Протон (ракета-носитель)

В начале 1960-х годов руководству СССР требовался носитель, способный выводить в космос тяжёлую полезную нагрузку военного назначения и доставлять сверхмощную термоядерную головную часть. Проекты представили конструкторские бюро Сергея Королёва (Н-1), Михаила Янгеля (Р-56) и ОКБ-52 Владимира Челомея, предложившее семейство универсальных ракет — УР-100, УР-200, УР-500 и УР-700^[2].

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 409—183 от 29 апреля 1962 года проектирование УР-500 было поручено ОКБ-23 — филиалу № 1 ОКБ-52, ныне КБ «Салют» в составе ГКНПЦ имени М. В. Хруничева. Главными конструкторами последовательно были Павел Ивенсен, Юрий Труфанов и Дмитрий Полухин; ведущим конструктором проекта оставался Виталий Выродов^[2].

Первоначально УР-500 проектировалась как связка четырёх ракет УР-200 с третьей ступенью на их основе, однако такая схема не обеспечивала требуемой относительной грузоподъёмности, и ОКБ-23 перешло к последовательному (тандемному) расположению ступеней. Ракета разрабатывалась одновременно в боевом варианте — как межконтинентальная баллистическая ракета с индексом 8Ф17 для поражения особо важных целей сверхмощной головной частью — и как носитель тяжёлых спутников. Работы по боевому варианту были прекращены в 1964 году^[3].

Диаметр центральных блоков — 4100 мм — был определён железнодорожным габаритом погрузки, поскольку ракета изготавливалась в Москве и доставлялась на Байконур в разобранном виде. Двигатели первой ступени РД-253 разработало КБ энергетического машиностроения под руководством Валентина Глушко; ранее этот двигатель был отвергнут Королёвым для Н-1 из-за токсичности компонентов топлива. Двигатели второй и третьей ступеней создало КБ химавтоматики, систему управления — коллектив Николая Пилюгина^[3].

После отставки Никиты Хрущёва работы по УР-200 были прекращены, и та же участь угрожала УР-500, однако по настоянию академика Мстислава Келдыша ракету решили использовать как носитель тяжёлых космических аппаратов^[2].

Первый пуск двухступенчатой УР-500 состоялся 16 июля 1965 года: на орбиту была выведена научная станция «Протон-1» массой 12,2 т с ионизационным калориметром для изучения космических лучей. В состав выводимой массы входила часть агрегатов второй ступени, поэтому собственная полезная нагрузка носителя оценивается в 8,4 т. Всего в 1965—1966 годах выполнено четыре пуска, три из которых успешны. Официальное название «Геркулес» не закрепилось, и в печати ракету стали называть по имени первой полезной нагрузки — «Протон»^[4].

С июля 1965 года в филиале № 1 ОКБ-52 разрабатывался трёхступенчатый вариант УР-500К («Протон-К», 8К82К), предназначенный для выведения кораблей 7К-Л1 на отлётную траекторию к Луне. Четвёртой ступенью стал блок Д, созданный на базе пятой ступени Н-1^[5].

Первый пуск «Протона-К» с блоком Д и кораблём 7К-Л1П («Космос-146») состоялся 10 марта 1967 года; эта дата считается днём рождения носителя. Программа пилотируемого облёта Луны оказалась неудачной: из одиннадцати пусков кораблей 7К-Л1 полностью успешным был признан только полёт «Зонд-7» в августе 1969 года, причём в пяти случаях причиной неудачи стал носитель, ещё в пяти — сам корабль^[5]. После посадки «Аполлона-11» советская лунная программа была свёрнута.

Из-за большого числа аварий на этапе лётных испытаний — с марта 1967 по август 1970 года полностью успешными были лишь шесть пусков из двадцати одного — трёхступенчатый «Протон-К» вместе с техническим и стартовым комплексами был принят в серийную эксплуатацию только в 1978 году^[1].

С 1974 года «Протон-К» применялся с разгонным блоком ДМ, что позволило выводить аппараты на высокоэнергетические орбиты. Производство прекращено в 2000-х годах; последняя ракета серии хранилась на складе и была запущена 30 марта 2012 года с последним разгонным блоком семейства ДМ-2, выведя на орбиту завершающий спутник системы УС-КМО. Этот пуск стал 310-м для «Протона-К»^[6].

С 2001 года ГКНПЦ имени М. В. Хруничева выпускал модификацию 8К82КМ «Протон-М». Ключевое отличие — цифровая система управления на основе бортового вычислительного комплекса, а также разгонный блок 14С43 «Бриз-М». Это обеспечило более полную выработку топлива, сокращение полей падения отработавших ступеней, расширение диапазона наклонений опорных орбит и возможность применения обтекателей диаметром до 5 м^[1].

Первый пуск «Протона-М» состоялся 7 апреля 2001 года с последним аппаратом серии «Экран-М». Носитель прошёл четыре этапа модернизации: первый опробован 16 июня 2004 года со спутником Intelsat 10-02, второй — 7 июля 2007 года с DirecTV-10, третий — 11 февраля 2009 года при первом прямом выведении двух аппаратов на геостационарную орбиту суммарной массой около 3700 кг^[7], четвёртый — 9 июня 2016 года со спутником Intelsat 31. Модернизация включала облегчение конструкции, замену двигателей первой ступени РД-275 на РД-276 и увеличение массы полезной нагрузки на геопереходной орбите до 6300—6350 кг^[8].

С середины 2010-х годов «Протон-М» вытесняется с рынка: в 2017 году состоялось лишь четыре пуска против 10—12 в год до 2013 года. Причинами отказа от носителя называют расположение единственного стартового комплекса за пределами России, кооперацию с зарубежными предприятиями, высокотоксичное топливо и стоимость производства, обусловленную большим числом двигателей^[1].

В июне 2018 года генеральный директор «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин поставил задачу прекратить производство «Протонов» после выполнения заключённых контрактов и перейти на носители семейства «Ангара»^[9]. 24 декабря 2019 года ГКНПЦ имени М. В. Хруничева получил последние двигатели для первой ступени^[10]. В сентябре 2019 года генеральный директор центра Алексей Варочко сообщил, что будет изготовлено 11 ракет, после чего производство завершится^[11]; в мае 2022 года он уточнил, что предстоит 13 пусков, для которых остаётся изготовить четыре носителя^[12].

Производство завершено. По словам генерального директора Центра Хруничева Дениса Дениски́на, в апреле 2026 года принято решение о пусках девяти оставшихся ракет в рамках договора аренды комплекса «Байконур»; один носитель изготовлен и находится на хранении, ещё один предназначен для выведения научно-энергетического модуля Российской орбитальной станции и выполнен по документации, аналогичной ракете для модуля «Наука». Соглашений на все девять пусков к этому моменту не заключено^[13].

Первый вариант носителя был двухступенчатым; «Протон-К» и «Протон-М» применяются в трёхступенчатом варианте при выведении на низкую орбиту и в четырёхступенчатом — с разгонным блоком^[1].

Первая ступень состоит из центрального блока и шести боковых, расположенных симметрично вокруг него; разделения боковых блоков в полёте не происходит. Центральный блок включает переходный отсек, бак окислителя и хвостовой отсек, каждый боковой — передний отсек, бак горючего и хвостовой отсек с закреплённым двигателем. Такая схема была выбрана из-за ограничения по железнодорожному габариту: разместить весь запас компонентов в одном блоке диаметром 4,1 м было невозможно^[1].

Вторая ступень имеет цилиндрическую форму и состоит из переходного, топливного и хвостового отсеков. Разделение ступеней «горячее»: двигатели второй ступени запускаются до выключения двигателей первой, и когда их тяга превышает остаточную тягу первой ступени, подрываются пироболты ферменного переходника, а истекающие газы воздействуют на тепловой экран, отталкивая отработавшую ступень^[1].

Третья ступень создана на базе укороченной второй ступени УР-500 с одним маршевым двигателем вместо четырёх и включает приборный, топливный и хвостовой отсеки. Разделение со второй ступенью обеспечивается тягой рулевого двигателя третьей ступени и торможением отделяемой части шестью твердотопливными двигателями 8Д84^[1].

Двигательная установка первой ступени состоит из шести автономных маршевых ЖРД с турбонасосной подачей топлива и дожиганием генераторного газа. На «Протоне-К» применялись РД-253, в начале 1990-х годов их тяга была увеличена приблизительно на 8 %, и модификация получила обозначение РД-275; на «Протоне-М» четвёртой фазы используется РД-276^[14].

Вторая ступень оснащена тремя двигателями РД-0210 и одним РД-0211, отличающимся системой наддува топливного бака. Каждый двигатель может отклоняться в тангенциальном направлении на угол до 3° 15′. Третья ступень несёт двигательный блок РД-0212 в составе однокамерного маршевого РД-0213 и четырёхкамерного рулевого РД-0214.

Во всех ступенях используется самовоспламеняющаяся пара: горючее — несимметричный диметилгидразин (НДМГ, «гептил»), окислитель — тетраоксид диазота (АТ, «амил»). Самовоспламенение упрощает двигательную установку и повышает её надёжность, однако оба компонента высокотоксичны и требуют особых мер обращения^[15].

«Протон-К» оснащался автономной инерциальной системой управления, спроектированной под руководством Николая Пилюгина на основе решений, отработанных на ракетах Р-5 и Р-7. Приборы размещались в негерметизированном приборном отсеке торовой формы на третьей ступени и были выполнены по троированной схеме с тройным резервированием; там же находились приборы регулирования кажущейся скорости и три гиростабилизатора^[3].

На «Протоне-М» система управления заменена на цифровую с бортовым вычислительным комплексом. Это позволило передать вычислителю функции ряда систем, обеспечить пространственный манёвр на активном участке, оперативно менять полётное задание и точнее выработать бортовой запас топлива, что уменьшило остатки компонентов в районах падения^[16].

Для выведения на высокие, геопереходные, геостационарные и отлётные орбиты применяется дополнительная ступень — разгонный блок, допускающий многократное включение маршевого двигателя и переориентацию в пространстве. Первые блоки для «Протона-К» разрабатывались в ОКБ-1 на базе пятой ступени Н-1; после доработок, повысивших грузоподъёмность и снизивших стоимость, блок получил обозначение ДМ. В дальнейшем применялись версии ДМ-2, ДМ-2М и ДМ-03 производства РКК «Энергия» с числом включений двигателя до пяти.

В конце 1990-х годов ГКНПЦ имени М. В. Хруничева создал блок «Бриз-М» на компонентах АТ и НДМГ с числом включений до восьми. Его применение в составе «Протона-М» позволяет выводить на геостационарную орбиту до 3,7 т, на геопереходную — свыше 6 т. Первый пуск связки «Протон-М» — «Бриз-М» состоялся 7 апреля 2001 года^[17].

При выведении на геостационарную орбиту «Бриз-М» выполняет пять включений маршевого двигателя: первое формирует опорную орбиту высотой около 170 × 230 км с наклонением 51,5°, последующие — промежуточные и переходную орбиты, а пятое в апогее поднимает перигей и изменяет наклонение до заданного. Полная схема выведения от команды на подъём до отделения аппарата занимает около 9,3 часа^[1].

Головные обтекатели изготавливаются ОНПП «Технология» в Обнинске из трёхслойных обечаек с алюминиевым сотовым заполнителем и обшивками из углепластика. По сравнению с металлическими и стеклопластиковыми аналогами это снижает массу на 28—35 %, повышает жёсткость на 15 % и вдвое улучшает акустические характеристики.

Стандартные обтекатели для выведения на низкие орбиты имеют внутренний диаметр 4,1 м; при коммерческих пусках применялись обтекатели длиной от 10 до 15,25 м при внешнем диаметре 4,35 м. Сброс обтекателя происходит в начале работы третьей ступени.

Механическое и электрическое соединение аппарата с разгонным блоком обеспечивают переходные системы с адаптером и системой разделения; диаметры кольца крепления составляют 937, 1194, 1664 и 1666 мм. Адаптеры разработаны и изготавливались ГКНПЦ имени М. В. Хруничева, системы разделения — также зарубежными поставщиками^[1].

Двухступенчатый носитель 8К82 с первой ступенью, спроектированной специально для него, и второй ступенью, унаследованной от УР-200. Полезная нагрузка на низкой околоземной орбите — 8,4 т. Выполнено четыре пуска в 1965—1966 годах, выведено три аппарата серии «Протон»^[4].

Трёхступенчатый носитель 8К82К с увеличенными объёмами топливных баков второй ступени и новой третьей ступенью, применявшийся в трёх- и четырёхступенчатом вариантах. Полезная нагрузка — от 19,8 до 20,9 т на низкой орбите и до 2,6 т на геостационарной в зависимости от разгонного блока. Выполнено 310 пусков в 1967—2012 годах^[18].

Носитель 8К82КМ с цифровой системой управления, форсированными двигателями первой ступени и возможностью установки обтекателей увеличенного размера. Прошёл четыре фазы модернизации. Полезная нагрузка — 23,7 т на низкой орбите, 6,35 т на геопереходной орбите ГПО-1500 и до 3,7 т на геостационарной. Выполнено 116 пусков с 2001 года^[18].

В сентябре 2016 года Центр Хруничева объявил о разработке двухступенчатых модификаций «Протон Средний» с полезной нагрузкой до 2,2 т на геостационарной орбите и «Протон Лёгкий» — до 1,45 т^[19]. В апреле 2017 года создание «Протона Лёгкого» было отложено, а «Протон Средний» рассматривался как ответ на конкуренцию с носителями Falcon 9^[20]; ни одна из модификаций не создана.

С 1990-х годов велись работы над кислородно-водородным разгонным блоком (КВРБ), для которого был разработан двигатель РД-0146 и начато изготовление отдельных агрегатов. Блок заметно крупнее ДМ и «Бриз-М» и требовал обтекателя диаметром 5 м, доработки аэродинамики, системы управления и программного обеспечения, а также создания на космодроме инфраструктуры заправки жидким водородом. Работы были приостановлены, а сами блоки переориентированы на носители «Ангара» под обозначением КВТК^[1].

Кроме того, в боевом исполнении УР-500 проектировалась как межконтинентальная баллистическая ракета 8Ф17 и как средство глобального орбитального бомбометания; эти работы прекращены в 1964 году^[3].

«Протон» стал основным советским и российским средством выведения тяжёлых аппаратов. С его помощью выведены долговременные орбитальные станции серии «Салют», включая гражданские ДОС и военные «Алмаз», беспилотные корабли-модули ТКС, базовый блок и все модули станции «Мир» — «Квант-1», «Квант-2», «Кристалл», «Спектр» и «Природа», а также российские модули МКС «Заря» (1998), «Звезда» (2000) и «Наука» (2021)^[22].

В непилотируемой космонавтике носитель обеспечил развёртывание систем спутниковой связи и телевещания «Экран», «Горизонт», «Галс» и «Экспресс», систем двойного назначения на базе аппаратов «Радуга», спутников-ретрансляторов «Луч» и «Поток», а с 1982 года — навигационной системы ГЛОНАСС, аппараты которой запускались по три на одном носителе. На «Протоне» выведены все советские и российские автоматические межпланетные станции к Луне, Венере, Марсу, Фобосу и комете Галлея, а также орбитальные обсерватории «Астрон» и «Гранат»^[1].

С 1965 года выполнено 430 пусков ракет семейства: 4 — «Протон», 310 — «Протон-К», 116 — «Протон-М». Успешными признаны 383 пуска, 27 завершились авариями, 20 — частично неудачны^[18].

Для «Протона-К» полностью успешными были 277 пусков из 310. Для «Протона-М» из 116 пусков успешны 105^[18].

Наиболее интенсивно носитель использовался до 2013 года — по 10—12 пусков ежегодно, затем интенсивность снижалась: в 2017 году состоялось четыре пуска. После 2021 года пуски стали единичными: 12 октября 2022 года выведен ангольский спутник «Ангосат-2», 5 февраля 2023 года — «Электро-Л» № 4, 13 марта 2023 года — «Луч-5Х»^[23][24]. После почти трёхлетнего перерыва 12 февраля 2026 года «Протон-М» с разгонным блоком ДМ-03 вывел спутник «Электро-Л» № 5; для блоков семейства ДМ этот пуск стал последним.

Отдельные пуски отмечены рекордными показателями: 20 октября 2011 года на геопереходную орбиту выведен аппарат ViaSat-1 массой 6740 кг, 8 июня 2017 года — EchoStar 21 массой 6871 кг, ставший самым тяжёлым аппаратом, запущенным на «Протоне-М»^[25]. Самой продолжительной схемой выведения стал пуск 31 июля 2020 года со спутниками «Экспресс-80» и «Экспресс-103»: от старта до отделения второго аппарата прошло 18 часов 16 минут^[26].

С 1993 года маркетингом пусковых услуг на международном рынке занималось совместное предприятие International Launch Services (ILS), до 1995 года носившее название «Локхид—Хруничев—Энергия»; контрольный пакет принадлежал ГКНПЦ имени М. В. Хруничева. Первый коммерческий пуск «Протона-К» состоялся 8 апреля 1996 года со спутником «Астра 1F», всего по коммерческим программам выполнено 32 пуска этой модификации; последний — 6 июня 2003 года с аппаратом AMC-9.

Стоимость коммерческого пуска менялась в широких пределах. В конце 1990-х годов пуск «Протона-К» с блоком ДМ оценивался в 65—80 млн долларов^[27]. К концу 2008 года стоимость выведения на геопереходную орбиту достигала около 100 млн долларов, после чего снизилась примерно до 80 млн из-за изменения курса рубля. В июле 2015 года цена была снижена до 65 млн долларов для конкуренции с Falcon 9^[28].

Для федеральных заказчиков стоимость носителя росла: с 252,1 млн рублей в 2001 году до 1356,5 млн рублей в 2011 году^[29]. По данным на 2013 год полная стоимость пуска для российского бюджета составляла около 2,84 млрд рублей, включая 1,521 млрд за носитель, 447 млн за разгонный блок «Бриз-М» и 690 млн за услуги по запуску^[30].

Основными конкурентами носителя на рынке в 2000—2010-х годах были европейская Ariane 5, выводившая на геопереходную орбиту по два спутника суммарной массой до 9300 кг, а также Falcon 9, с 2016 года предложившая более низкую стоимость выведения. Носители Atlas V, Delta IV и H-IIB сопоставимы по массе полезного груза, но существенно дороже и на коммерческом рынке с «Протоном» практически не конкурировали. Дополнительным конкурентным недостатком остаётся широта Байконура: пуски с околоэкваториальных космодромов позволяют вывести на геостационарную орбиту примерно на четверть большую массу^[31].