Ракета-носитель (РН) «Энергия», создававшаяся как составная часть многоразовой космической системы (МКС) «Энергия — Буран», является универсальным средством выведения сверхтяжелого класса, способным доставлять на орбиты в околоземное космическое пространство крупногабаритные полезные грузы массой до 100 т на внешней подвеске.
Массы полезных грузов, выводимых:
на низкие орбиты ИСЗ — до 100 т
на геостационарную орбиту — до 20 т
на траекторию полета к Луне — до 32 т
РН «Энергия» обеспечивает всеазимутальность пусков, но за базовые орбиты, определяемые районами падения отработавших ракетных блоков I ступени, приняты орбиты с наклонением 51, 65 и 97°.
В создании комплекса «Энергия-Буран» участвовало 1206 предприятий и организаций, почти 100 министерств и ведомств, были задействованы крупнейшие научные и производственные центры России, Украины, Белоруссии и других республик СССР.
Двухступенчатая РН «Энергия» выполнена по пакетной схеме с параллельным расположением ступеней и боковым расположением полезного груза, в которой четыре боковых ракетных блока I ступени (блоки А) располагаются вокруг центрального ракетного блока II ступени (блока Ц). РН устанавливается на стартово-стыковочный блок (блок Я), предназначенный для ее стыковки с пусковой установкой (ПУ) стартового комплекса и обеспечения силовых, пневмогидравлических и электрических связей РН с ПУ и комплексом наземного оборудования при подготовке к пуску.
Стартово-стыковочный блок служит опорным силовым элементом при сборке и транспортировке РН. После пуска ракеты стартово-стыковочный блок остается на пусковом устройстве и может использоваться повторно.
Двигательная установка РН «Энергия» состоит из четырех четырехкамерных кислородно-керосиновых двигателей РД-170 (по одному на каждом из четырех блоков I ступени ракеты) и четырех однокамерных кислородно-водородных двигателей РД-0120 на центральном блоке II ступени, а также пневмогидросхемы, обеспечивающей их функционирование. Двигатели РД-170, специально разработанные для РН «Энергия», обладают рекордными параметрами и не имеют аналогов за рубежом.
Все двигатели начинают работать со старта, причем запуск двигателей второй ступени происходит с некоторым опережением (8 с) запуска двигателей первой ступени. За это время система диагностики проводит заключительные проверки и дает «разрешение» на запуск двигателей первой ступени, таким образом исключается старт РН с неисправным двигателем. Широкие диапазоны регулирования тяги двигателей и массового соотношения компонентов топлива, поступающего в камеры, обеспечивают реализацию наиболее оптимальных параметров движения РН и синхронизацию опорожнения топливных баков. РН на активном участке полета управляется и стабилизируется путем отклонения вектора тяги двигателей I и II ступеней в двух плоскостях. Для этого двигатели имеют узлы качания и систему высокоточных рулевых приводов, обеспечивающих качание каждого двигателя II ступени и четырех камер двигателя I ступени. Рулевые приводы развивают тяговые усилия около 50 тс на I ступени и около 33 тс на II ступени и действуют с точностью 1 % от диапазона перемещения приводов.
Система автономного управления РН «Энергия» на базе бортового цифрового вычислительного комплекса обеспечивает высокую точность выведения полезного груза в заданную область и широкие возможности РН по выходу из нештатных ситуаций, в том числе и при отказе одного из двигателей РН. Высокая степень автоматизации позволила учесть возможность многих нештатных ситуаций — выход из них заранее заложен в программы. Иными словами, пятьсот нештатных ситуаций превратились в штатно-заложенные. В самых сложных нештатных ситуациях автоматика приводит ракету в безопасное состояние, и она останется в нем, пока не будет принято необходимое решение.
При наличии в составе полезного груза элементов, сбрасываемых на активном участке полета, система управления формирует команду на их сброс, исходя из условия обеспечения падения отделяемых элементов в заданном районе. Отделение боковых ракетных блоков от центрального при израсходовании компонентов топлива в одном из блоков происходит по команде системы управления с помощью ракетных двигателей на твердом топливе.Система пожаро- и взрывопредупреждения предназначена для повышения безопасности работ на стартовой позиции и предупреждения взрыва РН в полете при аварийных утечках водорода и кислорода из центрального блока.
Система аварийной защиты двигателей РН контролирует их параметры в процессе запуска и работы и позволяет произвести выключение аварийного двигателя до его разрушения, а при некоторых условиях — и выключение диаметрально противоположного двигателя, нормально работающего. Все это предупреждает развитие аварии на борту РН и позволяет продолжить управляемый полет.
Особое место среди проектно-конструкторских решений занимает ракетный блок I ступени. В соответствии с тактико-техническим заданием МКС «Энергия — Буран» должна быть многоразовой и использоваться в полете не менее 10 раз. В результате всесторонних исследований была выбрана парашютно-реактивная схема возвращения блока после его отделения от РН. Возвращение и повторное использование блоков — это сложная научно-техническая задача, которую предполагалось решать последовательно, по мере проведения экспериментальной отработки. При первых летных испытаниях блоки А в составе РН не оснащались средствами возвращения, а использовались лишь отдельные системы для их отработки.
Важным фактором, повлиявшим на успешную реализацию программы создания ракетного блока А, стало то, что параллельно с работами НПО «Энергия» по созданию РН «Энергия» в КБ «Южное» (г. Днепропетровск, генеральный конструктор В.Ф. Уткин) разрабатывалась РН среднего класса «Зенит». Ракетные блоки обеих РН должны были быть максимально унифицированными. Унификация предусматривалась по размерам топливных баков, применяемым конструкционным материалам, по двигателю и большинству агрегатов автоматики. Опережающие сроки создания РН «Зенит» сделали возможным во многом распространить на блок А результаты наземной и летной отработки блока I ступени РН «Зенит». Изготовление модульной части блока А осуществлялось «Южмашзаводом» (г. Днепропетровск, директор Л.Д. Кучма). Изготовление хвостового и носового отсеков и сборку блоков А производил Завод экспериментального машиностроения (г. Калининград Московской обл., директор А.А. Борисенко).
Самым сложным и трудоемким в РН «Энергия» являлся центральный блок (блок Ц). Огромные размеры, обилие трубопроводов, сварных стыков, кабелей, агрегатов привели к тому, что цикл его изготовления составлял полтора года. Головным заводом по изготовлению центрального блока и сборке РН «Энергия» был определен Куйбышевский завод «Прогресс». Крупногабаритные отсеки центрального блока транспортировались на полигон с завода-изготовителя специально доработанным самолетом 3М-Т, где осуществлялась его окончательная сборка.
Учитывая многоразовость использования комплекса, было уделено значительное внимание средствам подготовки комплекса к пуску на объектах полигона. Для выполнения программы «Энергия — Буран» было принято решение создать универсальный комплекс стенд-старт (УКСС), дооборудовать и переоборудовать стартовый комплекс (СК), созданный ранее по программе Н1-Л3, создать посадочный комплекс (ПК) ОК, а также предусмотреть запасные аэродромы на территории страны на случай незапланированной посадки ОК.
Кроме этого, для обеспечения доставки и сборки комплекса «Энергия — Буран» были разработаны, изготовлены и смонтированы подъемно-транспортные устройства, реконструированы и построены новые транспортные магистрали.
В декабре 1982 года в монтажно-испытательном корпусе была проведена первая сборка «пакета» РН — экспериментальной технологической ракеты, на которой были проведены динамические испытания и примерочные работы с системами наземного оборудования УКСС.
С марта по октябрь 1985 года на УКСС были проведены «холодные» стендовые испытания центрального блока, при которых была отработана технология заправки компонентами топлива, включая заправку переохлажденным жидким водородом. Затем были проведены два огневых испытания блока.
При первом огневом испытании (по программе 20 секунд) через 2,58 секунды после начала запуска ДУ прошла команда «Автоматическое прекращение подготовки» из-за медленного набора оборотов турбонасосным агрегатом одного из двигателей, одновременно было зафиксировано падение управляющего давления гелия в нескольких магистралях пневматической сети. При последующем осмотре ракеты было выявлено разрушение одной пневмомагистрали (трубки диаметром 20 мм), что потребовало проведения ряда мероприятий по повышению надежности.
Второй огневой запуск ракеты длительностью 390 с прошел без замечаний.
Залогом успеха создания РН «Энергия» стал большой объем наземной экспериментальной отработки конструкции, проверка функционирования всех ее систем и агрегатов. Летными испытаниями только подтверждались заданные характеристики. Всего по РН «Энергия» были проведены испытания на 232 экспериментальных установках и 30 прочностных сборках, что соответствовало изготовлению четырех полных комплектов штатной РН.
Первый пуск ракеты-носителя был проведен с УКСС 15 мая 1987 года в 21 ч 30 мин по московскому времени. Вместо орбитального корабля «Буран» в качестве полезной нагрузки был использован космический аппарат «Скиф-ДМ». Пуск прошел успешно. Изменение всех параметров движения ракеты по времени полностью соответствовало данным предварительного моделирования.
Первый успешный пуск ракеты «Энергия» подтвердил, что создана универсальная РН «Энергия» сверхтяжелого класса, не имеющая по своим возможностям аналогов в мировом ракетостроении.
Второй пуск РН «Энергия», на этот раз с ОК «Буран» намечался на 29 октября 1988 года. Подготовка к запуску проходила успешно, метеоусловия были благоприятными, скорость ветра не превышала 1 м/с. Все команды по циклограмме предстартовой подготовки исполнялись нормально, оставалось отвести от ОК «Буран» переходный стыковочный блок, но за 51 с до запуска двигательных установок РН «Энергия» автоматизированная система подготовки пуска выдала команду «Автоматическое прекращение пуска». Государственная комиссия приняла решение отложить старт и слить низкокипящие компоненты топлива из ОК и РН. Анализ показал, что отбой запуска произошел из-за несвоевременного отвода платы системы азимутального наведения (прицеливания) РН и, следовательно, задержки с отводом фермы, на которой она располагалась. После устранения всех замечаний и докладов о готовности к повторному запуску было принято решение о проведении повторной предстартовой подготовки и запуске 15 ноября 1988 года в 6 часов утра московского времени.
Перенос пуска совпал с резким изменением погодных условий: 15 ноября 1988 года они были на грани установленных ограничений на пуск — порывы ветра достигали 20 м/с, что превышало установленные ограничения. Пуск прошел без замечаний. Все системы в полете работали нормально. Корабль был выведен на орбиту с максимальной высотой 263 км и минимальной высотой 251 км. Общее время полета ОК «Буран» составило 206 мин. Проделав все предпосадочные маневры, он вышел точно на посадочную полосу, приземлился, пробежал 1620 м и остановился посреди посадочной полосы. Боковое отклонение составило всего 3 м, а продольное — 10 м при скорости встречного ветра 17 м/с.
Впервые в мировой практике была проведена полностью автоматическая посадка космического аппарата такого класса.
При создании РН, построенной по схеме, существенно отличающейся от ранее реализованных, пришлось столкнуться с множеством сложных научно-технических и организационных проблем. Среди проблем, решенных в процессе создания МКС «Энергия — Буран» были:
разработка схемы РН, на базе которой возможно построение целого ряда РН не только разной грузоподъемности, но и различного типа выводимых на орбиту грузов, в том числе многоразовых орбитальных кораблей;
создание крупногабаритного с высокой степенью массового совершенства кислородно-водородного блока II ступени (блока Ц), позволяющего его использование в качестве базового при разработке перспективных ракетно-космических комплексов;
освоение технологии работ с переохлажденным жидким водородом и средств обеспечения безопасности при его крупномасштабном применении, а также использование переохлажденного жидкого кислорода и охлажденного керосина;
нейтрализация выбросов непрореагировавшего водорода в процессе запуска двигателей II ступени;
разработка и внедрение новых конструкционных материалов, обладающих повышенными физико-механическими свойствами, новых теплоизоляционных и теплозащитных покрытий, обеспечивающих необходимые тепловые режимы в экстремальных температурных условиях, а также антистатических покрытий с заданными характеристиками проводимости;
упрочнение алюминиевого сплава при криогенных температурах и создание стенда криогенно-статических испытаний;
освоение технологии изготовления крупногабаритных вафельных конструкций, топливных баков большого диаметра с внедрением электронно-лучевой сварки, обеспечение чистоты топливных емкостей и неразрушающего контроля качества приклеивания теплоизоляции и теплозащиты;
определение акустических характеристик без проведения огневых технологических испытаний;
обеспечение прочности крупногабаритных конструкций РН в условиях существенного перепада температур в процессе стоянки и заправки;
решение вопросов транспортировки крупногабаритных элементов конструкций РН самолетом-транспортировщиком 3М-Т;
создание универсального комплекса стенд-старт, обеспечивающего экспериментальную огневую отработку и пуск РН, экспериментальной базы для отработки универсальных РН и их составных частей и разработки экспериментальных установок;
создание производственной базы на полигоне с оборудованием технического комплекса и автоматизированной системы управления подготовкой и пуском.
Одной из серьезных проблем, которая была успешно решена, являлась проблема электромагнитной совместимости всех радиосистем (бортовых и наземных), работавших на участке выведения. Всего на этом участке было задействовано 419 радиоэлектронных средств.
Опыт создания РН такого класса может быть с большим экономическим эффектом использован в других хозяйственных отраслях. В 1989 году НПО «Энергия» совместно со смежными организациями разработало каталог «Научно-технические достижения по системе „Энергия — Буран“ — народному хозяйству», в котором приведены около 600 предложений, реализация которых могла бы дать экономический эффект около 6 млрд. руб. (в ценах 1989 года).
Создание РН «Энергия» открывало перспективу на целый ряд глобальных проектов, представляющих огромную международную значимость. В НПО «Энергия» в период 1987-1993 годы были проведены проектные проработки по космическим комплексам, базирующимся на РН «Энергия», для решения задач:
восстановления озонового слоя Земли;
удаления радиоактивных отходов Земли за пределы Солнечной системы;
освещения приполярных городов;
создания крупногабаритных космических отражателей для ретрансляции энергии;
создания солнечного паруса для межпланетных полетов;
использования ресурсов Луны;
создания системы экологического контроля и обеспечения стратегической стабильности;
создания единой международной глобальной информационной системы;
удаления космического «мусора» с околоземных орбит;
изучения Галактики с помощью больших космических радиотелескопов.
Однако общий спад и развал российской промышленности самым непосредственным образом отразился на проекте «Энергия — Буран». В 1992 году Российское космическое агентство приняло решение о прекращении работ и консервации созданного задела. К этому времени был полностью собран второй экземпляр орбитального корабля и завершалась сборка третьего корабля с улучшенными техническими характеристиками.
Источник: Сайт РКК «Энергия»
| Стартовая масса | 2400 т |
| Полезная нагрузка | 105000 кг |
| Количество ступеней | 2 |
| Общая длина | 59 м |
| Маршевые двигатели | РД-170, РД-0120 |
| Компоненты топлива | Горючее-керосин, Окислитель-жидкий кислород; Горючее-водород, Окислитель-кислород |
| Космодром | Байконур |
| Первый запуск | 15 мая 1987 года |
| Последний запуск | 15 ноября 1988 года |
| Разработчик | НПО «Энергия» |
| Изготовитель | «Прогресс» |
