Авиация и космонавтика 1994 03-04

«Циклон»

Широко известно, что 25 марта 1993 года с космодрома Плесецк стартовала новая ракета-носитель (PH) «Старт-1», созданная на основе межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) PC-I2M. Однако идея использовать боевые ракеты для запусков искусственных спутников Земли не нова. Ей уже исполнилось 30 лет…

Подполковник С. СЕРГЕЕВ

Вначале 60-х годов Отдельное конструкторское бюро (ОКБ-586), возглавлявшееся М. К. Янгелем (ныне – КБ «Южное», г. Днепропетровск), работало над боевыми ракетными комплексами и одновременно приступило к созданию космических транспортных средств на основе этих ракет. Так, на базе одноступенчатых баллистических ракет средней дальности Р-12 и Р-14 появились соответственно PH легкого класса «Космос-2» и «Космос-3». Двухступенчатая же МБР Р-36 в орбитальном варианте была способна выводить головные части на околоземную орбиту.

Вот почему в августе 1965 года на основании правительственного постановления в КБ «Южное» развернулись работы по созданию двухступенчатого носителя на базе Р-36 для запуска спутников. Одновременно рассматривались его возможности в случае установки третьей ступени.

При создании PH с использованием боевых ракет Р-7, Р-12 и Р-14 дополнительная ступень проектировалась исходя из оптимального распределения масс между ступенями, что обеспечивало максимальные энергетические характеристики. Но такой путь требует больших временных и финансовых затрат на коренную переделку системы управления и конструкции базовых ракет.

Конструкторское бюро М. Янгеля в июне 1966 года предложило принципиально новый подход к разработке ракет-носителей на базе Р-14, Р-16 и Р-36 – использовать универсальную ступень С5М. Основная идея заключалась в том, что ее параметры выбирались таким образом, чтобы габаритно-массовые характеристики ступени вместе с космическим аппаратом и головным обтекателем были соизмеримы с характеристиками головной части боевых ракет. Это позволяло использовать без доработок в заводских условиях большинство типов боевых баллистических ракет, хотя энергетические возможности новых носителей оказывались несколько ниже максимально возможных.

Еще в 1962 году ЦНИИмаш предложил использовать только что принятые на вооружение ракеты Р-16 для запусков метеорологических ИСЗ «Метеор». Тем не менее было принято решение для этих целей доработать PH «Восток». Но через несколько лет ситуация изменилась. Начиная с 1969 года планировалось снятие с боевого дежурства Р-16 с истекшим сроком гарантийного хранения. В этом случае предложение Янгеля сулило огромный экономический эффект. По его замыслу такие МБР сразу направляются на полигон, где к ним пристыковывается заправленная топливом дополнительная ступень с космическим аппаратом и боевая ракета превращается в ракету-носитель.

Предложение Янгеля приняли, но частично. В июле 1967 года Совет Министров СССР принимает постановление об использовании носителя, разрабатываемого на базе Р-36, для запусков КА серии «Космос» и «Метеор». А в августе 1968 года в тактико-техническом задании было конкретизировано, что на основе ракеты Р-36 создаются два носителя: двухступенчатый – для решения задач, определенных постановлением 1965 года, и трехступенчатый – как универсальный носитель легкого класса. В 1988 году трехступенчатый вариант получил наименование «Циклон». Учитывая историю создания данного носителя, целесообразно его называть «Циклон-3», а двухступенчатый вариант – «Циклон-2». Название «Циклон-1» можно было бы присвоить нереализованному проекту PH на базе ракеты Р-16, поскольку МБР Р-36 является дальнейшим ее развитием. В таблице приведены характеристики ракет-носителей семейства «Циклон».

Космический ракетный комплекс «Циклон-3» космодрома Плесецк предназначен для подготовки ракет-носителей легкого класса к пуску и проведению запусков автоматических космических аппаратов научного, прикладного, коммерческого и военного назначения на круговые и эллиптические орбиты в диапазоне высот от 150 до 10 000 км. Он включает в себя трехступенчатую PH «Циклон-3», наземную стартовую позицию открытого типа с двумя пусковыми установками, техническую позицию, стационарный пункт заправки и ампулизации третьей ступени ракеты.

На технической позиции осуществляются приемка, обслуживание, хранение и подготовка PH к пуску. Она примыкает к стартовой позиции и представляет собой комплекс зданий и сооружений с размещенными в них специальным технологическим оборудованием и техническими системами, обеспечивающими проведение всех видов работ. Здесь проводятся предстартовая подготовка к пуску и пуск PH в любое время года и суток, а любых метеорологических условиях (дождь, снег, град, туман, пыль), при температуре окружающего воздуха от -40 С до + 50'С и скорости ветра у земли до 20 м/с. Комплекс наземного технологического оборудования стартовой позиции обеспечивает высокую степень автоматизации предстартовых операций при минимальном количестве участвующих в них людей. При этом полностью исключается необходимость нахождения личного состава у пусковой установки с момента доставки к ней ракеты и до момента ее взлета. Последнее обстоятельство делает комплексы «Циклон» одними из самых безопасных для обслуживающего персонала, поскольку такие опасные операции, как стыковка и отстыковка разъемов и наполнительных соединений, заправка и слив компонентов ракетного топлива, выполняются автоматически, с дистанционным контролем за ходом операций.

Головной обтекатель

Ступень С5М и КА

Переходник

Базовый носитель – слева направо: Р-14 Р-16 Р-36

PH «Циклон» выполнена по классической схеме «тандем», то есть все ее ступени соединены последовательно. Конструкции корпусов первой и второй ступеней «Циклона-2,-3» практически полностью унифицированы между собой. Для их изготовления одно время использовались корпуса и двигательные установки боевых ракет Р-36.

Третья ступень PH «Циклон-3» представляет собой практическую реализацию проекта универсальной ступени С5М. Она выполнена в ампульном варианте, что обеспечивает ее длительное хранение в заправленном состоянии. Для уменьшения внешних габаритов ступени ее двигательная установка помещена внутри тороидального топливного отсека. На ступени установлена собственная автономная инерциальная система управления, которая связана с системой управления первой и второй ступеней только через систему согласования осей гироприборов. Необходимая увязка работы обеих систем управления обеспечивается путем обмена минимальным количеством команд и сигналов.

Все двигатели PH «Циклон» работают на самовоспламеняющихся компонентах ракетного топлива – азотном тетраоксиде и несимметричном диметилгидразине. Двигательные установки первой и второй ступеней состоят из маршевого (МД) и рулевого (РД) двигателей. Конструкция МД третьей ступени в зависимости от заданной схемы полета обеспечивает однократное или двукратное его включение. Управление полетом третьей ступени осуществляется с помощью восьми неподвижных выхлопных сопел газогенератора турбонасосного агрегата МД. На участке ее полета с выключенным МД управление ориентацией обеспечивается десятью ЖРД малой тяги. Чтобы обеспечить запуск МД в условиях невесомости, в топливном отсеке третьей ступени установлены специальные сетчатые разделители. А перед повторным запуском МД используется жидкостная реактивная система – блок обеспечения запуска, который создает продольное ускорение для перемещения топлива к заборным устройствам. Третья ступень стыкуется со второй с помощью специального переходника, к которому крепится и головной обтекатель.

«Циклон-3» выводит космические аппараты на заданные орбиты по «жестким» траекториям, параметры которых заложены в память системы управления в виде программ изменения скорости и угловой ориентации ракеты в зависимости от времени с момента старта. В полете система управления с помощью своих инерциальных измерителей определяет фактические значения параметров движения, сравнивает их с расчетными значениями и вырабатывает управляющие сигналы, с помощью которых изменяются текущие скорость и углы ориентации ракеты до их совпадения с расчетными. Необходимый набор программ полета по номинальным траекториям рассчитывается заранее и записывается в память бортовой аппаратуры при ее изготовлении. В ходе подготовки PH к пуску баллистиками космодрома составляется полетное задание, в котором указываются требуемая программа движения и настроечные параметры систем управления. Данные полетного задания записываются в память систем управления носителя на последних минутах предстартовой подготовки.

Стартует «Циклон-3» с неповоротной пусковой установки, после чего разворачивается вокруг продольной оси на заданный угол. Разделение первой и второй ступеней происходит по полугорячей схеме: РД второй ступени запускается до отделения первой, а МД – после отделения и ухода от первой ступени на безопасное расстояние. Головной обтекатель сбрасывается на участке работы второй ступени после прохождения плотных слоев атмосферы. Время функционирования первых двух ступеней не зависит от высоты конечной орбиты и выбирается исходя из расположения районов, выделенных для падения отделившихся ступеней и створок головного обтекателя.

Нужной орбиты КА достигает с помощью третьей ступени. В ее конструкции заложены широкие возможности по реализации энергетически оптимальных траекторий выведения КА на начальные орбиты, как круговые, так и эллиптические с любым заданным положением перигея. С этой целью предусмотрено управление временем, продолжительностью и количеством включений ее двигателя.

«Циклон-3»

Летные испытания «Циклона-3» проходили на космодроме Плесецк с 24 июня 1977 года по 12 февраля 1979 года. Всего было шесть пусков, и выполнить намеченную программу испытаний удалось досрочно. Новый ракетный комплекс был готов заменить два старых – «Космос-3» и «Восток», но только в январе 1980 года было принято постановление СМ СССР о принятии его в эксплуатацию.

Долгое время «Циклон-3» фактически «оставался без работы». Только в 1984 году на него были полностью переведены запуски КА, которые до этого осуществляли с помощью PH «Восток». И в настоящее время он используется меньше чем наполовину своих возможностей. С помощью «Циклона-3» на средневысотные приполярные орбиты выводятся космические аппараты «Метеор», «Океан», «Муссон» и автоматизированные универсальные орбитальные станции для проведения фундаментальных исследований в области гео- и гелиофизики. Кроме того, осуществляются запуски космических аппаратов и в интересах Министерства обороны. В их числе низкоорбитальные спутники связи, на базе которых сейчас разрабатываются КА «Гонец».

Каковы же перспективы использования PH «Циклон-3»? Еще в январе 1979 года совещание главных конструкторов, проходившее на космодроме Плесецк, занималось этим вопросом. Там было заявлено, что «Циклон-3» является одним из лучших в мире носителей легкого класса. При этом хотя расположение стартового комплекса в высоких широтах и препятствует его использованию для запусков КА на геостационарные орбиты, но создает благоприятные возможности для их выведения на приполярные и солнечно-синхронные.

Чем примечательны эти орбиты? Спутниковые системы на приполярных орбитах (угол между плоскостью орбиты и экватором близок к 90°) способны обеспечить связью и наблюдениями за поверхностью Земли все без исключения районы земного шара, в то время как со стационарной могут обслуживаться только регионы, находящиеся между 67-й южной и северной параллелями. С запуском на приполярные орбиты проблем не возникает, и на них планируется развернуть, например, низкоорбитальные спутниковые системы связи (типа российской «Гонец» или американской «Иридиум»).

Уникальные возможности для наблюдения за поверхностью Земли открывают солнечно-синхронные орбиты. Вот здесь и возникают трудности. Движущийся по этим орбитам спутник может длительное время сохранять неизменным угол между плоскостью своей орбиты и направлением на Солнце. Это означает, что условия освещенности подспутниковой точки будут известны заранее, что облегчит управление работой бортовой аппаратурой. Кроме того, можно таким образом выбрать положение плоскости орбиты в пространстве, что КА весь свой полет будет освещен Солнцем и ни разу на зайдет в тень Земли. Следовательно, можно будет отказаться от тяжелых химических батарей, снабжающих спутник электроэнергией во время полета в тени. На таких орбитах наиболее эффективно решают свои задачи спутники исследования природных ресурсов Земли, КА для океанографических, метеорологических и экологических наблюдений.

Благодаря энергетическим возможностям «Циклон-3» при выведении по плоским траекториям позволяет доставлять на солнечно-синхронные орбиты большинство существующих и ряд перспективных аппаратов, но при этом ракета будет пролетать над Канадой и США. Не годится старт и в юго-западном направлении, так как там расположены наши густонаселенные районы. Остается один способ – запускать ракету по существующей трассе, а затем с помощью пространственного маневра во время работы третьей ступени выводить спутник на солнечно-синхронную орбиту. Платой здесь является уменьшение массы полезного груза.

На упомянутом совещании отмечались перспективность третьего направления и возможность его реализации в кратчайшие сроки, так как возможность осуществления пространственного маневра предусмотрели на этапе эскизного проектирования ступени С5М. Однако к началу летных испытаний ее не успели реализовать, да и в тактико-техническом задании 1968 года такой маневр не был указан. Получалось, что необходимо доработать систему управления, а для этого требуется задание на… новый носитель. Беда отечественной космонавтики: отсутствие единой продуманной политики в развитии национальной транспортной космической системы, порой неоправданная спешка в создании ее элементов и невозможность осуществления постепенной модернизации ракет-носителей в ходе их эксплуатации.

В итоге предложения по усовершенствованию «Циклона-3» были похоронены. Но, несмотря на это, PH продолжает оставаться одним из лучших носителей своего класса с хорошими резервами для модернизации.

В 1990 году начались работы по повышению степени экологической чистоты отечественной ракетной техники. В рамках этой программы, получившей наименование «Экое», удалось на треть уменьшить остатки топлива в баках первой ступени PH «Циклон-3» и соответственно степень загрязнения при ее падении. Дальнейшее снижение массы остатков топлива требует внесения изменений в конструкцию всех ступеней носителя.

Назрела острая необходимость вернуться к вопросу о модернизации «Циклона-3», но на качественно новом уровне. Энергетические резервы первых двух ступеней и модульная конструкция третьей открывают широкие возможности по использованию «Циклона-3» в качестве летающей лаборатории. Одновременно с запусками КА можно было бы проводить испытания систем экологической безопасности ракет и различных развертывающихся в полете аэродинамических конструкций для управления спуском отделившихся ступеней. На базе третьей ступени возможно создание семейства межорбитальных транспортных аппаратов на долгохранимых компонентах топлива. В условиях сокращения количества используемых районов падения резко возрастает роль таких аппаратов в транспортировке полезных грузов с базовых орбит на требуемые конечные.

Кроме всего прочего, поскольку ракетный комплекс «Циклон-3» создан на базе боевого, то он требует очень небольшого времени на предстартовую подготовку. Это позволяет использовать модернизированный «Циклон» и как средство экстренной доставки в космос небольших автоматических кораблей-спасателей для эвакуации людей, например с орбитальных космических станций.