Первый заказ на создание заправочного комплекса для ракеты был получен летом 1954 года
Каждый школьник знает, что космическое путешествие начинается на Земле и проходит либо на орбите, либо на поверхности других планет. А залогом успеха являются современный космодром и совершенная роботизированная техника для изучения небесных тел. Любопытно, что в числе первопроходцев в создании первоклассной космической техники оказались конструкторские бюро, предприятия и научно-исследовательские институты, входившие в систему танковой промышленности, а в настоящее время состоящие в научно-производственной корпорации УВЗ. Это Уралвагонзавод – головное предприятие НПК, ОАО «Уралкриомаш» (Нижний Тагил), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения» (Санкт-Петербург) и ОАО «Уральский научно-исследовательский технологический институт» (Екатеринбург).
Танковый завод и техника низких температур
Производство баллистических ракет с весны 1946 года потребовало создания средств перевозки жидкого кислорода – окислителя ракетного топлива. Разработка криогенных цистерн первоначально была поручена Мариупольскому заводу имени Ильича. Используя как образец немецкую цистерну, применявшуюся для заправки ракет ФАУ-2, мариупольцы выпустили в 1949 году небольшую партию цистерн 21Н. Вместе с трофейной техникой они обеспечили запуск ракет Р-1 и Р-2. Мариупольские конструкторы успели подготовить усовершенствованный проект цистерны 21Н1, но затем по требованию Министерства судостроительной промышленности, в ведении которого состоял завод имени Ильича, добились передачи темы другим ведомствам. Так в январе 1953 года заказ перешел к Уралвагонзаводу.
Привлечение «непрофильного» предприятия кажется, на первый взгляд, чехардой, чиновничьей причудой. Но технология изготовления цистерн 21Н1, разработанная на заводе имени Ильича, была чрезмерно трудоемкой, требовала больших производственных площадей и не слишком подходила для серийного выпуска. На УВЗ отсутствие опыта в создании техники низких температур компенсировалось высокой квалификацией рабочих, инженеров и ученых отраслевых институтов.
В феврале 1953 года в заводских лабораториях начались круглосуточные экспериментальные работы. Опытным путем отрабатывалась технология сварки внутреннего сосуда криогенной цистерны из листов алюминиевого сплава АМц. В это же время группа заводских конструкторов на основе цистерны 21Н1 создала новый образец – 8Г52, отличавшийся простотой, надежностью, технологичностью. Серийный выпуск новинки начался с октября 1953 года и обеспечил доставку жидкого кислорода на ракетные полигоны. Успешное изготовление цистерн 8Г52 (до 150 штук в год) подтвердило высокий потенциал завода. А строительство нового корпуса 200, площадью 16 000 квадратных метров, предназначенного для сборки криогенных изделий, значительно расширило возможности нового производства.
Заправочный комплекс для легендарной «семерки»
В середине следующего, 1954 года Уралвагонзавод, уже обремененный госзаказом по серийному выпуску танков, грузовых вагонов, криогенных цистерн, оказался единственным кандидатом на создание заправочного комплекса для новой ракеты Р-7. Техническое задание было утверждено 27 августа 1954 года главным конструктором ракетно-космических систем Сергеем Королевым и главным конструктором наземного стартового оборудования Владимиром Барминым. Новый научно-технический проект потребовал основательной расчетно-теоретической и опытно-конструкторской проработки и мощной производственной базы. Поэтому 1 октября на УВЗ было учреждено особое конструкторское бюро по криогенной технике и наземному стартовому оборудованию – ОКБ-250 во главе с Мефодием Веремьевым.
К весне 1957-го был подготовлен целый комплект транспортных заправочных средств. Железнодорожный заправщик 8Г117 с мощными криогенными насосами за 23–31 минуту решал задачу заправки «семерки» 159 тоннами жидкого кислорода с темпом 5000–6000 литров в минуту. Баки Р-7 для снижения общей массы не имели теплоизоляции, и после заправки до момента взлета ракеты требовалась постоянная подпитка для компенсации потерь от испарения жидкого кислорода. Эту «обязанность» на себя брал дозаправщик 8Г118. А специзделие 8Г128 обеспечивало Р-7 жидким азотом, применявшимся для наддува баков ракеты. Агрегаты были выполнены в подвижном варианте, что позволяло быстро их эвакуировать с остатками криогенных жидкостей.
После исторического пуска 4 октября 1957 года ракеты Р-7 с искусственным спутником группа специалистов различных предприятий и НИИ была удостоена звания лауреатов Ленинской премии. В их числе был и главный конструктор ОКБ-250 Мефодий Веремьев.
Эпоха пилотируемой космонавтики
Подвижные заправочные средства производства УВЗ обеспечили успешный запуск ракеты-носителя «Восток-1» и последующих стартов кораблей серий «Восток» и «Восход». Началась эпоха пилотируемой космонавтики.
Специалисты ОКБ-250 тем временем вплотную приступили к покорению вакуума. Первые отечественные цистерны с порошково-вакуумной изоляцией (8Г512 и 8Г513) были разработаны в 1960 году и обеспечили доставку на космодромы криогенных жидкостей практически без потерь от испарения. Впервые в истории отечественной промышленности была обеспечена вакуумная герметичность сосудов больших объемов. Они стали базовой конструкцией для нового поколения современных криогенных цистерн.
Начавшаяся в 60-х годах разработка ракетно-космической системы «Союз» – основы космических программ пилотируемых полетов СССР – потребовала реконструкции средств хранения и заправки жидкого кислорода и азота на космодроме Байконур. Первая стационарная система 11Г722 была создана ОКБ-250 в 1964–1966 годах. Она состояла из хранилищ жидких кислорода и азота, размещенных в защищенном от действия газовой струи при пуске ракеты помещении, насосного отделения, коммуникаций заправки и контрольно-измерительных приборов. В отличие от прежних подвижных заправочных средств стационарная система не требовала сложной подготовки коммуникаций перед каждой заправкой и эвакуации заправочных средств перед пуском ракеты, а также обеспечивала длительное и надежное хранение жидких газов. В модернизированном виде 11Г722 применяется и в настоящее время.
В 1965 году тагильские криогенщики стали участниками программы создания ракеты-носителя нового типа с высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками – «Протон». Новинка обладала большей грузоподъемностью, чем «Союз», за счет установки четвертой ступени – разгонного блока Д. Основным компонентом топлива для него являлись керосин и переохлажденный жидкий кислород, обладавший большей плотностью, чем обычный. При создании системы переохлаждения криогенной жидкости и заправки разгонного блока необходимо было решить ряд технических проблем, главная из которых – поддержание заданной температуры (до -195 градусов С) во время нахождения на старте, когда бак, не имеющий теплоизоляции, нагревался. Переохлаждение жидкого кислорода перед подачей в разгонный блок достигалось путем прокачки его через теплообменник, находящийся в жидком азоте. Вначале захолаживалась магистраль заправки блока Д, затем – заправка баков, в которых поддерживалась необходимая температура вплоть до старта ракеты-носителя. В целом криогенная система 11Г725 включала в себя агрегаты хранения, переохлаждения жидкого кислорода и заправки им разгонного блока Д ракеты «Протон». Она была сдана в эксплуатацию в 1966–1967 годах, а способ переохлаждения и заправки ракетного топлива стал использоваться при создании других ракетных комплексов.
Лунная программа
В 1964 году в СССР приступили к осуществлению программы облета Луны и высадки на нее космонавта. Н1-ЛЗ стала своего рода политическим противовесом аналогичного американского проекта. Для ее реализации предполагалось использовать многоцелевую ракету тяжелого класса Н1 с новым эффективным водородно-кислородным топливом. Система энергопитания (СЭП) лунного орбитального комплекса (ЛОК) основывалась на использовании водородно-кислородного электрохимического генератора.
С 1966 года ОКБ-250 и криогенное производство УВЗ работали над созданием средств доставки, хранения и заправки жидким кислородом и водородом особой чистоты баков СЭП лунного орбитального комплекса ЛЗ. В 1968–1969 годах на Байконуре впервые было успешно испытано оборудование для хранения и заправки жидкого водорода – самого эффективного, но чрезвычайно взрывоопасного ракетного топлива. Но его транспортировка на космодром требовала создания новой цистерны, за разработку которой также взялся коллектив ОКБ-250. Эта задача по сложности намного превосходила предыдущие: температура водорода лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля, что требовало суперизоляции с более глубоким вакуумом. Все это воплотилось в железнодорожной цистерне ЖВЦ-100 с экранно-порошково-вакуумной изоляцией. Серийный ее выпуск начался в 1969 году, модернизированные варианты – ЖВЦ-100М и ЖВЦ-100М2 использовались в других космических проектах.
Первый космический вездеход
После успешной высадки американцев на Луну в 1969 году и четырех неудачных запусков ракетно-космической системы Н1-ЛЗ советский проект был закрыт. Но о его провале говорить не приходится: с конца 50-х до 1976 года планомерно и успешно воплощались в жизнь проекты исследования спутника Земли беспилотными аппаратами. Особое место среди НИИ и КБ, разрабатывавших устройства для изучения планет, занимает ВНИИТрансмаш, освоивший новое направление – космическое транспортное машиностроение. А началось все в 1963 году, когда главный конструктор ОКБ-1 Сергей Королев обратился к руководству головного НИИ танковой промышленности – ВНИИ-100 (с 1966 года – ВНИИТрансмаш) с предложением разработать луноход. Новое задание досталось начальнику отдела новых принципов движения Александру Кемурджиану. Сложность условий эксплуатации, неизвестные параметры рельефа и грунта Луны требовали новых нестандартных технических решений. И никто лучше специалистов ВНИИ-100 с их нацеленностью на постоянный поиск новых способов и средств передвижения бронетехники не мог справиться с поставленной задачей.
В результате появилось уникальное самоходное автоматическое шасси «Лунохода-1» – основное средство исследования лунной поверхности. Оно использовалось для изучения рельефа, построения топографической карты местности, определения механических свойств грунта и его температуры. 17 ноября 1970 года спускаемый аппарат станции «Луна-17» доставил вездеход на поверхность спутника Земли. Выполнение научной программы происходило с помощью дистанционного управления. Работа «Лунохода-1» в Море Дождей подтвердила его высокую надежность: он преодолел расстояние 10,5 километра за 10,5 месяца при гарантии от создателей три месяца. Это был триумф советской космонавтики, признанный всеми западными средствами массовой информации.
При создании шасси лунохода ВНИИТрансмаш широко привлекал смежные организации танковой промышленности. В 1967–1968 годах Свердловский научно-исследовательский технологический институт (СНИТИ) изготовил десять комплектов двадцати наименований деталей «Лунохода-1», в том числе корпус прибора для определения физико-механических свойств лунного грунта, свободно катящееся колесо № 9, корпус привода для опускания на лунную поверхность и подъема в исходное положение прибора и девятого колеса. Совместным проектом ВНИИТрансмаша, ОКБ-250 и Уралвагонзавода стало создание комплекса оборудования «Шар» для охлаждения жидким азотом помещения испытательного бокса лунохода с целью имитации близких к лунным условий.
С 16 января по 4 июля 1973 года на спутнике Земли работал «Луноход-2» с усовершенствованным по результатам эксплуатации предшественника шасси. Он проделал в 3,5 раза больший путь.
От лунохода к марсоходу
В конце 60-х – в 80-е годы ВНИИТрансмаш продолжал разрабатывать дистанционно управляемые аппараты для исследования поверхностей Луны, Венеры, Марса и его спутника – Фобоса. Для каждого изделия был найден оригинальный облик систем движения. Первый микромарсоход 1971 года отличался минимальными габаритами и лыжно-шагающим движителем. Самоходный аппарат ПРОП-Ф 1988 года передвигался прыгающим способом, наиболее эффективным при пониженной силе тяжести на поверхности Фобоса. Одна из разработок института – шасси марсохода – была удостоена серебряной медали на 44-м Всемирном салоне изобретений, научных исследований и промышленных инноваций («Брюссель-Эврика-1995»).
Активное участие в программах исследования планет Солнечной системы автоматическими станциями выявило потребности в развитии нового и перспективного направления – изучения грунтов планет. Специалисты ВНИИТрансмаша в 60–90-е годы создали работающие в автоматическом режиме приборы для изучения физико-механических свойств поверхностного слоя Марса, Венеры, Фобоса. В 1986-м начались работы по самоходным пенетрометрам – устройствам для передвижения в грунте. На уже упоминавшемся 44-м салоне «Брюссель-Эврика-1995» за данный прибор институту была присуждена золотая медаль.
«Энергия» – «Буран»
Многоразовая ракетно-космическая система «Энергия» – «Буран», стартовавшая 15 ноября 1988 года, стала итогом развития советской космонавтики. В этом уникальном научно-техническом проекте участвовали более полутора тысяч предприятий и организаций СССР, в том числе ОКБ-250 (с 1980 года – Уральское конструкторское бюро машиностроения) и Уралвагонзавод. В 1976-м начались разработки оборудования азотообеспечения универсального комплекса «стенд-старт» и стартового комплекса ракеты-носителя, систем хранения и заправки жидким водородом и кислородом корабля «Буран», приема неизрасходованной их части после посадки, стендовых систем переохлаждения жидкого кислорода.
Для создания систем хранения и заправки баков системы энергопитания (СЭП) орбитального корабля «Буран» жидким водородом и кислородом высокой чистоты использовался опыт лунного орбитального комплекса ЛЗ. Главное отличие нового проекта – баки СЭП заполнялись из стационарных систем длительного хранения на стартовой позиции, вместо подвижных автозаправщиков. Это требовало особо надежных хранилищ водорода и кислорода высокой чистоты. Для удаления различных примесей создаются не только специальные фильтры, но и новые технологии обеспечения высокого качества криогенных жидкостей. Проблема транспортировки огромного количества жидкого водорода была решена путем совершенствования изоляции железнодорожной цистерны ЖВЦ-100М и постановки ее в производство в 1985 году.
В 1983-м к программе подключились специалисты ВНИИТрансмаша: началась разработка управляющей автоматики системы крепления и развертывания бортового манипулятора корабля «Буран». Она предназначалась для механического и электрического сопряжения бортовых манипуляторов с несущей конструкцией «Бурана» и управляющими системами корабля, а также для разворота манипуляторов в рабочее и транспортное положения. В 1993 году система была установлена на борту второго образца «Бурана».
Международные космические программы
Уникальный конструкторский и технологический опыт, накопленный НИИ, КБ и предприятиями танковой промышленности, не смогла уничтожить даже эпоха «экономических реформ». Он вновь оказался востребован, в том числе в международных космических программах.
«Морской старт» – совместный проект США, России, Норвегии, Украины открыл новую страницу в ракетно-космической технике. Космические запуски в районе экватора требуют меньших энергетических затрат, потому что разгону ракеты помогает вращение Земли. 28 марта 1999 года при запуске с морской платформы ракеты «Зенит-3SL» с космическим аппаратом «Демостат» успешно сработали изготовленные тагильским ОАО «Уралкриомаш» (преемником ОКБ-250 и УКБМ) средства хранения и заправки ракеты-носителя топливом и жидким азотом.
В 90-е годы ВНИИТрансмаш начал сотрудничество по международным космическим проектам (IARES-L, LAMA), где отвечал за разработку и изготовление шасси демонстраторов, предназначенных для отбора различных систем управления планетоходов. По заказу Института химии Макса Планка (Германия) ВНИИТрансмаш создал несколько вариантов микророботов. Они могли перемещаться по сложной поверхности, преодолевая препятствия, а также ориентировать основное оборудование и аппаратуру.
Новой областью для ВНИИТрансмаша стало создание высокоточной трехосной стабилизированной платформы «Аргус» для международной программы «Марс-96». Она обеспечивала стабилизацию оптических осей научной аппаратуры на объект исследования на поверхности планеты и проведение высокоточных стереосъемок.
В 2000-е годы «космическая» тематика танковой промышленности востребована, как и раньше. ОАО «Уралкриомаш» поддерживает в рабочем состоянии эксплуатируемое криогенное оборудование космодрома Байконур, активно участвует в создании стартовых комплексов для ракет-носителей «Союз-2» и «Ангара» на космодроме Восточный. На предприятии начата работа по восстановлению производства водородных цистерн, необходимых для реализации отечественных космических программ.
Обсуждаемые сегодня проекты освоения планет Солнечной системы никак не обойдутся без наработок и опыта ВНИИТрансмаша.