившая на НОО 20т полезной нагрузки.

«Блок В» весом в 180т, и суммарной тягой х4 двигателей НК 31 в 170т, работал 6 минут.
Так же отдельно в связке с четвертой ступенью «Блок Г», мог быть использован в качестве РН Н 111, с полезной нагрузкой в 5т.
Четвертая ступень «Блок Г» и пятая ступень «Блок Д» общим весом в 80т использовались для довыведения экспедиционного корабля на земную орбиту и далее на траекторию полета к Луне.

Имитация полета лунного комплекса ракеты Н 1 в орбитере


Сравнение размеров двух конкурентных РН и схема РН Н 1


На практике, все четыре старта ракеты были аварийными. Второй запуск ракеты Н 1, произведенный за несколько недель до исторический миссии Аполлона 11 в июле 69года, закончился уничтожением как самой ракеты, так и всего стартового стола.



Последний, четвертый полет ракеты состоялся 25 ноября 72 года, за две недели до последней, 9ой пилотируемой лунной экспедиции — Аполлона 17. Взрыв одного из двигателей первой ступени за 7 секунд до ее отделения от РН, привел к ликвидации всего носителя.

Одним из основных проблем носителя считают то, что для такой сложнейшей системы из 30 двигателей выбрали слишком грубый вариант отработки – вместо стендовых испытаний, ракету решено было доводить в полете. Причин выбора такого метода несколько – это и позднее вступление СССР в лунную гонку, а так же весьма слабое финансирование проекта: 6 млрд рублей на всю лунную программу СССР, против 6,5 млрд $ лишь на разработку РН Сатурн 5 (90коп/1$ по курсу 60ых).

Пятый старт ракеты был намечен на 74год. Новая версия ракеты — Н1Ф, комплектовалась модифицированными двигателями первой ступени НК 15 –х30 НК 33. Суммарная тяга двигателей доведена до рекордных 5000 тонн, а полезная нагрузка – до 100т! Однако ракете не суждено было взлететь. Заменивший Мишина на посту главного конструктора ракетной техники – В.П. Глушко, закрыл все работы по носителю в мае 74года. Два готовых экземпляра были уничтожены, и лишь стараниями Кузнецова, руководившего разработкой НК 15 и его модификации в ОКБ 276, 150 двигателей НК 33 и 43 были сохранены до наших дней. Его ОКБ в свое время поручили разработку двигателей для Н 1, из за отказа более опытного ОКБ 456 возглавляемого В. П. Глушко.

Сегодня двигатели НК 33 используются на частной американской РН «Антарес» и легкой версии РН «Союз» — 2-1в.

Это единственный момент в истории советской космонавтики, когда средняя или тяжелая ракета летала без двигателей первой ступени от КБ 476 (ныне НПО «Энергомаш») возглавляемого Глушко (на счету ОКБ двигатели РД 107/108 для ракет семейства Р-7, РД 253 для РН «Протон», РД 170/171 для РН «Зенит» и «Энергия»).

Карьера более удачливого оппонента Н 1 — Сатурна 5 завершилась в 1973 году после запуска первой американской орбитальной станции Скайлэб (14 мая). Производственные мощности были сконцентрированы на уже утвержденной программе «Space Shuttle». Кстати двигатели Ф 1 вероятно так же ждет вторая жизнь в лице модификации Ф 1Б для перспективной сверхтяжелой РН для НАСА.

Впрочем «вымирание» лунный гигантов было и началом новой вехи в истории мировой космонавтики. Подробнее об этом в следующей части.

Источник: habrahabr.ru/post/229143/