El cohete más maravilloso

El aniversario del lanzamiento del primer satélite será en octubre, pero fue hoy, 15 de mayo, hace 60 años que el cohete se lanzó por primera vez al cielo, que lo lanzó a la órbita. El famoso "Seven", que aseguró una serie de victorias de la Unión Soviética en el espacio, que deleitó al mundo entero, celebra hoy su 60 aniversario en el "lugar de trabajo": los cohetes en su base vuelan ahora y volarán durante al menos otros diez años. Puede discutir durante mucho tiempo qué vehículo de lanzamiento es el mejor, pero, en mi opinión, el título del cohete más notable definitivamente pertenece a la familia R-7. El Seven fue diseñado sin exageración por personas brillantes. Y en el diseño del cohete todavía puedes encontrar los resultados de sus decisiones ingeniosas, talentosas y a veces paradójicas.


Uno de los primeros lanzamientos del R-7, foto del archivo TsENKI

Belleza soviética

Los vehículos de lanzamiento modernos son pragmáticos hasta el punto de aburrimiento. Los pasos cilíndricos terminan en el mejor de los casos con una protuberancia de un carenado nadkaliberny, y a veces una tubería sobresaliente viola una superficie opaca y uniforme. En este contexto, el "siete" con bloques laterales cónicos y la segunda etapa de forma compleja parece una verdadera belleza.


Pasos del vehículo de lanzamiento Soyuz, foto del folleto de TsSKB Progress /cosmopark.ru

La foto muestra claramente que el bloque central (segunda etapa) en la parte superior es más ancho que en el inferior. Además, si observa detenidamente, es evidente que la parte superior del bloque central es cónica, y el paso primero se expande y luego se estrecha.


Cohete Vostok en VDNKh, foto de Sergei Arssenev / Wikimedia Commons

Si lo piensa, los bloques laterales también plantean preguntas. Además del hecho de que son cónicos y, por lo tanto, caben menos combustible que los cilíndricos de la misma altura, muchos misiles modernos no usan bloques laterales en absoluto. ¿Por qué aparecieron en los "siete"?

R-7, que, según el índice de la Dirección Principal de Cohetes y Artillería, 8K71, se suponía que era un misil balístico intercontinental, y llevaba una bomba de hidrógeno que pesaba 5.4 toneladas a una distancia de 8240 kilómetros. Los diseñadores soviéticos ya sabían cómo fabricar misiles de una etapa que volaban a 1200 km (R-5), pero cálculos simples mostraron que una etapa no sería suficiente para tal alcance y capacidad de carga. A principios del siglo XX, Tsiolkovsky propuso una solución teórica, cohetes de múltiples etapas, pero su implementación práctica planteó de inmediato una gran cantidad de problemas para los ingenieros. La opción más obvia, poner la segunda etapa por encima de la primera, significaba que el motor de la segunda etapa debería encenderse a gran altitud, en condiciones de casi vacío y gravedad cero. Nadie sabía todavía cómo se comportaría allí un motor de cohete de arranque. Por lo tanto, se decidió instalar los primeros pasos en un paquete alrededor del segundo. En este caso, los cinco motores se lanzaron en la Tierra, bajo el control eléctrico de los sistemas basados ​​en tierra, y solo si todo estaba en orden, el cohete salió de la plataforma de lanzamiento.

La decisión de construir el misil como un "paquete" dio lugar a muchos problemas nuevos, porque los diseñadores en lugar de un misil tenían, de hecho, cinco. Los ingenieros, acostumbrados a un cohete que se encontraba libremente sobre la plataforma de lanzamiento, diseñaron primero cuatro mesas separadas para los bloques laterales, y estaban a punto de transportar el cohete al lanzamiento en posición vertical. Y los bloques laterales en un principio querían hacerse con cilindros de 20.92 m de altura, pero la idea ya se veía mal en los dibujos. El transportador parecía voluminoso, complejo y costoso, cuatro mesas separadas cargaban inaceptablemente la unidad central y, además, un pequeño viento amenazaba con volcar el cohete. Y un misil de combate no podía esperar a que el clima estuviera bien. Las soluciones paliativas como construir un muro alrededor del comienzo parecían feas y no resolvieron bien el problema. Era necesario llegar a algo fundamentalmente nuevo.

En vuelo, la fuerza de los bloques laterales se transmitió a la estructura de potencia del bloque central en su parte superior. Y surgió una idea muy elegante al usar un elemento ya existente en el cohete en la plataforma de lanzamiento. El misil se suspendió en el medio para que en la plataforma de lanzamiento experimentara cargas que casi coincidían con las de vuelo.


Unidad de montaje del bloque lateral con un bolsillo debajo del soporte de la estructura inicial, foto KIK URSS


Soporte de la plataforma de lanzamiento, foto KIK URSS


Cohete en la plataforma de lanzamiento, foto KIK URSS

Además, los bloques laterales se hicieron cónicos y redujeron su longitud en 1.3 m. Tal solución, en primer lugar, redujo los requisitos para la velocidad de extracción de los soportes de energía, y en segundo lugar, en vuelo, desplazó el centro de presión hacia atrás, facilitando la operación del sistema de control.

Colgar el cohete "debajo de los lados" también resolvió el problema de la carga del viento: se hizo posible bajar la sección de la cola debajo de la estructura de lanzamiento, ocultándola del viento y deshacerse de la "pared china" alrededor del lanzamiento.


Diagrama de instalación de lanzamiento, basado en el archivo KBOM

El transportador ineficiente también se eliminó al reemplazar el ensamblaje vertical y el transporte por uno horizontal. La unidad de instalación se ha vuelto ligera y elegante.


Instalación del vehículo de lanzamiento Soyuz en una instalación de lanzamiento, foto de Ramil Sitdikov / RIA Novosti

Gravedad domesticada

"El mecanismo más confiable es un mecanismo ausente": estas palabras se atribuyen a Vladimir Barmin, el diseñador jefe de las instalaciones de lanzamiento. Y de acuerdo con este aforismo, la familia de cohetes R-7 está cerca de la fiabilidad absoluta, porque muchas acciones se realizan no por mecanismos especiales, sino por la gravedad domesticada.

Simple y confiable hasta el genio, se implementa el inicio de los "sietes". Al comenzar los bloques laterales, la dispersión de tracción es inevitable. En este caso, pueden surgir grandes momentos perturbadores y, en el peor de los casos, un bloque "tardío" podría caerse del paquete. Era imposible sincronizar el arranque del motor utilizando los medios de los años 50. Pero lograron solucionar este problema muy bien: los bloques laterales en el lanzamiento fueron a la etapa de empuje intermedia, menos que la masa del cohete. Los momentos inquietantes fueron contrarrestados por las granjas de la instalación de lanzamiento. Si todo estaba en orden, se arrancó el motor de la unidad central. El empuje total de los motores excedió el peso del cohete, y comenzó a aumentar. Cuando el cohete se elevó 49 milímetros, los soportes de las plataformas de lanzamiento salieron de las monturas, y el cohete se encontró en vuelo libre. Y desde la etapa intermedia hasta el empuje completo, los bloques laterales cambiaron de manera más simple y confiable, lo que permitió que esto se hiciera ya en vuelo.


El cohete se ha elevado un poco, los soportes ya están comenzando a avanzar, el KIK de la URSS tomó una imagen fija del video


Animación de lanzamiento de video de la ESA

Y los soportes de alimentación y los mástiles de cable se desvían bajo la influencia de la gravedad: están equipados con contrapesos grandes y pesados.


Contrapesos - cilindros amarillos, fotos de Roscosmos

La separación de los bloques laterales también se hace simplemente al genio. Antes de la separación, los motores de los bloques laterales se cambian a tracción reducida, y los motores de dirección se apagan. Entonces la fuerza más baja se une en la cola del cohete.


Conexiones de baja potencia, foto KIK URSS

Los motores de los bloques laterales están especialmente posicionados en ángulo con respecto al eje del bloque.


Eje del bloque y dirección de empuje del motor, esquema KIK URSS

Por lo tanto, después de romper los enlaces de poder, los bloques comienzan a girar.


Foto KIK URSS

Luego se apagan los motores de los bloques laterales. El motor del bloque central (segunda etapa) continúa funcionando, y los bloques laterales simplemente se caen de los accesorios bajo su peso. Inmediatamente después de que se rompe la conexión mecánica, la válvula de drenaje del tanque de oxígeno se abre y los bloques laterales comienzan a girar.


Válvula de drenaje debajo de la cubierta de seguridad roja en el centro, foto KIK URSS

Solo en el siglo XXI, se colocaron cámaras a bordo en el "Soyuz", y pudimos ver cerca lo hermoso que es.


Video Animación ESA

Recomiendo mirar el personal único y las divisiones de emergencia en el sitio web de KIK URSS .

Paradojas de la herencia alemana

La tecnología espacial y espacial estadounidense y soviética tomó muchos préstamos de los trofeos alemanes heredados después del final de la Segunda Guerra Mundial. Y, si los estadounidenses obtuvieron al diseñador jefe del Fau-2, Werner von Braun con la mayor parte de su equipo, entonces la "captura" de la URSS fue más modesta: repuestos para misiles y diseñadores de segundo nivel como Helmut Grettrup. Sin embargo, a veces se pierden acusaciones de que los diseñadores soviéticos supuestamente no desarrollaron cohetes por su cuenta, sino que robaron las ideas de los diseñadores alemanes. Si lo desea, en Internet incluso puede encontrar dibujos del supuesto proyecto Grettrup, sospechosamente similares al P-7.


Figura astronautix.com

Cualquiera que esté al menos algo interesado en la historia de la tecnología espacial sabe que incluso formalmente una copia del V-2, el R-1 soviético, ya difería de él en que se modificó para la producción en la URSS y usó otros materiales. Y ya comenzando con el P-2, los diseñadores soviéticos empujaron a los alemanes y comenzaron a seguir su propio camino. Grettrup fue liberado de la URSS en 1953, antes del desarrollo del R-7, después de mantenerlo durante varios años en aislamiento de información, y el G-5 fue un proyecto de un crucero, no un misil balístico. Entonces, las acusaciones de plagio son completamente infundadas. Pero, al mismo tiempo, sé en las "siete" dos cosas que todavía llevan la marca alemana.

La primera es la tecla de inicio, cuya rotación da el último comando manual para lanzar el cohete. Los diseñadores, que crearon controles remotos para los sistemas de arranque R-7, querían poner un interruptor de aspecto más moderno, pero los militares, acostumbrados al comando "tecla para iniciar", pidieron dejar una llave mecánica.


La clave para comenzar en el Museo de Cosmonáutica, foto del periodista amarillo LJ

La segunda es la idea de conducir una unidad de turbobomba desde la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno. En presencia de un catalizador, el peróxido concentrado se convirtió en vapor de agua caliente, y la energía liberada hizo girar las turbinas que suministran componentes de combustible al motor. El concepto se utilizó tanto en el V-2, como en el soviético R-1, R-2, R-5, todavía está vivo en la familia R-7, y solo en misiles posteriores se ha abandonado. En la década de 1950, era una opción simple, compacta y confiable, aunque no la más efectiva, pero ahora parece un anacronismo. Los misiles más modernos tienen generadores de gas en forma de pequeñas cámaras de combustión que usan los mismos componentes y de los mismos tanques que el motor principal. Pero es demasiado tarde para actualizar los motores y rediseñarlos, la confiabilidad del motor ha sido literalmente cósmica durante cientos de arranques, de modo que el generador de gas peróxido volará en el "siete" hasta el final de su operación.


Dibujo del generador de gas lpre.de

Complejo, simple e inusual.

Cuando, al diseñar el R-7, un misil se convirtió en cinco, surgió el problema del consumo desigual de combustible. No importa cuánto intenten los operadores del motor producir los mismos motores, entonces y ahora el empuje y la velocidad de flujo de los componentes de una instancia de motor en particular estarán en algún rango. En la tecnología de los años 50, se perderían decenas de toneladas de combustible y el cohete experimentaría cargas asimétricas de diferentes masas de bloques laterales. Por lo tanto, tuve que hacer un sistema de sincronización especial para vaciar los tanques.

Si la confiabilidad de una unidad de misiles es 0.9, entonces dado que las cinco necesitan trabajo para un vuelo normal, la confiabilidad debe multiplicarse y la confiabilidad total sería 0.9 ⁵ , es decir, 0.59, lo cual es completamente inaceptable. Y esto no tiene en cuenta la fiabilidad del sistema de control, sistema de separación, etc. Los diseñadores tuvieron que mejorar radicalmente la confiabilidad de los sistemas: todo lo que era posible no solo se duplicaba, sino que también ponía tres sistemas idénticos con votación (mayorización). Y el hecho de que era imposible duplicar, por ejemplo, motores, fue sometido a pruebas y pruebas en tierra. De hecho, después de haber creado el R-7, los lanzadores de cohetes soviéticos alcanzaron un nivel cualitativamente nuevo para garantizar la fiabilidad de los sistemas técnicos.

Los operadores de motores inventaron una solución elegante que se ha vuelto tradicional para la tecnología espacial soviética y rusa. No fue posible crear un motor con una gran cámara de combustión y los parámetros necesarios para el R-7. Y en cámaras de combustión más pequeñas, los procesos fueron más comprensibles y controlables. Una cámara grande fue reemplazada por cuatro pequeñas, y los beneficios de aumentar la eficiencia del motor superaron las pérdidas por aumentar su masa. En los "siete" iniciales ya había 32 cámaras de combustión: 20 de marcha y 12 de dirección.


Soyuz lanza el transporte del vehículo para el lanzamiento, foto de la NASA

Encender de manera confiable 32 cámaras de combustión no es una tarea fácil. Debido al hecho de que en la primera y segunda etapa los motores arrancan en el suelo, se hizo posible implementar una solución muy simple y barata: verificadores pirotécnicos con un fusible eléctrico en soportes de madera.


Dispositivos de hielo sobre soportes de madera.

De hecho, son fósforos gigantes, los dispositivos de ignición pirotécnica cuestan un centavo y le permiten arrancar el motor de manera confiable; si el verificador no se incendia, el sistema de control recibirá información al respecto y detendrá el lanzamiento del cohete. La fiabilidad del sistema es tal que el lanzamiento de un cohete debido a un mal encendido se cancela menos de una vez cada década.

Pero guardé la característica más divertida de la familia R-7 por última vez. El Seven es probablemente el único de los vehículos de lanzamiento existentes, donde antes de comenzar, el personal gira manualmente las unidades de turbobomba de los motores con la ayuda de un "arranque torcido", como en los autos viejos.


Vista superior de una turbobomba, museo RSC Energia , foto propia

En R-7, el oxígeno líquido se usa como agente oxidante. Tiene mucho frío y busca congelar todo lo que pueda. El conjunto de la turbobomba se calienta antes de comenzar, pero para asegurarse de que no se congele y de que pueda girar libremente, el personal abre una pequeña escotilla en el costado de cada bloque, inserta un "arrancador de arranque" en el orificio y lo gira.


Escotilla TNA operada manualmente, RSC Energia Museum, foto propia

Conclusión

Sesenta años es un período considerable para un sistema técnico. Por supuesto, el cohete se ha modernizado repetidamente y, a pesar de todos los elementos estructurales arcaicos, sigue siendo efectivo y competitivo. Y la fiabilidad obtenida por cientos de arranques será extremadamente difícil de superar. Ya en el siglo XXI, aparecieron dos nuevos comienzos para ella: en Kourou y en Vostochny. Hermoso, ingenioso, complejo, simple y paradójico: todo esto es nuestro más maravilloso "siete".

Materiales similares para la etiqueta "dificultades invisibles"