Ракета-носитель «Союз-2», прошлое, настоящее и будущее

Ракете-носителю «Союз» исполнилось 50 лет

11А511 «Союз» рассматривался и в качестве ракеты-носителя, способной отправить пилотируемый корабль на облет Луны с экипажем из двух человек. Для этого планировалось использовать на околоземной орбите целый комплекс, состоящий из пилотируемого корабля «Союз-7А», ракетного разгонного блока «Союз-9К» и танкера-заправщика «Союз-11К». Все эти элементы системы планировалось выводить на орбиту при помощи ракеты-носителя среднего класса.

От исходной РН 11А57 «Восход» ракета-носитель 11А511 «Союз» отличалась модернизированным блоком третьей ступени, что повысило энергетические характеристики ракеты-носителя. Впоследствии были модернизированы и другие ступени. Внешне они не изменились, но их конструкция и возможности отличались от исходных. В числе прочих изменений можно отметить такие:

• облегчена бортовая кабельная сеть систем управления и телеметрии;
• телеметрическая система на боковом и центральном блоках заменена новой системой, установленной на блоке «А»;
• снижено наклонение орбиты космического корабля к плоскости экватора с 64,8° до 51,5°;
• повышена прочность некоторых силовых элементов первой ступени, так как при новой циклограмме их отделение предусматривалось при повышенном скоростном напоре;
• из-за разброса параметров, двигатели 8Д727 (РД-108) для блока «А» подбирались индивидуально (удельная тяга — не менее 252 секунд на уровне моря);
• уменьшена длина блока «И», облегчена его кабельная сеть;
• модернизирована система управления третьей ступени.

Сама ракета-носитель «Союз» внешне отличается от других ракет-носителей. В первую очередь, коническими блоками первой ступени и головным обтекателем с четырьмя прямоугольниками решетчатых стабилизаторов. Также выделяется и система аварийного спасения на вершине ракеты.
Длина ракеты-носителя составляет не более 50,67 м. Она зависит от типа запускаемого космического корабля. Что касается поперечного размера, то он измеряется по концевикам воздушных рулей. С учетом этого сечение составляет 10,3 м. Стартовая масса — не более 308 тонн, общая масса топлива составляет не более 274 тонн. Так называемая «сухая» масса ракеты-носителя с транспортными патронами и полезной нагрузкой — не более 34 тонн, зависит она, в первую очередь, от типа запускаемого космического корабля.

РН «Союз» может развивать суммарную тягу 413 тс на уровне моря и более чем 505 тс в вакууме. Состоит эта ракета из таких элементов:

• первой ступени, которая состоит из четырёх стартовых ускорителей — блоков «Б», «В», «Г» и «Д»;
• второй ступени, которая состоит из ;
• третьей ступени — блок «И»;
• адаптера полезного груза, головного обтекателя и системы аварийного спасения экипажа.

Ракета-носитель 11А511 «Союз» позволяет выводить на низкую околоземную орбиту полезные нагрузки массой до 7,1 тонн. В конструкции ракеты использованы доработанные двигатели двухступенчатой МБР Р-7А и трёхступенчатой ракеты-носителя среднего класса «Восход».

Система аварийного спасения

Как уже говорилось выше, одной из основных задач, стоявших перед создателями новой ракеты-носителя, была разработка системы аварийного спасения экипажа. Она активировалась за 15 минут до старта ракеты-носителя и могла обеспечить спасение экипажа во время старта или во время полета, на любом его участке.
РН «Союз», в числе прочих задач, должна была выводить на околоземную орбиту космические корабли одноименной программы «Союз». Этот корабль состоял из трех отсеков. Первый отсек — орбитальный, затем приборно-агрегатный и спускаемый аппарат. Этот аппарат находился в самой середине корабля, силовой же элемент располагался внизу. По этой причине корабль приходилось уводить с ракеты в безопасное место целиком, вместе с с головным обтекателем.

Для осуществления этого замысла на створках головного обтекателя устанавливались твердотопливные ракетные двигатели разделения. Их задачей был увод головного блока с экипажем. На самой вершине модуля располагался двигатель небольшого размера, который должен был уводить головной обтекатель в сторону, сразу после срабатывания основного твердотопливного двигателя отделения. В свою очередь, твердотопливная двигательная установка САС представляет собой два многосопловых блока твердотопливных двигателей с четырьмя небольшими управляющими РДТТ.

Сам корабль соединялся с головным обтекателем тремя опорами, которые окружали спускаемый аппарат, упираясь в нижний шпангоут бытового отсека. Для того, чтобы корабль сохранял устойчивость в полете, на головном обтекателе стали устанавливать четыре решетчатых стабилизатора. Эта схема стала базовой для всей серии «Союзов».

Характеристики системы аварийного спасения «Союза»:

• Длина — 19,825 м;
• Максимальный диаметр — 3 м;
• Масса с полезным грузом (Союз 7К-ОК) — 8,51 т;
• Масса полезного груза (Союз 7К-ОК) — 6,56 т;
• Время сброса двигательных установок САС — Т + 157 секунд;
• Время сброса головного обтекателя — Т + 161 секунда.
• Масса САС: 1,95 т

У ракеты-носителя «Союз» было несколько модификаций. В частности, на базе 11А511 «Союз» было разработано две модификации: «Союз-Л» и «Союз-М». РН «Союз-Л» отличалась несколько необычной формой головного обтекателя. С этой ракетой-носителем было осуществлено три пуска. На борту находились космические аппараты «Космос-379», «Космос-398» и «Космос-434».
Еще одна модификация, «Союз-М», была создана для вывода на орбиту военно-исследовательского корабля Союз «7К-ВИ». Его разработкой занимались коллективы Куйбышевского филиала ЦКБЭМ и . При помощи этой модификации в космос были запущены восемь космических аппаратов специального назначения типа Зенит-4М «Орион». Эти пуски производились с космодрома Плесецк.

Очередная модификация «Союз-У» была разработана в 1970-1973 годах. Она, в первую очередь, предназначалась для выведения на околоземную орбиту пилотируемых и грузовых космических кораблей типа «Союз» и транспортных беспилотных кораблей «Прогресс». При помощи этой модификации в космос были выведены космические аппараты «Космос», «Ресурс-Ф», «Фотон», «Бион» и несколько зарубежных космических аппаратов. Главное отличие этой ракеты-носителя от оригинала — наличие двигателей первой и второй ступени с улучшенными энергетическими характеристиками. Эта модификация стала самой безопасной и востребованной. Ее запускали 771 раз.

РН «Союз-2» — модернизированный вариант «Союза-У», созданный в «ЦСКБ-Прогресс». Ракета-носитель способна вывести на низкую орбиту Земли от 2800 до 9200 кг в зависимости от точки запуска.

РН «Союз-СТ» представляет собой целое семейство ракет-носителей среднего класса, которые созданы на базе РН «Союз-2» специально для обеспечения коммерческих запусков с космодрома Куру. Главные отличия этой ракеты от базового варианта — модернизированная система управления, рассчитанная на прием телекоманд с ЦУП на прекращение полета. Кроме того, телеметрия здесь доработана и изменена специально для европейских наземных станций приема телеметрической информации.

В 2001 году был осуществлен запуск ракеты-носителя «Союз-ФГ». За 15 лет проведено 48 пусков по пилотируемой программе и 10 пусковых кампаний с коммерческой нагрузкой.

Проблемные ситуации

Их было немного, всего две. Первый инцидент произошел 14 декабря 1966 года, когда при подготовке пуска не сработал пирозапал. Тогда автоматическая система управления отменила запуск, и ракета осталась на старте. Персонал космодрома начал выполнять процедуры по сливу топлива. Но спустя 27 минут после отмены пуска сработала система аварийного спасения корабля. Впоследствии выяснилось, что она оставалась активной все это время. Из-за вращения Земли датчики зафиксировали угловое отклонение космического корабля, и началась работа аварийной системы.
После этого в оставшейся части ракеты-носителя начался пожар из-за того, что загорелся теплоноситель, выливавшийся из трубопроводов. После отделения головной части трубопроводы лишились обратных клапанов. Последовал ряд взрывов, которые повредили оборудование. К счастью, большинство людей покинули опасную зону. В дыму задохнулся один человек, и еще двое погибли на следующий день от полученных травм.

Второй инцидент случился 5 апреля 1975 года. Тогда при выведении корабля на орбиту произошёл сбой и автоматика «решила» выполнить отделение корабля от носителя. Разделение произошло на высоте около 150 километров над поверхностью Земли. Спускаемый аппарат корабля сел рядом с Горно-Алтайском на склоне горы. Система покатилась по склону вниз и остановилась только благодаря тому, что космонавты не отстрелили парашют. Он зацепился за дерево, росшее на самом краю пропасти. Экипаж спасли, никто не погиб.

Что сейчас?

Ракета-носитель «Союз» претерпела 10 модификаций. Сейчас ракеты-носители «Союз-У» используют для запуска транспортных грузовых кораблей. Причем новые ракеты этой модификации не используют. 1 декабря этого года будет запущена ракета-носитель модификации «Союз-У» с ТГК «Прогресс МС-04».
Стоит выделить развитие «Союз-2.1а», разработка которого началась ещё в тяжёлые для отечественной аэро-космической отрасли 1990-е годы. Энергетические возможности этого аппарата выросли, плюс специалистам удалось улучшить точность выведения космического аппарата на орбиту. Кроме того, автоматизирован процесс испытаний и предстартовой подготовки ракет. На модернизированном «Союзе» были установлены двигатели с улучшенными форсуночными головками, как на первой, так и на второй ступенях, плюс внедрена новая система телеизмерений. Компоненты ракетного топлива маршевых двигательных установок РН — жидкий кислород и керосин (Т-1).

Всего было осуществлено 1020 стартов «Союзов» разных модификаций. Для запуска «Союзов» созданы семь стартовых площадок, из которых три размещаются в Плесецке, две — на Байконуре, одна в Гвианском космическом центре, одна на космодроме Восточный.

На 28 ноября 2020 года состоялось 23 пуска «Союз-2-1а» и 21 пуск «Союза-2-1б».

Конструкция

Ракеты «Союз-2» состоят из четырёх боковых блоков первой ступени, центральной второй ступени и центральной третьей ступени, к которой сверху через переходник крепится полезная нагрузка (возможно, с разгонным блоком) под обтекателем. На старте зажигаются одновременно боковые блоки и двигатель второй ступени.

Блоки первой ступени

Каждый из четырёх боковых блоков («Б», «В», «Г» и «Д») выполнен в форме конуса, имеет сухую массу 3784 кг, полную массу 44 413 кг, несёт 11 260 кг керосина Т-1 в качестве горючего и 27 900 кг жидкого кислорода в качестве окислителя. Горючее и окислитель находятся в стабилизированных давлением баках из алюминиевого сплава. Длина блока 19,60 м, максимальный диаметр 2,68 м. Маршевый двигатель блока — РД-107А с четырьмя основными камерами сгорания, тяга 838,5 кН (~85,6 тс) на уровне моря, 1021,3 кН (~104 тс) в вакууме, удельный импульс двигателя 262 с на уровне моря, 319 с в вакууме. Наддув топлива осуществляется испарением жидкого азота. Турбонасосный агрегат работает от газогенератора на каталитически разлагаемой перекиси водорода. Время горения 118 с, тяга ступенчато управляемая. Двигатель содержит, кроме четырёх неподвижных маршевых камер, две управляющие камеры с тягой по 35 кН, с отклонением до 45 градусов и гидроприводом. Блоки крепятся ко 2-й ступени (на одном уровне по окружности с шагом 90°) с помощью пироболтов[1].

Вторая ступень

Вторая ступень (блок «А») имеет форму двух соосных цилиндров (верхний — большего диаметра), сопряжённых конусным переходом. Максимальный диаметр ступени 2,95 м, высота 27,10 м. Её сухая масса 6545 кг, полная масса 99 765 кг. Ступень несёт 26 300 кг горючего (керосин Т-1) и 63 800 кг окислителя (жидкий кислород). Маршевый двигатель ступени — РД-108А с четырьмя основными камерами сгорания, тяга 792,5 кН (~80,8 тс) на уровне моря, 990,2 кН (~94 тс) в вакууме, удельный импульс двигателя 255 с на уровне моря, 319 с в вакууме. Наддув топлива осуществляется испарением жидкого азота. Турбонасосный агрегат работает от газогенератора на каталитически разлагаемой перекиси водорода. Время горения 286 с, тяга ступенчато управляемая. Помимо четырёх неподвижных маршевых камер, двигатель включает в себя четыре управляющие камеры с тягой по 35 кН, с отклонением до 45 градусов и гидроприводом. Вторая ступень соединена с третьей ступенью с помощью пироболтов[1].

Третья ступень

Третья ступень (блок «И») имеет цилиндрическую форму, её диаметр 2,66 м, высота 6,70 м. Сухая масса 2355 кг, масса с топливом 27 755 кг. Ступень несёт 7600 кг горючего (керосин) и 17 800 кг окислителя (жидкий кислород). Маршевый двигатель ступени — либо РД-0110 (в вакууме тяга 297,9 кН (~30,4 тс), удельный импульс 326 с), либо в более поздних вариантах РД-0124 (в вакууме тяга 294,3 кН (~30,0 тс), удельный импульс 359 с). В обоих случаях двигатель имеет четыре основные камеры сгорания, в варианте РД-0124 они подвижные, каждая из которых может качаться в одной плоскости, обеспечивая управление вектором тяги. В варианте РД-0110 основные камеры неподвижны, управление осуществляется с помощью четырёх рулевых сопел, из которых выбрасывается отработанный газ турбонасосного агрегата[4]. Время горения 270 с. Наддув топлива осуществляется испарением жидкого гелия[1].

Модификации ракеты

Семейство состоит из нескольких модификаций РН (ранее предполагалось, что это будут последовательные этапы модернизации одной ракеты):

Стартовые площадки

Пустой стартовый комплекс 43/4 в Плесецке
Так как, с точки зрения конструкции, РН «Союз-2» является модификацией РН «Союз-У» его запуск возможен с любого стартового комплекса, предназначенного для запуска ракет-носителей семейства Р-7 после установки специфического для «Союз-2» оборудования и прокладки соответствующих кабельных связей.

На сегодня переоборудованы под запуск РН «Союз-2» следующие стартовые комплексы:

• «Плесецк», площадка 43 / старт № 4 (оборудование для более старых РН демонтировано, поэтому запускать с данного стартового комплекса можно только «Союз-2»).
• «Байконур», площадка 31 (на 2011 год в МИК и на стартовом комплексе установлено оборудование как для проверки и запуска «Союз-У»/«Союз-ФГ», так и для «Союз-2», поэтому с данной площадки возможны и производятся запуски всех вышеперечисленных РН).

Планируется доработка под запуск РН «Союз-2» следующих стартовых комплексов:

• «Плесецк», площадка 43 / старт № 3 (МИК используется общий для площадки 43, поэтому его доработка не требуется).
• «Плесецк», площадка 16.
• «Байконур», площадка 1 (так называемый «Гагаринский старт», откуда осуществляются (совместно с площадкой 31) российские пилотируемые запуски)[11].
• Площадка ELS на космодроме Куру.

На новом российском космодроме «Восточный» построен стартовый комплекс «Союз-2».

Кроме вышеперечисленных площадок для запуска «Союз-2» (модификаций СТ-А, СТ-Б) специально построен стартовый комплекс в Гвианском космическом центре (ГКЦ), технология запуска с которого кардинально отличается от запусков с космодромов «Плесецк» и «Байконур»:

• В монтажно-испытательном комплексе (МИК) собирается только собственно РН, без её стыковки с космической головной частью (состоит из космического аппарата, обтекателя и, опционально, разгонного блока «Фрегат»). Ракета вывозится и устанавливается на стартовый комплекс «без головы». На российских космодромах РН вывозится из МИК в сборе с головной частью.
• Головная часть собирается, вывозится и устанавливается на РН в вертикальном положении. Это связано с тем, что многие европейские космические аппараты не переносят искривляющих боковых нагрузок, неизбежных при стыковке аппарата к РН и перевозки собранной конструкции в горизонтальном положении.
• Установка головной части и операции по подготовке РН к пуску производятся в прямом смысле под крышей — после установки РН на неё накатывают по рельсам специальную конструкцию — мобильную башню обслуживания, которая закрывает от экваториальной погоды работающий с РН персонал и содержит площадки, лифты и другие средства удобного доступа к различным частям ракеты.
• В отличие от российских космодромов управление пуском осуществляется не из сравнительно близко расположенных к стартовому столу подземных бункеров, а из обычного здания, расположенного на расстоянии более 1 км от стартового стола. Большие длины связей потребовали дополнительной адаптации систем стартового комплекса.
• По предварительной информации операции подключения и отключения заправочного оборудования будут автоматизированы благодаря тому, что стартовый стол для «Союз-СТ» не вращается и точки подключения заправочного оборудования находятся всегда в одном месте. В Плесецке и Байконуре «Союз-2» запускается с вращающегося по азимуту стартового стола, что затрудняет автоматизацию заправочных операций.