Космический вигвам: как устроен космодром

Во-первых, запуск ракеты на жидком топливе требует уникальной процедуры сборки, а для нее необходимы особые технические условия. Обеспечить их вне космодрома нереально, потому что транспортировать ступень ракеты, заправленную топливом и химическими составляющими, – все равно что возить ядерную бомбу в бетономешалке.

Во-вторых, баллистика полета для выведения спутника или ракеты на геостационарные орбиты должна иметь оптимальные параметры. В плоскости экватора находится глобальная локализация ретрансляторов передач и спутников связи. Космодром же должен находиться в более низких широтах, дабы избежать лишних затрат. Отклонение всего на 1° от экватора влечет за собой прирост скорости ракеты приблизительно в 100 м/с. Дополнительный «бонус» запуска с экватора состоит в том, что ракета моментально получает скорость 465 м/с, если вылетела в сторону востока. Израилю с этой точки зрения не повезло, так как на востоке у него находятся не очень дружелюбные соседи, и запуск приходится осуществлять в противоположном направлении. А у «частного» плавучего космодрома Sea Launch, принадлежащего российской дочерней компании корпорации «Энергия», в этом плане идеальное расположение – прямо на экваторе. Немного уступает ему бразильский Алькантара, расположившийся на широте 2,2°, и европейский Куру на широте 5°.

Наш строящийся космодром Восточный расположен на 6° севернее Байконура, что повлечет снижение массы выводимых грузов. Зато у России будет космодром в личном пользовании, что очень удешевляет его содержание. 

В-третьих, при запуске ракеты происходит отделение четырех ступеней, каждая из которых весит не менее 120 т. По этой причине большинство космодромов находится на побережье океанов, где ступень может упасть в воду. У Байконура в этом плане все сложнее: его дислокацию в казахских степях когда-то выбрали во избежание проблем с Америкой. (Варианты базирования на Дальнем Востоке и Кавказе отбросили из-за близости к американским базам в Турции и Японии: любой запуск мог быть запеленгован, а отличить на радаре космическую ракету от боевой было нереально.) Морей и океанов поблизости не оказалось, так что пришлось расширить общую площадь на добрую сотню километров – до невероятных 6717 км². (Площадь Восточного, кстати, в шесть раз меньше.)

В-четвертых, для полноценного функционирования космодрома необходимо доставлять титанические объемы грузов, большинство из которых – негабаритные, требующие бережного обращения. Поэтому космодромы относятся к единичным объектам, на которых создается дорожное покрытие и железнодорожные пути повышенной прочности.

Самая важная часть космодрома – технический комплекс, где собирается ракетно-космическая система (РКС). Он состоит из нескольких подразделений, главное из которых – монтажно-испытательный комплекс (МИК). Это огромный цех (высота – с пятиэтажку, длина – более ста метров), оборудованный мостовыми кранами, с несколькими железнодорожными путями. Все необходимые части поступают сюда со склада блоков ракеты-носителя; там они сортируются и расставляются в соответствии с последовательностью монтажа.

Сначала все компоненты тестируются на целостность и подверженность нагрузкам, затем происходит поэтапный монтаж РКС. Стоит отметить, что в России он выполняется в горизонтальном положении, в то время как остальной мир монтирует ракеты вертикально. «Русский фактор», как его называют специалисты других стран, связан с сильными степными ветрами, которые подвергают и без того шаткую конструкцию дополнительным нагрузкам. Во избежание катастрофы когда-то было решено собирать ракеты «лежа».

При такой сборке потом потребуются повторные испытания на стартовой площадке. Зато работа ведется в помещении, в комфортных условиях и не требует транспортера для вертикального перемещения (а также большей высотности МИКа). 

Ветер – не единственная особенность климата, в котором построен Байконур: зимой там –40 °С, летом +40 °С и пыльные бури. Но в этой суровости есть свое преимущество – постоянство, которого нечего ждать, например, на мысе Канаверал, где находится главный космодром США. Из-за метеорологических капризов там часто откладываются старты.

Кроме стандартных проверочных процедур, МИК тестирует новые системы и отдельные механизмы: они подвергаются многократному воздействию критически высоких и низких температур, повышению давления (опрессовке) систем подачи и хранения топлива, вибрации, динамическим нагрузкам и еще десятку разных проверок, подтверждающих целостность узлов и конструкций.

На некоторых космодромах (например, в США) ракету-носитель окончательно собирают на пусковом устройстве. Однако такой способ применим не во всяком климате, он затрудняет сборку и испытания, снижает надежность подготовки РКС и надолго занимает стартовый комплекс, сокращая число возможных пусков.

Есть еще одна схема: когда РКС собирается и испытывается в здании вертикальной сборки на пусковой платформе, на которой затем транспортируется на стартовую площадку. В этом случае все коммуникации можно подстыковать к ракете заблаговременно. Однако здесь нужны высоченное дорогостоящее здание и транспортер сложной конструкции для перевозки ракеты «стоймя». 

После приема, технического и технологического обслуживания и проверки «изделие» готовится к транспортировке на стартовую площадку. Большинство космодромов используют для этого железнодорожные пути, некоторые – дорожное покрытие. Железнодорожное полотно обычное только с виду: на самом деле оно сейсмоустойчиво и выполнено из стали, способной выдержать колоссальные весовые нагрузки. В холодных странах рельсы и шпалы укладывают на специальное асфальтобетонное «одеяло», засыпанное щебнем, – именно такой принцип реализован на строящемся космодроме «Восточный».

Чтобы уменьшить тряску, скорость транспортировки составляет 5 км/ч. Космический центр им. Кеннеди для таких целей использует многоколесные платформы, которые передвигаются по специальным дорогам. Поверхность должна быть идеальной, потому что ракета, перевозимая в вертикальном положении, имеет небольшой запас устойчивости. Малейшая ошибка может обернуться многомиллиардной катастрофой. Именно поэтому «шаттлы» вывозят «спецтранспортом» – мощными гусеничными тракторами, которые передвигаются со скоростью не более 1 км/ч. 

Доставленная к пусковой площадке ракета с помощью транспортно-подъемного агрегата приводится в вертикальное положение (если не транспортируется в нем). Четыре фермы-опоры закрепляют ее при помощи силовых узлов, сдвигаясь к центру. (Дополнительных креплений не будет – ракета повисает на опорах и удерживается собственным весом. Во время старта тяга двигателей превзойдет этот вес, и опоры легко «раскроются» в стороны.)

После этого к космическому аппарату подсоединяется кабель-мачта, по которому на борт подается электричество, и подводятся кабели для информационного обмена с пунктом управления.

Ракету подвергают окончательному осмотру, но теперь в общий список добавляются стартовые процедуры, без учета запуска двигателя. После проверки ракету заправляют керосином, жидким кислородом, который используют в качестве окислителя, и жидким азотом, применяемым для наддува баков с керосином в системах термостатирования приборных отсеков. В некоторых случаях ракету заправляют двумя компонентами топлива. Все работы проводятся на фермах обслуживания со специальными площадками.

Параллельно с подготовительными работами происходит охлаждение и кондиционирование отсеков приборного оборудования охлажденными и осушенными газами. После окончательной проверки и заправки космический аппарат считается готовым к запуску. 

Компонентами топлива занято 90 % объема складских помещений на космодроме. Причем каждый компонент хранится на отдельном складе, оснащенном соответствующими системами защиты. На многих космодромах мира компоненты привозятся из близлежащих химических и нефтеперерабатывающих заводов. Байконур может похвастаться самым большим в мире заводом по производству жидкого кислорода и жидкого азота, находящимся прямо на территории космодрома. Его мощности сравнимы со средним заводом по производству жидкого азота и кислорода в развитых странах: позволяют производить 7,2 т жидкого азота и 6 т жидкого кислорода в час. Чтобы заправить 190 т окислителя в баки «Союза», заводу потребуется не более полутора дней работы. 

Не менее важные составляющие пусковой платформы (ее еще называют стартовый стол) – основание и газоотражатели, выполненные из высокопрочного бетона. Это часть стартового сооружения, рассказ о котором потребует отдельной статьи. Под бетонным покрытием стартовой площадки располагается несколько подземных этажей с различными системами и агрегатами для подготовки пуска ракеты: контрольно-измерительная аппаратура, пусковое оборудование, системы электропитания, газоснабжения, заправочные коммуникации, оборудование для термостатирования ракеты.

Во время старта космического корабля температура на выходе из сопла ракеты составляет 4000 °С. Реактивная струя настолько мощная, что верхний слой бетона оплавляется. А некоторые законы физики в момент старта просто не действуют: например, теплообмен между материалом основания и реактивной струей при высоких акустических нагрузках протекает быстрее, чем описывает «классическая физика».

Один стартовый комплекс в среднем рассчитан на 24 запуска в год, но в случае катастрофы дешевле построить новый комплекс, чем отремонтировать поврежденный. Например, после взрыва американской ракеты Antares в 2014 году и ее падения на пусковую платформу потребовалось около года ремонтных работ для восстановления этой части космодрома.

Командный пункт – самая мифологизированная часть космодрома: многие считают, что именно отсюда происходит запуск космического корабля. На самом деле здесь обрабатываются тонны информации о состоянии общетехнических систем старта, агрегатов ракеты-носителя и космического аппарата, а также данные о готовности служб космодрома к запуску. Практически во всем мире командные пункты располагаются под землей, в виде бункеров, и лишь некоторые из них находятся в 1–2-этажных зданиях, с повышенным уровнем всех видов защиты. К ним тянутся десятки километров кабелей, обеспечивающих работу всех систем старта.

Не будем выносить в отдельный раздел комплекс измерительных средств (КСИСО), в котором специалисты отслеживают момент старта ракеты и активные этапы ее выведения на орбиту. Это огромный комплекс сооружений на некотором удалении от стартовой площадки. В его состав входят мультисервисная система связи и передачи данных наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами, мобильные измерительные пункты (МИП), морской измерительный комплекс и ряд привлекаемых командно-измерительных пунктов. Отсюда поступают телеметрические данные о состоянии корабля и ракеты-носителя.

После вывода космического аппарата на околоземную орбиту в работу включается центр управления полетами (ЦУП). Хотя такая формулировка не совсем корректна. ЦУП получает всю входящую информацию на протяжении запуска и вывода ракеты на орбиту, но полноценно включается в работу только после прохождения кораблем нижних слоев атмосферы. Считайте, что вы совершили мини-экскурсию в главный зал управления полетами, если смотрели, например, «Армагеддон» или какое-нибудь другое кино, в котором показывают ЦУП, и вместе с профессионалами вели предстартовый обратный отсчет. Кстати, он придуман задолго до первых ракетных запусков: режиссер Фриц Ланг использовал его в своем фильме «Женщина на Луне» 1929 года. Это только одна из идей, которыми успели обменяться космонавтика и культура, и она лишь подтверждает: исследование Вселенной в космосе и на Земле – настоящее искусство.