Некоторые подробности о разделении
первой и второй ступеней советских/российских
ракет пакетной схемы
 
Ракеты семейства Р-7
 
МБР типа Р-7 и ракеты-носители на её основе выполнены по схеме с параллельным отделением боковых ракетных блоков в конце работы первой ступени. На первом этапе полета работают двигатели четырех боковых и центрального блоков, на втором, после отделения боковых блоков, - только двигатель центрального блока.
 
Общая компоновка (слева)
и конструкция пакета (справа)
ракет семейства Р-7
 
 0 - бак окислителя 2-й ступени
 1 - межбаковый отсек 2-й ступени
 2 - бак горючего 2-й ступени
 3 - бак окислителя 1-й ступени
 4 - межбаковый отсек 1-й ступени
 5 - бак горючего 1-й ступени
 6 - бак перекиси водорода 2-й ступени
 7 - бак азота 1-й ступени
 8 - бак азота 1-й ступени
 9 - бак перекиси водорода 1-й ступени
10 - маршевый двигатель 1-й ступени
11 - воздушный руль
12 - рулевые агрегаты 2-й ступени
13 - маршевый двигатель 2-й ступени
 
 
Первая ступень РН включает четыре боковых блока.Боковые блоки на слэнге монтажников - "морковки".
 
Конструктивно-компоновочная схема бокового блока состоит из силового конуса, несущего конического бака окислителя, межбакового отсека, несущего конического бака горючего, отсека баков перекиси водорода и жидкого азота и цилиндрического хвостового отсека специальной формы.
 
В хвостовом отсеке каждого бокового блока размещается жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) однократного включения типа РД-107, работающий на жидком кислороде и керосине и оснащен­ный четырьмя маршевыми камерами и двумя рулевыми соплами.
 
Для управления полетом на каждом боковом блоке с внешней стороны, противоположной центральному блоку, на небольшом пилоне хвостового отсека установлен аэродинамический руль, выполненный в виде треугольного крыла малого удлинения. Для привода руля имеется электрическая рулевая машина.
 
Боковые блоки  закрепляются в   
 шаровых опорах    
центрального блока в
 верхнем узле связи блоков
 первой и второй ступеней и
скрепляются с центральным блоком посредством тяг в нижнем узле связи ступеней.
Верхние узлы связи четырех ББ с ЦБ
 
Расположение опор на центральном блоке - в месте начала утончения корпуса второй ступени.
 
На этой фотографии бокового блока на поле падения хорошо виден силовой конус и его окочание в виде шара.
 
При сборке пакета РН шар на конце силового конуса ББ вставляется в шаровую опору на ЦБ:
 
1 - Корпус шаровой опоры на ЦБ;
2 - Шток датчика отделения ББ (о нем речь ниже) в теле шаробразного наконечника ББ.
3 - контактный датчик начала отрыва ББ.
Ось сквозь шар не показана.
            Корпус шаровой опоры на ЦБ, на дне чашки видны штоки датчиков, сигнализирующих об отделения ББ в СУ ЦБ
 
На фото ниже: шарообразное окончание ББ, в центре шара - нажимной шток датчика начала отрыва ББ, сверху вниз через шар проходит ось, при стыковке блоков входящая в специальные выемки на корпусе шаровой опоры, что обеспечивает правильное позиционирование ББ при его соединении с ЦБ.
 
 
До начала сборки ЦБ и ББ в пакет РН семейства "Союз", окончание ББ закрыто технологическим чехлом,
предохраняющим шар опоры и шток датчика от случайных повреждений (торцы оси почему-то защищать не стали...)
 
Процесс сборки ЦБ и ББ в пакет РН семейства "Союз" в МИКе космодрома. После сборки четыре узла верхних связей ЦБ и ББ закрепляют технологическойими скобами, позволяющими оперировать пакетом ЦБ/ББ при перемещениях.
 
Технологическая скоба, позволяющая
перемещать собранный пакет в сухом виде
 
Вертикальная подвеска макета РН
в качестве памятника в Самаре
 
 
 
Монтаж технологической скобы на горизонтальном пакете в МИКе:
вверху и справа - на Байконуре,
слева - во французской Гвиане.
 
 
Элементы верхнего узла связи ЦБ и ББ на учебном макете (в МАИ?) подписаны красным.
 
Небольшое отступление. Для подвески РН в стартовом сооружении в силовых конусах боковых блоков имеются специальные «карманы» с опорными плоскостями (напоминающие по виду игольное ушко) . В них входят кронштейны четырех силовых опор стартового сооружения и ракета-носитель на старте висит, прихваченная ими "под бока". Четыре силовых опоры на сленге стартовиков - "тюльпан".
 
Опоры "тюльпана" в "карманах" ББ
 
 
 На верхнем конце силовой опоры - кронштейн, вставляемый в "карман" ББ.
При запуске двигателей нагрузка на кронштейны по мере нарастания тяги двигателей постепенно уменьшается и при снятии нагрузки силовые опоры, вращаясь под действием противовесов, выходят из «карманов» в верхней части боковых блоков и отклоняются в стороны, позволяя ракете покинуть стартовое сооружение - "тюпьпан" раскрывается.
 
Нет никаких механических приводов,  отводящих опоры при старте -  разведение обеспечивается силой земного притяжения.
"Самый надежный механизм - механизм, который отсутствует" -  такие слова приписываются  Владимиру Бармину, Генеральному конструктору стартовых устройств для Р-7. Семейство РН на базе Р-7 - единственные РН, подвешенные на старте таким образом. Другие РН банально стоят на стартовом столе.
 
 
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СЕМЕЙСТВА РАКЕТ Р-7
(отрывок из статьи В.В. Молодцова и А.А. Дашкова, 2001 год)
 
В проекте рассматриваются два варианта "установки" ракеты на старте: ракета, наполненная топливом, стоящая на "юбке", прикрывающей двигатели, или ракета, подвешенная на спецфермах за силовое кольцо, расположенное в районе крепления ускорителей. Многократные обсуждения со стартовиками привели проектантов к решению, что последний вариант, несмотря на необычность и оригинальность, обеспечивает лучшие конструктивные характеристики баков ракеты и большую полезную массу (С.С.Крюков, К.Д.Бушуев, И.П.Фирсов, П.И.Ермолаев, С.П.Пармузин, А.Д.Гулько, А.В.Костров, Н.Панин, А.В.Пуртов, В.А.Семашко, А.П.Абрамов). Главный после обсуждений принимает этот вариант. Внимательно рассматривается динамика старта (П.А.Ершов) и отход ферм при запуске двигателей. По расчетам инженеров-механиков фермы должны отходить, а ракета медленно набирать скорость.
 
Проектанты обсуждают и анализируют варианты вывоза ракеты из монтажно-испытательного корпуса (МИК) на старт: вертикально "стоя" или горизонтально. Главный после анализа расчетов прочности в группе В.Ф.Гладкого принимает горизонтальный вариант. Теперь не надо на полигоне, как в Подлипках, строить высотный корпус, который поспешили построить. Мы неоднократно видели, как огромная махина на специальных тележках движется на старт двигателями вперед. За разработку стартового хозяйства берется конструкторское бюро Бармина.
 
Источник         
 
Нижние силовые связи,
предназначенные для соединения ББ и ЦБ в "пакет" из первой и второй ступенй:
 
 
В нижнем силовом поясе каждый ББ слева и справа прикрепляется к ЦБ двумя тягами,
в узле крепления на ЦБ предусмотрен разрыв крепления всех восьми тяг.
 
 
 
Монтаж нижних силовых связей ББ/ЦБ на горизонтальном пакете в МИКе во французской Гвиане (вверху) и на Байконуре (внизу).
 
 
Как видно, на Байке пренебрегают касками и, может быть, страховочными концами. С ТБ просто беда... Фото: Росскосмос
 
Начало 60-х. Сборка пакета РН "Восток" (или в МИКе Байконура или в 39-м цехе завода № 88 в Подлипках?
или м.б. в цехе п/я 208, ставшим вскоре Заводом „Прогресс", Куйбышев?)
 
 
Вид на нижний силовой пояс РН, уже установленного в стартовое устройство.
 
Процесс разделения первой и второй ступеней РН семейства "Союз" - отделение ББ от ЦБ
 
Двигатели боковых блоков работают около двух минут после старта, после чего отключаются. Выключение происходит по результатам сравнения текущего значения скорости с расчетным. После отключения двигателей боковые блоки отделяются от центрального блока и сбрасываются.
 
Разделение первой (боковых блоков - ББ) и второй ступеней ракет семейства Р-7 сводится к боковому отводу четырех отработавших ракетных блоков первой ступени от ракетного блока второй ступени, продолжающей работу, по схеме с разворотом относительно верхнего силового пояса связей.
 
Для обеспечения отделения и разворота ББ относительно верхнего узла связей важной конструктивной особенностью ракет типа Р-7 является несовпадение оси ББ и вектора тяги маршевых двигателей ББ на 3,5 градуса - оси двигателей первой ступени наклонены к верхнему узлу связей так, что его тяга создает момент относительно этого узла - на рисунке ниже слева.
 
Разделение начинается с перевода двигателей ББ на режим пониженной тяги (величина разная для разных типов РН на основе Р-7, у пилотируемых "Союзов-ФГ", например - порядка 80 %) и выключения рулевых двигателей боковых блоков. Разрываются нижние силовые связи (пиросредствами, в первых образцах конца 50-х годов - пневмоприводами). Тяга двигателей ББ направлена таким образом, что она создаст момент относительно верхних силовых опорных узлов и нижняя часть пакета раскрывается - на рисунке ниже справа -  "а").
Двигатели ББ выключаются. Двигатель центрального блока (вторая ступень), работающий в момент разделения, постепенно уводит центральную часть ракетного блока (вторая и следующие ступени - при их наличии) вперед после выключения двигателей ББ; ББ отстают. Шарообразный наконечник ББ выходит из опоры ЦБ и скользит вниз вдоль защитной площадки снизу опоры, призванной уберечь ЦБ от механического воздействия шара и оси сквозь него на конце ББ (видна на фото внизу).
 
 
 
В момент начала выхода шара наконечника ББ из чашки шаровой опоры ЦБ поддействием пружины высвобождается наконечник штока датчика КР - (Контакт Разделения) и срабатывают контакты датчика, выдавая команду на открывание сопловой крышки в верхней части ББ. Дело в том, что для полного отвода ББ от ЦБ используются газы наддува кислородных баков ББ, расположенных в верней части ББ: как только наконечники ББ выйдут из силовых гнезд, по команде датчика КР открывается сопло в верхней части бака окислителя ББ и под действием реактивной силы исходящих газов наддува бака окислителя, придающей угловую скорость ББ относительно его центра масс, верхняя часть ББ уводится от ракетного блока второй ступени (на рисунке - "б"). Отделяемый ББ разворачивается, и начинается его свободное движение (на рисунке - "в"), при котором соударение отделившихся четырех ББ невозможно.
 
На фотографии выше стрелкой показано закрытое технологической крышкой (удаляется перед сборкой пакета)
сопло кислородного бака ББ.
 
В полете в нужный момент клапан (крышка) кислородного бака ББ открывается пирозамком во время разведения ступеней,
крышка откидывается давлением газа и истекающий через сопло газ отталкивает верхушку ББ от ЦБ.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
На фото  справа
внутри
сопла
видна приоткрытая крышка
в верхней
части бака
окислителя
(пирозамок
снят)
 
На фотографиях вверху и внизу видно открытое сопло кислородного бака отработавшего ББ
 
 
 
Подобное сопло есть и на баке горючего ББ, истекающие газы которого создают дополнительную силу отталкивая ББ от ЦБ.
 
 
Разорванные силовые связи нижнего узла.
Тяги узла остаются на боковых блоках.
Изображение - Анатолий Зак.
 
 
 
На фото
 вверху
 ББ на поле
 падения
 космодрома
 Байконур
 под
 Жезказганом в
 Казахстане,
 на фото слева
 ББ на поле
 падения
 космодрома
 Восточный на
 Дальнем
 Востоке.
 
 Видны
 элементы
 тяг  нижней
 силовой связи
  ББ.
 
Еще раз кратко: система отделения отработавших первых ступеней РН типа "Союз"
 
Система отделения боковых блоков РН состоит из следующих элементов:
 
1. Верхний узел связи каждого ББ с центральным блоком (ЦБ), представляющий собой шаровую опору, передающую усилие на ЦБ от ББ. При отделении (после разрыва нижних силовых связей) ББ разворачивается на верхнем узле связи. На начальном этапе его движения верхний узел связи препятствует также вращению ББ вокруг собственной продольной оси.
 
2. Датчик начала отрыва шарнира. На шаровой опоре каждого ББ для повышения надежности расположено по три датчика, каждый из которых фиксирует перемещение шаровой опоры на величину 5 мм. При перемещении опоры более, чем на 5 мм, в систему управления и систему измерения подается соответствующий сигнал. Датчик вводит обратную связь в систему управления процессом отделения ББ.
 
3. Реактивное сопло бака окислителя, расположенное в верхней части бака окислителя ББ, при открытии которого происходит стравливание газа наддува бака, что приводит к возникновению реактивной силы Fo, которая отводит носовую часть ББ от ЦБ.
 
4. Реактивное сопло бака горючего, расположенное в верхней части бака горючего ББ и предназначенное для создания дополнительной реактивной тяги Fг за счет истечения газов наддува бака горючего.
 
5. Нижние силовые связи ББ с ЦБ, предназначенные для соединения ББ и ЦБ в “пакет” и разделения “пакета”. Замок нижних силовых связей по команде от системы управления позволяет разорвать эту связь для отделения отработавших блоков.
 
Система отделения ББ функционирует следующим образом. При достижении РН заданной скорости (1600…1900 м/с), определяемой программой управления, от системы управления подается команда на снижение тяги основного двигателя ББ до 75-85% от номинального значения, также переводятся в нейтральное положение и выключаются рулевые камеры двигательной установки каждого ББ.
 
После команды на снижение тяги подается команда на замки нижних силовых связей, которые освобождают хвостовую часть ББ. Из-за наличия эксцентриситета тяги P основного двигателя ББ относительно верхнего узла связи создается момент, разворачивающий ББ.
 
Через некоторое время подается команда на отключение основного двигателя, в результате чего прекращается подача окислителя в камеру сгорания двигательной установки ББ.
 
По мере закрытия клапана подачи топлива и выгорания остатков топлива происходит снижение тяги. В некоторый момент времени тяга падает до такого уровня, при котором ББ начинает "отставать" от ЦБ, носовая часть ББ выходит из верхнего узла связи скользит по поверхности ЦБ (участок А0 - А1), при этом срабатывают датчики начала отрыва ББ.
 
После выключения основного двигателя ББ срабатыванием датчика на шаровидном окончании ББ подается команда на открытие сопла бака горючего, которое создает дополнительную силу, тормозящую и разворачивающую ББ.
 
Затем подается команда на открытие реактивного сопла бака окислителя и сила тяги реактивного сопла бака окислителя  создает момент, разворачивающий ББ и отводящий его носовую часть от ЦБ (участок А
1 - А).
 
Источник     
 
 
 
 
Видео разделения ступеней с бортовой камеры на первой ракете («Союз-2.1а»), стартовавшей с космодрома «Восточный» 28.04.2016 г.
 
 Процесс разделения на графике Тяга/Время (творчество форумчан "Новостей космонавтики", уточнения продолжаются...)
 
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СЕМЕЙСТВА РАКЕТ Р-7
(отрывок из статьи В.В. Молодцова и А.А. Дашкова, 2001 год)
 
Несмотря на то, что в основу проекта ракеты Р-7 был положен конкретный, достаточно проработанный вариант конструктивно-компоновочной схемы, проектные поиски продолжались для отыскания оптимальных или хотя бы приемлемых решений по отдельным локальным проблемам. Одной из таких проблем была проблема сброса боковых блоков (бустеров) после их отработки на первой ступени. Сбрасывать их надо было одновременно и так, чтобы избежать возмущающего толчка на продолжающий работать центральный блок Д и уж тем более чтобы избежать его повреждения. Именно эту проблему решал С.Ф. Пармузин, сотрудник группы И.С. Прудникова.
 
Очень сложно оказалось решить вопрос отделения от центрального блока (второй ступени) боковых блоков. Тут проектанты (П.И. Ермолаев, С.Ф. Пармузин, И.П. Фирсов) предложили использовать для этого тягу последействия (после выключения ДУ). В результате боковые блоки веером отходят от центрального блока, а чтобы не произошло соударения блоков, открывается сопло и за счет газов наддува в баке окислителя блоки отводятся дальше от центрального блока, в верхней части освобождаются захваты. Однако в результате внешних возмущений блоки могут врезаться в центральный, и тогда... авария! И вот возникает предложение оттолкнуть блоки: можно механически — но это лишняя масса пироболтов, можно за счет газов, которые скопились в баке. Второй вариант не требует дополнительной массы и принимается. В баке предусматривается небольшое сопло, направленное на центральный блок, оно открывается — и оставшиеся в баке газы отталкивают каждый блок от центрального. Таким образом была спроектирована система разделения без замков и специальных толкателей. Натурные испытания подтвердили правильность принятой схемы отделения блоков. За все время эксплуатации всех модификаций ракеты Р-7 аварии из-за отказов системы разделения ступеней и сброса боковых блоков не было.
Источник         
 
Кадры киносъемочного телескопа КСТ-80 конца 50-х годов
(МБР Р-7, слева)
и современные иллюстрации (РН "Союз",справа):
 
 
Начало разделения пакета. Разорваны нижние и верхние силовые связи.
 
Отделение боковых блоков 1-й  ступени. Верхушки блоков отводятся от центрального блока.
 
 
Боковые блоки отделились от центрального блока.
 
 
ДУ второй ступени продолжает тработу.
 
Киносъемка процесса разделения пакета МБР Р-7, кадры КСТ-80, замедленное воспроизведение.
 
Современная анимация процесса разделения пакета "Союза-У" 
(пуск с Байконура), предположительно производства "РКЦ-Прогресс"
 
 
Еще одна анимация - разделения ББ "Союза-СТ" (пуск с космодрома Куру)
 
Изготовители анимаций не учитывают момент времени, когда ББ расположены относительно блока Ц так, как показано на фото справа - верхние части ББ еще не уведены от блока второй ступени, в то время как нижние части уже разведены в стороны от него.
Фото - с соревнования моделистов. САС, видимо, у этого макета  не отстреливается - в жизни САС всегда отстреливается до разделения ступеней.
 
 
Пример
 
 <<< неправильной
 и
правильной >>> 
 
анимации
процессса
разделения
ступеней
 
Время начала и высота, на которой происходит разделение ступеней, сброс ГО, отстрел САС (при её наличии) определяются циклограммой конкретных пусков.
 
Впервые с близкого расстояния процесс отделения ББ РН семейства Р-7 широкая общественность могла увидеть в апреле 2014 года - ЕКА, заказчик пуска КА Sentinel-1A, установил на своей ПН "онбоард камеры"
 
Ниже еще раз отдельными кадрами бортовой телекамеры показан момент разделения и отвода ББ при этом пуске.
 
Еще ниже - вид разделения ступеней при этом пуске с Земли - крупно.
 
 
 
 
3  
 
 
 
На последнем кадре хорошо видно, как вспыхивают огнем верхушки ББ при их попадании в факел ДУ 2-й ступени -.выходящий под давлением кислород из клапанов баков окислителя поджигает остатки несгоревшего керосина в факеле.
 
Взгляд на момент разделения ступеней с земли:
Старт 3 апреля 2014 г. с космодрома в Куру в Французской Гвиане с КА "Страж-1" ("Sentinel-1")
 
 
Взгляд на момент разделения ступеней с земли:
Старт с Байконура  РН типа "Союз-2" с пилотируемыми КК
 
 
Время начала и высота, на которой происходит разделение ступеней, сброс ГО, отстрел САС (при её наличии) определяются циклограммой конкретных пусков. Ниже - пример циклограммы для непилотируемого пуска из Плесецка.
 
РН
САС
На этих кадрах видно, что при пусках РН типа "Союз" с пилотируемыми КК  САС отстреливается до начала разделения ступеней на 113-й сек. полета за  секунду - две до разделения ступеней, это наблюдается как небольшая вспышка.
 
Циклограмма, ход запуска, работа ИПов/НИПов в процессе выведения на орбиту КА "Прогресс М-10М" ракетой-носителем "Союз-У" 27 апреля 2011 года в фотографиях с мониторов баллистического центра ГИКЦ  >>>>>
 
 
 
Взгляд на момент
 разделения ступеней
 с земли, издалека
 
при пуске с Плесецка
РН «Союз-2.1а»
с КА «Меридиан»
4 мая 2011 года:
вид из Чусовой,
Сыктывкара, Перми.
 
 
 
Взгляд на момент
 разделения ступеней
 с земли, издалека
 
при пуске с Байконура
РН "Союз-ФГ"
с пилотируемым
КК "Союз ТМА-07М"
19 декабря 2012 года:
вид из Темиртау
и Балхаша.
 
 
Красивый эффект рассеивания ракетного  следа в просторечии получил название"медуза".
 
Множество замечательных фотографий на эту тему есть
на Астрофоруме в топике
"Наблюдения запусков..."
 
 
 
 
 
<<< Видео разделения ступеней с бортовой камеры на первой ракете («Союз-2.1а»), стартовавшей с космодрома «Восточный» 28.04.2016 г.
 
 
 
 
По материалам
 www.novosti-kosmonavtiki.ru,
www.roscosmos.ru и др.