Die schönste Rakete

Der Jahrestag des Starts des ersten Satelliten wird im Oktober sein, aber heute, am 15. Mai, vor 60 Jahren, startete die Rakete zum ersten Mal in den Himmel und startete sie in die Umlaufbahn. Die berühmte „Sieben“, die eine Reihe von Siegen der Sowjetunion im Weltraum sicherte und die ganze Welt begeisterte, feiert heute ihr 60-jähriges Bestehen am „Arbeitsplatz“ - Raketen an ihrer Basis fliegen jetzt und werden noch mindestens zehn Jahre fliegen. Man kann lange darüber streiten, welches Trägerraketen das beste ist, aber meiner Meinung nach gehört der Titel der bemerkenswertesten Rakete definitiv zur R-7-Familie. Die Sieben wurde ohne Übertreibung von brillanten Menschen entworfen. Und im Design der Rakete finden Sie immer noch die Ergebnisse ihrer witzigen, talentierten und manchmal paradoxen Entscheidungen.


Einer der ersten Starts der R-7, Foto aus dem TsENKI-Archiv

Sowjetische Schönheit

Moderne Trägerraketen sind bis zur Langeweile pragmatisch. Zylindrische Stufen enden bestenfalls mit einem Vorsprung einer Nadkaliberny-Verkleidung, und manchmal verletzt eine hervorstehende Rohrleitung eine stumpfe, ebene Oberfläche. Vor diesem Hintergrund sieht die „Sieben“ mit konischen Seitenblöcken und der zweiten Stufe komplexer Form wie eine echte Schönheit aus.


Schritte der Sojus-Trägerrakete, Foto aus der Broschüre von TsSKB Progress /cosmopark.ru

Das Foto zeigt deutlich, dass der zentrale Block (zweite Stufe) im oberen Teil breiter ist als im unteren. Wenn Sie genau hinschauen, fällt außerdem auf, dass der obere Teil des zentralen Blocks konisch ist und der Schritt zuerst erweitert und dann verengt wird.


Wostok-Rakete bei VDNKh, Foto von Sergei Arssenev / Wikimedia Commons

Wenn Sie darüber nachdenken, werfen die Seitenblöcke auch Fragen auf. Abgesehen von der Tatsache, dass sie konisch sind und daher weniger Treibstoff aufnehmen als zylindrische Raketen gleicher Höhe, verwenden viele moderne Raketen überhaupt keine Seitenblöcke. Warum erschienen sie auf der "Sieben"?

R-7, die nach dem Index der Hauptraketen- und Artillerie-Direktion 8K71 eine Interkontinentalrakete sein sollte und eine Wasserstoffbombe mit einem Gewicht von 5,4 Tonnen in einer Entfernung von 8240 Kilometern trägt. Sowjetische Designer wussten bereits, wie man einstufige Raketen 1200 km (R-5) fliegen lässt, aber einfache Berechnungen zeigten, dass eine Stufe für eine solche Reichweite und Tragfähigkeit nicht ausreichen würde. Eine theoretische Lösung - mehrstufige Raketen - wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Tsiolkovsky vorgeschlagen, aber ihre praktische Umsetzung stellte die Ingenieure sofort vor eine Vielzahl von Problemen. Die naheliegendste Möglichkeit, die zweite Stufe über die erste zu stellen, bestand darin, dass der Motor der zweiten Stufe in großer Höhe unter Bedingungen von nahezu Vakuum und Schwerelosigkeit eingeschaltet werden musste. Noch wusste niemand, wie sich ein startender Raketentriebwerk dort verhalten würde. Daher wurde beschlossen, die ersten Schritte in einem Paket um den zweiten herum zu installieren. In diesem Fall wurden alle fünf Triebwerke unter der elektrischen Kontrolle bodengestützter Systeme auf der Erde gestartet, und nur wenn alles in Ordnung war, kam die Rakete von der Startrampe.

Die Entscheidung, die Rakete als „Paket“ zu bauen, warf viele neue Probleme auf, da die Designer anstelle einer Rakete tatsächlich fünf hatten. Ingenieure, die an eine Rakete gewöhnt waren, die frei auf der Startrampe stand, entwarfen zunächst vier separate Tische für die Seitenblöcke und wollten die Rakete in aufrechter Position zum Start transportieren. Und die Seitenblöcke selbst wollten ursprünglich mit 20,92 m hohen Zylindern hergestellt werden. Aber die Idee sah in den Zeichnungen bereits schlecht aus. Das Förderband sah sperrig, komplex und teuer aus, vier separate Tische belasteten die Zentraleinheit unannehmbar, und außerdem drohte ein kleiner Wind, die Rakete umzustürzen. Und eine Kampfrakete konnte es kaum erwarten, dass das Wetter gut wurde. Palliative Lösungen wie der Bau einer Mauer am Anfang sahen hässlich aus und lösten das Problem nicht gut. Es war notwendig, sich etwas grundlegend Neues auszudenken.

Im Flug wurde die Kraft von den Seitenblöcken auf den Kraftrahmen des Mittelblocks in seinem oberen Teil übertragen. Und es entstand eine sehr elegante Idee, ein Element zu verwenden, das bereits auf der Rakete in der Startrampe vorhanden ist. Die Rakete war in der Mitte aufgehängt, so dass sie auf der Startrampe Lasten erlebte, die fast mit denen des Fluges übereinstimmten.


Montageeinheit des Seitenblocks mit einer Tasche unter der Halterung der Startstruktur, Foto KIK UdSSR


Halterung der Startrampe, Foto KIK UdSSR


Rakete in der Startrampe, Foto KIK UdSSR

Außerdem wurden die Seitenblöcke konisch gemacht und ihre Länge um 1,3 m verringert. Eine solche Lösung verringerte zum einen die Anforderungen für die Geschwindigkeit des Entfernens von Kraftträgern und zum anderen verlagerte sie im Flug das Druckzentrum zurück, was den Betrieb des Steuerungssystems erleichterte.

Das Aufhängen der Rakete „unter den Seiten“ löste auch das Problem der Windlast - es wurde möglich, das Heck unter die Startstruktur abzusenken, es vor dem Wind zu verstecken und die „chinesische Mauer“ um den Start herum loszuwerden.


Starten Sie das Einrichtungsdiagramm aus dem KBOM-Archiv

Der ineffiziente Förderer wurde auch beseitigt, indem die vertikale Montage und der Transport durch eine horizontale ersetzt wurden. Die Installationseinheit ist leicht und elegant geworden.


Installation der Sojus-Trägerrakete in einer Trägerrakete, Foto von Ramil Sitdikov / RIA Novosti

Gezähmte Schwerkraft

„Der zuverlässigste Mechanismus ist ein Mechanismus, der fehlt“ - diese Worte werden Vladimir Barmin zugeschrieben, dem Chefdesigner von Starteinrichtungen. Und diesem Aphorismus zufolge ist die R-7-Raketenfamilie nahezu zuverlässig, da viele Aktionen nicht durch spezielle Mechanismen, sondern durch die zahme Schwerkraft ausgeführt werden.

Einfach und zuverlässig bis genial, der Start der "Siebenen" ist umgesetzt. Beim Starten der Seitenblöcke ist eine Traktionsstreuung unvermeidlich. In diesem Fall können große störende Momente auftreten, und im schlimmsten Fall kann ein "später" Block aus dem Paket fallen. Es war unmöglich, den Motorstart mit den Mitteln der 50er Jahre zu synchronisieren. Aber sie haben es geschafft, dieses Problem gut zu umgehen - die Seitenblöcke beim Start gingen in die Zwischenschubstufe, weniger als die Masse der Rakete. Den störenden Momenten begegneten die Farmen der Startanlage. Wenn alles in Ordnung war, wurde der Motor der Zentraleinheit gestartet. Der Gesamtschub der Triebwerke überstieg das Gewicht der Rakete und begann zu steigen. Als die Rakete um 49 Millimeter anstieg, kamen die Halterungen der Startrampen aus den Halterungen, und die Rakete befand sich im freien Flug. Und von der Zwischenstufe bis zum vollen Schub wechselten die Seitenblöcke einfacher und zuverlässiger, was dies bereits im Flug ermöglichte.


Die Rakete ist etwas gestiegen, die Stützen beginnen bereits voranzukommen, ein Standbild aus dem Video wurde vom KIK der UdSSR aufgenommen


ESA Video Launch Animation

Und die Kraftstützen und Kabelmasten werden unter dem Einfluss der Schwerkraft umgeleitet - sie sind mit großen und schweren Gegengewichten ausgestattet.


Gegengewichte - gelbe Zylinder, Fotos von Roscosmos

Die Trennung der Seitenblöcke erfolgt ebenfalls einfach genial. Vor der Trennung werden die Motoren der Seitenblöcke auf reduzierte Traktion geschaltet und die Lenkmotoren abgeschaltet. Dann bricht die geringere Kraft im Heck der Rakete.


Niedrigere Stromanschlüsse, Foto KIK UdSSR

Die Motoren der Seitenblöcke sind speziell in einem Winkel zur Achse des Blocks positioniert.


Blockachse und Motorschubrichtung, KIK UdSSR-Schema

Daher beginnen sich die Blöcke nach dem Aufbrechen der Kraftbindungen zu drehen.


Foto KIK UdSSR

Dann werden die Motoren der Seitenblöcke abgestellt. Der Motor des Zentralblocks (zweite Stufe) arbeitet weiter und die Seitenblöcke fallen einfach unter ihrem Gewicht aus den Vorrichtungen. Unmittelbar nach dem Unterbrechen der mechanischen Verbindung öffnet sich das Ablassventil des Sauerstofftanks und die Seitenblöcke beginnen sich zu verdrehen.


Ablassventil unter der roten Sicherheitsabdeckung in der Mitte, Foto KIK UdSSR

Erst im 21. Jahrhundert wurden an Bord der „Sojus“ Kameras an Bord angebracht, und wir konnten in der Nähe sehen, wie schön sie ist.


ESA-Videoanimation

Ich empfehle, sich die einzigartigen Personal- und Notfallabteilungen auf der Website der KIK UdSSR anzusehen .

Paradoxe des deutschen Erbes

Die amerikanische und sowjetische Raketen- und Weltraumtechnologie hat viel von den deutschen Trophäen übernommen, die nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs geerbt wurden. Und wenn die Amerikaner mit dem größten Teil seines Teams den Chefdesigner der Fau-2, Werner von Braun, bekamen, war der „Fang“ der UdSSR bescheidener - Ersatzteile für Raketen und zweitrangige Designer wie Helmut Grettrup. Trotzdem entgehen manchmal Anschuldigungen, dass die sowjetischen Designer angeblich keine eigenen Raketen entwickelt hätten, sondern die Ideen deutscher Designer gestohlen hätten. Auf Wunsch finden Sie im Internet sogar Zeichnungen des angeblichen Grettrup-Projekts, die dem P-7 verdächtig ähnlich sind.


Abbildung astronautix.com

Jeder, der sich zumindest ein wenig für die Geschichte der Weltraumtechnologie interessiert, weiß, dass sich sogar formal eine Kopie der V-2, der sowjetischen R-1, darin unterschied, dass sie für die Produktion in der UdSSR modifiziert wurde und andere Materialien verwendete. Und bereits mit der P-2 begannen die sowjetischen Designer die Deutschen und begannen, ihren eigenen Weg zu gehen. Grettrup wurde bereits 1953 vor der Entwicklung der R-7 aus der UdSSR entlassen, nachdem sie mehrere Jahre lang in Informationsisolation gehalten worden war. Die G-5 war ein Projekt einer Kreuzfahrt, keine ballistische Rakete. Die Plagiatsvorwürfe sind also völlig unbegründet. Gleichzeitig kenne ich in den „sieben“ zwei Dinge, die noch die deutsche Mark tragen.

Die erste ist die Starttaste, deren Drehung den letzten manuellen Befehl zum Starten der Rakete gibt. Die Designer, die Fernbedienungen für die R-7-Startsysteme entwickelten, wollten einen moderneren Schalter einsetzen, aber das Militär, das an den Befehl „Start-to-Start“ gewöhnt war, bat darum, einen mechanischen Schlüssel zu hinterlassen.


Der Schlüssel zum Start im Museum of Cosmonautics, Foto von LJ Yellow-Reporter

Das zweite ist die Idee, eine Turbopumpeneinheit aus der katalytischen Zersetzung von Wasserstoffperoxid anzutreiben. In Gegenwart eines Katalysators verwandelte sich konzentriertes Peroxid in heißen Wasserdampf, und die freigesetzte Energie drehte die Turbinen, die dem Motor Kraftstoffkomponenten zuführten. Das Konzept wurde sowohl bei der V-2 als auch bei der sowjetischen R-1, R-2, R-5 verwendet, ist bei der R-7-Familie noch am Leben und wurde nur bei nachfolgenden Raketen aufgegeben. In den 1950er Jahren war es eine einfache, kompakte und zuverlässige, wenn auch nicht die effektivste Option, aber jetzt sieht es aus wie ein Anachronismus. Moderne Raketen haben Gasgeneratoren in Form kleiner Brennkammern, die dieselben Komponenten und dieselben Tanks wie der Hauptmotor verwenden. Es ist jedoch zu spät, Motoren aufzurüsten und neu zu konstruieren. Die Zuverlässigkeit der Motoren war für Hunderte von Starts buchstäblich kosmisch, so dass der Peroxidgasgenerator bis zum Ende seines Betriebs auf der „Sieben“ fliegen wird.


Gasgenerator Zeichnung lpre.de.

Komplex, einfach und ungewöhnlich

Als bei der Entwicklung des R-7 aus einer Rakete tatsächlich fünf wurden, trat das Problem des ungleichmäßigen Kraftstoffverbrauchs auf. Unabhängig davon, wie sehr die Motorbetreiber versuchen, dieselben Motoren zu produzieren, liegen der Schub und die Durchflussrate der Komponenten einer bestimmten Motorinstanz in einem bestimmten Bereich. Bei der Technologie der 50er Jahre würden zig Tonnen Treibstoff verloren gehen, und die Rakete würde asymmetrischen Belastungen durch verschiedene Massen von Seitenblöcken ausgesetzt sein. Deshalb musste ich ein spezielles Synchronisationssystem zum Entleeren von Tanks herstellen.

Wenn die Zuverlässigkeit einer Raketeneinheit 0,9 beträgt, muss die Zuverlässigkeit multipliziert werden, da alle fünf für den normalen Flug arbeiten müssen, und die Gesamtzuverlässigkeit würde 0,9 ⁵ betragen, dh 0,59, was völlig inakzeptabel ist. Dabei wird die Zuverlässigkeit des Steuerungssystems, des Trennsystems usw. nicht berücksichtigt. Die Designer mussten die Zuverlässigkeit der Systeme radikal verbessern - alles, was möglich war, wurde nicht nur dupliziert, sondern auch drei identische Systeme mit Abstimmung (Majorisierung) versehen. Und die Tatsache, dass es unmöglich war, beispielsweise Motoren zu duplizieren, wurde Bodenuntersuchungen und -prüfungen unterzogen. Tatsächlich erreichten die sowjetischen Raketenwerfer mit der R-7 ein qualitativ neues Niveau, um die Zuverlässigkeit technischer Systeme zu gewährleisten.

Eine elegante Lösung, die für die sowjetische und russische Weltraumtechnologie traditionell geworden ist, wurde von Triebwerksbetreibern erfunden. Es war nicht möglich, einen Motor mit einem großen Brennraum und den für den R-7 erforderlichen Parametern zu erstellen. In kleineren Brennkammern waren die Prozesse verständlicher und kontrollierbarer. Eine große Kammer wurde durch vier kleine ersetzt, und die Vorteile der Steigerung des Motorwirkungsgrads überwogen die Verluste durch die Erhöhung der Masse. Bei den ersten „sieben“ gab es bereits 32 Brennkammern - 20 Marsch- und 12 Lenkkammern.


Sojus-Trägerraketentransport zum Start, NASA-Foto

Die zuverlässige Beleuchtung von 32 Brennkammern ist keine leichte Aufgabe. Aufgrund der Tatsache, dass die Motoren im ersten und zweiten Schritt am Boden starten, wurde es möglich, eine sehr einfache und kostengünstige Lösung zu implementieren - pyrotechnische Prüfer mit einer elektrischen Sicherung auf Holzhalterungen.


Zuckergussgeräte auf Holzhalterungen

Tatsächlich handelt es sich um riesige Streichhölzer, Pyro-Zündvorrichtungen kosten einen Cent und ermöglichen es Ihnen, den Motor zuverlässig zu starten. Wenn der Prüfer aus irgendeinem Grund kein Feuer fängt, erhält das Steuerungssystem Informationen darüber und stoppt den Start der Rakete. Die Zuverlässigkeit des Systems ist derart, dass der Start einer Rakete aufgrund einer schlechten Zündung weniger als einmal alle zehn Jahre abgebrochen wird.

Aber ich habe zum letzten Mal das lustigste Feature der R-7-Familie gespeichert. Der Seven ist wahrscheinlich der einzige der vorhandenen Trägerraketen, bei dem das Personal vor dem Starten die Turbopumpeneinheiten der Motoren mit Hilfe eines „krummen Anlassers“ manuell dreht, wie bei alten Autos.


Draufsicht einer Turbopumpe, Museum RSC Energia , eigenes Foto

Bei R-7 wird flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Er ist sehr kalt und versucht alles einzufrieren, was er erreichen kann. Die Turbopumpeneinheit wird vor dem Start erwärmt. Um jedoch sicherzustellen, dass sie nicht gefriert und sich frei drehen kann, öffnet der Stab eine kleine Luke an der Seite jedes Blocks, setzt einen „Starterstarter“ in das Loch ein und dreht ihn.


Handbetätigte TNA-Luke, RSC Energia Museum, eigenes Foto

Fazit

60 Jahre sind eine beträchtliche Zeitspanne für ein technisches System. Natürlich wurde die Rakete seitdem wiederholt modernisiert und bleibt trotz aller archaischen Strukturelemente effektiv und wettbewerbsfähig. Und die Zuverlässigkeit, die durch Hunderte von Starts erreicht wird, wird äußerst schwer zu übertreffen sein. Bereits im 21. Jahrhundert erschienen ihr zwei Neuanfänge - in Kourou und auf Vostochny. Schön, genial, komplex, einfach und paradox - all dies ist unsere wunderbarste „Sieben“.

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