"ЭНЕРГИЯ - БУРАН" - ЛЕБЕДИНАЯ ПЕСНЯ СОВЕТСКОЙ КОСМОНАВТИКА

Сергей Грачев/Киев

15 ноября 1988 года, Байконур видел многое, но после гага-ринского старта он никогда не ликовал так, как в тот ноябрьский день. Борясь с сильным встречно-боковым ветром, орбитальный корабль «Буран» совершил ювелирную посадку на полосу аэродрома «Юбилейный» посадочного комплекса космодрома. Наблюдавшие за полетом летчики-испытатели сразу оценили мастерство, с каким была выполнена безмоторная посадка необычного аппарата в сложнейших погодных условиях. Наибольшее восхищение вызывало то, что никто не вмешивался в управление. Это казалось просто невозможным. Полностью автоматическая посадка беспилотного космического аппарата на полосу аэродрома! История мировой авиации и космонавтики такого еще не знала!

Казалось бы, после такого триумфа следовало энергично готовиться к следующему запуску, но громкий успех не смог опровергнуть давно высказываемые сомнения в целесообразности этой системы. В условиях тогдашнего плюрализма и гласности подключились СМИ, и пошло-поехало. Как сказал Главный конструктор ракеты-носителя «Энергия» Б.И. Губанов: «В то время прорисовывалось, что «Энергия» еще никому не нужна. В оправдание этого некоторые «специалисты», в том числе и академики у нас в стране, утверждали, что создание системы «Энергия-Буран» ознаменовало повторение всех американских ошибок, только в еще более серьезной форме, и громогласно оплакивали закрытие программы носителя Н-1. Начиналось захоронение «Энергии» живьем».

Второй полет УРКТС «Энергия-Буран»* планировался через 2 года, потом его перенесли на год, потом еще… Можно сказать, что полеты переносятся и по сей день, ведь программа официально не закрыта. Так что же, «Энергия-Буран» была тупиковой ветвью развития космической техники? Или системой, опередившей свое время? А может, она стала заложницей общественно-политических преобразований? Остановка программы и рассекречивание материалов позволили переосмыслить проделанную колоссальную работу и попытаться дать ей объективную оценку.

Американцы выиграли лунную гонку и, хотя миссии Apollo еще продолжались в 1970-72 гг., решили завершить это рискованное предприятие. В результате президент Р. Никсон отказался рассматривать предложения по экспедиции на Марс и 5 января 1972 г. подписал финансирование создания многоразовой ракетно-космической системы Space Shuttle (космический челнок) - программы NASA, согласованной с Министерством обороны.

Почему США вдруг вместо дальнейшей эксплуатации хорошо отработанного семейства ракет-носителей «Сатурн» занялись новой системой? Оказывается, по мнению экспертов Пентагона, космический корабль «Спейс Шаттл» должен был совершить качественный скачок в области милитаристского использования космоса. С его помощью планировалось разворачивать на орбите военные системы нового поколения, а также решать целый ряд других задач; инспектировать спутники и при необходимости уничтожать их или возвращать на Землю, проводить на орбите техническое обслуживание аппаратов, их текущий или аварийный ремонт, дозаправку топливом, вводить в оперативное использование резервные спутники, проводить разведку и испытания экспериментальных образцов оружия, а для вывода на орбиту и обязательного возвращения на Землю ядерных энергетических установок такой корабль был просто не заменим. Некоторые советские специалисты утверждали, что «Шаттл» может быть применен и в качестве носителя ударных средств.

Однако программа «Спейс Шаттл» преследовала не только решение военных задач. Она воплощала новую стратегию NASA, направленную на создание многоразовых средств выведения, которые должны были заменить все существовавшие в то время одноразовые ракеты-носители (РН). Хорошо известно, что из всей стартовой массы ракеты, в лучшем случае, только около 5% приходится на полезный груз. Например, SaturnV имел стартовую массу 2730 т, из которой масса собственной конструкции составляла 235 т, полезный груз - 100-120 т, остальное - горючее и окислитель. И если с последними все понятно, то с потерей очень дорогостоящей конструкции смириться сложно. Повторное применение космической техники сулило существенный экономический эффект NASA на реализацию программы «Спейс Шаттл» запросила у Конгресса США 10-15 млрд. USD, при этом утверждая, что можно рассчитывать на снижение стоимости выведения 1 кг полезной нагрузки с 1500-2500 до 400 USD, Но такой эффект мог быть достигнут только при большой частоте запусков - до 60 в год! Это больше одного полета в неделю, а действительность показала, что пока не было, нет и в ближайшем будущем не предвидится такого количества космических грузов. Вряд ли американские специалисты не понимали, что экономического чуда от «Шаттлов» ждать не придется, поэтому все же решающими аргументами в пользу новой программы наверняка служили соображения оборонного характера, политического престижа, выхода авиакосмической и смежных отраслей на качественно новый научно-технический уровень. Не стоит сбрасывать со счетов и мнение о том, что, затевая игру в «звездные войны», Штаты намеревались заставить СССР пойти по такому же пути и понести затраты, не сопоставимые с возможностями советской экономики.

Глядя в целом на систему «Спейс Шаттл», складывается впечатление, что сама идея и дальнейшее проектирование шли от космического самолета. То есть, имеем довольно большой самолет, способный двигаться в атмосфере с очень высокими скоростями. Затем устанавливаем на него мощный ракетный двигатель. Для размещения топлива необходим огромный подвесной бак. Наиболее эффективные компоненты топлива - жидкие водород и кислород. Аэродинамическая компоновка изначально разрабатывалась для вертикального старта, а для него же необходима тя го вооруженность значительно большая единицы, которую призваны обеспечить твердотопливные ускорители. Все логично, по-американски.

Советские разработчики задумались над созданием космического аппарата, способного при возвращении с орбиты маневрировать в земной атмосфере, фактически сразу же после начала полетов в космос. Еще СП. Королев считал парашютную посадку бесперспективной, и поэтому во время работы над «Востоком» поручил своему заместителю П.В. Цыбину заняться кораблем классической аэродинамической схемы. В результате получился проект аппарата с трапециевидным крылом и нормальным хвостовым оперением, который по способу выведения (ракетой Р-7), массе и решаемым задачам был аналогичен «Востоку», Свое полуофициальное название «лапоток» он получил из-за характерной формы фюзеляжа, в аэродинамическую «тень» которого убирались складывающиеся несущие плоскости при входе в плотные слои атмосферы, а затем выпускались на снижении и заходе на посадку. С 1958 г. воздушно-космические самолеты (ВКС) проектировали в авиационных ОКБ. Этим занимались коллективы А.Н. Туполева, В.М. Мясищева, который впервые предложил применить керамическую плиточную теплозащиту, и А.И. Микояна. К 1965 г. продолжала развиваться только микояновская программа, известная сегодня под названием «Спираль», которой руководил Г.Е. Лозино-Лозинский. Из нескольких разрабатываемых в ее рамках проектов до воплощения в металле дошел экспериментальный пилотируемый орбитальный самолет ЭПОС, прошедший летные испытания в атмосфере - проводились планирующие полеты после сброса с борта Ту-95КМ.

Так по мнению СП. Королева мог выглядеть космический «лапоток»

Экспериментальный аппарат ЭПОС

Существовал и задел в области тяжелых ракет-носителей. Еще в процессе реализации советской лунной программы (см. «АиВ», №№1, 22004) конструкторский коллектив В.П. Птушко, основной задачей которого была разработка ракетных двигателей, занимался в инициативном порядке проектированием мощных носителей серии «РЛА» (ракетный летательный аппарат). Рассматривались три двухступенчатые РН пакетной схемы различной грузоподъемности, которая зависела от количества ускорителей первой ступени, располагаемых вокруг центрального блока второй ступени. Ракета с двумя ускорителями РЛА-110 «Гроза» должна была иметь грузоподъемность более 20 т, оснащенная четырьмя ускорителями РЛА-120 - 100 т, а снабженная восемью ускорителями РЛА-130 «Вулкан» предназначалась для доставки экспедиции на Луну и позволяла выводить на орбиту до 200 т полезного груза. Пуски всех носителей предполагалось производить со стартового комплекса, предназначенного для ракеты Н-1.

В 1974-75 гг. специалисты возглавляемого Глушко НПО «Энергия» провели НИР в рамках разработки проекта «Комплексной ракетно-космической программы». Результаты этой работы позволяли сформулировать основные предложения для государственной программы создания многоразовой космической системы (МКС). К тому времени руководство СССР было уже не на шутку обеспокоено информацией об американском «Спейс Шаттле»» ведь если проигрыш лунной гонки нанес урон престижу страны, то теперь появилась угроза ее обороноспособности. Реалии «холодной войны» не оставляли времени для размышлений. Началась торопливая подготовка технического задания и проекта правительственного постановления, направленных на копирование американской системы. Причем государственные мужи намеревались отвести главную роль в этом деле не ракетчикам, а Министерству авиапромышленности. Очевидно, в высоких кабинетах руководствовались принципом - раз предстоит создавать самолет, пусть и орбитальный, то делать это должны сам о летчики. Однако предприятия МАП не имели достаточного опыта в производстве космической техники, и министр П.В. Дементьев решил более детально изучить вопрос, прежде чем визировать проект постановления.

Этой задержкой воспользовался В.П. Глушко, которого сначала даже не привлекали к разработке готовящихся правительственных документов. Под его руководством в НПО «Энергия» стали готовить свои предложения. В этой работе принимал участие И.Н. Садовский, занимавшийся на фирме твердотопливными двигателями и ставший впоследствии первым Главным конструктором МКС, Он вспоминает: «…относительно малочисленный коллектив специалистов, которому академик В. П. Глушко поручил подготовить предложения, сумел выдвинуть, причем в противовес существующим негативным тенденциям, а в дальнейшем и отстоять основные научно-технические идеи и концепции, позволившие в наших действительно тяжелых условиях создать уникальную систему, по многим показателям превосходящую «Космический челнок». На период 1974-77 гг. наше отставание от США оценивалось в 15 лет. Оно выражалось в отсутствии у нас стендов, заводов и опыта работы с большими массами жидкого водорода, опыта работы по многоразовым ЖРД, необходимой аэродинамической базы, опыта по крылатым КА, не говоря уже об отсутствии такого аналогаf как Х-15 в США, опыта авиационных транспортировок, да и отсутствия самолетов класса «бо-инг-747». Тем не менее, упомянутый выше малочисленный коллектив сумел обосновать ряд новых жизнеспособных научно-технических идей, не имеющих мировых аналогов и позволивших нашей стране вновь занять подобающее место в мировом космическом сообществе». Вскоре Глушко удалось убедить вышестоящие инстанции в необходимости использования в качестве носителя для советского «хелнока» своей ракеты РЛА-120, доказав при этом возможность повторного использования ее ступеней.

Горячие дискуссии разгорелись в отношении внешнего облика и конструктивных особенностей орбитального корабля (ОК). Предложенный НПО .«Энергия» ответ на американский вызов сначала выглядел следующим образом: достаточно традиционная схема, включающая двухступенчатый носитель РЛА-130В, создаваемый на базе РЛА-120, в верхней части которого размещался многоразовый корабль такой же грузоподъемности, как и «Шаттл». Он должен был состоять из трех частей: носовой (конической) с кабиной экипажа и рулевыми двигателями, средней (цилиндрической) с объемистым грузовым отсеком и кормовой с двигателями довыве-дения, орбитального маневрирования и топливом для них. В атмосферу аппарат должен был входить вперед носом, с некоторым углом атаки, достаточным, чтобы получить аэродинамическое качество для скользящего управляемого спуска. Посадка предполагалась с использованием парашютов и твердотопливных тормозных двигателей, на выдвижные опоры-амортизаторы. Как видим, у аппарата отсутствовало крыло, что было одновременно и значительным преимуществом этой схемы, и ее главным недостатком. С одной стороны, большую часть полета крыло оставалось паразитной массой, а с другой - его отсутствие делало дальность бокового маневра при спуске очень малой. Проблему пытались решить, придав кораблю в сечении треугольную форму, однако это была полумера. Таким образом, схема однокилевой бесхвостки с крылом переменной стреловидности по передней кромке напрашивалась. Лозино-Лозинский при поддержке ЦАГИ настаивал на применении схемы ОК, исследованной во время работ по теме «Спираль». Но решающим фактором стали не собственные достижения, а давившее ощущение отставания от американцев. Отдел, занимавшийся кораблем в НПО «Энергия», который возглавлял П.В. Цыбин, предложил придать ОК облик «Шаттла», что давало возможность сэкономить время и значительно уменьшить технический риск. Совет главных конструкторов большинством голосов, практически без обсуждения с этим согласился.

Первоначальный вариант советского «Челнока» почти полностью повторял американский аналог включая размещение на нем двигателей 2-й ступени, что гарантировало их повторное использование. Однако против этого категорически возражал Глушко. В результате двигатели остались на ракете, что позволило создать независимый от орбитального корабля носитель Так определились основные черты будущей системы. Корабль вырисовывался очень похожим на заокеанского визави, но выглядел более изящным, без характерного «толстого зада» с маршевыми двигателями.

17 февраля 1976 г вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР №132-51 «О создании МКС в составе разгонной ступени, орбитального самолета, межорбитального буксира-корабля, комплекса управления системой, стартово-посадочного и ремонтно-восстановительного комплексов и других наземных средств, обеспечивающих выведение на северо-восточные орбиты высотой 200 км полезных грузов массой до 30 т и возвращение с орбиты грузов массой до 20 т». Именно этот документ дал старт официальным работам по УРКТС, изначально получившей название «Буран», которое позднее перешло только к кораблю. Головным разработчиком системы стало НПО «Энергия», аавиа-прому отводилось лишь создание ОК. К сожалению, после этого решения тема «Спираль» оказалась словно бы лишней, В справке для ЦК КПСС ее разработчики попытались убедить руководство страны в том, что затраченные на «Спираль» около 75 млн, рублей позволили получить научно-технический задел для создания системы, альтернативной по концепции американской, и отработанные решения не должны пропасть. Однако судьба этой темы была предрешена, и ее в конце концов закрыли. Обычно в публикациях, рассказывающих об этой истории, авторы сетуют на неумение тогдашнего руководства страны предвидеть перспективы развития техники, безоглядную ориентацию на чужой опыт в ущерб здравому смыслу и т.п. Все это так, однако необходимо учитывать, что положение в экономике СССР уже было весьма не простое, и страна не располагала ресурсами для одновременного развития нескольких грандиозных космических программ. Даже очень богатые США отказались от более легкой системы Dyna Soar, когда занялись «Шаттлом».

Ракетные двигатели РД-170 и РД-0120

С принятием решения по облику орбитального корабля окончательно определились требования к ракете-носителю и системе в целом. За основу решили взять проект РЛА-120 с подвеской корабля сбоку между ускорителями 1 -й ступени. Некоторые специалисты предлагали применить для ускорителей двигатели на твердом топливе, как у «Шаттла», мотивируя это их более высокой надежностью. Конструктивно такой двигатель по сравнению с ЖРД более прост, и обеспечить его многократное использование также проще. Возможно, именно поэтому в США пошли по такому пути. Каждый твердотопливный ускоритель (ТТУ) первой ступени «Шаттла» развивает огромную тягу - порядка 1315 тс! Это две громадные «пороховые бочки» длиной более 45 м и диаметром 3,7 м, начиненные по 503 т топлива. Многократность их использования (до 20 полетов) обеспечивается, благодаря приводнению в океане на парашютах. Но за кажущейся простотой ТТУ скрывается их существенный недостаток - невозможность отключения даже в аварийной ситуации, пока не выгорит все топливо. Именно этот приведенный В.П. Глушко аргумент стал решающим для принятия решения об использовании на 1-й ступени советской ракеты ЖРД.

Начиная с 1974 г, в коллективе Глушко велось проектирование экологически чистых кислородно-керосиновых маршевых двигателей РД-170 и РД-171. которые предполагалось использовать на ракетах серии «РЛА». В ноябре 1976 г. был разработан эскизный проект самого мощного в мире жидкостного ракетного двигателя РД-170 со следующими характеристиками: тяга на земле - 740 тс, в пустоте - 806,4 тс; удельный импульс* на земле - 309,3 с, в пустоте - 337 с: давление в камере сгорания - 250 атм., в газогенераторе - до 583 атм., мощность турбонасосного агрегата - более 250 000 л. с. Если ранее характеристики новых ЖРД росли довольно плавно, то при переходе к РД-170 произошел их скачок: тяга увеличилась в 5 раз, мощность турбонасосного агрегата - в 10. Однако имевшегося научно-технического задела оказалось недостаточно для быстрого воплощения задуманного в жизнь, и потребовалось почти 8 лет, чтобы довести двигатель до стендовых огневых испытаний. Одной из основных конструктивных особенностей РД-170 стало наличие четырех камер, качающихся в двух плоскостях, и двух газогенераторов, работающих на одну турбину.Такое решение позволило как бы объединить в одном двигателе четыре, каждый из которых развивал тягу 185 тс, близкую к параметрам более ранних и уже отработанных изделий (около 150 тс). Разработчики РД-170 предусмотрели возможность не менее, чем двадцатикратного его использования, с учетом межполетных огневых проверок. Гарантированный запас работоспособности двигателя перед последним применением должен составлять не менее 5 включений, необходимых для одного полета. По состоянию на 1 января 1991 г было проведено 804 огневых испытания РД-170 общей продолжительностью 93300 с, в том числе 22 двигателя прошли успешные летные испытания в составе ракет-носителей «Зенит» и «Энергия»**.

Сам «Зенит» создавался в соответствии с правительственным постановлением от 16 марта 1976 г. в днепропетровском КБ «Южное» под руководством В.Ф. Уткина. Изначально подразумевалось, что первая ступень этой РН могла быть использована в качестве стартовых блоков рождавшегося в то же время суперносителя. Так и получилось: все четыре блока первой ступени «Энергии» - это, по сути, четыре «Зенита».

Значительным достижением отечественного ракетостроения стало создание высокоресурсного маршевого двигателя большой тяги РД-0120 на энергоемких компонентах топлива (кислород-водород), предназначенного для второй ступени «Энергии». Его разработка началась в 1976 г. в Воронежском КБ химической автоматики под руководством АД. Конопатова. Были проведены обширные исследования поведения конструкционных материалов в водородной среде при различных условиях, которые позволили установить закономерности нового явления - снижения свойств сталей и сплавов от водородного «охрупчивания» в условиях чрезвычайно низких температур. Удалось создать новые материалы. Например, получили титановый сплав, из которого изготовили крыльчатку для насосных агрегатов, работоспособную при окружных скоростях 600 м/с (разрушающая - 886-928 м/с), что в 1,7 раза превысило достигнутый в насосостроении уровень.

Основные характеристики двигателя РД-0120: тяга на уровне земли - 147,6 тс; тяга в пустоте - 200 тс; удельный импульс на уровне земли - 353,2 с; удельный импульс в пустоте - 455 с; давление в камере сгорания - 223 атм; масса сухого - 3450 кг; диапазон дросселирования тяги - 45-100 %; время работы на форсаже - 750 с (такой режим использовался в нештатной ситуации: при отказе одного из четырех двигателей остальные выводились на форсаж).

Для отработки двигателя была создана уникальная экспериментальная база, включающая три кислородно-водородных стенда, системы переохлаждения компонентов топлива и их нейтрализации, командно-измерительный комплекс. Огневое испытание РД-0120 началось в марте 1979 г., а первое испытание на 100% режиме тяги удалось провести лишь через 5 лет. В феврале 1986 г. создатели двигателя перешли к его испытаниям в составе блока «Ц» РН «Энергия» на универсальном комплексе стенд-старт На 1 марта 1991 г. общая наработка при 785 испытаниях двигателя составляла 166250 с. Наибольшая наработка на одном двигателе - 4072 с при 9 включениях (испытания 1987-88 гг,}. Наибольшее время одного пуска - 1202 с (январь 1988 г). Наибольший достигнутый режим форсирования - 123% в течение 100 с (сентябрь 1987 г). Многоразовость использования РД-0120 планировалось довести до 20 запусков.

Для повторного применения блоки первой ступени «Энергии» собирались возвращать на Землю с помощью парашютных систем, а саму посадку выполнять на специальные опоры с использованием двигателей мягкой посадки. Сохранять огромный блок «Ц» пока не предполагали, намереваясь решить эту проблему в перспективе.

Продолжение следует

* Удельный импульс - показатель эффетивнисти ракетного двигателя, отношение его тяги к расходу топлива в секунду.

*** Существует мнение, что отечественная промышленность не достигла уровня американской, специалистам которой удалось создать однокамерный (а значит, и более надежный) двигатель F- 7 почти такой же мощности, нашедший применение еще на Saturn-V. И все же, РД-170 в сравнении с F-1 имеет на 50 тс большую тягу и на 1,5 м меньшую габаритную высоту при почти одинаковых ширине и сухом весе. К тому же, производство F-1 в США прекращено вместе с полетами «Сатурнов», и американцы охотно покупают в России для своей ракеты-носителя Atlas-3А модификацию РД-170- двухкамерный РД-180 тягой 375 тс.