Ракета-носитель "Восток" (8К72К)

В период запусков советских космических кораблей (КК) «Восток» эту РН в прессе называли «мощной многоступенчатой ракетой-носителем», или «космической многоступенчатой ракетой». Свое имя она неожиданно приобрела в 1967 г., когда впервые была продемонстрирована миру на авиасалоне в Ле-Бурже, во Франции. Именно тогда на ее борту появилось слово «Восток».

Трехступенчатая РН 8К72К «Восток» - первый носитель пилотируемых космических кораблей. Ее создали в ОКБ-1 в 1959-60 гг. на базе двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7 (8К71) с добавлением 3-й ступени от РН 8К72, запускавшей к Луне первые автоматические станции. Оказалось, что эта лунная ракета - с некоторыми доработками - может вывести на орбиту КК массой 4.5 т.

РН «Восток» повторяла конструктивно-компоновочную схему предыдущих вариантов Р-7. Эта схема остается неизменной и для всех современных «семерок» (как часто называют РН типа Р-7), таких как «Союз-У» или «Молния-М». Блоки первых двух ступеней соединялись параллельно, в «пакет», состоящий из четырех одинаковых боковых блоков (Б, В, Г и Д) 1-й ступени, которые окружали центральной блок (А) 2-й ступени. При старте двигательные установки (ДУ) всех блоков включались одновременно. Боковые блоки сбрасывались после 118-120 сек полета, а центральный блок 2-й ступени продолжал работать еще в течение 180-190 сек. Третья ступень (блок Е) устанавливалась на вторую последовательно, и ее ДУ включалась в конце работы 2-й ступени.

В состав бокового блока входили:

- верхний опорный и переходной конусы;

- конические баки окислителя и горючего;

- межбаковый отсек;

- отсек вспомогательных компонентов;

- силовое кольцо и цилиндрический хвостовой отсек.

Опорный конус со сферическим оголовком в вершине служил для стыковки бокового и центрального блоков. Оголовки упирались в кронштейны силового пояса центрального блока, передавая ему усилия, создаваемые тягой ДУ боковых блоков. Топливные баки всех блоков являлись несущими, т.е. их стенки выполняли и роль корпуса. В них создавалось избыточное давление, наддув, который производился азотом, хранившимся в жидком состоянии в торовом баке отсека вспомогательных компонентов. В этом же отсеке располагался торовый бак еще одного вспомогательного компонента - перекиси водорода, которая служила для привода турбонасосного агрегата (ТНА), подающего топливо в камеры сгорания двигателей. К силовому кольцу, соединявшему отсек торовых баков с хвостовым, крепилась рама жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и узлы нижнего соединения боковых блоков с центральным. В хвостовом отсеке бокового блока был установлен ЖРД 8Д74 (РД-107). Двигатель РД-107 имел четыре основные неподвижные камеры сгорания и две поворотные рулевые камеры для управления полетом ракеты. Если во время полета тяга ЖРД одного из блоков падала более чем на 25%, происходил самопроизвольный отрыв дефектного бокового блока от «пакета». Две такие аварии произошли до первого пилотируемого полета - 16 апреля 1960 г. при пуске АМС к Луне и 28 июля 1960 г. при пуске корабля-спутника 1К №1.

1 - головной обтекатель;

2 - вырез под люк катапультного кресла;

3 - КК «Восток»;

4 - третья ступень (блок Е);

5 - межступенчатый переходник;

6 - вторая ступень (центральный блок А);

7 - первая ступень (боковые блоки Б, В, Г, Д);

8 - двигатель центрального блока;

9 - двигатель бокового блока;

10 - воздушные рули

Центральный блок включал:

- приборный отсек с переходной фермой;

- бак окислителя с силовым опорным поясом;

- цилиндрический бак горючего;

- отсек вспомогательных компонентов;

- хвостовой отсек.

Переходная ферма на вершине блока А служила для установки на нем 3-й ступени и обеспечивала выход газов стартующей ДУ этой ступени при «горячем» разделении со 2-й ступенью. Рама опиралась на приборный отсек (ПО), разделенный на секции фанерными перегородками. В секциях ПО располагались блоки инерциальной системы управления (СУ), радиосистемы, приборы автоматики и т.п. Эти фанерные перегородки сохранились и в ПО современных РН семейства Р-7. Верх ПО был закрыт отражателем с жаростойким покрытием, предохранявшим отсек от газов работающей ДУ блока Е. В центральной части бака окислителя располагался силовой пояс. Он являлся (и является сейчас) основным элементом блока А, воспринимающим усилия от работающих ДУ блоков 1 -и ступени, и он же удерживает всю РН на стартовой позиции. Четыре откидывающиеся опоры стартового комплекса (который часто называют «тюльпаном»), «упираясь» в «карманы» опорных конусов боковых блоков, фактически «подвешивают» РН за этот пояс на стартовой позиции. Бак окислителя и бак горючего центрального блока транспортируются с завода на космодром раздельно и собираются в единый блок уже в здании монтажно-испытательного корпуса (МИК).

В хвостовом отсеке центрального блока был установлен ЖРД 8Д75 (РД-108). По конструкции он аналогичен РД-107 бокового блока, но имел четыре рулевые камеры, а также некоторые отличия в параметрах и элементах автоматики. РД-108 и РД-107 работали на жидком кислороде и керосине. Они были разработаны в ОКБ-456 главного конструктора В.П.Глушко (ныне ОАО «НПО «Энергомаш» им. академика В.П.Глушко»).

Основные технические характеристики РН 8К72К

Характеристика с кораблем 1КП (3КА)
Длина, м 38.360
Максимальный поперечный размер, м 10.303
Масса: стартовая с полезным грузом, т 286.44 (287.00)
в т.ч. компонентов топлива, т 257.60 (257.79)
сухая (с полезным грузом ), т 28.84(29.11)

Суммарная номинальная тяга ДУ:

на Земле/в вакууме, тс

409.9/501.9

Боковые блоки 1-й ступени (В, В, Г, Д)

Длина, м 19.825
Максимальный поперечный размер, м 3.820
Максимальный диаметр, м 2.680
Масса: стартовая, т 43.225 (43.25)
в т.ч. компонентов топлива, т 39.50
Двигательная установка: 8Д74(РД-107)
ном. тяга на Земле/в вакууме, тс 83.5/101.5
уд. импульс на Земле/в вакууме, с 252/308
давление в камере сгорания, атм 59.6
суммарное время работы, с 140
сухая масса, кг 1155
Время отделения блоков Т+118...119с

Центральный блок 2-й ступени (А)

Длина с переходной фермой, м 28.750
Максимальный диаметр, м 2.950
Масса: стартовая, т 100.4(100.8)
в т.ч. компонентов топлива, т 93.0 (93.4)
Двигательная установка: 8Д75(РД-108)
ном. тяга на Земле/в вакууме, тс 75.9/95.9
уд. импульс на Земле/в вакууме, с 245/309
давление в камере сгорания, атм 52.0
суммарное время работы, с 340
сухая масса, т 1.250
Время отделения блока Т 305...308с(308...309с)

Блок 3-й ступени (Е)

Длина, м 2.980
Диаметр, м 2.576
Масса: стартовая, без полезного груза, т 7.950 (7.820)
стартовая, с полезным грузом, т 12.490(12.545)
сухая, т 1.346(1.430)
полезный груз, т 4.540 (4.725)
Двигательная установка: 8Д714 (РД-0105) (8Д719 (РД-0109))
номинальная тяга в вакууме, тс 5.04 (5.56)
удельный импульс в вакууме, с 316(323.5)
давление в камере сгорания, атм 45.9
сухая масса, кг 125(121)
максимальное время работы, с 450 (430)
Время отделения КК от блока Е Т+730с(680...690с)

Головной обтекатель

Длина, мм 6630
Диаметр, мм 2700
Масса, кг 650
Время сброса ГО Т+151...155 с.

Состав блока 3-й ступени:

- переходной отсек;

- торовые баки окислителя и горючего;

- межбаковый отсек;

- двигательный отсек.

На верхнем шпангоуте переходного отсека 3-й ступени, блока Е, устанавливался КК «Восток» и головной обтекатель (ГО). Третья ступень имела собственную СУ, которая размещалась в межбаковом отсеке. Там же размещались элементы системы телеметрии, энергоснабжения и автоматики. В центральном отверстии торового бака горючего располагался ЖРД блока Е. Первые РН «Восток» 8К72К, запускавшие беспилотные корабли-спутники, имели на блоке Е тот же ЖРД 8Д714 (РО-5, РД-0105), что и на «лунных» ракетах 8К72. Этот ЖРД был разработан совместно ОКБ-1 и ОКБ-154 главного конструктора С.А.Косберга (ныне КБ химавтоматики). Начиная с пуска 22 декабря 1960 г. на блоке Е устанавливался усовершенствованный ЖРД 8Д719 (РО-7, РД-0109) конструкции ОКБ-154 с улучшенными параметрами и повышенной надежностью, который разрабатывался специально для запуска пилотируемых кораблей 3КА «Восток».

Головной обтекатель, состоявший из двух частей, защищал КК от напора воздуха при прохождении плотных слоев атмосферы и сбрасывался сразу после 150-й секунды полета. ГО имел сбоку округлый проем поперечником 1.8 м для посадки космонавта в корабль, который служил также для его катапультирования при возникновении аварийной ситуации на старте или в полете.

Интересно, что концепция системы аварийного спасения менялась дважды по ходу проектирования РН и КК. Сначала планировалось, что при аварии РН от 0 до 40-й сек полета (высота 8 км) кресло с космонавтом катапультируется, а затем он спасается на парашюте. При аварии РН с 40 до 150-й сек полета предусматривалось отключение ДУ, падение (!) ракеты до высоты 7 км, катапультирование космонавта и спуск его на парашюте. При этом система приземления спускаемого аппарата (СА) взводилась бы от таймера на 70-й сек полета. При аварии РН со 150 по 700-ю сек полета предусматривалось аварийное выключение ДУ, отделение СА и приземление его в штатном режиме. При аварии непосредственно перед выходом на орбиту, после 700-й сек полета, предусматривалось отделение всего корабля с последующим аварийным разделением отсеков и приземлением СА в штатном режиме, однако перегрузки при этом могли достигать 21 g.

Затем было принято решение: при аварии до 150-й сек полета аварийно сбрасывать обтекатель и отделять СА с последующим катапультированием космонавта. Однако практически было ясно, что срабатывание парашютной системы с полным раскрытием парашюта возможно только после 40-й секунды полета, когда появлялся необходимый запас высоты. Наконец, при разработке корабля 3КА приняли решение упростить систему спасения - высоту катапультирования космонавта ограничили всего 4 км (примерно 30-я секунда полета), а при аварии 1 -и ступени на большей высоте отключалась ДУ, сбрасывался ГО, отделялся СА и космонавт катапультировался по штатной схеме. Это означало, что в случае аварии РН на высоте ниже 4 км шанса на спасение у космонавта практически не было.

В 1960-1963 гг. РН8К72К «Восток» стартовала 15 раз, в т.ч. с беспилотными кораблями-спутниками 7 раз, с пилотируемыми кораблями «Восток» 6 раз и 2 раза - с автоматическими спутниками-разведчиками «Зенит-2». Все пилотируемые пуски РН «Восток» были успешными, но авариями закончились три попытки запуска РН «Восток» с беспилотными аппаратами: две - с кораблями-спутниками и одна - со спутником «Зенит-2».