Вопрос 38). История развития технологического оборудования ракетно-космических комплексов: период создания технологического оборудования для ракет космического назначения

Вопрос 36). История развития технологического оборудования ракетно-космических комплексов: период использования технологического оборудования для ракетного оружия оперативно-тактического назначения

Несмотря на сравнительную молодость ракетно-космической техники, ТО имеет свою историю, которую можно разделить на три качественно различных периода:

· период использования ТО для ракетного оружия оперативно-тактического назначения;

· период разработки ТО для баллистических ракет стратегического назначения;

· период создания ТО для РКН.

Содержание и развитие ТО определяется задачами, решаемыми ракетной техникой, уровнем науки, техники и технологии производства, а также развитием техники пуска ракет.

Любая ракетная система, как и большинство сложных систем, успешно работает при наличии соответствующей технической инфраструктуры. ТО, как инфраструктура ракетной системы, должна соответствовать специфическим особенностям последней. Такими особенностями являются:

· потенциальная взрывоопасность ракеты, особенно в период полной ее готовности к применению;

· появление высокотемпературной газовой струи с большим скоростным напором при пуске ракеты. Эта струя способна разрушить как саму ракету, так и оборудование, расположенное около нее;

· необходимость закрепления и пространственной ориентации ракеты перед пуском;

· желательность обеспечения направления в начале движения ракеты.

Для любых ракет эти особенности нашли свое отражение в ТО. Однако с расширением и усложнением задач, возложенных на ракету, у ТО появляются соответствующие свойства, реализованные в виде агрегатов и систем.

Начало первого периода эволюции можно отнести к I веку до нашей эры, когда появились ракетные укорители для стрел и копий (рис.1). С их применением сталкивались войска Александра Македонского во время похода на Индию в 327-326 гг. до н.э. Войска княгини Ольги также использовали это оружие (X век).

Рис.1. Применение ракетных ускорителей для стрел и копий

Пусковые станки (своеобразное ТО тех лет) представляли собой переносные корзины (коробки), имевшие глухое дно и съемные крышки сверху (рис.2). Внутреннее пространство делилось на отсеки, в которых располагались 17-20 стрел ракет, расположенных остриями к переднему торцу. На поверхности имелось запальное приспособление, которое с помощью порохового шнура сообщалось с зарядами ракет.

Рис.2. Пусковая установка (корзина) для создания массового залпа

Перед пуском ракет с корзины снимали крышку, пусковая установка вручную наводилась в нужное направление, и запал поджигали. Основной задачей такого рода оборудования являлось обеспечение массового залпа, при этом точность и дальность полета считались менее важными характеристиками.

В средние века в Индии, Китае, Аравии широко использовались ракеты, имевшие металлическую гильзу и длинный деревянный хвост (рис.3). Такие ракеты пускались с переносных козел, обеспечивающих задание первоначального направления движения и доступ к фитилю ракеты.

Рис.3. Пуск ракеты с переносных козел

В дальнейшем такие ракеты пускались из пусковых станков, оборудованных примитивными системами прицеливания (рис.4). Создавались такие станки для пуска 3-5 ракет. Ракеты оснащались специальными пороховыми зарядами, служившими основным источником поражения цели.

Пусковые станки таких ракет успешно использовались вплоть до начала ХХ века. Основными преимуществами такого оружия являлись малый вес и отсутствие отдачи при одинаковой с артиллерией боевой мощи. История хранит имена конструкторов-умельцев таких станков: Демидов (1782-1786 гг.), Конгрев (1803-1830 гг.), Хели (1846-1860 гг.), Гель (1842-1846 гг.), Засядько (1815-1834 гг.), Константинов (1850-1870 гг.), которые решали проблемы поиска оптимальных форм, размеров направляющих для пусковых станков, использования в качестве таких станков артиллерийских орудий (рис.5), определения зависимости между углом возвышения и дальностью полета, сокращения времени зарядки и перезарядки, снижения нагрева станка при отводе газов от ракеты, способов отвода этих газов, удобства удаления сажи со станка, создание механизмов вертикального и горизонтального наведения и др.

Рис.4. Пусковой станок, оснащенный системой прицеливания

Рис.5. Использование артиллерийских орудий как пусковых устройств

Повышение дальности и уменьшение рассеивания боевых ракет осуществлялось в основном выбором сечения и длины направляющей, увеличением устойчивости пускового станка, а также приданием ракете начальной скорости за счет энергии пускового устройства (активно-реактивный способ пуска Макирони, 1826 год), сообщением ракете устойчивой скорости вращения перед ее сходом с направляющих (способ гидростабилизации Макентоша, 1835 год), использованием автоматических устройств для осуществления пуска (подача огня зарядом ракет с помощью электричества – Шилдер, 30-е годы XIX века).

Количество оборудования пускового станка увеличивалось, что привело к появлению специальных транспортных средств – так называемых ракетных телег, сконструированных с учетом массы и габаритов ракет, оборудования и механизмов для их обслуживания.

В конце XIX века в связи с развитием нарезной артиллерии интерес к боевым ракетам значительно уменьшился. Однако на рубеже 20-30 годов XX века возобновились работы, связанные с техникой пуска боевых ракет, чему способствовали успехи в области создания ракет и поиска эффективных средств переноса крупного заряда на расстояние, превышающее дальность полета артиллерийских снарядов. Экспериментальные артиллерийские системы имели дальность стрельбы 100–120 км.

У специалистов, работающих в области ракетной техники, еще не сложились ясные представления о требованиях, которым должны удовлетворять пусковые установки вновь создаваемых ракетных снарядов, которые снабжались ЖРД, хвостовым оперением, и гиростабилизируемых в полете. Создание пусковых установок в этот период направлено на отработку многозарядных станков, способных обеспечить высокую плотность огня. Над созданием такого оборудования работали такие конструкторы, как Душкин, Тихонравов, Галковский, Артемьев, Гвая, Павленко, Попов. Начиная с 1941 года, ведущая роль в разработке новых и совершенствовании имеющихся пусковых установок принадлежала специализированному КБ при заводе "Компрессор", руководимому В.П. Барминым. При отработке и эксплуатации этих установок накоплен определенный опыт в области газодинамики пуска, устойчивости движения по направляющим, который использовался в дальнейшем.

Одновременно с исследованиями по использованию ракет в военном деле в это же время ведутся работы по теоретической и экспериментальной отработке ракетной техники для освоения стратосферы и космического пространства. Работы Циолковского, Годдарда, Оберта послужили толчком в развитии ракетного дела и космонавтики.

В Австрии руководимое доктором Францем Хедтом "Научное общество исследования больших высот" занимается разработкой целесообразных принципов конструирования камер сгорания и сопел ракет. В 1930 году инженеры Ридель и Рудольф приступили к изготовлению первой камеры сгорания для жидкого топлива.

В 1927 году в Бреслау (Германия) организовано частное общество астронавтов, в состав которого вошли Винклер, Небель, Энгель, Ридель, а также Вернер Фон Браун. Через десять лет этот коллектив создал реактивный двигатель, ставший основой для ракеты "Агрегат-4" (ФАУ-2).

Немецкие специалисты создали не только самую мощную по тем временам ракету, но и необходимое для ее подготовки и пуска ТО (рис.6). Они впервые решили множество сложных технических проблем, вызванных характерными особенностями ракет этого класса, используя достижения в двигателестроении ЖРД, криогенной технике, газогидродинамике сверхзуковых течений, системах автоматического управления, материаловедении и т.д. При этом были заложены принципиальные основы структурного состава ТО баллистических и космических ракет.

Рис.6. Подготовка к запуску ракеты ФАУ-2

Наличие на борту ракеты жидкого топлива потребовало создания заправочного оборудования. Значительные размеры ракеты стали причиной появления транспортного оборудования. Необходимость перевода ракеты из горизонтального в вертикальное положение обусловила создание установочного оборудования. Предстартовое обслуживание потребовало постройки высотных башен обслуживания.

Использование на ракете инерционной системы управления стало причиной введения в технологию подготовки операций азимутального наведения, которые реализованы с использованием механизмов пускового стола и приборов прицеливания. Заправка ракеты криогенными и высококипящими компонентами, сжатыми газами, контроль состояния бортовой системы управления, подача команды на пуск привели к появлению системы управления подготовки и пуска, а также к созданию устройств связи типа "земля – борт". Для успешной работы ТО этой ракеты создали технические системы электроснабжения, освещения, термостатирования, пожаротушения и фортификационной защиты.

Подготовка ракеты к боевому применению выполнялась специальным подъемно-перегрузочным и монтажно-стыковочным оборудованием. В состав ТО для ФАУ-2 вошло 32 агрегата. Для ее обслуживания требовался персонал из 28 человек. Установка ракеты на пусковой стол, заправка, проверка и пуск занимали около 90 минут. Надежность пусков достигала 75%.

Вопрос 37). История развития технологического оборудования ракетно-космических комплексов: период разработки технологического оборудования для баллистических ракет стратегического назначения

Начало второго периода развития ТО связано с модернизацией систем и агрегатов для ракет, построенных по аналогии с ФАУ-2, как в нашей стране, так и в США.

Возрастание роли ТО в ракетных комплексах потребовало организации специальной отрасли промышленности, в которую вошли:

· ЦНИИМАШ, определяющий общую техническую политику,

· головные конструкторские бюро, разрабатывающие стартовые комплексы (КБ общего машиностроения; КБ транспортного машиностроения – в настоящее время объединены в НИИ стартовых комплексов),

· конструкторские бюро, разрабатывающие проекты по видам оборудования (КБСМ – строительные сооружения, КБПТО – подъемно - транспортное оборудование и агрегаты обслуживания, КБТХМ, НПО "Криогенмаш" – заправочное оборудование, ЦКБТМ – транспортно-установочное оборудование),

· конструкторские бюро при заводах-изготовителях и собственно промышленные предприятия.

Параллельно этому в структуре Министерства обороны созданы центральные НИИ, определяющие задачи в военно-технической области, а также научно-исследовательские полигоны, обеспечивающие отработку новых образцов военной техники: ГЦП "Капустин Яр" в 1946 году, НИИП-5 "Байконур" в 1953 году, НИИП-53 "Плесецк" в 1958 году.

Для связи обеих структур вводится институт военных представителей (ВП) в КБ и на предприятиях. Создание ракет и комплексов ТО к ним в первое время после войны проводилось по пути эволюции имеющихся структур оборудования, повышения их эффективности, снижения стоимости и улучшения технических показателей. В России были созданы и отработаны комплексы на базе ракет 8А14, 8Ж38, 8К51, 8К63, 8К65, 8К64, 8К74, а в США отрабатывались системы с ракетами "Капрал", "Онест-Джон", "Литл-Джон", "Конвер", "Редстоун", "Лакрос", "Блэк Найт", "Сержант", "Першинг", "Блю Стрик", "Атлас A, B, C, D, E", "Тор" и "Юпитер".

Комплекс боевой ракеты 8К74 (рис.7) стал основой для первой ракеты космического назначения – 8К78 (рис.8), которая отличалась от своего прототипа наличием третьей ступени.

Основным отличием второго этапа развития ТО для ракет является то обстоятельство, что после освоения пусков мощных баллистических ракет появились новые задачи для комплексов их ТО – обеспечить живучесть от обычного и ядерного оружия, а также обеспечить техническую готовность к пуску на уровне 1-2 минут.

Живучесть для комплекса ТО и ракеты можно было обеспечить, придав ему подвижность (мобильность) и защищенность. Для повышения готовности необходимо было обеспечить дежурство БРК после выполнения подавляющего большинства подготовительных операций.

Первая попытка решения этих сложных комплексных задач привела к созданию автоматизированного незащищенного стационарного комплекса высокой степени боевой готовности для ракет 8К82, 8К75 (рис.9), способного проводить пуск из режима хранения в пристартовом хранилище (по аналогии с немецким проектом защищенного комплекса, строительство которого было начато в 1945 году).

Рис.7. Стартовый комплекс ракеты 8К74

Создание такого комплекса стало возможным благодаря введению в структуру ТО автоматизированной системы контроля и управления подготовительными операциями. Создание подвижных комплексов подразумевало разработку мощных транспортных средств с высокой проходимостью, способных перевозить ракету, запас КРТ и все ТО. Такие комплексы удалось создать лишь в 80-х годах ХХ века.

Рис.8. Стартовый комплекс РКН 8К78

Задача защищенности БРК решалась путем заглубления ракет в приземные шахты (рис.10). Для этого пришлось создавать следующие элементы: мощное строительное сооружение – ствол шахты, защитное устройство (крышу шахты), а также решать проблемы газоотвода в стесненных условиях без повреждения ракеты.

При этом появились новые проблемы – установка ракеты в шахту, ее амортизация от сейсмической и воздушной ударных волн, размещение дежурной смены и обеспечение цикла жизнедеятельности для нее, проведение ремонтных и регламентных работ, обеспечение температурно-влажностного режима.

Рис.9. Стартовый комплекс для РН 8К75

В это же время – в 80-е годы ХХ века – разрабатываются высококалорийные высококипящие КРТ (АТ, АК, НДМГ), создаются мощные РДТТ. Техника пуска из шахт претерпевает эволюцию от подъема на земную поверхность готовой к пуску ракеты до минометного пуска с запуском ДУ на высоте 30-40 м от устья шахты.

В состав ТО БРК входят защитные устройства с мощными приводами, рассчитанными на большие завалы. Ракета находится в шахте в транспортно-пусковом контейнере, оборудованном обтюрированными кольцами, направляющими и системой амортизации.

Рис.10. Ракетные стартовые комплексы, заглубленные в шахты

В составе комплекса появился укрепленный командный пункт, снабженный системами боевого управления, жизнеобеспечения дежурной смены, лифтами, системами вентиляции и нейтрализации.

С появлением мощных двухступенчатых БРН появилась необходимость их поблочной транспортировки (по ступеням) с последующей проверкой, сборкой и укладкой на установщики. Поэтому в составе БРК появились два комплекса – стартовый и технический со своей номенклатурой ТО. Использование в качестве боезаряда ядерного и термоядерного фугаса также породило новые системы и агрегаты ТО. В этот период создаются отечественные комплексы для таких БРН, как 8К63У, 8К65У, 8К67, 15А14, 15А15, 15А18, 15А20, 15А45, 15А96, 15А30, 15А35, а в США для ракет Атлас, Титан 2 и 3, Минитмен 1, 2 и 3, МХ.

Вопрос 38). История развития технологического оборудования ракетно-космических комплексов: период создания технологического оборудования для ракет космического назначения

Начало третьего – космического – этапа развития ТО связано с появлением технических средств, необходимых для проведения подготовительных операций и проверочных работ с КА на ТК и СК.

КА проходит на РКК этапы транспортировки, перегрузки, хранения, автономных проверок, монтажа, комплексных проверок КА как баллистического объекта, а также комплексных проверок специального бортового оборудования и обеспечивающих систем (энергоснабжения, термостатирования и т.д.). Для целого ряда КА необходимо было проводить заправку КРТ его ДУ еще до стыковки с РН. Поэтому на территории РКК появились ЗНС с комплексом специфического заправочного оборудования, транспортных и подъемно-перегрузочных агрегатов. Для КА с ядерными энергоустановками создана специальная позиция в ТК, где размещалось оборудование для проверки ядерных энергоустановок.

В состав ТО КА входят системы термостатирования объекта (КА), системы телеметрического контроля и электрических проверок борта, снабжения специальными токами.

Особое место в ТО РКК занимает оборудование для пилотируемых КА, куда входит множество агрегатов и систем, включая камеры чистоты для экипажей, устройства для их доставки на борт КА, а также системы спасения при аварийных ситуациях на старте.

Первые космические старты строились на базе комплекса для ракеты 8К74 (см. рис.7), ставшей базой для целой серии РКН – 8К78М, 8А92М, 11А57, 11А511У (рис.11).

Рис.11. Семейства ракет-носителей на базе РКН 8К74

Успешным оказался переход от боевой ракеты 8К82 на космическую систему 8К82К (рис.12), способную вывести на околоземную орбиту до 20 т полезной нагрузки.

Рис.12. Стартовый комплекс космической системы 8К82К "Протон-К"

Создание комплексов для выведения малой полезной нагрузки (0,5–3 т) проводилось на базе боевых ракет и их ТК и СК. Первая попытка пусков для ракет 8К63С, 8К65С, находящихся в шахтах, проводилась с использованием ТО этих комплексов с максимальным использованием созданной инфраструктуры имеющихся комплексов. На первые ступени этих ракет, находящихся в шахте, устанавливались верхние ступени (рис.13), накатывались невысокие башни обслуживания, проводились необходимые подготовительные операции.

Рис.13. Ракетно-космический комплекс шахтного типа на базе боевых ракет

Однако пуски РКН по этой схеме оказались нерациональными. Шахты не способны были обеспечить большое количество пусков, подготовка очередного пуска занимала много времени, длительными оказались послепусковые работы. Поэтому, максимально используя ТО боевых комплексов, вернулись к наземным стартовым комплексам. Так были созданы космические комплексы (рис.14) для ракет 11К63М, 11К65М (рис.15).

Рис.14. Стартовый комплекс "Космос" для РКН 11К65М

Эволюционное развитие РКК привело к задаче освоения дальнего космоса и выведения на околоземную орбиту больших по массе полезных нагрузок. Для этого создавалась мощная РКН сверхтяжелого класса Н-1 (11А52), стартовая масса которой достигала 3000 т при высоте 100 м и максимальном диаметре порядка 17 м (рис.16).

РКН 11А52 явилась первой ракетой, создаваемой специально для освоения космоса. В нашей стране она должна была обеспечить паритет с американской ракетой "Сатурн-5", созданной под руководством Вернера Фон Брауна для высадки астронавтов на Луну.

Рис.15. Семейство ракет-носителей "Космос"

Количественные характеристики этих ракет привели к качественному изменению в составе РКК. Возникли проблемы их транспортировки не только между ТК и СК, но и с завода-изготовителя. Сложными оказались задачи установки и обслуживания такого объекта. Принципиально по-новому стали выполняться технологические системы вертикализации, азимутального наведения, ветрового крепления и ряд других. Создание одного РКК для такой ракеты по стоимости превышало строительство нескольких городов с миллионным населением.

Имеющиеся к началу 70-х годов ХХ века РКК оказалась чрезвычайно уязвимыми не только в военное, но и в угрожаемое время. Обеспечение сколько-нибудь заметного повышения их защищенности представляется задачей до сих пор практически не решенной. Поэтому в нашей стране развитие военно-технических характеристик РКК было решено проводить по пути увеличения их скорострельности, позволяющей восполнить орбитальную группировку в угрожаемый период.

Рис.16. Стартовый комплекс для РКН сверхтяжелого класса Н-1

Эта задача успешно решена при создании высокоавтоматизированных, так называемых "безлюдных", стартовых комплексов для ракет 11К69, 11К68 (рис.17-18) и 11К77 (рис.19).

Рис.17. Семейство ракет-носителей "Циклон"

Для отстрела нескольких РКН с интервалом в 2,5 ч в состав ТО РКК введено несколько транспортно-установочных агрегатов, дежурящих в пристартовом хранилище с полностью собранными и проверенными РКН. Для передвижения таких установщиков используются электроаккумуляторные тягачи.

Соединение агрегатов ТО на СК с наземным комплексом и между собой осуществляется через автостыки, представляющие по существу роботы-манипуляторы. К совокупности ТО предъявляются требования по точности изготовления, неизменной от пуску к пуску прочности и стабильности свойств материалов, базовых размеров агрегатов.

Рис.18. Стартовый комплекс "Циклон-3"

Из процесса подготовки РКН на СК удалось исключить операцию вертикализации путем введения прогрессивных конструктивных решений в агрегатах ТО. Оказалось возможным исключить послепусковые ремонтно-восстановительные работы. Полный цикл подготовки на СК ракет составляет 90 мин.

Рис.19. Стартовый комплекс "Зенит" для РКН 11К77

На современном уровне развития техники успешным оказалось решение задач по использованию БРН, дежуривших в шахтных пусковых установках, для запуска малых КА. Такое сочетание стало возможным только после создания специальных аппаратов, способных находиться в состоянии дежурства достаточно долгое время. Подавляющее большинство стоящих сейчас на вооружении КА имеют гарантию к применению не более одного месяца.

Одним из путей повышения эффективности РКК является снижение стоимости запуска единицы полезной массы на орбиту. Коалиция Европейских стран решила эту задачу, создав достаточно дешевый носитель "Ариан", а США и наша страна выбрали направление по созданию возвращаемых многоразовых космических средств выведения.

Рис.20. Стартовый комплекс для РКН "Энергия – Буран"

Использование многоразовых орбитальных средств "Спейс Шаттл" и "Буран" позволяет решить также и задачу доставки с орбиты неисправных КА. Однако эксплуатация таких систем потребовала создания еще одного комплекса технологического оборудования – посадочного, со своей номенклатурой оборудования. Спасение разгонных блоков для таких РКН также подразумевает наличие транспортных, подъемно-перегрузочных агрегатов, систем нейтрализации и других видов технологического оборудования. Значительная масса КРТ для этих ракет по тротиловому эквиваленту приближается к мощности слабого ядерного заряда. Поэтому АСУ их подготовки многократно дублирована, а в состав РКК входят стенды динамических испытаний (вибростенд для собранной РКН), стенды огневых испытаний ДУ и систем безопасности.

Создание РКК для РКН "Энергия – Буран" (рис.20) потребовало выделения на его разработку и создание около 1% валового национального дохода в течение почти 10 лет, при этом большая часть денег была направлена на ТО. Для его создания было задействовано 1400 предприятий страны, которые спроектировали, изготовили и смонтировали 562 агрегата и 257 систем ТО.

Уровень подготовки специалистов, занимающихся проектированием, эксплуатацией и отработкой систем и агрегатов ТО, должен соответствовать степени его сложности, а инженеры должны работать самостоятельно и повышать свою квалификацию.