НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ С. П. КОРОЛЕВА В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ. Г.С. ВЕТРОВ

УДК 629.76 + 629.78

Широта взглядов Королева на будущее космонавтики, воспитанная с первых шагов его инженерной деятельности, способствовала тому, что каждую новую разработку он рассматривал не локально, а с позиций далекой перспективы, как будто перед ним была заранее поставлена конечная цель всех разработок - запуск искусственного спутника Земли и полет человека в космос. Если вначале такие задачи и не были сформулированы в виде официальных документов, то, без всякого сомнения, они всегда оставались в сознании Главного конструктора, который начинал свой путь в космонавтику с изучения книг К. Э. Циолковского. Поэтому он не мог не смотреть на каждую новую разработку как на определенный этап решения более общей задачи и не «примерять» ее возможностей к условиям космического полета. Такая тенденция находила отражение в глубокой преемственности разработок, выполненных под руководством Королева, которая служила реальным средством прогрессивного развития ракетно-космической техники. Именно преемственность была прямым результатом постоянного стремления Королева к далекой перспективе развития ракетной техники, которое подсказывало ему необходимость выбирать из множества возможных вариантов технические решения, обеспечивающие интенсивный и непрерывный процесс совершенствования ракетных конструкций. Этим свойством обладала баллистическая схема ракеты с отделяющейся головкой. Такой выбор был сделан в результате всестороннего анализа различных конструктивных схем ракет. Королев, будучи по образованию аэромехаником, особый интерес проявлял к конструктивным схемам, которые позволяли использовать атмосферу Земли в качестве источника энергии. Применение воздушно-реактивного двигателя должно было дать экономию в весе, так как в этом случае из компонентов требовалось только горючее, а окислителем служил «даровой» кислород атмосферы. Аэродинамическая сила крыльев у таких конструктивных схем должна была дать резерв дальности полета. Вот почему на этапе выбора перспективных направлений развития отечественного ракетостроения большое внимание уделялось схемам крылатых ракет. Однако общий уровень развития техники не позволял использовать очевидные преимущества этих схем. Баллистическая схема ракеты, выбранная в качестве основной, базировалась на существенном опыте разработки ЖРД, в то время как проектирование воздушно-реактивных двигателей с большими входными диаметрами было сложной инженерной проблемой, требующей весьма длительных и дорогостоящих исследований. Баллистическая схема позволяла также опираться на опыт разработки систем управления с использованием трехстепенных гироскопов, тогда как для крылатой схемы требовалась разработка навигационных систем на новых принципах, которые только начинали разрабатываться. В целом баллистическая схема была выбрана потому, что позволяла воспользоваться реальными инженерными решениями, доступными для практической реализации без всяких задержек. Как показал опыт мирового ракетостроения, баллистическая схема ракеты с отделяющейся головкой сделала путь в космос наиболее простым и коротким, потому что в исходных предпосылках этой схемы были основные компоненты для разработки космической ракеты. Это обстоятельство позволяло осуществлять ее поэтапную разработку.

Принцип проектирования, основанный на «привязке» каждой текущей разработки к перспективной цели, требовал постоянных поисков инженерных решений - «носителей» перспективы. Именно особенностями этого принципа проектирования, постоянно нацеливающего на прогрессивные идеи, объяснялась творческая напряженность, которую создавал вокруг себя Главный конструктор Королев.

Чтобы наилучшим образом использовать такие тенденции, необходимо было направить научный процесс в определенное русло, выбрать главные направления научного поиска, дающие необходимый эффект. Этого можно было добиться прежде всего за счет всестороннего проникновения в сущность ракетной конструкции, вскрытия тех закономерностей процесса ее создания, которыми можно было управлять для выполнения задания на разработку качественно и в срок. В этом отношении самой важной особенностью, определившей выбор принципов проектирования, явились системные свойства ракетной конструкции: зависимость летно-тактических характеристик от множества факторов, т. е. характеристик различных систем, агрегатов и их отдельных элементов. И что самое важное, эти зависимости носят такой характер, что каждый из факторов, даже на первый взгляд самый второстепенный, будучи выбран неудачно, может стать причинойнеобратимого отступленияот заданной программы полета, которое равносильно аварийному исходу полета ракеты, именно аварийному - в этом отличие автоматически управляемой ракеты от других пилотируемых летательных аппаратов. Поэтому важнейшей составной частью проектирования являлось установление всех взаимосвязей между элементами, агрегатами и системами и определение наиболее рациональной роли каждой из них в обеспечении летно-тактических характеристик.

Проектирование любой машины и агрегата - это всегда конкурс вариантов. В процессе выбора конструктивных характеристик всегда находится множество их различных сочетаний, позволяющих выполнить поставленную задачу, но неравнозначных по стоимости, удобству эксплуатации, срокам изготовления и еще множеству критериев, свойственных каждому этапу разработки конструкции, вплоть до особенностей отдельных технологических процессов изготовления узлов и деталей. Умение проектировать в конечном счете заключается в том, чтобы учесть все эти критерии и из множества возможных вариантов выбрать один-единственный, в котором сочетание составных частей наиболее полно отвечает поставленной задаче. Выбор таких сочетаний на этапе проектирования - это всегда задача, требующая огромного опыта, широкого кругозора, творческого воображения и всех тех качеств, которые роднят сооружения из металла с произведением искусства. Системные свойства ракетной конструкции придают процессу проектирования неповторимую особенность, которая послужила источником зарождения важных принципов проектирования и определила направление творческой деятельности Королева в этой области. На первый взгляд, речь идет об ординарных обстоятельствах, которые сопутствуют процессу создания любой машины: конструктивные характеристики, принятые на этапе проектирования, в ходе последующих этапов - конструирования, изготовления и экспериментальной отработки - неизбежно изменяются. Для ракетной конструкции, с ее чувствительностью к любым изменениям, именно это обстоятельство играло первостепенную роль: без четких принципов проектирования, обеспечивающих высокую степень достоверности исходных технических решений, процесс разработки ракеты превратился бы в бесконечный поток изменений, которые с учетом ее системных свойств непрерывно приводили бы к ситуации «нос вытащил - хвост увяз».

Особый дар Королева как Главного конструктора состоял в том, что он сумел найти необходимые средства для проектирования ракеты с учетом ее системных свойств еще до того, как вопросы системного подхода были в общей постановке сформулированы. Именно поэтому область космонавтики представляет интерес для научного анализа как пример практической реализации принципов управления комплексными проектами. Каждый такой пример - это грандиозный эксперимент, неповторимый по масштабам и своеобразию системных свойств и поэтому бесценный по научным результатам, и не столько в виде конечного итога всей работы, а главным образом в виде осмысленного процесса достижения этих итогов, который может быть успешно использован в иных условиях и поэтому имеет непреходящее значение.

Итак, залогом успешной разработки ракетной конструкции была достоверность исходных, полученных на этапе проектирования технических решений, которые избавляли от необходимости последующей корректировки заданий на системы и агрегаты ракеты. Благодаря этому могла осуществляться параллельная разработка всех составных частей ракетной конструкции. Это обстоятельство играло первостепенную роль, потому что самые чувствительные к изменениям проектных решений по ракете ее составные части - двигательная установка и система управления - являются наиболее трудоемкими в изготовлении и отработке и в то же время оказывают наиболее сильное влияние на обеспечение летно-тактических характеристик. Такое взаимовлияние при условии, что двигательная установка и система управления - это разработки, в которых также в полной мере проявляются системные свойства, и приводит к «топтанию на месте» в случае недостоверных проектных решений.

Глубокое понимание Королевым этих особенностей прослеживается во всей его творческой деятельности. Какой бы вопрос, связанный с проектированием, ни затронуть, сразу же обнаруживаются целеустремленные действия Главного конструктора, имеющие непосредственное отношение к обеспечению достоверности проектных решений.

Особое отношение Королева к проектным вопросам выражалось в том, что проектный отдел всегда находился в его прямом подчинении, в то время как другими службами КБ он руководил через своих заместителей. Он старался углублять связи с проектантами, лично подбирая инженерный и руководящий состав проектного отдела и участвуя в работе его парторганизации.

Конкретным средством обеспечения достоверности проектных решений служили теоретические исследования, причем способ их внедрения в процесс проектирования был гибким и нестандартным. К проектным работам привлекались институты Академии наук СССР и союзных республик, отраслевые институты и крупные ученые. Но главная особенность использования современных научных достижений при разработке образцов ракетно-космической техники заключалась в развитии научных исследований также силами КБ. Без перевода на инженерный язык, без тщательного отбора научных результатов применительно к особенностям разрабатываемой конструкции научные исследования, выполняемые вне КБ, непосредственно использовать было невозможно. Только такая организация этих работ позволяла обеспечить достаточную эффективность внедрения научных исследований в проектирование, так как в этом случае рекомендации для выбора конструктивных характеристик могли сочетать в себе академическую строгость и глубину с инженерным подходом к решению проблем. Поэтому научные работы в конструкторском бюро Королева были организованы так, чтобы соответствовать по уровню тем исследованиям, которые выполнялись специализированными научными учреждениями.

Нельзя было, конечно превращать КБ в инженерный филиал всех организаций, которым выдавались задания на проводимые исследования, поэтому из всего многообразия научных направлений, определяющих облик ракетной конструкции, необходимо было выбрать самые существенные. Простой перечень теоретических задач, которые приходилось решать при создании ракеты и космического аппарата, заполнил бы не одну страницу; он продолжал расширяться по мере перехода к более совершенным конструкциям. Теоретической базой проектных работ служили пять основных научных направлений, которые позволяли сформулировать требования к различным системам и агрегатам: это балластика, аэродинамика, устойчивость движения, внешние нагрузки и прочность. Каждое из этих направлений до определенного времени развивалось независимо от задач ракетной техники. Многочисленные проблемы, связанные с разработкой ракет дальнего действия, наполнили эти теоретические направления новым содержанием и способствовали такому развитию, которое выходит за рамки практических потребностей ракетной техники.

Разработчику ракеты прежде всего приходилось сталкиваться с решением баллистической задачи. Здесь, как ни в одной другой задаче, необходимо учитывать множество особенностей конструкции ракеты и ее агрегатов, которые могут оказать влияние на основные характеристики ракеты: величину полезного груза, дальность полета и точность. Можно сказать, что ракета начинается с баллистики и кончается ею.

Баллистические исследования позволяли организовать процесс проектирования, подчинив выбор каждой конструктивной характеристики ракеты и ее систем и агрегатов обеспечению конкретных требований, имеющих прямое отношение к летно-тактическим характеристикам ракет. В каждом отдельном случае можно было назначать обоснованную величину допустимой погрешности того или иного конструктивного параметра и держать в поле зрения технологические процессы изготовления ракеты и подготовки ракеты к старту.

Прямую связь с баллистическими исследованиями имел контроль объема баков в процессе их изготовления и уровня заправки компонентов топлива. Словом, с разработкой баллистических методов проектирования ракета как бы ожила, раскрывая многообразие и сложность взаимосвязей не только между конструктивными характеристиками ракеты, ее системами и агрегатами, но и между различными этапами ее разработки и испытания.

Обращает на себя внимание тщательность, с которой были выполнены в КБ Королева исследования по баллистике. Это были не теоретические поделки, вызванные к жизни текущими задачами проектирования, а фундаментальная работа, в которой учтены общие особенности баллистических ракет дальнего действия. Этим объясняется ее непреходящее значение.

При взгляде на баллистическую ракету бросается в глаза почти полное отсутствие стабилизаторов, без которых, с житейской точки зрения, трудно представить летательный аппарат такого типа. Наверное, обелиск покорителям космоса проиграл бы в эстетическом отношении, если бы венчающую его ракету лишить стабилизаторов. Чтобы обеспечить простоту внешних очертаний ракеты, потребовалось не меньше творческих усилий и вдохновения, чем для превращения глыбы гранита в произведение искусства. Стремление сделать аэродинамические формы ракеты предельно лаконичными связано с особенностями влияния атмосферы на ее движение. Если можно сказать, что самолет выполняет свое назначение благодаря аэродинамическим силам, то баллистическая ракета в значительной степени - вопреки им. Поэтому история создания ракетных конструкций - это история покорения атмосферы, история отвоеванных у атмосферы дополнительных килограммов полезного груза, история развития аэродинамики - науки о силах, действующих на тело при движении в атмосфере, и процессах, происходящих на его поверхности.

Программа полета ракеты, как и любого летательного аппарата, может быть выполнена при условии обеспечения устойчивости движения.

В классической механике задача об устойчивости движения считается одной из наиболее трудных, хотя ее общая формулировка вполне доступна для понимания: устойчивость - это способность сохранять заданное состояние движения. Основная трудность заключается в конкретном, поддающемся математическому описанию истолковании этой способности. Эта задача усложнялась тем, что коэффициенты уравнений движения ракеты изменяются по времени полета. Потребовались серьезные теоретические исследования и разработка специальных лабораторных средств, чтобы обеспечить качество технических решений в области устойчивости движения. В связи с решением задачи устойчивости необходимо было осуществлять точное согласование многих характеристик ракетной конструкции с характеристиками автоматических систем регулирования. Качество разработки ракеты зависело от того, насколько точно и полно проведено такое согласование. Поэтому проектирование системы управления начиналось с момента появления первых контуров ракеты, когда ее внешние очертания позволяли судить о распределении аэродинамических сил по корпусу, определить центр тяжести и глубину заполнения баков топливом и оценить жесткость корпуса ракеты, - все эти конструктивные характеристики имели прямое отношение к проектированию системы управления. Именно в области увязки ракетной конструкции и системы управления наиболее отчетливо проявлялась потребность в комплексном подходе к проектированию ракеты.

Для всех машин и сооружений определение эксплуатационных нагрузок облегчается возможностью их нормирования, т. е. ограничения величин путем выбора соответствующих условий эксплуатации. Особенность ракетной конструкции заключается в том, что возможность нормирования условий нагружения крайне ограничена и расчет на прочность должен проводиться для реальных нагрузок. Для этого требуется тщательное изучение условий полета, аэродинамической компоновки, особенностей управления и выбор с учетом этих данных рациональной схемы нагружения задолго до окончания разработки ракеты, на этапе определения основных летно-тактических характеристик, до разработки рабочих чертежей и проведения прочностных расчетов. Поэтому задача определения нагрузок приобрела самостоятельное значение и наряду с аэродинамикой, баллистикой, устойчивостью движения и прочностью стала одной из основных научных направлений проектирования ракет.

Есть одна особенность процесса разработки ракеты, которая делает задачу определения нагрузок особенно ответственной. Она заключается в том, что основные характеристики ракеты, и в частности вес полезного груза, ради которого создается ракета, принимаются до того, как разработана система управления и двигатель ракеты. По существу, на начальном этапе создания ракеты баллистиками высказывается не более как гипотеза о величине полезного груза и нужно еще подчинить усилия разработчиков единой цели, чтобы гипотеза стала реальностью. Едва ли не самым главным организующим средством для этого служила несущая способность, которая однозначно зависит от нагрузок, действующих на конструкцию. Она являлась как бы эталоном, с помощью которого определяется допустимость того или иного технического решения, связанного с силовым воздействием. Каждая попытка изменить несущую способность в сторону больших нагрузок неизбежно приводит к уменьшению полезного груза. Поэтому заданная несущая способность очень бдительно оберегалась от изменений, которые были возможны только с разрешения Главного конструктора. Естественно, что с первых шагов ракетной техники уделялось самое серьезное внимание разработке общих принципов определения несущей способности. Наиболее важным принципом является установление несущей способности по летным нагрузкам. Операции же, связанные с подготовкой ракеты к пуску, по нагрузкам лимитировались.

Ракета отличается от любой другой конструкции сложным напряженным состоянием. На нее действуют сжимающие усилия от перегрузок, растягивающие - от наддува баков, изгибающие моменты от ветра и органов управления. Все это сопровождается интенсивным нагревом конструкции, изменяется по времени полета. Поэтому для обоснования прочностных характеристик ракет, определяющих весовое совершенство конструкции, имела большое значение разработка теоретических методов расчета и общих принципов статических испытаний, которые не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Наиболее существенным был вывод о возможности проведения статических испытаний по отдельным отсекам, агрегатам или узлам.

Самый глубокий теоретический анализ не позволял устанавливать однозначные числовые значения характеристик систем и агрегатов на этапе проектирования; свою неизбежную долю в их изменение должны были вносить все последующие этапы разработки. И такие изменения нужно было предусматривать, чтобы они не повлияли в дальнейшем на летно-тактические характеристики. Каждый раз при этом возникала дилемма: широкие пределы изменения характеристик - это «спокойная жизнь» для разработчика элемента ракетной конструкции, но и прямой ущерб для эффективности конструкции в целом. Поэтому выбор величин изменений, возможность уложиться в отведенные для каждой характеристики пределы изменений, необходимость отстаивать назначенные величины - это наиболее сложная и дискуссионная, полная драматических ситуаций стадия разработки ракеты, требующая большого инженерного мастерства, решительных действий, дипломатических способностей и высокой гражданственности, чтобы подчинить личные интересы интересам дела.

Характерной чертой Королева как Главного конструктора на этой стадии разработки была твердая линия на обеспечение высоких летно-тактических характеристик ценой предельно жестких требований к характеристикам на отдельные системы и агрегаты. Такая наступательная тактика подкреплялась мобилизацией всех средств, чтобы обеспечить выполнение принятых технических решений. В этом отношении важную роль играл принцип преемственности технических решений, сочетание новых элементов с отработанными и многократно проверенными, тщательная экспериментальная проверка новых элементов. Такая техническая политика просматривается при разработке космической ракеты, на которой отрабатывались новые принципы управления. Принцип преемственности играл такую же роль и при разработке космических аппаратов и кораблей: подготовительными этапами для них были эксперименты на геофизических ракетах. Преемственность касалась не только основных технических решений, таких, как схема ракеты с несущими баками, но и отдельных технологических процессов, материалов, элементов электрических схем. Преемственность была глубокой и всесторонней. Она подкреплялась привлечением к обсуждению проектных решений на самой ранней стадии конструкторов и технологов, чтобы заблаговременно учесть все особенности процесса изготовления конструкции. На период проектирования создавались комплексные бригады специалистов в различных областях, и благодаря этому переход к последующим этапам разработки не был связан с какими-либо неожиданными осложнениями.

Качество исходных технических решений определялось не только высокими характеристиками отдельно взятых систем и агрегатов ракеты, но и возможностью их совместной работы в составе ракеты для обеспечения заданных летно-тактических характеристик. В связи с этим важным принципом проектирования было обеспечение достаточной «грубости» конструкции, чтобы выполнение программы полета не зависело от неблагоприятного сочетания отдельных характеристик систем и агрегатов ракеты. Проявление «негрубости» ракеты служило ограничением для дальнейшего ужесточения требований к характеристикам отдельных систем и агрегатов и их допустимым изменениям в процессе эксплуатации.

При переходе от одного этапа разработки конструкции ракеты к другому она обрастала новыми техническими подробностями, круг участников разработки расширялся, перераспределялись их роли в отдельные периоды времени, но проектирование ракеты продолжалось вплоть до сдачи ее в эксплуатацию. Впрочем, и этот рубеж был весьма условным, так как непрерывный процесс проектирования позволял выявлять, наряду со слабыми элементами конструкции, и возможности для ее дальнейшего развития, выходящие за пределы тактико-технических требований. Типичным в этом отношении является пример разработки семейства многоступенчатых ракет на базе первой космической ракеты.

Непрерывный процесс проектирования, кроме всего, означал ответственность за обеспечение летно-технических характеристик именно тех, кто формировал для этой цели технические решения, положенные в основу разработки. Такая целенаправленная ответственность позволяла осуществлять непрерывный контроль за ходом разработки с наиболее общих технических позиций, исходя из обеспечения выходных характеристик ракеты - величины полезного груза, дальности полета и точности.

В этом состоял принцип обеспечения надежности ракетно-космической системы на этапе проектирования - видеть в каждом элементе ракеты средство для обеспечения ее заданных летно-тактических характеристик. Эффективность действий Королева в этом отношении определялась его реакцией на ход разработки именно тогда, когда возникала потребность в решениях Главного конструктора. Сигналом к действию служили для него «болевые центры» разработки, тупиковые ситуации, требующие пересмотра принятых ранее технических решений. Все это непременно становилось достоянием Главного конструктора, потому что только у него было реальное средство, чтобы ликвидировать возникшие трудности - резерв по величине полезного груза. Главный конструктор был его полновластным хозяином, и это давало ему материализованную власть над всеми участками разработки.

Неизменная тенденция Королева предъявлять предельно жесткие требования к элементам ракетно-космических комплексов придавала особое значение весовому резерву. В умении Королева распорядиться величиной весового резерва концентрировалась его способность разобраться с исчерпывающей глубиной в самых разнообразных вопросах, чтобы оценить истинные размеры трудностей, твердость его характера, чтобы выдержать натиск попавших в трудное положение, способность уговорить, заставить, мобилизовать на поиски новых решений, казалось, в совершенно безнадежных ситуациях, большое личное мужество, чтобы взять на себя ответственность, когда все остальные отступили перед возникшими трудностями.

Вопрос об использовании весового резерва как бы замыкал сложную иерархию принятия решений в процессе проектирования, и роль «последней инстанции», которую при этом играл Королев, делала именно его главным участником разработки ракетно-космических систем.