Без «кузькиной матери»
Ракета-носитель «Протон» — прямая наследница советской двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты УР-500, спроектированной в КБ, которое возглавлял Владимир Челомей. Ее разработка началась в 1961 году, вскоре стало понятно, что на вооружение она не пойдет из-за ее избыточной мощности, хотя она была способна доставить до территории противника знаменитую термоядерную бомбу, условно называемую «кузькина мать». Базироваться ракета должна была в шахтах, однажды приехавший на Байконур Хрущев, узнав, сколько нужно денег для этого, сказал:
«Так что мы будем строить — коммунизм или шахты для УР-500?»
Ракета потеряла свое боевое назначение, но была переориентирована на запуск спутников. Первый пуск состоялся 16 июля 1965 года с лабораторией для исследования космических частиц «Протон». Всего было выполнено четыре пуска двухступенчатого варианта, из них три — успешно. На основе этой ракеты Челомей предложил программу пилотируемого облета Луны, и на ракету поставили еще одну, третью ступень и небольшой разгонный блок. Однако разработчики не успели реализовать программу, поскольку сделать космический корабль и разгонный блок поручили конструкторскому бюро Сергея Королева. За Челомеем оставалась фактически только ракета. Всего по программе было запущено 11 беспилотных кораблей, из них 4 не вышли на орбиту Земли из-за аварий ракеты-носителя, 4 корабля совершили облет Луны.
Один корабль в июле 1968 года не был запущен из-за аварии разгонного блока во время подготовки к старту. В январе 1970 года программа была закрыта из-за того, что Советский Союз упустил приоритет в первом полете человека к Луне (в декабре 1968 года американские астронавты на корабле Apollo 8 первыми в мире осуществили облет Луны с выходом на окололунную орбиту, а в июле 1969 года на корабле Apollo 11 высадились на лунную поверхность). После закрытия программы облета ракета, получившая со временем название «Протон», применялась в трехступенчатом и четырехступенчатом вариантах для запуска космических аппаратов.
В 1970-е годы на ракете стали запускать первые советские орбитальные станции «Салют» и «Алмаз», а также межпланетные зонды к Луне, Марсу и Венере. «Протон» был единственной советской ракетой, способной запускать геостационарные спутники, висящие над одной точкой экватора на высоте 36 тыс. км. При полной массе в 700 тонн ракета доставляет на низкую околоземную орбиту 21 тонну или на геостационарную – до 3,5 тонны. Стартовые комплексы для «Протона» были и остаются только на Байконуре. В 1993 году американские и российские предприятия учредили компанию Lockheed-Khrunichev-Energia International (LKEI), преобразованную в 1995 году в International Launch Services (ILS), которая с 1996 года осуществляла запуски иностранных спутников на ракете «Протон» на коммерческой основе.
Раз ступень, два ступень...
Военное прошлое этой ракеты определило одно из главных ее отличий – все три ступени используют в качестве горючего несимметричный диметилгидразаин (гептил) и в качестве окислителя – тетраксид азота. Это связано с тем, что баллистическая ракета должна задолго до старта находиться в боеготовом состоянии. В отличие от нее ранее разработанные королевские ракеты использовали в качестве окислителя жидкий кислород, который испаряется и не допускает долгого хранения. Недостатком долгохранимого топлива является токсичность обоих его компонентов, достоинством — ему не требуется система зажигания, поскольку горючее воспламеняется само при контакте с окислителем.
В отличие от «Союза», у которого при старте начинают одновременно работать и «боковушки» первой ступени, и центральная вторая ступень, «Протон» выполнен по оптимальной схеме с последовательным делением ступеней.
В настоящее время используется самая совершенная модификация ракеты — «Протон-М», — оснащенная форсированными двигателями, облегченной конструкцией и цифровой системой управления.
Всего на ракете 11 маршевых однокамерных двигателей: шесть — первой, четыре — второй и один — третьей ступени. Третья ступень имеет также рулевой четырехкамерный двигатель.
Первая ступень состоит из одного центрального бака окислителя и окружающих его шести баков с горючим. Шесть качающихся двигателей РД-276 (разработки НПО «Энергомаш» и производства пермского завода «Протон-ПМ») обеспечивают тягу и управление ракетой на участке работы первой ступени (примерно 120 секунд).
Вторая ступень состоит из бака окислителя и горючего, разделенного перегородкой, а также четырех качающихся двигателей (три РД-0210 и один РД-0211) (разработки КБ химической автоматики и производства Воронежского механического завода). Помимо создания тяги РД-0211 генерирует газ наддува для создания избыточного давления в баках.
Разделение ступеней осуществляется по так называемой горячей схеме: двигатели верхней ступени включаются до того, как останавливаются двигатели нижней. Это делается для того, чтобы избежать проблемы включения двигателей в невесомости, поскольку перегрузка ракеты участвует в создании необходимого давления при подаче топлива в турбонасос. Ступень работает 200 секунд.
Третья ступень устроена аналогично второй — верхний бак с окислителем, нижний с горючим, однако у нее только один неподвижно установленный маршевый двигатель (РД-0213) и один рулевой РД-0214 с четырьмя качающимися камерами. Они также начинают работать до полного выключения двигателей второй ступени. Рулевой двигатель фактически вытаскивает третью ступень с полезной нагрузкой из переходника, соединяющего ее со второй ступенью. Третья ступень работает примерно 240 секунд.
Именно с работой двигателей третьей ступени сейчас связывают как минимум три аварии ракет «Протон» — недавнюю, 2014 года, к которой привело разрушение подшипника турбонасоса рулевого двигателя, и 1988 года.
«Если что-то в ракете перестает работать, подается команда АВД — «аварийное выключение двигателей». Это пошло еще со времен боевых ракет, чтобы в случае отказа ракета упала на нашей территории. Двигатели выключаются, ракета падает в атмосфере и, как правило, сгорает», — поясняет редактор журнала «Новости космонавтики» Игорь Афанасьев. Поскольку ракета стоит гораздо меньше стартового комплекса, в аварийных случаях в момент пуска основная задача — наоборот, увести ракету от старта. «Поэтому в случае отказа или даже взрыва одного из двигателей первой ступени подается команда на форсирование оставшихся и только потом подается команда АВД», — пояснил эксперт.
Деградировал
Как выяснила комиссия Роскосмоса, майская причина недавней аварии «Протона» крылась все в том же рулевом двигателе третьей ступени, отказ которого произошел из-за «повышенных вибронагрузок, вызванных увеличением дисбаланса ротора турбонасосного агрегата, связанного с деградацией свойств его материала под действием высоких температур и несовершенством системы балансировки». При этом, как выяснилось, отказ «имеет конструктивный характер».
Для облегчения разделения наверху второй ступени предусмотрены пороховые тормозные двигатели, которые помогают избежать опасных соударений ступеней. После этого третья ступень с нагрузкой и разгонный блок выходят на переходную или низкую околоземную орбиту.
Первый разгонный блок, а по сути, четвертая ступень ракеты, появился во время реализации программы облета Луны. Он предназначен для перевода космического аппарата с низкой околоземной орбиты на траекторию полета к Луне и другим планетам либо на геостационарную орбиту. Разгонный блок продолжительное время автономно работает в открытом космосе, функционируя в невесомости, и имеет свою систему активной ориентации и стабилизации.
На «Протоне» применяются два типа разгонных блоков (РБ). Блок «Д» — кислородно-керосиновый (разработки РКК «Энергия»), применяется в основном для запуска аппаратов ГЛОНАСС. «Бриз-М» (ГКНПЦ имени М.В. Хруничева) — на долгохранимых компонентах, для запусков геостационарных спутников. Сам он по сути двухступенчатый — центральная часть окружена тороидальным блоком сбрасываемых баков.
Основное отличие РБ (он относится не к ракете, а к космической головной части) от ступеней ракеты в том, что он может работать в невесомости, когда в баках топливо может собираться в виде шаров, в нем могут появляться пузыри газа, из-за которых двигатель может «захлебнуться». Поэтому для создания слабых перегрузок могут использоваться небольшие пороховые двигатели.
Привычная задача для «Протона» — выведение геостационарных спутников (36 тыс. км). Для этого разгонный блок должен сообщить аппарату, находящемуся на низкой круговой орбите, дополнительную скорость (порядка 3 км/с), чтобы он перешел с круговой орбиты на эллиптическую. И уже в дальней точке этого эллипса нужно придать аппарату еще один импульс, чтобы сообщить ему первую космическую скорость для этой высоты. Одна из сложностей заключается в том, что Байконур находится далеко от экватора. Поэтому орбиты спутников имеют высокое наклонение и для запуска геостационарного аппарата требуются дополнительные импульсы разгонного блока, чтобы «выпрямить» орбиту и заставить спутник висеть точно над экватором.
По той же причине на Луну или Марс «Протон» может отправить больше груза, чем на геостационарную орбиту.
«Схема «Протона» не меняется с 1965 года, однако сейчас применяются новые технологии, меняются материалы, немного увеличена эффективность двигателей. Возможность улучшения сильно завязана на конструкцию ракеты и габариты. Чтобы увеличить тягу, нужно либо давление в камерах увеличивать, либо увеличивать сопло, но это требует изменения габаритов ракеты и — главное — стартового комплекса», — пояснил Афанасьев.
Из Филей на поезде
Ракета собирается в Филях, на заводе Хруничева, и в виде небольшого числа транспортабельных блоков отправляется специальным железнодорожным составом на космодром. Изначально размеры элементов ракеты выбирались таким образом, чтобы наиболее габаритная ее часть (бак окислителя первой ступени диаметром 4100 мм), помещенная в специальный удлиненный вагон, могла перевозиться, не причиняя проблем встречным поездам и контактной электросети, свободно проходить в туннелях и по кривым участкам пути. При этом на участках с минимальными радиусами кривизны, чтобы избежать столкновения, приходится останавливать движение поездов встречного направления. Самая широкая неразборная часть ракет, диаметром до 5 м, — головной обтекатель.
Чтобы доставить его по железной дороге, его разделяют пополам вдоль и везут в наклонном положении.
В отличие от авиации, где расследование большинства аварий заканчивается публичным и детальным отчетом МАК, результаты космических аварий в России часто обнародуются без должной детализации.