Государственное конструкторское бюро "Южное" им. М.К. Янгеля

Ракеты и космические аппараты
конструкторского бюро "Южное"

Под общ. ред. С. Н. Конюхова

©ГКБ "Южное" им. М. К. Янгеля, Днепропетровск, 2000

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ НА БАЗЕ РАКЕТЫ "ЗЕНИТ"

В начале 70-х годов в руководящих кругах ракетно-космической отрасли и Министерства обороны СССР обсуждалась проблема создания единого ряда ракет-носителей нового поколения (легкого, среднего, тяжелого и сверхтяжелого классов) с унификацией двигателей, систем управления, разгонных блоков, наземного технологического и пускового оборудования и т.п. Главная цель такого замысла — сокращение номенклатуры выпускаемого оборудования, облегчение задач производства и эксплуатации с одновременным повышением технического уровня КРК.

КБ "Южное" активно включилось в решение этой задачи в условиях конкуренции с ведущими КБ отрасли. Прорабатывались варианты PH легкого класса (типа 11К55), тяжелого (типа 11К37), но особое внимание было уделено предложению Центрального управления космических систем о разработке ракеты-носителя среднего класса — 11К77, потребность в которой была наиболее острой.

Поиск принципиальных решений по комплексу ракеты-носителя 11К77, в том числе по архитектуре ракеты, компонентам топлива, облику стартового комплекса, акцентам целевых задач проходил долго и трудно. В 1974 г. был разработан ЭП ракеты в блочном варианте на высококипящих компонентах топлива. В 1975 г. этот проект был пересмотрен.

Одобрение правительства в 1976 г. получило предложение КБ "Южное", поддержанное НПО "Энергия", по созданию PH 11К77 на экологически чистых, нетоксичных компонентах топлива в моноблочном варианте, предусматривающее использование первых ступеней ракеты для ряда перспективных PH различных классов, в частности в качестве боковых блоков I ступени сверхтяжелой PH "Энергия" многоразовой космической системы "Энергия-Буран".

КОСМИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ КОМПЛЕКС К11К77 РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ 11К77 ("ЗЕНИТ") (SL-16)

Универсальный космический ракетный комплекс К11К77 предназначен для оперативного и массового запуска космических аппаратов оборонного, народнохозяйственного и научного назначения.

В состав КРК К11К77 входят:

— многоцелевая двухступенчатая ракета-носитель среднего класса 11К77 на нетоксичных компонентах топлива, обеспечивающая с высокой точностью и надежностью запуск КА различных типов в широком диапазоне их весовых характеристик и орбит функционирования;

— высокопроизводительный наземный стартовый комплекс 11П877, позволяющий проводить в автономном режиме и за минимальное время одиночные и серийные последовательные пуски ракет без необходимости проведения РВР;

— универсальная техническая позиция 11П577, оснащенная современным наземным проверочным комплектом аппаратуры для подготовки ракеты-носителя к пуску с глубоким анализом ее технического состояния, а также комплектом унифицированного оборудования для обслуживания и монтажно-стыковочных работ с PH и КА;

— многофункциональная автоматизированная система управления подготовкой ракеты-носителя 11Н205, выполненная на базе высоконадежного наземного ЦБК, обеспечивающая возможность качественного проведения испытаний PH 11К77 на стартовом комплексе и централизованное управление процессами ее предстартовой подготовки и пуска.

Ввод комплекса в эксплуатацию существенно повышал потенциал ракетно-космических средств, впервые открывая в отечественной практике широкие возможности освоения и использования солнечно-синхронных и других приполярных орбит.

Высокая готовность комплекса позволяет оперативно осуществлять запуски КА, что имеет первостепенное значение для быстрого построения, развертывания »и восполнения орбитальной группировки КА различного целевого назначения.

Обладая экологической чистотой, КРК исключает вредное воздействие PH на природную среду, что особенно важно при существующей тенденции возрастания количества запусков ИСЗ в перспективных космических программах.

Впервые в практике отечественного ракетостроения для PH среднего класса при обеспечении высокого уровня энергетических характеристик применена двухступенчатая схема, которая совместно с возможностью бокового маневра на активном участке выведения КА обеспечила существенное сокращение количества и общей площади районов, отводимых для падения отделяющихся частей, тем самым сохранив значительные земельные пространства для постоянного использования в народном хозяйстве. Кроме того двухступенчатое построение PH, а также конструктивные решения и принципы обеспечения ее высокой надежности позволяют реализовать трассы пусков, проходящие через территории других государств, поскольку не требуется выделения районов падения для отработавшей II ступени.

Высокая степень автоматизации предстартовой подготовки PH 11К77, дистанционное управление и контроль выполнения технических операций и пуска обеспечивают безопасность ее эксплуатации и повышают надежность комплекса в целом.

При создании комплекса его структурой и конструктивными решениями обеспечена возможность в дальнейшем по мере готовности пилотируемых космических кораблей нового поколения, накопления опыта изготовления элементов комплекса и его эксплуатации осуществления на его основе космических программ с запусками пилотируемых кораблей.

По уровню технических и эксплуатационных характеристик космический ракетный комплекс К11К77 не имеет аналогов в практике мирового ракетостроения.

Новые технические решения и особенности элементов комплекса

В процессе создания КРК К11К77 разработан и внедрен целый ряд новых прогрессивных технических решений. Многие из них применены впервые в практике отечественного и мирового ракетостроения. Данные особенности, положенные в основу конструктивных и функциональных схем элементов комплекса, предопределили его принципиально новые качества и характеристики.

Ракета-носитель 11К77

PH 11К77 выполнена по моноблочной двухступенчатой схеме и отличается высоким уровнем энергетических характеристик и конструктивно-весового совершенства, высокой плотностью компоновки, безопасностью эксплуатации.

Реализованные принципы и технические решения по увязке PH с КА, включающие разработку единого крупногабаритного головного обтекателя, создание унифицированного посадочного места для установки КА и специальной системы их отделения от PH, обеспечение "комфортных" условий в зоне размещения КА, необходимый объем и параметры элект-рических команд для КА в СУ, обеспечивают универсальность ее применения независимо от типа космического аппарата и его характеристик.

Высокий уровень энергетических характеристик и конструктивно-весового совершенства PH достигается за счет:

— рациональной компоновочной схемы с минимальными объемами "сухих" отсеков;

— применения высокоэнергетичной топливной пары;

— создания уникальных двигателей для I и II ступени PH;

— применения для силовых элементов корпуса нового высокопрочного конструкционного материала — нагартованного алюминиевого сплава АМг-6 НПП;

— широкого внедрения вафельных обечаек в конструкцию корпуса топливных емкостей и "сухих" отсеков;

— применения передовой технологии производства, базирующейся на широком использовании полуфабрикатов и современных методах изготовления, сборки и контроля качества изделий.

Плотная компоновка узлов и систем на борту PH позволила обеспечить размеры крупногабаритных блоков I и II ступеней в пределах, допустимых для реализации экономичного режима железнодорожной транспортировки с завода-изготовителя на космодром — без остановки встречного движения габаритных составов.

Разработка оригинальной конструкции узлов связи PH с наземным оборудованием, разнесение их по двум уровням (межступенная зона и хвостовой отсек I ступени) и объединение по функциональным признакам позволили упростить и полностью автоматизировать проведение стыковочных работ на ПУ. Данная схема в сочетании с расстыковкой электропневмокоммуникаций ходом стартующей PH впервые в ракетной технике создала предпосылку к полному отказу от узлов разового действия на СК.

Рациональная схема установки PH на пусковой стол с реализацией режима ее "удержания" при старте в целях заключительного предполетного диагностирования обеспечила повышение надежности выполнения задач пуска.

Для I ступени PH НПО "Энергомаш" создан четырехкамерный ЖРД 11Д520, который является самым мощным по тяге и лучшим по характеристикам в классе кислородно-керосиновых ЖРД среди отечественных и зарубежных образцов. Впервые в отечественном дви-гателестроении разработаны и внедрены;

— мощный ТНА с высокими выходными характеристиками (давление на выходе из насоса 600-900 кгс/см2, расход компонентов топлива до 2400 кгс/с), требуемый уровень надежности которого обеспечивается за счет внедрения прогрессивных методов упрочнения его элементов и использования современных покрытий, создающих стойкую защиту проточной части турбины и насоса окислителя от возгорания;

— принципиально новая система регулирования, обеспечивающая программный запуск и выход на основной режим, поддержание режимов по тяге и соотношению компонентов топлива с высокой точностью;

— двухбарьерные уплотнительные элементы, надежно герметизирующие разъемные стыки в соединениях узлов большого диаметра (до 600 мм), работающих под высоким давлением (до 900 кгс/см2);

— оригинальное конструктивное решение, позволяющее отклонять камеры при неподвижном турбонасосном агрегате с использованием сильфонных узлов (на газоводах подвода окислительного газа к камерам), работающих в условиях высоких давлений (до 300 кгс/см2) и температур газа (до 400°С);

— датчики давления, непосредственно устанавливаемые на контролируемые элементы и не приводящие к снижению надежности двигателя;

— система технического диагностирования с использованием современных методов неразрушающего контроля, позволяющая производить оценку состояния материальной части двигателя в процессе проведения всех видов испытаний;

— новая технология обработки двигателя после контрольно-технологических испытаний, позволяющая осуществлять его поставку на сборку ракеты-носителя без переборки после КТИ.

Для II ступени PH разработаны однокамерный основной двигатель 11Д123 и четырехкамерный рулевой двигатель 11Д513.

Высокие энергетические характеристики двигателей 11Д520, 11Д123, 11Д513 были достигнуты за счет выбранной оптимальной схемы с дожиганием окислительного газа, высоких давлений в камерах и смесительных элементах камер, в которых использованы новейшие технические достижения, направленные на обеспечение высокочастотной устойчивости двигателей и экономичности их работы.

Высокий уровень работоспособности и надежности всех двигателей гарантируется многократным запасом по ресурсу (шесть ресурсов сверх КТИ по двигателям 11Д520, 11Д123 и три ресурса по двигателю 11Д513), отработанному в процессе доводки.

В пневмогидравлических системах подачи компонентов топлива впервые разработана и применена газобаллонная с подогревом система наддува с барботажем расслоенного по температуре компонента. Системы наддува всех баков задублированы по исполнительным органам. Внедрение на PH "холодных" технологических испытаний обеспечивает высокое качество ее проверки на заводе-изготовителе, в результате чего исключаются "перепуты" в пневмогидравлических системах, проверяются гидравлические параметры магистралей и жиклеров, проверяется герметичность систем.

На PH реализовано проведение глубокой диагностики состояния узлов и систем, выполняемой в автоматическом режиме и обеспечивающей своевременное прекращение пусковых операций в случае выхода контролируемых параметров за допустимые пределы. При этом система пожаропредупреждения, предусматривающая создание в "сухих" отсеках PH нейтральной среды за счет подачи в них азота при предстартовой подготовке и фреона непосредственно перед запусков двигателя I ступени, предотвращает возникновение пожароопасных ситуаций в случае появления негерметичности в топливных системах.

Система управления PH 11К77 разработана НИИАП и выполнена на базе высокоточного комплекса командных приборов и быстродействующего цифрового вычислительного комплекса.

Отличительные особенности СУ:

— БЦВК выполнен в трехканальном исполнении на основе современной БЦВМ "Бисер-2" с быстродействием 250 тыс. операций в секунду;

— в аппаратуре СУ использованы апробированные методы резервирования, исключающие потерю работоспособности при любой возможной неисправности в функционально независимых участках схемы СУ;

— бортовая аппаратура скомпонована в функционально законченные конструктивные сборки — герметизированные контейнеры, что позволяет улучшить условия работы аппаратуры и упростить обслуживание PH при устранении обнаруженных неисправностей;

— минимизация весовых характеристик БКС PH обеспечена за счет уплотнения каналов связей БЦВМ с выносными устройствами обмена, размещенными в непосредственной близости к приборам управления исполнительными органами, и приборами командного комплекса PH;

— в СУ применены методы терминального управления, что в совокупности с разработанными алгоритмами стабилизации PH и управления двигателями позволило обеспечить высокие динамические и точностные характеристики выведения различных типов полезных нагрузок на различные рабочие орбиты;

— на основе терминальной системы наведения впервые для КРК решена задача оперативного изменения цели пуска, что существенно повысило эксплуатационные характеристики комплекса;

— современные методы масштабирования и калибровки чувствительных элементов командного комплекса позволяют обеспечить высокую точность выведения КА.

Наряду с традиционными задачами СУ PH 11К77 решает ряд новых задач, включая: — обеспечение безударного выхода PH из ПУ путем регулирования поперечного смещения ее хвостовой части на стартовом участке полета;

— ограничение поперечных нагрузок на конструкцию PH при движении в плотных слоях атмосферы путем регулирования пространственного угла атаки;

— обеспечение стабильности энергетических характеристик двигателя 11Д520 путем реализации алгоритмов связанного регулирования по режиму тяги ДУ и системы СУРТ с учетом индивидуальных характеристик каждого экземпляра двигателя 11Д520.

Бортовая система измерений построена с использованием двух комплектов бортовой быстродействующей высокоинформативной РТС "Сириус" в микроэлементном исполнении с суммарной пропускной способностью 1 х 106 дв. ед/с.

Траекторные измерения обеспечиваются комплексом "Меркурий-2" — "Кама" с использованием двух комплектов бортовых приемоответчиков ИА-21, работающих по принципу активной радиолокации.

Ракета 11К77 на ТУА

Техническая позиция

В состав основных сооружений ТП входят:

— МИК;

— хранилище PH;

— корпус подготовки ТУА и другие строительные сооружения и системы.

ТП обеспечивает проведение следующих операций: — прием ступеней PH и ГО с завода-изготовителя; — стыковку ступеней;

— автоматическую стыковку бортовой платы PH с эквивалентом кабель-мачты; — проведение электро- и пневмоиспытаний с обеспечением необходимого температурно-влажностного режима в отсеках при электроиспытаниях; — подстыковку КА и ГО;

— перегрузку полностью собранной PH 11К77 на ТУА или ангароскладские средства; — обеспечение работ с PH в случае несостоявшегося пуска, в том числе после слива из нее компонентов топлива;

— проведение регламентных работ с PH.

Оснащение МИКа агрегатом автоматической стыковки электрокоммуникаций (эквивалент кабель-мачты) "борт PH — наземный проверочный комплекс" исключило ручные операции по подстыковке коммуникаций и сократило время на подготовку к электроиспытаниям.

Введение в состав ТП хранилищ для нахождения в них PH позволило обеспечить накопление запаса PH и наиболее полно использовать технические возможности по производительности КРК К11К77 в целом.

Оснащение МИКа дренажными коммуникациями со средствами обеспечения внутри баков PH требуемого влажностного режима гарантирует полную безопасность работ с PH после слива из нее компонентов топлива в случае несостоявшегося пуска. Оснащение ТП средствами термостатирования отсеков PH обеспечило поддержание необходимого температурного режима в отсеках PH при электроиспытаниях, а также осушку двигательных отсеков I и II ступеней PH в случае несостоявшегося пуска.

Стартовый комплекс

В состав СК входят следующие сооружения:

— две ПУ;

— КП;

— технологический блок;

— сооружения систем заправки горючим и окислителем;

— сооружения систем газоснабжения и термостатирования;

— два пристартовых хранилища.

СК обеспечивает проведение следующих технологических операций:

— транспортировку PH к ПУ;

— автоматическую стыковку (отстыковку) электропневмокоммуникаций PH с наземными коммуникациями (кабель-мачтой);

— автоматическую стыковку (отстыковку) электропневмокоммуникаций и магистралей термостатирования, размещенных на платах транспортно-установочного агрегата, с наземными коммуникациями;

— подъем PH в вертикальное положение и установку ее на ПУ;

— автоматическую стыковку (отстыковку) с PH заправочных коммуникаций окислителя, горючего, "холодного" гелия и термостатирования двигательного отсека I ступени;

— термостатирование отсеков PH и КА;

— заправку PH компонентами топлива и сжатыми газами;

— автоматическую фиксацию PH на ПУ средствами удержания;

— прицеливание PH;

— подачу в газовод ПУ охлаждающей воды;

— пуск PH;

— перевод кабель-мачты в горизонтальное положение;

— автоматическую подстыковку к плате кабель-мачты блока обеспечения функциональных проверок, связанного далее с комплектом регламентной аппаратуры;

— проведение комплексно-функциональной проверки систем управления СК в автоматическом режиме в реальном масштабе времени;

— прием для подготовки к пуску очередной PH 11К77.

Технические решения, исключающие присутствие
личного состава на ПУ в процессе предстартовой подготовки PH

Автоматическая стыковка электропневмокоммуникаций PH и ТУА с системами ПУ в процессе наезда PH на кабель-мачту обеспечивается за счет разработки оригинальной кабель-мачты и других автостыков ПУ, использующих электроразрывные соединители "Бутан" различной комплектации и пневморазъемы, которые не имели аналогов в практике ракетостроения.

Автоматическая установка PH на ПУ обеспечивается за счет разработки оригинальных узлов связи PH, ТУА, ПУ и опорных кронштейнов ПУ.

Автоматическая стыковка (отстыковка) непосредственно к PH заправочных (сливных) коммуникаций обеспечивается за счет разработки уникальных стыковочных узлов.

Автоматизация регламентных работ на СК после пуска PH (без доставки для этой цели к ПУ электрозаправочного макета PH) реализуется через блок обеспечения функциональных проверок (эквивалент бортовой платы PH).

Установка ракеты 11К77 на пусковой стол

Оригинальная технология работ по стыковке PH с элементами ПУ обеспечивает дистанционное автоматизированное управление из КП всем процессом подготовки и пуска PH с момента ее доставки к ПУ.

Управление процессом подготовки и пуска PH осуществляется автоматизированной системой управления подготовкой носителя и комплексом систем автоматизированного дистанционного управления наземным технологическим оборудованием.

Операции по сливу компонентов топлива из баков PH в случае несостоявшегося пуска осуществляются автоматически. При этом для обеспечения безопасности (в случае прохождения АВД) в автоматическом режиме (до слива компонентов из баков) предусмотрена промывка трактов двигателя горючим (промывочный материал — основное горючее из бака Г-1) со сбросом образовавшейся смеси в лоток ПУ.

Технические решения, исключающие узлы разового действия и ремонтно-восстановительные работы на ПУ

Расстыковка электропневморазъемов между бортовой платой PH и кабель-мачтой ходом стартующей PH и отвод кабель-мачты от PH в процессе старта PH позволили в сочетании с оригинальной конструкцией платы кабель-мачты и электропневморазьемов исклю-чить прямое воздействие струи двигателя I ступени на плату кабель-мачты.

Отвод наземных заправочных коммуникаций в ниши ПУ перед стартом PH и отвод наземных опорных устройств в ниши ПУ в процессе старта PH позволил исключить воздействие на них струи двигателя. Такое решение стало возможным за счет оригинальной компоновки хвостовой части PH — переноса ее опорных кронштейнов в зону торцевого шпангоута бака горючего I ступени и выполнение корпуса двигательного отсека I ступени меньшего диаметра, чем остальные отсеки PH.

Исключение плановых РВР после пуска PH достигнуто за счет введения в состав СК (впервые в практике) системы водяного охлаждения газовода ПУ.

Указанные новые технические решения позволили обеспечить прием на ПУ следующей PH 11К77 через 3,5 ч после пуска предшествующей.

Ракета 11К77 на пусковом столе

Технические решения, обеспечивающие предстартовую подготовку PH

На ПУ впервые реализовано удержание PH без использования узлов разового действия. При этом расфиксация средств удержания проводится при достижении тяги двигателя I ступени, равной стартовому весу PH. Это позволило обеспечить проведение огневых предстартовых проверок PH на ПУ с необходимой диагностикой систем PH, что существенно повысило надежность пуска PH.

Размеры ПУ в плане предельно минимальны, что сократило сроки и стоимость ее создания, а также упростило решение вопросов по созданию подвижных частей наземных заправочных коммуникаций и поворотных опорных устройств за счет внедрения нового принципа стабилизации PH на стартовом участке траектории: вначале осуще-ствляется стабилизация относительно максимально выступающих элементов хвостовой части PH, а затем — плавный переход на традиционный способ стабилизации PH относительно центра масс после прохождения PH габаритных точек ПУ.

Введение в состав СК хранилищ компонентов топлива и систем газоснабжения на шесть доз заправки позволяет обеспечить шесть последовательных пусков PH 11К77 из режима автономии СК.

Термостатирование отсеков PH и КА, а также горючего РГ-1 обеспечивается созданной впервые в ракетно-космической технике модульной системой термостатирования и применением турбокомпрессорных агрегатов и турбодетандеров, не имеющих промежуточного теплоносителя.

Наблюдение за процессом подготовки и пуска PH обеспечивается с помощью многоканальной системы телевизионного наблюдения с записью на видеомагнитофоны.

Введение в состав СК единой кабельной сети позволило обеспечить его универсальность для работ с различными КА без дополнительной прокладки кабелей для контрольнопусковой аппаратуры КА.

На СК внедрен режим комплексных функциональных проверок, который реализован в соответствующей циклограмме наземного проверочно-пускового комплекса и позволяет проводить функциональные проверки всех основных систем управления и контроля СК. Данный режим не толькоповысил надежность подготовки СК к приему PH, но и позволил (при необходимости) личному составу проводить тренировочные циклы без PH в обстановке, максимально приближенной к реальной.

Автоматизированная система управления подготовкой PH

Создание АСУ ПН обусловлено уникальностью задач, возлагаемых на КРК К11К77 в целом, а именно:

— централизацией управления процессами предстартовой подготовки и пуска PH;

— оперативностью проведения серии пусков PH с заданным темпом;

— управлением подготовкой и пуском PH дистанционно при отсутствии личного состава в районе ПУ.

Разработанная АСУ ПН представляет собой комплекс аппаратурных средств, центральным звеном которого является наземный ЦВК. Данная разработка является первым опытом создания многофункциональной системы автоматизированного управления с применением вычислительных средств.

Основные тактико-технические характеристики КРК К11К77

Пуски PH могут проводиться в любое время года и суток, в любых метеоусловиях (пыль, дождь, снег, град, туман) при температуре окружающего воздуха в районе старта от - 40 до + 50°С, относительной влажности до 90% при температуре воздуха + 20°С, изменениях атмосферного давления в диапазоне 620-780 мм рт.ст., скорости ветра у земли до 20 м/с.

При эксплуатации комплекса допускается:

— нахождение незаправленной PH с КА на ПУ в течение семи суток с обеспечением необходимого термостатирования и проведение пуска из этого состояния за 90 мин;

— нахождение PH в заправленном состоянии на ПУ до 12 ч;

— проведение пусков РН с неповоротной ПУ в диапазоне азимутов ±180°С;

— многократные слив и заправка компонентами топлива с последующим пуском и выполнением программы полета.

Основные характеристики ракеты-носителя 11К77

Основные этапы разработки