O foguete mais maravilhoso

O aniversário do lançamento do primeiro satélite será em outubro, mas foi hoje, 15 de maio de 60 anos atrás, que o foguete foi lançado ao céu, que o lançou em órbita. O famoso “Seven”, que garantiu uma série de vitórias da União Soviética no espaço, que encantou o mundo inteiro, comemora hoje seu 60º aniversário no “local de trabalho” - foguetes em sua base voam agora e voam por pelo menos mais dez anos. Você pode argumentar por muito tempo qual veículo de lançamento é o melhor, mas, na minha opinião, o título do foguete mais notável definitivamente pertence à família R-7. O Seven foi projetado sem exagero por pessoas brilhantes. E no design do foguete ainda é possível encontrar os resultados de suas decisões espirituosas, talentosas e às vezes paradoxais.


Um dos primeiros lançamentos do R-7, foto do arquivo TsENKI

Beleza soviética

Os veículos de lançamento modernos são pragmáticos ao ponto do tédio. As etapas cilíndricas, na melhor das hipóteses, terminam com uma protrusão de uma carenagem nadkaliberny e, às vezes, um oleoduto saliente viola uma superfície opaca e uniforme. Nesse contexto, os “sete” com blocos laterais cônicos e o segundo estágio de forma complexa parecem uma verdadeira beleza.


Etapas do veículo de lançamento da Soyuz, foto do livreto TsSKB Progress /cosmopark.ru

A foto mostra claramente que o bloco central (segundo estágio) na parte superior é mais largo do que no inferior. Além disso, se você observar com atenção, é notável que a parte superior do bloco central é cônica, e a etapa primeiro se expande e depois se estreita.


Foguete Vostok no VDNKh, foto de Sergei Arssenev / Wikimedia Commons

Se você pensar bem, os blocos laterais também levantam questões. Além do fato de serem cônicos e, portanto, caberem menos combustível que os cilíndricos da mesma altura, muitos mísseis modernos não usam blocos laterais. Por que eles apareceram nos "sete"?

O R-7, que, de acordo com o índice da Diretoria Principal de Foguetes e Artilharia, 8K71, deveria ser um míssil balístico intercontinental e carrega uma bomba de hidrogênio pesando 5,4 toneladas a uma distância de 8240 quilômetros. Os projetistas soviéticos já sabiam como fabricar mísseis de estágio único voando 1200 km (R-5), mas cálculos simples mostraram que um estágio não seria suficiente para esse alcance e capacidade de carga. Uma solução teórica - foguetes de vários estágios - foi proposta no início do século 20 por Tsiolkovsky, mas sua implementação prática imediatamente colocou um grande número de problemas para os engenheiros. A opção mais óbvia, colocar o segundo estágio acima do primeiro, significava que o motor do segundo estágio teria que ser ligado em alta altitude, em condições de quase vácuo e gravidade zero. Ninguém sabia ainda como um motor de foguete de partida se comportaria lá. Portanto, foi decidido instalar as primeiras etapas em um pacote em torno da segunda. Nesse caso, todos os cinco motores foram lançados na Terra, sob o controle elétrico de sistemas terrestres, e somente se tudo estivesse em ordem o foguete sairia da plataforma de lançamento.

A decisão de construir o míssil como um "pacote" deu origem a muitos problemas novos, porque os projetistas, em vez de um míssil, tinham de fato cinco. Os engenheiros, acostumados a um foguete em pé livremente na plataforma de lançamento, primeiro projetaram quatro mesas separadas para os blocos laterais e estavam prestes a transportar o foguete para o lançamento na posição vertical. E os próprios blocos laterais inicialmente queriam ser feitos com cilindros de 20,92 m de altura, mas a idéia já parecia ruim nos desenhos. O transportador parecia volumoso, complexo e caro, quatro mesas separadas carregavam inaceitavelmente a unidade central e, além disso, um pequeno vento ameaçava derrubar o foguete. E um míssil de combate não podia esperar que o tempo estivesse bom. Soluções paliativas, como construir um muro ao redor do começo, pareciam feias e não resolviam bem o problema. Era necessário inventar algo fundamentalmente novo.

Em vôo, a força dos blocos laterais foi transmitida ao quadro de potência do bloco central em sua parte superior. E surgiu uma idéia muito elegante para usar um elemento já existente no foguete na plataforma de lançamento. O míssil foi suspenso no meio, de modo que, na plataforma de lançamento, houve cargas que quase coincidiram com as do voo.


Unidade de montagem do bloco lateral com um bolso sob o suporte da estrutura de partida, foto KIK URSS


Suporte da plataforma de lançamento, foto KIK URSS


Foguete na plataforma de lançamento, foto KIK URSS

Além disso, os blocos laterais foram tornados cônicos e reduziram seu comprimento em 1,3 m. Essa solução, em primeiro lugar, reduziu os requisitos para a velocidade de remoção dos suportes de potência e, em segundo lugar, em voo, deslocou o centro de pressão para trás, facilitando a operação do sistema de controle.

Pendurar o foguete “por baixo dos lados” também resolveu o problema da carga de vento - tornou-se possível abaixar a seção de cauda sob a estrutura de lançamento, escondendo-o do vento e se livrando da “parede chinesa” ao redor do lançamento.


Ativar o diagrama do recurso, tirando do arquivo KBOM

O transportador ineficiente também foi eliminado substituindo a montagem vertical e o transporte por horizontal. A unidade de instalação tornou-se leve e elegante.


Instalação do veículo de lançamento da Soyuz em uma instalação de lançamento, foto de Ramil Sitdikov / RIA Novosti

Gravidade domesticada

“O mecanismo mais confiável é um mecanismo ausente” - essas palavras são atribuídas a Vladimir Barmin, designer-chefe das instalações de lançamento. E, de acordo com esse aforismo, a família de foguetes R-7 está próxima da confiabilidade absoluta, porque muitas ações são realizadas não por mecanismos especiais, mas por uma gravidade mansa.

Simples e confiável até o gênio, o início dos "setes" é implementado. Ao iniciar os blocos laterais, a dispersão da tração é inevitável. Nesse caso, grandes momentos perturbadores podem surgir e um bloqueio "atrasado" pode, na pior das hipóteses, cair fora do pacote. Era impossível sincronizar a partida do motor usando os meios dos anos 50. Mas eles conseguiram contornar esse problema de maneira agradável - os blocos laterais no lançamento foram para o estágio intermediário de empuxo, menos do que a massa do foguete. Momentos perturbadores foram combatidos pelas fazendas da instalação de lançamento. Se tudo estivesse em ordem, o motor da unidade central seria iniciado. O impulso total dos motores excedeu o peso do foguete e começou a subir. Quando o foguete subiu 49 milímetros, os suportes das plataformas de lançamento saíram das montarias e o foguete se viu em voo livre. E do estágio intermediário ao impulso total, os blocos laterais mudaram de maneira mais simples e confiável, o que permitiu que isso fosse feito já em voo.


O foguete subiu um pouco, os suportes já estão começando a avançar, uma imagem estática do vídeo foi tirada pelo KIK da URSS


Animação de lançamento de vídeo da ESA

E os suportes de potência e os mastros dos cabos são desviados sob a influência da gravidade - eles são equipados com contrapesos grandes e pesados.


Contrapesos - cilindros amarelos, fotos de Roscosmos

A separação dos blocos laterais também é feita de maneira genial. Antes da separação, os motores dos blocos laterais são trocados para tração reduzida e os motores de direção são desligados. Então a força mais baixa se liga na cauda do foguete.


Conexões de baixa potência, foto KIK URSS

Os motores dos blocos laterais estão especialmente posicionados em ângulo com o eixo do bloco.


Eixo do bloco e direção de empuxo do motor, esquema KIK URSS

Portanto, depois de quebrar as ligações de força, os blocos começam a girar.


Foto KIK URSS

Em seguida, os motores dos blocos laterais são desligados. O motor do bloco central (segundo estágio) continua funcionando, e os blocos laterais simplesmente caem dos aparelhos com o seu peso. Imediatamente após a conexão mecânica ser interrompida, a válvula de drenagem do tanque de oxigênio se abre e os blocos laterais começam a torcer.


Válvula de drenagem sob a tampa de segurança vermelha no centro, foto KIK URSS

Somente no século 21, câmeras de bordo foram colocadas na “Soyuz”, e pudemos ver nas proximidades como é bonito.


Animação em Vídeo da ESA

Eu recomendo olhar para o pessoal exclusivo e as divisões de emergência no site da URSS KIK .

Paradoxos da herança alemã

Os foguetes americanos e soviéticos e a tecnologia espacial emprestaram muito dos troféus alemães herdados após o fim da Segunda Guerra Mundial. E, se os americanos conseguiram o designer-chefe do Fau-2, Werner von Braun com a maior parte de sua equipe, o “problema” da URSS era mais modesto - peças de reposição para mísseis e designers de segundo nível, como Helmut Grettrup. No entanto, às vezes escorregam as acusações de que os designers soviéticos supostamente não desenvolveram foguetes por conta própria, mas roubaram as idéias dos designers alemães. Se desejado, na Internet você pode até encontrar desenhos do suposto projeto Grettrup, suspeitosamente similares ao P-7.


Figura astronautix.com

Qualquer pessoa que esteja pelo menos um pouco interessada na história da tecnologia espacial sabe que, mesmo formalmente, uma cópia do V-2, o R-1 soviético, já era diferente, pois era modificada para produção na URSS e usava outros materiais. E já começando com o P-2, os designers soviéticos pressionaram os alemães e começaram a seguir seu próprio caminho. Grettrup foi lançado da URSS em 1953, antes do desenvolvimento do R-7, depois de mantê-lo por vários anos em isolamento de informações, e o G-5 era um projeto de cruzeiro, não um míssil balístico. Portanto, as alegações de plágio são completamente infundadas. Mas, ao mesmo tempo, sei nos “sete” duas coisas que ainda carregam a marca alemã.

A primeira é a tecla Iniciar, cuja rotação fornece o último comando manual para lançar o foguete. Os projetistas, criando controles remotos para os sistemas de lançamento do R-7, queriam colocar um interruptor mais moderno, mas os militares, acostumados ao comando "chave para iniciar", pediram para deixar uma chave mecânica.


A chave para o início do Museu de Cosmonáutica, foto de LJ yellow-repórter

A segunda é a idéia de conduzir uma unidade de turbobomba a partir da decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio. Na presença de um catalisador, o peróxido concentrado se transformou em vapor de água quente e a energia liberada girou as turbinas que forneciam componentes de combustível ao motor. O conceito foi usado tanto no V-2 quanto no soviético R-1, R-2, R-5, ainda está vivo na família R-7, e apenas em mísseis subseqüentes foi abandonado. Na década de 1950, era uma opção simples, compacta e confiável, embora não fosse a opção mais eficaz, mas agora parece um anacronismo. Mísseis mais modernos têm geradores de gás na forma de pequenas câmaras de combustão que usam os mesmos componentes e dos mesmos tanques que o motor principal. Mas é tarde demais para atualizar os motores e reprojetar, a confiabilidade do motor tem sido literalmente cósmica por centenas de partidas, para que o gerador de gás peróxido voe nos "sete" até o final de sua operação.


Desenho de gerador de gás lpre.de

Complexo, simples e incomum

Quando, ao projetar o R-7, um míssil se transformou em cinco, surgiu o problema do consumo desigual de combustível. Não importa o quão duro os operadores do motor tentem produzir os mesmos motores, então, e agora, a pressão e a taxa de fluxo dos componentes de uma instância específica do motor estarão em alguma faixa. Na tecnologia dos anos 50, dezenas de toneladas de combustível seriam perdidas e o foguete experimentaria cargas assimétricas de diferentes massas de blocos laterais. Portanto, tive que criar um sistema de sincronização especial para esvaziar os tanques.

Se a confiabilidade de uma unidade de míssil for 0,9, como todas as cinco precisam trabalhar para o vôo normal, a confiabilidade deverá ser multiplicada e a confiabilidade total será de 0,9 ⁵ , ou seja, 0,59, o que é completamente inaceitável. E isso não leva em consideração a confiabilidade do sistema de controle, sistema de separação, etc. Os projetistas tiveram que melhorar radicalmente a confiabilidade dos sistemas - tudo o que era possível não foi apenas duplicado, mas também colocou três sistemas idênticos com votação (majorização). E o fato de ser impossível duplicar, por exemplo, motores, foi submetido a testes e testes no solo. De fato, depois de criar o R-7, os lançadores de foguetes soviéticos atingiram um nível qualitativamente novo de garantir a confiabilidade dos sistemas técnicos.

Uma solução elegante que se tornou tradicional para a tecnologia espacial soviética e russa foi inventada pelos operadores de motores. Não foi possível criar um motor com uma grande câmara de combustão e os parâmetros necessários para o R-7. E em câmaras de combustão menores, os processos eram mais compreensíveis e controláveis. Uma câmara grande foi substituída por quatro pequenas e os benefícios do aumento da eficiência do motor superaram as perdas do aumento de sua massa. No “sete” inicial, já havia 32 câmaras de combustão - 20 em marcha e 12 em direção.


Soyuz lança transporte de veículo para lançamento, foto da NASA

A iluminação confiável de 32 câmaras de combustão não é tarefa fácil. Devido ao fato de que, no primeiro e no segundo passo, os motores iniciam no solo, tornou-se possível implementar uma solução muito simples e barata - damas pirotécnicas com fusível elétrico em suportes de madeira.


Dispositivos de gelo em suportes de madeira

Na verdade, são partidas gigantes, os dispositivos de ignição por pino custam um centavo e permitem que você dê partida no motor com segurança - se o verificador, por algum motivo, não pegar fogo, o sistema de controle receberá informações sobre isso e interromperá o lançamento do foguete. A confiabilidade do sistema é tal que o lançamento de um foguete devido à baixa ignição é cancelado menos de uma vez a cada década.

Mas salvei o recurso mais engraçado da família R-7 pela última vez. O Seven é provavelmente o único dos veículos de lançamento existentes em que, antes da partida, o pessoal gira manualmente as unidades de turbobomba dos motores usando um “motor de partida torto”, como nos carros antigos.


Vista superior de uma turbina, museu RSC Energia , foto própria

No R-7, o oxigênio líquido é usado como um agente oxidante. Ele está com muito frio e procura congelar tudo o que consegue. O conjunto da bomba turbo é aquecido antes de iniciar, mas, para garantir que não congele e possa girar livremente, a equipe abre uma pequena escotilha ao lado de cada bloco, insere um "iniciador de partida" no furo e o gira.


Escotilha TNA operada manualmente, Museu RSC Energia, foto própria

Conclusão

Sessenta anos é um período considerável para um sistema técnico. Obviamente, o foguete foi repetidamente modernizado e, apesar de todos os elementos estruturais arcaicos, permanece eficaz e competitivo. E a confiabilidade obtida por centenas de partidas será extremamente difícil de superar. Já no século 21, dois novos começos apareceram para ela - em Kourou e em Vostochny. Bonito, engenhoso, complexo, simples e paradoxal - tudo isso é o nosso mais maravilhoso "sete".

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