Ракета–носитель «Союз–У»

техническое описание

Источник:
CD–ROM «Современные отечественные ракеты–носители», «Мегарусс», 1997 г.

первая ступень
вторая ступень
третья ступень
головная часть

   В базовом варианте РН «Союз–У» — трёхступенчатая ракета–носитель. Первая и вторая ступени РН соединены по схеме «пакет», причём в качестве первой ступени используются четыре боковых блока «Б», «В», «Г», «Д», в качестве второй ступени выступает центральный блок «А». Третья ступень (блок «И») соединена со второй ступенью по схеме «тандем». На третью ступень через переходный отсек под головным обтекателем устанавливается КА. В зависимости от типа аппарата обтекатель может иметь различные размеры и форму.

Первая ступень

   Четыре боковых блока, образующие первую ступень, по конструкции одинаковы. Длина каждого блока — 19 600 мм, наибольший диаметр — 2680 м. Сухая масса блока 3915 кг, стартовая — 44 200 кг.

   Боковой блок состоит из опорного конуса, переходного конуса, бака окислителя, межбакового отсека, бака горючего, силового кольца, хвостового отсека и двигательной установки.
   Опорный конус служит для стыковки бокового и центрального блоков, через него осуществляется передача продольных усилий. Изготовлен он сваркой из титановых сплавов. Конус имеет в вершине сферическую опору, в которую запрессован палец, предотвращающий разворот бокового блока вокруг продольной оси в момент разделения. В сферической опоре также устанавливается контактный датчик системы разделения.
   Переходный конус расположен между опорным конусом и баком окислителя. В нём размещены элементы системы отделения бокового блока от центрального, а также арматура и трубопроводы системы наддува бака окислителя. Конус представляет собой сварную конструкцию из титанового сплава, включающую обечайку и шпангоуты.
   Бак окислителя выполнен по несущей схеме из алюминиевого сплава АМг–6. Он состоит из конических обечаек переменной толщины, верхнего и нижнего сферических днищ. Обечайка бака изнутри подкреплена шпангоутами Z–образной формы. Днища обработаны химическим фрезерованием по специальному рисунку для уменьшения массы и обеспечения равнопрочности. Нижнее днище имеет теплоизоляцию из стекловолокнистого материала с капроновым покрытием.

   Межбаковый отсек образован частью обечайки бака горючего. Внутри него расположены приборы системы управления первой ступени. Обечайка межбакового отсека негерметичная, имеет технологические люки и подкреплена двумя стыковочными и четырьмя промежуточными шпангоутами, а также набором стрингеров.
   Бак горючего выполнен по несущей схеме из сплава АМг–6. По конструкции он аналогичен баку окислителя; особенностью является наличие тоннельного трубопровода, внутри которого проходит расходная магистраль окислителя. Кроме того, бак горючего не имеет демпфирующих перегородок.
   Обечайка бака горючего имеет продолжение за нижним днищем в виде юбки, которая образует негерметичный отсек. В нём расположены два тороидальных бака — для хранения жидкого азота и перекиси водорода. Жидкий азот используется для полётного наддува баков, а перекись служит для привода турбонасосного агрегата двигателя. Этот отсек клёпаной конструкции, имеет люки для доступа к агрегатам, находящимся в этом отсеке и подкреплен силовым набором из Z–образных шпангоутов и уголковых стрингеров.
   Торообразный бак азота расположен непосредственно под нижним днищем бака горючего. Бак сварной и выполнен из алюминиевого сплава. Он закреплен на кронштейнах, находящихся в верхней части бака перекиси водорода. Снаружи бак закрыт теплоизоляцией из стекловолокна и капроновой ткани.
   Торообразный бак перекиси водорода расположен ниже бака жидкого азота. Он больше по объёму и выполнен из алюминиевого сплава АМг–5В, который хорошо сваривается и, в отличие от АМг–6, мало разлагает перекись водорода.
   Силовое кольцо соединяет отсек, в котором расположены торообразные баки, с хвостовым отсеком и воспринимает нагрузки от рамы двигательной установки. Оно представляет собой клёпаную конструкцию коробчатого сечения, которая стыкуется с отсеками посредством болтового соединения. На силовом кольце установлены два кронштейна, к которым крепятся тяги поперечного соединения бокового блока с центральным. Тяги стальные, сварены из труб. К силовому кольцу тяги крепятся с помощью карданного соединения.
   В хвостовом отсеке размещены ракетный двигатель, рулевой агрегат и часть приборов. Он состоит из силовой цилиндрической оболочки и днища. Оболочка собирается из четырех панелей, каждая из которых имеет поперечный и продольный силовой набор. Панель, обращенная к центральному блоку, имеет срез под обтекатель рулевой камеры центрального блока. В обшивке панелей предусмотрены люки и вырезы. В плоскости стабилизации на оболочке корпуса установлен пилон, на котором располагается воздушный руль. Днище корпуса хвостового отсека имеет квадратное, с закругленными углами, отверстие, в которое входят выступающие за торец хвостового отсека сопла двигательной установки. На днище смонтированы две балки, к которым прикреплены опорные площадки под рулевые камеры. Наружная часть днища и часть боковой поверхности корпуса хвостового отсека имеют теплозащиту в виде слоя асбеста, покрытого хромированными листами. Хвостовой отсек выполнен клёпаным, из сплава Д–16.
   В хвостовом отсеке каждого бокового блока размещается ЖРД РД–117, который является модификацией двигателя РД–107, разработанного под руководством В.П.Глушко в ОКБ–456 (ныне НПО «Энергомаш» им. академика В.П.Глушко).
   ЖРД включает в себя 4 неподвижные основные и 2 подвижные рулевые камеры (рулевые камеры первоначально были разработаны в ОКБ–1 под руководством М.В.Мельникова), а также питающий их турбонасосный агрегат (ТНА), парогазогенератор каталитического разложения перекиси водорода, агрегаты управления и силовую раму. Двигатель выполнен по открытой схеме.
   ТНА содержит два основных насоса (горючего и окислителя) и осевую двухступенчатую турбину, установленные на одном валу, а также два вспомогательных насоса, приводящиеся во вращение через шестерёнчатый мультипликатор.
   Первый из вспомогательных насосов подает жидкий азот в теплообменник, который встроен в выхлопной коллектор турбины. Испарившийся в теплообменнике азот используется для наддува всех баков блока. Второй вспомогательный насос подает 82–процентную перекись водорода в парогазогенератор. Полученный парогаз вращает турбину ТНА и выбрасывается через выхлопной патрубок.
   Тяга каждой из рулевых камер примерно в шесть раз меньше, чем основных. Рулевые камеры при помощи гидроприводов могут отклоняться на углы до 45 градусов.
   Запуск ЖРД плавный, трёхступенчатый, с первоначальной подачей перекиси водорода в парогазогенератор от наземных средств. Зажигание топлива в камерах осуществляют пиротехнические устройства, устанавливаемые на деревянных штативах со стороны сопел. Регулирование тяги в полёте производится за счет изменения подачи перекиси водорода в парогазогенератор. Соотношение компонентов в камерах при этом регулируется дросселем горючего.
   Выключение ЖРД — двухступенчатое. Сначала двигатель переводится для обеспечения требуемых условий разделения блоков на режим пониженной (промежуточной) тяги, а затем одновременно отсекается подача компонентов в камеры и парогазогенератор. Агрегаты автоматики ЖРД имеют пневмоуправление азотом от пневмосистемы блока, обеспечивающей при запуске также продувку камер.
   Тяга ЖРД передается на силовое кольцо бокового блока через стальную трубчатую раму. Узлы крепления основных камер к раме расположены на наружных днищах их смесительных головок.
   ЖРД РД–117 устанавливается под углом 3,5 градуса к продольной оси бокового блока. При этом оси всех ЖРД боковых блоков оказываются параллельными продольной оси РН.

Вторая ступень

   Вторая ступень РН (центральный блок, блок «А») имеет длину 27 138 мм и наибольший диаметр 3300 м. Её сухая масса составляет 7100 кг, а стартовая - 101 900 кг.

   Блок «А» состоит из фермы, отражателя, приборного отсека, бака окислителя, бака горючего, силового кольца, торовых баков перекиси водорода и жидкого азота, а также хвостового отсека.
   Ферма связывает центральный блок с третьей ступенью ракеты — блоком «И» — и обеспечивает свободный выход газов при запуске его двигателя. Она сварена из стальных труб. По верхнему торцу фермы расположены 12 опор, на шести из которых имеются пирозамки крепления блока «И».
   Отражатель представляет собой клёпаную куполообразную конструкцию, состоящую из каркаса, выполненного из АМг–6 и включающего радиальные лонжероны и кольцевые шпангоуты, и покрывающей его оболочки. Последняя изготовлена из титановых листов. Кроме того, на титановой оболочке закреплен слой ТЗП из асботекстолита. В вершине купола из асботекстолита сформирован конический выступ.
   Приборный отсек классической клёпаной конструкции выполнен из сплава Д–16Т. Внутри его корпуса к стрингерам силового набора прикреплены фанерные стенки. Они делят внутреннее пространство на отсеки, доступ к которым осуществляется через люки.
   Бак окислителя образован двумя усечёнными коническими оболочками и сферическими днищами. В месте стыка конусов расположен силовой пояс. Все элементы бака выполнены из АМг–6. Конические оболочки сварены из обечаек переменной толщины, которые изнутри с помощью точечной сварки подкреплены шпангоутами.
   Силовой пояс является основным элементом, воспринимающим осевые и радиальные усилия, а также крутящий момент от боковых блоков. Он состоит из двух силовых шпангоутов, обечайки и четырех силовых кронштейнов. Шпангоуты приварены к обечайке и образуют жесткую конструкцию, которая воспринимает нагрузки от силовых кронштейнов. Они выполнены цельноштампованными и приварены к обечайке силового пояса.
   В месте стыка нижнего днища с конической оболочкой к нему точечной сваркой крепится распорный силовой шпангоут и переходная обечайка юбки. С наружной стороны к днищу приклеена теплоизоляция из стекловолокнистого материала, покрытого капроновой тканью. Конструкция верхнего и нижнего днищ идентична.
   Нижняя юбка имеет силовой набор и образует межбаковый отсек. К нижнему стыковочному шпангоуту юбки посредством болтового соединения крепится бак горючего.
   Внутри бака окислителя установлены 8 радиальных перегородок и другая внутрибаковая арматура.

   Бак горючего сварной, цилиндрической формы. Он состоит из верхнего и нижнего днищ и семи обечаек изготовленных из АМг–6. В конструкции бака горючего много общего с баком горючего бокового блока. В негерметичном отсеке блока «А», расположенном за нижним днищем бака горючего размещен сначала бак с перекисью водорода, а за ним бак с жидким азотом. Назначение этих компонентов то же, что и на первой ступени. Этот отсек образован юбкой, приваренной к нижнему шпангоуту бака горючего. Юбка снабжена силовым набором.
   Силовое кольцо воспринимает нагрузки от рамы двигателя, хвостовой части блока «А» и от боковых блоков через механизмы связей. Оно представляет собой клёпаную конструкцию коробчатого сечения, состоящую из силовых элементов и обшивки. На кольце расположены четыре кронштейна с механизмами связи центрального блока с боковыми. Этот механизм включает шариковый замок и пиропатрон.
   Хвостовой отсек состоит из силовой цилиндрической оболочки, нижнего торцевого шпангоута и четырех обтекателей рулевых агрегатов. Оболочка образована четырьмя панелями, каждая из которых включает в себя набор из сегментов шпангоутов, стрингеров и обшивки. Конструкция клёпаная из Д–16. Оболочка корпуса, а также нижняя поверхность торцевого шпангоута защищены от воздействия струи двигателя слоем асбеста или асботекстолита и стальными хромированными полированными листами.
   В хвостовом отсеке размещен маршевый ЖРД РД–118, являющийся модификацией РД–108, также созданного в НПО «Энергомаш» под руководством В.П.Глушко. По конструкции он аналогичен РД–117 и отличается от него характеристиками, числом рулевых камер (на РД–118 их четыре) и исполнением ряда агрегатов, в частности, дросселя горючего, осуществляющего регулирование соотношения компонентов топлива в двигателе с целью синхронизации опорожнения баков. Тяга двигателя передается на корпус блока «А» также через силовую раму. На ней закреплены все агрегаты топливоподачи и управления двигателя, а также часть приборов системы управления РН.
   Запуск ЖРД РД–118, в отличие от РД–117, производится в две ступени, а выключение осуществляется без предварительного перевода на режим промежуточной тяги.
   Важной особенностью РН является раздельная транспортировка баков окислителя и горючего блока «А» с завода–изготовителя на космодром из–за ограничений железной дороги. Окончательная сборка блока осуществляется уже в полигонных условиях.

   Боковые блоки крепятся к центральному автономно с помощью верхних и нижних узлов связи. Верхние узлы связи предназначены для передачи осевых усилий (тяги двигателей), а нижние — для восприятия поперечных нагрузок. Таким образом, большая часть корпуса центрального блока в полёте не нагружается тягой боковых блоков. А при нахождении на стартовом устройстве РН закреплена на нем в районе верхних узлов крепления боковых блоков, что также обеспечивает благоприятные условия нагружения блоков РН.
   Данная схема размещения ракеты пакетной схемы на стартовом устройстве не имеет аналогов.

Третья ступень

   В качестве третьей ступени на РН «Союз–У» служит блок «И».
   Существуют три модификации блока «И», различающихся конструкцией переходных отсеков и некоторыми элементами пневмогидравлической системы. Соответственно несколько различаются длина блока (7940…9400 мм) и сухая масса (среднее значение 2710 кг). Диаметр всех вариантов блоков «И» одинаков — 2660 м.

   Третья ступень (блок «И») состоит из переходного отсека, бака горючего, бака окислителя и хвостового отсека.
   Переходный отсек служит для связи блока с КА. Он имеет цилиндрическую форму и представляет собой клёпаную конструкцию, которая включает два торцевых и два промежуточных шпангоута, набор стрингеров и обшивку, выполненные из сплава Д–16Т. На верхнюю часть отсека крепится головной обтекатель, а внутри находятся толкатели системы отделения КА.
   Бак горючего расположен в верхней части блока. Конструктивно он состоит из двух сваренных между собой полусферических днищ и соединённых с ними снаружи двух цилиндрических юбок. Обечайки юбок приварены к днищам с помощью точечной сварки. Изнутри они подкреплены стрингерами и промежуточными шпангоутами. К свободному торцу каждой юбки приклёпан стыковочный шпангоут. Днища и обечайки выполнены из АМг–6, а силовой набор из Д–16. Внутри бака расположены датчик уровня системы синхронного опорожнения баков (СОБ), указатель наполнения, заправочная труба и дренажно–наддувная труба.

   Бак окислителя выполнен аналогично баку горючего. Отличия состоят в том, что между днищами вварена цилиндрическая обечайка, а сами днища бака покрыты теплоизоляцией из стекловолокна и капроновой ткани. Обечайка юбки верхнего днища образует межбаковый отсек, который используется для размещения приборов системы управления. В нём имеется 6 люков для установки приборов и один люк для установки дренажно–предохранительного клапана окислителя. К нижнему днищу дополнительно приварена коническая обечайка, к которой крепится рама двигательной установки. Внутри бака расположены тоннельный трубопровод и другая арматура.
   Хвостовой отсек предназначен для соединения блока «И» с фермой блока «А» и защиты двигателя от внешних воздействий. Он представляет собой клёпаную конструкцию, которая включает обшивку и силовой набор из двух торцевых, трех промежуточных шпангоутов, а также стрингеров. На нижней торцевой поверхности расположены сегменты тепловой защиты. Основной материал Д–16, крышки люков выполнены из АМг–6, а сегменты защиты — из титанового сплава ОТ–4.

   Главная особенность хвостового отсека заключается в том, что он выполнен сбрасываемым. Конструктивно хвостовой отсек состоит из трёх панелей, соединенных между собой рычажными замками продольного стыка. В состав системы сброса входят также шесть шариковых пирозамков поперечного стыка, шесть пружинных толкателей поперечного стыка и три пары пружинных толкателей продольных стыков.
   На блоке «И» установлен ЖРД РД–0110. Он создан в Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА) под руководством С.А.Косберга на базе двигателей РД–0106 (МБР Р–9), РД–0107 (РН «Восход») и РД–0108 (РН «Союз»).
   Этот четырёхкамерный двигатель выполнен по схеме без дожигания с турбонасосной системой подачи топлива. Все четыре камеры питаются от одного ТНА, который расположен по оси блока между камерами вертикально. Рабочим телом его одноступенчатой осевой газовой турбины являются восстановительный газ, вырабатываемый газогенератором на основных компонентах. Этот газ после турбины направляется в четыре поворотных рулевых сопла, управляющих полётом блока за счёт их отклонения на углы до 40 градусов. Первоначальная раскрутка ТНА при запуске осуществляется пороховым стартером. Система зажигания в камерах и газогенераторе - пиротехническая. Газогенератор имеет стабилизацию соотношения компонентов и температуры вырабатываемого газа.
   В состав ЖРД входят также элементы системы наддува — газификатор, в котором испаряется жидкий кислород, идущий на наддув бака окислителя, и теплообменник, в котором охлаждается генераторный газ, отбираемый из коллектора турбины и идущий на наддув бака горючего.
   Рулевые сопла с тягой по 6 кН установлены в нижней части силовой рамы двигателя. В полёте по командам от систем РКС и СОБ блока регулируются тяга двигателя и соотношение компонентов топлива в камерах. Агрегаты автоматики двигателя имеют пиротехнический привод и обеспечивают двухступенчатый запуск ЖРД и его одноступенчатое выключение.

Головная часть

   Защита КА на атмосферном участке полёта РН обеспечивается головным обтекателем. На РН «Союз–У» используется несколько типов головных обтекателей. Они различаются размерами, конструкцией и используемыми материалами. В частности, некоторые типы обтекателей изготавливаются из композиционных материалов.