Почему ракеты на Байконуре «висят» в яме, а на мысе Канаверал стоят на столе?

Если поставить рядом две фотографии — старт «Союза» с Байконура и запуск Falcon 9 с мыса Канаверал, — разница бросается в глаза мгновенно. Американская ракета стоит на ровной бетонной площадке, опираясь хвостовой частью на опоры стартового стола. Российская ракета словно парит в воздухе: её корпус удерживают четыре массивных рычага, а под соплами зияет провал уходящей вниз бетонной воронки. Ракета буквально висит над бездной, и кажется, что инженеры намеренно усложнили всё, что только можно усложнить.

Проблема консервной банки

Если поставить рядом две фотографии — старт «Союза» с Байконура и запуск Falcon 9 с мыса Канаверал, — разница бросается в глаза мгновенно. Американская ракета стоит на ровной бетонной площадке, опираясь на собственные двигатели, как карандаш на ладони. Российская ракета словно парит в воздухе: её корпус удерживают четыре массивных рычага, а под соплами зияет провал уходящей вниз бетонной воронки. Ракета буквально висит над бездной, и кажется, что инженеры намеренно усложнили всё, что только можно усложнить.

В основе всей истории лежит одно инженерное противоречие, которое до сих пор изучают на курсах прочности конструкций. Ракета Р-7, первый успешный полёт которой состоялся в августе 1957 года, проектировалась с маниакальной одержимостью массой. Каждый лишний килограмм конструкции означал килограмм, отнятый у массы научной аппаратуры, спутников или топлива для разгонных блоков. Королев и его команда пошли по пути предельного облегчения: баки для горючего и окислителя изготавливались из алюминиево-магниевого сплава, а толщина стенки в большинстве секций составляла порядка полутора-двух миллиметров.

Такая конструкция работает по принципу, знакомому любому, кто хоть раз держал в руках пустую и полную жестяную банку. Пока внутри бака есть давление — а в полёте оно создаётся наддувом газов над поверхностью топлива, — тонкая оболочка сохраняет форму и несёт нагрузку. Но стоит давление убрать, и стенка теряет жёсткость. А теперь представьте, что происходит на стартовом столе, за несколько часов до пуска. В баки заливают около двухсот пятидесяти тонн керосина и жидкого кислорода. Если ракета при этом опирается на нижний срез, то вся масса топлива давит на днище и на тонкие стенки нижних секций. Алюминиевая оболочка толщиной в полтора миллиметра оказывается у границы устойчивости.

Архитектура «пакета» и точки подвеса

Королев нашёл выход не в утолщении стенок — это убило бы всю весовую экономию, ради которой и затевался проект, — а в перераспределении нагрузки. Р-7 была построена по так называемой пакетной схеме: центральный блок окружали четыре боковых ускорителя, каждый из которых представлял собой полноценную жидкостную ракету с собственным двигателем. Боковые блоки крепились к центральному в верхней и нижней частях через мощные силовые узлы — конические опоры и шаровые шарниры, рассчитанные на передачу тяги в полёте.

Конструкторы использовали эти же узлы для старта. Стартовое сооружение обхватывает боковые ускорители в верхней трети, в местах их крепления к центральному блоку. Ракета буквально подвешивается за эти четыре точки, и вес всей заправленной конструкции — а это порядка двухсот восьмидесяти тонн полностью заправленной Р-7 — передаётся через силовые пояса боковых блоков на стартовую ферму. Тонкостенные баки центрального блока при этом не несут сжимающей нагрузки снизу. Центральный блок «висит» на боковых ускорителях, а боковые ускорители, в свою очередь, удерживаются рычагами стартового стола. Нагрузка проходит через усиленные элементы конструкции, через те самые узлы крепления, которые и без того рассчитаны на огромные усилия.

Эта схема элегантна ещё и тем, что она не требует никаких доработок самой ракеты. Точки подвеса совпадают с точками, которые уже заложены в конструкцию для передачи тяги в полёте. Не нужно усиливать днище, не нужно ставить дополнительные силовые кольца внизу.

Тюльпан и его сорокапятиметровая глубина

Стартовое сооружение на площадке номер один космодрома Байконур — той самой, с которой в 1961 году стартовал Юрий Гагарин, — получило у инженеров и журналистов прозвище «тюльпан». Четыре опорных рычага, удерживающих ракету, в момент старта раскрываются в стороны и вниз, напоминая распускающиеся лепестки. Но «тюльпан» — это не только рычаги. Это ещё и гигантская железобетонная воронка, уходящая вниз на глубину порядка сорока пяти метров.

При запуске пяти двигателей первой ступени — центрального и четырёх боковых блоков — суммарная тяга превышает четыре тысячи килоньютонов. Реактивная струя, состоящая из раскалённых до трёх тысяч градусов газов, вырывается из сопел со скоростью порядка трёх тысяч метров в секунду. Если бы под соплами находилась плоская бетонная плита, струя ударилась бы в неё, развернулась на девяносто градусов и ударила обратно в конструкцию ракеты и стартового стола. Отражённый поток способен за доли секунды разрушить теплозащиту, повредить трубопроводы и вывести из строя электронику.

Яма решает эту проблему кардинально. Газовая струя уходит вниз, в коническое пространство воронки, где у неё есть объём для расширения. В нижней части ямы расположены газоотводные каналы, которые направляют поток горизонтально, в стороны от стартового сооружения. Глубина подобрана так, чтобы струя не достигала дна воронки до того, как начнёт расходиться в стороны. Бетонные стенки покрыты жаростойкой футеровкой и охлаждаются водой, но даже при этих мерах после каждого пуска поверхность воронки несёт следы термической эрозии. Сорок пять метров -это не запас и не перестраховка. Это минимальная глубина, при которой газовый поток успевает расшириться и потерять разрушительную концентрацию до того, как коснётся конструкции.

В американской схеме на мысе Канаверал и в Космическом центре Кеннеди тоже есть газоотводные тракты, но устроены они иначе. Ракета стоит на платформе, а под ней, в уровне грунта, проходит горизонтальный траншейный канал. Газы уходят не вертикально вниз в яму, а через проёмы в платформе отводятся вбок, в траншею, где направляются вдоль неё прочь от пускового стола. Такая схема работает, потому что американские ракеты способны стоять на собственных двигателях, и платформа под ними остаётся свободной для пропускания газов.

Глядя на Saturn V, которая в заправленном состоянии весила без малого три тысячи тонн, невольно задаёшься вопросом: как она не сминалась под собственным весом? Ответ в том, что конструкторы корпорации «Норт Америкэн» пошли по другому пути. Стенки баков Saturn V были значительно толще относительно диаметра, а сама ракета была построена по последовательной схеме: ступени ставились друг на друга, и каждая нижняя ступень несла вес всех верхних. Ключевое отличие состояло в том, что диаметр баков Saturn V превышал десять метров, а толщина стенок составляла несколько миллиметров, при этом соотношение толщины к диаметру позволяло оболочке выдерживать сжимающую нагрузку от веса топлива без потери устойчивости.