(Окончание. Начало см. в №№ 1,2, 3 - 1999 г.)

В начале 60-х годов ОКБ С.П. Королева приступило к разработке сверхтяжелой космической ракеты Н1 (взлетная масса - 2700 т, тяга двигателей первой ступени - 4500 тc), предназначенной для высадки экспедиции на Луну и возвращения ее на Землю.

Концепция ракеты Н1 и ее ДУ, разработанная С.П. Королевым и Н.Д. Кузнецовым, была необычной для того времени, она является нетрадиционной и для сегодняшнего дня. Главные отличительные черты этой концепции:

• - применение в ДУ первой ступени ракеты большого числа (тридцати) мощных модульных кислородно-керосиновых ЖРД закрытой энергетической схемы с высоким уровнем давления в камерах сгорания (150 кгс/см2 и выше);
• - использование метода рассогласования тяг маршевых двигателей для управления ракетой;
• - выполнение самих двигателей с бустерными насосами обоих компонентов топлива, встроенными в корпус основного турбонасосного агрегата (ТНА).

Такой принцип построения силовых установок и двигателей для крупных космических ракет является, как мне представляется, технически оправданным и весьма прогрессивным. Он позволяет наиболее простыми средствами обеспечить высокую экономичность и хорошую управляемость ракеты при минимальной массе двигателей и минимальной степени сложности ДУ. При этом из состава ДУ исключаются: специальные рулевые двигатели или карданные подвесы маршевых двигателей, упругие сильфонные узлы для обеспечения необходимых изгибных деформаций крупноразмерных топливных магистралей, большое число мощных рулевых приводов с дублированными и “троированными” агрегатами энергопитания (вспомогательными силовыми установками). Многомодульная конфигурация маршевой ДУ дает возможность простыми средствами логики управления обеспечить глубокое резервирование и функциональную взаимопомощь двигателей в случае их неисправностей и отказов. Благодаря принятой концепции у двигателей ракеты Н1 были достигнуты уникальная для того времени топливная экономичность и непревзойденные до сих пор показатели по удельной массе.

Впервые в практике ракетного двигателестроения опытные двигатели большой тяги были созданы в короткие сроки в кооперации с серийными заводами. На завершающем этапе доводки двигатели допускали проведение многократных испытаний без демонтажа со стенда и переборки их основных узлов.

К работам по созданию двигателей были привлечены многие НИИ и ОКБ оборонной промышленности и Академии наук СССР. Функция головной научной организации по доводке двигателей была возложена на ЦИАМ.

Основными проблемами при создании двигателей являлись:

• - высокочастотная (ВЧ) неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания и газогенераторе;
• - "разгары" и разрушения ТНА из-за касаний и поломок кислородного насоса и турбины;
• - повышенные забросы параметров, гидроудары и колебания давления в топливных трактах при запуске двигателей;
• - недостаточная эффективность и ложные срабатывания системы аварийной защиты двигателей (системы КОРД).

Задачу обеспечения устойчивости рабочего процесса в камере сгорания удалось радикально решить организацией выноса колебательной энергии из объема камеры с помощью постановки удлинительных трубок на газовые форсунки. Это средство борьбы с ВЧ-колебаниями, впервые введенное на двигателях ракеты Н1, в настоящее время используется на других двигателях. Для предотвращения механизма жесткого возбуждения колебаний давления в газогенераторе из конструкции газового тракта были исключены потенциальные источники импульсных возмущений в виде глухих тупиковых полостей, в которых происходили микровзрывы попадающих туда компонентов топлива. Для гарантированной защиты от ВЧ-колебаний в систему КОРД был введен специальный быстродействующий канал, выключающий двигатель при возникновении опасных колебаний.

Разрушения и "разгары" ТНА были надежно исключены введением эффективного автомата разгрузки радиально-упорного подшипника от осевых сил, упрочением перьев лопаток шнекоцентробежного кислородного насоса, применением улучшенных термозащитных покрытий турбины и элементов окислительного тракта, заменой в стояночном уплотнении турбины простого графита на меднографит, не склонный к растрескиванию, и др. После проведения указанного комплекса мероприятий случаев разгара и разрушения ТНА при большом объеме последующих стендовых испытаний двигателей не было.

Проблемы, возникавшие при запуске двигателей, были решены переходом от системы одноразового к системе многоразового запуска, применением в топливном регуляторе двигателей усовершенствованного автомата запуска со строго регламентированными временами выведения двигателей на промежуточную и главную ступени тяги, с уменьшенным ходом дифференциального клапана и другими мероприятиями. Для снижения гидроударов и улучшения затухания колебаний давления во входных топливных магистралях двигателей при запуске в сильфонные демпферы с продольными гофрами были установлены перфорированные вставки. Ударные нагрузки, действующие на конструкцию ракеты при выключении двигателей, были снижены до допустимых пределов путем введения плавного останова двигателей. Проведенные мероприятия полностью исключили аварии при запуске и обеспечили высокую надежность и безопасность всех переходных и переменных режимов работы двигателей. После завершения доводки разброс времени запуска и выхода на режим всех двигателей первой ступени ракеты не превышал 0,05 с, что в несколько раз меньше допустимого разброса по условиям стабилизации ракеты при старте.

Необходимая эффективность защитных функций и исключение ложных срабатываний каналов системы КОРД были достигнуты путем усовершенствования логики их работы, повышения быстродействия и точности настройки, а также принятием конструктивных мер против механического и термического повреждения измерительных и исполнительных коммуникаций системы защиты.

В 1967 г. двигатели исходной модификации НК-15 успешно прошли Государственные стендовые испытания и были допущены к ЛКИ в составе ракеты Н1. Председателем Госкомиссии был заместитель начальника ЦИАМ В.Р. Левин.

Завершением наземной отработки этих двигателей явилось огневое испытание ракетного блока Н1 с двигательной установкой (суммарной тягой 1200 тс). Мне довелось участвовать в подготовке этого испытания, которое было успешно проведено 23 июня 1968 г. в испытательном центре Министерства общего машиностроения в присутствии высокопоставленных государственных и технических руководителей ракетной промышленности. Пуск мощной ДУ произвел огромное впечатление на всех присутствующих. Сразу после испытания Главный конструктор ракеты В.П. Мишин (преемник С.П. Королева) и Н.Д. Кузнецов обнялись и поздравили друг друга. Со всех сторон слышались поздравления. По "кремлевке" тут же доложили Д.Ф. Устинову. Однако все четыре пуска ракеты Н1 с двигателями НК-15 закончились неудачно. Модифицированные двигатели НК-33 и НК-43, успешно прошедшие весь комплекс доводочных работ, в летных условиях не испытывались. Высокая надежность двигателей НК-33 и НК-43 подтверждена большой положительной статистикой, полученной в процессе стендовой отработки, а также результатами многочисленных специальных исследований надежности, проведенных на завершающем этапе доводки двигателей. Надежность двигателей была подтверждена 221 испытанием 76 двигателей в широком диапазоне изменения внешних и внутренних факторов, существенно превышающем требования ТЗ. Надежность многократного запуска была подтверждена на 24 экземплярах двигателей с кратностью повторения запусков до 10 на одном двигателе. Параметры процесса запуска при повторных пусках сохранялись стабильными и не зависели от количества проведенных пусков.

Для подтверждения надежности был разработан и внедрен в практику испытаний комплекс высокоэффективных измерительных и диагностических средств анализа быстропротекающих динамических процессов. Были применены методы детального математического и гидродинамического моделирования нестационарных режимов работы двигателей, а также методы искусственного физического воспроизведения при стендовых испытаниях различных предполагаемых (даже маловероятных) причин отказов двигателей. Ни один из проявившихся дефектов не оставался без исследования, проведения устраняющих мероприятий и проверки их эффективности в ужесточенных условиях. Например, проводились испытания с забрасыванием на вход в кислородный насос работающего двигателя больших порций металлической стружки, целых комплектов крепежных деталей (винтов, гаек), больших кусков грубой протирочной ткани (размером 60х60 см) и др. Все это не приводило к аварийным исходам испытаний. Даже резкое, ударное перерезывание ("гильотирование") с помощью специального устройства входного трубопровода горючего на работающем двигателе не приводило к взрыву и пожару, а вызывало лишь плавное прекращение рабочего процесса с сохранением работоспособности двигателя при последующих пусках. Полученные результаты свидетельствовали о высокой надежности и чрезвычайно большой живучести доведенной конструкции двигателей и вызывали глубокое удовлетворение у всех участников работ.

Двигатели НК-33 и НК-43 подвергались не только контрольно-выборочным испытаниям, но также и контрольно-сдаточным. Это оказалось возможным благодаря многоразовости запуска двигателей, допускавшей проведение контрольных пусков без последующих переборок.

Однако, как известно, Лунная программа не была реализована и созданная уникальная ракетная техника оказалась невостребованной в связи с прекращением работ по комплексу Н1 в мае 1974 г. В Совмине СССР рассматривались различные возможные варианты использования созданных двигателей в других отечественных ракетных системах того времени. На совещаниях в Кремле, в которых мне приходилось участвовать, обсуждалось использование двигателей в ракетных комплексах ОКБ В.Н. Челомея, А.Ф. Уткина и др. Однако выдвигавшиеся предложения не были реализованы.

После прекращения работ по ракете Н1 ЦИАМом совместно с ОКБ Н.Д. Кузнецова был проведен анализ и обобщен отечественный и зарубежный опыт создания мощных кислородных ЖРД закрытой схемы. Под редакцией Н.Д. Кузнецова и В.Р. Левина выпущен фундаментальный труд по методам проектирования и доводки таких двигателей, их агрегатов и систем. Накопленный опыт во многом способствовал успешному созданию двигателей ракетно-космической системы "Энергия-Буран".

В начале 90-х годов двигатели НК-33 и НК-43 привлекли к себе внимание ведущих американских двигателестроительных и ракетных фирм с целью их использования в составе новых и модифицируемых американских космических ракет. Проведенные фирмой Aerojet огневые испытания двигателей полностью подтвердили работоспособность двигателей и их высокие параметры. В 1998 г. в Америку было поставлено 45 двигателей и подготовлено к продаже еще 42 двигателя. Стоимость контракта оценивается в несколько сотен миллионов долларов. В настоящее время в России разрабатывается ряд космических проектов с использованием двигателей НК-33 и НК-43. Так, например, ЦСКБ "Прогресс" разрабатывает проект ракетоносителя нового поколения "Ямал" (глубокая модернизация носителя "Союз") с двигателями НК-33 на нижних ступенях. Аэрокосмическая корпорация "Воздушный старт" разрабатывает авиационно-ракетный комплекс с двигателями НК-43 на ракете, стартующей с самолета-носителя Ан-124 "Руслан". Разработчики полагают, что такой комплекс может быть создан за три года и его коммерческая эксплуатация может начаться уже к 2003 г.

Все изложенное дает основания считать, что жидкостные ракетные двигатели НК-33 и НК-43, созданные для ракеты Н1, несмотря на давность их разработки, выполнены на современном техническом уровне и являются перспективными для ракетно-космических систем начала XXI века.