Россия остро нуждается в носителе сверхтяжелого класса

В прошлом году Роскосмос объявил тендер на разработку ракеты тяжелого класса на базе существующего проекта «Ангара», способной в числе прочего доставить пилотируемый космический корабль на Луну. Очевидно, что отсутствие у России сверхтяжелых ракет, которые могут забросить на орбиту до 80 тонн грузов, тормозит многие перспективные работы в космосе и на Земле. Проект единственного отечественного носителя с аналогичными характеристиками «Энергия-Буран» был закрыт в начале 90-х годов, несмотря на потраченные 14,5 миллиарда рублей (в ценах 80-х) и 13 лет. Между тем в СССР успешно разрабатывалась суперракета с потрясающими воображение ТТХ. Вниманию читателей «ВПК» предлагается рассказ об истории создания ракеты Н1.

Началу работ над Н1 с жидкостно-реактивным двигателем (ЖРД) предшествовали исследования по ракетным двигателям с использованием ядерной энергии (ЯРД). В соответствии с постановлением правительства от 30 июня 1958 года в ОКБ-1 был разработан эскизный проект, утвержденный С. П. Королевым 30 декабря 1959 года.

К созданию ЯРД подключились ОКБ-456 (главный конструктор В. П. Глушко) Госкомитета оборонной техники и ОКБ-670 (М. М. Бондарюк) Госкомитета по авиатехнике. ОКБ-1 разработало три варианта ракет с ЯРД, и наиболее интересным оказался третий. Он представлял собой гигантскую ракету со стартовой массой 2000 т и массой полезного груза до 150 т. Первая и вторая ступени выполнялись в виде пакетов из конических ракетных блоков, которые должны были иметь на первой ступени большое количество ЖРД НК-9 тягой по 52 тс. Вторая ступень включала четыре ЯРД суммарной тягой 850 тс, удельным импульсом тяги в пустоте до 550 кгс.с/кг при использовании другого рабочего тела при температуре нагрева до 3500 К.

Перспективность использования жидкого водорода в смеси с метаном в качестве рабочего тела в ЯРД была показана в дополнении к указанному постановлению «О возможных характеристиках космических ракет с использованием водорода», утвержденном С. П. Королевым 9 сентября 1960 года. Однако в результате дальнейших проработок выяснилась целесообразность тяжелых ракет-носителей с использованием на всех ступенях жидкостных ракетных двигателей на освоенных компонентах топлива с применением водорода в качестве горючего. Ядерную энергию отложили на перспективу.

Грандиозный проект

Постановлением правительства от 23 июня 1960 года «О создании мощных ракет-носителей, спутников, космических кораблей и освоении космического пространства в 1960–1967 годах» предусматривалось проведение в 1960–1962-м проектно-конструкторской проработки и необходимого объема исследований в целях создания в ближайшие годы новой космической ракетной системы со стартовой массой 1000–2000 т, обеспечивающей вывод на орбиту тяжелого межпланетного космического корабля массой 60–80 т.

К грандиозному проекту привлекался целый ряд конструкторских бюро и научных институтов. По двигателям – ОКБ-456 (В. П. Глушко), ОКБ-276 (Н. Д. Кузнецов) и ОКБ-165 (A. M. Люлька), по системам управления – НИИ-885 (Н. А. Пилюгин) и НИИ-944 (В. И. Кузнецов), по наземному комплексу – ГСКБ «Спецмаш» (В. П. Бармин), по измерительному комплексу – НИИ-4 МО (А. И. Соколов), по системе опорожнения баков и регулирования соотношения компонентов топлива – ОКБ-12 (А. С. Абрамов), по аэродинамическим исследованиям – НИИ-88 (Ю. А. Мозжорин), ЦАГИ (В. М. Мясищев) и НИИ-1 (В. Я. Лихушин), по технологии изготовления – Институт сварки им. Патона АН УССР (Б. Е. Патон), НИТИ-40 (Я. В. Колупаев), завод «Прогресс» (А. Я. Линьков), по технологии и методике экспериментальной отработки и дооборудованию стендов – НИИ-229 (Г. М. Табаков) и др.

Конструкторы последовательно рассмотрели многоступенчатые ракеты-носители со стартовой массой от 900 до 2500 т, одновременно оценив технические возможности создания и подготовленность промышленности страны к производству. Расчеты показали, что большинство задач военного и космического назначения решаются ракетой-носителем с полезным грузом 70–100 т, выводимым на орбиту высотой 300 км.

Поэтому для проектных проработок Н1 был принят полезный груз массой 75 т с использованием на всех ступенях ЖРД топлива кислород – керосин. Этому значению массы полезного груза соответствовала стартовая масса РН 2200 т с учетом, что применение на верхних ступенях водорода в качестве горючего позволит увеличить массу полезного груза до 90–100 т при той же стартовой массе. Исследования, проведенные технологическими службами заводов-изготовителей и технологическими институтами страны, показали не только техническую возможность создания такой РН с минимальными затратами средств и сроков, но и готовность промышленности к ее производству.

Одновременно были определены возможности экспериментальной и стендовой отработки агрегатов РН и блоков II и III ступеней на существующей экспериментальной базе НИИ-229 с минимальными доработками. Пуски РН предусматривались с космодрома Байконур, для чего требовалось создать там соответствующие технические и стартовые сооружения.

Также были рассмотрены различные компоновочные схемы с поперечным и продольным делением ступеней, с несущими и ненесущими баками. В результате приняли схему ракеты с поперечным делением ступеней при подвесных моноблочных сферических топливных емкостях, с многодвигательными установками на I, II и III ступенях. Выбор количества двигателей в составе двигательной установки является одной из принципиальных проблем при создании ракеты-носителя. После проведенного анализа было принято решение о применении двигателей с тягой 150 тонн.

На I, II и III ступенях носителя решили установить систему контроля организационно-распорядительной деятельности КОРД, которая отключала двигатель при отклонении его контролируемых параметров от нормы. Тяговооруженность РН приняли такой, что при нештатной работе одного двигателя на начальном участке траектории полет продолжался, а на последних участках полета I ступени можно было отключать и большее число двигателей без ущерба для выполнения задачи.

ОКБ-1 и другие организации провели специальные исследования по обоснованию выбора компонентов топлива с анализом целесообразности применения их для РН Н1. Анализ показал значительное уменьшение массы полезного груза (при постоянной стартовой массе) в случае перехода на высококипящие компоненты топлива, что обусловливается низкими значениями удельного импульса тяги и увеличением массы топлива баков и газов наддува из-за более высокой упругости паров этих компонентов. Сравнение разных видов топлива показало, что жидкий кислород – керосин значительно дешевле АТ+НДМГ: по капвложениям – в два раза, по себестоимости – в восемь раз.

Ракета-носитель Н1 состояла из трех ступеней (блоки А, Б, В), соединенных между собой переходными отсеками ферменного типа, и головного блока. Силовая схема представляла собой каркасную оболочку, воспринимающую внешние нагрузки, внутри которой размещались топливные баки, двигатели и другие системы. В состав двигательной установки I ступени входили 24 двигателя НК-15 (11Д51) тягой на земле по 150 тс, расположенных по кольцу, II ступени – восемь таких же двигателей с высотным соплом НК-15В (11Д52), III ступени – четыре двигателя НК-19 (11Д53) с высотным соплом. Все двигатели имели замкнутую схему.

Приборы системы управления, телеметрии и других систем располагались в специальных отсеках на соответствующих ступенях. На стартовое устройство РН устанавливалась опорными пятами по периферии торца I ступени. Принятая аэродинамическая компоновка позволяла свести к минимуму потребные управляющие моменты и использовать на РН для управления по тангажу и крену принцип рассогласования тяги противоположных двигателей. Из-за невозможности транспортирования целых отсеков ракеты существующими транспортными средствами принято их членение на транспортабельные элементы.

На базе ступеней РН Н1 можно было создать унифицированный ряд ракет: Н11 с применением II, III и IV ступеней РН Н1 со стартовой массой 700 т и полезным грузом массой 20 т на орбите ИСЗ высотой 300 км и Н111 с применением III и IV ступеней РН Н1 и II ступени ракеты Р-9А со стартовой массой 200 т и полезным грузом массой 5 т на орбите ИСЗ высотой 300 км, которые могли решать широкий круг боевых и космических задач.

Работы велись под прямым руководством С. П. Королева, возглавлявшего Совет главных конструкторов, и его первого заместителя В. П. Мишина. Проектные материалы (всего 29 томов и 8 приложений) в начале июля 1962 года рассмотрела экспертная комиссия во главе с президентом АН СССР М. В. Келдышем. Комиссия отметила, что обоснование РН Н1 выполнено на высоком научно-техническом уровне, отвечает требованиям, предъявляемым к эскизным проектам РН и межпланетных ракет, и может быть положено в основу разработки рабочей документации. Вместе с тем члены комиссии М. С. Рязанский, В. П. Бармин, А. Г. Мрыкин и некоторые другие высказались о необходимости привлечь ОКБ-456 к разработке двигателей для РН, но В. П. Глушко отказался.

По взаимному согласию разработку двигателей поручили ОКБ-276, которое не имело достаточного теоретического багажа и опыта разработки ЖРД при практически полном отсутствии экспериментальной и стендовой баз для этого.

Неудачные, но плодотворные испытания

Комиссия Келдыша указывала, что первоочередной задачей Н1 является ее боевое использование, но в ходе дальнейших работ главным назначением суперракеты стал космос, в первую очередь экспедиция на Луну и возвращение на Землю. В значительной степени на выбор такого решения повлияли сообщения о лунной пилотируемой программе «Сатурн-Аполлон» в США. 3 августа 1964 года правительство СССР своим постановлением закрепило этот приоритет.

В декабре 1962 года ОКБ-1 представило в ГКОТ согласованные с главными конструкторами «Исходные данные и основные технические требования на проектирование стартового комплекса для ракеты Н1». 13 ноября 1963-го комиссия ВСНХ СССР своим решением одобрила межведомственный график разработки проектной документации по комплексу сооружений, необходимых для летной отработки РН Н1, исключив само строительство и материально-техническое обеспечение. Работами по созданию полигонного комплекса в ОКБ-1 руководили М. И. Самохин и А. Н. Иванников под пристальным вниманием С. П. Королева.

К началу 1964 года общее отставание работ от предусмотренных сроков составило один-два года. 19 июня 1964-го правительству пришлось перенести начало ЛКИ на 1966 год. Летно-конструкторские испытания ракеты Н1 с упрощенным головным блоком системы ЛЗ (с беспилотным кораблем 7К-Л1С вместо ЛОК и ЛК) начались в феврале 1969-го. К началу ЛКИ были проведены экспериментальная отработка узлов и агрегатов, стендовые испытания блоков Б и В, испытания с макетным образцом ракеты 1М на технической и стартовой позициях.

Первый пуск ракетно-космического комплекса Н1-ЛЗ (№ ЗЛ) с правого старта 21 февраля 1969 года закончился аварией. В газогенераторе второго двигателя возникли высокочастотные колебания, оторвался штуцер отбора давления за турбиной, образовалась течь компонентов, начался пожар в хвостовом отсеке, что привело к нарушению системы контроля работы двигателей, которая на 68,7 секунды выдала ложную команду на выключение двигателей. Однако пуск подтвердил правильность выбранной динамической схемы, динамики старта, процессов управления РН, позволил получить опытные данные по нагрузкам на РН и ее прочности, воздействию акустических нагрузок на ракету и стартовую систему и некоторые другие данные, в том числе эксплуатационные характеристики в реальных условиях.

Второй пуск комплекса Н1-ЛЗ (№ 5Л) провели 3 июля 1969 года, и он также прошел аварийно. По заключению аварийной комиссии под председательством В. П. Мишина наиболее вероятной причиной послужило разрушение насоса окислителя восьмого двигателя блока А при выходе на главную ступень.

Анализ испытаний, расчетов, исследований и экспериментальных работ длился два года. Основными мероприятиями были признаны повышение надежности насоса окислителя; улучшение качества изготовления и сборки ТНА; установка перед насосами двигателя фильтров, исключающих попадание в него посторонних предметов; заполнение перед стартом и продувка азотом хвостового отсека блока А в полете и введение фреоновой системы пожаротушения; введение в конструкцию теплозащиты элементов конструкции, приборов и кабелей систем, расположенных в хвостовом отсеке блока А; изменение расположения приборов в нем в целях повышения их живучести; введение блокировки команды АВД до 50 с. полета и аварийный увод РН от старта по сбросу питания и т. п.

Третий запуск ракетно-космической системы Н1-ЛЗ (№ 6Л) был проведен 27 июня 1971 года с левого старта. Все 30 двигателей блока А вышли на режим предварительной и главной ступеней тяги в соответствии со штатной циклограммой и нормально функционировали до их выключения системой управления на 50,1 с., однако с начала полета наблюдалось ненормальное протекание процесса стабилизации по крену, а рассогласование по углу вращения непрерывно увеличивалось и к 14,5 с. достигало 145°. Поскольку команда АВД была заблокирована до 50 с., полет до 50,1 с. стал практически неуправляемым.

Наиболее вероятная причина аварии – потеря управляемости по крену из-за действия неучтенных ранее возмущающих моментов, превышающих располагаемые управляющие моменты органов крена. Выявленный дополнительный момент крена возник при всех работающих двигателях из-за мощного вихревого потока воздуха в задонной области ракеты, усугубившегося несимметричностью обтекания выступающих за днище ракеты деталей двигателей.

Менее чем за год под руководством М. В. Мельникова и Б. А. Соколова были созданы рулевые двигатели 11Д121 для обеспечения управления ракетой по крену. Они работали на отбираемых от основных двигателей окислительном генераторном газе и горючем.

23 ноября 1972 года произвели четвертый пуск ракетой № 7Л, претерпевшей значительные изменения. Управление полетом осуществлял бортовой вычислительный комплекс по командам гиростабилизированной платформы разработки НИИ АП. В состав двигательных установок ввели рулевые двигатели, систему пожаротушения, улучшили механическую и тепловую защиту приборов и бортовой кабельной сети. Измерительные системы доукомплектовали малогабаритной радиотелеметрической аппаратурой разработки ОКБ МЭИ (главный конструктор А. Ф. Богомолов). Всего на ракете имелось более 13 000 датчиков.

№ 7Л пролетела без замечаний 106,93 с., но за 7 с. до расчетного времени разделения первой и второй ступеней произошло практически мгновенное разрушение насоса окислителя двигателя № 4, что привело к ликвидации ракеты.

Пятый пуск намечался на четвертый квартал 1974 года. К маю на ракете № 8Л были реализованы все проектные и конструктивные мероприятия по обеспечению живучести изделия с учетом предыдущих полетов и дополнительных исследований, начался монтаж модернизированных двигателей.

Казалось, суперракета рано или поздно полетит куда и как надо. Однако назначенный в мае 1974 года руководитель ЦКБЭМ, преобразованного в НПО «Энергия», академик В. П. Глушко с молчаливого согласия Министерства общего машиностроения (С. А. Афанасьев), Академии наук СССР (М. В. Келдыш), Военно-промышленной комиссии Совмина (Л. В. Смирнов) и ЦК КПСС (Д. Ф. Устинов) прекратил все работы по комплексу Н1-ЛЗ. В феврале 1976 года проект официально закрыли постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР. Это решение лишило страну тяжелых кораблей, и приоритет перешел к США, развернувшим проект «Спейс шаттл».

Полные затраты на освоение Луны по программе Н1-ЛЗ к январю 1973 года составили 3,6 миллиарда рублей, на создание Н1 – 2,4 миллиарда. Производственный задел ракетных блоков, практически все оборудование технического, стартового и измерительных комплексов было уничтожено, а затраты в сумме шесть миллиардов рублей списаны.

Хотя проектно-конструкторские, производственно-технологические разработки, опыт эксплуатации и обеспечения надежности мощной ракетной системы в полной мере использовались при создании ракеты-носителя «Энергия» и, очевидно, найдут широкое применение в последующих проектах, необходимо отметить ошибочность прекращения работ по Н1. СССР добровольно уступил пальму первенства американцам, но главное – многие коллективы КБ, НИИ и заводов потеряли эмоциональный заряд энтузиазма и чувство преданности идеям освоения космоса, которые во многом определяют достижение, на первый взгляд, недосягаемых фантастических целей.