Дилемма морского ракетостроения

Вопрос о типе топлива остается открытым

Одной из важных проблем развития боевой и прежде всего стратегической ракетной техники в прошлом веке и в настоящее время был и остается вопрос о типе применяемого топлива: твердое или жидкое? Этот вопрос был рассмотрен на примерах морского ракетостроения на Международной научно-технической конференции в Абхазии, одним из организаторов которой является Федеральное космическое агентство.

Применение того или иного топлива следует рассматривать с различных точек зрения: исторический и сравнительный подходы, боевые свойства и эксплуатационные качества; затраты на разработку, базирование, развертывание, эксплуатацию, утилизацию; множество внутренних и внешних, военных и политических, финансовых и доктринальных факторов или ограничений; уровни развития науки, технологий, производства – это далеко не полный перечень составляющих. Все они важны для выявления, исследования и выработки рекомендаций о типе топлива.

Все «топливные» направления для стратегического ракетостроения были сформированы и первоначально реализованы отцом российской космонавтики Сергеем Королевым. Боевые ракеты, им созданные, включают жидкостные ракеты на низкокипящем (Р-1, Р-2, Р-5, Р-7, Р-9) и высококипящем (Р-11) жидких топливах, а также твердом смесевом топливе РТ-2. Можно вспомнить и аванпроекты ОКБ-1 – ракеты Р-12 и Р-13, последующую разработку которых вели в Днепропетровске (ОКБ-586) и Златоусте (СКБ-385).

Конкуренция в морском ракетостроении

При создании отечественных морских ракет конкуренция между сторонниками твердых и жидких топлив происходила постоянно. В ее основе лежали два главенствующих фактора: во-первых, впечатляющие успехи твердотопливной ракетной техники в Америке; во-вторых, прогнозируемое улучшение эксплуатационных свойств стратегических баллистических ракет на твердом топливе в сравнении с первыми отечественными жидкостными ракетами. Можно также говорить и о третьем факторе – лоббировании. Оно оказывало существенное влияние на процесс конкуренции, но имело в меньшей степени техническую, а в большей степени личностную подоплеку.

Можно выделить несколько этапов конкуренции при развитии твердотопливного и жидкостного морского ракетостроения.

На этапе создания морских ракетных комплексов первого поколения в 1958–1961 годах реализовалась параллельная разработка жидкостного комплекса Д-4 (начатая Михаилом Янгелем работа по этому комплексу в 1959 году была передана в КБ машиностроения Виктору Макееву) и твердотопливного Д-6 (главный конструктор КБ «Арсенал» Петр Тюрин). Результат был неудовлетворительным и для жидкостного (Д-4), и для твердотопливного (Д-6) вариантов, если сопоставлять по боевым свойствам с американскими твердотопливными ракетами («Поларис А-1», «Поларис А-2»), а также по размещению на проектируемом атомном подводном ракетоносце проекта 667. Кроме того, для комплекса Д-6 в сравнении с Д-4 неудовлетворительными были возможные сроки реализации при использовании смесевого топлива, а при использовании баллиститного топлива – и сроки, и характеристики.

На этапе создания ракетных комплексов второго поколения можно выделить два подэтапа. На первом, начатом Сергеем Королевым в 1961 году, значительную роль в «конкурентности» сыграли: во-первых, наличие двух проектов атомных подводных лодок – «большой» (667А) и малогабаритной (705Б); во-вторых, параллельная разработка комплексов Д-7 (с твердотопливной ракетой РТ-15М Виктора Макеева) и Д-5 (с жидкостной Р-27 также Виктора Макеева), соответственно для «большой» и «малогабаритной» лодок. Безусловный выигрыш одержало жидкостное направление прежде всего по совокупности характеристик (особенно если учесть начало проектной (1963 год) и опытно-конструкторской разработки (1964 год) межконтинентальной жидкостной ракеты Р-29 Виктора Макеева.

Началом второго подэтапа следует считать разработку комплекса Д-11 (ракета Р-31 с разделяющейся головной частью Петра Тюрина). В 1980 году разработка была завершена. Опытная эксплуатация комплекса (12 ракет) продолжалась на одной лодке Северного флота до 1990 года. Результатом стал проигрыш комплексу Д-9Р (его разработка началась в 1973-м и завершилась в 1977 году) и ракете Р-29Р межконтинентальной дальности стрельбы и с разделяющимися головными частями.

Что касается сопоставления твердотопливных ракет второго поколения (Д-7 Виктора Макеева и Д-11 Петра Тюрина) с зарубежными аналогами («Поларис А-3» с моноблоком, на вооружении с 1964 года и «Посейдон С-3» с разделяющейся головной частью, на вооружении с 1971 года), то здесь превосходство американских ракет было очевидным по всем параметрам.

Этап комплексов третьего поколения начался с постановкой на вооружение отечественной твердотопливной морской ракеты Р-39 комплекса Д-19 в 1983 году. Тактико-технические характеристики этой ракеты превосходили предшествующие аналоги как отечественной жидкостной типа Р-29Р (1977 год), так и американской твердотопливной «Трайдент-1» (1979 год). У нашей ракеты были больше дальность стрельбы и количество боезарядов одинакового класса мощности, повышенная или сопоставимая точность стрельбы и так далее.

Однако улучшение тактико-технических характеристик было достигнуто за счет утяжеления ракеты в два с половиной раза и соответствующего увеличения ее габаритов, а также путем создания подводной лодки проекта 941 рекордного водоизмещения, новой системы базирования и так далее, то есть затратными (экстенсивными), а не инновационными (интенсивными) методами. Следует отметить, что в относительно короткий срок после создания комплекса Д-19 появились ракеты жидкостная типа Р-29РМ (1986 год) и твердотопливная «Трайдент-2» (1990 год), которые превосходили ракеты Р-39 по боевым свойствам, но обладали меньшими габаритами и стартовым весом.

Таким образом, с 1960-го по 1990 год отечественные твердотопливные морские баллистические ракеты не смогли достичь тактико-технических характеристик, сопоставимых ни с нашими жидкостными, ни с американскими твердотопливными. Тем не менее переход отечественного морского ракетостроения на твердотопливное направление был утвержден в 1980-е годы.

Реализация перехода дала сбой в 1990-е годы (спорное прекращение разработки комплекса Д-19УТТХ), и существует по настоящее время («Булава-30»). При этом следует отметить, что заявленные и ожидаемые характеристики ракеты «Булава-30» заметно хуже американского аналога «Трайдент-1», поставленного на вооружение более тридцати лет назад (в 1979 году), а именно: шесть, а не восемь боевых блоков при прочих близких или равных характеристиках, определяющих боевую эффективность и эксплуатационные качества. Кроме того, «Булава-30» уступает: по срокам китайской морской твердотопливной ракете с разделяющейся головной частью «Цзюйлан-2», которая уже развернута на двух подводных лодках «Дацынгуй»; по срокам и характеристикам французской ракете М-51, а также отечественной ракете Р-29РМУ2 «Синева», базовый вариант которой с десятью боевыми блоками был принят на вооружение в 1986 году.

Жидкостные ракеты

Значительный скачок в улучшении эксплуатационных свойств был реализован в 1960-х годах на морских жидкостных ракетах второго поколения.

Во-первых, за счет заводской заправки ракет топливом и последующей ампулизации сваркой заправочно-дренажных клапанов. Тем самым были исключены: штатная заправка ракет на берегу; заправка емкостей подводных лодок с берега; заправка ракет из емкостей подводной лодки; а также оказались лишними емкости для хранения ракетного топлива на базах.

Во-вторых, за счет освоения транспортировки любыми видами транспорта заправленных ракет от завода-изготовителя до ракетной базы и их погрузки в шахту подводной лодки.

Следующий этап улучшения эксплуатационных характеристик жидкостных ракет предлагалось реализовать в 1970-х годах, а технические решения были разработаны в аванпроекте комплекса Д-9М (декабрь 1970 года).

Главными из «эксплуатационных» решений были: отказ от предстартового и предварительного наддува баков ракеты системами подводной лодки с переходом на автономный наддув баков; исключение заполнения кольцевого зазора ракетной шахты водой из цистерн подводной лодки.

Но это направление для ракет третьего поколения не было принято. В июне 1971 года была начата разработка твердотопливных ракет Р-31 комплекса Д-11 главного конструктора Петра Тюрина (опытно-конструкторская разработка) и Р-39 комплекса Д-19 генерального конструктора Виктора Макеева (аванпроект). Эксплуатация ракет на подводной лодке улучшилась, но за это пришлось заплатить: для ракеты Р-31 – значительным ухудшением тактико-технических характеристик; для ракеты Р-39 – затратами на обеспечение наземной эксплуатации как ракет, так и подводных лодок, что потребовало создания новых средств берегового базирования, а также повышения грузоподъемности средств погрузки до 125 тонн.

Кроме того, разработка ракет Р-31 и Р-39 вышла за установленные заданием и необходимые с точки зрения поддержания стратегического сдерживания сроки. В этой связи была начата страхующая разработка жидкостной межконтинентальной ракеты Р-29Р с разделяющейся головной частью. Работа была выполнена в рекордно короткие сроки – за 4,5 года от начала до завершения по постановлениям правительства. Однако такие сроки исключили возможность улучшить эксплуатацию ракет на подводной лодке, которая сохранилась на уровне ракет второго поколения.

В настоящее время известны и частично реализованы технические решения, которые могут обеспечить кардинальное улучшение эксплуатационных свойств жидкостных морских ракет. Главными из них являются: во-первых, применение предстартового наддува ракет автономной системой, размещаемой на ракете и базирующейся на дозированном впрыске компонента топлива в разноименный бак (окислитель в горючее и наоборот); во-вторых, реализация «сухого» способа старта из незатопленной ракетной шахты, герметизируемой разрушаемой при старте мембраной, аналогичного способу старта твердотопливных ракет; при этом выход ракеты из шахты обеспечивается маршевым двигателем первой ступени, работающим первые секунды в газогенераторном режиме.

Такие решения практически могли бы уравнять жидкостные и твердотопливные ракеты по условиям размещения, эксплуатации и старта с подводной лодки.

Результаты эксплуатации

Опыт эксплуатации морских ракет в условиях базирования на Северном и Тихоокеанском флотах показывает, что в процессе совершенствования ракетных комплексов и оснащенности мест базирования, а также технического (гарантийного и авторского) надзора за эксплуатацией морских ракет разница в особенностях эксплуатации жидкостных и твердотопливных неуклонно сокращалась. С точки зрения условий и обеспечения хранения для современных ракет можно отметить: во-первых, для твердотопливных требуется более узкий температурный диапазон; во-вторых, для жидкостных ракет – традиционное наличие на подводных лодках и технических ракетных базах систем и агрегатов по приведению их в безопасное состояние в случае разгерметизации баков (единственное задействование таких систем подводной лодки при эксплуатации ракет третьего поколения произошло 28 лет назад).

При реализации «сухого» способа старта (твердотопливная ракета) было сокращено число водяных систем подводной лодки, однако увеличился состав воздушных систем, что в конечном итоге не изменило показатели надежности комплекса и соответственно число неисправностей в системах повседневного и предстартового обслуживания. Отсутствие связей полости шахты с забортным пространством и устройств системы орошения повысило безопасность повседневного хранения твердотопливных ракет на лодке. Однако появилась необходимость введения в состав базового оборудования устройств осушения шахт при подготовке к погрузке после старта ракет. Возникла необходимость нейтрализации осушаемой воды и проведения работ по очистке и восстановлению лакокрасочного покрытия шахт.

На качество береговой эксплуатации ракет в местах базирования повлиял выбор способа транспортировки. Для эксплуатации ракет Р-39 были применены агрегаты на железнодорожном ходу (вследствие большого веса ракеты). Это исключило инциденты, связанные с опрокидыванием транспортных агрегатов (на автомобильном ходу) с ракетами при их внутрибазовой транспортировке. Техническое состояние путей и самих агрегатов поддерживалось на основании требований Министерства путей сообщения, а траектории движения агрегатов с ракетами определялись железнодорожными путями. Однако реализация такой транспортировки потребовала строительства железной дороги в условиях гористой тундры.

Аварийность

Эксплуатация современных межконтинентальных морских ракет показывает, что их аварийность в основном зависит от качества подготовки личного состава, а также конструктивных особенностей систем ракетного комплекса и самой ракеты, а не типа топлива. Так, например, в процессе эксплуатации в интересах повышения безопасности и снижения влияния субъективного фактора на комплексе Д-9РМ и его модернизированных вариантах была реализована совокупность мероприятий, которые обеспечили безаварийную эксплуатацию.

В результате количество аварийных ситуаций снижалось. Для комплексов с межконтинентальными ракетами в абсолютных цифрах оно составило: у Д-9 – 72, у Д-9Р – 25, у Д-19 – 16, у Д-9РМ – 7. Если учесть (в первом приближении) количество эксплуатируемых ракет и разделить приведенные цифры аварийности на количество развернутых ракетных шахт, то получим следующие значения относительной аварийности: Д-9 – 0,26, Д-9Р – 0,11, Д-19 – 0,13, у Д-9РМ – 0,06–0,07. И относительные, и абсолютные цифры аварийности не свидетельствуют в пользу твердотопливных ракет.

За последние 25 лет аварий с морскими ракетами не было, включая период интенсивной эксплуатации современных жидкостных ракет типа Р-29Р и Р-29РМ. Авария, которую иногда приписывают ракете Р-29РМ, имела место в 1989 году при испытаниях по теме «Бегемот» и произошла она не с ракетой, а с ее макетом. Причиной аварии стала конструкторская ошибка (не были учтены коррозионные свойства материала трубки сигнализатора давления в среде имитатора топлива, вследствие чего была нарушена ее проходимость) в сочетании с нарушением эксплуатационной документации, приведшим к отключению блокирующих сигнализаторов давления.

Последствия последних аварий с ракетами на подводных лодках в большей степени зависят от архитектуры подводной лодки, а не от применяемого типа топлива. Так, например, авария с Р-39 на подводной лодке проекта 941 в 1991 году, связанная с разрушением ракеты, произошла после нештатного наддува ракетной шахты, а не межступенчатого отсека при сочетании двух неисправностей.

Разрушение ракеты сопровождалось воспламенением ее двигателей и порохового аккумулятора давления. Были сорваны обтекатели на двух крышках шахт, обгорело акустическое покрытие легкого корпуса, выгорела часть медных трубопроводов в ограждении рубки, незначительно поврежден гребной винт, внутри отсека разрушились трубопроводы спецгидравлики управления крышкой аварийной шахты (после аварии эта шахта выведена из эксплуатации). Следует также отметить, что последствия могли стать почти катастрофическими, если в процессе аварии не был бы выполнен маневр «срочное погружение», удаливший разрушенную ракету с подводной лодки.

При произошедших ранее авариях с жидкостными межконтинентальными ракетами повреждение конструкций подводной лодки также не привело к тяжелым последствиям (в 1976-м и в 1977 году, Р-29). При аварии с ракетой Р-29Р на подводной лодке в 1982 году были задействованы аварийные системы (слива окислителя, орошения аварийной шахты) и ущерб свелся к минимуму. Аварии на ракетах Р-29РМ отсутствовали.

Что касается аварийности при эксплуатации ракет на ракетных базах, то она связана с внешними механическими воздействиями на ракету вследствие опрокидывания агрегатов на автомобильном ходу или повреждения целостности корпусов из-за ошибочных действий личного состава. Все аварии были ликвидированы с минимальным ущербом путем применения штатных аварийных средств и инструмента ракетных баз. Достигнутые сроки эксплуатации жидкостных и твердотопливных ракет в результате проведенных работ по продлению сроков эксплуатации одинаковы – 12 лет свыше гарантийных сроков.

Утилизация

Жидкостные и твердотопливные ракеты различаются проблемами, связанными с их утилизацией и необходимыми для этого затратами.

Жидкостные ракеты подводных лодок после выгрузки и демонтажа боевых блоков транспортируются на завод-изготовитель. После слива компонентов топлива и нейтрализации ракеты разбираются, корпуса утилизируются методом разделения на разнородные элементы, из аппаратуры извлекаются драгметаллы. Компоненты топлива используются повторно. Разделанные топливные баки отправляются на переплавку, то есть для повторного использования. В настоящее время по этим технологиям утилизировано около 1200 морских жидкостных ракет с истекшими сроками службы.

Твердотопливные ракеты после выгрузки и демонтажа боевых блоков транспортируются на завод-изготовитель, где разбираются на составные части. Металлические элементы и приборы утилизируются аналогично методам для жидкостных ракет. Двигатели транспортируются на утилизацию методом выжигания на стендах Федерального научно-производственного центра «Алтай» в городе Бийске. После сжигания или удаления твердого топлива необходима ликвидация остающихся корпусов двигателей, изготовленных из волокон органопластика и не подлежащих вторичному использованию. Сегодня она решается путем фрагментации корпусов и их захоронения.

Разрабатываемые экологически чистые методы утилизации, например, путем вымывания топлива из корпуса высоконапорной струей воды, растворителей, криогенных жидкостей и так далее, пока не вышли за рамки лабораторных исследований. Связующее современных твердых топлив представляет собой поперечно сшитую матрицу, защищенную от воздействий, нерастворимую и неразрушаемую большинством растворителей, особенно водой.

В настоящее время для ликвидации твердотопливных зарядов применяется метод их выжигания на стендах. При этом в атмосферу выбрасываются вредные продукты сгорания, в первую очередь хлористый водород (20%), окись алюминия (28%), угарный газ (30%), что ведет к неблагоприятным экологическим последствиям. Предпочтительным способом ликвидации твердотопливных зарядов, позволяющим исключить вредные выбросы, является сжигание их на специальных «закрытых» стендах, оснащенных мощной системой очистки газов. Имеющиеся установки сжигания твердотопливных двигателей как открытого, так и закрытого типа («улитка») очень дороги и пока не нашли широкого применения.

Наиболее простой и не требующий больших затрат – это способ ликвидации твердотопливных ракет методом пуска. Такой способ был реализован при ликвидации боекомплекта ракет Р-31. Пуски производились по боевому полю в штатном режиме после десятилетней эксплуатации. Таким же образом были ликвидированы два боекомплекта ракет Р-39 в 1996–1997 годах. В этом случае ликвидация ракет производилась подачей команды на аварийное выключение всех, в том числе неработающих, двигателей (разделение ступеней и вскрытие передних днищ зарядов) на 23-й секунде полета. Это приводило к воспламенению всех зарядов и выгоранию их преимущественно в воздухе. Остатки ракет падали в море. Пуски производились под наблюдением представителей США. Проведенный непосредственно в районе пусков Р-39 экологический мониторинг водного бассейна и воздушного пространства следов воздействия на окружающую среду не выявил.

Последующая утилизация ракет Р-39(У), а следовательно, и их зарядов твердого топлива, проводилась на стендах. При этом экологическая безопасность сжигания маршевых двигателей без сопла на открытом стенде обеспечивается использованием системы водного орошения струи продуктов сгорания, осаждения вредных компонентов в рабочей зоне стенда и вторичной нейтрализацией полученных технологических стоков. Орошение продуктов сгорания в темпе испытания проводится кольцевыми коллекторами, расположенными вдоль струи продуктов сгорания. Стоки отводятся в накопительный бассейн и нейтрализуются гашеной известью. Полученная при этом технически чистая вода возвращается в систему стенда, а твердая фаза, содержащая оксид алюминия, идет на дальнейшую переработку. При этом случае соблюдения технологии сжигания и при экологически благоприятных метеоусловиях риск для населения Бийска и экосистем оценивается как весьма низкий.

Опыт эксплуатации, утилизации и других вопросов использования твердого или жидкого топлива на морских баллистических ракетах требует дальнейшего изучения и обсуждения специалистами с учетом множества современных обстоятельств.

Рэм Никифорович Канин - ведущий научный сотрудник Государственного ракетного центра имени академика В.П.Макеева, кандидат технических наук