Вклад Центра Келдыша в первый полет человека в космос

Состоявшийся 12 апреля 1961 года первый в мире космический полет нашего соотечественника Ю. А. Гагарина явился прежде всего итогом нескольких десятилетий целенаправленной и плодотворной деятельности многих специалистов в области пилотируемой космонавтики. Еще в 1932 году С.П. Королев вместе с Ф. А. Цандером в Группе изучения реактивного движения начинает разработку ракетоплана РП-1 − первого летательного аппарата с ракетным двигателем для полетов человека. Однако этот проект не удалось довести до практического завершения. В 1933 году С.П. Королев переходит на работу в созданный Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ, ныне Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша), где осуществляет свою мечту о полёте человека на аппарате с ракетным двигателем. В РНИИ он разрабатывает ракетоплан РП-318-1, который под управлением летчика-испытателя В. П. Фёдорова 28 февраля 1940 года совершает свой первый полет и становится первым шагом на пути человека в космос.

В 1944 году РНИИ был преобразован в НИИ-1 и определен главной в стране организацией по реактивным авиационным двигателям, а в соответствии с историческим постановлением от 13 мая 1946 года «Вопросы реактивного вооружения» – и по двигателям для ракет. В 1946 году институт возглавил Мстислав Всеволодович Келдыш. Под его руководством активно решаются вопросы газовой динамики и теплообмена, тепловых режимов и теплозащиты летательных аппаратов. В 1948 году происходит судьбоносная встреча С.П. Королева, который в то время уже работал в ОКБ-1, и М.В. Келдыша. Многие годы судьба отечественной ракетно-космической отрасли, и в частности пилотируемой космонавтики, определялась этими выдающимися учеными.

Одним из первых совместных действий С. П. Королёва и М. В. Келдыша стала разработка, а затем и реализация принятой правительством в 1949 году программы исследований с помощью ракет верхних слоев атмосферы в научных и оборонных целях. В рамках этой программы были осуществлены запуски разработанных под руководством С. П. Королёва геофизических ракет на космическую высоту 100 км с успешным возвращением на Землю приборных контейнеров с научной аппаратурой, разработанной под руководством М. В. Келдыша.

А в августе 1951 года на Землю с высоты 100 км были впервые успешно возвращены две собаки. Это были очередные шаги на пути человека в космос.

Еще в 1944 году сотрудники НИИ-1 посещают немецкий полигон в Польше для изучения немецкой ракетной техники и уже в 1945 году разрабатывают проект высотной ракеты ВР-190 для вертикального полета двух человек на высоту 150–200 км. Хотя проект не был реализован, многие предложенные в нем технические решения нашли практическое воплощение в ряде позже разработанных комплексов и систем, в частности в системе мягкой посадке спускаемого аппарата космического корабля «Союз». В 1946 году ряд сотрудников НИИ-1 командируются в НИИ-4 Академии артиллерийских наук и продолжают свои космические исследования по заданиям С. П. Королёва. Уже в 1948 они приходят к обоснованному выводу о возможности получения первой космической скорости с помощью многоступенчатых ракет и создания искусственного спутника Земли. Королев непосредственно поддерживает работы по исследованию баллистических характеристик ракет пакетной схемы.  По заданию С.П. Королева и при поддержке и руководстве М.В. Келдыша в 1954 году обобщаются результаты многолетних научно-исследовательских работ по искусственному спутнику Земли (ИСЗ). В этих документах впервые в качестве необходимого второго этапа в осуществлении программы космической деятельности ставилась задача «перехода от простейшего спутника к небольшому экспериментальному обитаемому кораблю, рассчитанному на длительное пребывание одного-двух человек на круговой орбите».  М. В. Келдыш назначается председателем специальной комиссии Президиума Академии наук СССР по ИСЗ. С этого момента и как руководитель комплексных научно-технических разработок, и как председатель многих экспертных комиссий по космическим объектам М. В. Келдыш несет особую ответственность за ход выполнения космической программы СССР.

Начиная с 1954 года С.П. Королев работает над созданием межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. При разработке ракеты Р-7 на НИИ-1 было возложено три комплекса задач: обеспечение устойчивости процесса в кислородных ЖРД, исследования по газовой динамике, теплообмену и теплозащите головных частей и разработка методов измерения пульсаций давления и аппаратуры для этих измерений.

15 августа 1957 года состоялся первый успешный старт МБР Р-7. 4 октября 1957 года созданная на базе Р-7 ракета-носитель вывела в космос первый искусственный спутник Земли. За вклад в создание ракеты Р-7 и первых ИСЗ С.П. Королеву и М. В. Келдышу была присуждена Ленинская премия. Ленинской премии был удостоен и начальник отделения ЖРД НИИ-1 А.П. Ваничев. Высокими государственными наградами была отмечена группа сотрудников НИИ-1.

После успешного запуска первых спутников Земли ученые приступили к созданию обитаемого корабля для полета человека на околоземную орбиту. Для этого необходимо было решить ряд задач: провести исследования на базе межконтинентальной ракеты Р-7 и ее трехступенчатых модификаций, провести исследования  в космическом пространстве на базе новых перспективных ракетоносителей, создать новые, специальные ракетоносители для обеспечения дальнейших достижений по освоению космического пространства и двигателей к ним, провести научно-исследовательские работы по развитию межпланетной техники и поиск новых, более совершенных путей освоения космического пространства.

Наряду с созданием искусственных спутников для исследования космического пространства в окрестностях Земли, аппаратов для исследования Луны и ряда других перспективных задач, на основе имеющегося опыта в ОКБ-1, НИИ-1, Отделении прикладной математики Математического института АН СССР и в других организациях, было принято решение о создании первых спутников с человеком на основе использования именно баллистической схемы возвращения космического аппарата с орбиты на Землю.  Под руководством М.В. Келдыша был предложен первый конкретный вариант системы гравитационной (пассивной) стабилизации искусственного спутника и построена теория такой стабилизации.

В 1959 году группа ведущих государственных деятелей Советского Союза, включая С. П. Королёва и М. В. Келдыша, представила предложения о проведении работ по созданию пилотируемого спутника-разведчика (шифр «Восток»). Правительство СССР определило НИИ-1 головной организацией по созданию системы ориентации объекта «Восток». Специальная комиссия при Президиуме Академии наук СССР по ИСЗ (объект «Д») во главе с М. В. Келдышем стала головной организацией по решению научных проблем, связанных с космическим полетом и расчетами траекторий, по разработке аппаратуры для научных исследований и проведению астрономических наблюдений. Были определены и персонально ответственные лица, в НИИ-1 им стал Б. В. Раушенбах под руководством М. В. Келдыша. Работы по системе ориентации корабля «Восток» не были основным направлением деятельности НИИ-1, но это были разработки на новом уровне по системам управления летательными аппаратами, начало которым было положено С.П. Королевым в РНИИ еще в 1936 году, в период работы по созданию беспилотных крылатых ракет. Тогда в довоенный период Королев привлекал к этим работам Раушенбаха. Когда С.П. Королева и В.П. Глушко арестовали работы были прекращены и только в середине 1950-х годов, когда стала понятна возможность полета искусственных спутников Земли, Б. В. Раушенбах при поддержке М. В. Келдыша начал исследования по управлению в космосе. И уже через год (за год до запуска первого ИСЗ) Келдыш утвердил проект системы ориентации спутника. При этом, НИИ-1 МАП оказался единственной организацией, способной дать конкретные предложения по проблеме управления ориентацией космических аппаратов.

Параллельно с разработками первого искусственного спутника Земли, Королев работал над проектом космического аппарата Е-2 для фотографирования обратной стороны Луны. Понимая, что НИИ-1 – единственная организация, способная быстро осуществить работы, связанные с управлением ориентацией аппарата Е-2. С.П. Королев обращается в НИИ-1 к М.В. Келдышу. Запущенный 7 октября 1959 года аппарат Е-2, получивший наименование «Луна-3», 10 октября впервые в мире выполнил успешное фотографирование обратной стороны Луны, что стало возможным благодаря созданной в НИИ-1 первой в мире активной системе управления ориентацией космического аппарата. За это достижение сотрудники НИИ-1, включая Б. В. Раушенбаха, были удостоены Ленинской премии.

В этом же году в НИИ-1 был выпущен «Эскизный проект системы ориентации объекта «Восток 1» (система «Чайка-1»)», утвержденный 27 июля 1959 года научным руководителем НИИ-1 академиком М. В. Келдышем.

Рис. Титульный лист эскизного проекта системы ориентации объекта «Восток 1». 1959 г.

Надо отметить, что система ориентации корабля «Восток» значительно отличалась от системы ориентации «Луны-3».  Вместо оптического датчика, который использовался для ориентации на освещенную поверхность Луны, был создан принципиально новый датчик инфракрасного излучения Земли, на основе которого был разработан прибор «инфракрасная вертикаль», используемый и поныне на всех околоземных аппаратах. Для формирования технического задания на инфракрасную вертикаль в НИИ-1 были проведены расчеты инфракрасного излучения Земли. Важную роль при решении этой проблемы сыграли результаты экспериментов, полученные сотрудниками НИИ-1 при вертикальных пусках ракет.

Они послужили основой для свидетельства на открытие «Инфракрасные пояса Земли». НИИ-1 выступал в качестве заказчика всех необходимых для системы ориентации приборов и устройств и разработчика системы в целом. К концу 1959 года стало ясно, что силами отдела, возглавляемого Б. В. Раушенбахом, растущий объем работ по системе ориентации выполнить невозможно. Поэтому решением правительства страны коллектив Б. В. Раушенбаха в начале 1960 года был переведен из НИИ-1 в ОКБ-1. Здесь работы по системе ориентации корабля «Восток» были успешно завершены. Возглавляемый Б. В. Раушенбахом отдел вошел в число руководимых заместителем главного конструктора Б. Е. Чертоком подразделений ОКБ-1, разрабатывавших систему управления корабля «Восток» в целом.

В дальнейшем Б. В. Раушенбах и руководимый им коллектив внесли определяющий вклад в создание бортовых комплексов управления кораблей «Союз», пилотируемых кораблей по лунным программам, первых орбитальных станций «Салют».

НИИ-1 наряду с ЦАГИ и НИИ-88 был в числе соисполнителей работ в части теоретических и экспериментальных исследований по аэродинамике и динамике тел, входящих в атмосферу Земли с космическими скоростями, а также в части исследований по теплообмену. НИИ-1 являлся головным исполнителем в части теоретических и экспериментальных исследований различных схем теплозащиты.

Еще в 1947 году Келдыш создает в НИИ-1 уникальную экспериментальную газодинамическую базу на основе принципиально новых идей. Для получения наземных потоков с большими числами Маха и для исследования теплообмена при сверхзвуковых скоростях создаются высокотемпературные подогреватели различных типов, а для испытания материалов теплозащиты – уникальные электродуговые подогреватели газа (плазмотроны). Внедряются методы математического моделирования.

В нашей стране в 1950-х годах создаются баллистические ракеты дальнего действия для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния. Необходимо было решать проблемы тепловой защиты головных частей ракеты при входе в атмосферу. НИИ-1 сразу же подключается к этим работам и уже в 1954 году была создана высокотемпературная кислородно-водородная установка для «прожига» образцов реальных теплозащитных материалов, а затем электродуговая установка, которая позволила использовать в качестве высокотемпературной среды обычный воздух. Проведенные в НИИ-1 исследования показали, что условия прохождения головной частью межконтинентальной баллистической ракеты плотных слоев атмосферы можно существенно облегчить благодаря «затуплению» носка конуса. Это подтверждается во время летных испытаний. Проблема входа в атмосферу и создания теплозащиты головных частей ракет практически решается.  При выборе материала теплозащиты Королев руководствуется результатами работ, выполненных в НИИ-1 совместно с ОКБ-1.

Когда в ОКБ-1 создавался космический корабль «Восток», предназначенный для орбитального пилотируемого полета и последующего спуска космонавта на Землю именно специалисты НИИ-1 выполняли работы по исследованию теплообмена в районе передней критической точки. Роль тепловой защиты в обеспечении надежности и безопасности пилотируемого полета в космос трудно переоценить. На основе полученного в НИИ-1 опыта был выбран наиболее надежный и технологичный материал, поскольку речь шла о полете человека в космос. 

В 1958 году в НИИ-1 успешно были проведены исследования спуска с орбиты искусственного спутника Земли и даны конкретные рекомендации. Также в НИИ-1 были проведены экспериментальные исследования распределения давления и теплообмена в сверхзвуковом потоке диссоциированного газа, разработаны программы спуска с точки зрения веса, перегрузок, температур. Начались экспериментальные исследования аэродинамики корабля «Восток».

Накануне первого пилотируемого полета в космос была решена исключительно важная для безопасности такого полета проблема. Дело в том, что для осуществления пилотируемого полета необходимо было установить на носитель дополнительную третью ступень. А как показал предшествующий опыт запуска межпланетных автоматических станций это приводило к возникновению нового явления – продольной неустойчивости ракеты и в конечном итоге к ее разрушению. М. В. Келдыш привлек к решению этой сложной технической задачи сотрудников НИИ-1, проблема была успешно решена.

После завершения триумфального полета Ю. А. Гагарина С. П. Королёв и М. В. Келдыш стали дважды Героями Социалистического Труда. Звание Героя Социалистического Труда было присвоено начальнику лаборатории газодинамики и теплообмена НИИ-1 Г.И. Петрову. Многие сотрудники НИИ-1 удостоены правительственных наград.

За огромный вклад в отечественную и мировую науку и технику в 1966 году наименование РНИИ было присвоено кратерной цепочке на обратной стороне Луны протяжённостью 540 км.

Сегодня можно с уверенностью сказать, что коллектив РНИИ- НИИ-1 (ныне Центр Келдыша) внес весомый вклад в приоритетное достижение нашей страны в истории мировой космонавтики – осуществление первого полета человека в космос.

Накануне 60-летия первого в мире полета Ю. А. Гагарина в космос, в подготовку и осуществление которого большой вклад внесли сотрудники РНИИ – Центра Келдыша, издан двухтомник «РНИИ». В настоящий момент книга доступна в библиотеке предприятия.

Вклад Центра Келдыша в осуществлении первого полета

  • Первая космическая скорость
  • Устойчивость полёта ракеты
  • Газовая динамика и теплообмен
  • Тепловые режимы и теплозащита
  • Баллистическая схема возвращения космического аппарата
  • Мягкая посадка спускаемого аппарата
  • Устойчивость процесса в кислородных ЖРД
  • Аппаратура для измерения пульсаций давления
  • Системы ориентации объекта «Восток»
  • Расчет траекторий
  • Аппаратура для астрономических наблюдений
  • Расчеты инфракрасного излучения Земли
  • Высокотемпературные подогреватели различных типов
  • Электродуговые подогреватели газа
  • Методы математического моделирования
  • Проблема входа в атмосферу
  • Аэродинамика