Racheta R-7

R-1

R-2

R-5M

Majoritatea inginerilor germani au fost returnați în patria lor după proiectul R-1, iar Korolev și Glushko au început să proiecteze rachete și motoare îmbunătățite. R-2 a fost finalizat în 1949 și avea dublu față de R-1. În 1950, Korolev a primit propriul său birou experimental de construcții, OKB-1, unde viitorul program spațial sovietic va fi planificat în curând. Racheta sa R-5 a fost finalizată în 1953 și avea o autonomie de 1200 km, de aproximativ patru ori mai mare decât V-2 și de trei ori mai mare decât Redstone, contemporanul său american. Precizia R-5 a fost de 2 km, de zece ori mai mare decât cea a V-2.

Dezvoltarea motorului

Pentru R-2 și R-5, Glushko a proiectat motoare mai puternice, pe baza acestei paradigme a camerelor de ardere grupate. În 1947, Korolev a propus R-3 cu o autonomie de 3000 km, dar a cheltuit imposibil să extindă proiectarea motorului V-2 la forțe de 140 de tone.

În 1954, au început lucrările la racheta intercontinentală R-7. Pentru a satisface cerințele motorului, Glushko a abandonat conceptul de design V-2 și s-a orientat spre ideile din experimentele sovietice dinainte de război. În anii 1930 și începutul anilor 1940, mai multe probleme fundamentale de proiectare a motorului fuseseră rezolvate.

Una dintre aceste probleme este răcirea. Propusă pentru prima dată de Tsiolkovsky în secolul al XIX-lea, răcirea regenerativă folosește combustibilul care circulă în jurul motorului pentru a-l răci. O etapă importantă în această tehnologie a fost ORM-65 (al 65-lea motor experimental) al lui Glushko. Testat în 1936, a fost probabil primul motor rachetă care putea funcționa la nesfârșit fără a se topi.

O altă problemă studiată de Glushko a fost arderea eficientă. Începând din 1931, a experimentat cu injectoare rotative care pulveriza combustibil și oxidant într-o foaie conică care s-a rupt în picături mici. De asemenea, a construit injectoare de amestecare inelare care combinau cei doi propulsori chiar înainte de a-i pulveriza în cameră.

De asemenea, este o idee bună să intercalați multe injectoare mici de combustibil și oxidant pe o placă de la capătul îndepărtat al camerei de duza de evacuare. Acest lucru oferă timpul maxim de amestecare și arsură înainte de a ieși din camera de ardere din evacuare. La mijlocul anilor 1930, ORM-67 era tipic pentru motoarele care pur și simplu pulverizau combustibili în centrul camerei. După arestarea lui Glushko, Leonid Dushkin a continuat. În 1938, RDA-1-150 avea 4 injectoare rotative de combustibil și 4 oxidante grupate pe partea din spate a camerei, iar în 1941, motorul DA-1-1100 avea 63 de injectoare mici montate pe o placă conică.

Designerul creator de motoare, Alexei Isaev, a preluat conducerea lui Dushkin în 1941. RD-1-ul său avea 95 de pulverizatoare, dar a observat că placa injectorului său conic făcea să se formeze canale de gaz fierbinți care uneori ardeau prin partea laterală a camerei de ardere. Între anii 1944-1946 a dezvoltat RD-1M „modernizat”, cu o placă plană și un aranjament în tablă de tablă a injectoarelor de combustibil și oxidante.

Una dintre cele mai importante invenții ale lui Isaev a fost o schemă de răcire regenerativă extrem de eficientă, care ar permite arderea combustibilului cu energie ridicată la presiune ridicată. Problema este cum se construiește un perete al camerei de ardere suficient de greu pentru a conține forțele, dar suficient de subțire pentru a fi răcit rapid prin curgerea combustibilului. Soluția sa a fost exemplificată de U-1250, testat în aprilie 1945. Peretele interior era o foaie subțire de cupru, iar peretele exterior era din oțel. Între ele se afla o foaie de oțel ondulat care susținea peretele interior și permite curgerea combustibilului de răcire pe lângă acesta. Straturile au fost unite prin lipire cu lipit de argint.

În 1951, Glushko a apelat la acest design pentru motorul experimental de tracțiune de 7 tone, ED-140. Acest motor a putut arde oxigen lichid și kerosen la o presiune a camerei de 60 de atmosfere. Prin comparație, motorul V-2 a ars alcool diluat la 15 atmosfere.

Pentru R-7 propus, Glushko a mărit acest design pentru a produce 68 de tone de tracțiune, cu motorul RD-105. Dezvoltat în perioada 1952-1954, problemele legate de instabilitatea arderii l-au obligat să renunțe la ideea unui singur motor gigant.

În 1954, s-a început lucrul la un design mai conservator, cu patru camere de combustie mai mici care împart un sistem comun de pompă de combustibil. Camerele aveau un diametru de 43 cm cu o constricție a duzei de 16,85 cm. Gazele fierbinți ating viteza critică la constricție și apoi revin la viteza super-sonică în secțiunea duzei în expansiune. Testat pentru prima dată în 1955, forța totală a fost de 93 de tone, cu o viteză de evacuare de 3020 metri/sec. Viteza de evacuare este o măsură a eficienței unui motor de rachetă (numit și impuls specific), iar RD-107 a fost cel mai eficient motor din lume la acea vreme. Cântărind doar cu 25 la sută mai mult decât motorul V-2, acesta s-a dezvoltat de trei ori mai mult ca tracțiune.

Peretele exterior al motorului era din oțel, iar peretele interior era un aliaj de bronz crom durabil, gros de 6 mm cu canale adânci de 5 mm frezate în el pentru a conduce un flux de kerosen pentru răcirea regenerativă. Camera de ardere a funcționat la o presiune de 60 de atmosfere și o temperatură de 3250 ° C. Kerosenul a fost pompat într-un colector tubular în jurul fundului duzei, s-a scurs pe părțile laterale și în placa injectorului din partea superioară, până când a fost de obicei încălzit la 210 °. Placa injectorului conținea 337 de injectoare turbionare/de amestecare, cu un inel de injectoare numai pentru combustibil în jurul exteriorului pentru a oferi un efect de răcire a perdelei de combustibil.

Au fost construite două variante ale motorului, RD-107 cu două motoare vernier pentru direcție și RD-108 cu patru verniers. Verniers-ul de 3,8 tone au fost proiectate de Mikhail Malnikov, un fost asistent al lui Isaev, iar aceste motoare au fost ulterior dezvoltate în motoare mici de treaptă superioară pentru vehiculele lunare și echipate.

Cele patru camere de ardere au împărțit o turbopompă cu abur de 3.800 kilowati. Un arbore de transmisie comun rotit pompe pentru kerosen, oxigen lichid, peroxid de hidrogen (pentru generarea de abur), azot lichid (pentru presurizarea rezervorului) și pompe pentru motoarele vernier. O turbină cu abur alimentată cu peroxid a fost o dezvoltare germană pentru V-2, adaptată de pompele de apă utilizate în mod obișnuit în mașinile de pompieri.

Prima rachetă intercontinentală

În 1951, Dmitry Okhotsimsky de la Institutul de Matematică Aplicată Steklov, a efectuat o analiză riguroasă a modului de a maximiza raza de acțiune a unei rachete prin aruncarea unor părți din structura sa în timpul zborului. În general, ne gândim la rachete construite din etape secvențiale, dar el a luat în considerare și scheme mai generale, inclusiv rachete de pachete ale lui Tihonravov.

Okhotsimsky a descoperit că raza de acțiune a rachetei de hrănire poate fi mult crescută prin micșorarea scenei centrale. Cu toate acestea, pomparea combustibilului între etape în timpul zborului a fost o mare complicație inginerească. O schemă mai simplă era ca rachetele din pachet să folosească doar combustibilul pe care îl transportă, un pachet de transport. Trei rachete identice unite între ele nu vor zbura mai departe decât o singură rachetă, dar dacă două rachete transportă mai puțin combustibil și sunt aruncate atunci când se golesc, performanța se îmbunătățește semnificativ. Deoarece treptele de rapel cântăresc mai puțin, dar au motoare la fel de puternice, ele contribuie la o accelerație crescută în timpul fazei amplificate a zborului.

În februarie 1953, a început un studiu oficial cu privire la problema unei rachete intercontinentale. Motivația strategică a fost aceea că bazele NATO-bombardiere nucleare înconjurau URSS. Ca un factor de descurajare, URSS ar putea lovi Europa, dar nu continentul american. Pentru a atinge acest obiectiv, R-7 trebuia să transporte un focos termonuclear de 5 tone la o distanță de 8000 km.

S-a ales designul pachetului de transport al lui Okhotsimsky, cu un stadiu central de susținere în formă de țeapă, înconjurat de patru boostere în formă de glonț. Etapa de susținere lungă de 28 de metri, denumită Blocul A, a fost alimentată de un motor RD-108 cu patru motoare vernier capabile să pivoteze la 45 ° pentru a controla falca, pasul și rularea. Cele patru amplificatoare, Blocks B, V, G și D, aveau o lungime de 19,6 metri, fiecare fiind alimentat de un motor RD-107 cu două motoare vernier. Puterea combinată de ridicare a fost de aproape 400 de tone.

Un avantaj al designului pachetului a fost că toate cele cinci motoare puteau fi aprinse la nivelul mării, evitând complicația proiectării unui motor în a doua etapă care pornește la o altitudine mare în aproape vid. Boosterul arde 115 secunde, apoi o încărcare explozivă separă curelele și pivotează spre exterior și se desprind. Etapa de susținere arde în total 299 secunde, atingând o viteză finală de 5,8 km/sec.

Biroul lui Vladimir Barmin a proiectat un complex de lansare pentru R-7 în Tyuratam, Kazahstan, cunoscut astăzi sub numele de Cosmodromul Baikonur. O platformă masivă de lansare a betonului de fier a fost construită peste o groapă de flacără de 45 de metri adâncime. Racheta a atârnat deasupra unei deschideri, susținută de patru ferme retractabile atașate la punctele portante din partea de sus a fiecărui amplificator cu bandă.

La pornire, combustibilul a fost lăsat să curgă prin gravitație, iar motoarele au fost aprinse. Fluxul de combustibil a transformat palele turbinei, care au început să pompeze apă oxigenată în generatoarele de abur. Odată ce a fost produs abur, pompa turbo a alimentat până la 8300 rpm. Fermele de susținere au ținut racheta în jos până când a fost dezvoltată forța completă de decolare, la aproximativ 10 secunde după aprindere. În timpul zborului, un sistem special a sincronizat consumul de combustibil al celor patru boostere pentru a menține greutatea rachetei în echilibru.

Sistemele de telemetrie radio au măsurat peste 700 de senzori la bord. Sistemul Tral a funcționat prin modulație impuls-timp (PTM) care codifică parametrii analogici ca interval de timp dintre impulsurile radio. Un total de 6000 de măsurători pe secundă au fost trimise pe 48 de canale, dar canalele au fost adesea multiplexate pentru a trimite mai multe citiri ale senzorilor. Plăcuțele dreptunghiulare văzute în exteriorul etajelor de susținere și rapel acopereau antenele Tral, iar uneltele electronice erau ținute în recipiente sigilate în rezervoarele de combustibil.

Un alt sistem, numit RTS-5, a fost conceput pentru a trimite date care se schimbă rapid, cum ar fi vibrațiile motorului. A trimis 50.000 de măsurători pe secundă pe 8 canale folosind modulația pulsului (PDM). Pe rachetă, Tral-V a raportat date despre amplificatoarele laterale. Tral-Ts și RTS-5 au fost montate în amplificatorul central, Block-A, și și-au raportat starea în timpul zborului. Au fost construite stații de recepție de-a lungul traseului de zbor al R-7, de la Baikonur la Kamchatka, pentru a primi și a înregistra informații în caz de eșec.

Racheta conținea, de asemenea, sistemul de ghildance radio, care funcționa cu două stații RUP (puncte de control radio) la 250 km de fiecare parte a platformei de lansare. Viteza și cursul rachetei au fost măsurate prin trilaterare și s-au trimis comenzi pentru stabilizarea traiectoriei și a timpului exact al întreruperii motorului. Câțiva ani mai târziu, pentru rachetele lunare și planetare și racheta R-7A, un singur RUP a folosit interferometrie pentru a ghida vehiculele de lansare.

În plus față de telemetria rachetelor, pentru testele de zbor a fost folosit un focos telemetric. Acesta conținea Tral-G (G pentru golovnoi chasti, focos), RTS-5 și transpondere pentru un sistem radar numit Binocle și un sistem interferometric de măsurare a unghiului numit Irtysh. Senzorii au măsurat grosimea ecranului termic de azbest/rășină fenolică, presiunea externă la vârf, presiunea în diferite puncte laterale, temperatura și presiunea internă, accelerația și viteza unghiulară.

R-7 a fost inițial specificat să poarte un focos de 3 tone. Mai târziu, specificația a fost mărită la 5,5 tone, probabil pentru a transporta RDS-37, o bombă de 1,6 megaton dezvoltată în 1955. În timp ce America a lansat prima adevărată bombă H cu trei ani mai devreme, rușii s-au concentrat pe „bombele uscate” practic livrabile, folosind deuteridă de litiu-6 în loc de hidrogen lichid. Focosul real R-7 desfășurat la începutul anilor '60 conținea o bombă termonucleară de 5,5 tone, producând 2,9 megatoni.

După două încercări eșuate de lansare în mai și iulie și mai multe avorturi de lansare, primul zbor de succes R-7 a avut loc pe 21 august 1957, de la Baikonur la peninsula Kamchatka. Focosul a ars cu 10 km deasupra distanței țintă, iar Korolev a trebuit să facă alte ajustări la vehiculul de reîncadrare și la scutul său de cap. Un al doilea zbor de test de succes a fost realizat pe 7 septembrie. Următoarele două zboruri ale R-7, pe 4 octombrie și 3 noiembrie, au plasat pe orbită primii sateliți artificiali ai Pământului din lume.