В 1951 году три тома научного отчета, куда вошли разработки всех участников группы М. К. Тихонравова, были представлены в ОКБ-1 С. П. Королёву. Этот отчет содержал совершенно уникальные по тому времени разработки, в частности, методику оптимизации параметров пакета, с использованием которой и были выбраны параметры указанных выше двух вариантов экспериментального «пакета» из трёх ракет.
На базе содержащегося в отчете варианта пакета из трех ракет Р-3, разработанного под руководством М. К. Тихонравова предполагалось создать в ОКБ Королева межконтинентальную баллистическую ракету (см. А. В. Карпенко, А. Ф. Уткин, А. Д. Попов «Отечественные стратегические ракетные комплексы» Санкт — Петербург, 1999, стр. 34.)
Над решением проблемы «обучения летному искусству» составной ракеты типа «пакет» работали все члены нашей группы. Здесь уже, естественно, эта проблема рассматривалась применительно к межконтинентальной баллистической ракете «пакетной» схемы с дальностью стрельбы 8…10 тысяч километров. В первую очередь рассматривались новые для ракетостроения особенности «пакетной» схемы, которые ранее совершенно не исследовались.
Члены «группы Тихонравова»: (стоят, слева направо) Г. М. Москаленко, О. В. Гурко, И. К. Бажинов; (стоят) В. Н. Галковский, Г. Ю. Максимов, Л. Н. Солдатова, М. К. Тихонравов, И. М. Яцунский
При обсуждении докладов М. К. Тихонравова на НТС НИИ-4 в 1948 году и в марте 1950 года на конференции в НИИ-4 наиболее «яркие» критические замечания касались: старта «пакета» («пакет» не взлетит из?за интерференции газовых струй двигателей; «пакет» опрокинется из?за разности тяг двигателей составляющих ракет); участка разделения ступеней («пакет» сгорит при переливании топлива или разрушится при отделении вспомогательных ракет из?за столкновения с основой), управления полётом (такая мало аэродинамичная конструкция — доска «не пройдёт» через атмосферу, не удастся «погасить» возмущения при разделении и обеспечить требуемую точность стрельбы). На все эти вопросы (да мы знали и другие «слабые» места) требовалось найти ответы.
Во второй половине 1951 года наша группа пополнилась двумя новыми сотрудниками. Игорь Константинович Бажинов (самолетчик) и Олег Викторович Гурко (двигателист) только что окончили МАИ, были приверженцами идей Михаила Клавдиевича и целенаправленно пробили себе дорогу в группу Тихонравова. Они вместе с нами включились в решение всех вопросов.
С приходом И. К. Бажинова и О. В. Гурко у нас в НИИ-4 окончательно сформировался коллектив, известный в ракетно — космической науке как «группа Тихонравова». Отсутствие на фотографии автора этих строк объяснится какими?то неизвестными автору «объективными» причинами.
Особо следует отметить, что наши разработки, касающиеся обоснования возможности создания межконтинентальной баллистической ракеты, выполнялись с учетом перспективы использования этой ракеты для вывода космических аппаратов на орбиту искусственного спутника Земли. Поэтому многие из них следует рассматривать «вкладом» как в ракетную, так и в космическую баллистику.
В задаче обоснования возможности создания составной жидкостной межконтинентальной баллистической ракеты, предназначенной к использованию её как боевого оружия, должна быть решена еще и совершенно новая проблема для такого класса ракет — проблема изыскания способа уменьшения рассеивания точек падения боевой части, обусловленного погрешностями исполнения команды на окончание активного участка полета — которую предстояло решать мне.
Чтобы понять суть этой проблемы, необходимо рассмотреть задачи, возникающие при переходе от стрельбы «обычными» ракетами к стрельбе межконтинентальными ракетами.
В начале 1950–х годов наши отечественные баллистические ракеты имели наибольшую дальность полёта около 600 километров. Переход же на межконтинентальные ракеты с дальностью стрельбы порядка 10 тысяч километров, то есть увеличение дальности стрельбы более чем в 15 раз, ставил перед разработчиками ряд трудно — разрешимых задач, обусловленных столь резкими изменением дальности стрельбы. Так, начальный вес ракеты необходимо было увеличить (при переходе на двухступенчатую схему) более чем в 13 раз (здесь, конечно, играет роль, и вес боевой части). Кроме того, такой переход при тех же принципах управления приводит к увеличению рассеивания. Если увеличение веса ракеты есть естественное следствие достижения больших дальностей стрельбы и на настоящем уровне ракетостроения альтернативы не имело, то существенное увеличение рассеивания было принципиально недопустимо, ибо «допустимое» рассеивание определяется только размерами поражаемых целей и не зависит от дальности.
Таким образом, одной из проблем на пути создания межконтинентальной баллистической ракеты оказалась проблема уменьшения рассеивания. Задача довольно сложная. Если ошибка скорости в конце активного участка один метр в секунду на дальности 600 километров даёт отклонение от цели 0,4 километра, то для межконтинентальной ракеты это отклонение составит около 6 километров. Следовательно, для получения тех же точностей стрельбы, что и у существующих ракет, необходимо повысить точность реализации параметров конца активного участка (в пересчете на скорость) в 15 раз. Это ещё в предположении одинаковых ошибок в конце активного участка. В действительности при той же системе управления эти ошибки будут ещё больше.
Как же решить эту проблему? Имеется два фактора, используя которые можно добиться успеха. Очевидно, что наиболее просто эта задача решается, если систему управления строить так, чтобы в конце активного участка она вырабатывала команду, обеспечивающую поражение цели при условии мгновенного выключения двигателей. Тогда (при пренебрежимо малых погрешностях пассивного участка полёта) рассеивание будет определяться только погрешностями системы управления и, следовательно, выбрав соответствующим образом, параметры системы управления, можно будет обеспечить требуемую точность стрельбы. Но мгновенно двигатель выключить невозможно, процессы догорания топлива приведут к значительным погрешностям в конечной скорости и увеличению рассеивания.
Во избежание этого на практике переходят на ступенчатое выключение двигателя. Вначале вырабатывается команда на существенное уменьшение тяги, а затем, когда стабилизируется малый режим работы двигателя, вырабатывается команда на окончательное его выключение. И в этом случае, конечно, двигатель мгновенно не выключается и будет ещё некоторое время работать в неустановившемся режиме, пока не завершится догорание остатков топлива, и, как следствие, ракета получит какой?то дополнительный импульс — «импульс последействия». Однако в этом случае проблема уже разрешима, так как сам импульс последействия будет значительно меньше. Если при выборе команды на окончательное выключение двигателя учесть среднее значение импульса последействия и обеспечить, чтобы величина отклонения действительного импульса от принятого среднего значения для каждой ракеты не превосходила ошибок, обусловленных работой системы управления, то, очевидно, цель будет достигнута.
Использование ступенчатого выключения двигателей при окончании активного участка у межконтинентальной баллистической ракеты не обеспечивает возможности сделать ошибки, обусловленные разбросом импульса последействия, меньше, чем ошибки системы управления. Теперь оказалось, что разброс импульса последействия является основным, доминирующим фактором и требуемую точность поражения цели обеспечить не удаётся.
Таким образом, проблема достижения требуемой точности стрельбы имела два аспекта: необходимо было либо найти такие пути управления движением ракеты на активном участке, чтобы ошибки в выработке команды на выключение двигателя в конце активного участка находились в требуемых пределах, либо обеспечить условия, при которых отклонения точек падения боевой части за счет разброса импульса последействия были бы меньше, чем отклонения, обусловленные погрешностями системы управления. Естественно, что при этом требовалось учитывать существующие технические возможности реализации предлагаемых методов парирования возмущений.
Мне предстояло найти способ парирования влияния разброса «импульса последействия». Проанализировал все традиционные пути, но решения не было видно. Конечно, можно было эту проблему переадресовать двигателистам, поставив требование уменьшить разброс импульса последействия до требуемых пределов. Однако Михаил Клавдиевич, да и мы все, понимали, что это не выход. Уж очень сложной казалась задача добиться исключительно высокой (как это требовалось в данном случае) точности в величине импульса последействия при неустановившемся режиме догорания остатков топлива. Надо было искать другие подходы.
И как только я свернул с традиционного пути, решение пришло: надо нейтрализовать влияние работы двигателя на движение отделяющейся боевой части сразу же после получения команды на окончание активного участка! Как же это сделать?
На первый взгляд, довольно просто: нужно на корпусе ракеты установить небольшие пороховые реактивные движки, которые включались по команде от системы управления и создавали бы тягу, превосходящую тягу основных двигателей и противоположную движению. При этом связи, удерживающие боевую часть в соединении с корпусом ракеты, должны освобождать боевую часть ракеты несколько раньше включения движков. Тогда корпус ракеты начнёт тормозиться, а боевая часть будет продолжать движение по требуемой траектории. Но задача будет полностью решена лишь в том случае, если задержка выхода тяги движков на требуемый режим будет достаточно малой. Принципиально такой способ обеспечивал решение задачи, что подтверждали проведённые мною расчеты.
Необходима, конечно, была и экспериментальная проверка некоторых положений. В частности, нужно было оценить величину временной задержки выхода на режим тяги движков. Такие эксперименты были мною выполнены. Суть их сводилась к исследованию путей увеличения скорости выхода тяги пороховых движков на расчетный режим. Оказалось, что у существующих пороховых двигателей неприемлемо большой разброс времени от момента подачи команды на воспламенение заряда до момента достижения требуемого значения тяги.
Эксперименты проводились на стендах нашего института, со штатными движками снаряда М-13 от знаменитой «Катюши». Анализ причин разброса указанного временного интервала определил, что он обусловлен большим свободным объемом камеры сгорания и наличием связи её с атмосферой. Из?за этого, во — первых, медленно горит воспламенитель и, во — вторых, неравномерно воспламеняются пороховые шашки. Причины эти устранялись увеличением давления в камере. Выход был прост: воспламенитель нужно поместить в замкнутый объем форкамеры, отделив его от пороховой камеры мембраной, которая обеспечит быстрый подъем давления в форкамере, и по достижении определённого давления откроет доступ продуктам горения в пороховую камеру, также пока загерметизированную. Быстрое повышение давления в пороховой камере гарантирует равномерное воспламенение пороховых шашек и повышение скорости горения уже в начале процесса. Задача эксперимента состояла в подборе объёма форкамеры, навески воспламенителя, давления разрыва мембраны, а следовательно, и её характеристик, предельного давления для разгерметизации пороховой камеры. Для корректного проведения эксперимента очень важным обстоятельством была необходимость использования безинерционной измерительной аппаратуры. Проведенные эксперименты подтвердили надёжность предложенного способа, а обработка результатов дала количественную оценку искомых параметров. Эффект достигался за счет некоторого увеличения веса ракеты, так как на ней требовалась установка дополнительных движков, но это не шло ни в какое сравнение с необходимостью проведения сложнейших работ по стабилизации импульса последействия за счет доработки двигателей.
Стратегические двухступенчатые жидкостные баллистические ракеты:
а) пакет из трех ракет Р-3 (проект Тихонравова);
б) ракета Р-7 (конструкция ОКБ-1 Королева);
в) ракета Р-16 (конструкция КБ Янгеля)
Моё предложение изменить схему отделения боевой части межконтинентальной баллистической ракеты очень понравилось М. К. Тихонравову и, несмотря на негативное отношение ведущих разработчиков ракеты Р-7 в ОКБ Королёва (требовалось некоторое увеличение веса ракеты за счет пороховых движков), принявших традиционный способ отделения боевой части, Михаил Клавдиевич посоветовал мне положить эту разработку в основу кандидатской диссертации и всемерно поддержал мои исследования в этом направлении.
Эти разработки стали известны сотрудникам Конструкторского бюро М. К. Янгеля. Представители КБ несколько раз приезжали к нам в институт, знакомились с моими наработками, и как только я защитил кандидатскую диссертацию, затребовали её в своё КБ. Я не знал, как они использовали полученные материалы. И лишь через несколько лет Павел Ефимович Эльясберг, в дискуссии о качестве кандидатских диссертаций, высказал идею, что моя диссертация хороша как классический пример кандидатской диссертации: в ней рассматривается актуальнейшая задача, корректно выполнена теоретическая часть, содержатся экспериментальные исследования, обосновывающие возможность достижения требуемых точностных параметров системы отделения, и, главное, высокая степень реализации. И здесь он мне сказал: «Предложенная Вами, Анатолий Викторович, методика отделения боевой части реализована на боевой ракете Р-16, разработки М. К. Янгеля!»
Межконтинентальная двухступенчатая жидкостная баллистическая ракета Р-16 была первой советской составной двухступенчатой ракетой, выполненной по тандемной схеме (последовательное расположение ступеней). Её испытания проводились с октября 1960 до конца 1961 года. В 1961 году был поставлен на дежурство первый ракетный полк с МБР Р-16, а ракетный комплекс был принят на вооружение. Межконтинентальная ракета Р-16 была создана достаточно оперативно (Постановление СМ СССР «О разработке комплекса» от 17 декабря 1957 года) благодаря широкому использованию технологий, отработанных при создании баллистических ракет средней дальности Р-12 и Р-14, проектирование которых началось еще в 1950 году. Эти сведения содержатся в книге «Межконтинентальные баллистические ракеты СССР (России) и США», выпущенной в 1996 году под редакцией профессора Е. Б. Волкова, где на стр. 109, в частности, зафиксировано: «Отделение головной части от корпуса ракеты осуществлялось за счет торможения второй ступени с помощью пороховых ракетных двигателей». Разработчики Р-16 «пошли дальше»! Они использовали предложенную мною методику не только для разрешения проблемы, связанной с отделением боевой части ракеты, но и при разделении ступеней, обеспечив существенное сокращение возмущений второй ступени при «отбрасывании» отработавшей первой ступени. На ракете Р-16 «Разделение ступеней осуществлялось за счет тормозных паровых двигателей 1 ступени, а отделение ГЧ — за счет тормозных пороховых двигателей 11 ступени». (А. В. Карпенко, А. Ф. Уткин, А. Д. Попов «Отечественные стратегические комплексы»). Санкт — Петербург, 1999 год, стр.21. Так этот метод стал широко использоваться в ракетостроении.
Таким образом, к началу пятидесятых годов у нас в стране велись разработки межконтинентальных баллистических ракет в трех направлениях: — первое в ОКБ Королева на базе предложения М. К. Тихонравова создать межконтинентальную ракету пакетной схемы из трех одиночных, проектируемых ОКБ Королева ракет Р-3; второе в ОКБ Королева создать межконтинентальную баллистическую ракету оптимизированной пакетной схемы с разноразмерными составляющими элементами; третье в ОКБ Янгеля создать межконтинентальную двухступенчатую баллистическую ракету тандемной схемы.
Мне пришлось участвовать в разработках первого и второго направлений и совершенно не касаться третьего.
Однако первое направление ограничилось только разработками, которые велись в НИИ-4, а в ОКБ Королева реализовать создание межконтинентальной ракеты из трех ракет Р-3 не удалось, так как оказалось невозможно в то время создать двигатель для Р-3 с требуемыми характеристиками.
Второе направление в результате завершения теоретических исследований в ИПМ АН и в НИИ-4 МО, выявило оптимальную пакетную схему, которая была принята Королевым для создания межконтинентальной ракеты Р-7. Она оказалась исключительно эффективной при использовании ее в качестве ракеты — носителя.
Третье направление завершилось созданием в ОКБ Янгеля серии межконтинентальных баллистических ракет тандемной схемы (Р-16 и др.), которые многие годы служили основным оружием стратегических ракетных войск нашей страны.
Третий искусственный спутник Земли — автоматическая научная станция
И так уж случилось, что мои разработки, выполненные в группе Тихонравова, как это не парадоксально, наиболее полно были реализованы в ОКБ Янгеля при создании межконтинентальных баллистических ракет серии Р-16!
Конечно, написанием диссертации я занимался «в свободное от основной работы» время. А основная работа была связана с решением ряда задач по теме: «Исследования по вопросу создания искусственного спутника Земли», заказанной нашему институту С. П. Королёвым в конце 1953 года. С появлением этой темы в НИИ-4 официально начинается исследование проблем, решение которых требует широкого использования методов космической баллистики. У нас уже было много наработок по этой теме, так что в её своевременном выполнении мы были уверены.
На мою «долю» выпали три задачи. Во — первых, задача анализа погрешностей вывода спутника на заданную орбиту, обусловленных отделением спутника от носителя. Здесь особых проблем не возникало, так как я решал аналогичные задачи применительно к межконтинентальной баллистической ракете. Во — вторых, задача, связанная с конструкторской проработкой автоматизированного спутника, компоновкой его элементов и составлением весовой сводки. Здесь предполагалось, что спутник будет предназначен для проведения научных исследований в космосе. Поэтому мною, основываясь на разработках кабины для высотной ракеты ВР-190 (проект М. К. Тихонравова), был предложен вариант автоматизированного спутника, который содержал все требуемые элементы, кроме состава научной аппаратуры, которую должны были определить ученые Академии наук СССР. В — третьих, задача оценки вероятности столкновения спутника с естественными космическими телами, движущимися вблизи Земли. Эта разработка особенно запомнилась, так как была первой моей печатной работой! И как впечатляюще она смотрелась на страницах журнала «Ракетная техника»!
П. Е. Эльясберг
Наши разработки, выполненные по этой тематике, были фактически результатом многолетних исследований, проведенных группой Тихонравова, и завершились они подготовкой под его руководством эскизного проекта искусственного спутника Земли. В этом проекте содержалось обоснование характеристик спутника, параметров различных систем, входивших в состав спутника, предлагались наиболее совершенные, на наш взгляд, конструктивные решения спутника и его элементов. Проект сыграл историческую роль в развитии космонавтики. Именно результаты наших исследований, представленные ученым АН СССР в конце 1955 года, способствовали принятию ими положительного решения о создании в ОКБ С. П. Королёва искусственного спутника Земли. В истории космонавтики этот спутник был третьим, он был выведен на орбиту 15 мая 1958 года, представлял собой фактически начиненную исследовательскими приборами автоматическую научную станцию, просуществовавшую в космосе до 6 апреля 1960 года.
Итак, в реализованном коллективом ОКБ Королева варианте уникального спутника «содержался» и труд нашего института! Так уже случилось, что наши разработки 1955 года «перекочевали» в ОКБ Королева вместе с М. К. Тихонравовым и членом «группы Тихонравова» Л. Н. Солдатовой, которая приняла самое активное участие в работе коллектива ОКБ. Таким образом, наш проект ИСЗ в какой?то мере был использован в разработках ОКБ Королева, и поэтому можно сказать, что и мой труд способствовал созданию исторического спутника Земли.
После принятия решения о создании Искусственного спутника Земли, у нас в институте широким фронтом развернулись работы по исследованию возможностей использования ИСЗ для решения задач в интересах Министерства обороны. В частности, мне пришлось исследовать возможность использования сбрасываемых с ИСЗ макетов для отработки элементов системы ПРО, а впоследствии и в определении перспектив использования объектов Д и ОД (спутники) для оборонных целей.
Завершилось признание космической баллистики как одного из научных направлений НИИ-4 созданием в институте (май 1956 года) специализированной лаборатории с задачами: организация баллистического обеспечения управления полётом ИСЗ и определение перспектив использования спутников в интересах Министерства обороны.
Начальником первой лаборатории космической баллистики был назначен опытный ракетный баллистик, доктор технических наук Павел Ефимович Эльясберг, который достаточно быстро «освоился» с космической баллистикой и успешно готовил свой коллектив к решению всех вопросов, связанных с проведением работ по запуску первого в мире искусственного спутника Земли.
Однако совершенно неожиданно процесс подготовки запуска в космос первой в мире автоматической научной станции был нарушен. Произошли события, которые потребовали скорректировать программу пусков ИСЗ.
Первый искусственный спутник Земли
В августе 1957 года в сообщении ТАСС было объявлено о создании в СССР межконтинентальной баллистической ракеты и об её успешном испытании. Но ожидаемого эффекта на наших возможных противников это сообщение не произвело. Они отнеслись к нему очень скептически, так что угроза атомного нападения вроде бы оставалась. Кроме того, наши спецслужбы получили информацию о подготовке в США запуска искусственного спутника Земли.
Эти два фактора и определили характер изменения намеченной программы пусков. Было принято решение срочно подготовить два «простейших» спутника (ПС-1 и ПС-2), чтобы, во — первых, опередить США в создании ИСЗ, а во — вторых, показать всему миру, что в стране есть средства, способные доставить «боевой груз» в любую точку Земли.
Наша космическая лаборатория при этом оказалась в сложнейшем положении. Из?за невозможности в создавшихся условиях использовать ЭВМ, пришлось искать «ручные способы» решения баллистических задач. А эти способы должны были решить задачу определения орбиты по данным измерений, прогнозирование движения спутника, расчет целеуказаний всем средствам наблюдений и измерений. Была создана графоаналитическая методика, основу которой составляло определение по данным измерений на специальных планшетах периода обращения спутника. Сравнением периодов обращения, вычисленных на нескольких соседних витках, можно было определить «падение» периода в функции времени, что давало возможность спрогнозировать движение спутника на несколько витков, а затем и рассчитать целеуказания всем средствам наблюдения и измерения.
При подготовке и проведении пусков первых спутников ПС-1 и ПС-2 моё участие состояло в разработках под руководством П. Е. Эльясберга графоаналитической методики и в руководстве группой, которая проводила предварительную обработку оптических измерений и приводила их к виду, удобному для использования в графоаналитической методике.