Ракета-носитель «Атлас-D»

Для орбитальных полетов «Меркурия» служила доработанная межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) «Атлас-D» (Atlas D).

Концептуально «Атлас» родился из идеи Карела Боссарта, технического директора отдела астронавтики фирмы Convair, предложившего в 1946 г. объединить несущую конструкцию и топливные баки в единое целое. Это давало заметные преимущества по сравнению с «классической» ракетой А-4 («Фау-2»).

В новой схеме устойчивость бакам придавал наддув газом, что позволило отказаться от мощного силового набора.

Еще одна «изюминка» «Атласа» - характерная «полутораступенчатая» схема. При старте включаются пять двигателей: два стартовых жидкостных ракетных двигателя (ЖРД), один маршевый и два рулевых. Через 2 минуты работы стартовые ЖРД, стоящие по бокам маршевого двигателя, сбрасываются. Ракета продолжает полет за счет тяги маршевого и рулевых ЖРД. После отсечки первого «руле-вики» добирают скорость до необходимой.

Для летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) двигательной установки (ДУ) использовался одноступенчатый «Атлас-А» без маршевого двигателя (восемь полетов, первый - 11 июня 1957 г., последний - 3 июня 1958 г.). Для проверки концепции и опытных полетов на полную дальность применялись полутораступенчатые ракеты «Атлас-В» и -С (всего 23 запуска, первый - 19 июля 1958 г., последний - 24 августа 1959 г.).

Первая космическая миссия «Атласа» -18 декабря 1958 г.: запущенный в рамках ЛКИ «Атлас-В» вышел на орбиту. Впервые в мире он нес связной комплекс SCORE, который через неделю передал по радио рождественские поздравления президента Д.Эйзенхауэра.

«Полутораступенчатый» «Атлас» был довольно слабым космическим носителем, несмотря на большую для того времени стартовую массу. Началась работа по наращиванию его мощи за счет установки верхних ступеней. Проектанты предложили ряд вариантов; базой для большинства стала РН «Атлас-D», которую можно считать прародительницей всех ракет-носителей семейства «Атлас».

Ракета «Атлас-D» первой из американских МБР была принята на вооружение ВВС в сентябре 1959 г.; 159 ракет модификации D, а также вариантов Е и F были развернуты в континентальной части страны. Варианта D было запущено гораздо больше, чем любого другого - 123.

РН «Атлас-D» для программы «Меркурий» имела длину с кораблем 29.5 м, диаметр 3.05 м и стартовую массу 117.7 т.

ДУ ракеты (МА-2 разработки фирмы Rocketdyne) включала секцию стартового ускорителя, состоящую из двух ЖРД, и секцию маршевого двигателя, состоящую из одного маршевого и двух рулевых ЖРД. Все двигатели работали на жидком кислороде (окислитель) и RP-1 (углеводородное горючее типа керосина).

Маршевый ЖРД с турбонасосным агрегатом (ТНА) устанавливался на шарнирном подвесе в хвостовой части бака горючего. Рулевые камеры на шарнирах крепились на силовом шпангоуте этого бака. Приборные отсеки в виде двух удлиненных контейнеров укреплены снаружи бака.

1 - САС;

2 - капсула «Меркурий»;

3 - бак окислителя;

4 - приборный отсек;

5 - бак горючего;

6 - рулевая камера;

7 - сбрасываемый хвостовой отсек;

8 - стартовые двигатели;

9 - маршевый двигатель.

Два стартовых двигателя со своими ТНА подвешивались на шарнирах внутри сбрасываемого хвостового отсека. При разделении ступеней отсек съезжал по направляющим. Радиационный экран защищал днище отсека от высокой температуры газовых струй ЖРД.

ТНА работали на основных компонентах топлива; после турбины продукты сгорания «грели» в теплообменнике гелий, предназначенный для наддува баков ракеты, а затем сбрасывались за борт.

Охлаждаемая горючим стенка камер сгорания маршевого и стартовых ЖРД набрана из тонких трубок переменного сечения, прозванных «спагетти» и уложенных по образующей. Зажигание в камерах - пиротехническое.

ТНА маршевого двигателя снабжал топливом как основную, так и рулевые камеры.

Маршевый ЖРД начинал качаться в шарнире только после сбрасывания стартовых двигателей.

За оптимальным соотношением компонентов топлива следила система опорожнения топливных баков (СОТБ). Баки наддувались гелием только на участке работы стартовых ЖРД. После разделения ступеней бак окислителя наддувался за счет испарения кислорода, а спад давления в баке горючего не превышал минимума, допустимого по условиям кавитации.

Электросистема включала главную батарею серебряно-цинковых элементов и электромеханический преобразователь постоянного тока в переменный. Электропитание подавалось в систему управления ДУ, систему управления полетом, СОТБ и систему ASIS (Abort Sensing and Implementation System) для обнаружения неисправностей РН и обеспечения спасения астронавта.

Система управления полетом состояла из программатора, автопилота и силовых приводов отклонения камер сгорания.

Подсистема наведения включала наземную и бортовую части. В первую входили РЛС сопровождения (определяла положение ракеты относительно станции наведения), допплеровский радиолокатор (скорость ракеты) и компьютер (рассчитывал траекторию и генерировал корректирующие сигналы, которые передавались на борт РН).

При ЛКИ и запусках КА «Атласы-D» оснащались телеметрической системой (боевой ракете она была не нужна); в первых полетах «Меркурия» (до МА-4) - стандартной, в последующих миссиях - облегченной.

Для обеспечения безопасности на РН стояли две дополнительные системы. Система радиосопровождения производила контроль положения и скорости РН. Данные шли на компьютер IBM 7090 Атлантического полигона, который непрерывно предсказывал точку падения РН. В случае, если бы аварийная ракета отклонилась в сторону и угрожала населенным пунктам, оператор командной системы по радио должен был отключить ДУ и подорвать ракету в полете.

Для того чтобы показатели надежности РН оставались на уровне продемонстрированных в ЛКИ, основным правилом было вносить в конструкцию «Атласа» как можно меньше изменений. Проходили только те, которые были необходимы для адаптации носителя к требованиям миссий «Меркурий», а также улучшающие безопасность РН.

Анализ статистики полетов «Атласа» показал, что отклонения некоторых параметров ракеты от нормы являются предвестниками наступающего катастрофического отказа. Чтобы контролировать эти параметры и сообщать системе САС, что катастрофа неизбежна, была разработана автоматическая система ASIS. Она как бы заполняла «зазор» между достигнутой надежностью боевого «Атласа» и требованиями к практически полной надежности РН для пилотируемого корабля.

«Индикаторами» аварии служили: давление в баке окислителя, перепад давления на межбаковой переборке, угловая скорость относительно всех трех осей, давление в форсуночной головке ЖРД, давление в гидросистеме маршевого двигателя и мощность электросистемы РН. По каждому из параметров работали как минимум два датчика. Уход хотя бы одного из параметров за поле допусков заставлял систему ASIS уменьшать напряжение в бортовой сети до значения ниже расчетного, что говорило о катастрофическом отказе. А сигнал «электричество кончилось» автоматически прекращал полет.