Авиация и космонавтика 1994 01-02

Решение «Проблемы №1»

Автор статьи, которую мы представляем читателям, – Иван Савельевич ПРУДНИКОВ, доктор технических наук, один из ведущих специалистов в области ракетно-космической техники. В ОКБ С. Королева начал работать с 1946 года. В 50-60-х годах руководил проектно-конструкторским отделом головных частей (ГЧ) баллистических ракет. С 1964 по 1966 год возглавлял проектный отдел по космическим пилотируемым кораблям, затем – проектно-конструкторский отдел по лунному кораблю комплекса Н1-Л3. В течение девяти лет, с 1974 по 1982 год, был главным конструктором одного из тематических направлений НПО «Энергия», в задачи которого на первых порах входила разработка лунного экспедиционного комплекса. Интересно, что Сергей Павлович Королев только однажды был научным руководителем – при подготовке И. Прудниковым кандидатской диссертации в 1955 году.

Р-7

В 1954 году ОКБ С. Королева (ОКБ-1) поручается создание межконтинентальной баллистической ракеты (МБР), получившей в дальнейшем индекс Р-7. Эта работа была беспрецедентна.

До этого, как известно, в СССР были разработаны ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, максимальная дальность полета которых составляла соответственно 270, 600 и 1200 км. Опыт их создания и проведенные научно-исследовательские работы показали принципиальную возможность разработки в относительно короткие сроки МБР с дальностью полета около 8000 км при массе головной части до 5,5 т и стартовой массе 275 т.

В то время это было сверхзадачей. Проблем хватало, но в статье рассказано о той, над которой работал отдел головных частей. В процессе всего полета надо было обеспечить целостность и нормальное функционирование ядерного боезаряда, кроме того, боеголовки должны были иметь заданные баллистические характеристики. Наверное, у читат еля возникнет вопрос: разве стоявшие на вооружении ракеты не имели боевых частей? Конечно, имели, но скорость входа ГЧ ракеты Р-7 в плотные слои атмосферы (условно – в 100 км над поверхностью Земли) достигала 7900 м/с, что в 2,64 раза превышало скорость ГЧ ракеты Р-5. При этом кинетическая энергия составляла около 170 млрд. кг- м, что было больше уже в 27 раз. Такой энергией располагает фантастический железнодорожный состав из 20 400 вагонов массой по 60 т, движущийся со скоростью 60 км/ч. Это и обусловливало все трудности.

Резкое торможение в плотных слоях атмосферы приводило к огромным силовым нагрузкам на конструкцию, сопровождавшимся колоссальным нагревом теплозащитного покрытия, чего не мог выдержать никакой применявшийся в то время материал. Вот почему скорость движения головной части «семерки» и ее энергетическая характеристика определяли качественную новизну и научно-техническую сложность ее создания. Это касалось выбора аэродинамической компоновки, разработки методики аэрогазодинамических расчетов и определения тепловых потоков при движении головной части в атмосфере, создания надежных высокоэффективных теплозащитных материалов, определения характера уноса (разрушения) теплозащитного покрытия и расчета его потребной толщины, разработки оптимальных компоновочной и конструктивно-силовой схем ГЧ, обеспечивающих нормальное функционирование спецснаряжения и минимальную массу головной части. Вот почему ее разработка и считалась «проблемой № 1».

К чести всех занимавшихся этой проблемой, она была решена успешно и в короткие сроки (1954-1958 гг.). Причем настолько успешно и надежно в научно-техническом, инженерном и практическом плане, что о ней, во-первых, в скором времени перестали (!) говорить, а во-вторых, основными решениями по «проблеме № 1» пользуются по сей день при создании как головных частей, так и аппаратов, спускаемых на Землю, Марс или Венеру.

С исторической точки зрения интересно не только то, что успех был достигнут, но и то, как он был достигнут.

С учетом всех обстоятельств стало совершенно ясно, что без особых организационно-технических мероприятий с задачей не справиться. Главный конструктор прибег, пожалуй, к единственно правильному решению – организовал в ОКБ-1 специальный проектно-конструкторский отдел, привлек мощные научные силы страны и создал на экспериментальном заводе ОКБ-1 специализированное производство по изготовлению головных частей.

Для решения вопросов аэрогазодинамики, определения тепловых потоков, разработки теплозащитного покрытия постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР были привлечены кафедры МГУ, институты Академии наук СССР и промышленности. В их числе Научно-исследовательский институт тепловых процессов Минвооружения, Всесоюзный институт авиационных материалов Минавиапрома, Физико-технический институт АН СССР, Ленинградский институт огнеупоров, Ленинградский физико-технический институт АН СССР, Научно-исследовательский институт графита Минцветмета, Институт горючих ископаемых АН СССР, Институт порошковых материалов АН УССР, Научно-исследовательский институт пластмасс Минхимпрома, Московский химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева.

При ОКБ-1 был создан совет, который систематически обсуждал и направлял поисковые исследования по всем аспектам проблемы. Руководили советом академик Г. Петров и член-корреспондент АН СССР К. Бушуев. В его работе участвовали доктор технических наук Ю. Дунаев, А. Обухов (ЛФТИ АН СССР), Н. Воронин (Институт огнеупоров), специалисты ОКБ-1.

Рис. 1

Аэродинамическая компоновка головной части ракеты Р-7 а) первоначальный вариант (1956г); б) принятая по результатам летной отработки и уточнения методик расчетов (1958г).

Проектно-конструкторский отдел ОКБ-1 по головным частям был отделом замкнутого цикла и имел в своем составе все подразделения для проведения расчетно-исследовательских и проектно-конструкторских работ и их осуществления. Расчеты показывали, что для тепловой защиты ГЧ потребуются специальные материалы и производство головных частей будет специфическим. Это обусловило создание на заводе цеха теплозащитных покрытий, оснащенного уникальным оборудованием: крупногабаритным автоклавом высокого давления, мощными прессами с подогревом, каландрами и др. Руководил им И. Поваров. Одновременно были организованы участки по изготовлению корпусов, сборке и заводским испытаниям головных частей. Первым начальником участка сборки ГЧ был В. Зудинов.

Какой должна быть аэродинамическая компоновка головной части, какие условия будут сопутствовать полету при столь больших скоростях прохождения атмосферы, как защитить ГЧ от аэродинамического нагрева – все это было тогда малоизвестным. Исключительно сложную задачу представляло определение температур на поверхности головной части, тепловых потоков к теплозащитному покрытию, характера и величины обгара (разрушения) теплозащитного покрытия. На основании аэродинамических расчетов и предварительной компоновочной проработки с учетом применения спецснаряжения решили ГЧ делать конической формы с углом полураствора 11° (рис. 1).

Достоверной методики расчета тепловых потоков к поверхности головной части и величины уноса теплозащитного покрытия не было, поэтому предприняли попытку оценить эти характеристики путем сопоставления условий входа метеоритов и головной части в плотные слои атмосферы. С этой целью Сергей Павлович привлек к работам академика В. Фесенкова. Результаты были малоутешительными. Получалось, что требуемая масса тепловой защиты слишком велика и неприемлема по чисто практическим соображениям. Для технически правильного решения оставался только один путь – разработка расчетных методик, пусть очень приближенных, и на их основе определение значений тепловых потоков и уноса массы теплозащитного покрытия. Это и было сделано под руководством аэрогазодинамиков – В. Рощина, А. Решетина, Б. Плотникова с использованием теоретических предпосылок и экспериментальных данных, полученных на образцах в плазменных высокотемпературных установках и моделях, подвергавшихся воздействию газов, истекающих из ЖРД.

Наиболее подходящим для наконечника и боковой поверхности ГЧ в то время был признан материал на основе кремнезема с органическим связующим – бакелитом. Отработка технологии нанесения покрытия на головную часть оказалась сложной и отняла много сил и времени. К началу летных испытаний ракеты Р-7 этот вопрос все еще оставался в критической стадии и им занимались все, включая высшее руководство. В частности, большое внимание ему уделял Д. Устинов, в то время министр вооружения.

Благодаря общим усилиям первую головную часть телеметрического варианта для летных испытаний «семерки» удалось изготовить почти в заданные сроки. Но на полигоне, во время подготовки ракеты к летным испытаниям, на покрытии боковой поверхности ГЧ стали появляться трещины. Прибегли к их заделке. Все это лишний раз убеждало, что принятое теплозащитное покрытие нетехнологично, неконструктивно и в целом неприемлемо.

Первые два пуска ракеты Р-7 (май-июль 1957 г.) были аварийными на участке выведения и ничего нового для отработки головной части не дали. Но тогда уже под руководством А. Северова, В. Бурлуцкого и В. Никулиной велся поиск защитного покрытия другого вида – асботекстолитового на органическом связующем. Головные части для последующих двух летных испытаний были изготовлены именно с его использованием. В конструкцию же наконечников изменения не вносились.

При испытаниях в августе-сентябре 1957 года головные части с заданными баллистическими характеристиками достигли района падения. Однако на высоте около 11 км, когда скорость падения ГЧ была примерно 5000 м/с, наблюдались яркие вспышки. Это являлось несомненным признаком разрушения головных частей в плотных слоях атмосферы.

При раскопках воронок были найдены обломки наконечников и элементов конструкции корпусов ГЧ с остатками теплозащитного покрытия. По ним можно было судить, что несущий металлический корпус головной части надежно защищен от аэродинамического нагрева и унос теплозащитного покрытия с боковой поверхности меньше расчетного почти на порядок. Что же касается наконечника, то не оставалось никаких сомнений – разрушение ГЧ начиналось именно с него.

В результате анализа полученных данных удалось уточнить величины уноса теплозащитного покрытия, а по ним – методики расчета. Это обусловило изменение аэродинамической компоновки – была уменьшена длина наконечника, увеличены его притупление и длина стабилизирующей юбки (рис. 1).

Доработанная головная часть (компоновка, конструкторские и прочностные расчеты – В. Садовый, Н. Воронцов, К. Хомяков, Н. Павлов) была изготовлена в кратчайшие сроки. Ее летные испытания (в январе 1958 г.) прошли успешно. При этом благодаря усовершенствованию антенно-фидерных устройств телеметрическая информация с ГЧ была получена на большей части траектории ее полета в плотных слоях атмосферы. Эти результаты наряду с данными автономных регистрирующих устройств и анализом обнаруженных остатков ГЧ позволили дополнительно уточнить методики расчета тепловых потоков и уноса теплозащитного покрытия.

Так решалась и была решена «проблема № 1» – создание головных частей межконтинентальных баллистических ракет со специальным снаряжением. А вместе с ней – и задача разработки аппаратов, которые могли бы спускаться с орбиты искусственного спутника Земли, возвращая грузы, животных, а затем и космонавтов.