CC BY
35УДК 629.78.067.8.085(091)(470)
АВАРИЙНОЕ СПАСЕНИЕ ЭКИПАЖА ПИЛОТИРУЕМОГО ТРАНСПОРТНОГО КОРАБЛЯ «СОЮЗ» НА УЧАСТКЕ ВЫВЕДЕНИЯ
(к истории создания уникальной космической техники) © 2020 г. Хамиц И.И., Лебедев Г.В., Овчинников А.Г., Хомяков М.К., Овсянникова Н.Ю., Евсеенко О.В.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
Статья посвящена созданию средств аварийного спасения экипажа космического корабля «Союз» при выведении на орбиту, содержит краткие материалы о научно-исследовательских, проектных, конструкторских и экспериментальных работах, выполненных специалистами РКК «Энергия» (ранее ОКБ-1), ЦНИИмаш (ранее НИИ-88), ЦАГИ и многих других предприятий-участников при разработке средств аварийного спасения.
В статье рассмотрены компоновочные решения по отделяемому головному блоку, алгоритмы работы системы аварийного спасения, представлены результаты моделирования движения отделяемого головного блока и структурных частей корабля в случае аварии носителя, приведены краткие результаты анализа реальных случаев аварийного спасения экипажа, включая аварию ракеты-носителя «Союз-ФГ» 11 октября 2018 г.
Ключевые слова: спускаемый аппарат, отделяемый головной блок, система аварийного спасения, средства отделения.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-2-115-129
EMERGENCY RECOVERY OF THE CREW OF THE MANNED TRANSPORTATION SPACECRAFT SOYUZ DURING ASCENT TO ORBIT (towards a history of development of the unique space hardware) Khamits I.I., Lebedev G.V., Ovchinnikov A.G., Khomyakov M.K., Ovsyannikova N.Yu., Evseenko O.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
The paper is dedicated to the development of the equipment for emergency recovery of the Soyuz spacecraft crew during ascent to orbit, and contains a summary of research, engineering, design and experimental studies, carried out by specialists of RSC Energia (formerly OKB-1), TsNIIMash (formerly NII-88), TsAGI and many other companies that were involved in the development of the emergency crew rescue equipment.
The paper discusses layout arrangements for the emergency escape nose section, algorithms for the operation of the emergency rescue system, provides results of simulations of the motion of the emergency escape nose section and structural parts of the spacecraft in case of the launch vehicle failure, provides brief results of the analysis of actual cases of emergency crew rescue, including the failure of Soyuz-FG launch vehicle on October 11, 2018.
Key words: descent vehicle, emergency escape nose section, separation equipment.
ХАМИЦ И.И.
ЛЕБЕДЕВ Г.В.
овчинников А.Г.
хомяков м.к.
ОВСЯННИКОВА Н.Ю.
ЕВСЕЕНКо о.В.
ХАМИЦ Игорь Игоревич — руководитель Центра РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
KHAMITS Igor Igorevich — Head of Center at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЛЕБЕДЕВ Геннадий Васильевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
LEBEDEV Gennady Vasilyevich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ОВЧИННИКОВ Александр Геннадьевич — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
OVCHINNIKOV Aleksandr Gennadiyevich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ХОМЯКОВ Михаил Кимович — кандидат технических наук, начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
KHOMYAKOV Mikhail Kimovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ОВСЯННИКОВА Наталья Юрьевна — инженер-программист 1 категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
OVSYANNIKOVA Natalya Yuryevna — Software engineer 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЕВСЕЕНКО Ольга Владимировна — инженер 1 категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
EVSEENKO Olga Vladimirovna — Engineer 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]
История создания средств аварийного спасения
В 1961 г. начались научно-технические и проектные исследования по пилотируемым кораблям следующего поколения. В период 1961-63 гг. были определены основные проектные решения по кораблю 7К для облета Луны в составе комплекса (7К — корабль; 9К — разгонный блок; 11К — танкер для заправки 9К). Эти работы включали выбор способов и средств аварийного спасения экипажа на участке выведения [1].
Проектно-компоновочные работы и исследования по аварийному спасению экипажа проводились по следующим направлениям [1, 2]:
1. Выбор способа аварийного спасения, а именно: применение отделяемого головного блока (ОГБ) или катапультирование экипажа. На этом этапе были выполнены проектные исследования по анализу эффективности сравниваемых способов спасения и их влиянию на характеристики корабля; два варианта компоновки были рассмотрены и отработаны на двух полноразмерных макетах спускаемого аппарата (СА): в первом варианте применялись две парашютные системы (основная и запасная); во втором — одна парашютная система и три катапультных кресла. По результатам сравнительного анализа был выбран вариант СА с двумя парашютными системами и, соответственно, способ спасения «применение ОГБ».
2. Выбор компоновки ОГБ: аэродинамически устойчивая или нейтральная схема с учетом задней центровки ОГБ из-за расположения СА. Эти проработки проводились на фоне анализа предложенной Летно-испытательным институтом Министерства авиационной промышленности нейтральной компоновки ОГБ с разворотом в полете (подтвержденной натурным экспериментом с полноразмерным макетом СА). В итоге на основе проектно-баллистических исследований была принята разработанная ОКБ-1 статически устойчивая компоновка с применением складываемых решетчатых стабилизаторов, так как в этом случае было исключено возникновение больших поперечных перегрузок на экипаж и конструкцию при полете ОГБ.
3. Аэрогазодинамические исследования по выбору оптимальных внешних обводов
ОГБ, средств аэродинамической стабилизации и по влиянию струй ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) на характеристики ОГБ (с большим объемом аэродинамических исследований на моделях ОГБ в аэродинамических трубах).
4. Проработки по конструкции и механизмам уводимой части головного обтекателя (ГО), по сопряжению уводимых отсеков корабля с ГО (проводимые с участием специалистов Куйбышевского филиала ОКБ-1).
5. Определение параметров аварийности и расчетных моделей аварии ракеты-носителя (РН).
6. Определение приборного состава и характеристик автоматики системы аварийного спасения (АСАС), проработки по сопряжению с системой управления (СУ) РН.
7. Определение характеристик твердотопливных двигателей в составе ОГБ, выбор и привлечение к работам смежных организаций-разработчиков: ОКБ завода № 81 (ныне МКБ «Искра» им. И.И. Картукова) и НИИ-125 (ныне ФЦДТ «Союз»).
8. Формирование методики и программы автономных, комплексных и межведомственных испытаний ОГБ и С А, системы приземления СА, бортовых систем корабля, участвующих в процессе аварийного спасения.
Несколько слов об организации этих работ в ОКБ-1 на этапе поисковых исследований и выпуска проектной документации [1, 3]:
• отдел 9 (начальник отдела М.К. Ти-хонравов) — проектирование корабля в целом (компоновка — В.Н. Бобков, В.В. Молодцов, А.Н. Максименко, состав и взаимодействие бортовых систем, программа полета — К.С. Шустин,
A.А. Горшков, В.Е. Любинский, Э.К. Демченко) проводилось под руководством К.П. Феоктистова;
• отдел 11 (начальник отдела В.Ф. Ро-щин) — проектирование СА и ОГБ проводилось под руководством А.Г. Решетина: по СА (В.А. Тимченко, В.Е. Миненко,
B.А. Леонов, Б.С. Шиманский); по ОГБ (Л.А. Волгин, Г.В. Лебедев); по системе приземления СА (Л.А. Волгин, В.А. Овсянников, Е.П. Уткин, Н.А. Петров); исследования по аэрогазодинамике, баллистике, нагрузкам, нагреву и теплозащите СА и ОГБ (В.Д. Осипов, Н.В. Гречко, Е.А. Тюлин,
Г.А. Долгополов, Л.К. Лещенко, Б.П. Плотников, Ю.П. Балашов); по методике экспериментальной отработки СА и ОГБ (В.А. Тимченко, Л.А. Волгин);
• отдел 3 (начальник отдела Я.П. Ко-ляко) — проектные работы с участием специалистов Куйбышевского филиала ОКБ-1 по конструкции и механизмам головного обтекателя (П.И. Ермолаев, И.П. Фирсов, В.И. Трофимов, В.Н. Новиков, А.Г. Ендуткин), по средствам отделения корабля от РН и по динамике процессов разделения (С.Ф. Пармузин, В.В. Кокушкин, Н.К. Петров); в дальнейшем все эти работы были полностью переданы в Куйбышевский филиал (Г.Е. Фомин, В.С. Савинов, Г.П. Житин);
• отдел 5 (начальник отдела И.Е. Юра-сов) — разработка АСАС, определение взаимодействия системы управления РН и АСАС (Б.М. Пенек, В.И. Бурячко, А.Г. Когутенко, Ю.А. Тимченко, О.М. Юдина);
• общее руководство осуществлял заместитель главного конструктора К.Д. Бу-шуев, включая взаимодействие между отделами и со смежными предприятиями.
В 1964 г. основные проектные работы по лунным вариантам пилотируемых кораблей были сосредоточены в отделе 93 (начальник — И.С. Прудников), в который были переведены проектанты из отделов 9 и 11, заместителями начальника отдела были назначены К.П. Феоктистов и В.А. Тимченко. Одновременно проводились проработки по выбору первого этапа работ по кораблю 7К.
В начале 1965 г. С.П. Королёв выступает на НТС Государственного комитета оборонной техники [4] с новой программой работ по кораблю 7К — курсом на отработку стыковки двух кораблей на околоземной орбите. Затем был выпущен эскизный проект, корабль получил название «Союз», обозначение 7К-ОК (индекс 11Ф615).
После выпуска эскизного проекта большая часть проектантов временно, на один год, была переведена в конструкторские отделы для выпуска рабочей документации. В течение 1965-66 гг. была выпущена рабочая документация, начато изготовление макетных и летных образцов корабля, выполнен большой объем наземной отработки.
Особое внимание было обращено на формирование программы комплексных и межведомственных испытаний ОГБ и СА, системы приземления СА, бортовых
систем корабля, участвующих в процессе аварийного спасения (Я.И. Трегуб, П.В. Цыбин, А.Г. Решетин, В.А. Тимченко, А.И. Яцушко, Б.И. Смирнов).
Первоначально (с учетом зарубежного опыта аналогичных испытаний по программам «Меркурий» и «Аполлон») планировалось проведение испытаний в трех наиболее тяжелых расчетных случаях:
• авария на стартовом комплексе (СК);
• авария на начальном участке полета РН (имитация случая потери устойчивости и управляемости РН);
• авария в зоне максимальных скоростных напоров.
Первые два расчетных случая были реализованы при испытаниях полноразмерных экспериментальных изделий Э1498. Первое испытание Э1498 (рис. 1) было проведено в начале декабря 1966 г. При анализе результатов испытаний было установлено, что при воздействии струй центрального ракетного двигателя (ЦРД) из-за возникновения резонансных колебаний была разрушена обшивка цилиндрической части ГО (на длине ~700 мм), одновременно внутри ГО из-за затекания струй произошло возгорание внутренней теплоизоляции ГО и повреждение бортовой кабельной сети АСАС. Для устранения этих замечаний были проведены соответствующие доработки, в первую очередь на цилиндрическую часть ГО была нанесена теплозащита, которая изменила собственные частоты колебаний конструкции и устранила возникновение резонанса, затем были реализованы противопожарные мероприятия на ОГБ.
14 декабря 1966 г. планировался запуск космического корабля «Союз 7К-ОК №2» (в беспилотном варианте). На заключительном этапе предстартовой подготовки в момент запуска двигателей носителя произошло их аварийное выключение, и с РН было снято электропитание, но электропитание корабля не было выключено. Через ~7 мин после этого был выработан ложный сигнал «Авария» из-за ошибок в схеме сопряжения АСАС и СУ РН. Отделение ОГБ произошло до сведения ферм, ОГБ был уведен от РН, затем в заданное время от ОГБ отделился СА и приземлился на безопасном расстоянии от СК [1].
На приборно-агрегатном отсеке (ПАО) корабля из-за воздействия струй ЦРД в условиях пролива охлаждающей жидкости
(изооктан) системы терморегулирования при расстыковке гидроразъемов при работе пиросредств разделения СА-ПАО и аварийного стыка ГО произошло местное возгорание. Огонь распространился на топливные баки носителя, что привело к пожару и взрыву РН.
I
' /Л
б)
Рис. 1. Первое испытание экспериментальной установки Э1498: а — Э1498 на стартовой площадке; б — начальный этап полета отделяемого головного блока (ОГБ) Э1498; 1 — ОГБ; 2 — часть головного блока, остающаяся на стартовой площадке; 3 — струи управляющего двигателя; 4 — струи основного двигателя
По результатам анализа была установлена причина выработки ложной команды «Авария» и проведена серия доработок: реализовано проектное требование по блокированию параметров аварийности РН до прохождения команды «Контакт подъема»; для взведения и отбоя САС и систем корабля введены транзитные цепи на РН (минуя кабель-мачту), внедрены самозапирающиеся клапаны на трубопроводах системы терморегулирования, установлены огнетушители
на головном обтекателе, и введена противопожарная защита приборов и бортовой кабельной сети автоматики САС.
Указанные доработки были проверены при втором пуске экспериментальной установки Э1498 12 апреля 1967 г. с положительным результатом. Позже, начиная с корабля с заводским № 8, проведена замена охлаждающей жидкости на антифриз.
Для реализации третьего расчетного случая испытаний САС (при максимальных скоростных напорах) планировалось выведение головного блока корабля «Союз» с помощью межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) 8К71, снимаемой в тот период с вооружения. Предварительные проработки показали высокую стоимость подобного эксперимента, и принятие решения по этому вопросу затягивалось. Окончательное решение было принято в 1967 г., когда ОГБ корабля 7К-Л1 (для облета Луны) обеспечил спасение СА при аварии РН «Протон» в зоне максимального скоростного напора [5]. Поскольку ОГБ кораблей «Союз» и Л1 разрабатывались на единых технических принципах, было принято решение отказаться от испытаний ОГБ корабля «Союз» на режиме максимального скоростного напора.
В период с 1968 г. и до настоящего времени корабль «Союз» и средства его выведения прошли несколько модернизаций [1, 5]. Модернизация проходила по двум направлениям:
• модернизация РН с целью увеличения выводимой массы корабля;
• модернизация корабля с целью улучшения его характеристик, повышения надежности и безопасности.
Оба направления привели к увеличению массы уводимых в составе ОГБ отсеков корабля (на 25%) и, соответственно, к необходимости увеличения энергетических характеристик твердотопливных двигателей аварийного спасения.
Основные направления модернизации периода 1972-83 гг.:
• введен ранний сброс двигательной установки системы аварийного спасения (ДУ САС) с целью увеличения выводимой массы корабля;
• введена новая программа (1А) аварийного спасения на участке полета от момента отделения ДУ САС до сброса ГО;
• уточнено значение тротилового эквивалента при взрыве РН и параметры
