Ракета Р-7

R-1

R-2

R-5M

Більшість німецьких інженерів були повернуті на батьківщину після проекту Р-1, і Корольов та Глушко почали проектувати вдосконалені ракети та двигуни. R-2 був завершений в 1949 році і мав вдвічі більший діапазон, ніж R-1. У 1950 році Корольов отримав власне експериментальне будівельне бюро ОКБ-1, де незабаром планується майбутня радянська космічна програма. Його ракета Р-5 була завершена в 1953 році і мала дальність польоту 1200 км, приблизно в чотири рази більше, ніж V-2, і втричі більша, ніж її сучасник Редстоун. Точність R-5 становила 2 км, удесятеро більше, ніж у V-2.

Розробка двигуна

Для R-2 і R-5 Глушко розробив більш потужні двигуни, засновані на цій парадигмі згрупованих камер згоряння. У 1947 році Корольов запропонував Р-3 з дальністю 3000 км, але виявилося неможливим розширити конструкцію двигуна В-2 до тяги 140 тонн.

У 1954 р. Розпочато роботу над міжконтинентальною ракетою Р-7. Щоб задовольнити вимоги до двигуна, Глушко відмовився від концепції дизайну V-2 і звернувся до ідей довоєнних радянських експериментів. У 1930-х - на початку 1940-х років було вирішено кілька основних проблем проектування двигуна.

Однією з цих проблем є охолодження. Вперше запропоноване Ціолковським у 19 столітті, регенеративне охолодження використовує вхідне паливо, яке циркулює навколо двигуна, для його охолодження. Важливою віхою в цій технології був ORM-65 Глушка (65-й експериментальний двигун). Випробуваний у 1936 році, це був, мабуть, перший ракетний двигун, який міг працювати необмежено довго, не плавлячись.

Ще однією проблемою, яку досліджував Глушко, було ефективне згоряння. Починаючи з 1931 року, він експериментував із закрученими форсунками, які розпорошували паливо та окислювач у конусоподібному шарі, який розпадався на крихітні крапельки. Він також побудував кільцеві змішувальні форсунки, які поєднували два пропеленти безпосередньо перед розпиленням їх у камеру.

Також непогано розмістити багато невеликих паливних та окислювальних форсунок на пластині в дальньому кінці камери від випускного сопла. Це дає максимальний час перемішування та горіння перед виходом із камери згоряння у вихлопних газах. У середині 1930-х ORM-67 був типовим для двигунів, які просто розпорошували пропеленти в центр камери. Після арешту Глушка Леонід Душкін продовжував. У 1938 році його RDA-1-150 мав 4 паливні та 4 окислювальні завихрювальні форсунки, скупчені на задній стороні камери, а в 1941 році двигун DA-1-1100 мав 63 невеликих форсунки, встановлених на конічній пластині.

Креативний дизайнер двигунів Олексій Ісаєв взяв на себе посаду Душкіна в 1941 році. Його РД-1 мав 95 обприскувачів, але він помітив, що його конічна інжекторна пластина спричиняє утворення гарячих каналів газу, які іноді горіли через бік камери згоряння. У 1944-1946 рр. Розробляв "модернізований" РД-1М з плоскою пластиною та шаховим розташуванням паливних та окислювальних форсунок.

Одним з найважливіших винаходів Ісаєва була високоефективна схема регенеративного охолодження, яка дозволяла б спалювати високоенергетичне паливо під високим тиском. Проблема полягає в тому, як побудувати стінку камери згоряння, яка досить важка, щоб утримувати зусилля, але досить тонка, щоб швидко охолоджуватися потоком палива. Прикладом його рішення був U-1250, випробуваний у квітні 1945 р. Внутрішня стінка являла собою тонкий мідний лист, а зовнішня стіна. Між ними знаходився гофрований сталевий лист, який підтримував внутрішню стінку і дозволяв текти охолоджувальному паливі повз неї. Шари з'єднували паянням срібним припоєм.

У 1951 році Глушко звернувся до цієї конструкції для 7-тонного експериментального двигуна ED-140. Цей двигун зміг спалювати рідкий кисень і гас при тиску в камері 60 атмосфер. Для порівняння, двигун V-2 спалював розбавлений спирт при 15 атмосферах.

Для запропонованого R-7 Глушко розширив цю конструкцію, щоб отримати 68 тонн тяги, використовуючи двигун RD-105. Проблеми з нестабільністю горіння, розроблені в 1952-1954 роках, змусили його відмовитись від ідеї єдиного гігантського двигуна.

У 1954 р. Розпочато роботу над більш консервативним дизайном: чотири менші камери згоряння мають спільну систему паливного насоса. Камери мали діаметр 43 см із звуженням сопел 16,85 см. Гарячі гази досягають критичної швидкості при звуженні, а потім відскакують до надзвукової швидкості в розширюваному відділі сопла. Вперше випробуваний в 1955 році, загальна тяга становила 93 тонни зі швидкістю вихлопу 3020 метрів/сек. Швидкість відпрацьованих газів є мірою ефективності ракетного двигуна (його також називають питомим імпульсом), і RD-107 був найефективнішим двигуном у світі на той час. З вагою лише на 25 відсотків більше, ніж двигун V-2, він розвинув утричі більше тяги.

Зовнішня стінка двигуна була сталевою, а внутрішня стінка - міцним хромованим бронзовим сплавом, товщиною 6 мм з фрезерованими в неї каналами глибиною 5 мм для проведення потоку гасу для регенеративного охолодження. Камера згоряння працювала при тиску 60 атмосфер і температурі 3250 ° C. Гас закачувався в трубчастий колектор навколо дна сопла, стікав по боках і в інжекторну пластину вгорі, до цього часу зазвичай нагрівається до 210 °. Інжекторна пластина містила 337 завихрювальних/змішувальних форсунок, з кільцем форсунок, що працюють лише на паливі, зовні для забезпечення ефекту охолодження паливної завіси.

Було побудовано два варіанти двигуна - RD-107 з двома ноніусами для рульового управління та RD-108 з чотирма ноніусами. Ноніуси потужністю 3,8 т були розроблені Михайлом Мальниковим, колишнім помічником Ісаєва, і згодом ці двигуни перетворилися на невеликі двигуни верхнього ступеня для місячних та пілотованих машин.

Чотири камери згоряння мали спільний турбонасос на паровому двигуні потужністю 3800 кіловат. Загальний приводний вал обертав насоси для гасу, рідкого кисню, перекису водню (для виробництва пари), рідкого азоту (для герметизації резервуарів) та насоси для нонієвих двигунів. Парова турбіна на основі перекису була німецькою розробкою для V-2, адаптована з водяних насосів, які зазвичай використовуються в пожежних машинах.

Перша міжконтинентальна ракета

У 1951 р. Дмитро Охоцімський з Інституту прикладної математики імені Стеклова провів ретельний аналіз того, як максимізувати дальність ракети, скинувши частини її конструкції під час польоту. Ми зазвичай думаємо про ракети, побудовані з послідовних етапів, але він також розглядав більш загальні схеми, включаючи пакетні ракети Тихонравова.

Охоцімський виявив, що дальність ракети, що подає пакет, може бути значно збільшена за рахунок зменшення центральної сцени. Однак перекачування палива між етапами під час польоту було великим інженерним ускладненням. Більш проста схема полягала в тому, щоб ракети в пакеті використовували лише паливо, яке вони несуть, - пакет, що несе. Три однакові ракети, з’єднані між собою, не пролетять далі, ніж одна ракета, але якщо дві ракети несуть менше палива і скидаються при спорожненні, продуктивність значно покращується. Оскільки підсилювальні каскади важать менше, але мають однаково потужні двигуни, вони сприяють збільшенню прискорення під час посиленої фази польоту.

У лютому 1953 р. Розпочалось офіційне дослідження проблеми міжконтинентальної ракети. Стратегічною мотивацією було те, що бази ядерних бомбардувальників НАТО оточили СРСР. Як стримуючий фактор СРСР може нанести удар по Європі, але не по материковій частині Америки. Для досягнення цієї мети R-7 повинен був нести 5-тонну термоядерну боєголовку на відстань 8000 км.

Був обраний дизайн пакету-переноски Охоцимського з центральною сценою у формі дуби, оточеною чотирма ремінними підсилювачами у формі кулі. 28-метрова опора, що називається Блок A, працювала від двигуна RD-108 з чотирма ноніусовими двигунами, здатними обертатися на 45 ° для управління похиленням, кроком та коченням. Чотири ремінних підсилювача, блоки B, V, G і D, були довжиною 19,6 метра, кожен з яких працював від двигуна RD-107 з двома ноніусами. Потужність підйому складала майже 400 тонн.

Перевагою дизайну пакетів було те, що всі п’ять двигунів можна було запалити на рівні моря, уникаючи ускладнень при розробці двигуна другого ступеня, який запускається на великій висоті в майже вакуумі. Прискорювачі горять протягом 115 секунд, потім вибуховий заряд позбавляє ремінців, і вони обертаються назовні та від'єднуються. Етап стійкості горить загалом 299 секунд, досягаючи кінцевої швидкості 5,8 км/сек.

Бюро Володимира Барміна спроектувало пусковий комплекс для Р-7 у Тюратамі (Казахстан), відомий сьогодні як космодром Байконур. Масивна залізобетонна стартова площадка була побудована над 45-метровою глибиною полум’я. Ракета висіла над отвором, підтримуваним чотирма висувними фермами, прикріпленими до несучих точок у верхній частині кожного ремінного підсилювача.

Під час запуску паливо дозволяло самопливу текти, двигуни запалювались. Приплив палива перетворив лопатки турбіни, які почали перекачувати перекис водню в парогенератори. Після виробництва пари турбонасос працював до 8300 об/хв. Опорні ферми утримували ракету вниз, поки не розвинулася повна злітна тяга, приблизно через 10 секунд після займання. Під час польоту спеціальна система синхронізувала витрату палива чотирьох ремінних підсилювачів, щоб утримувати вагу ракети в рівновазі.

Системи радіометрії вимірювали понад 700 бортових датчиків. Система Tral працювала за допомогою імпульсно-часової модуляції (PTM), що кодує аналогові параметри як інтервал часу між радіоімпульсами. Всього 6000 вимірювань за секунду було надіслано на 48 каналів, але канали часто мультиплексувались, щоб надсилати багато показань датчиків. Прямокутні майданчики, видно на зовнішній стороні фіксатора та підсилювача, покривали антени Tral, а електронна шестерня знаходилась у закритих контейнерах у паливних баках.

Інша система, звана RTS-5, була розроблена для передачі швидкозмінних даних, таких як вібрація двигуна. Він надіслав 50 000 вимірювань в секунду на 8 каналів за допомогою модуляції тривалості імпульсу (PDM). На ракеті Tral-V повідомив дані про бічні підсилювачі. Tral-Ts і RTS-5 були встановлені в центральному підсилювачі, блок-A, і повідомляли про їх стан під час польоту. Приймальні станції були побудовані вздовж траєкторії польоту Р-7, від Байконура до Камчатки, для отримання та запису інформації на випадок відмови.

Ракета також містила радіопрофільну систему, яка працювала з двома станціями RUP (пунктами управління радіо) в 250 км по обидва боки від стартової площадки. Швидкість і хід ракети вимірювали трилатерацією і надсилали команди для стабілізації траєкторії руху і точного відключення двигуна. Кілька років потому для Місячної та планетарної ракет і ракети Р-7А в одному РУП була використана інтерферометрія для наведення ракет-носіїв.

Окрім ракетної телеметрії, для льотних випробувань використовувалася телеметрична бойова частина. Він містив Tral-G (G для головної частини, бойову частину), RTS-5 та транспондери для радіолокаційної системи Binokl та інтерферометричну систему вимірювання кута Іртиш. Датчики вимірювали товщину теплового екрану азбесту/фенольної смоли, зовнішній тиск на кінчику, тиск у різних точках з боків, внутрішню температуру та тиск, прискорення та кутову швидкість.

Спочатку R-7 був призначений для використання 3-тонної боєголовки. Пізніше специфікація була збільшена до 5,5 тонн, можливо, для перевезення RDS-37, 1,6-мегатонної бомби, розробленої в 1955 році. У той час як Америка запустила першу справжню H-бомбу трьома роками раніше, росіяни зосередилися на практично доставляючих "сухих бомбах" з використанням дейтерид літіюм-6 замість рідкого водню. Фактична бойова частина Р-7, розгорнута на початку 1960-х, містила 5,5-тонну термоядерну бомбу, що давала 2,9 мегатона.

Після двох невдалих спроб запуску в травні та липні та декількох перервань запуску, перший успішний політ R-7 відбувся 21 серпня 1957 р. З Байконура на півострів Камчатка. Боєголовка згоріла на 10 км вище дальності цілі, і Корольову довелося внести подальші корективи в машину для входу та її головний щит. Другий успішний тестовий політ був здійснений 7 вересня. Наступні два польоти Р-7, 4 жовтня та 3 листопада, вивели на орбіту перші у світі штучні супутники Землі.