Н-1, апофеоз и epic fail шестидесятых

Посвящается недавнему семейному походу в музей космонавтики

О чем этот пост?

Я попробую в доступной форме рассказать о самом удивительном и, наверное, самом трагическом эпизоде советской космонавтики — об истории разработки ракеты сверхтяжелого класса «Н-1».

Как все начиналось

Официальное начало проекту «Н-1» было положено Постановлением Правительства CССР от 23 июня 1960 г. «О создании мощных ракет-носителей, спутников, космических кораблей и освоении космического пространства в 1960-1967 гг.» В Постановлении предусматривалось «проведение в 1960-1962 гг. проектно-конструкторской проработки и необходимого объёма исследований в целях создания в ближайшие годы новой космической ракетной системы со стартовой массой 1000-2000 т, обеспечивающей вывод на орбиту вокруг Земли тяжёлого межпланетного космического корабля массой 60-80 т, мощных жидкостных ракетных двигателей с высокими характеристиками, ЖРД на жидком водороде, ядерных и электрореактивных двигателей, высокоточных систем автономного и радиотехнического управления, систем космической радиосвязи и т.п.»

На самом же деле Постановление закрепило уже ведущуюся к тому моменту эскизную разработку в ОКБ-1 Королева ракеты-носителя, предназначавшейся для широкого круга задач — вывод тяжелых геостационарных спутников, большой орбитальной станции, и, наконец, запуск ТМК — тяжелого межпланетного корабля.

Для проектных проработок был принят вариант с массой полезного груза 75 т на околоземной орбите. Расчеты показывали, что такая масса будет оптимальной для сборки на орбите крупных станций и межпланетных кораблей. Этому значению массы полезного груза соответствует стартовая масса РН 2200 т, и было учтено, что применение на верхних ступенях в качестве горючего водорода, вместо изначально планировавшегося керосина позволит увеличить массу полезного груза до 90-100 т при той же стартовой массе.

ТМК

Комплекс Н1-ТМК — самый яркий проект Королева, апогей его деятельности на посту Главного конструктора. Несмотря на утрату (и уничтожение) архивных материалов, некоторые сведения об этом проекте, для которого и предназначалась первоначально ракета «Н-1», сохранились.

Первоначальный вариант, корабль ТМК-1 предназначался для пилотируемого полета на Марс экипажа из 2-3 человек по облетной траектории (без высадки) с последующим возвращением на землю.

ТМК-1 имел следующие габариты: полная длина – 12 метров, максимальный диаметр – 6 метров. Полная масса корабля составляла 75 тонн, что позволяло вывести его за 1 пуск ракеты Н-1.

ТМК-1 включал жилой, рабочий, биологический, агрегатный отсеки, спускаемый аппарат для возвращения на Землю и корректирующую двигательную установку. После выведения на траекторию полета на корабле развертывались солнечные концентраторы и батареи электропитания, а также антенны связи с Землей и начинался многомесячный безостановочный полет.
Чтобы справиться с проблемой невесомости были предложены вариант искусственной тяжести, создаваемой вращением отдельных блоков корабля вокруг оси. Подобный приём был относительно прост, но приводил к новой проблеме – небольшие размеры “центрифуги” приводили к возникновению кориолисовых ускорений, искажающих восприятие человеком тяжести и вредно воздействующих на организм. Тогда от постоянного вращения решили отказаться и кратковременно включать вращение блоков только на определённых участках полёта.

Для отработки элементов и блоков замкнутой СЖО на Земле, а также выяснения психологических вопросов длительного пребывания экипажа в замкнутом объеме корабля, был построен аналог жилого отсека ТМК — наземный экспериментальный комплекс, в котором испытатели Г.Мановцев, В.Улыбышев и А.Божко провели год.

Дальнейшим развитием проекта ТМК стал МЭК — Марсианский экспедиционный комплекс. Проект получил неофициальное название “Аэлита”.
Корабль состоял из двух беспилотных блоков массой по 75 тонн, которые выводились на орбиту ракетами Н-1М. Первый блок, в свою очередь, состоял из двух секций – МОК (Марсианский Орбитальный Комплекс) и МПК (Марсианский Посадочный Комплекс). Второй блок представлял собой комплекс электроракетной двигательной установки (ЭРД) с ядерным источником энергии.
Полная длина МЭК составляла 175 метров, максимальный диаметр – 4,1 метра, полная масса – 150 тонн.

По плану, после стыковки блоков МЭК/МПК и ЯЭРДУ, корабль выводился из зоны воздействия радиационных поясов Земли. Затем на комплекс, при помощи кораблей “Зонд”, доставлялся экипаж. Разгон комплекса осуществлялся по постепенно раскручивающейся спирали. Продолжительность полёта к Марсу и обратно составляла 630 суток.
Предполагалось, что после окончания активного участка разгона ядерная силовая установка выключается, энергетическая установка переходит в режим “холостого хода” и комплекс в течение 150 суток совершает пассивный полет. Затем начинается второй активный участок полета к Марсу — торможение (61 суток), полет по скручивающейся спирали для выхода на орбиту ИСМ (24 суток), в результате чего МЭК оказывается на околомарсианской орбите. Во время 30-суточного пребывания на орбите ИСМ от комплекса отделяется МПК, который совершит мягкую посадку на поверхность Марса и будет находиться там 5 суток. Выполнив исследования, с Марса стартует взлетная часть МПК, которая выходит за орбиту искусственного спутника Марса, осуществляет взаимный поиск, сближение и стыковку с МОК. Космонавты переходят в жилые отсеки орбитального комплекса, а ненужный уже посадочный корабль сбрасывается.
После этого наступает третья часть полёта – возвращение на Землю. Двигатели МОК включаются на режим разгона, который продолжается 17 суток в сфере действия Марса и еще 66 суток – вне его пределов. После длительного пассивного участка, когда траектория комплекса проходит на максимально близком расстоянии от Солнца (между Венерой и Меркурием), следует 17-суточный активный участок возврата – по сути, это делалось для коррекции коррекция траектории с целью уменьшения длительности полета путем увеличения скорости. Далее снова идет пассивный участок, а за трое суток до полета к Земле ЯЭРДУ включается вновь, уменьшая скорость комплекса. На конечном участке, при входе в сферу действия Земли от МЭК отделяется спускаемый аппарат и производит мягкую посадку.

Метаморфозы

В 1961 году президент США Кеннеди поставил национальную задачу — стать первыми на Луне.

Советская космическая программа к тому времени не предусматривала высадку на Луну. В планах стояло совершенствование пилотируемых кораблей «Север» и «Союз», строительство орбитальной станции и подготовка проекта ТМК. Однако политический резонанс от заявления Кеннеди был столь велик, что на самом верху было принято решение «догнать и перегнать».

Поскольку для лунной программы прежде всего необходим соответствующий носитель, то логично, что находящаяся в достаточной степени готовности «Н-1» была переориентирована именно для полетов к Луне.

С этой целью началась разработка форсированного варианта «Н-1Ф», способного вывести 90 тонн груза на околоземную орбиту, что являлось минимальным значением для пилотируемого полета экипажа из двух человек с высадкой одного из них на поверхность Луны за один пуски и пилотируемого комплекса «Л3».

К сожалению, поставленная цель не была достигнута. Тому есть несколько причин, тщательно в свое время проанализированных специалистами:

• Чрезмерное форсирование ракеты. Размерности 75 тонн вполне хватало для первоначальных задач, но было мало для полета к Луне. Увеличение грузоподъемности до 90 тонн, производившееся в спешке, привело к недостаточной проработанности конструкции.
• Изначально неверный выбор размерности двигателей для ракеты. Вместо оснащения первой ступени 30 (тридцатью!) маломощными двигателями, нужно было потратить время и ресурсы на конструирование двигателей большей мощности. Однако личный конфликт двух конструкторов — Королева и Глушко не позволил это сделать.
• Отказ от постепенной отработки узлов и блоков ракеты на стенде. В целях экономии времени было принято решения отлаживать ракету путем испытательных пусков. Ни один из них не завершился успешно.

Помимо лунной программы для «Н-1» было уготовано еще одно применение — в качестве глобальной ядерной баллистической ракеты.
Программа «Раскат» предусматривала оснащение «Н-1» семнадцатью боеголовками с индивидуальным наведением на цель. Один запуск «Раската» гарантированно накрывал всю территорию потенциального противника…
К сожалению, никаких подробностей о программе «Раскат» не сохранилось.

Летные испытания

Первый пуск носителя Н1 с беспилотным кораблем «Зонд-М» в качестве полезной нагрузки 21 февраля 1969 года закончился аварийно. В результате пожара в хвостовом отсеке (двигатель №2) и нарушения в работе системы контроля двигателей, эта система на 68,7 с выдала ложную команду на выключение всех двигателей, за которым последовал подрыв носителя на высоте 12,2 км.

Второй пуск Н1 с беспилотным кораблем «Зонд-М» и макетом лунного посадочного корабля комплекса Л3 был проведён 3 июля 1969 года и также закончился аварийно из-за ненормальной работы двигателя №8 блока А и выключения всех двигателей на 23 с полета, после чего носитель упал на место старта. В результате крупнейшего в истории ракетостроения взрыва один стартовый стол был полностью разрушен, а второй — серьёзно повреждён. На анализ результатов испытаний, дополнительные расчёты, исследования и экспериментальные работы и восстановление стартовых столов ушло два года.

Третий запуск носителя Н1 с макетом беспилотного лунного орбитального корабля и макетом лунного посадочного корабля комплекса Л3 был проведён 27 июня 1971 года. Все 30 двигателей блока А вышли на режим предварительной и главной ступеней тяги и нормально функционировали, однако в результате нерасчетного разворачивающего момента при манёвре увода от стартового стола уже со старта ракета набрала крен и продолжала неуправляемый полет, не обеспечивавший выведение на орбиту. Поскольку ради гарантий сохранности стартового комплекса команда аварийного выключения двигателей была заблокирована до 50 с, их выключение системой контроля и подрыв потерявшего головную часть и начавшего разрушаться носителя произведены на 51 с и высоте 1 км.
Интересно отметить тот факт, что система аварийного спасения сработала штатно, лунный посадочный корабль был уведен от падающей ракеты и совершил благополучную посадку в нескольких километрах от старта.

23 ноября 1972 года был произведен ставший последним четвертый пуск Н1 с беспилотным лунным орбитальным кораблем и макетом лунного посадочного корабля комплекса Л3. Управление полётом впервые осуществляла бортовая ЭВМ по командам гироплатформы (главный конструктор Н. А. Пилюгин). В состав двигательных установок введены рулевые двигатели, система пожаротушения.
Ракета пролетела без замечаний 106,93 с до высоты 40 км, но за 7 с до расчетного времени разделения первой и второй ступеней произошло практически мгновенное разрушение насоса окислителя двигателя №4, которое привело к ликвидации ракеты.

Конец проекта

Итак, летные испытания «Н-1» закончились, по сути, провалом. Несмотря на то, что в различной стадии готовности находилось еще две ракеты, было принято решение о прекращении программы «Н-1». Основным мотивом стало то, что СССР фактически проиграл лунную гонку — и пилотируемый облет Луны и высадка на поверхность были к тому времени успешно выполнены американскими астронавтами. Руководство не видело иных применений для «Н-1», проект ТМК был отложен, а военные требовали развития программы долговременных орбитальных станций (проекты «Алмаз» и ТКС), для которых ракета такой размерности была не нужна.

В июне 1974 г. все работы по комплексу Н1-ЛЗ были прекращены. Имеющийся задел был уничтожен, затраты были списаны (в ценах 70-х годов затраты составили около 4 млрд. руб.).

Сравнение с аналогами

Единственным аналогом Н-1 была в то время американская «лунная» ракета Saturn-V Вернера фон Брауна.

параметр	Saturn-V	Н-1
число ступеней	3	3
полезная нагрузка на околоземной орбите	140 т	90 т (100 т в форсированном варианте)
полезная нагрузка на окололунной орбите	41 т	31 т (34 т в форсированном варианте)
горючее	керосин и жидкий кислород на первой ступени, жидкий водород и жидкий кислород на второй и третьей	керосин и жидкий кислород
двигатели	первая ступень: 5 шт. F-1 вторая ступень: 5 шт. J-2 третья ступень: 1 шт. J-2 итого: 11 шт.	первая ступень: 30 шт. НК-15 (НК-33) вторая ступень: 8 шт. НК-15В (НК-43) третья ступень: 4 шт. НК-31 (НК-21) итого: 42 шт.

Проводя прямое сравнение Н-1 с Saturn-V сейчас, с высоты десятилетий, конечно, несложно заметить общую отсталость «королевского» проекта. Однако не стоит забывать и о тех условиях, в которых эти ракеты создавались. Лунная программа в США имела статус национального проекта, было создано НАСА, координировавшее все работы по ракете, кораблю, подготовке астронавтов и т.д. и имевшее практически неограниченное финансирование. Королев же вынужден был работать «в стол», фактически Н-1 была никому не нужной. Попытка догнать Америку в лунной гонке путем форсирования разработки Н-1 привела, в конечном итоге, к краху и советской лунной программы, и ракеты, изначально не предназначенной для «свалившихся» на нее задач.

Ссылки на источники

www.buran.ru/htm/gud%2019.htm
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D-1
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%BD_V
tvroscosmos.ru/?page=zarraketa
www.skeptik.net/conspir/mishin.htm
www.skeptik.net/conspir/append4.htm
physicsbooks.narod.ru/Apollo/N1/N1.HTM
polnaya-chush.blogspot.com/2009/02/34.html
astrotek.ru/proekt-aelita
astrotek.ru/tmk-tyazhelyj-mezhplaetnyj-korabl-kfeoktistova

P.S. Не могу найти тематический блог для этой записи…