Первая пилотируемая

В этот день многое было иначе, чем сегодня. В этом старте многое было непросто и, главное, было впервые. Первого космонавта Земли поднял в космос исторический старт машины, жизнь которой продолжается и поныне в сегодняшних потомках.

Ю. А. Гагарин в корабле «Восток-1» перед стартом

Фото: РИА Новости

Ракета

Ракета, создаваемая как боевая межконтинентальная Р-7, стала космической раньше, чем боевой. Этот парадокс объясним: космической ракете не нужно нести заряд к цели сквозь атмосферу. Выполнить полностью боевую полетную задачу — доведение головной части до земли без разрушения в атмосфере — удалось лишь через полгода после первого космического пуска, в мае 1958 года. В сравнении с этим выведение на космическую орбиту оказалось проще — нужно только отработать ракете.

С двухступенчатой боевой ракеты сняли все, что делало ее оружием,— боевую головную часть и тяжелый (потому что прочный, он нес головную часть) аппаратный отсек системы управления полетом. Систему управления упростили, сделав легче. Космический вариант боевой ракеты, названный «Спутник», только после подтверждения выхода первого спутника на орбиту слетал в космос два раза, запустив с месячным интервалом первый и второй спутники. У его доработки «Спутник-3» было два пуска: один — с разрушением ракеты (ее разорвало возросшими колебаниями конструкции в конце второй минуты полета), один — успешный. Итог четырех пусков космической ракеты — три выведения на орбиту.

Но выводимый груз нужно было увеличивать. Космическая грузоподъемность даже улучшенного двухступенчатого «Спутника-3» была меньше сегодняшней «Газели» — 1300 кг. А конструкцию, на которой предстояло лететь и возвращаться человеку, требовалось везти полноценным грузовиком. Она выходила под 5 т. Нужен был в разы более грузоподъемный космический носитель.

Для кардинального увеличения грузоподъемности сверху поставили третью ступень, удлинив ракету до привычного нам вида. Ступень, названная блоком Е, осуществляла конечный разгон массивного груза до орбитальной скорости на низкой орбите. Получившуюся ракету-носитель назвали «Восток». Она (высота — 38 м, размах по концам стабилизаторов — 10 м, стартовая масса — 287 т) поднимала на низкие орбиты максимальную массу в 4,725 т — столько должен был весить корабль с человеком. «Восток» и отработал 12 апреля 1961 года историческое полетное задание.

Страница из полетного задания Юрия Гагарина. ЦА РКВ. Ф.19, оп. 114cс, д.15

Ракета, предназначенная к запуску в этот день, по степени надежности была совсем не такой, как сегодняшние изделия. Она показывала неважную статистику полетов. Неважную по меркам сегодняшнего дня, конечно; тогда другой не было, и работали с тем, что создавалось. Первые 14 пусков ракета имела индекс 8К72, и половина из них закончилась авариями. Иными словами, надежность первого варианта трехступенчатой ракеты составляла 50%, с равновероятным «полетит — не полетит». И тем не менее ее эксплуатация продолжалась. Доработанный вариант ракеты с индексом 8К72К слетал три раза: первый — авария, два — успешных. На нем и предстояло лететь Гагарину.

До старта Гагарина этой ракете удалось успешно полететь в космос всего 12 раз, начиная с первого спутника. С первым стартом трехступенчатого «Востока» с «Луной-1» 2 января 1959 года, за два с небольшим года до пилотируемого полета. Считаясь успешным, пуск не выполнил свое полетное задание, промахнувшись по Луне (с первым в истории выходом на гиперболическую траекторию и покиданием гравитационной хватки Земли). Наряду с успешными пусками произошло девять аварийных. Надежность ракеты по доле успешных пусков, таким образом, составляла 57% — значение, которое сегодня для эксплуатируемой техники представляется с трудом, не говоря уже о космических средствах для пилотируемых полетов.

Аварийные и успешные пуски «Востока» шли вразнобой, сериями и одиночно, чередуясь между собой. Серии аварий начинались с трех подряд (что нормально для первых пусков), аварийную «двойку» дополняли одиночные аварии. Успешные серии не превышали двух пусков — три успешные «двойки» непременно обрывались авариями. Перед стартом Гагарина как раз было два успешных пуска подряд — успешная «двойка». По фактической статистике полетов, за этим всегда следовал аварийный пуск. Успешные серии-«тройки» не удавались еще ни разу.

Предварительная… Промежуточная… Главная… Поехали!

Старт ракеты с Гагариным происходил не так, как автомобильный: повернул ключ зажигания, завел и поехал. Исполнительная команда зажигания прошла в виде электрического тока на тонкие проводки внутри пиротехнических воспламенительных устройств, засунутых на концах толстых березовых палок в каждую камеру сгорания. Это были прессованные шашки зажигательного состава, похожие на фальшфейеры или настольные фейерверки. Наружное зажигание, то есть поджигание через сопло. Как только воспламенители хором загорелись, всяк в своей камере сгорания, в каждой шашке тут же перегорел тонкий медный проводок-сигнализатор. Электрический сигнал, проходивший через этот медный волосок, пропал. Потеря сигнала — это тоже сигнал. Он через серию воздействий привел к приоткрыванию клапанов жидкого кислорода и керосина в недрах ракеты.

Сначала кислород, а потом и керосин просто самотеком — никаких насосов! — начали сливаться из водонапорной (точнее, топливонапорной) башни ракеты, как вода из крана на первом этаже. И заливать соответствующие полости в двигателях — трубопроводы, расширения, различные каналы, объемы, коллекторы. Наконец, топливные компоненты потекли внутрь камер сгорания, навстречу друг другу. В этих тайных газодинамических пещерах они смешались при выходе из форсунок, и топливной смесью попали прямо на горящую пиротехнику, от которой зажглись мощно и ярко, как и положено керосину с жидким кислородом. Внизу ракеты полыхнуло. Появились клубы огня.

В этой фазе запуска, через 9 сек. после зажигания, на стартовом столе стояла высокая островерхая дюралевая башня, залитая под завязку топливными компонентами, а в ее низу ярко пылал льющийся самотеком керосин вместе с жидким кислородом. Это состояние простого горения в камерах самотечного топлива называется режимом предварительной ступени (первая стадия работы двигателей). Первой ступенькой устойчивого режима горения, который можно спокойно измерить. Контроль давления в камерах начался через полсекунды после выхода на предварительную ступень и длился целую секунду.

За эту контрольную секунду ничего не изменилось: подача, горение и давление в камерах, еще совсем небольшое, были стабильными. Лишь теперь, при спокойно пылающих камерах сгорания, в каждый двигатель пришла команда на запуск турбонасосного агрегата, до этого не работавшего. Специальное топливо для турбонасосного агрегата (концентрированная, маловодная перекись водорода H2O2) начало поступать в особый реактор — газогенератор, в котором перекись разлагалась твердым катализатором на кислород и водяной пар. Эта горячая и сильно сжатая смесь направилась в сопловой аппарат турбины, откуда струя парогаза ударила в лопатки газовой (и одновременно паровой) турбины, раскручивая ее все быстрее.

Вал турбины обвешан гидравлическими насосами, образуя турбонасосный агрегат. Два больших топливных насоса — главные насосы горючего и окислителя — являются основными. Они закачивают — уже под большим создаваемым давлением — керосин и кислород в камеры сгорания двигателя. Давление нужно для форсунок камеры сгорания, чтобы керосин и кислород распылялись интенсивнее, сильнее, тоньше, лучше смешиваясь и одновременно больше поступая в камеру.

Лучше смешалось — значит, ровнее, полнее и сильнее сгорело, выше температура продуктов сгорания. Больше поступило и сгорело топлива — выше давление в камере сгорания. Горячий газовый поток с высокими температурой и давлением проходит через канал реактивного сопла, становится в нем сверхзвуковой реактивной струей и создает тягу двигателя, которая сейчас пока еще невелика.

Заодно турбина раскручивает насос перекиси водорода для своей работы и насос жидкого азота. В соседнем теплообменнике жидкий азот испаряется и в виде газа идет в топливные баки ступени для их наддува. Ведь топливные компоненты из баков выкачиваются, а чем заполнять освобождающееся пространство, возникающую там пустоту? Без наддува слив топлива из баков будет слабый, а наружный воздух сомнет баки своим давлением.

Турбина раскручивается и разгоняется все сильнее. Давление за главными насосами окислителя и горючего растет. Наконец, турбонасосный агрегат начинает подавать топливо в камеры сгорания с такой силой, что давление огня вырастает до 25 атмосфер. Топливные компоненты текут теперь из баков мощным потоком, создаваемым сильно раскрутившимися топливными насосами. Площадку старта затянули грохот и рев набирающих силу реактивных струй. Развивается большая тяга, сильно подпирающая ракету снизу. Эта стадия запуска называется «промежуточная ступень».

Все готово к началу полета: турбина ревет, насосы выбрасывают керосин и жидкий кислород с большим давлением, в двигателях горит много топлива. С выросшей тягой ракета уже практически стоит на столбах огня, почти не опираясь на ферменные опоры. Как только тяга двигателей превысит вес ракеты, начнется движение вверх.

Оно началось с дальнейшей раскруткой турбины. Закачка топлива в камеры четырех боковых блоков ракеты выросла до режима второй промежуточной ступени. В этом режиме сила тяги двигателей превысила вес ракеты. Не придавливаемые ракетой, освободились и разошлись четыре ферменные опоры. Полет начался. Первые десять сантиметров движения ракеты вверх освободили контакт подъема. Он зафиксировал уход ракеты со стартового стола и измерил время отрыва. Реактивные струи второй промежуточной ступени боковых блоков не так сильно обрушились на стартовый стол, давая ракете отойти от него. Пять секунд — полет нормальный.

А где же главная ступень? Вверху ведь и она упомянута в общем ряду?

Схемы ракет Р-7, «Спутник» и «Восток»

Фото: wikipedia.org.

На режим главной ступени тяги вышел только центральный блок ракеты одновременно с режимом второй промежуточной ступени у боковых блоков. Он обеспечил уверенный отрыв ракеты от опор и плавное начало подъема. Боковые блоки перешли на главную ступень тяги уже в полете, на шестой секунде после ухода со стартового стола. Турбины раскрутились до номинальных рабочих оборотов. С полной подачей керосина и кислорода давление в камерах сгорания выросло до 60 атмосфер; тяга выросла до полной. Взлететь с площадки мало; главная работа ракеты — сильно разогнать свой груз. Поэтому ракета ускоряется, разгоняемая избытком тяги над ее весом.

Ускорение можно выразить в земных ускорениях силы тяжести, получится перегрузка. Она вдавила космонавта в кресло. Гагарин был опытный и хорошо тренированный летчик, много летавший в перегрузках. Их рост и спад, даже небольшие изменения, он чувствовал уверенно. Поэтому он сразу ощутил прирост перегрузки, когда вся ракета перешла в режим главной ступени, на полную тягу двигателей. По новой перегрузке он понял, что ракета пошла на полной тяге. И тогда Гагарин произнес свое бессмертное «Поехали!».

В ходе выведения

Выведение на орбиту шло расчетным образом, без нештатных ситуаций. Ракета работала хорошо. Об этом говорил и сам первый космонавт в докладе на заседании Государственной комиссии на следующий день после полета:

«В районе 70 сек. плавно меняется характер вибрации. Частота вибрации падает, а амплитуда растет. Возникает как бы тряска. Потом постепенно эта тряска затихает, и к концу работы первой ступени вибрация становится такой же, как в начале ее работы. Перегрузка плавно растет, но она вполне переносимая, как на обычных самолетах. Примерно 5g. При этой перегрузке я вел все время репортаж и связь со стартом. Было несколько трудно разговаривать, так как стягивало все мышцы лица. Несколько поднапрягся. Дальше перегрузка стала расти, достигла своего пика и начала плавно уменьшаться. Затем почувствовал резкий спад перегрузки. Ощущение было таким, как будто что-то сразу отрывается от ракеты. Почувствовал что-то вроде хлопка. При этом резко упал шум. Будто возникло состояние невесомости, хотя в это время перегрузка примерно равна 1. Затем опять появляется и начинает расти перегрузка. Начинает прижимать к креслу, уровень шума значительно меньше. На 150 сек. отделился головной обтекатель. Процесс очень яркий. Получился толчок, хлопок…

Когда идет ракета, то по “взору” можно наблюдать, что она немножко колеблется вокруг продольной оси по крену, но колебания незначительные. Ракета как бы живет.

К концу работы первой ступени, когда слетел головной обтекатель, во “взоре” горизонт немного до верхнего края не доходил. Ракета шла с некоторым углом тангажа (наклоном продольной оси ракеты к плоскости местного горизонта.— Н. Ц.). Затем к концу работы второй ступени она легла по горизонту и даже несколько ниже горизонта… На 211 сек. опять плавно начали нарастать перегрузки. Вторая ступень выключается примерно так же, как и первая. При этом происходит такой же резкий спад перегрузок и падение шума, такое же ощущение невесомости.

Невесомость была примерно секунд 10–15 до включения третьей ступени. Затем слышал глухой хлопок и включение третьей ступени… Очень плавно стала появляться перегрузка… Начал увеличиваться угол тангажа, и к концу работы третьей ступени примерно только половина внешнего кольца “взора” была занята горизонтом… Выключение третьей ступени было резким. Перегрузка немножко возросла, почувствовал резкий хлопок. Примерно секунд через 10 произошло разделение. При этом почувствовал толчок. Корабль начал медленно вращаться».

При работе каждой ступени перегрузка с начального значения каждый раз плавно увеличивалась. Это происходило потому, что при постоянной тяге двигателя ступень расходовала топливо, уменьшая свою массу. Ускорение, как отношение силы тяги к массе ракеты, плавно возрастало с выработкой топлива, достигая максимума при почти опустевших баках ступени.

После выключения двигательной установки сила тяги, ускорение и перегрузка исчезали. Чтобы снова появиться с началом работы следующей ступени. Этот цикл появления перегрузки, ее плавного нарастания и исчезновения при выключении двигателя повторялся у каждой ступени.

Орбита без подстраховки

Полноразмерный макет ракеты-носителя «Восток» на ВДНХ

Фото: felipe-simo / unsplash.com

Орбита, на которую планировалось вывести корабль «Восток», должна была получить перигей (нижнюю точку) с высотой 180 км и апогей (верхнюю точку) с высотой 235 км. Это низкая почти круговая орбита с оптимальными для полетного задания значениями высоты. Плотность остатков атмосферы на этих высотах удовлетворяла сразу двум задачам: краткосрочной задаче выполнения витка и долгосрочной задаче схода с орбиты.

Аэродинамическое торможение на этих высотах достаточно слабое и легко позволяет сделать не только один полный оборот корабля вокруг Земли, но и более полусотни оборотов. Одновременно торможение атмосферы здесь достаточно сильное, чтобы свести аппарат с орбиты за четверо суток полета.

Это было необходимо на случай отказа тормозной двигательной установки корабля, а отказы только создаваемой техники были вполне вероятны. Поэтому система жизнеобеспечения корабля «Восток» была рассчитана на десять дней полета в случае вынужденного долгого пребывания на орбите. С двукратным запасом к расчетным четырем дням полета при отказе тормозного двигателя корабля.

Точные значения высот получившейся орбиты задает третья ступень ракеты. Работа ее двигательной установки, разгоняя полезную нагрузку, все время повышает высоту противоположной точки орбиты. Сначала это перигей, причем находящийся под поверхностью Земли; перигей поднимается в атмосферу, потом — над атмосферой. Пройдя высоту, на которой сейчас работает ступень (в этот момент орбита получается круговой), поднимающаяся противоположная точка орбиты становится апогеем, продолжая набирать высоту. Остановка двигателя ступени означает остановку подъема апогея на его текущей высоте. Поэтому двигатель третьей ступени должен выключиться строго в заданный момент, когда апогей на противоположной стороне орбиты достигнет расчетной высоты 235 км.

Точность формирования орбиты задается работой системы управления полетом. В то время бортовые инерциальные системы измерения движения, которые самостоятельно измеряют движение борта, были не так точны, как сегодня. Инерциальная система наведения боевой ракеты Р-7 давала промах в десятки километров. Поэтому инерциальная система управления полетом дополнялась командной радиосистемой. Каким образом? Движение ракеты измерялось наземной аппаратурой измерительных пунктов — радиолокационной и радиотехнической. Полученные данные позволяли оперативно определить отклонения ракеты от расчетной траектории. На основе этих отклонений формировались управляющие команды, передаваемые с командно-измерительных пунктов на борт ракеты по радиоканалу.

По командной радиолинии и выключался двигатель третьей ступени. При достижении расчетной скорости, обеспечившей высоту апогея 235 км, на борт ракеты поступила радиокоманда на выключение двигателя. Но она осталась неисполненной из-за неустойчивой работы бортового преобразователя постоянного тока в переменный. Двигательная установка третьей ступени продолжала работать, поднимая высоту апогея все выше. Двигатель выключился позже, чем было нужно, по команде дублирующей бортовой автономной системы управления, настроенной на более высокое значение скорости ступени в качестве параметра отключения.

В итоге запоздалого выключения двигатель проработал дольше необходимого. Это привело к дополнительному разгону корабля на лишние 25 м/сек. В результате апогей поднялся до 327 км, что примерно на 92 км превышало расчетную высоту.

Атмосферное торможение на такой высоте существенно ниже. Накапливаемое за один виток уменьшение скорости корабля получалось меньше, и для схода с орбиты за счет аэродинамического торможения потребовалось бы, по разным оценкам, от 20 до 50 дней. Теперь в случае реализации такого сценария первого космонавта ожидала неминуемая гибель на орбите из-за исчерпания ресурсов жизнеобеспечения. Ракета, вынесшая человека за атмосферу и доставившая на космическую орбиту, в последний момент работы допустила отказ одной из своих многочисленных систем, оставив Гагарина на орбите без запасного варианта возвращения.

Благополучное завершение полета и полетной судьбы

К счастью, нерасчетный подъем апогея орбиты Гагарина был некритичным и не помешал первому полету человека в космос. После выполнения большей части витка пришло время торможения для схода с орбиты. Тормозная двигательная установка корабля «Восток» отработала в целом нормально, обеспечив сход спускаемого аппарата с орбиты. Но она сработала тоже не совсем так, как было рассчитано. Двигатель должен был работать 41 сек., однако выключился на секунду раньше. Также возникла нештатная закрутка корабля. Досрочное выключение тормозного двигателя привело к невыполнению команды на автоматическое отделение спускаемого аппарата с космонавтом от приборного отсека. Но через десять минут после начала тормозного импульса отсеки корабля все же разделились. В результате этой цепи событий Гагарин благополучно приземлился в нерасчетном месте — в Саратовской области, недалеко от села Смеловка.

Но особенности схода с орбиты корабля «Восток» уже не относились к работе ракеты-носителя. Главная задача полета — виток вокруг Земли с успешным приземлением космонавта — была выполнена и кораблем, и ракетой. Первый в мире полет человека в космос состоялся и окончился благополучно.

Так ракета «Восток» стала первой пилотируемой ракетой, запустившей человека в орбитальный космический полет. Ее дальнейшая работа была долгой и плодотворной. После исторического пилотируемого запуска «Восток» летал в двух последовавших модификациях еще 30 лет. За это время было произведено 147 пусков ракеты. Из них только семь оказались аварийными — это совсем другая статистика, чем во время полета Гагарина. Летная служба «Востока» завершилась 29 августа 1991 года последним успешным пуском, показав непрерывную успешную серию из 81 пуска, длившуюся 22 года.

Было создано множество более поздних модификаций ракеты, уже с другими названиями, сделав ее самой летающей в мире. «Восход», «Молния», «Молния-М», «Союз», «Союз-Л», «Союз-М», «Союз-У», «Союз-У2», «Союз-ФГ», «Союз-2а», «Союз-2б», «Союз-2в». Этими ракетами выполнено свыше 1600 космических запусков, в том числе все пилотируемые пуски СССР и России за последние полвека. Полеты космонавтов и сейчас продолжаются на них как нескончаемый путь, открытый полетом Гагарина на ракете «Восток».