ТДУ-I А.М. ИСАЕВА - ПЕРВАЯ В МИРЕ КОСМИЧЕСКАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

(к 50-летию первого полёта человека в космос)

КБхиммаш им. А.М. Исаева:
Владимир Андреевич Петрик, генеральный директор
Валерий Юрьевич Пиунов, заместитель генерального конструктора - начальник КБ
Валерий Викторович Калинин, заместитель начальника отдела

 

ОКБ-2, конструкторское бюро химического машиностроения им. А.М. Исаева (КБХМ) более полувека прокладывают путь новым идеям, конструкциям и технологиям жидкостных реактивных двигателей, обеспечивая высокий авторитет и приоритетные достижения отечественной ракетной и космической техники.

Даже неполный перечень ЖРД, созданных в ОКБ-2, КБхиммаш имени А.М. Исаева, в силу того, что часть изделий засекречена до сего времени из более чем 130 ЖРД, ЖРДМТ и ДУ более 100 находились в эксплуатации и более 40 эксплуатируются в настоящее время, свидетельствует о напряженности и продуктивности труда исаевского коллектива.

Даже краткий анализ и описание только важнейших технических решений, являющихся творческими находками и приоритетами главного конструктора А.М. Исаева и его сподвижников, заняли бы не один увесистый том. И каждое из них достойно специального исследования. Вот только некоторые приоритетные и важнейшие научно-технические достижения А.М. Исаева и его школы:

- создание плоских головок камер сгорания с шахматным расположением однокомпонентных форсунок, позволивших получить высокую полноту сгорания топлива;

- конструкция камеры со связанными оболочками, решившая проблемы прочности и устойчивости оболочек камеры сгорания и сопла;

- применение завесного охлаждения огневой стенки камеры сгорания с помощью специального периферийного ряда форсунок;

- применение антипульсационных перегородок ("креста") для устранения высокочастотных колебаний;

- разработка принципов и реализация конструкции цельно-сварного, неразборного ЖРД;

- создание ЖРД с запуском под водой;

- разработка идеи заводской заправки баков ракеты топливом (ампулизация);

- разработка идей, принципов, конструкции и технологии ЖРД "утопленных" в компонентах топлива;

- первый отечественный кислородно-водородный двигатель;

- разработка химического аккумулятора давления для вытеснения топлива из ракетных баков;

- внедрение в конструкцию камер сгорания двухкомпонентных центробежных форсунок;

- разработка и создание многократно включающихся жидкостных ракетных двигателей для космических аппаратов, космических кораблей и станций, работающих в условиях длительного пребывания в космическом пространстве;

- разработка и создание небольших (тяга до 600 кгс) камер сгорания с абляционным охлаждением;

- разработка и внедрение метода огневых контрольно-технологических испытаний ЖРД без переборки;

- разработка и внедрение останова ЖРД по израсходованию одного из компонентов топлива;

- разработка и использование в составе ДУ космических аппаратов ЖРДМТ с камерами из тугоплавких металлов.

В настоящее время продолжаются работы по созданию двигателя XXI века. Впервые в мире проведены два испытания полномасштабного криогенного двигателя, работающего на экологически чистых и дешевых компонентах - сжиженном природном газе и кислороде.

...Но вернемся в 1959 г., когда в нашей стране начались разработки динамически активных космических аппаратов. Коллектив А.М. Исаева оказался наиболее подготовленным к разработке двигателей и двигательных установок для этих аппаратов, что послужило одним из направлений в деятельности КБХМ.
Первенцем этих разработок стала тормозная двигательная установка ТДУ-I, обеспечившая возвращение на Землю первого космонавта Ю.А. Гагарина и всех космонавтов на космических кораблях "Восток" и "Восход".

По мнению Б.Е. Чертока "создание кораблей-спутников оказалось не только технически, но и организационно новой и сложной задачей". Именно поэтому, начиная эру пилотируемого космоса, С.П. Королёв обязан был, не разрушая старого Совета из шестёрки Главных, привлечь к работе с правом решающего голоса, по крайней мере, ещё 15 человек. Среди них был, в первую очередь, М.В. Келдыш, а также главные конструкторы новых систем, руководители командно-измерительного комплекса, баллистических центров, Института авиационной медицины, командование Военно-Воздушных Сил.

При обсуждении в ОКБ-I проблемы возвращения человека из космоса разгорелась дискуссия по поводу выбора ТДУ. С.П. Королёв предложил срочно заказать твердотопливный двигатель и по этому поводу консультировался с Ю.А. Победоносцевым. Противниками применения твердотопливной ТДУ были В.П. Мишин, К.Д. Бушуев и В.М. Мельников. Они были уверены, что управлять величиной импульса ЖРД гораздо надёжнее, чем РДТТ. При использовании твердотопливной ТДУ возможно отклонение места приземления относительно расчётного до 400…500 км. ЖРД могли обеспечить точность приземления на порядок выше.

В конце концов, С.П. Королёва убедили. Он поручил В.П. Мишину и В.М. Мельникову срочно встретиться с А.М. Исаевым и уговорить его разработать специальный ЖРД для ТДУ. Но А.М. Исаев наотрез отказался. Несмотря на это С.П. Королёв не отступил и попросил Б.Е. Чертока во что бы то ни стало привезти его к нему на встречу. После беседы, которая проходила между ними сорок пять минут (а не пять, как предполагал А.М. Исаев), Исаев сказал о Королёве: "Ну, артист! Великий артист!" Результат этой исторической встречи известен - КБ Исаева единственный разработчик тормозных двигательных установок, которые до сих пор возвращают всех космонавтов на Землю. Кроме того, это ведущее предприятие по двигателям для космических аппаратов.

Но в те далекие годы, вернувшись после встречи с С.П. Королёвым, А.М. Исаев собрал у себя совещание и предложил обсудить перспективность данной работы. "Дело страшно интересное: предстоит спускать человека с орбиты на Землю! Я думаю, что нам за эту задачу надо браться. Тем более что Сергей Павлович считает: все условия для этого у нас есть. Я тоже так считаю, ведь главное условие - это вы и ваш опыт!" Большинство "корифеев" склоняло Алексея Михайловича не браться за ДУ в целом, а рекомендовало отдать Сергею Павловичу уже отработанный маленький авиационный двигатель, уже имевший на порядок больший, чем требовалось, ресурс. И на основе этого двигателя пусть ОКБ-I само делает двигательную установку. Вспомнили и гибель 27 марта 1943 г. капитана Г.Я. Бахчиванджи.

За предложение взять на себя целиком создание ДУ однозначно высказался заместитель А.М. Исаева, занимавшийся в то время разработкой самолётного ускорителя, В.Н. Богомолов: "Если уж делать, то делать всю установку от начала до конца и отвечать за неё полностью. Мы эту работу можем сделать быстрее и надёжнее других. Об этом С.П. тоже догадывается. Поэтому задание надо брать. Другого выхода у нас нет!"

Вскоре С.П. Королёв пригласил А.М. Исаева (ориентировочно январь 1959 г.) на первое обсуждение проекта технического задания на тормозную двигательную установку (ТДУ-I), которое оказалось и последним. А.М. Исаев взял с собой на совещание молодёжь: Владимира Варенникова, Фридриха Цетлина, Вадима Шутина. От ОКБ-I присутствовал М.К. Тихонравов, Б.А. Адамович и проектанты. Разгорелся технический спор о сухом весе ТДУ. Стороны не сходились примерно в 20 кг веса. С.П. разрядил обстановку и задал А.М. Исаеву вопрос: "А сколько Вы весите, Алексей Михайлович?" - "Сто пять килограммов" - был ответ. "Давайте и запишем в ТЗ (техническом задании): полный сухой вес ТДУ-I равен весу Алексея Михайловича - сто пять килограммов".

Обсуждая вопрос надежности, Сергей Павлович высказал мысль, что пилотируемый спутник должен быть абсолютно надёжным: значит ТДУ должна быть такой же. Ф. Цетлин возразил, что абсолютно надёжную ТДУ создать нельзя, не только мы, но и никто не сможет. Сергей Павлович, глядя на А.М. Исаева, твёрдым голосом произнёс: "ТДУ должна быть абсолютно надёжной. И не говорите мне, что этого сделать невозможно! Я знаю вашу "фирму" как самую надёжную. Такой должна быть и тормозная двигательная установка для "Востока". Ведь она не может быть дублирована. Повторяю: ТДУ обязана быть абсолютно надёжной!"

Ведущий конструктор "Востока" О.Г. Ивановский ознакомил с общей компоновкой корабля-спутника и показал будущее "местожительство" ТДУ в приборно-агрегатном отсеке. Королёв пожелал всем успеха и напомнил, что ТДУ-I должна быть готова к полёту в 1 квартале 1960 г.

Буквально на следующий день после совещания началась работа по компоновке ТДУ-1 и "втискиванию" её в отведённый цилиндрический стакан приборного отсека. Для этой цели была организована объединённая "боевая группа", в которую вошли начальники группы В. Варенников и Ф. Цетлин, старшие инженеры И.А. Бова и Ф.П. Чирков, а несколько позже - вновь назначенный ведущий конструктор Н.Г. Скоробогатов. От ОКБ Королёва - начальник группы Б.А. Адамович. Были и строгие арбитры при выборе окончательной компоновки - К.Д. Бушуев (с 1954 г. зам. главного конструктора КБ, позднее чл.-корр. АН СССР) и будущий космонавт К.П. Феоктистов.

Компоновка получилась совершенно необычной и исключительно плотной. Необходимая конструкторская документация была разработана и сдана в производство за два месяца. Все трудились, не считаясь со временем, не за страх, а за совесть, не желая подвести как свой коллектив, так и самого С.П., к которому наши сотрудники относились с исключительным уважением. Пообещать Сергею Павловичу сделать ТДУ-1 к сроку и не сдержать слова - это было исключено!

В конкретном проектировании и отработке узлов, агрегатов и всего изделия самое активное участие приняла молодёжь - недавние выпускника МВТУ, МАИ, Ленинградского механического и др. институтов, у которых был прочный фундамент инженерных знаний, позволивший успешно специализироваться под руководством "корифеев" на новом, необычном поприще. Вот некоторые участники этой работы.

При проектировании камеры и газогенератора вместе с Л.А. Пчеленым, Д.Н. Майоровым, Г.С. Ануфриевой и М.П. Олейниковой успешно трудились Л.В. Васильев и А.М. Нешин.

Вместе с А.В. Флёровым и Ю.В. Степенным турбонасосный агрегат (ТНА) создавали В.М. Шутин и А.Ф. Корастылев.

Агрегаты регулирования под руководством Н.И. Новикова разрабатывали Ю.И. Васютин и А.А. Колотов.
Клапаны и другую арматуру под руководством В.С. Климова делали И.Д. Лапшинков, Ю.А. Курбашкин, Ю.П. Иванов и В.С. Веселин.

Е.И. Юркин под непосредственным руководством главного конструктора разработал стартер ТНА и изобрёл "сверхнадежный" пиропатрон. Р.З. Бунатян - плёночные компенсаторы для баков.

Разработкой ПГС, компоновкой, запуском, стабилизацией и остановом двигателя и ДУ в условиях космического пространства занимались: А.М. Исаев, его заместитель В.Н. Богомолов, нач. отд. А.А. Толстов, В. Варенников, Ф. Цетлин, Н.Г. Скоробогатов, И.А. Бова, Б.А. Адамович (ОКБ-1). Проектирование узлов и агрегатов двигательной установки, двигателя, блока баков, пневмоблока, рулевых сопел и др. вели В.С. Романов, Н.Г. Салахов, В.Т. Никифоров, Ю.Н. Брунов и др.

Большая помощь была оказана со стороны С.П. Королёва. Его конструкторы спроектировали новые рулевые приводы и кабельную сеть, "подарили" идею конструкции газовых дросселей, рассчитали баки и подучили, как свести до минимума в них остатки по недозабору компонентов в конце работы изделия.

Разработка ТДУ-1 на всех стадиях, на всех её этапах, начиная с формирования проблем и технических требований и кончая анализом работы в полёте проходила при тесном сотрудничестве двух коллективов - Исаева и Королёва, что стало основой успеха при создании такого сложного изделия. Ведущий конструктор Н.Г. Скоробогатов, вспоминая работу тех дней, писал: "Не только голова пухла, но и не спалось от раздумий. Лучшим лекарством оказался молодой, задорный коллектив, изобретательный и не унывавший, да оптимизм и широкая спина А.М. Исаева, четкое и стремительное руководство его заместителя В.Н. Богомолова".

В апреле 1959 г. из производства начало поступать на испытания первое "железо" (узлы и агрегаты, не прошедшие отработки и не подтвердившие заданных ТЗ параметров, но годные для проведения отдельных этапов испытаний). Отработка системы наддува блока баков и нового ТНА была закончена в конце 1959 г. В это же время были проведены статические испытания блока баков. Теоретики ОКБ-1 промахнулись в сторону запаса прочности в 1,5 раза, но в отведенный вес баки укладывались.

Плёночные компенсаторы в связи с долгим поиском материалов, стойких в компонентах топлива, начали испытывать в июне 1959 г. и закончили в январе 1960 г. В январе 1960 г. закончили отработку рулевых сопел и дросселей. Испытания двигателя вёл молодой, энергичный ведущий инженер-испытатель В.С. Завьялов, а также ведущий инженер А.Д. Тавзарашвили и начальник стенда А.С. Шандов, начальник отдела С.С. Алиманов. 26 сентября 1959 г. в 21 час успешно прошло первое испытание ТДУ-1. Все параметры в норме. Ликование. Победа, есть победа!

Последующие три пуска также прошли успешно. Пятая ТДУ-1, последняя, которую предстояло испытать, имела все штатные агрегаты с новыми приводами ОКБ-1, “выбитыми” С.П. Королёвым из своих сотрудников. Сухой вес, фактический составил 102 кг. ОКБ-2 гордилось, что оправдало королёвское инженерное видение. Одновременно в производстве заканчивалось изготовление семи ТДУ-1 для проведения зачётных, арбитражных испытаний и начиналась сборка ТДУ-1 для первого космического полёта.

Но не всё шло гладко. 29 октября 1959 г. состоялось последнее пятое стендовое испытание. Как всегда, когда очень торопишься, а впереди был октябрьский праздник, жди неудачу. И она не заставила себя ждать. С.С. Алиманов объявил присутствующим с юмором: "Дамы и господа! Прошу быстренько покинуть залу! Кина не будет!"

Анализ нештатной работы показал, что не сработал трудно шедший в отработке клапан горючего, из-за чего топливо не поступило в камеру сгорания. А.М. Исаев распорядился убрать из конструкции злополучный клапан, заменить его безотказно работавшим клапаном окислителя, хотя тот имел несколько большие габариты и вес.

Далее последовал ряд организационных мероприятий, направленных на возвращение работы коллектива в нормальное русло. В производстве по ТДУ-1 были запрещены все ночные и воскресные работы. Ответственность за качество изготовления и сборку узлов и агрегатов кроме ОТК была возложена на ведущих разработчиков, и без их подписи ни одна деталь, узел или агрегат на сборку зачетных и летных изделий не допускались. С ноября 1959 г. начались зачетные наземные испытания.

Все 7 испытаний под руководством И.Д. Лапшенкова и Ф.П. Чиркова прошли без замечаний. Выводы комиссии от 25 апреля 1960 г.: "Все агрегаты ТДУ-1 работоспособны в требуемых по заданию условиях; ТДУ-1 пригодна для проведения лётных испытаний на экспериментальном объекте 1КП» (так Сергей Павлович назвал свой первый простейший космический корабль (КК)).

Первый пуск "изделия 1К" состоялся 15 мая 1960 г. Спускаемый аппарат первого корабля 1К не имел теплозащиты и поэтому назывался "1-КП". 1-КП был выведен на орбиту с расстоянием от Земли в перигее 312 км и апогее 369 км. По данным телеметрии, на борту всё, включая системы ТДУ-1, было в норме. Размеры и масса корабля были фантастическими. Длина 5,04 м, диаметр спускаемого аппарата 2,3 м, диаметр приборного отсека 2,5 м. Масса 4540 кг.

19 мая 1960 г. в 2 ч 52 мин. по московскому времени по команде с Земли ТДУ-1 была включена и отработала положенное время. Все параметры работы, по данным телеметрической информации, были в норме, но схода КК с орбиты не произошло. Корабль не был ориентирован из-за неполадок в системе ориентации. Перигей стал 307 км, а апогей 690 км. Но это стало первым маневрированием космического корабля в космосе. Впоследствии ТДУ-1 в космосе включалась 75 раз (для отработки конструкции потребовалось всего 12 ТДУ).

Двигатель однокамерный, с насосной системой подачи, однорежимный, однократного включения, приспособлен к пуску в вакууме и невесомости. Создавал импульс для схода с орбиты спутника на траекторию движения к Земле. Требуемое значение тяги поддерживалось регулятором тяги. Требуемое соотношение обеспечивалось дроссельными (настроечными) шайбами. Около 20 оригинальных технических решений были воплощены в ТДУ-1, из них 9 изобретений.

Впервые на ДУ с ТНА:
- был осуществлён запуск в вакууме;
- был осуществлён запуск в невесомости;
- введен компенсатор, разделивший газовую и жидкостную полость;
- создан ТНА на 40 тыс. оборотов в минуту, в насосах которого применены шнеки;
- создан безразъемный, сварной ТНА, масса которого вместо 16 кг составляла всего 7 кг;
- тягу "сняли" не с головки камеры, а с критического сечения и среза камеры сгорания;
- внедрена "плавающая" головка;
- осуществлено управление газами после турбины;
- осуществлен цикл наддува перед запуском;
- мембрану клапана срезали ножом.

28 июля 1960 г. был осуществлен запуск 1К № 1 с собаками Лисичкой и Чайкой. Однако на 23-й секунде полёта произошел отказ первой ступени ракеты-носителя.

19 августа 1960 г. был осуществлен старт 1К № 2. После 17 оборотов вокруг Земли в катапультируемом кресле собаки Белка и Стрелка благополучно приземлились в 10 км от расчётного места. Это было первое успешное возвращение из космического полёта живых существ.

1 декабря 1960 г. на орбиту был выведен корабль 1К № 5. Корабль был взорван 2 декабря в соответствии с логикой, предусматривавшей его уничтожение в случае возможной посадки на чужую территорию. На орбите погибли собаки Пчёлка и Мушка.

22 декабря 1960 г. после старта 1К № 6 произошла авария на участке работы третьей ступени носителя. Спускаемый аппарат отделился от приборного отсека и стал спускаться по баллистической траектории. Далее произошел еще один отказ: не сработала катапульта, как это было при приземлении Белки и Стрелки. Собаки Шутка и Комета нештатно приземлились в спускаемом аппарате, что и спасло им жизнь, т.к. в это время в Якутии очень холодно.

Итог: из пяти кораблей-спутников, запущенных в 1960 г. для отработки систем, взлетели четыре. Из четырёх на орбиту вышли три, а приземлились два. Из двух вернувшихся только один приземлился нормально!

До пуска человека совершенно необходимо было иметь ещё два-три успешных беспилотных полета.

В феврале 1961 г. четыре корабля 3КА прибыли на полигон.

9 марта 1961 г. осуществлен пуск корабля-спутника 3КА № 1 с манекеном и собакой Чернушкой. Совершив один виток, корабль приземлился в положенном районе, в 260 км от Куйбышева. 25 марта 1961 г. состоялся пуск 3КА № 2 с манекеном "Иван Ивановичем" и собакой Звёздочкой. Пуск и приземление прошли успешно.

29 марта 1961 г. на заседании ВПК под председательством Д.Ф. Устинова было заслушано предложение С.П. Королёва о запуске человека на борту космического корабля "Восток".

5 апреля 1961 г. космонавты, врачи, кинооператоры и репортёры прибыли на полигон. 8 апреля состоялось первое заседание Госкомиссии, а 10 апреля было проведено "парадное" заседание Госкомиссии.

12 апреля 1961 г. в 10 ч 55 мин. состоялся первый полёт человека. Через 1 ч 48 мин. после старта Ю.А. Гагарин приземлился у деревни Смеловка Терновского района, Саратовской области.

С.П. Королёв на торжественном приёме по случаю первого в истории человечества полета человека в космос сказал о коллективе А.М. Исаева: "Так надёжно "тормозить" технический прогресс может только фирма А.М. Исаева".

За 14 месяцев с момента получения технического задания была создана и испытана в полёте, надёжно работающая в условиях вакуума, открытого космоса и невесомости уникальная двигательная установка, не имевшая аналогов в мировой практике. Задание С.П. Королёва сделать максимально надёжный тормоз для "Востока" коллективом ОКБ А.М. Исаева было успешно выполнено.

Опыт создания первой тормозной двигательной установки позволил ОКБ-2 перейти к разработке новых корректирующих двигательных установок (КДУ) и корректирующих тормозных двигательных установок (КТДУ), позволивших не только тормозить, но и маневрировать, корректировать орбиты, проводить сложные динамические эволюции космических аппаратов в космосе.

Представителями КТДУ в последующем стала КТДУ-35 (С5.35). К современному поколению относится КТДУ-80 (С5.80), которая успешно используется на пилотируемых космических кораблях "Союз-ТМА" и грузовых кораблях "Прогресс-М".

Литература

1. Н. Леонтьев. "Авиапанорама", 1998 г., № 2.
2. В. Варенников. "Вопросы истории", 1988 г., № 2.
3. Ф. Цетлин. "Авиация и космонавтика", 1993 г., № 9-10.
4. Б. Черток. "Ракеты и люди", т. 2.
5. О. Чечин. "Студенческий меридиан", 1986 г., № 4.