Так представляли себе ИСЗ зарубежные учёные в конце 1940-х годов

Абстрагируясь от трудностей, стоящих перед заводчанами и сотрудниками КБ в период освоения производства новой техники, попробуем оценить технически (невзирая пока на сроки) возможность создания в молодом ОКБ такой сложной системы. Для этого требуется «кинуть взгляд в далекую историю». Теоретические работы по формированию облика самих спутников и средств их запуска велись давно. Здесь можно вспомнить труды отечественных и зарубежных теоретиков ракетной техники и космического полета, которые правильно указывали способ запуска спутника - с помощью ракеты, но ничего не говорили о сроках его появления. [3.2]

По мере развития техники мысли о создании ИСЗ стали постепенно кристаллизоваться в конкретные планы. К концу Второй мировой войны, когда мир на примере А-4 понял, на что способна ракета, для наиболее прогрессивных ученых стало очевидно, что спутник создать можно, но дело это, по-видимому, непростое. На его создание уйдут годы. Весь путь к нему необходимо было разделить на этапы.

На первом этапе предполагалось ограничиться созданием сравнительно несложных и легких автоматических беспилотных спутников-обсерваторий, снабженных простейшими научными приборами и системой передачи информации на Землю. В будущем можно было переходить к решению более сложных задач, в том числе к разработке пилотируемых спутников. Однако даже на этом этапе разработка, запуск ИСЗ и получение с их помощью информации требовали решения целого ряда задач, связанных с многими отраслями науки и техники. К таким проблемам относились:

1) расчет наиболее выгодной траектории выведения спутника на орбиту;

2) изучение движения спутника по орбите с учетом возмущающих сил;

3) исследование характера сил, воздействующих на ракету и спутник в период выведения и при полете по орбите;

4) разработка и постройка ракетной системы, способной вывести спутник на орбиту;

5) разработка конструкции спутника, соответствующей характеру задач, для выполнения которых он предназначен;

6) разработка методики научных исследований и создание научно-исследовательской аппаратуры для спутников;

7) разработка служебных систем спутника (управления, электропитания, терморегулирования, передачи информации на Землю и т.п.) и т.д.[3.3].

И если первые три пункта к этому времени можно было назвать в принципе решаемыми, наиболее трудными для специалистов-ракетчиков оставались параграфы, стоящие в середине этого списка и связанные с практическим созданием технических средств - ракеты, спутника, наземного оборудования. Здесь до ясности было далеко. Последние две задачи также были сложны, но касались ученых и специалистов смежных наук - радиотехники, электроники и т.п. И начать надо было необходимо с самого трудного.

Мощные ракеты в центре Пенемюнде [И3.1]

Из документов, вывезенных американцами из Пенемюнде, следует, что проектанты В.фон Брауна имели планы создания и использования ИСЗ в военных целях. Опираясь на свой опыт разработки больших ракет типа А-4, немецкие ракетчики были уверены в своем будущем успехе, но старались не называть сроков исполнения замыслов, говоря о необходимости проведения большого объема дополнительных научно-технических и производственных мероприятий. Однако они напрямую указывали на методы запуска ИСЗ - с помощью совершенных мощных многоступенчатых управляемых ракет на высококалорийном жидком топливе [3.4].

Вскоре после войны, в 1948 г. министр обороны США удивил весь научный мир, объявив о существовании плана создания «снарядов-спутников Земли». Ближайшей задачей в плане была разработка небольшого спутника с приборами для орбитального полета вокруг Земли и за пределами атмосферы [3.5].

В наши годы появились документы, позволяющие пролить свет на «расстановку сил» к этому времени. Действительно, первые углубленные исследования по определению облика ракеты-носителя для ИСЗ проводились в США по заданию военных ведомств в 1945-1949 гг. Они показали, что для практической реализации идеи необходимо создать ракетные аппараты совершенно новых типов, среди которых можно отметить как сравнительно крупные многоступенчатые ракеты, так и просто огромные одноступенчатые ракетные корабли на высококалорийном топливе. Для постройки таких аппаратов требовалось развернуть масштабные НИОКР стоимостью в несколько миллионов (вплоть до десятков и сотен миллионов!) долларов и продолжительностью порядка десяти лет. Так как эти изыскания по большей части носили военный характер, детальной огласки они не получили, за исключением появления в печати высказываний некоторых специалистов, внушающих глубокий пессимизм по этому поводу [3.6].

Схема одноступенчатого ракетного корабля-спутника, работающего
на кислородно-водородном топливе, спроектированного Бюро
Аэронавтики ВМФ США в 1946 г. [И3.3]

Следующим шагом можно считать совершенно независимое и несекретное исследование концепции создания простейшего ИСЗ при минимальных затратах, на базе существующего уровня техники. Эта работа была проведена весьма тщательно членами «Британского Межпланетного Общества» К.Гэтлендом, А.Кюнешем и А.Диксоном в 1951 г. и получила наименование «Minimum Satellite» (ИСЗ минимальной размерности). Имея явно недостаточные сведения о работах американских военных, англичане теоретически доказали, что напротив, запуск спутника может быть произведен при использовании уже имеющейся техники и в самые ближайшие сроки. Результаты этих исследований определенно повлияли на последующие работы по ИСЗ, особенно в США [3.7].

Спутник с приборами, предложенный по проекту Minimum Satellite [И3.2]

Авторы проекта Minimum Satellite с моделью надувного спутника без приборов и трёхступенчатой ракеты-носителя [И3.4]

А что же у нас в стране? За несколько лет до появления в печати работы «Minimum Satellite» один из пионеров советской ракетной техники, Михаил Клавдиевич Тихонравов, работая в Артиллерийской академии наук, провел исследования возможности достижения первой космической скорости с помощью многоступенчатой системы, представляющей собой связку («параллельный пакет») существующих или проектируемых баллистических ракет типа Р-1, Р-2 или Р-3. Доклад М.К.Тихонравова по данной теме, прочитанный на годичном собрании академии в июле 1948 г., был поддержан С.П.Королёвым. Как считают некоторые историки отечественного ракетостроения, этот доклад оказал большое влияние на концепцию Р-7 - знаменитой королёвской «семерки» - построенной по пакетной схеме [3.8].

Несмотря на то, что к середине 1950-х гг. для ряда ученых ИСЗ все еще оставался абстракцией, наука и техника уже достигли необходимого уровня, позволяющего говорить о том, что до запуска реальных спутников остаются считанные годы. Способы их выведения на орбиту уже не обсуждались: было очевидно, что достижение космических скоростей возможно только с помощью ракетных летательных аппаратов. Из всех вышеперечисленных работ следовало, что одноступенчатая ракета с показателями совершенства, достигнутыми к началу-середине 1950-х гг., сделать этого не могла.

Речь шла, разумеется, о многоступенчатой ракете. Теория разработки таких летательных аппаратов была подробно изучена и освещена основоположниками отечественной и зарубежной космонавтики. Математический аппарат для нее был отточен и отработан в деталях. Оставалось сделать «один шаг» - воплотить теорию в жизнь.

Наиболее простым казалось использование межконтинентальной баллистической ракеты, которая при запуске развивает скорости порядка 6,5-7,5 км/с. Совсем немного до первой космической скорости!

В НИИ-88 с 1950 г. при широком привлечении к работе многих организаций велось предварительное проектирование ракет с дальностью полета 5-10 тысяч км. Было установлено, что основные трудности встретятся при создании мощных ЖРД с высоким удельным импульсом, автономных и радиотехнических средств управления полетом, конструкции и теплоизоляции головных частей и т.д. Проводился детальный выбор схем ракет, их оптимальных параметров, числа ступеней, начальной массы, тяги двигателей и других характеристик [3.9].

К 1953 г. остановились на двухступенчатой баллистической ракете продольной схемы, состоящей из четырех аналогичных блоков первой ступени и одного блока второй, с одновременным включением ЖРД всех блоков на старте. Такая схема была далеко не единственной и не самой оптимальной с точки зрения энергетики. Параллельная схема в данном случае превосходила остальные по критериям надежности и времени исполнения. Шаг к схеме «семёрки» был вынужденным. Проектанты понимали, что для будущих систем лучше располагать ступени ракеты последовательно.

В январе 1954 г. на совещании главных конструкторов в ОКБ-1 было принято решение об использовании унифицированного двигателя сравнительно небольших размеров для всех блоков, ограничении габаритов блоков для того, чтобы их можно было транспортировать по железной дороге. Из условий эксплуатации проектанты отказались от привычного стартового стола и создали специальную стартовую систему с оригинальным способом подвески ракеты, разгрузив ее нижнюю часть на стоянке и уменьшив таким образом ее массу [3.10].

Прототип ракеты Р-7 и ракеты-носителя первого и третьего спутников

Межконтинентальная ракета Р-7 («семёрка»), Постановление о разработке которой вышло 13 февраля 1953 г., была оптимизирована не по массогабаритным характеристикам, а скорее по времени и наименьшему риску разработки. Она имела огромную по тем временам стартовую массу и массу ПГ, и вследствие этого, по мнению С.П.Королёва, обладала огромным потенциалом, позволяющим без значительных переделок использовать ее в качестве носителя ИСЗ. Подготовительные работы по спутниковой тематике велись в ОКБ-1 параллельно с разработкой «семёрки», и к концу 1955 г. вылились в предэскизный проект спутника («объект Д») массой 1000-1400 кг. Постановление же о работах по ИСЗ [3.11], принятое 30.01.1956 г., предусматривало создание в 1957-1958 гг. и выведение ракетой типа Р-7 неориентированного спутника с комплексом аппаратуры для научных исследований массой 200-300 кг. К июлю 1956 г. эскизный проект «объекта Д» был готов. Этот спутник мог стать вкладом СССР в проведение Международного геофизического года (МГГ), о чем и было объявлено в средствах массовой информации и с трибун международных симпозиумов ученых.

К концу 1956 г. выяснилось, что в назначенные сроки «объект Д» может быть и не создан: ученые испытывали значительные трудности при разработке научной аппаратуры. К тому же существующие энергетические характеристики ракеты Р-7 не позволяли вывести на орбиту аппарат массой больше тонны. Для ускорения создания первого спутника приняли решение упростить аппарат и резко уменьшить его массу, исключив из состава бортового комплекса практически все научные приборы. Идеей стал не запуск научной лаборатории в космос, а проверка возможности выведения искусственного объекта на орбиту. Кроме того, С.П.Королёв сумел доказать в верхах, что само по себе «создание ИСЗ будет иметь огромное огромное политическое значение как свидетельство высокого уровня развития нашей отечественной техники» [3.10].

Первые оценки, сделанные в ОКБ-1 в конце 1956 г., показали, что оставив 1-2 научных прибора, можно изготовить простой ИСЗ массой в 300 кг. Работы, проведенные по облегчению такого спутника, давали возможность надеяться, что массу можно будет уменьшить еще в два-три раза. Однако для такого ИСЗ нужна ракета гораздо меньшей размерности, чем «семёрка». К тому времени стали известны подробности американского плана «Авангард», предусматривающегося создание и запуск сверхлёгкого спутника во время проведения МГГ. Невольно оглядываясь на американцев и опираясь на собственные проработки, наиболее прогрессивные руководители промышленности во главе с Д.Ф.Устиновым пришли к выводу, что, используя имеющийся научно-технический задел, можно в короткие сроки создать легкий носитель [3.11].
Схема ракеты-носителя, разработанной 
в ОКБ-1 на базе ракет Р-5М и Р-11

Для большей экономии времени можно было попытаться получить РН, комбинируя уже имеющиеся или разрабатываемые ракеты. По такому пути и пошли сотрудники одного из отделов ОКБ-1 С.П.Королёва, которые предложили в конце 1956 г., также в качестве подстраховки для Р-7, создать носитель спутника на базе ракеты Р-5. Поскольку к середине 1950-х годов номенклатура готовых «изделий» была еще весьма ограничена, в качестве второй ступени они рассматривали свою же ракету Р-11 [3.12]. Однако обе эти ракеты были далеки от совершенства как ступени РН, и их соотношение в носителе было неоптимальным. Предлагаемая двухступенчатая система на базе Р-5/Р-11 не была способна сообщить грузу скорость, близкую к первой космической. Максимальное, что могло получиться из этого предложения - двухступенчатая высотная «геофизическая» ракета. Для создания РН спутника надо было либо коренным образом модифицировать обе ракеты, либо использовать для доразгона еще одну, третью ступень.

Проектирование многоступенчатой ракеты, как и создание любой большой и сложной технической системы - решение задачи со многими неизвестными. То, каким будет окончательный результат, зависит не только от множества исходных параметров. Его достижение во многом зависит от того, каким путем пойдут создатели аппарата.

Для начала надо определиться с общим направлением решения проблемы и сформировать концепцию, какой будет многоступенчатая ракета? На каких принципах она строится? Какова будет схема деления на ступени? Топливо? Двигатели? Старт? Полезная нагрузка?
Подготовка к старту ракеты В-5Б (на базе
Р-5М). «Пятёрка» так и не стала космической РН,
но на её базе была реализована полноценная
программа испытания ракетно-космической техники
и исследования верхних слоёв атмосферы [И3.5]

Имея готовую базовую ракету, можно «надстраивать» ее вниз, подводя под нее более мощные нижние ступени, или вверх, устанавливая на нее небольшие верхние (вторые, третьи, четвертые...) ступени. Мы уже знаем, с каким трудом шло проектирование больших одноступенчатых ракет типа Р-5М или Р-12. Следуя по первому пути, под одну из таких ракет надо было подставить еще более крупную ракету. Именно установив крылатый вариант ракеты А-4 на огромный ускоритель с ЖРД предполагали поступить проектанты «ракеты А9/А10 для Америки» из Пенемюнде [3.13].

Не будем рассматривать оптимальность подобного шага с точки зрения энергетики. Сразу можно сказать, что к тому времени проектанты из ОКБ-1 физически не могли пойти на это - все их резервы и время были отданы работам по «семёрке».

Второй путь - установка на существующую ракету второй (верхней) ступени. Об этом и говорил М.К.Янгель на совещании проектного коллектива. Так как проектанты были втиснуты в жесткие временные рамки, им пришлось опираться на отработанное производство, наземную аппаратуру, стартовый комплекс и прочее, а самое главное, на существующую ракету, как на первую ступень. Вместо боеголовки предстояло поставить вторую ступень с ПГ - спутником.

Как уже говорилось выше, попытки выбрать вторую ступень из номенклатуры готовых ракет в первой половине 1950-х гг. к успеху не приводили - ни одна из имевшихся небольших ракет (зенитных и баллистических) в совокупности с Р-5М или Р-12 не могла развить скорость, близкую к первой космической, и для завершения разгона требовалась еще одна ступень. А в некоторых случаях - и не одна, а две и более. В то время достижение высокой надежности даже для двухступенчатой ракеты было весьма и весьма трудной задачей*).

*) Как показывали расчеты, если надежность одноступенчатой ракеты с ЖРД первой половины 1950-х годов составляла примерно 80%, то надежность двухступенчатой не превышала 61%, а трехступенчатой - 46,2%. Последнее означает, что каждый второй пуск был обречен - прим. авт.

Следовательно, если уж говорить о надежной и оптимальной по времени создания РН, то это могла быть двухступенчатая ракета, вторую ступень к которой приходилось проектировать заново.

Некоторые предпосылки упрощали решение задачи. Например, было ясно, что масса первого ИСЗ может составить несколько десятков (до сотни-двух) килограммов. Следовательно, вторая ступень не должна быть большой. Уменьшая или увеличивая ее размерность, можно найти оптимум, при котором масса ПГ всей двухступенчатой системы будет максимальна.

Между тем, при создании относительно небольшой ракеты возникало ограничение - масштабный фактор. Реальные комплектующие ракеты - двигатель, система наведения, органы управления и т.п. - имели вполне определенные массогабаритные характеристики. Исходя из них надо было подбирать необходимые параметры систем и топливных отсеков второй ступени. В данном случае разработчики имели дело с решением задачи по оптимизации относительных характеристик ступеней по многим критериям. Немаловажное значение имела конструктивная простота и возможность быстрой реализации того или иного варианта.

Имея налаженное производство и понимая, какой ценой достигается создание нового изделия, проектанты стремились, во-первых, как можно меньше вмешиваться в конструкцию, наземную часть комплекса и схему работы базовой ракеты, во-вторых, старались уложиться в габариты существующей боевой части и, в-третьих, использовали имеющиеся комплектующие.

Что касается двигателя, то тут задача была упрощена: к середине 1950-х гг. в стране существовал ряд работоспособных ЖРД среднего класса тяги (от 1 до 10 тс), большинство из которых применялись на зенитных управляемых ракетах. Отдельные их образцы были очень совершенны. Однако дело было не только (и не столько) в двигателе.

Как было сказано, концепция первой у нас в стране крупной многоступенчатой ракеты с ЖРД в виде «параллельного пакета» была выбрана не из соображений оптимальной энергетики, а по совсем другим причинам, в том числе и из-за нерешенности многих технических проблем. Можно остановиться только на одном вопросе, отсутствие ответа на который не позволяло в первой половине 1950-х гг. создать большую двухступенчатую ракету с последовательным делением на ступени ни у нас в стране, ни за рубежом. Как известно, при полете многоступенчатой ракеты с последовательным расположением ступеней после окончания работы первой ступени и включением второй возникает период невесомости. Однако вплоть до 1955 г. ни один ведущий двигателист-ракетчик не мог гарантировать надежный запуск ЖРД второй ступени в вакууме и в состоянии невесомости [3.14].

Из школьного курса физики известно, как сложно ведет себя жидкость в невесомости. Часть её остается на стенках сосуда (если они хорошо смачиваются), а часть в виде одного или нескольких шаров плавает внутри сосуда. Если представить, что сосуд - это бак ракеты, то можно понять опасения двигателистов. Ведь если в подающую магистраль ЖРД вместе с топливом попадет пузырь газа, двигатель может «захлебнуться». Требовалось обеспечить надежный метод разделения газа наддува и компонента топлива в невесомости.

Схема высотной ракеты по проекту «Бампер» (комбинация ракет А-4 и «ВАК-Корпорал»)

Первыми на практике с трудностями запуска ЖРД в таких условиях столкнулись американцы, когда пускали по проекту «Бампер» многоступенчатую систему, состоящую из модифицированной А-4 в качестве первой ступени, и небольшой экспериментальной ракеты «ВАК-Корпорал» в качестве второй. С мая 1948 г. по июль 1950 г. было запущено восемь «Бамперов»: шесть с полигона Уайт Сэндз и две - с мыса Канаверал. Ракета №5 24 февраля 1949 г. достигла высоты 390 км, поставив своеобразный рекорд высоты, а ракета №7, запущенная 19 июля 1950 г. по пологой баллистической траектории, развила наивысшую для своего времени скорость полета в атмосфере [3.15].

Большинство запусков по этой программе были неудачны, во многом из-за проблем запуска ЖРД второй ступени. Компоненты топлива, бесперебойно поступающие под давлением сжатого азота из баков в двигатель «Корпорала» на земле, в условиях невесомости перемешивались с вытесняющим газом и не могли устойчиво самовоспламеняться в камере сгорания. К этому добавлялись неприятные процессы, связанные с мгновенным испарением в вакууме еще не воспламенившегося топлива. Все это приводило к тому, что ЖРД второй ступени либо вообще не запускался, либо включался с опозданием. Требовалось хотя бы на короткое время, создать небольшие перегрузки («искусственную тяжесть»), способные прижать топливо к входным отверстиям баков [3.16].

Как помнится, американцы так и не нашли радикального решения проблемы, предложив лишь устанавливать на вторые ступени будущих ракет небольшие пороховые двигатели, работающие в течение 1-2 секунд. Впервые они применили такой способ для запуска ЖРД второй ступени РН «Авангард».

Можно попытаться обойти эту проблему, установив на вторую ступень не жидкостный, а твердотопливный двигатель. Теоретически, достаточно совершенный ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) мог обеспечить необходимое приращение скорости. Здесь проектанты ограничивались рамками конструктивно-весового совершенства РДТТ, такими главными параметрами, как удельный импульс и отношение стартовой массы к конечной, которые показывали, что создать чисто твердотопливную вторую ступень для РН в первой половине 1950-х гг. было крайне тяжело.

При всех своих достоинствах - простоте конструкции, дешевизне в производстве, надежности, постоянной готовности к запуску в любых условиях, РДТТ имеют серьезные недостатки - относительно невысокий удельный импульс, малое время работы, сложности при регулировании тяги. Кроме того, отношение массы пустого РДТТ к массе его топлива в то время было еще очень велико.

Отечественные твёрдотопливные оперативно-тактические ракеты [И3.6]

У нас имелся солидный опыт создания твердотопливных (пороховых) ракет - в Великую Отечественную войну хорошо зарекомендовали себя гвардейские минометы «Катюша» и авиационные реактивные снаряды РС. После окончания войны их развитие продолжалось. На вооружение были приняты новые системы залпового огня (наследницы «Катюш»), а также тактические ракеты «Луна», «Марс», «Филин» [3.17]. Однако все эти ракеты похожи на артиллерийский снаряд: в качестве топлива в них применялись вкладные заряды (шашки) пироксилинового пороха, для устойчивого горения которого необходимо очень высокое давление - двигателю требовался толстостенный корпус. Масса топливного заряда двигателя при этом в начале-середине 1950-х гг. составляла 30-50% массы снаряженного РДТТ.

Пока реактивный снаряд имел небольшую скорость (и дальность), с такими недостатками могли мириться. В соответствии с законом Циолковского, при увеличении скорости относительная масса ПГ для такой ракеты уменьшалась. При характеристической скорости более 1 км/с все преимущества РДТТ на бездымном порохе перед ракетой с ЖРД полностью терялись. Получалось, что одна такая ракета, пусть даже большая и тяжелая, не могла служить верхней ступенью отечественной РН для запуска спутника Земли.

Выход - установка не одной, а нескольких последовательно соединенных ступеней (три-пять) с РДТТ. Хотя твердотопливный двигатель не имеет подвижных частей и более надежен, чем ЖРД (90% против 80%), однако общая надежность системы (первая ступень с ЖРД, остальные с РДТТ) будет невысокой: двухступенчатый носитель - 68,4%, трехступенчатый - 58,5%, четырехступенчатый - 50%, пятиступенчатый - 42,8%, шестиступенчатый - 36,5%. Даже разбиение на ступени, резко снижающее общую надежность системы, не приводило к существенному увеличению массы ПГ, которая для носителя с РДТТ в качестве верхних ступеней оставалась очень и очень небольшой.

Кроме того, порох имел огромную скорость горения, а РДТТ, вследствие этого, исключительно малое время работы. Это приводило к возникновению больших перегрузок на активном участке полета ракеты, способных разрушить весьма несовершенные научные приборы, которыми располагали ученые для установки на ИСЗ.

Надо сказать, что во второй половине 1940-х гг. наши специалисты пытались разработать пороховые многоступенчатые ракеты с аппаратурой для высотных исследований. Неуправляемая четырехступенчатая стратосферная ракета была создана в 1944-1946 гг. в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ) под руководством П.И.Иванова на базе корпусов от РС-132 и предназначались для подъема на высоту более 40 км приборов Физического института Академии Наук (ФИАН), измеряющих напряженность космической радиации.

При предварительных стрельбах 19 марта 1946 г. на ракетах со стальными камерами двигателей проверялись разделение ступеней и устойчивость полета. Результаты летных испытаний снарядов с «рабочими» облегченными алюминиевыми камерами РДТТ во второй половине июня 1946 г. были в общем отрицательными - у одной ракеты разорвало камеру, вторая сбилась с курса и лишь третья полетела хорошо, хотя максимальный потолок так и не был достигнут. Как отмечали испытатели, огромные перегрузки на активном участке полета (130 единиц) выводили из строя приборы... Все это в совокупности привело к отказу от использования подобных ракет [3.18].

Несмотря на такой вывод, многие ведущие специалисты-ракетчики, в том числе и С.П.Королёв, понимали, что в ряде случаев без РДТТ не обойтись. Требовалось разрабатывать новые виды твердого топлива (что и было реализовано позднее) или объединять сравнительно небольшие пороховые ракеты в связку.

Второй проблемой, наряду с запуском ЖРД в невесомости, была малая масса, которую можно было выделить на систему управления второй ступени. Низкий уровень совершенства электронных и электрических приборов у нас в стране в то время в совокупности с громоздкостью гироскопических устройств не позволяли создать СУ массой в несколько килограмм, как это было необходимо для «облегченной» второй ступени.

Все это требовало проведения довольно большого объема работ, поэтому, несмотря на высокий потенциал ОКБ-1, разработка РН-«подстраховки» и была поручена ОКБ-586.