О РАЗРАБОТКЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ "ЭНЕРГИЯ" И О РОЛИ В.П. ГЛУШКО В СОЗДАНИИ ДВИГАТЕЛЯ РД-170 (171)

 

Игорь Алексеевич Клепиков, д.т.н.
Вячеслав Федорович Рахманин, к.т.н.

В 1980-1982 гг. в ракетно-космической отрасли возникла кризисная ситуация при разработке четырехкамерного двигателя 11Д520 для ракеты-носителя (РН) "Зенит" и многоразовой космической системы (МКС) "Энергия - Буран". Сложность выявившихся проблем породила сомнения у ряда крупнейших специалистов в возможности создания столь мощного двигателя. В связи с этим возникла идея разработки более простого однокамерного модульного двигателя на случай невыполнения директивных сроков создания комплекса "Энергия - Буран".

Один из авторов статьи (И.А. Клепиков) был инициатором разработки однокамерного двигателя и руководил его проектированием. Это позволяет взглянуть на события, излагаемые в статье, как бы "изнутри".

В истории отечественной ракетно-космической техники есть драматическая страница, связанная с разработкой космической ракеты тяжелого класса Н1. Эта ракета, имевшая на первой ступени по первоначальному проекту 24, а затем 30 кислородно-керосиновых двигателей тягой 150 тс каждый, разрабатывалась под руководством С.П. Королева (1962-1966 гг.) и В.П. Мишина (1966-1974 гг.). Все четыре попытки пуска этой ракеты в трехступенчатом варианте закончились авариями во время работы первой ступени, причем три из них из-за отказа двигателей. После четвертого аварийного пуска работы по теме Н1 в мае 1974 г. были приостановлены, а спустя некоторое время, по рекомендации специально назначенной межведомственной комиссии, тема была закрыта правительственным постановлением. С самого начала разработки ракеты Н1 В.П. Глушко был против использования кислородного топлива, предлагая альтернативное высококипящее, не возражая против количества двигателей. Позже, в начале семидесятых годов, главным недостатком Н1 В.П. Глушко стал называть многодвигательную первую ступень.

В мае 1974 г. руководство страны предложило В.П. Глушко возглавить отечественную космическую программу. Для концентрации научно-технических сил было организовано НПО "Энергия" во главе с директором и генеральным конструктором Глушко. Новый генеральный конструктор пришел с развернутой программой дальнейшего развития отечественной космической техники. Учитывая, что создание ракетного двигателя является наиболее трудоемкой задачей по длительности отработки и экономическим затратам, Глушко предложил программу последовательной разработки ряда космических ракет с постепенным увеличением числа устанавливаемых на первой ступени мощных двигателей. Отработанный на стенде и при летных испытаниях двигатель, по его мысли, мог использоваться с минимальными изменениями на нескольких типах носителей: ракеты легкого класса должны были комплектоваться одним двигателем; среднего класса - двумя; тяжелого класса - четырьмя; сверхтяжелого класса - шестью-восемью двигателями.

Указанное число двигателей на первой ступени хорошо согласуется с накопленными практическими результатами разработки и успешной эксплуатации космических ракет. Так, на первых ступенях отечественных ракет установлено следующее количество двигателей: на РН "Космос-2" - один двигатель, "Космос-3М" - два двигателя, "Циклон" - три двигателя, "Союз" - четыре двигателя, "Протон" - шесть двигателей. На американской РН "Сатурн-5" имелось пять двигателей; на других зарубежных космических ракетах на первой ступени установлены один-два ЖРД и несколько твердотопливных ускорителей. Приведенные данные свидетельствуют о том, насколько ракета Н1 с ее тридцатью двигателями на первой ступени выходит за рамки принятой во всем мире практики проектирования космических ракет.

Базовой конструкцией в предложенном Глушко ряде космических носителей стала ракета тяжелого класса, способная выводить на орбиту полезные грузы до 105 т. Основным вариантом использования этой ракеты являлась многоразовая космическая система "Энергия-Буран" (11Ф36), состоящая из двухступенчатой ракеты "Энергия" (11К25) и космического самолета "Буран". Необходимо отметить, что наименование ракеты "Энергия" появилось на конечном этапе ее создания; на протяжении многих лет эта ракета тоже называлась "Буран". Это обстоятельство следует принимать во внимание при рассмотрении документов, цитируемых в тексте статьи.

Высокой надежности системы 11Ф36 предполагали достичь благодаря использованию небольшого числа мощных двигателей РД170 (11Д521). В состав первой ступени 11К25 входили четыре блока А с одним двигателем указанного типа. Подчеркнем, что блок А по конструкции и техническим характеристикам соответствовал первой ступени носителя "Зенит" (11К77) разработки КБ "Южное".

Итак, в блоке А ракеты 11К25 и на первой ступени 11К77 имелось по одному ЖРД тягой 740 тс у Земли, соответственно РД-170 (11Д521) и РД-171 (11Д520), с весьма небольшими отличиями в системе качания, что позволяло параллельно разрабатывать двигатель для двух носителей и провести летную отработку двигательной установки первой ступени в составе более простой и дешевой ракеты "Зенит".

Схема двигателя 11Д520 предусматривала дожигание окислительного турбогаза, использование четырех камер тягой по 185 тс каждая с рк = 250 кгс/см2, наличие двух газогенераторов и одного ТНА мощностью около 250 МВт. Такая схема двигателя позволила не только уменьшить габариты двигателя для обеспечения возможности транспортировки железнодорожным транспортом, но и облегчить экспериментальную отработку основных агрегатов, близких к ранее созданным по характеристикам, за исключением ТНА.

Работы в КБ "Энергомаш" были начаты до получения официального технического задания с использованием специально разработанных стендовых установок УК. Эта идея себя оправдала. Так, к 1978 г. в составе экспериментальных ЖРД типа "УК" была успешно отработана камера, газогенератор, узел качания, ряд агрегатов автоматики, уплотнения, система запуска и др. Вместе с тем, в отрасли отсутствовал опыт разработки ТНА столь большой мощности, и здесь разработчиков нового двигателя ожидали самые сложные проблемы.

В соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР от 11 ноября 1977 г. № 106-323 летно-конструкторские испытания (ЛКИ) ракет-носителей 11К77 с двигателями 11Д520 должны были начаться в третьем квартале 1980 г. Увы, положение с разработкой двигателя 11Д520 во втором квартале 1980 г. было крайне тяжелым. Основные проблемы были изложены в материалах доклада, подготовленного для В.П. Глушко 13 июня 1980 г. (доклад подписан начальником двигательного отдела М.Р. Гнесиным и ведущим конструктором И.А. Клепиковым, утвержден главным конструктором КБЭМ В.П. Радовским и директором завода С.П. Богдановским). В частности, в докладе указывалось, что ТНА мощностью около 250 МВт неоднократно испытывался с 1978 г. в составе "шапок" 6УК (двигатель без камер), за два года было проведено 20 испытаний с суммарной наработкой 107 с, из них 16 завершились авариями.

Низкие темпы испытаний объяснялись:
- сложностью выявившихся проблем и отсутствием опыта в отрасли;
- высокой трудоемкостью изготовления и нехваткой матчасти;
- нехваткой кадров в КБ, на заводе и в испытательном комплексе;
- недостаточным стимулированием большого объема сложных и срочных работ, параллельным ведением других работ и пр.

Экспериментальная отработка узлов и агрегатов двигателя 11Д520 в КБ "Энергомаш" по времени совпадала с подготовкой проектных материалов по предложениям ракетных ОКБ, в частности ОКБ "Южное" и КБ ПО "Полет". Естественно, что при одновременной разработке нескольких двигателей для первых ступеней ракет, работающих на одинаковом топливе, целесообразно максимально использовать принципы унификации. Однако эти параллельно проводившиеся проектные проработки оказали влияние на темпы создания двигателей для РН "Энергия" и "Зенит".

В 1978 г. в КБЭМ по техническому заданию ОКБ "Южное" разрабатывались двигатели первой и второй ступеней ракеты 11К37. В состав двигательной установки первой ступени входила связка трех двигателей 11Д520, а по двигателю второй ступени 17Д18 был выпущен эскизный проект, предусматривавший создание однокамерного двигателя на основе камеры двигателя 11Д520 с высотным соплом (ведущий конструктор проекта В.К. Чванов).

В октябре 1979 г. по техническому заданию КБ ПО "Полет" в КБЭМ были выпущены технические предложения на разработку двигателя первой ступени для РН 11К55. Однокамерный двигатель РД-132К предполагали создать на базе камеры двигателя 11Д520 (ведущий конструктор проекта М.Р. Гнесин).

Разработку документации, изготовление и доводку двигателей 17Д18 и РД-132К намечали осуществлять одновременно с работами по двигателям 11Д520 и 11Д521.

Учитывая накопившиеся трудности с отработкой двигателя 11Д520 и тот факт, что удельные характеристики последнего были идентичны характеристиками двигателя РД-132К, начальник двигательного отдела Гнесин в марте 1980 г. направил докладную записку Глушко и Радовскому с предложением о замене четырехкамерного двигателя 11Д520 четырьмя однокамерными двигателями типа РД-132К. Это был "обходной" вариант решения технических проблем, позволявший снизить потребную мощность ТНА до значений, успешно освоенных отраслью при создании других ЖРД, и, таким образом, исключить трудности с отработкой двигателя 11Д520.

В соответствии со сложившейся практикой, М.Р. Гнесин собрал ведущих специалистов двигательного отдела, зачитал докладную и получил от всех присутствующих поддержку. Предложение это имело свою предысторию. Так, несколько лет назад коллектив отдела выступил за замену одного однокамерного двигателя тягой 640 тс (РД-270), предназначенного для РН УР-700, четырьмя однокамерными двигателями 11Д43, прошедшими к тому времени отработку и успешно эксплуатировавшимися в составе РН "Протон".

Таким образом, как использование мощных однокамерных ЖРД, так и заменяющих их связок из четырех двигателей не считалось чем-то особенным; наоборот, оно отвечало взглядам специалистов отдела. Однако для такого изделия, как РН "Энергия", В.П. Глушко провозгласил концепцию, в соответствии с которой для высокой надежности следовало использовать малое количество "больших" двигателей, чтобы не повторять печальный опыт летных испытаний РН Н1. Судя по дальнейшим событиям, реакция Глушко на докладную записку М.Р. Гнесина была резко отрицательной, однако об этом специалисты КБ проинформированы не были.

Крайне удручающее состояние с отработкой 11Д520 было отлично известно руководству министерства общего машиностроения. Так, 1 апреля 1980 г. состоялось совещание у министра С.А. Афанасьева, при этом в протоколе заседания указывалось:
"- темпы отработки - неудовлетворительны, имеется большое количество аварийных испытаний 6УК и двигателей;
- принято к сведению заявление Главного конструктора КБЭМ В.П. Радовского, начальника НИИТП В.Я. Лихушина, заместителя директора НИИХМ В.Н. Комягина, районного инженера 210 ВП МО Ю.А. Фатуева о том, что пути и средства решения вопросов по ТНА и двигателя известны и двигатель 11Д520 будет отработан;
- отмечено заявление В.Я. Лихушина, Ю.А. Фатуева и М.Р. Гнесина о том, что "при определении сроков отработки двигателя 11Д520 была допущена ошибка из-за недостаточного учета резко возросших весов агрегатов, расходов компонентов, технологических циклов изготовления";
- в своих выступлениях В.Я. Лихушин, Ю.А. Фатуев, начальник отделения ЖРД А.П. Ваничев указали на необходимость ускорения работ по проектированию ТНА двигателя 17Д18 для II ступени 11К37".

В решении совещания записали:
"…5. В.П. Радовскому принять меры, исключающие аварии при испытаниях ТНА в составе 6УК, в месячный срок разработать график работ по компоновке, проектированию и выпуску рабочих чертежей ТНА двигателя 17Д18 для II ступени 11К37.
6. Главному конструктору МКС "Буран" И.Н. Садовскому в недельный срок направить в КБЭМ предварительное ТЗ с целью проработки возможности использования двигателя 17Д18 на первой ступени носителя.
7. В.П. Радовскому проработать возможность использования этого двигателя на I ступени изделия 11К77 и в двухмесячный срок выпустить техсправку".
Следует заметить, что это был первый шаг по пути замены четырехкамерного двигателя 11Д520 на четыре однокамерных 17Д18, и сделан он был в решении совещания в министерстве пока еще в форме "проработать возможность" с выпуском техсправки.

Подготовка предложения

В мае 1980 г. КБЭМ получило от ГКБ НПО "Энергия" утвержденное И.Н. Садовским предварительное ТЗ на разработку двигателя для первой ступени носителя 11К25 на базе двигателя 17Д18. В.П. Радовский переадресовал его своему первому заместителю В.Ф. Трофимову и М.Р. Гнесину для доклада.

М.Р. Гнесин направил техническое задание ведущим специалистам двигательного отдела И.А. Клепикову, Ф.Ю. Челькису, Н.А. Петушкову, В.М. Дмитриеву и Ю.Ю. Иванову с резолюцией: "Сделать справку до 15.06.80 г."

У исполнителей этой работы имелись два возможных варианта:
1. Формально рассмотреть возможность использования двигателей 17Д18 на первой ступени без поиска компромиссов и оптимального решения и этим ограничиться.
2. Найти такие конструктивные решения, которые позволили бы сделать новый однокамерный двигатель тягой 185 тс, что соответствовало бы смыслу и духу техзадания И.Н. Садовского и поручения министра от 1 апреля 1980 г.

Исполнители выбрали второй вариант. Ими была подготовлена техсправка № 728-2-80 под названием "Оценка возможностей разработки в КБЭМ кислородно-керосинового ЖРД с тягой у Земли 185 тс", в которой было отмечено:
"1. Ориентация на ТНА двигателя 17Д18 не позволяет создать модульный двигатель, пригодный для размещения четырех таких двигателей в хвостовых отсеках блока А 11К25 и I ступени 11К77.
2. Возможно создание другого модульного двигателя тягой 185 тс, компоновка которого позволяет разместить четыре таких модуля в блоке А 11К25 и I ступени 11К77, однако при этом возможны некоторые потери энергетики (1-3 ед. удельного импульса) из-за необходимости углового смещения осей модулей. В то же время, при условии проведения дополнительных компоновок совместно с ракетчиками, это может и не потребоваться.
3. Рассмотрены фактические загрузки производственной базы и стендов и показана возможность параллельного изготовления и испытаний двигателей 11Д520 (521) и модульных двигателей тягой 185 тс (МД-185), при этом предлагалось на первом этапе объем доводки обоих ЖРД ограничить 600-700 испытаниями, что достаточно для отработки на одноразовое использование носителей.
4. Если до 01.07.1981 г. штатная конструкция ТНА в составе 6УК не будет отработана до соответствия требованиям проведения стендового испытания двигателя 11Д520 в составе ступени ракеты (3 испытания суммарной продолжительностью 340 с.), то целесообразно начать разработку модульного двигателя тягой 185 тс, прекратив работы по двигателям 11Д520, 11Д521. До 01.07.1981 г. до принятия решения о дальнейших работах необходимо создать задел конструкторской документации на модульный двигатель.
5. Решение о целесообразности разработки модульного двигателя тягой 185 тс должно приниматься по результатам комплексной оценки потребностей отрасли в носителях 11К25, 11К77, 11К37, 11К55 и с учетом сроков их готовности".

Определенность в последнем вопросе предлагалось сформулировать в третьем квартале 1980 г. Техсправку № 728-2-80 подписали И.А. Клепиков, В.Б. Кубиков, В.М. Дмитриев и Ю.Ю. Иванов.

М.Р. Гнесин, Ф.Ю. Челькис и В.И. Семенов подготовили техсправку № 728-1-80 под названием "Оценка возможностей использования двигателя 17Д18 на первой ступени изделий 11К77 и 11К25 и анализ требований предварительного ТЗ ГКБ НПО "Энергия". Справку подписали М.Р. Гнесин и начальник конструкторского комплекса Ю.Н. Ткаченко. В этой справке было показано, что четыре однокамерных двигателя с ТНА двигателя 17Д18 невозможно разместить в габаритах хвостовых отсеков блока А носителя 11К25 и первой ступени 11К77, в связи с чем:
- была необходима разработка нового ТНА с неоптимальной разводкой газовых трактов и т.д.;
- возможность использования предлагаемого в альтернативной справке двигателя МД-185 на ракете 11К55 нуждалась в дополнительной проработке;
- отмечалось, что требование ТЗ по надежности отдельного модуля в связке двигателей МД-185 для ракеты 11К25 неприемлемо и невыполнимо.

Авторы справки выражали уверенность, что создание двигателя 11Д520 является вполне реальной задачей, на которой и должны быть сконцентрированы все усилия.

Авторы техсправки № 728-2-80 тоже видели, что компоновка ТНА двигателя 17Д18 не позволит разместить четыре таких модуля на ракете, однако, в отличие от своих оппонентов, они провели дополнительную проработку конструкции. И.А. Клепиков, В.Б. Кубиков, В.М. Дмитриев и Ю.Ю. Иванов показали, что разместить четыре модульных двигателя тягой 185 тс каждый вместо одного двигателя 11Д520 все же можно, и определили, что для этого надо сделать. Такой подход к решению задачи определялся в первую очередь необходимостью обеспечения заданных сроков разработки, а это, учитывая трудоемкость изготовления экспериментальных двигателей и неожиданные сложности обеспечения работоспособности ТНА четырехкамерного двигателя, было проблематичным. Однако брать на себя директивное решение "делать то, или делать это" они считали неправомерным и подошли к решению задачи чисто по-инженерному. Разработчики справки № 728-2-80 не сомневались, что двигатель 11Д520 можно создать, но не ранее 1984 г. Именно в сроках завершения отработки двигателя 11Д520 принципиально отличались позиции авторов указанных выше справок. Кстати, о допущенной ошибке при прогнозировании сроков создания двигателя 11Д520 говорилось и ранее М.Р. Гнесиным и другими (на совещании у министра 1 апреля 1980 г.), но только теперь была сделана попытка оценки реальных сроков завершения работ.

19 июня 1980 г. обе справки были доложены В.П. Радовскому, включая разногласия в подходах и выводах. В.П. Радовский одобрил и 23 июня 1980 г. подписал справку М.Р. Гнесина. Он дал команду отправить в НПО "Энергия" и министерство общего машиностроения только этот вариант.

Но последующие события показали, что о наличии двух технических справок стало известно в министерстве. Вскоре существо второй справки доложили и министру С.А. Афанасьеву.

(Продолжение в следующем номере).