ГЛАВА 5
Разгонные блоки. Ядерные энергетические установки космических аппаратов. Ядерные ракетные двигатели.
Многоцелевые унифицированные разгонные блоки
Разгонные блоки "Д" и "ДМ"
В ряду созданных космических разгонных блоков
особое место занимает семейство блоков "Д" и "ДМ".
Прообразом семейства явился разгонный блок "Д"
комплекса Н1-Л3, который разрабатывался в рамках
лунной пилотируемой программы в соответствии с Постановлением от 3 августа 1964
г.
Функционально блок "Д" должен был обеспечивать до двух
коррекций траектории перелета Земля-Луна, выдачу тормозного импульса для
перевода лунного комплекса на круговую орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ),
две-три коррекции этой орбиты и, наконец, выдачу тормозного импульса для гашения
орбитальной скорости пилотируемого посадочного корабля перед его прилунением.
Отработавший блок "Д" с остатками топлива и сжатых газов падал на поверхность
Луны. На блоке "Д" комплекса Л3 устанавливался двигатель 11Д58 разработки ОКБ-1.
Двигатель 11Д58, выполненный по замкнутой схеме,
впервые должен был обеспечивать многократный запуск в условиях космического
пространства и невесомости с помощью раскрутки бустерного бакового
турбонасосного агрегата окислителя сжатым газом из автономной газобаллонной
секции пневмогидросистемы пуска блока "Д". В процессе пневмозапуска насос
окислителя создавал значительный напор (около 10 км/см2), что
обеспечивало надёжное заполнение неохлажденного тракта окислителя жидким
кислородом и начальный уровень расхода газогенераторного газа через турбину
основного ТНА, необходимые для выхода двигателя на нормальный режим. Такая схема
обеспечивала минимальные потери кислорода на захолаживание ДУ.
Из всех ракетных блоков комплекса
Н1-Л3 блок "Е" оказался наиболее сложным: время его
активного функционирования составляло 7 сут., в течение которых мог
потребоваться семикратный запуск.
В процессе эскизного проектирования в 1964 г. были
рассмотрены два варианта блока "Д": первый, разработки ОКБ-1, использующий
нетоксичные компоненты топлива ("керосин - жидкий кислород"), и второй,
использующий высококипящие компоненты, разрабатываемый КБ "Южное" (г.
Днепропетровск).
На основании сравнительного
анализа энергомассовых и эксплуатационных характеристик был выбран первый
вариант.
Для уменьшения теплового
притока к окислителю (переохлажденный кислород с температурой до -1930С)
была принята сферическая форма бака окислителя с экранно-вакуумной
теплоизоляцией, а все соединения выполнены с помощью тепловых мостов.
Сферический бак окислителя и торовый бак горючего, внутри которого располагался
двигатель, определили габаритные размеры блока "Д".
При проектировании блока было
много споров вокруг наиболее рационального способа забора горючего из бака в
условиях малой перегрузки. Рассматривались варианты разделительной мембраны и
ранее применяемых в торовых баках заборных устройств "банановой" формы напорного
и безнапорного типов. В результате было найдено самое неожиданное и простое
решение - наклонить бак на 300,
что позволило иметь как бы полностью открытое заборное устройство, не
заграможденное перемычками и другими конструктивными элементами. Такому решению
способствовала разгруженная силовая схема баков блока. На блоке впервые были
применены технические решения, которые впоследствии стали классическими в
ракетной технике (например, использование баковых преднасосов, входящих в состав
двигателя, и хранение гелия в баллонах, погруженных в жидкий кислород, и др.)
Для создания перегрузки перед
включением основного двигателя использовалась автономная двигательная установка
системы обеспечения запуска (ДУ СОЗ) с вытеснительной подачей высококипящих
самовоспламеняющихся компонентов топлива, которую разработало КБТМ "Союз".
Моделирование позволило создать ДУ СОЗ с применением весьма малых начальных
перегрузок (2х10-4 - 5х10-3) и выбрать оптимальные
внутрибаковые устройства, что обеспечило минимум массовых потерь, связанных с
установкой СОЗ. На модельных установках был отработан многократный (до 7 раз)
запуск блока "Д" с содержанием топлива в баках до 30% их объёма.
Бак ДУ СОЗ имел шаровую форму. В её состав входили два
двигателя (один резервный), тяга которых в процессе отработки постепенно
снижалась с 10 кгс до 2,5 кгс, что было обосновано результатами модельных
испытаний, а величина начальной перегрузки была доведена до 2х10-4 при времени
её действия до 300 с. Форма перфорированных внутрибаковых устройств также была
оптимизирована.
На блоке устанавливались две ДУ СОЗ, прикрепленные к нижнему днищу бака горючего
симметрично относительно продольной оси, которые должны были сбрасываться после
запуска основного двигателя блока при его последнем включении.
В 1965 г. началась разработка головного блока и орбитального пилотируемого
комплекса для облёта Луны (комплекс Л1). В состав головного блока входил
модифицированный разгонный блок "Д" (11С824). При разработке схемы полёта
комплекса Л1 было решено проводить два запуска блока "Д" (для накопления опыта
повторного запуска кислородно-керосиновой ДУ в космических условиях): первый -
кратковременное включение двигателя для вывода на низкую круговую орбиту ИСЗ и
второй - для разгона с опорной орбиты ИСЗ к Луне.
Блок "Д" комплекса Л1 (разгонный блок 11С824) стал родоначальником семейства
разгонных блоков. При его разработке основные решения по конструкции топливного
отсека и пневмогидравлической схемы были заимствованы с блока "Д" комплекса
Н1-Л3 с изменением силовых отсеков (средний и нижний переходники, ферма
крепления комплексе Л1), а также облика и функционирования ДУ СОЗ. В схеме
полёта корабля Л1 на ДУ СОЗ дополнительно возлагались его ориентация и
стабилизация перед довыведением на орбиту ИСЗ и при полёте по этой орбите. Для
ориентации и стабилизации в составе ДУ СОЗ использовались дополнительные
двигатели, создающие управляющие моменты по крену, тангажу и рысканию. После
запуска основного двигателя блока 11С824 при втором включении ДУ СОЗ
сбрасывались.
Наземная экспериментальная отработка блока 11С824 завершилась двумя огневыми
испытаниями на стенде (18 ноября и 9 декабря 1966 г.), циклограмма которых
предусматривала два запуска ДУ блока "Д". Первый запуск блока "Д" в составе
комплекса Л1 состоялся 10 марта 1967 г. ("Космос-146"). Блок "Д" разогнал
ко-рабль 7К-Л1 N 2П до скорости выше второй космической при надёжной работе всех
его систем.
Всего по программе Л1 проведено 14 запусков, в которых, учитывая аварии
ракеты-носителя, блок "Д" должен был запуститься семь раз, но один раз он не
запустился. Результаты лётных испытаний по программе Л1 позволили расширить
область применения блока "Д".
После проведения в ОКБ-1 проектных и баллистических расчётов по использованию
блока "Д" для разгона космических аппаратов на траектории полётов к Луне, Марсу
и Венере в 1968 г. была проведена конструктивная доработка блока с космическими
аппаратами дальнего космоса разработки ОКБ им. Лавочкина. Этому предшествовало
детальное обсуждение целесообразности использования блока "Д" для решения задач
запуска КА в дальний космос, так как ОКБ им. Лавочкина совместно с ОКБ-456
предполагало создать для своих КА новый разгонный блок на базе 10-тонного
двигателя, работающего на топливе "кислород - несимметричный диметилгидразин".
Одновременно продолжалась наземная отработка блока "Д" комплекса
Н1-Л3. Было
проведено шесть огневых испытаний (три в 1967 г., одно - в 1970 г. и два - в
1971 г.), при которых двигатель блока "Д" включался 7 раз, при испытании 4 марта
1971 г. - 8 раз. Кроме того, учитывая сложность функционирования блока "Д" в
комплексе Н1-Л3, было принято решение о проведении специальных лётных испытаний
его на ракете-носителе "Протон". Для этого было спроектирован головной блок Л1Э,
который состоял из упрощенного корабля Л1, экспериментального блока "Д" и
головного обтекателя комплекса Л1. Экспериментальный блок "Д" был оснащен
дополнительными датчиками для получения более полной информации по внутрибаковым
процессам и несколькими иллюминаторами, через которые осуществлялась подсветка
и проводилась видеосъёмка поведения жидкости во время полёта на различных
расстояниях от заборного устройства. Кроме того, бак горючего имел прозрачный
приямок.
Из двух запланированных полётов первый (28 ноября 1969 г.) был неудачным из-за
аварии носителя, а второй (2 декабря 1970 г.) прошёл успешно. Вся информация по
внутрибаковым процессам при семи включениях двигателя была передана на Землю.
В начале 1969 г. была разработана модификация блока "Д" для выведения на
геостационарную орбиту спутников связи и телевидения, которые разрабатывало КБ
ПМ (Главный конструктор М.Ф.Решетнёв). Спутники связи не имели аппаратуры
управления ракетным блоком , поэтому блок "Д" был оснащен самостоятельной
системой управления, расположенной в герметичном приборном отсеке торовой формы,
в котором также размещалась аппаратура телеметрии и командной радиолинии.
Приборный отсек был установлен на специальной ферме над баком окислителя и имел
систему терморегулирования. На блоке "Д" был установлен двигатель 11Д58М. Эта
модификация блока получила обозначение "ДМ", или 11С86.
Блок "ДМ" с 3 августа 1973 г. по 30 июля 1975 г. прошёл шесть огневых испытаний,
в процессе которых блок заправлялся по два-три раза, а двигатель включался по
4-5 раз.
Дальнейшие усилия по созданию блока были направлены на унификацию блока "ДМ",
который стал работать в комплексе с различными космическими аппаратами, выводя
их на стационарную и высокоэллиптические орбиты и разгоняя к планетам Солнечной
системы.
На этапе внедрения блока "ДМ" в программу геостационарных спутников связи он
выдержал жёсткую конкуренцию со стороны фтор-аммиачного разгонного блока,
который предложило к разработке КБ ПМ (Главный конструктор М.Ф.Решетнёв) и
ОКБ-456 (Главный конструктор - В.П.Глушко). Двигатель, использующий в качестве
окислителя жидкий фтор, имел более высокие энергетические характеристики, однако
жидкий фтор представлял большую угрозу при эксплуатации из-за чрезвычайной
агрессивности и токсичности. В своем эскизном проекте КБ ПМ ошибочно оценило
выводимую массу спутника при использовании блока "Д" в 920 кг. ОКБ-1 при
поддержке ЦНИИМАШ доказало возможность выведения блоком "Д" спутника массой
около 1900 кг, что стало решающим в конкурентной борьбе. В марте 1969 г. блок
"ДМ" был внедрен в программу спутников связи и уже 25 лет успешно выводит их на
геостационарную орбиту, причём за счёт дальнейшего усовершенствования своих
характеристик в настоящее время он способен выводить на геостационарные орбиты
спутники массой до 2600 кг.
Блок "ДМ" может использоваться с приборным отсеком (11С86) и без него (11С824М).
Высокая степень его унификации достигается выделением модульной части блока,
представляющей собой топливный отсек с двигателем и основной частью аппаратуры
управления двигательной установкой, расположенной на баке горючего. Эта
модульная часть является единой для обоих разновидностей блока "ДМ".
В 1982 г. разгонный блок с модифицированной системой управления получил индекс
11С861. С 1974 г. по 1993 г. работы по блокам "ДМ" типа 11С824М и 11С861
проводилась под руководством заместителя Главного конструктора Б.В.Чернятьева.
Разгонный блок "ДМ" имеет сухую массу 3420 кг, в том числе массу отделяемых в
полёте элементов - 1090 кг; массу КА, выводимых на ГСО, - до 2600 кг;
заправляемый запас компонентов топлива - 15050 кг; тягу двигателя 11Д58М в
пустоте - 8550 кгс и удельную тягу (в пустоте) - 361 с.