Характеристики и описание ракеты-носителя «Протон-М» (УР-500), ее конструкция

УР-500 (универсальная ракета), также называемая «Протон», — российская тяжелая ракета-носитель, выводящая автоматическую технику на околоземную орбиту и дальше в космос. Исходя из технических характеристик и описания, ракета-носитель «Протон-М» (УР-500) — одна из самых удачных разработок российских конструкторов, способная выбрасывать на геостационарную орбиту грузы весом до 3,7 т.

История разработки

Разработка УР-500 велась в период с 1961-го по 1967 год в конструкторском бюро №23, входившем в структуру ОКБ-52 Владимира Николаевича Челомея. Сегодня это ГКНПЦ имени Хруничева. Заявка на создание носителя тяжелых аппаратов для запуска в космос поступила от советского правительства в 1962 году. Однако первые наработки к тому времени уже существовали. Проектированием тяжелой ракеты-носителя с середины 1961 года занимался 1-ый филиал ОКБ-52, руководил проектом сам академик Челомей.

Согласно правительственному приказу, ракета должна была стать не просто носителем космической техники, но также баллистическим оружием высокой мощности. Но в процессе создания ракеты от боевого ее назначения решено было отказаться. УР-500 «Протон» стал создаваться как исключительно мирный аппарат для покорения космоса.

Конструкцию ракеты-носителя формировали так, чтобы ее части можно было транспортировать с производящего предприятия прямо на космодром по железной дороге. При этом перевозили части ракеты в практически собранном состоянии, чтобы минимизировать сборочные мероприятия на месте. Ограниченность размеров, загружаемых на железнодорожный транспорт, обусловила максимально возможный диаметр основных ракетных блоков — 4,1 м.

Изначально ракету УР-500 планировалось создавать на базе предыдущей модели УР-200. Для этого конструкторы хотели сформировать комплекс из 4-х ракет УР-200. Затем добавить в этот комплекс 3-ю ступень, представляющую собой модификацию 2-ой ступени УР-200. Но в ходе экспериментального исследования выяснилось, что характеристики такой конструкции не оптимальны.

В итоге решено было делать 2-ступенчатую конструкцию с поочередным размещением ступеней. Причем 1-ая ступень УР-500 была разработана с нуля. А 2-ая ступень была получена путем модификации 1-ой ступени ракеты УР-200. Для создания 1-ой ступени УР-500 специалисты конструкторского бюро Валентина Петровича Глушко сконструировали мощнейший на тот период времени двигатель, имеющий тягу 150 т, оснащенный системой дожигания генераторного газа. Топливо для такого двигателя — тетраоксид диазота и 1,1-диметилгидразин.

В начале 1962 года была определена компоновка 1-ой ступени. В ее конструкцию вошли крупный основной блок и 6 примыкающих по бокам блоков меньшего диаметра. Каждый боковой блок включает топливный бак и автономный жидкостный двигатель РД-253. В основном блоке находится резервуар с окислителем. На 2-ой ступени установили 4 двигателя, разработанных в ОКБ-154 Семена Ариевича Косберга, оснащенных расширенными соплами. На отрезке полета 2-ой ступени ракета УР-500 управляется путем раскачивания двигателей 4-мя рулевыми агрегатами.

Начальный этап разработки ракеты-носителя УР-500 «Протон» сопровождался затруднениями, связанными с использованием нового конструкционного материла ACM — цветного нержавеющего сплава, который в те годы был еще недостаточно изучен на практике. Сделанные из этого металла элементы конструкции оказывались не годными по результатам статических тестов. В итоге этот сплав заменили на другой металл с высокой пластичностью — АМГ-6 — алюминиевый деформируемый сплав. Однако это привело к некоторому утяжелению деталей ракеты.

Для эксплуатации ракеты-носителя УР-500 на космодроме «Байконур» в 1965 году был возведен комплекс, состоящий из технического блока с 2-мя местами для работников и стартового блока с 2-мя установками запуска. К весне 1965 года ракетные блоки были готовы. В экспериментальный полет решено было отправить спутниковую лабораторию «Протон», предназначенную для исследования высокоэнергетических частиц на околоземной орбите. Спутник создали в ОКБ-52. После тщательной проверки спутник и детали ракеты-носителя отправили железнодорожным транспортом на космодром.

Подготовка к экспериментальному старту проходила в спешке, что едва не стало причиной чрезвычайной ситуации. При заполнении резервуара окислителем выяснилось, что разъем заправочной трубы непрочно подкручен, в итоге некоторое количество тетраоксида диазота оказалось на электрических жгутах. К счастью, замыкания не случилось, поэтому решено было продолжить запуск ракеты.

Первый экспериментальный запуск состоялся 16 июля 1965 года. Ракета-носитель УР-500 успешно вывела на околоземную орбиту спутниковую лабораторию «Протон». В результате своего успешного старта ракета получила второе название — «Протон». Изначально ракета-носитель называлась «Геркулес», но это название не закрепилось.

Такая ракета в СССР проектировалась впервые. Некоторые конструкторские идеи, например, компоновка 1-ой ступени, были уникальными, не имеющими аналогов в мире.

Завершились испытания 2-ступенчатой ракеты-носителя УР-500 6 июля 1966 года, то есть длились целый год. За этот период ракету запускали на орбиту 4 раза, чтобы вывести 3 спутника «Протон» для спектрального и химического анализа первичных космических частиц, для изучения космических электронов и гамма-излучения.

Третий по очередности запуск оказался неудачным. Он должен был состояться 24 марта 1966 года, но не сработала 2-ая ступень. Ракета-носитель рухнула на землю близ Астаны. После 4-х успешных запусков 2-ступенчатой ракеты УР-500 «Протон» было решено создать на ее базе тяжелую ракету-носитель с увеличенной подъемной массой 700 т. Новая ракета производилась в 2-х вариациях: с 3-мя и 4-мя ступенями. Четвертая ступень представляла собой блок разгона.

В 1967 году начались запуски 3-ступенчатых и 4-ступенчатых ракет. Первую 3-ступенчатую ракету УР-500 запустили 10 марта 1967 года, она вывела на орбиту аппарат «Космос-146». В результате этот тип ракеты-носителя получил название «Протон-К».

3-ступенчатую ракету «Протон-К» использовали для выведения исследовательских аппаратов на низкую околоземную орбиту. А вот 4-ступенчатая ракета-носитель выводила технику на высокую орбиту, в том числе в геопереходные и отлетные зоны. Посредством ракеты УР-500 «Протон» в космическое пространство в разное время выводились спутники «Горизонт», «Космос», «Экран», аппараты для исследования планет Солнечной системы, орбитальные исследовательские станции «Мир» и «Салют», тяжелые модули.

С середины 2000-ых для вывода тяжелых грузов в космическое пространство используется модернизированная версия ракеты-носителя УР-500 — «Протон-М». В сентябре 2016 года ГКНПЦ имени Хруничева начал разработку средней и легкой модификаций ракеты «Протон-М» с блоком разгона «Бриз-М». Разработка велась совместно с американской производственной компанией International Launch Services.

Конструкция и ее особенности

Изначальная 2-ступенчатая ракета УР-500 стала первым носителем среднего класса, а 3-ступенчатая — тяжелого. 3-ступенчатую ракету-носитель оснастили автономно работающей инерциальной системой управления. Благодаря ей, вывод техники на любую орбиту отличается максимальной точностью. Такую систему управления разработали конструкторы под началом академика Николая Алексеевича Пилюгина.

Приборная панель системы управления находится в отсеке в ускорителе 3-ей ступени. Этот негерметичный отсек представляет собой торовую оболочку для передачи вращения поперечного сечения в форме прямоугольника. Система организована по принципу тройного резервирования. Помимо основных механизмов управления, система включает 3 гироскопических стабилизатора, устройства корректировки кажущейся скорости и определения завершения активной части траектории. Система командного управления тоже основана на принципе тройного резервирования, что делает вывод техники в космос более точным и надежным.

Первая ступень

Первая ступень ракеты УР-500 «Протон» представляет собой основной блок, окруженный симметрично расположенными 6-ю меньшими блоками. Основной блок состоит из 3-х отсеков: переходного, хвостового и содержащего резервуар с окислителем. Каждый боковой блок тоже состоит из 3-х отсеков, но других: переднего, хвостового с двигателем, а также третьего, содержащего топливные баки.

Двигательная система 1-ой ступени ракеты включает 6 автономно действующих жидкостных двигателей РД-253, оснащенных турбонасосным механизмом для подачи топлива. Активизируется двигатель посредством пробивания пиропатрона во входной части силовой установки.

Вторая ступень

Вторая ступень ракеты-носителя «Протон» цилиндрическая, включает 3 отсека: переходный, хвостовой и вмещающий топливо. Силовая система 2-ой ступени состоит из 4-х автономно работающих жидкостных двигателей: трех РД-0210 и одного РД-0211. Последний двигатель — доработанная установка РД-0210, предназначенная для наддувания резервуара с топливом. Каждый двигатель способен смещаться примерно на 3° по касательной к выбранным точкам.

Двигательная система 2-ой ступени ракеты УР-500 оснащена турбонасосным механизмом и дожигателем генераторного газа. Ее огульная тяга в вакуумных условиях составляет 2352 кН. Двигательная система 2-ой ступени включается до деактивации двигателей 1-ой ступени. То есть расхождение ступеней при полете ракеты осуществляется по «горячей» схеме. Когда тяга силовой установки 2-ой ступени становится больше остаточной тяги двигателей 1-ой ступени, взрываются скрепляющие пиропатроны. Ступени раздвигаются. Выделение продуктов горения из жидкостного двигателя 2-ой ступени затормаживает и толкает в противоположном направлении 1-ую ступень ракеты.

Что касается 3-ей ступени, устанавливаемой на УР-500 «Протон-К» и «Протон-М», то она тоже цилиндрическая, состоящая из 3-х отсеков: приборного, хвостового и содержащего топливо. Эта ступень сконструирована на базе 2-ой. С этой целью изначальную 2-ю ступень УР-500 укоротили, в нее внедрили один жидкостный двигатель вместо 4-х.

Этот двигатель РД-0212 — конструкционно и функционально модифицированный аналог силовой установки РД-0210 2-ой ступени. Этот двигатель представляет собой систему, состоящую из основного 1-камерного агрегата РД-0213 и рулевого 4-камерного РД-0214. Тяга первого двигателя «Протон-М» в вакууме составляет 583 кН, второго — 31 кН.

Принцип разделения 2-ой и 3-ей ступеней такой же. Переносимый ракетой груз отделяется после деактивации рулевого агрегата РД-0214. А для торможения 3-ей ступени включаются 4 твердотопливных двигателя.

Какое используется топливо

Используемое в ракетах-носителях УР-500 «Протон» топливо остается неизменным: это вещество (CH₃)2N₂H₂, оно же 1,1-диметилгидразин или гептил, а также N₂O₄, или тетраоксид диазота. Благодаря самовоспламеняющемуся топливу, двигательная система ракеты «Протон» упростилась, стала надежнее. Однако обращаться с топливом следует с предельной осторожностью, поскольку оно крайне ядовитое.

Технические характеристики

Основные технические характеристики ракеты-носителя «Протон-М» представлены в таблице.

Длина	58,2 м
диаметр	4,1 м
стартовый вес	705 т
полезная нагрузка на низкую околоземную орбиту	23,7 т
полезная нагрузка на геопереходную орбиту	7,1 т
полезная нагрузка на геостационарную орбиту	3,7 т
параметры 1-ой ступени
длина	21,2 м
диаметр	7,4 м
сухой вес	30,6 т
стартовый вес	459 т
тяга	10026 кН
удельный импульс в приземных условиях	288 с
удельный импульс в вакуумных условиях	316 с
период активности	121 с
параметры 2-ой ступени
длина	17 м
диаметр	4,1 м
сухой вес	11 т
стартовый вес	168 т
тяга	2400 кН
удельный импульс	320 с
период активности	211 с
параметры 3-ей ступени
сухой вес	3,5 т
стартовый вес	46,5 т
маршевая тяга	583 кН
рулевая тяга	31 кН
удельный импульс	325 с
период активности	240,5 с

Стартовые площадки

Ракету-носитель «Протон-М» запускают исключительно с космодрома «Байконур». Рабочая зона значится под номером 92/1. А зона с пусковыми установками называется площадкой №81. В конце 1970-х введена в эксплуатацию вторая стартовая площадка №200. Она обеспечивает реализацию увеличивающихся проектов запусков разнообразной космической техники.

Между стартовыми площадками проложена коммуникационная сеть, создана общая инфраструктура. Для обеспечения запусков предусмотрены складские и производственные помещения, где хранятся запасы воды, сжиженных газов, хладагентов, где генерируется электрическая энергия.

Части ракеты УР-500 собираются горизонтально в монтажно-испытательном блоке на площадке №92. Там же на ракету устанавливается полезная нагрузка, проверяются все механизмы и системы функционирования. По железнодорожным путям на специальном транспортере ракета-носитель перевозится из монтажно-испытательного блока на заправочную станцию, там заправляется разгонный блок «Бриз-М». Заправленная ракета перевозится на стартовую площадку, фиксируется на пусковой системе. Для проверки электрической связи, заправки ракеты и разгонного блока, готовности силовой и пусковой системы используется передвижная обслуживающая станция, подъезжающая к ракете по рельсовым путям.

Сегодня на космодроме «Байконур» предусмотрены 4 стартовые точки для ракет-носителей «Протон-К» и «Протон-М». Две на площадке №81 и столько же на площадке №200. Только 3 из них функциональны. Стартовые точки, находящиеся в западной части космодрома, носят название «левых», а те, что расположены в восточной части, именуются «правыми». Левая точка на площадке №81 получила название №23, правая — №24. Левая точка на площадке №200 обозначается как №39, а правая — №40.

У каждой из этих площадок свое назначение:

• пусковая зона №23 предназначена для запусков ракеты-носителя «Протон-К» для осуществления федеральных проектов, последний старт состоялся в марте 2004 года, после чего площадка до сих пор не эксплуатируется, хотя остается функциональной;
• пусковая зона №24 стала пусковой точкой для ракет «Протон-К» и «Протон-М», запускаемых в рамках проектов федерального уровня;
• пусковая зона №39 предназначена для запусков ракет-носителей «Протон-М» и «Протон-К», участвующих в международных проектах, что реализуются компанией «International Launch Services»;
• пусковая зона №40 действовала до 1991 года, сегодня пустует, а ее техническое оснащение демонтировано, хотя эту пусковую площадку планировали переоснастить под запуск ракет вида «Ангара», но в итоге переоснастили другую стартовую площадку №250.

Как производится сборка

В качестве сборочного цеха для ракеты-носителя «Протон-М» в последнее время используется преимущественно монтажно-исследовательский блок №92-А50, осовремененный в 1998 году. В 2001 году был установлен и запущен огульный оптоволоконный блок дистанционного управления космической техникой. Благодаря этой системе, руководство по подготовке ракеты-носителя к запуску осуществляется прямо из пультового помещения, находящегося в блоке №92-А50.

Сборка ракеты-носителя — процесс непростой, протекающий поэтапно:

1. Блоки ракеты «Протон-М» транспортируют в монтажный блок №92-А50. Там каждый блок проходит отдельную проверку. Начинается сборка. Первую ступень собирают в особом стапеле, благодаря чему удается заметно сократить трудовое время, сделать конструкцию надежнее.
2. Комплекс из 3-х ступеней подвергают многоуровневой проверке, результатом которой становится заключение о том, что собранная система готова к соединению с головной частью.
3. Ракету транспортируют в цех №103 монтажного блока №92-А50. Там очищают внешние поверхности, проводят подготовку к разгрузке.
4. Ракету-носитель извлекают. Перевозят в цех №103А, где заправляют топливом. В том же цеху проверяют ракету. Затем транспортируют в цех №101, где ракета соединяется с блоком разгона «Бриз-М».
5. Состыкованную ракету перевозят в цех №111. Там проводятся послесборочные испытания.
6. Спустя несколько суток после испытаний ракета в полном комплекте транспортируется из монтажно-исследовательского блока на заправочную станцию, где заполняются баки блока разгона «Бриз-М». Процедура занимает двое суток.
7. Когда все сборочные и подготовительные мероприятия завершатся, назначается заседание госкомиссии, которая рассматривает результаты выполненных работ в технической и стартовой зонах космодрома. По итогам заседания принимается решение, устанавливать или нет ракету-носитель на стартовую площадку.
8. Если госкомиссией принято положительное решение, ракету-носитель транспортируют на стартовую площадку.

Что касается сборки ракеты-носителя «Протон-К», то ее производят преимущественно в монтажно-исследовательском блоке №92-1.

Где применяется

Ракета-носитель УР-500 «Протон» выводила на орбиту все советские и российские космические станции, а также станционные модули для МКС и «Мир». На ракете «Протон» выводили корабли ТКС и Л-1, которые планировалось эксплуатировать в рамках советской лунной программы. УР-500 подходит для вывода тяжелых искусственных спутников Земли любого назначения. Сегодня ракету-носитель «Протон-М» используют в рамках федеральных и коммерческих космических проектов, она выводит в космос и российские, и зарубежные аппараты.

Летом 2018 года тогдашний гендиректор компании «Роскосмос» Дмитрий Олегович Рогозин дал указание завершить производство ракеты «Протон», когда завершится выполнение уже действующих контрактов. В дальнейшем планируется эксплуатировать для вывода крупных грузов на орбиту исключительно ракету «Ангара». В декабре 2019 года прекратился выпуск двигателей для 1-ой ступени ракеты-носителя «Протон-М». Контракты, заключенные на коммерческую и федеральную эксплуатацию ракеты «Протон-М» заключены до 2025 года.

Сколько стоит «Протон-М»

Стоимость ракеты-носителя УР-500 «Протон-М» нестабильна, меняется из года в год. Причем на ее цену влияет, с каким заказчиком заключен контракт: федеральным и коммерческим.

В конце 1990-ых коммерческий запуск ракеты-носителя «Протон-К» варьировался в сумму от 65 до 80 миллионов долларов. К середине 2000-ых цена запуска существенно снизилась из-за снижения конкурентоспособности, составила 25 миллионов. Но к концу 2000-ых стоимость начала быстрыми темпами возрастать. К началу 2008 года она составила приблизительно 100 миллионов долларов на запуск ракеты «Протон-М» с блоком разгона «Бриз-М». Тогда же случился обвал рублевого курса. В результате этого финансового кризиса уже в 2009 году стоимость эксплуатации ракеты «Протон-М» сократилась до 65 миллионов.

По федеральным контрактам стоимость заказов стабильно увеличивается с начала 2000-ых. Если в 2001-ом пуск ракеты «Протон-М» без блока разгона стоил 252 миллиона рублей, то в 2011 году стоимость выросла до 1356 миллионов. А цена запуска носителя «Протон-М» с блоком «Бриз-М» в 2011 году составила 2,4 миллиарда рублей. Для сравнения с коммерческими программами, это приблизительно 80 миллионов долларов. Из этой суммы 420 миллионов рублей составила стоимость разгонного блока «Бриз-М», а 570 миллионов — работы по запуску.

Для оценки темпов роста цены, приводим цены на запуск ракеты «Протон-М» в 2013 году. Общая стоимость составляла 2,84 миллиарда рублей. Из этой суммы 447 миллионов приходилось на производство блока разгона, 690 миллионов рублей — на подготовительные работы по запуску.

Аварии в истории

Не стоит думать, что ракета-носитель «Протон» безупречна, поскольку ее разработка была уникальной. Как любая техника, ракета ломалась, отказывала. С 1967 года было осуществлено 404 запуска УР-500. Из этого количество 49 пусков оказались провальными, что было связано с дефектами работы ступеней или блока разгона.

Наибольшее количество аварий случилось в 1960-1970-е, в период так называемой «Лунной гонки» между США и СССР. Тогда проходили испытания блока разгона ракеты-носителя, аппаратов «Зонд», «Марс» и «Луна». 9 аварий случились во время активизации ступеней ракеты-носителя. Еще 4 аварии произошли из-за отказа силовой системы блока разгона. Итог: лишь 10 запусков из 25 в тот период оказались успешными.

Трагический эпизод в истории эксплуатации ракеты-носителя «Протон» произошел в июле 1968 года. Когда на космодроме «Байконур» готовили ракету для вывода корабля «Зонд-5Б», разорвался резервуар с окислителем в разгонном блоке, вызвав частичное разрушение головного обтекателя. Корабль рухнул вниз, уперся в площадку обслуживания. Резервуар, заполненный керосином, обрушился на 3-ю ступень ракеты. Погибло трое рабочих.

В феврале 1969-го случилось еще одно чрезвычайное происшествие. Уже после старта ракеты, когда она проходила участок предельного скоростного давления, разрушился головной обтекатель. Из-за этого был уничтожен переносимый ракетой аппарат «Луноход». В этом же году, но в апреле, случилась авария при выводе межпланетной станции «Марс». На взлете отказал один из двигателей РД-253. Ракета рухнула на землю в 3 км от стартовой площадки. Постройки на космодроме остались целыми, только в ближайшем к точке падения механико-исследовательском блоке разбились оконные стекла.

В постсоветский период и в новейшее время тоже было немало аварий, из-за которых компании «Роскосмос» приходилось оправдываться перед коммерческими заказчиками. Но не только в заказчиках дело. Поскольку в аварийных случаях части ракет падают на территории Казахстана, все запуски носителя «Протон» вызывают бурю негатива у местного правительства и общественности.

Так, в 1999-ом ракеты «Протон» два раза падали в Карагандинской области. В первом случае части носителя обрушились на жилую зону. К счастью, ничего не разрушили. Но разлившееся ракетное топливо спровоцировало пожар в степи. Во втором случае части ракеты и переносимого ею спутника «Экспресс-А» рухнули в малозаселенную зону Карагандинской области. И, хотя пострадавших и погибших не было, казахстанские власти заявили, что планируют изменить договор на аренду космодрома «Байконур» Россией. Основной идеей, выдвинутой властями Казахстана, стал не уведомительный принцип ракетных пусков, а с получением разрешения. Некоторые казахстанские депутаты вовсе предложили разорвать арендный договор с Россией, запретить эксплуатацию «Байконура».

В конце 2006-го и начале 2007-го произошел ряд крупных аварий, из-за которых разрушилось несколько отечественных спутников. Эти аварии оказались весьма резонансными, подорвали доверие общественности к российским космическим программам. Был уволен ряд чиновников «Роскосмоса». Говорили даже о кардинальном преобразовании российского космического производства.

Есть ли аналоги

Сегодня существуют несколько тяжелых ракет-носителей, которые по техническим и эксплуатационным характеристикам похожи на ракету «Протон-М».

Основные конкурирующие аналоги носителя «Протон-М»:

• «Falcon-9» (США);
• «Ariane-5» (Европейское космическое агентство);
• «Зенит-3SL» (международный проект «Морской старт»).

Если смотреть по полезному весу, выводимому на околоземную орбиту, то аналогами можно считать и носители Delta-4 и Atlas-5 производства США, а также японскую ракету H-IIB. Но стоимость перечисленных носителей существенно выше, чем УР-500, поэтому назвать их конкурентами невозможно. Однако с 2016 года цена запуска Falcon-9 стала дешевле, чем пуска УР-500.

Еще один возможный конкурент — китайский носитель среднего класса «Чанчжэн-3В». Но сегодня эта ракета почти не эксплуатируется из-за санкций, наложенных на вывоз высокотехнологичных товаров из США в КНР.