La fusée la plus merveilleuse

L'anniversaire du lancement du premier satellite aura lieu en octobre, mais c'est aujourd'hui, le 15 mai, il y a 60 ans que la fusée s'est lancée pour la première fois dans le ciel, ce qui l'a lancée en orbite. Le célèbre «Seven», qui a assuré une série de victoires de l'Union soviétique dans l'espace, qui a ravi le monde entier, célèbre aujourd'hui son 60e anniversaire sur le «lieu de travail» - les roquettes à sa base volent maintenant et voleront pendant encore dix ans au moins. Vous pouvez longtemps argumenter sur le lanceur qui est le meilleur, mais à mon avis, le titre de la fusée la plus remarquable appartient définitivement à la famille des R-7. Le Seven a été conçu sans exagération par des gens brillants. Et dans la conception de la fusée, vous pouvez toujours trouver les résultats de leurs décisions spirituelles, talentueuses et parfois paradoxales.


Un des premiers lancements du R-7, photo des archives TsENKI

Beauté soviétique

Les lanceurs modernes sont pragmatiques au point de s'ennuyer. Les marches cylindriques se terminent au mieux par une saillie du carénage de sur-calibre, et parfois le pipeline en saillie brise quelque part une surface terne et uniforme. Dans ce contexte, le «sept» avec des blocs latéraux coniques et la deuxième étape de forme complexe ressemble à une vraie beauté.


Étapes du lanceur Soyouz, photo tirée du livret de TsSKB Progress /cosmopark.ru

La photo montre clairement que le bloc central (deuxième étage) dans la partie supérieure est plus large que dans le bas. De plus, si vous regardez de plus près, vous remarquerez que la partie supérieure du bloc central est conique, et la marche se dilate d'abord puis se rétrécit.


Fusée Vostok à VDNKh, photo de Sergei Arssenev / Wikimedia Commons

Si vous y réfléchissez, les blocs latéraux soulèvent également des questions. Outre le fait qu'ils sont coniques et, par conséquent, ils conviendront moins de carburant que ceux cylindriques de la même hauteur, de nombreux missiles modernes n'utilisent pas du tout de blocs latéraux. Pourquoi sont-ils apparus sur le "sept"?

Le R-7, qui, selon l'indice de la Direction principale des fusées et de l'artillerie, 8K71, était censé être un missile balistique intercontinental, et transportait une bombe à hydrogène pesant 5,4 tonnes à une distance de 8240 kilomètres. Les concepteurs soviétiques savaient déjà comment fabriquer des missiles à un étage volant à 1200 km (R-5), mais de simples calculs ont montré qu'un étage pour une telle portée et capacité de charge ne serait pas suffisant. Une solution théorique - des fusées à plusieurs étages - a été proposée au début du XXe siècle par Tsiolkovsky, mais sa mise en œuvre pratique a immédiatement posé un grand nombre de problèmes aux ingénieurs. L'option la plus évidente, placer le deuxième étage au-dessus du premier, signifiait que le moteur du deuxième étage devrait être allumé à haute altitude, dans des conditions de quasi vide et de gravité nulle. Personne ne savait encore comment se comporterait un moteur-fusée au démarrage. Par conséquent, il a été décidé d'installer les premières étapes dans un package autour de la seconde. Dans ce cas, les cinq moteurs ont été lancés sur Terre, sous le contrôle électrique de systèmes au sol, et seulement si tout était en ordre, la fusée s'est détachée de la rampe de lancement.

La décision de construire le missile en tant que «paquet» a donné lieu à de nombreux nouveaux problèmes, car les concepteurs au lieu d'un seul missile en avaient en fait cinq. Les ingénieurs, habitués à une fusée se tenant librement sur la rampe de lancement, ont d'abord conçu quatre tables séparées pour les blocs latéraux, et étaient sur le point de transporter la fusée jusqu'au lancement en position verticale. Et les blocs latéraux eux-mêmes voulaient initialement être fabriqués avec des cylindres de 20,92 m de haut, mais l'idée semblait déjà mauvaise dans les dessins. Le convoyeur avait l'air encombrant, complexe et cher, quatre tables séparées ont chargé de manière inacceptable l'unité centrale et, de plus, un petit vent menaçait de renverser la fusée. Et un missile de combat ne pouvait pas attendre que le temps soit beau. Les solutions palliatives comme la construction d'un mur autour du début avaient l'air moche et ne résolvaient pas bien le problème. Il fallait trouver quelque chose de fondamentalement nouveau.

En vol, la force des blocs latéraux a été transmise au châssis de puissance du bloc central dans sa partie supérieure. Et une idée très élégante est née d'utiliser un élément déjà existant sur la fusée dans la rampe de lancement. Le missile était suspendu au milieu de sorte que sur la rampe de lancement, il subissait des charges qui coïncidaient presque avec celles du vol.


Unité de montage du bloc latéral avec une poche sous le support de la structure de départ, photo KIK URSS


Support de la rampe de lancement, photo KIK URSS


Fusée dans la rampe de lancement, photo KIK URSS

De plus, les blocs latéraux ont été coniques et ont réduit leur longueur de 1,3 m. Une telle solution, d'une part, a réduit les exigences de vitesse de retrait des supports électriques et, d'autre part, en vol, a décalé le centre de pression vers l'arrière, facilitant le fonctionnement du système de commande.

La suspension de la fusée «sous les côtés» a également résolu le problème de la charge du vent - il est devenu possible d'abaisser la section de queue sous la structure de lancement, de la cacher du vent et de se débarrasser du «mur chinois» autour du lancement.


Lancer le diagramme de l'installation, à partir des archives KBOM

Le convoyeur inefficace a également été éliminé en remplaçant l'ensemble vertical et le transport par un horizontal. L'unité d'installation est devenue légère et élégante.


Installation du lanceur Soyouz dans une installation de lancement, photo de Ramil Sitdikov / RIA Novosti

Gravité apprivoisée

«Le mécanisme le plus fiable est un mécanisme qui est absent» - ces mots sont attribués à Vladimir Barmin, le concepteur en chef des installations de lancement. Et selon cet aphorisme, la famille de fusées R-7 est proche d'une fiabilité absolue, car de nombreuses actions sont effectuées non pas par des mécanismes spéciaux, mais par une gravité apprivoisée.

Simple et fiable jusqu'au génie, le début du "Sevens" est implémenté. Lors du démarrage des blocs latéraux, la dispersion de la traction est inévitable. Dans ce cas, de grands moments perturbateurs peuvent survenir et un bloc «tardif» pourrait dans le pire des cas tomber du paquet. Il était impossible de synchroniser le démarrage du moteur à l'aide des moyens des années 50. Mais ils ont réussi à contourner ce problème gentiment - les blocs latéraux au lancement sont passés à la phase de poussée intermédiaire, moins que la masse de la fusée. Les moments troublants ont été contrés par les fermes de l'installation de lancement. Si tout était en ordre, le moteur de l'unité centrale était démarré. La poussée totale des moteurs a dépassé le poids de la fusée et elle a commencé à monter. Lorsque la fusée a augmenté de 49 millimètres, les supports des rampes de lancement sont sortis des supports et la fusée s'est retrouvée en vol libre. Et de l'étape intermédiaire à la pleine poussée, les blocs latéraux ont commuté de manière plus simple et plus fiable, ce qui a permis de le faire déjà en vol.


La fusée a un peu augmenté, les supports commencent déjà à avancer, une image fixe de la vidéo a été prise par le KIC


Animation de lancement vidéo ESA

Et les supports électriques et les mâts de câbles sont détournés sous l'influence de la gravité - ils sont équipés de contrepoids grands et lourds.


Contrepoids - cylindres jaunes, photos de Roscosmos

La séparation des blocs latéraux est également faite simplement pour le génie. Avant la séparation, les moteurs des blocs latéraux passent en traction réduite et les moteurs de direction sont arrêtés. Ensuite, la force inférieure se lie à la queue de la fusée.


Connexions d'alimentation plus faibles, photo KIK URSS

Les moteurs des blocs latéraux sont spécialement positionnés à un angle par rapport à l'axe du bloc.


Axe de bloc et direction de poussée du moteur, schéma KIK URSS

Par conséquent, après avoir rompu les liens de puissance, les blocs commencent à tourner.


Photo KIK URSS

Ensuite, les moteurs des blocs latéraux sont arrêtés. Le moteur du bloc central (deuxième étage) continue de fonctionner et les blocs latéraux tombent simplement des appareils sous leur poids. Immédiatement après la rupture de la connexion mécanique, la vanne de vidange du réservoir d'oxygène s'ouvre et les blocs latéraux commencent à se tordre.


Robinet de vidange sous le couvercle de sécurité rouge au centre, photo KIK URSS

Ce n'est qu'au 21e siècle que des caméras embarquées ont été installées sur le Soyouz et nous avons pu voir à quel point il était beau.


Animation vidéo ESA

Je recommande de consulter le personnel unique et les divisions d'urgence sur le site Web de KIK URSS .

Paradoxes du patrimoine allemand

Les fusées et les technologies spatiales américaines et soviétiques ont beaucoup emprunté aux trophées allemands hérités de la fin de la Seconde Guerre mondiale. Et, si les Américains ont obtenu le concepteur en chef du Fau-2, Werner von Braun avec la plupart de son équipe, alors la «capture» de l'URSS était plus modeste - des pièces de rechange pour les missiles et des concepteurs de deuxième niveau comme Helmut Grettrup. Néanmoins, des accusations glissent parfois selon lesquelles les concepteurs soviétiques n'auraient pas développé eux-mêmes des fusées, mais auraient volé les idées des concepteurs allemands. Si vous le souhaitez, sur Internet, vous pouvez même trouver des dessins du prétendu projet Grettrup, étrangement similaire au P-7.


Figure astronautix.com

Quiconque est au moins quelque peu intéressé par l'histoire de la technologie spatiale sait que même formellement une copie du V-2, le R-1 soviétique, en différait déjà en ce qu'il a été modifié pour la production en URSS et utilisé d'autres matériaux. Et déjà en commençant par le P-2, les concepteurs soviétiques ont poussé les Allemands et ont commencé à suivre leur propre chemin. Grettrup a été libéré de l'URSS en 1953, avant le développement du R-7, après l'avoir maintenu pendant plusieurs années dans l'isolement de l'information, et le G-5 était un projet de croisière, pas un missile balistique. Les allégations de plagiat sont donc totalement infondées. Mais, en même temps, je connais dans les «sept» deux choses qui portent encore la marque allemande.

La première est la touche de démarrage, dont la rotation donne la dernière commande manuelle pour lancer la fusée. Les concepteurs, créant des télécommandes pour les systèmes de démarrage R-7, voulaient mettre un interrupteur plus moderne, mais les militaires, habitués à la commande «clé pour démarrer», ont demandé de laisser une clé mécanique.


La clé du départ au Museum of Cosmonautics, photo de LJ yellow-reporter

La seconde est l'idée de conduire une turbopompe à partir de la décomposition catalytique du peroxyde d'hydrogène. En présence d'un catalyseur, le peroxyde concentré s'est transformé en vapeur d'eau chaude et l'énergie libérée a fait tourner les turbines alimentant le moteur en carburant. Le concept a été utilisé à la fois sur le V-2 et sur le R-1 soviétique, le R-2, le R-5, est toujours vivant sur la famille R-7, et ce n'est que sur les missiles ultérieurs qu'il a été abandonné. Dans les années 1950, c'était une option simple, compacte et fiable, bien que n'étant pas la plus efficace, mais maintenant elle ressemble à un anachronisme. Les missiles plus modernes ont des générateurs de gaz sous forme de petites chambres de combustion qui utilisent les mêmes composants et des mêmes réservoirs que le moteur principal. Mais il est trop tard pour mettre à niveau les moteurs et changer la conception, la fiabilité du moteur a été littéralement cosmique pour des centaines de démarrages, de sorte que le générateur de gaz peroxyde volera sur le «sept» jusqu'à la fin de son fonctionnement.


Dessin du générateur de gaz lpre.de

Complexe, simple et inhabituel

Lorsque, lors de la conception du R-7, un missile s'est en fait transformé en cinq, le problème de la consommation inégale de carburant s'est posé. Peu importe à quel point les opérateurs de moteurs essaient de produire les mêmes moteurs, la poussée et le débit des composants d'une instance de moteur particulière seront alors dans une certaine plage. Sur la technologie des années 50, des dizaines de tonnes de carburant seraient perdues et la fusée subirait des charges asymétriques provenant de différentes masses de blocs latéraux. J'ai donc dû réaliser un système de synchronisation spécial pour vider les réservoirs.

Si la fiabilité d'une unité de missile est de 0,9, alors comme les cinq doivent travailler pour un vol normal, la fiabilité doit être multipliée et la fiabilité totale serait de 0,9 ⁵ , soit 0,59, ce qui est totalement inacceptable. Et cela ne tient pas compte de la fiabilité du système de contrôle, du système de séparation, etc. Les concepteurs ont dû améliorer radicalement la fiabilité des systèmes - tout ce qui était possible a non seulement été dupliqué, mais également mis trois systèmes identiques avec vote (majorisation). Et le fait qu'il était impossible de dupliquer, par exemple, des moteurs, a été soumis à des essais au sol et à des essais. En fait, après avoir créé le R-7, les lance-roquettes soviétiques ont atteint un niveau qualitativement nouveau pour assurer la fiabilité des systèmes techniques.

Une solution élégante devenue traditionnelle pour la technologie spatiale soviétique et russe a été inventée par les opérateurs de moteurs. Il n'a pas été possible de créer un moteur avec une grande chambre de combustion et les paramètres requis pour le R-7. Et dans les petites chambres de combustion, les processus étaient plus compréhensibles et contrôlables. Une grande chambre a été remplacée par quatre petites, et les avantages de l'augmentation de l'efficacité du moteur l'emportaient sur les pertes liées à l'augmentation de sa masse. Au départ, les «sept» comptaient déjà 32 chambres de combustion - 20 marches et 12 directions.


Soyouz lance le transport de véhicules pour lancer, photo de la NASA

Éclairage fiable de 32 chambres de combustion n'est pas une tâche facile. Du fait qu'au premier et au deuxième étage, les moteurs démarrent au sol, il est devenu possible de mettre en œuvre une solution très simple et bon marché - des contrôleurs pyrotechniques avec un fusible électrique sur des supports en bois.


Dispositifs de givrage sur supports en bois

En fait, ce sont des allumettes géantes, les dispositifs de pyro-allumage coûtent un sou et vous permettent de démarrer le moteur de manière fiable - si le vérificateur ne prend pas feu pour une raison quelconque, le système de contrôle recevra des informations à ce sujet et arrêtera le lancement de la fusée. La fiabilité du système est telle que le lancement d'une fusée en raison d'un mauvais allumage est annulé moins d'une fois par décennie.

Mais j'ai enregistré la fonctionnalité la plus drôle de la famille R-7 pour la dernière fois. Le Seven est probablement le seul des lanceurs existants où, avant de démarrer, le personnel fait tourner manuellement les turbopompes des moteurs à l'aide d'un «démarreur tordu», comme sur les vieilles voitures.


Vue de dessus d'une turbopompe, musée RSC Energia , propre photo

Au R-7, l'oxygène liquide est utilisé comme agent oxydant. Il a très froid et cherche à geler tout ce qu'il peut obtenir. L'unité de la turbopompe est chauffée avant de démarrer, mais pour s'assurer qu'elle ne gèle pas et qu'elle puisse tourner librement, le personnel ouvre une petite trappe sur le côté de chaque unité, insère un «démarreur-démarreur» dans le trou et le fait pivoter.


Trappe TNA à commande manuelle, RSC Energia Museum, propre photo

Conclusion

Soixante ans est une période considérable pour un système technique. Bien sûr, la fusée a depuis été modernisée à plusieurs reprises et, malgré tous les éléments structurels archaïques, reste efficace et compétitive. Et la fiabilité acquise par des centaines de démarrages sera extrêmement difficile à dépasser. Déjà au 21e siècle, deux nouveaux départs sont apparus pour elle - à Kourou et à Vostochny. Beau, ingénieux, complexe, simple et paradoxal - tout cela est notre plus merveilleux "sept".

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