CC BY
35УДК 629.78.047(09)
основные технические решения по ракетно-космическому комплексу «восток» в обеспечение безопасности полёта экипажа на участке выведения
(к 60-летию первого полёта человека в космос) © 2021 г. Лебедев г.в., 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 анализу технических и организационных решений по ракетно-космическому комплексу «Восток» в обеспечение безопасности полёта экипажа на участке выведения с учётом необходимости выполнения работ в предельно сжатые сроки. Рассмотрены результаты лётных испытаний ракет семейства Р-7 и состояние работ по созданию средств аварийного спасения экипажа к моменту первого пилотируемого полёта корабля «Восток». Выполнен анализ аварийных ситуаций, мероприятий по обеспечению безопасности предстартовой подготовки и полёта на участке выведения. Проведено сравнение отечественного проекта «Восток» и проекта «Меркурий» США.
Ключевые слова: ракетно-космический комплекс, космический корабль, спускаемый аппарат, безопасность экипажа.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2021-1-5-19
KEY ENGINEERING SOLUTIONS IMplemented
in rocket and space system vostok to assure crew safety during ascent
(towards 60th anniversary of the first man in space) lebedev G.V., 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 analyzes engineering and operational solutions implemented in rocket and space system Vostok to assure crew safety during ascent in view of the need to complete the work on an extremely short notice. It reviews the results of flight tests of launch vehicles belonging to the R-7 family and the status of work to develop a crew escape system by the time when the first manned mission of Vostok spacecraft took place. It provides an analysis of emergencies and measures to assure safety during prelaunch processing and ascent phase. The paper draws comparisons between our country's project Vostok and US project Mercury.
Key words: rocket and space system, spacecraft, descent vehicle, crew safety.
лебедев г.в. евсеенко о.в.
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]
ЕВСЕЕНКО Ольга Владимировна — инженер I категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
EVSEENKO Olga Vladimirovna — Engineer 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]
Краткие сведения по начальному этапу создания ракетно-космического комплекса «восток» [1, 2]
С сентября 1957 по январь 1958 г. в ОКБ-1 с привлечением смежных организаций проводились широкие баллистические, аэрогазодинамические, медицинские и проектные исследования по выбору формы спускаемого аппарата (СА), состава бортовых систем, компоновки и программы полёта пилотируемого корабля-спутника. Результаты этих исследований позволили начать проектный этап создания корабля и подготовить отчёт «Материалы предварительной проработки вопроса о создании спутника Земли с человеком на борту (объекта ОД-2)».
В отчёте были рассмотрены основные характеристики и компоновочная схема ОД-2, форма СА и его тепловая защита, состав бортовых систем, включая систему приземления, программы экспериментальных работ и сделаны основные выводы, определившие в дальнейшем успех проекта. Приведём несколько подобных выводов, относящихся к тематике нашей статьи:
• надёжность и безопасность полёта человека обеспечивается функциональным дублированием систем, агрегатов
и принципиально разными способами реализации полётных операций;
• для выведения корабля на орбиту искусственного спутника Земли (ИСЗ) используется трёхступенчатая ракета семейства Р-7 с полезной нагрузкой 4 500-5 000 кг (ограничение по массе корабля);
• баллистический спуск СА;
• надёжное приземление пилота обеспечивается катапультированием на высоте 8-10 км;
• приземление пилота в СА является функциональным дублированием при отказе процесса катапультирования;
• отказ от предварительных суборбитальных полётов корабля с человеком;
• проведение одного-двух полётов корабля с животными по штатной программе.
В июне 1958 г. принципиальные результаты проработки были одобрены С.П. Королёвым, отчёт был подписан 15 сентября 1958 г., затем началась разработка конструкторской документации и выдача технических заданий на бортовые системы ещё до выпуска правительственного решения по созданию двух вариантов кораблей (спутника-фоторазведчика и пилотируемого).
Большой вклад в проектную разработку ракетно-космического комплекса
(РКК) «Восток-К» внесли специалисты ОКБ-1: К.Д. Бушуев, М.К. Тихонравов, Е.Ф. Рязанов, К.П. Феоктистов, П.И. Ермолаев, Г.Н. Дегтяренко, Р.Ф. Аппазов, В.В. Молодцов, А.В. Афанасьев, К.С. Шу-стин, Е.Н. Церерин, Л.Н. Солдатова, В.Г. Супрун, В.Н. Дудников, Б.Н. Николаев, В.И. Бодриков, Б.П. Сотсков, В.И. Фрум-сон, В.П. Кураев, В.А. Яздовский, О.Г. Макаров, В.Е. Любинский, Н.М. Терешенкова, Л.А. Волгин, а также следующие основные предприятия:
• ОКБ-2 (А.М. Исаев) — тормозная двигательная установка;
• НИИ-88 (Г.А. Тюлин) — автономная система регистрации «Мир-2»;
• ЦКБ-598 (Н.Г. Виноградов) — оптический регистратор «Взор» и датчики системы ориентации «Гриф»;
• завод 918 (С.М. Алексеев) — скафандр с системой вентиляции и кислородного питания, катапультное кресло, манекен для беспилотного корабля;
• ЛИИ (Н.С. Строев) — пульт управления, работы лаборатории Г.И. Северина по безопасности экипажа, по экспериментальной отработке катапультного кресла;
• ОКБ-124 (Г.И. Воронин) — система регенерации воздуха;
• НИИ-137 (В.А. Костров) — система аварийного подрыва (для беспилотного корабля);
• НИИ-695 (Л.И. Гусев) — система связи и пеленгации СА;
• НИИ-648 (А.С. Мнацаканян) командная радиолиния;
• ВНИИТ (Н.С. Лидоренко) — источники тока;
• ОКБ МЭИ (А.Ф. Богомолов) радиотелеметрическая система «Трал-П1», система радиоконтроля орбиты «Рубин»;
• НИИ-380 (И.А. Росселевич) — телевизионная система «Топаз»;
• НИЭИ ПДС (Ф.Д. Ткачев) — парашютная система СА.
Всего в создании корабля участвовали 123 организации, включая 36 заводов.
В октябре 1960 г. вышло постановление Правительства о проведении подготовки и запуска космического корабля «Восток» (ЗКА) с человеком на борту. Летом 1960 г. начались наземные испытания бортовых систем корабля. В частности, люк катапультирования отстреливался 50 раз, головной обтекатель прошёл пять испытаний, отделение макета корабля от ракеты-носителя (РН) — 15.
Одновременно проводились экспериментальные запуски варианта корабля 1К на орбиту:
• корабль 1КП (15 мая 1960 г.) не вернулся на Землю из-за ошибки ориентации при выдаче тормозного импульса;
• корабль 1К (28 июля 1960 г.) с собаками Гайкой и Лисичкой на борту не вышел на орбиту из-за аварии РН на 28,5 с полёта;
• корабль 1К (18 августа 1960 г.) с собаками Белкой и Стрелкой вернулся с орбиты 20 августа 1960 г., цель запуска — исследование влияния факторов космического полёта на биологические объекты;
• корабль 1К (1 декабря 1960 г.) с собаками Пчёлка и Мушка (выполнена программа участка выведения и орбитального полёта). Из-з а отказа в системе управления тормозной ДУ спуск СА происходил в нерасчётный район, и СА был уничтожен системой аварийного подрыва;
• корабль 1К (22 декабря 1960 г.) -на участке выведения на 425 с полёта произошла авария III ступени РН. СА отделён по аварийной программе и нормально приземлился, совершив суборбитальный полёт. Из -за отказа катапультного кресла собаки Комета и Шутка приземлились в СА и остались живы.
В начале 1961 г. начались лётные испытания серии кораблей ЗКА:
• корабль ЗКА № 1 (9 марта 1961 г.) был укомплектован штатными бортовыми системами, в СА была размещена собака Чернушка, а в катапультном кресле — манекен. Программа полностью выполнена;
• корабль ЗКА № 2 (25 марта 1961 г.), комплектация и программа полёта аналогичные кораблю ЗКА № 1. Программа полёта полностью выполнена.
Необходимо остановиться на уникальных особенностях организации работ того времени, внедрённых С.П. Королёвым:
• параллельное проведение работ по различным этапам создания изделия (выпуск документации, изготовление и лётные испытания);
• запрет на внесение изменений в техническую и эксплуатационную документацию серии кораблей ЗКА до осуществления первого пилотируемого полёта;
• неизменный состав специалистов, обеспечивающих подготовку корабля к полёту.
Успешный полёт корабля ЗКА № 2 завершил этап лётных испытаний РКК «Восток» по подготовке первого пилотируемого полёта. Были выполнены следующие основные работы:
• 46 пусков ракет семейства Р-7, подтвердивших надежность полёта I и II ступеней РН «Восток»;
• 16 пусков III ступени РН (блок Е);
• 7 запусков кораблей «Восток» (1К и ЗКА);
• завершены наземные испытания бортовых систем корабля;
• получены экспериментальные данные по воздействию условий космического полёта на животных, которые подтвердили возможность полёта человека.
Ниже в статье будет рассмотрено более подробное содержание этих работ (кроме медико-биологических исследований).
После успешного завершения полёта корабля ЗКА № 2 Государственная комиссия приняла решение о возможности полёта человека в космос на кораблях «Восток ЗКА» Программа полётов предусматривала запуск шести кораблей этой серии с учётом усовершенствования бортовых систем и программы полёта.
12 апреля 1961 г. совершил полёт корабль ЗКА № 3 с лётчиком-космонавтом Ю.А. Гагариным (орбита с параметрами: апогей — 327 км, перигей — 181 км). Уникальное достижение нашей страны показало всему миру, что наступила эра освоения человеком космического пространства. Затем в течение 1961-1963 гг. были успешно осуществлены пять полётов кораблей серии «Восток» с космонавтами Г.С. Титовым, А.Г. Николаевым, П.Р. Поповичем, В.Ф. Быковским, В.В. Терешковой.
Обеспечение безопасности полёта на этапах подготовки к старту и выведения пилотируемого корабля на орбиту включает в себя решение нескольких взаимосвязанных задач:
• получение высоких показателей надёжности стартового оборудования и РН на основе анализа лётных испытаний и наземной отработки;
• проведение анализа аварийных ситуаций;
• выбор критериев аварийности, разработка методов и средств контроля аварийного состояния;
• разработка методов и средств аварийного спасения экипажа.
В статье последовательно рассматриваются эти основные направления работ при подготовке и осуществлении первого пилотируемого полёта корабля «Восток», но, прежде чем перейти к анализу лётных испытаний, рассмотрим основные характеристики РН «Восток» и историю её развития.
ракета космического назначения «восток-К»
Первый этап развития РН семейства Р-7 [1, 3-5] относится к периоду 1954...1966 гг., включает два типа РН:
• РН «Спутник»;
• РН «Восток».
Основой для создания РН послужила двухступенчатая межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) Р-7. В процессе предварительных исследований, выполненных в 1952-1954 гг., были проанализированы различные конструктивно-компоновочные схемы двухступенчатых МБР:
• последовательное деление ступеней (схема «тандем»);
• параллельное деление ступеней («пакетная» схема) в различных вариантах:
- с включением всех двигателей ракеты на старте;
- с задержкой включения двигателя центрального блока;
- с подпиткой центрального блока топливом из боковых блоков на участке работы I ступени.
Предпочтение было отдано «пакетной» схеме с включением всех двигателей до старта. В основе этого решения лежали следующие выводы:
• включение двигателя центрального блока до старта РН позволяет повысить надёжность МБР в целом (это обстоятельство было определяющим, так как МБР оснащалась термоядерным боевым зарядом);
• включение двигателя в условиях вакуума в тот период времени ещё было нерешённой проблемой;
• подпитка центрального блока из боковых блоков позволяла улучшить энергетические характеристики МБР, но не была принята из-за усложнения пневмо-гидравлических систем ракетных блоков.
Были проанализированы различные виды топлива, и в результате была выбрана топливная пара «кислород-керосин» из-за наиболее высоких энергетических характеристик.
Применение выбранной компоновочной схемы ракеты потребовало создания достаточно сложных стартового сооружения и транспортировочно-установочного оборудования, однако трудности в решении этих задач были преодолены.
На основе результатов предварительных исследований в 1954 г. началась разработка МБР Р-7. Наземные огневые испытания ракетных блоков были проведены в 1956 г. (пять испытаний боковых блоков и три — центрального блока), в начале 1957 г. были проведены два стендовых испытания «пакета».
Первый пуск МБР Р-7 состоялся 15.05.1957 г. и закончился аварийно, второй пуск 10.06.1957 г. не состоялся из-за отказа ДУ при запуске, третий пуск
12.07.1957 г. также закончился аварией. Первый успешный пуск (четвёртый по счёту) состоялся 21.08.1957 г., когда впервые в мире была достигнута межконтинентальная дальность полёта.
Невозможно назвать всех исполнителей этой гигантской работы, но основными разработчиками, проектантами и исследователями были П.И. Ермолаев, К.Д. Бушуев, С.С. Крюков, Е.Ф. Рязанов, И.П. Фирсов, А.И. Нечаев, Г.С. Ветров, Г.Н. Дегтяренко, Я.П. Коляко, О.Н. Воропаев, С.С. Лавров, Р.Ф. Аппазов, П.Ф. Шульгин, П.А. Ершов, В.М. Удоден-ко, А.Ф. Кулябин, В.Ф. Рощин, А.Г. Решетин, А.Ф. Тюрикова, В.Ф. Гладкий, О.Д. Жеребин, С.Ф. Пармузин, В.М. Протопопов, В.М. Ливенцов, А.Н. Воль-цифер, В.А. Удальцов, М.В. Мельников, И.И. Райков, Б.А. Соколов [1].
На базе ракеты Р-7 была создана двухступенчатая РН «Спутник». Её отличие от МБР заключалось в замене боевой головной части головным обтекателем, введением дросселирования двигателя центрального блока, а также дросселирования двигателей боковых блоков перед разделением ступеней, снятии системы радиоуправления, замене радиоотсека переходным отсеком, сокращении объёма бортовых измерений.
Во время первого запуска РН «Спутник» 04.10.1957 г. впервые в мире на орбиту был выведен искусственный спутник Земли, затем были проведены запуски второго и третьего ИСЗ (03.11.1957 г. и
15.05.1958 г.). Максимальная масса полезного груза, выводимого РН «Спутник» при запуске третьего ИСЗ, составляла 1,327 т.
Для повышения энергетических возможностей РН был разработан ракетный блок III ступени — блок Е. Трёхступенчатая РН с этим блоком получила название «Восток». Установка на РН блока Е позволила увеличить массу КА, выводимых на низкую орбиту, до 4,73 т, а более легким КА (до 0,39 т) сообщать скорость, близкую ко второй космической и достаточную для полётов к Луне.
В эксплуатации были два варианта РН «Восток» — для полёта на низкую орбиту и для полёта на высокие орбиты или для достижения второй космической скорости (в этом варианте РН называлась «Восток-Л»). С помощью РН «Восток-Л» в 1959 г. были осуществлены первые пуски автоматических космических аппаратов (КА) к Луне.
РН «Восток» использовалась для запусков автоматических КА (массой ~4,7 т) и пилотируемых космических кораблей «Восток». Первый беспилотный полёт корабля «Восток» состоялся 15.05.1960 г., первый пилотируемый полёт — 12.04.1961 г. На кораблях «Восток» в 1961-1963 гг. совершили орбитальные полёты первые шесть советских космонавтов. РН «Восток» применялась до 1988 г., всего было 163 пуска РН этого типа.
РН «Восток» являлась дальнейшим развитием РН «Спутник». Ракетные блоки I и II ступеней (блоки А, Б, В, Г и Д) практически без изменений были заимствованы с РН «Спутник». Для повышения энергетических возможностей РН «Восток» была оснащена III ступенью — ракетным блоком Е (рис. 1).
Блок Е устанавливался на центральный блок А с помощью переходной фермы. Предусмотрена «горячая» схема разделения III и II ступеней, что потребовало применения на кислородном баке центрального блока специального теплозащитного экрана. На блоке Е применялся кислородно-керосиновый двигатель РО-7 со следующими характеристиками:
тяга (в пустоте) 5.5,6 т;
удельный импульс
(в пустоте) 326 с;
удельная масса 20 кг на тонну тяги.
Это был первый российский жидкостной ракетный двигатель, запускаемый в пустоте. Для привода турбины турбо-насосного агрегата использовался газ от газогенератора, работающего на основных компонентах топлива.
РН «Восток» применялась в двух модификациях:
• «Восток-Л» — для выведения полезных нагрузок к Луне, а также на высокоэллиптические орбиты;
• «Восток» — для выведения полезных нагрузок на низкие орбиты.
Схемы РН «Восток-Л» и «Восток» приведены на рис. 2, основные характеристики — в табл.1.
Основные сведения по пускам РН «Восток» за период 1958-1988 гг. представлены на рис. 3.
Рис. 1. Начальный период развития семейства ракет-носителей (РН) типа Р-7
Рис. 2. Ракеты-носители «Восток-Л» (слева) и «Восток»
Таблица 1
Основные характеристики РН «Восток-Л» и «Восток»
Наименование РН «Восток-Л» РН «Восток»
Стартовая масса, т
- I ступень 279 287
- II ступень 67 77
- III ступень 8,5 12,5
Масса топлива, т
- в боковых блоках 155.. 160
- в центральном блоке 90...95
- в блоке Е 5. 6
Тяга, т
- I ступень 408 408
- II ступень 96 96
- III ступень 5 5,6
Удельная тяга, т
- I ступень (на Земле) 254 254
- II ступень (в пустоте) 315 315
- III ступень (в пустоте) 326 326
Масса полезного груза, т
- на траектории полёта к Луне 0,390 —
- на низкой орбите — 4,735
Размеры, м:
- длина 34,150 38,360
- максимальный диаметр бокового блока 2,66
- максимальный диаметр центрального блока 2,95
- размер по воздушным рулям 10,3
Сухая масса, т, в т. ч.:
- боковых блоков 15 15
- центрального блока 6 6
- III ступени 2 2
- головного обтекателя 0,72 0,8
Рис. 3. Основные результаты пусков РН «Восток» за период 1958-1988 гг.: общее количество пусков — 163, количество аварий — 13
дальнейшее развитие семейства р-7
Эта тема лежит за рамками статьи, но является чрезвычайно интересной по многим аспектам, поэтому приведём очень краткие оценки.
На рис. 4 представлены сводные данные по запускам всех РН этого семейства за период 1957-1991 гг. (включая РН «Спутник», «Восток», «Молния», «Союз»). Эти данные показывают, что
было создано уникальное семейство наиболее надёжных и массовых носителей, которое постоянно совершенствовалось.
В период 1992-2000 гг. в отрасли возникла дискуссия о дальнейших путях развития РН этого класса:
• ГНПРКЦ «ЦСКБ «Прогресс» предлагал направление постепенной модернизации с сохранением базовых технических решений по основным системам РН;
Рис. 4. Основные результаты пусков РН семейства Р-7 за период 1957-1991 гг.: общее количество пусков количество аварий — 60
1 445,
• РКК «Энергия» было выбрано направление глубокой модернизации и предложены новые РН «Аврора» и «Онега», дающие существенный выигрыш массы полезного груза при выведении на геостационарную орбиту. В частности, был разработан вариант РН «Онега» морского базирования (совместно с ЦКБ «Рубин»), который по массе полезного груза был сравним с РН «Зенит-Э5£» программы Sea Launch (рис. 5).
Экономическая ситуация в нашей стране в тот период не позволяла развернуть масштабные работы, и поэтому было принято и успешно реализовано направление
«Онсга-МБ»
модернизация разгонного блока ¿ с солнечной энергодвигателъной * установкой
VO О, о я в
и л
ч о ¡и 3
со
я
постепенной модернизации. В итоге, в настоящее время эксплуатируются несколько последних модификаций РН двух типов — «Союз-2.1а» и «Со-юз-2.1б», запуски которых осуществляются с четырёх полигонов: Плесецк, Байконур, Восточный, Куру. Работы по дальнейшей модернизации РН «Союз-2» продолжаются в настоящее время — была создана модификация «Союз-2.1в» (РН лёгкого класса) с использованием двигателя типа НК-33. Более подробные сведения о развитии РН типа Р-7 представлены ГНПРКЦ «ЦСКБ «Прогресс» в книге [3].
«Ангара А5»
модернизация
'Ж
«О пега»
модернизация разгонного блока с солнечной энергодвигательной установкой
«Онега»
с разгонным блоком «Ястрсб-М»
«Онега-МБ»
4 Зенит- 3SL*
N Аврора» * «Ангара A3»
«Онега» базоиый вариант
О
«Союз-2» этап 16 О
q -аСрюз-ФГ»
Средний класс РКН
Ü
ÍÜÜ
200
300
СОО
Д «Про тон-М»
Д ♦«Ангара А5» «Протон-К»
на приэкваториальных зон1 из Плесецка с Байконура
Тяжелый классPKII
700
800
400 500
Стартовая масса, т
Рис. 5. Отечественные ракеты-носители, предназначенные для выведения полезной нагрузки на геостационарную орбиту
Головной блок РКН «Восток-К» [1, 2]
Состав головного блока (рис. 6):
• корабль (модификации 1К и ЗКА);
• головной обтекатель;
• элементы связи корабля с блоком Е РН и средства отделения корабля от РН.
Корабль состоял из спускаемого аппарата и приборного отсека с тормозной ДУ (рис. 7). Основные характеристики корабля представлены в табл. 2.
Головной обтекатель защищал корабль от воздействия нагрузок на атмосферном участке траектории выведения и сбрасывался на 151-155 с штатного полёта. Масса обтекателя — 0,8 т. На боковой поверхности обтекателя было предусмотрено отверстие, позволяющее произвести выход крышки люка катапультирования и катапультного кресла
в процессе аварийного спасения на стартовом комплексе и на начальном участке полёта.
Таблица 2
Основные характеристики корабля «Восток»
Наименование Характеристики
Стартовая масса, т 4,725
в т. ч.: - СА 2,46
- приборный отсек 2,265
Габариты, м:
- длина 4,41
- диаметр 2,43
- диаметр СА 2,3
- свободный объём в СА, м3 1,6
Перегрузка на участках спуска 9-10 ед.
Продолжительность полёта до 10 сут
Рис. 6. Головной блок с кораблем «Восток»
Рис. 7. Космический корабль «Восток» (ЗКА): 1 —
телевизионная камера; 2 — оборудование обеспечения жизнедеятельности; 3 — спускаемый аппарат; 4 — приборная доска; 5 — рукоятка управления ориентацией; 6 — антенны командной радиолинии; 7 — пилот в катапультируемом кресле; 8 — баллоны системы ориентации и системы вентиляции скафандра; 9 — антенны переговорной радиолинии «Заря»; 10 — антенны системы «Сигнал»; 11 — тормозная двигательная установка; 12 — антенны телеметрической системы; 13 — жалюзи системы терморегулирования; 14 — датчик ориентации по Солнцу; 15 — система оптической ориентации «Взор»
Средства отделения корабля от РН обеспечивали безударное разделение и увод от РН при условии штатного или аварийного выключения ДУ РН, а также введения определённой временной задержки после получения исходной команды.
Анализ аварийных ситуаций [2]
В работах по анализу реальных аварийных ситуаций РКК (или РН) можно выделить два основных взаимосвязанных направления:
• изучение конкретной причины (или совокупности причин и условий) аварии и разработка мероприятий по их устранению;
• определение характера развития и последствий аварийной ситуации, изучение типичных особенностей поведения жизненно важных систем РКК в условиях аварии.
Итогом работ по первому направлению является реализация на РКК (РН) конкретных мероприятий и доработок отдельных узлов, агрегатов или приборов с целью исключения повторения подобных аварийных ситуаций.
Второе направление работ при анализе реальных аварийных ситуаций ставит своей главной целью получение совокупности данных, характеризующих развитие и последствия аварийных ситуаций и необходимых для решения проблемы безопасности при полётах РКК различного назначения.
Результаты подобного обобщённого анализа аварийных пусков РН и РКК позволяют решить следующие основные задачи:
• определить типичные характеристики развития и последствий той или иной аварийной ситуации;
• выявить опасные факторы, которые могут действовать на экипаж, конструкцию РКК, наземный персонал, наземное оборудование и другие составляющие РКК;
• разработать средства контроля и предотвращения аварийных ситуаций;
• определить меры безопасности при подготовке РКК (РН) на стартовом комплексе;
• задать требования по безопасности к трассам выведения РН и районам падения сбрасываемых элементов РКК (РН);
• определить требования к средствам обеспечения безопасности экипажа и наземного персонала.
Таким образом, анализ совокупности аварийных ситуаций позволяет не только выявить слабые места в той или иной системе, конструкции, узле или агрегате, но и разработать средства надёжного контроля за их состоянием, которые позволят своевременно обнаружить
отказ и задействовать резервные системы или средства, обеспечивающие безопасность экипажа.
Основные результаты анализа аварийных ситуаций РН семейства Р-7 в период создания и эксплуатации РКК «Восток» представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Перечень аварийных ситуаций межконтинентальных баллистических ракет (МБР) Р-7 при запусках по программе выведения экспериментальной головной части на межконтинентальную траекторию
Дата Описание аварийной ситуации. Время прекращения полёта (подготовки) Отказавшая система Характеристики отказа
15.05.1957 г. Отказ ДУ блока Д, пожар в хвостовом отсеке блока Д, формирование команды «Авария» и АВДУ на 103 с ДУ блока Д Аварийная ситуация
10.06.1957 г. Отказ ДУ блока А во время запуска на режиме предварительной тяги, прекращение запуска и АВДУ ДУ блока А Потенциальная аварийная ситуация
12.07.1957 г. Прохождение ложной команды по каналу «крен». Формирование команды «Авария» и АВДУ на 34,4 с Система управления МБР Аварийная ситуация
30.01.1958 г. Отказ механизма раскрытия реактивных сопел блоков В и Г при разделении. Полёт был продолжен Механическая система Потенциальная аварийная ситуация
12.03.1958 г. Отказ кислородного клапана во время запуска ДУ блока Г, прекращение запуска и АВДУ ДУ блока Г Потенциальная аварийная ситуация
24.05.1958 г. Преждевременное окончание окислителя из-за ненормального режима наддува бака, «разнос» турбонасосного агрегата блока А на 285 с ДУ блока А Аварийная ситуация
10.07.1958 г. Ненормальная работа ДУ блока Д с возникновением высокочастотных пульсаций в камерах сгорания, формирование команды «Авария» и АВДУ на 53,8 с ДУ блока Д Аварийная ситуация
24.12.1958 г. Форсирование режима ДУ блока В, преждевременное отделение и соударение блока В, формирование команды «Авария» и АВДУ на 130 с ДУ блока В Аварийная ситуация
31.03.1959 г. Пониженный режим тяги ДУ блока А до выключения, после выработки компонентов топлива формирование команды «Авария» и АВДУ на 330 с ДУ блока А Аварийная ситуация
24.01.1960 г. Отказ ДУ блока В, преждевременное отделение блока В на 30,7 с. Потеря управляемости РН на 34,4 с (АВДУ не проводилось из-за блокировки до 50 с) ДУ блока В Аварийная ситуация
Примечание. АВДУ — аварийное выключение двигательной установки (ДУ).
Таблица 4
Перечень аварийных и нештатных ситуаций при запусках ракеты-носителя (РН) «Восток»
Дата Программа полёта Описание аварийной ситуации. Время прекращения полёта (подготовки) Отказавшая система Характеристики отказа
27.04.1958 г. Запуск автоматического КА Развитие резонансных явлений в контуре ДУ — конструкция РН, разрушение блоков А и В на 97 с Конструкция РН Аварийная ситуация
23.09.1958 г. Запуск автоматического КА Развитие резонансных явлений в контуре ДУ — конструкция РН, разрушение РН на 93 с Конструкция РН Аварийная ситуация
12.10.1958 г. Запуск автоматического КА Развитие резонансных явлений в контуре ДУ — конструкция РН, локальный взрыв и разрушение РН на 105,5 с Конструкция РН Аварийная ситуация
04.12.1958 г. Запуск автоматического КА Отказ ДУ блока А, с 245 с полёт на пониженном режиме тяги блока А до выключения ДУ блока А Аварийная ситуация
Продолжение таблицы 4
Дата Программа полёта Описание аварийной ситуации. Время прекращения полёта (подготовки) Отказавшая система Характеристики отказа
18.06.1959 г. Запуск автоматического КА Отказ системы управления, потеря устойчивости РН, формирование команды «Авария», АВДУ Система управления РН Аварийная ситуация
15.04.1960 г. Запуск автоматического КА Нештатная работа ДУ блока Е на 730 с, прекращение работы на 796 с из-за окончания горючего, недобор скорости ДУ блока Е Потенциальная аварийная ситуация
19.04.1960 г. Запуск автоматического КА Отказ ДУ блока Д при запуске, потеря управляемости на 7,2 с, АВДУ по окончании блокировки на 50 с ДУ блока Д Аварийная ситуация
28.07.1960 г. Запуск беспилотного корабля «Восток 1К» Отказ ДУ блока Г, преждевременное отделение блока Г, на 23,57 с формирование команды «Авария», АВДУ по окончании блокировки на 50 с ДУ блока Г Аварийная ситуация (система аварийного спасения не была установлена на корабле)
22.12. 1960 г. Запуск беспилотного корабля «Восток 1К» Отказ ДУ блока Е из-за высокочастотных колебаний, формирование команды «Авария» и АВДУ РН, работа системы аварийного спасения, отделение спускаемого аппарата, приземление в Якутии ДУ блока Е Аварийная ситуация
Примечание. АВДУ — аварийное выключение двигательной установки (ДУ).
Обеспечение безопасности экипажа во время предстартовой подготовки РКК «Восток»
Во время проведения запусков беспилотных кораблей «Восток» были отработаны и внедрены основные технические решения по обеспечению безопасности экипажа и специалистов стартового расчёта:
• посадка экипажа в корабль проводится после завершения заправки РН компонентами топлива. Во время посадки операции по РН минимизированы, а при возникновении опасных ситуаций осуществляется экстренная эвакуация экипажа и персонала с помощью штатных средств стартового комплекса;
• после завершения посадки на корабле приводятся в готовность средства аварийного спасения экипажа, включая готовность к подаче команды «Авария» руководителями пуска;
• на заключительном этапе предстартовой подготовки (до команды «Контакт подъёма») предусмотрена возможность прекращения запуска и проведения аварийного выключения ДУ (АВДУ) РН.
Следует отметить, что основные положения этих технических решений применяются и в настоящее время при запусках пилотируемых кораблей «Союз МС».
Выбор критериев аварийности РН, разработка методов и средств контроля аварийного состояния на участке выведения [2]
Анализ аварийных пусков МБР и РН семейства Р-7 (см. табл. 3 и 4) позволил выбрать параметры аварийности РН «Восток» в полёте.
Основой для решения этой задачи послужили ранее выполненные работы по созданию системы аварийного подрыва объекта. Создание системы контроля с использованием большого числа критичных параметров бортовых систем РН было признано нецелесообразным из-за сложности создания подобной системы контроля и роста вероятности её ложного срабатывания, поэтому были выбраны параметры, имеющие необходимую полноту охвата возможных аварийных ситуаций и простоту аппаратурного решения. Основные функции контроля были возложены на СУ РН по следующим основным параметрам:
• потеря устойчивости и управляемости РН (отклонение на предельные углы по каналам тангажа, рысканья и крена) на всех участках полёта с блокировкой на периоды разделения ступеней;
• преждевременное отделение боковых блоков на участке работы I ступени
(обобщённый контроль работы ДУ и средств отделения);
• падение давления в камере сгорания ДУ III ступени.
Дополнительно было предусмотрено формирование команды «Авария»:
• руководителями пуска на участке полёта I ступени РН в пределах визуального наблюдения;
• при падении осевой перегрузки во время работы ДУ РН.
Во всех этих случаях команда «Авария» передавалась на корабль для задействования процесса аварийного спасения экипажа и проводилось АВДУ РН (с блокировкой в околостартовой зоне).
Порядок функционирования средств аварийного спасения экипажа корабля «Восток» [1, 2]
Выбор программ функционирования бортовых систем корабля при поступлении команды «Авария» проводился автоматически и определялся моментом поступления исходной команды:
• от момента взведения средств аварийного спасения на стартовом комплексе до верхней границы применения катапультного кресла — катапультирования экипажа;
• от верхней границы катапультирования экипажа до штатного сброса головного обтекателя применялась следующая программа: сброс головного обтекателя, отделение СА, катапультирование на участке спуска СА при достижении высоты 7-10 км;
• от момента штатного сброса головного обтекателя до момента достижения скорости полёта, позволяющей обеспечить выход корабля на нерасчётную или штатную орбиту, проводится отделение СА корабля;
• на заключительном участке полёта III ступени РН проводится отделение корабля.
Средства аварийного спасения экипажа космического корабля «Восток»
Схемы аварийного спасения делятся на три основных типа: спасение экипажа в катапультируемых креслах, спасение отсека экипажа и спасение КК [2, 5].
В программе «Восток» посадка космонавта планировалась на территории
СССР на сушу в равнинных степных районах Казахстана и нижнего Поволжья.
В целях существенного сокращения времени подготовки полёта разработчики программы приняли нестандартное решение — использовать для штатной посадки космонавта на заключительном участке полёта отработанную в авиации схему катапультирования с приземлением космонавта на индивидуальном парашюте.
Разработчикам катапультного кресла космонавтов был задан ряд концептуальных функциональных требований [6, 7, 9, 10]:
• все основные системы кресла должны быть продублированы в целях обеспечения максимальной безопасности космонавта;
• в случае аварии ракеты на старте предусматривалось катапультирование космонавта, при этом кресло должно обеспечить удаление космонавта при катапультировании на 120 м от стартовой площадки (без учёта ветра);
• носимый аварийный запас, размещённый в катапультном кресле, в комплекте со скафандром космонавта должен обеспечивать возможность выживания в течение трёх суток в случае посадки космонавта в любой климатической зоне земного шара — от джунглей до Арктики, включая приводнение в океане;
• во всех расчётных случаях применения кресло должно работать автоматически, без вмешательства космонавта.
Перед пилотируемым полётом в марте 1961 г. состоялись два успешных беспилотных пуска на орбиту ИСЗ корабля «Восток» с манекеном с использованием штатного катапультного кресла космонавта, разработанного заводом 918 (ныне НПП «Звезда» им. академика Г.И. Северина), и проверкой работы всех элементов системы штатной посадки.
Манекены были оборудованы самописцами, которые зарегистрировали все события и перегрузки при спуске, парашютировании и приземлении.
Анализ материалов, полученных в двух космических полётах манекенов, показал, что все системы кресла сработали штатно — так же, как и в зачётных самолётных экспериментах.
Катапультное кресло для СА «Восток» проектировалось, исходя из постулата о возможной полной недееспособности космонавта после пребывания в невесомости [9, 10].
Предусматривалось использование катапультной установки (рис. 8) в составе системы аварийного спасения космонавта в случае аварии на старте и начальном этапе выведения на орбиту. Для решения этой задачи на катапультном кресле, в дополнение к основному стреляющему механизму, были установлены два твердотопливных ракетных ускорителя и соответствующая система автоматики.
Необходимо отметить, что все космонавты, летавшие на кораблях «Восток», успешно приземлялись по штатной схеме спасения путем катапультирования из СА на высоте ~7 км без использования твердотопливных ускорителей с последующим спуском и приземлением на основном парашюте.
Рис. 8. Кресло космонавта корабля «Восток»: 1 — отрывные электроразъёмы; 2 — блоки реле системы автоматики; 3 — стреляющий механизм кресла; 4 — твердотопливные ракетные двигатели; 5 — направляющие ролики катапультного кресла; 6 — баровременные автоматы; 7 — аэродинамические щитки системы стабилизации кресла
Сравнение проектов пилотируемых кораблей «Восток» и «Меркурий»
В США после завершения ряда научно-исследовательских работ по пилотируемым полётам в космос в середине 1958 г. был сформирован технический облик первого американского космического корабля. Реализация проекта была поручена фирме McDonnell.
Основные характеристики корабля [2, 8]:
• стартовая масса (с твердотопливной ДУ аварийного спасения) — 1 935 кг;
• масса корабля на орбите — 1 2251 360 кг;
• диаметр 1,8 м;
• длина 2,4 м;
• спускаемый аппарат сегментально-конической формы;
• баллистическая траектория спуска;
• посадка на водную поверхность в спускаемом аппарате;
• продолжительность полёта на орбите 1,5 сут;
• применение средств аварийного спасения корабля на участке выведения на основе применения специальной твердотопливной ДУ;
• выведение корабля на орбиту РН класса «Атлас»;
• предварительные суборбитальные полёты на РН «Редстоун».
Таким образом, работы по проектам «Восток» и «Меркурий» были начаты практически одновременно в середине 1958 г., но сроки реализации различались очень существенно:
• первый полёт на орбиту Ю.А. Гагарина 12.04.1961 г.;
• первый полёт на орбиту Джона Гленна 20.02.1962 г.
Необходимо отметить, что основные особенности корабля «Меркурий» были достаточно хорошо известны нашим специалистам, активно обсуждались, но были отвергнуты в проекте «Восток» из-за длительности их реализации. В 1960 г. (еще до полёта ЗКА) проводились интенсивные наземные испытания парашютно-реактивной системы приземления СА (позднее применённой на корабле «Восход»); аэрогазодинамические, баллистические и проектные компоновочные проработки по сегментально-конической форме СА, по схеме аварийного спасения СА в составе отделяемого ГО с помощью твердотопливной ДУ (работы проводились в рамках
программы «Север», а позднее были реализованы в программе «Союз»).
Проведём итоговую оценку основных особенностей РКК «Восток», которые позволили в кратчайшие сроки впервые в мире осуществить пилотируемый космический полёт:
• создание РН «Восток»: выводимая на орбиту масса ИСЗ — 4,73 т; высокая надёжность РН, подтверждённая в 46 пусках I и II ступеней и 16 пусках III ступени;
• уникальные особенности организации проводимых работ на всех этапах, внедрённые С.П. Королёвым;
• отказ от сегментально-конической формы СА в пользу хорошо изученной сферы;
• отказ от приземления космонавта в СА и применение катапультного кресла в качестве основного средства приземления;
• использование катапультного кресла в случае аварии на наиболее опасном начальном участке полёта РН;
• отказ от проведения суборбитальных полётов корабля.
Выводы
Технические и организационные решения, принимаемые в процессе разработки, создания и лётных испытаний РКК «Восток», позволили выполнить в сжатые сроки уникальную задачу — осуществление первого полёта человека в космическое пространство, и послужили основой для создания кораблей следующих поколений «Восход» и «Союз». В настоящее время этот уникальный опыт востребован во многих работах нашей отрасли, включая работы по перспективному пилотируемому кораблю.
Выражаем благодарность и искреннее уважение руководителям и инженерам многих предприятий нашей страны, благодаря творческой работе которых уникальный проект РКК «Восток» был реализован.
Перспективные работы по пилотируемой космонавтике
Последние решения, принимаемые в настоящее время по проекту пилотируемого корабля (ПТК) «Орёл», лежат в русле королёвских подходов:
• использование РН «Ангара-А5» для первых полётов кораблей (успешный запуск с космодрома Плесецк РН с макетом ПГ состоялся в декабре 2020 г.);
• дальнейшее развитие семейства РН и создание РН «Ангара-А5В» с увеличением массы ПГ;
• начало разработки упрощённой модификации корабля (ПТК «Орлёнок»);
• внедрение этапности работ по созданию ПТК и проведению лунных экспедиций.
Очевидно, что выбор вариантов корабля и этапности их создания будет проходить в творческой атмосфере дискуссии проектантов и специалистов расчётных подразделений, разработчиков бортовых систем и конструкции корабля с учётом выделенных средств и намеченных сроков.
Список литературы
1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва. 1946-1996. М.: РКК «Энергия», 1996. С. 75-112.
2. Космические аппараты / Под общ. ред. проф. К.П. Феоктистова. М.: Военное издательство, 1984. 281 с.
3. Энциклопедия «Машиностроение». Т. !У-22. Ракетно-космическая техника Кн. 1, разд. 6.2.1. Ракеты-носители типа Р-7А (авторы: Д.И. Козлов, А.Н. Кириллин, Р.Н. Ахметов, Г.П. Аншаков, В.Н. Новиков, Г.Е. Фомин). М.: Машиностроение, 2012. 924 с.
4. Ракеты-носители / Под общ. ред. проф. С.О. Осипова. М.: Военное издательство, 1981. 315 с.
5. С.П. Королёв. Энциклопедия жизни и творчества. М.: Изд-во РКК «Энергия». 2014. 704 с.
6. Северин Г.И., Повицкий А.С., Рабинович Б.А. Переносимость человеком кратковременных (ударных) перегрузок. Авиационная и космическая медицина // Труды III всесоюзной конференции по авиационной и космической медицине, 10-13 июня 1969 г., Калуга. 979 с.
7. Северин Г.И. Основные концепции систем аварийного спасения экипажей ЛА // Техника воздушного флота. 1991. № 1.
8. Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди / Под ред. Ю.М. Батурина. М.: РТСофт, 2005. 752 с.
9. Рабинович Б.А. Безопасность космонавта при посадочном ударе спускаемого аппарата о грунт. М.: Книга и бизнес, 2014. 272 с.
10. Лившиц А.Н. Аварийное покидание летательного аппарата. М.: Радис-РРЛ, 2015. 395 с.
Статья поступила в редакцию 11.01.2021 г. Окончательный вариант — 22.01.2021 г.
Reference
1. Raketno-kosmicheskaya korporatsiya «Energiya» imeni S.P. Koroleva. 1946-1996 [S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia. 1946-1996]. Moscow, RKK «Energiya»publ., 1996. P. 75-112.
2. Kosmicheskie apparaty [Spacecraft]. Ed. by prof. K.P. Feoktistov. Moscow, Voennoe izdatel'stvo publ., 1984. 281 p.
3. Entsiklopediya «Mashinostroenie». T. IV-22. Raketno-kosmicheskaya tekhnika Kn. 1, razd. 6.2.1. Rakety-nositeli tipa R-7A [Encyclopedia of Engineering. Vol. IV-22. Rocket and Space Technology. Book 1, Section 6.2.1. Launch vehicles of the R-7 A type] (authors: D.I. Kozlov, A.N. Kirillin, R.N. Akhmetov, G.P. Anshakov, V.N. Novikov, G.E. Fomin). Moscow, Mashinostroenie publ., 2012. 924 p.
4. Rakety-nositeli [Launch vehicles]. Ed. by prof. S.O. Osipov. Moscow, Voennoe izdatel'stvo publ., 1981. 315 p.
5. S.P. Korolev. Entsiklopediya zhizni i tvorchestva [S.P. Korolev. Encyclopedia of his life and work]. Moscow, RKK «Energiya» publ., 2014. 704 p.
6. Severin G.I., Povitskii A.S., Rabinovich B.A. Perenosimost' chelovekom kratkovremennykh (udarnykh) peregruzok. Aviatsionnaya i kosmicheskaya meditsina [Human survivability of short-duration (shock) g-loads. Aviation and space medicine]. Proceedings of the 3rd All-Union Conference on Aviation and Space Medicine, 10-13 June 1969, Kaluga. 979 p.
7. Severin G.I. Osnovnye kontseptsii sistem avariinogo spaseniya ekipazhei LA [Basic concepts of crew escape systems of flying vehicles]. Tekhnika vozdushnogo flota, 1991, no. 1.
8. Mirovaya pilotiruemaya kosmonavtika. Istoriya. Tekhnika. Lyudi [World manned spaceflight. History. Technology People]. Ed. by Yu.M. Baturin. Moscow, RTSoftpubl., 2005. 752p.
9. Rabinovich B.A. Bezopasnost' kosmonavta pri posadochnom udare spuskaemogo apparata o grunt [Crew safety during touchdown impact of a descent vehicle against hard soil]. Moscow, Kniga i biznespubl., 2014. 272 p.
10. Livshits A.N. Avariinoe pokidanie letatel'nogo apparata [Emergency escape from a flying vehicle]. Moscow, Radis-RRL publ, 2015. 395 p.
