Г. А. Назаров, В. И. Прищепа

КОСМИЧЕСКИЕ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Твердотопливные двигатели (ракетные двигатели твердого топлива, РДТТ) широко используются в современной космонавтике, удачно дополняя жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), работающие на жидком топливе[1]. Области конкретного применения этих двух типов двигателей определяются их сравнительными конструктивными, энергетическими, эксплуатационными, финансовыми и другими характеристиками. Большее содержание потенциальной химической энергии, запасенной в единице массы жидкого ракетного топлива, легкость регулирования рабочего режима (величины тяги) и осуществимость многократного включения и выключения ЖРД в полете предопределили главенствующую роль этих двигателей в космонавтике. ЖРД широко применяются в качестве маршевых, т. е. основных, двигателей, обеспечивающих разгон ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА), торможение КА и перевод их на другие орбиты и т. д. В качестве вспомогательных двигателей ЖРД используются, например, почти во всех реактивных системах управления полетом КА.

Что касается РДТТ, то прежде всего следует отметить, что благодаря быстродействию и простоте устройства (а следовательно, надежности) этот двигатель является наиболее подходящим или даже незаменимым средством для создания тяги при проведении таких «вспомогательных» операций, как аварийное спасение космонавтов на начальном участке вывода космических кораблей на околоземные орбиты, разделение ступеней РН, раскрутка ракетных ступеней и КА с целью их стабилизации в полете, создание начальных перегрузок для нормального запуска основных ЖРД в невесомости и т. д. Во многих случаях оказывается целесообразным использование маршевых космических РДТТ. В этом качестве твердотопливные двигатели широко применяются на верхних ступенях РН и в так называемых разгонных блоках, включаемых в космосе. Установка на ракеты-носители навесных РДТТ, включаемых при старте, является эффективным способом повышения мощности РН. В арсенале космонавтики имеются и полностью твердотопливные РН.

Несмотря на большое место, которое занимают твердотопливные двигатели в современной космонавтике, космические РДТТ не нашли достаточного отражения в литературе. Настоящая брошюра восполняет этот пробел. В ней рассказывается об устройстве и особенностях космических РДТТ, истории их создания и применения. Наряду с общим уровнем развития РДТТ рассматриваются конкретные конструкции двигателей, обсуждаются перспективы дальнейшего развития и использования РДТТ в космонавтике.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ РДТТ

РДТТ относятся к так называемым химическим или термохимическим ракетным двигателям. Все они работают по принципу превращения потенциальной химической энергии топлива в кинетическую энергию истекающих из двигателя газов. РДТТ состоит из корпуса, топливного заряда, реактивного сопла, воспламенителя и других элементов (рис. 1).

Корпус РДТТ представляет собой прочный сосуд цилиндрической, сферической или другой формы, изготовленный либо из металла (сталь, реже — титановый и алюминиевый сплавы), либо из пластика. Это — основной силовой элемент твердотопливного двигателя, а также всей двигательной установки и твердотопливной ракеты (ракетной ступени) в целом. В корпусе содержится прочно скрепленный с ним заряд твердого топлива: обычно — механическая смесь кристаллического неорганического окислителя (например, перхлората аммония) с металлическим горючим (алюминий) и полимерным горючим-связующим (полибутадиеновый каучук). При нагреве этого топлива от воспламенителя (который в простейшем случае представляет собой пиротехнический заряд с электрозапалом) отдельные составляющие топлива вступают между собой в химическую реакцию окисления-восстановления, и оно постепенно сгорает. При этом образуется газ с высокими давлением и температурой.

Рис. 1. РДТТ в разрезе:

1 — воспламенитель; 2 — топливный заряд; 3 — корпус; 4 — сопло

К корпусу РДТТ, который по выполняемым рабочим функциям является и камерой сгорания ракетного двигателя, присоединено реактивное сопло (может быть и несколько сопел, образующих сопловой блок), в котором образовавшийся от сгорания топлива газ разгоняется до скорости, превышающей скорость звука. В результате этого возникает сила отдачи, противоположно направленная истечению газовой струи и называемая реактивной силой, или тягой[2]. В зависимости от конкретного назначения космические РДТТ могут иметь тягу от сотых долей ньютона до нескольких меганьютонов, а продолжительность работы — от долей секунды до нескольких минут. Корпуса и сопла длительно работающих двигателей необходимо защищать от прогара. С этой целью в РДТТ используются теплоизоляционные, аблирующие и жаростойкие материалы.

При всей простоте функциональной схемы РДТТ точный расчет его рабочих характеристик представляет собой сложную задачу. Решается она при помощи методов внутренней баллистики РДТТ; эта научная дисциплина аналогична области науки, которая изучает газодинамические процессы в оружейных ствольных системах. В том случае, когда физические условия во всех точках горящей поверхности заряда одинаковы и топливо однородно, оно сгорает равномерно, параллельными слоями, т. е. фронт горения перемещается от поверхностных слоев в глубь заряда с одинаковой скоростью во всех точках. Давление в камере сгорания (рк) и тяга РДТТ при неизменной площади минимального сечения (горловины) сопла пропорциональны размерам горящей поверхности и скорости горения топлива (u). Постоянство тяги или необходимое изменение ее во времени достигается применением топлив с разными скоростями горения и выбором соответствующей конфигурации топливного заряда.

В простейшем случае параметр u зависит лишь от рк и температуры заряда. Для большинства применяемых топлив наблюдается степенной закон зависимости и от рк (показатель степени порядка 0,2–0,9). При рк = 4–7 МПа параметр и составляет для медленно горящих топлив 2–6 мм/с, для топлив со средней скоростью горения (применяемых в крупных РДТТ) — 6 — 15 мм/с, для быстро горящих — 30–60 мм/с. При увеличении (уменьшении) температуры заряда на 10 К скорость горения увеличивается (соответственно уменьшается) в среднем на 2–5 %.

В космических РДТТ широко применяются так называемые заряды канального горения, сгорающие по поверхностям, которые образованы внутренними осевыми каналами круглого, звездообразного (рис. 2) или другого поперечного сечения. Чтобы исключить горение по торцевым поверхностям (как и по части внутренних), на них наносят так называемые бронирующие покрытия — на основе тех же материалов, что используются для теплозащиты корпуса.

Заряды чисто торцевого горения (рис. 2, а) в космических РДТТ применяются крайне редко. Хотя они характеризуются постоянной во времени поверхностью горения, и, следовательно, в этом случае легко достигается неизменный уровень тяги, однако для получения значительной тяги необходимо было бы предусматривать слишком большой диаметр заряда. Топливные заряды рассматриваемого типа имеют и тот существенный недостаток, что в течение всего времени их горения корпус РДТТ подвергается непосредственному воздействию продуктов сгорания (а значит, проблема теплозащиты стенок корпуса становится особенно острой). От указанных недостатков свободны заряды с осевыми каналами (рис. 2, б, в, г). Кроме того, изменяя геометрическую форму (т. е. высоту, диаметр, количество лучей) этих зарядов и частично бронируя их поверхности, можно получать самый различный характер изменения тяги РДТТ. Часто применяются заряды более сложных конфигураций, образованных сочетанием упомянутых простых форм.

Прекращение действия тяги космических РДТТ происходит обычно при полном сгорании топлива. Можно предусмотреть также выключение РДТТ по команде от системы управления. Наиболее отработанный способ «отсечки» тяги заключается в мгновенном открытии (с помощью пироустройств) отверстий в корпусе РДТТ, суммарная площадь которых больше, чем у горловины сопла. При этом давление в камере сгорания резко будет падать и горение топлива прекращается. Соответствующей ориентацией указанных отверстий и установкой специальных «реверсивных» сопел можно создать отрицательную составляющую тяги, способствующую скорейшему прекращению действия РДТТ.

Рис. 2. Типы топливных зарядов

Маршевые РДТТ могут проектироваться с учетом необходимого изменения направления вектора тяги для управления полетом РН и КА. Указанная цель достигается установкой газовых рулей (не относящихся к конструкции РДТТ) на выходе из сопла, несимметричным вводом соответствующих газа или жидкости в сопло (что приводит к повороту реактивной струи), отклонением (качанием) сопла в осевой плоскости (при помощи соответствующих приводов) и другими способами.

Теперь, после того как мы ознакомились с устройством и работой космических РДТТ, можно более подробно остановиться на отдельных структурных элементах этих двигателей. Но прежде обратимся к истории РДТТ. Это даст нам возможность лучше понять особенности космических твердотопливных двигателей и проблемы, возникающие при их создании, относительные достоинства и недостатки РДТТ (прежде всего по сравнению с ЖРД), а также оценить конкретные области применения и перспективы развития космических РДТТ.

История создания космических РДТТ. Эти двигатели ведут свою историю от пороховых ракет древности, в которых впервые был реализован принцип реактивного движения. Прежде чем РДТТ стал применяться в космонавтике, он прошел долгий путь развития. Рассмотрим основные этапы этого пути.

История создания и развития РДТТ — это прежде всего история изобретения порохов. Источником энергии первых ракетных двигателей, которые применялись в Китае и Индии еще в начале нашего тысячелетия был черный, или дымный, порох, подобный современному. Это твердое топливо имеет следующий типичный состав: 75 % нитрата калия. (KNO_3), 15 % древесного угля и 10 % серы.

На протяжении многих столетий РДТТ, по существу, не подвергались принципиальным изменениям, и развитие твердотопливных ракет, в котором периоды подъема чередовались с временами спада, шло крайне медленными темпами. Основная причина этого заключалась в неблагоприятных физических характеристиках черного пороха, прежде всего в небольшом запасе химической энергии и малом (по объему) количестве газов, образующихся при горении. Пользуясь современной терминологией, можно сказать, что в этом случае невозможно было получить высокий удельный импульс двигателя, т. е. отношение тяги к массе рабочего тела, расходуемой в единицу времени. Это — важнейший параметр ракетного двигателя, поскольку характеризует его экономичность. Удельный импульс имеет размерность скорости и во многих случаях практически совпадает по величине со скоростью истечения реактивной струи.

Кроме того, создание зарядов из дымного пороха, которые бы могли гореть свыше 1–3 с, представлялось неразрешимой проблемой: по прошествии этого короткого времени давление в камере сгорания резко возрастало, и происходил взрыв. Дело в том, что топливные заряды, запрессованные в цилиндрические корпуса и сгорающие с торца, могли растрескиваться под воздействием рабочего давления (или даже еще раньше — в процессе хранения). Более того, горячие газы могли проникать между стенкой корпуса и зарядом, воспламеняя боковые поверхности заряда; эти поверхности могли воспламеняться также из-за нагрева через металлический корпус.

В конце XIX в, во Франции (П. Вьель, 1884), а затем в Швеции (А. Нобель), России (Д. И. Менделеев) и других странах были разработаны различные составы бездымного пороха, намного превосходящего по эффективности прежний, дымный. Новый порох, получивший также название коллоидного, большей частью представляет собой твердый раствор органических веществ, которые являются сложными эфирами азотной кислоты (например, раствор нитроцеллюлозы в нитроглицерине). Оба этих компонента содержат одни и те же химические элементы (С, Н, О, N), однако в разной пропорции, и поэтому в составе пороха нитроцеллюлоза выполняет роль окислителя, а нитроглицерин — горючего.

При смешении компонентов жидкий нитроглицерин растворяет твердую нитроцеллюлозу, и получается продукт, поддающийся формованию под давлением, что дает возможность изготавливать пороховые заряды (шашки) путем прессования. В это двухкомпонентное, или двухосновное топливо вводятся также дополнительные вещества-пластификаторы и другие добавки.

Бездымные пороха сразу же получили широкое применение в артиллерии, поскольку значительно увеличивали мощь огня и не демаскировали боевые позиции при выстрелах. К этому времени уже применялось нарезное ствольное оружие, и пороховые ракеты в значительной степени утратили свою роль (так как уступали указанному оружию по дальности и меткости стрельбы).

С созданием бездымного пороха вновь возродился интерес к РДТТ, и в конце XIX — начале XX в. в ряде стран не только были высказаны идеи о создании ракет на бездымном порохе, но и проведены соответствующие эксперименты. В 1895 г. Т. Унге (Швеция) испытал подобные ракеты в полете (после чего отказался от использования нового пороха), а в 1915–1916 гг. Р. Годдард (США) провел эксперименты с небольшими РДТТ и получил опытные данные, необходимые ему для обоснования идеи о создании ракеты на бездымном порохе для полета на Луну. В России еще в 1881 г. Н. И. Кибальчич предложил проект летательного аппарата на бездымном порохе для полетов по воздуху, а в 1916 г. П. И. Граве подал заявку и в 1924 г. получил отечественный патент на боевые и осветительные ракеты с бездымным порохом.

Выяснилось, однако, что артиллерийские пороха не пригодны для использования в ракетах. Дело в том, что эти пороха изготавливались в виде зерен, лент и тонких трубок, с тем чтобы получить бóльшую поверхность горения. При выстреле весь пороховой заряд мгновенно превращался в газ с давлением в сотни мегапаскалей и снаряд с высокой скоростью выбрасывался из орудия. Для ракет же требовались пороховые шашки достаточно больших размеров (т. е. с толстым сводом), чтобы продолжительность горения измерялась хотя бы секундами. Кроме того, необходимо было добиться, чтобы при существенно меньшем рабочем давлении горение происходило стабильно. Оказалось, что шашки с толстым сводом, изготавливаемые из артиллерийского пороха, коробятся и растрескиваются после прессования и сушки. (Последняя операция производилась с целью удаления применявшегося спирто-эфирного растворителя-пластификатора, который представлял собой летучий продукт.)

Создание топливных зарядов для РДТТ на основе бездымного пороха с использованием нелетучего растворителя оказалось трудной задачей. В нашей стране она была решена в середине 20-х годов в результате сотрудничества ученых Газодинамической лаборатории (Н. И. Тихомиров, В. А. Артемьев) и Российского института прикладной химии (С. А. Сериков, М. Е. Серебряков, О. Г. Филиппов). В 1929 г. сотрудниками этих двух ленинградских организаций была разработана полупроизводственная технология изготовления одноканальных шашек с толстым сводом методом прессования, пироксилин-тротиловой массы в глухих матрицах, обогреваемых паром. Причем в пороховой мастерской Газодинамической лаборатории наладили изготовление шашек диаметром до 40 мм.

Быстрыми темпами велись работы по созданию пороховых реактивных снарядов. В 1930 г. эти работы возглавил Б. С. Петропавловский, а в 1934 г. Г. Э. Лангемак, под руководством которого Реактивный научно-исследовательский институт довел разработку снарядов до их успешных войсковых испытаний (эти снаряды явились основой знаменитого реактивного оружия «Катюша»).

Последний шаг на пути к созданию современных РДТТ был сделан во второй половине 40-х годов сотрудниками лаборатории реактивных двигателей (США), которые предложили в качестве твердого ракетного топлива кристаллические частицы перхлората калия (KClO_4) или аммония (NH_4ClO_4) как окислитель, вкрапленные в массу полисульфидного синтетического каучука (горючее). Причем при снаряжении двигателя таким топливом оно приготовлялось в виде жидкой вязкой смеси (в которую вводились также все необходимые добавки), и эта смесь затем заливалась непосредственно в корпус двигателя. Спустя некоторое время горючее полимеризировалось благодаря протекающим химическим реакциям и получался топливный заряд, плотно прилегающий к корпусу (стенка которого предварительно покрывалась полимерным составом с адгезионными и теплоизоляционными свойствами).

В отличие от двухосновного пороха, который представляет собой гомогенную, т. е. однородную, массу, новое топливо по своей структуре было гетерогенным, неоднородным. Поскольку данное топливо является механической смесью различных компонентов, то получило название смесевого. Синтетический каучук в нем выполняет не только роль горючего, но и связующего компонента (связки), удерживающего все содержимое топливной смеси в едином целом.

Смесевые топлива могут гореть устойчиво при давлениях всего лишь в несколько мегапаскалей, что позволяет значительно снизить массу конструкции РДТТ. Дополнительный выигрыш здесь получается за счет устранения ставших ненужными элементов крепления топливного заряда к корпусу; при этом конструкция РДТТ также упрощается. При горении заряда по внутренним каналам (что было предусмотрено конструкцией) корпус РДТТ оказывается усиленным и защищенным от теплового воздействия благодаря топливному своду, воспринимающему в течение почти всего времени работы РДТТ нагрузки от давления и температуры продуктов сгорания.

В результате всего этого стало возможным создать РДТТ с высокими характеристиками (удельным импульсом и относительным содержанием топлива), способные надежно работать в течение продолжительного времени (десятки, а затем и сотни секунд). А благодаря новой технологии снаряжения РДТТ и большей безопасности компонентов смесевого топлива стало возможным изготовление зарядов, несоизмеримо бóльших по размерам, чем прежде. В дальнейшем выяснилось, что смесевые топлива также обладают бóльшими возможностями в отношении увеличения удельного импульса РДТТ.

Изобретение смесевого топлива вместе с разработкой новой технологии изготовления топливных зарядов произвело подлинную революцию в области РДТТ и всей ракетной техники. Именно эти твердотопливные двигатели нового типа позволили США осуществить вслед за нашей страной запуск первого своего ИСЗ (1958 г.) и вывести КА на межпланетную траекторию (1959 г.). В обоих этих случаях использовались четырехступенчатые РН («Джуно-1» и «Джуно-2» соответственно) с различным числом почти одинаковых маршевых РДТТ на второй, третьей и четвертой ступенях: связкой из 11 двигателей, связкой из 3 двигателей и одиночным двигателем. Все эти РДТТ работали по 6,5 с и развивали тягу около 7 кН каждый при удельном импульсе от 2160 до 2450 м/с. В стальных цилиндрических корпусах РДТТ диаметром 150 мм содержалось по 21–23 кг смесевого топлива с полисульфидным горючим-связкой; горение заряда происходило по поверхности осевого звездообразного канала. Эти скромные двигатели положили начало широкому применению РДТТ в космонавтике.

Дальнейший прогресс в области космических РДТТ был связан с разработкой более совершенных составов смесевых топлив, созданием конструкций реактивных сопел, способных работать в течение многих десятков секунд, применением новых конструкционных, теплоизоляционных и других материалов, усовершенствованием технологических процессов изготовления РДТТ и т. д. Рассмотрим теперь более подробно топлива и топливные заряды, а также реактивные сопла современных космических РДТТ.

Топлива и топливные заряды. Первыми нашли широкое применение в РДТТ смесевые топлива на основе перхлората калия и полисульфида. Значительное увеличение удельного импульса РДТТ произошло после того, как вместо перхлората калия стал применяться перхлорат аммония, а вместо полисульфидных — полиуретановые, а затем полибутадиеновые и другие каучуки, и в состав топлива было введено дополнительное горючее — порошкообразный алюминий. Почти все современные космические РДТТ содержат заряды, изготовленные из перхлората аммония, алюминия и полимеров бутадиена (СН_2 = СН — СН = СН_2).

Кроме этих основных компонентов, в топливо также — вводятся пластификаторы, отвердители, катализаторы и другие добавки, предназначенные для улучшения его физических, механических и технологических свойств, обеспечения полимеризации горючего-связующего, получения расчетных характеристик горения, увеличения допустимого срока хранения заряда и т. д. Ниже представлен характерный состав смесевого топлива, используемого в современных мощных РДТТ:

Перхлорат аммония

69,6%

Горючее-связующее (сополимер бутадиена, акриловой кислоты и акрилонитрила)

12,04%

Алюминий

16,0%

Эпоксидный отвердитель

1,96%

Окись железа (катализатор горения)

0,4%

Итого

100,00 %

В современных космических РДТТ сравнительно редко применяется и модифицированное двухосновное, или смесевое двухосновное, топливо. Из последнего названия следует, что по составу топливо это является промежуточным между обычным двухосновным топливом и смесевым. Действительно, оно содержит компоненты как того, так и другого топлив: обычно кристаллический перхлорат аммония (окислитель) и порошкообразный алюминий (горючее), связанные при помощи нитроцеллюлозно-нитроглицериновой смеси (в каждом из компонентов которой содержатся дополнительные окислитель и горючее). Вот типичный состав модифицированного двухосновного топлива:

Перхлорат аммония

20,4%

Алюминий

21,1%

Нитроцеллюлоза

21,9%

Нитроглицерин

29,0%

Триацетин (растворитель)

5,1%

Стабилизаторы

2,5%

Итого

100,00 %

При той же плотности, что и смесевое полибутадиеновое топливо, модифицированное двухосновное характеризуется несколько большим удельным импульсом. Недостатками же его являются более высокая температура горения, большая стоимость, повышенная взрывоопасность (склонность к детонации). С целью увеличения удельного импульса как в смесевые, так и в модифицированные двухосновные топлива могут вводиться сильно взрывчатые кристаллические окислители: гексоген (CH_2NNO_2)3, октоген (CH_2NNO_2)4 и др. Их содержание ограничивается возрастающей детонационной опасностью топлива.

Типичный технологический процесс снаряжения РДТТ смесевым топливом выглядит следующим образом. Вначале производят подготовку внутренней поверхности корпуса (очистка, обезжиривание и т. д.) и приготавливают топливную массу. Затем на указанную поверхность наносят последовательно несколько синтетических полимерных материалов, образующих три слоя: адгезионный, теплозащитный и вновь адгезионный (рис. 3). Причем технологический процесс рассчитывается таким образом, чтобы вулканизация последнего слоя завершалась вместе с отвердеванием топливной смеси. Она приготовляется в смесителях, где исходные компоненты превращаются в густую, вязкую жидкость, Указанная операция и последующая заливка смеси в корпус РДТТ производятся преимущественно под вакуумом, чтобы удалить из смеси воздух и растворенные газы и предотвратить таким образом образование пустот в заряде.

Для заливки топлива корпус РДТТ помещается в специальную технологическую камеру, снабженную воздушными системами нагрева и вентиляции. Чтобы получить заряд с внутренними каналами, внутри корпуса монтируются оправки (стержни) соответствующей формы (которые впоследствии извлекаются). После заливки топлива в корпус РДТТ технологическая камера закрывается и выдерживается в течение 3–7 сут при температуре порядка 60 °C, что обеспечивает отверждение топливной массы. До истечения указанного срока камера может ненадолго открываться для нанесения на те или иные поверхности изготавливаемого заряда полимерного бронирующего покрытия, которое отвердевает вместе с топливной массой.

Готовый заряд имеет вид твердой резины или пластика. После охлаждения его подвергают тщательному контролю на сплошность и однородность массы, прочное сцепление топлива с корпусом и т. д. Трещины и поры в заряде, как и отслоения его от корпуса в отдельных местах, недопустимы, так как могут привести к нерасчетному увеличению тяги РДТТ с соответствующим уменьшением времени работы (вследствие увеличения горящей поверхности), прогарам корпуса и даже взрывам. Для проверки качества снаряженного таким образом корпуса используются рентгеновские, ультразвуковые и другие неразрушающие методы дефектоскопии.

Рис. 3. Схема крепления топливного заряда к корпусу РДТТ:

1 — корпус; 2, 4 — адгезионный состав; 3 — теплоизоляционный слой; 5 — топливный заряд

Топливный заряд, изготовленный способом заливки смеси в корпус, является, по существу, неотъемлемой частью силовой конструкции РДТТ, Он должен быть достаточно прочным и в то же время эластичным, чтобы противостоять статическим, динамическим и тепловым нагрузкам, которые возникают в процессе изготовления, транспортировки и хранения РДТТ и, наконец, во время полета.

Расчет заряда на прочность является сложной процедурой, выполняемой при помощи ЭВМ. В частности, возникаемые трудности объясняются тем, что возможные деформации заряда зависят от характера приложения нагрузки, поскольку смесевое топливо, подобно другим полимерам, относится к вязко-упругим материалам. В общем случае оно характеризуется малым модулем упругости, большим относительным удлинением, достаточно высокой прочностью на разрыв и выраженным пределом текучести. Смесевое топливо теряет твердость и прочность с повышением температуры, становится жестким и хрупким (переходит в стеклообразное состояние) при низких температурах. Структурные нарушения в заряде под воздействием нагрузок (в том числе циклических) «аккумулируются» и развиваются в конечном счете в трещины на свободной поверхности заряда или приводят к отслоению заряда от корпуса. Смесевое топливо является достаточно пластичным при медленном приложении нагрузки, но хрупким при быстром, ударном приложении. Последний случай соответствует, например, моменту запуска РДТТ, когда давление в нем резко возрастает.

В дополнение ко всем этим особенностям топлива при прочностном расчете РДТТ необходимо также учитывать существенное различие в характеристиках (коэффициенте термического расширения и т. д.) для топлива, материала корпуса и находящихся между ними материалов. Обеспечение целостности соединения топливного заряда с теплоизоляционным слоем является важным условием для создания надежно работающего РДТТ. Прочность указанного соединения, как и самого заряда, определяется в конечном счете прочностью входящего в состав топлива материала горючего-связующего.

При проектировании РДТТ, разработке технологического процесса его изготовления и дальнейшей эксплуатации в составе РН и КА необходимо учитывать то обстоятельство, что твердые топлива, а также бронирующие, теплоизоляционные, адгезионные и другие полимерные материалы подвержены «старению», т. е. необратимому изменению свойств вследствие происходящих в полимерах химических и физических процессов. Поэтому при длительном хранении снаряженных РДТТ могут ухудшаться энергетические и внутрибаллистические параметры заряда, повышаться чувствительность топлива к внешним воздействиям, снижаться прочность различных структурных элементов и происходить другие нежелательные изменения. Указанное обстоятельство заставляет разработчиков РДТТ и ракетных топлив самым тщательным образом подбирать компоненты полимерных материалов, обращая внимание не только на их стабильность в отдельности, но и. на взаимную совместимость. Хранение РДТТ производится с соблюдением надлежащих условий и правил обращения. Обычно гарантийный срок хранения определяется снижением прочностных характеристик топливного заряда и соседнего с ним адгезионного слоя.

Реактивные сопла. После того как мы обсудили основные вопросы, связанные с топливным зарядом, перейдем к реактивному соплу РДТТ. В течение всего времени работы двигателя на сопло воздействует поток газов с начальными температурой до 3500 К и давлением до 7 МПа и более, движущийся со скоростью, которая достигает 3 км/с (на выходе из сопла). Если камеру ЖРД охлаждать при помощи жидких топливных компонентов, то при создании РДТТ можно рассчитывать лишь на применение жаростойких, теплоизоляционных и других специальных материалов.

Типичная конструкция сопла современного космического РДТТ представлена на рис. 4. Из него видно, что стенка сопла состоит из нескольких слоев различных материалов. Каждый из них выполняет вполне определенную функцию. Наружная оболочка (рубашка) сопла является его основным силовым элементом. Она изготавливается из высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов, а также армированных пластиков. От теплового и эрозионного воздействия газового потока рубашку защищает внутренняя оболочка, непосредственно соприкасающаяся с горящим газом. Особо интенсивному тепловому и эрозионному воздействию подвергается горловина сопла, что могут выдержать лишь немногие материалы.

При тех высоких температурах, которые достигаются в РДТТ, наилучшими характеристиками обладает графит, в особенности пиролитический. Последний не только хорошо противостоит эрозии, но имеет и те достоинства, что хорошо проводит тепло вдоль поверхности кристаллизации и обладает теплоизолирующими свойствами в перпендикулярном этому направлении, а также отличается низким коэффициентом термического расширения. Различные виды графита используются для изготовления кольцевых вставок или тонких защитных пластин (пирографит), которые и устанавливаются в горловинах сопел. Такие конструктивные элементы характерны, однако, в основном для небольших РДТТ, так как существует опасность растрескивания крупных графитовых деталей при запуске двигателя — из-за теплового удара. Широкому применению пирографита в значительной степени препятствует его высокая стоимость.

Рис. 4. Сопло РДТТ:

1 — наружная оболочка; 2 — внутренняя оболочка; 3 — теплоизоляционная оболочка

Чаще всего внутренние детали сопел космических РДТТ изготавливаются из термостойких пластиков, в которых графитовые, угольные, кремнеземные, кварцевые либо асбестовые волокна связаны в одно целое при помощи феноло-формальдегидных смол (таким образом, указанные волокна являются армирующими наполнителями, а смолы — связующими). При работе РДТТ поверхностный слой этих материалов, соприкасающийся с горячим газом, подвергается абляции, т. е. оплавлению, испарению, разложению и химической эрозии с последующим уносом массы газовым потоком.

Из перечисленных выше абляционных материалов наиболее стойкими к эрозии являются угле- и графитопластики, которые и применяются в горловинах сопел. На остальных же участках стараются использовать другие пластики, менее стойкие, но зато более дешевые. Между внутренней аблирующей оболочкой и внешней силовой рубашкой сопла обычно предусматривается слой теплоизоляции из асбо- или кремнепластиков, которые характеризуются низкой теплопроводностью и служат дополнительной защитой рубашки от нагрева.

Процесс изготовления пластиковых деталей сопла обычно включает намотку ленты из соответствующего материала на профилированную оправку, последующее отверждение изделия при давлении до 7 МПа и температуре порядка 150 °C и, наконец, механическую обработку полученной заготовки до необходимых размеров. При сборке сопла пластиковые детали устанавливаются при помощи эпоксидных клеев, последующее отверждение которых производится в нормальных окружающих условиях.

Из рассмотренного видно, что РДТТ характеризуется конструктивной простотой, В то время как ЖРД является лишь частью двигательной установки, в которую входят еще и топливные баки, питающие трубопроводы, заправочно-сливные и дренажно-предохранительные клапаны, а также ряд других элементов, сам по себе РДТТ является, по существу, двигательной установкой. Однако, как мы видели, создание этого «простого» двигателя требует чрезвычайно высокого развития теоретических знаний, химической отрасли техники, технологии производственных процессов, а также овладения многими техническими «секретами».

Полезно привести некоторые соображения в пользу применения РДТТ в космонавтике, дополнительные к тем, которые высказывались ранее. Отметим прежде всего, что простота РДТТ вместе с высокой плотностью твердого топлива позволяет создавать двигательные установки, в которых на конструкцию приходится лишь 5–7 % от общей массы (при использовании ЖРД этот показатель в 1,5 раза хуже). Указанное обстоятельство в значительной степени компенсирует меньший по сравнению с ЖРД удельный импульс РДТТ. По этому важнейшему параметру РДТТ уступает в 1,5 раза лучшим ЖРД, работающим на топливе жидкий кислород — жидкий водород. Известно, что это эффективное топливо явилось одним из факторов успешного осуществления пилотируемых полетов на Луну. Однако его применение не всегда целесообразно, так как связано, в частности, с необходимостью принятия специальных мер к устранению потерь испаряющихся криогенных компонентов (особенно жидкого водорода). А это приводит, естественно, к утяжелению, усложнению конструкции и снижению надежности всего летательного аппарата.

Поэтому в тех случаях, когда от двигательной установки требуется лишь небольшой полный импульс тяги, а тем более если она должна включаться спустя несколько часов или суток после выведения аппарата в космос, выгоднее использовать так называемые высоко-кипящие топлива, компоненты которых являются жидкостями в нормальных условиях. Типичным таким топливом является, например, комбинация четырехокиси азота с несимметричным диметилгидразином.

Но по удельному импульсу это жидкое топливо на 10 % превосходит твердое. Таким образом, для получения одного и того же полного импульса тяги требуется израсходовать твердого топлива на 10 % больше, чем жидкого. Однако ввиду большей плотности твердого топлива (1,76 г/см^3 по сравнению с 1,21 г/см^3 для указанного жидкого) для размещения всего запаса расходуемого твердого топлива потребуется меньший объем: А это означает снижение массы конструкции, и в результате начальная масса заправленной топливом двигательной установки может оказаться одинаковой для жидкого и твердого топлив. В таком случае выбор будет сделан в пользу второго.

Приведенные рассуждения в значительной мере объясняют широкое применение РДТТ в космонавтике. В пользу РДТТ говорит и то обстоятельство, что при освоенном типе твердого топлива, включая технологию изготовления из него заряда, двигательная установка с РДТТ может быть создана в более короткие сроки, с меньшими затратами средств и, как говорят, с «меньшим риском», чем установка с ЖРД той же тяги. Данные соображения становятся особенно важными, когда речь идет об очень высоких уровнях тяги. Крупнейший твердотопливный двигатель, о котором будет рассказано в разделе о маршевых РДТТ, в 1,7 раза превосходит по тяге наиболее мощные современные ЖРД. При его создании было проведено всего четыре стендовых испытания натурных образцов, при разработке же мощных ЖРД таких испытаний проводится несколько сотен.

Следует отметить, что в США в 1965 г. был испытан на стенде экспериментальный РДТТ с диаметром корпуса 6,6 м. Этот двигатель содержал 730 т топлива и развивал тягу до 26 МН. Создание ЖРД такой же мощности представляет и в настоящее время большие трудности. Таким образом, возможности РДТТ далеко не исчерпаны, и реализация их будет зависеть от потребностей развивающейся космонавтики.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ РДТТ

В настоящее время эти двигатели широко используются в системах аварийного спасения (САС) и мягкой посадки космических кораблей, для управления полетом КА, в системах разделения ступеней и сброса головных обтекателей РН, для раскрутки студеней РН и т. д. Их широкое применение прежде всего вызвано простотой конструкции, быстротой срабатывания и высокой надежностью, что особенно важно при спасении экипажей пилотируемых космических кораблей в аварийных ситуациях

Например, РДТТ с вспомогательными функциям нашли применение в первой полностью твердотопливной РН «Скаут» (с 1960 г.). В РН «Скаут» четвертая ступень стабилизировалась вращением (для раскрутки этой ступени применялись 4 РДТТ тягой по 0,18 кН). В дальнейшем сфера использования вспомогательных РДТТ в космонавтике расширилась: от РДТТ с тягой в несколько ньютонов (например, для раскрутки и ориентации спутников) до сотен килоньютонов (для систем аварийного спасения космических кораблей). В этом разделе мы рассмотрим наиболее характерные примеры установки вспомогательных РДТТ на ракетах-носителях и космических аппаратах.

РДТТ систем аварийного спасения и мягкой посадки советских космических кораблей. «Восток». Поскольку основная опасность грозила космонавту на старте и при посадке, были приняты меры по оснащению корабля специальными системами безопасности. Особенности спасения на старте при взрыве и пожаре на РН, которые носят быстротечный характер, потребовали создания автоматики включения средств спасения. Эта. автоматика в определенной последовательности вводила в действие пиротехнические средства отстрела крышки-люка корабля и включала два РДТТ, укрепленных на катапультируемом кресле с космонавтом. РДТТ обеспечивали удаление космонавта из очага пожара на расстояние в несколько сотен метров. После этого вводилась в действие парашютная система посадки.

В отличие от американского космического корабля «Джемини», где катапультируемые кресла с РДТТ использовались только как средства спасения космонавтов в аварийных случаях, на корабле «Восток» катапультирование можно было использовать и при посадке. В этом случае на высоте около 7 км сбрасывалась крышка-люк спускаемого аппарата (по сигналам от бародатчиков) и производилось катапультирование космонавта. После этого вводился в действие тормозной парашют, а затем открывался основной. Спускаемый аппарат имел и независимую парашютную систему, которая включала вытяжной и основной парашюты.

Из шести запусков кораблей «Восток» все прошли успешно, и посадка осуществлялась в заданном районе, что подтвердило высокую надежность РН и космического корабля, а также большую эффективность мероприятий, направленных на обеспечение безопасности полетов.

«Восход». Этот ТИП корабля значительно отличался от своего прототипа — корабля «Восток». Убедившись в высокой надежности последнего, конструкторы отказались и от громоздкого и тяжелого катапультируемого кресла. Изменилась также и система посадки. Она теперь включала следующие операции: на высоте около 5 км отстреливалась крышка парашютного контейнера и вводилась в действие парашютная система, когда скорость снижения спускаемого аппарата уже уменьшилась за счет торможения в атмосфере до 220 м/с. Примерно через 6 мин корабль достигал поверхности Земли, и перед касанием с грунтом включалась тормозная двигательная установка с РДТТ, которая снижала скорость приземления практически до нуля.

Использование РДТТ мягкой посадки началось с 1964 г. при полете корабля «Восход-1».

«Союз». Для быстрого покидания зоны пожара или взрыва, когда экипаж находится в спускаемом аппарате в режиме проверок бортовых систем, на корабле «Союз» предусмотрена специальная аварийная система покидания старта. Эта система аварийного спасения (САС) корабля «Союз» стала применяться с 1967 г., с появлением более усовершенствованного варианта трехступенчатой РН «Восток». САС может вводиться на конечном этапе предстартовой подготовки, когда обслуживающий персонал уже покинул стартовую позицию, а фермы обслуживания РН и космического корабля разведены. С помощью этой системы корабль уводится из аварийной зоны на высоту, достаточную для отделения спускаемого аппарата и введения в действие парашютной системы посадки.

Двигательная установка САС корабля «Союз» представляет собой установку из РДТТ трех типов (см. рис. на первой странице обложки). В верхней части системы расположен многосопловой РДТТ отделения САС и обтекателя, защищающего корабль от аэродинамического нагрева во время прохождения ракетой плотных слоев атмосферы. Непосредственно к обтекателю крепится основной РДТТ (тяга 750 кН, масса топливного заряда 1 т) с 12 соплами, развернутыми под углом 30° к продольной оси РН. Под обтекателем этого двигателя находятся четыре РДТТ управления, которые обеспечивают разворот и увод спускаемого аппарата и орбитального отсека корабля в сторону от опасной зоны,

В результате срабатывания САС корабль может подниматься на высоту до 1200 м и отбрасываться от места старта на расстояние до 3 км (в зависимости от направления ветра).

РДТТ нашли применение в системах приземления космического корабля «Союз» (наряду с парашютной системой). Посадка спускаемого аппарата происходит так. Непосредственно у Земли, за 10 мин до посадки, отделяется уже ненужный передний теплозащитный экран, закрывающий двигатели мягкой посадки, расположенные в лобовой части спускаемого аппарата. При этом экипаж начинает готовиться к приземлению и взводится система амортизации кресел, в которых группируются космонавты. У самой Земли, на высоте около 1 м, включается шесть РДТТ мягкой посадки (тяга несколько килоньютонов, масса заряда РДТТ 9 кг, время работы доли секунды). Эти двигатели окончательно гасят скорость, с которой спускаемый аппарат снижается на парашюте (примерно 7–8 м/с), практически до 0 м/с.

РДТТ систем аварийного спасения американских космических кораблей. «Меркурий». На первом американском космическом корабле в случае аварии на старте и на начальном участке выведения использовалась система аварийного спасения с РДТТ, который обеспечивал увод корабля на высоту до 760 м. Затем с помощью парашютной системы корабль мог осуществлять посадку на воду. Твердотопливный двигатель САС корабля «Меркурий» (рис. 5) мог создать максимальную перегрузку до 30 g и развивать тягу 230 кН в течение ~ 1 с. РДТТ устанавливался так, чтобы равнодействующая тяги, развиваемой его тремя соплами, была смещена относительно центра масс корабля для обеспечения отделения корабля в поперечном направлении относительно траектории полета РН.

После отделения корабля от РН на безопасное расстояние предусматривался сброс фермы с РДТТ увода, уже выполнившим свою задачу. Для этого предназначался другой РДТТ (тоже с тремя соплами), который мог развивать тягу 3,6 кН в течение 1,5 с. При нормальном ходе полета САС сбрасывалась на определенной высоте, а РН с кораблем продолжали полет.

В практике пилотируемых полетов космического корабля «Меркурий» САС не использовалась. Однако было осуществлено срабатывание этой системы во время первого запуска экспериментального (непилотируемого) космического корабля «Меркурий» (25 апреля 1961 г.), выведенного на орбиту со специальной установкой («роботом») на борту, имитирующей дыхание, температуру, и речь человека. РН была подорвана по команде с Земли через 30 с после старта, но перед подрывом САС отделила корабль, который опустился на парашюте на воду и был подобран вертолетом через 25 мин после запуска. Этот случай на практике доказал целесообразность использования РДТТ в системах аварийного спасения космических кораблей.

Рис. 5. Система аварийного спасения космического корабля «Меркурий»:

1 — РДТТ увода корабля; 2 — РДТТ сброса САС; 3 — ферма; 4 — космический корабль; 5 — РДТТ отделения корабля от РН на орбите; 6 — РДТТ торможения корабля при сходе с орбиты

Рис. 6. Система аварийного спасения космического корабля «Аполлон»:

1 — РДТТ для управления траекторией полета (отвода корабля в сторону); 2 — РДТТ сброса САС; 3 — РДТТ увода корабля; 4 — отсек с экипажем

«Джемини». Аварийное спасение космонавтов при помощи катапультируемых кресел ограничено скоростью и высотой полета в момент катапультирования. В некоторых космических кораблях вместо САС использовались катапультируемые кресла с применением РДТТ. Например, в космическом корабле «Джемини» сигнал на катапультирование обоих космонавтов мог подать любой из них, для чего он должен был вытянуть кольцо из контейнера, установленного между ногами. За креслами космонавтов находились рельсы, которые служили направляющими при катапультировании. Катапультирование осуществлялось с помощью пиропатронов. Причем система блокировки предотвращала срабатывание патронов до того, как с помощью взрывных болтов открывались посадочные люки (их два), через которые выбрасываются кресла с космонавтами.

После срабатывания пиропатронов, когда кресла с космонавтами оказывались вне корабля, включались вмонтированные в кресла РДТТ (продолжительность работы 0,27 с, полный импульс 8,4 кН с), которые отбрасывали кресла вперед под углом 49° к продольной оси корабля. Максимальное ускорение при катапультировании 24 g. Согласно расчетам в случае аварии при старте эти РДТТ должны были обеспечить отбрасывание кресел с космонавтами в сторону от ракеты на 150 м. При проведенных экспериментах кресла отбрасывались на 300 м в сторону и на 140 м вверх.

После отбрасывания кресло отделяется, развертывается надувной баллон, обеспечивающий стабилизацию и торможение кресла, а затем раскрываются парашюты. Посадка экипажа осуществлялась на воду.

«Аполлон». Его САС предназначалась для отбрасывания отсека с экипажем вверх (вперед) и в сторону от РН в случае возникновения аварийной ситуации при старте и на начальном участке полета корабля «Аполлон» (до высоты ~ 80 км). В состав САС входила рама с укрепленными на ней тремя РДТТ (рис. 6). Общая масса этой конструкции 4 т, длина 7 м.

Рама, имеющая форму усеченной четырехгранной пирамиды высотой около 3 м, сварена из труб (титановый сплав) и крепилась к отсеку экипажа подрывными болтами. РДТТ, предназначенный для отбрасывания отсека экипажа вверх (вперед), имел четыре сопла, установленных под углом 35° к продольной оси двигателя. Длина РДТТ 4,6 м, диаметр 0,66 м, масса 2,18 т (без топлива — 0,73 т). Тяга РДТТ 700 кН, продолжительность работы 6 с, создаваемое ускорение 9 g.

В случае возникновения аварийной ситуации одновременно должен был включаться другой РДТТ, предназначенный для отбрасывания отсека с экипажем в сторону. Этот РДТТ длиной 0,6 м, диаметром 0,23 м и массой 23 кг развивал тягу 15,1 кН и работал в течение 0,5 с. После прекращения работы этих двух РДТТ включался двухсопловой РДТТ для сброса САС. При длине 1,5 м и массе 0,25 т он развивал тягу 150 кН и работал менее 1 с.

После отбрасывания САС отсек экипажа спускался на парашютах. Для того чтобы парашюты, размещенные в верхней части отсека с экипажем, могли развернуться, отсек специальным образом ориентировался и спускался днищем вперед. Если аварийная ситуация возникла бы при старте или на начальном участке полета (до высоты 36 км), ориентацию отсека экипажа обеспечивали специальные аэродинамические поверхности, смонтированные на верхней части корпуса САС. До окончания работы РДТТ увода корабля эти поверхности прижаты к корпусу, а затем раскрываются.

САС могла отделяться от отсека с экипажем лишь после того, как будет обеспечена заданная ориентация отсека. Если аварийная ситуация возникла бы на высотах 36–80 км, где плотность атмосферы недостаточна для эффективной работы аэродинамических поверхностей, САС отделялась от отсека экипажа сразу после окончания работы РДТТ увода, а заданная ориентация отсека обеспечивалась с помощью смонтированных в нем ЖРД системы ориентации.

При отсутствии аварийной ситуации при старте и на начальном участке полета по достижении высоты около 80 км рама с двигателями отделяется от отсека с экипажем, для чего должны были включаться РДТТ для сброса САС и отвода корабля в сторону.

РДТТ межпланетных КА. В качестве вспомогательных РДТТ используются на многих ИСЗ, а также на ряде межпланетных КА. Примером могут служить КА «Марс-2» и «Марс-3» (запущены в 1971 г.). На этих КА расположено несколько РДТТ, выполняющих различные задачи (рис. 7). На аэродинамическом тормозном конусе находились две пары РДТТ (тяга каждого 0,5 кН). Одна пара включалась при подлете к Марсу для раскрутки аэродинамического конуса после его отделения вместе со спускаемым аппаратом от КА (время работы 0,3 с). Раскрутка осуществлялась после ориентирования аэродинамического конуса спускаемого аппарата в направлении Марса. Операция раскрутки вызвана необходимостью придания КА заданного ориентированного положения при входе в плотные слои атмосферы Марса.

Затем отстреливался (вместе с соответствующей рамой крепления) маршевый РДТТ перевода аппарата на траекторию спуска и включалась вторая пара РДТТ (время работы 0,26 с), чтобы остановить вращение аэродинамического конуса. Сопла РДТТ этой пары направлены в противоположную сторону по сравнению с соплами РДТТ первой пары.

После аэродинамического торможения аппарата включался РДТТ для сброса крышки парашютной системы и ввода вытяжного парашюта (тяга 6,5 кН). Время работы РДТТ 0,24 с. Одновременно отстреливался аэродинамический тормозной конус и вытяжной парашют вытаскивал основной. Последний вытягивал из парашютного контейнера РДТТ увода парашютной системы, (тяга 9 кН), чтобы парашюты не накрыли спускаемый аппарат, и РДТТ мягкой посадки (тяга 56 кН).

Рис. 7. Спускаемый аппарат межпланетной станции Марс-3»:

1 — аэродинамический тормозной конус; 2 — РДТТ ввода в действие вытяжного парашюта; 3 — РДТТ перевода аппарата на траекторию спуска; 4 — основной парашют; 5 — спускаемый аппарат

Затем срабатывал высотометр, установленный на спускаемом аппарате, и разделялись РДТТ увода и РДТТ мягкой посадки. Первый отбрасывал парашют в сторону (время его работы 1 с), а с помощью второго осуществлялась мягкая посадка спускаемого аппарата на поверхность Марса (время его работы 1,1 с). После окончания работы РДТТ мягкой посадки отстреливался нижний полутор парашютного контейнера и включались два боковых РДТТ (общая тяга 1 кН, время работы 4 е), установленных на корпусе РДТТ мягкой посадки. Их задача — отвести (отбросить) РДТТ мягкой посадки в сторону во избежание ударения его о корпус спускаемого аппарата.

Вспомогательные РДТТ применялись и на КА «Марс-5» и «Марс-6», «Рейнджер» (см. рис. 12 на стр. 51) и т. д.

Вспомогательные РДТТ ракет-носителей. РДТТ нашли применение в качестве газогенераторов на головных обтекателях РН, для управления их полета, для систем ориентации РН (например, в РН «Тор—Эйбл»), в системах разделения ступеней РН (например, в РН «Титан-3Си», «Сатурн», МТКК «Спейс Шаттл») и т. д.

«Сатурн-5». Эта РН с маршевыми ЖРД на всех трех последовательно расположенных ступенях содержит в Общей сложности 18 вспомогательных РДТТ, установленных на периферии корпуса. Причем в хвостовой части первой ступени расположены 8 тормозных РДТТ (развивавших тягу по 337 кН каждый за время работы 0,54 с) для отделения данной ступени. В переходном отсеке под второй ступенью расположены 4 РДТТ (развивавших тягу по 102 кН каждый и работавших в течение 3,8 с) для «осадки» топлива в баках. И наконец, внизу в третьей ступени расположены два РДТТ (развивавших тягу по 15 кН каждый при времени работы 3,9 с) для «осадки» топлива и еще четыре РДТТ (с тягой по 155 кН каждый при времени работы 1,5 с) для отделения второй ступени.

Последовательность функционирования перечисленных РДТТ заключалась в следующем. Через 0,5–0,7 с после команды на выключение маршевых ЖРД отработавшей ступени включаются РДТТ, обеспечивающие «осадку» топлива в баках последующей ступени. Спустя еще 0,1–0,2 с включаются тормозные РДТТ, отделяющие отработавшую ступень. В этот момент тяга ее маршевых двигателей еще составляет 10 % номинального значения. Тормозные РДТТ продолжают работать, а последующая ступень в течение 0,1–0,6 с совершает полет по инерции и под действием тяги РДТТ «осадки» топлива (например, через 1 с после момента разделения первой и второй ступеней расстояние между ними достигает 2 м). Затем подается команда на включение маршевых ЖРД. Через 3–6 с они выходят на номинальный рабочий режим, и действие РДТТ «осадки» топлива прекращается, а вскоре эти РДТТ сбрасываются, чтобы уменьшить «пассивную» массу ступени. Операции сброса осуществляются при помощи пиротехнических систем и пружинных толкателей.

Вспомогательные РДТТ ракеты-носителя «Сатурн-5» одинаковы по своей конструкции. В их стальных цилиндрических корпусах содержатся заряды с внутренними звездообразными каналами, изготовленные из смесевого топлива на основе перхлората аммония и полисульфидного каучука. Наиболее крупными являются тормозные РДТТ первой ступени; их высота 2,24 м, диаметр 0,39 м, масса 228 кг (в том числе 126 кг топлива). Наименьшие РДТТ, обеспечивающие «осадку» топлива в баках третьей ступени, содержат по 27 кг топлива.

«Титан-ЗСи», «Спейс Шаттл». На каждом из двух твердотопливных «навесных» их двигателей (о которых будет рассказано далее) имеется восемь РДТТ отделения, сгруппированных в два блока. РДТТ «Титан-ЗСи» показаны на последней странице обложки в момент их включения. Далее мы рассмотрим РДТТ аппарата «Спейс Шаттл», которые отличаются от двигателей РН «Титан-ЗСи» лучшими характеристиками. Они развивают тягу по 95 кН и работают 0,7 с (а с учетом процессов нарастания и спада тяги — 1,2 с). Суммарный импульс тяги каждого двигателя 82 кН с. Топливный заряд массой 35 кг с внутренним каналом в виде шестнадцатиконечной звезды (обеспечивающим большую поверхность горения) размещен в цилиндрическом корпусе диаметром 32,6 см. Общая длина двигателя 88 см при массе 74 кг.

При сгорании топлива в камере РДТТ образуются газы с высоким давлением (около 13 МПа), что позволяет достаточно эффективно использовать потенциальную химическую энергию топлива. Корпус РДТТ и деталь крепления сопла изготовлены из алюминиевого сплава, выходная часть сопла — стальная, неохлаждаемая, горловина сопла — графитовая.

При проектировании РДТТ отделения «Спейс Шаттл» обращалось особое внимание на то, чтобы реактивные струи газов, истекающих из РДТТ, не повредили теплозащитное покрытие этого аппарата во время полета. Поэтому необходимо было исключить возможность попадания в газовые струи каких-либо посторонних твердых частиц (частей воспламенителя и теплозащитных покрытий и т. д.). Даже состав топлива РДТТ был выбран таким, чтобы содержание этих частиц в продуктах сгорания было небольшим: в смесевом топливе всего 2 % алюминия (остальное — перхлорат аммония и полибутадиен с гидроксильными концевыми группами).

МАРШЕВЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ РДТТ

Далее на примере конкретных образцов двигателей ракет-носителей и космических аппаратов поясняются, те области применения космических маршевых РДТТ, которые перечислены в начале брошюры. Рассматриваемые образцы дают представление о современном состоянии развития космических РДТТ в отдельных странах и во всем мире, о возможных технических решениях, о разнообразии реализованных конструкций, о некоторых проблемах создания и использования космических РДТТ, о значении этих двигателей. Начнем рассказ с одной из последних разработок.

Двигатель SRM. Его полное название в переводе о английского означает «Твердотопливный ракетный двигатель». SRM является крупнейшим среди современных РДТТ, Он характеризуется следующими данными: высота 38,2 м, диаметр корпуса 3,71 м, масса 568 т. Работая в течение 122 с, двигатель развивает полный импульс тяги почти 1300 МН с при максимальной тяге ~ 14 МН.

Рис. 8. Двигатель SRM

В SRM используется смесевое топливо, состав и. характеристики которого приведены на стр. 13. Двигатель имеет ту особенность, что масса его топливного заряда, составляющая 502 т (т. е. 88,4 % от общей массы), распределена почти поровну между четырьмя секциями (рис. 8), которые изготавливаются отдельно и соединяются затем в одно целое при помощи механических замков с устанавливаемыми вручную штифтами-фиксаторами. Такая секционная (сегментная) конструкция разрешает проблемы, связанные с изготовлением и транспортировкой столь крупного РДТТ. Его можно перевезти в разобранном виде с завода-изготовителя прямо на космодром и собрать там в течение одних суток.

Корпуса отдельных секций SRM изготавливаются из высокопрочной стали и защищаются от прогара слоем теплоизоляции: из бутадиеннитрильного каучука с асбестовым и кремнеземным наполнителями. Между зарядом и теплозащитой предусмотрен крепящий адгезионный слой наполненного полибутадиенового полимера с карбоксильной концевой группой. Указанные полимерные материалы используются также для бронирования торцевых поверхностей заряда, и на них приходится 11 % массы всей конструкции.

Основная доля тяги SRM создается за счет горения заряда по поверхностям центральных круглых каналов малой конусности, в передней же секции заряд имеет начальный канал в виде одиннадцатиконечной звезды. Благодаря такой конфигурации горящей поверхности тяга РДТТ вначале возрастает, достигая максимального значения примерно на 20-й секунде полета, затем в последующие 40 с снижается в 1,5 раза, после чего несколько возрастает, а с 85-й секунды полета вновь снижается (сначала плавно, а со 110-й секунды — резко). Описанный характер изменения тяги обеспечивает достаточно высокое начальное ускорение летательного аппарата, ограниченное динамическое давление на конструкцию в средней фазе полета и небольшую перегрузку (3 g) в конце полета.

В передней секции SRM установлен небольшой РДТТ кратковременного действия, обеспечивающий воспламенение топливного заряда в течение 0,3 с (такие воспламенители называются пирогенными). В задней секции крепится реактивное сопло массой около 10 т, вдвинутое на 1/4 своей длины в корпус. Такие сопла, называемые «утопленными», позволяют уменьшить осевые габариты двигателя и дают ряд других преимуществ.

Основные конструкционные материалы сопла — сталь и алюминиевый сплав. Их тепловая защита обеспечивается аблирующим покрытием из фенопласта, армированного углеродной тканью, и промежуточным теплоизоляционным слоем из фенопласта, армированного стеклотканью. Последний фенопласт служит также и конструкционным материалом для выходного участка сопла. При сгорании топливного заряда образуются газы с температурой 3400 К и давлением 4,4 МПа (максимальное давление в 1,5 раза больше). При расширении в сопле они развивают удельный импульс, равный 2480 м/с у поверхности Земли и 2600 м/с в вакууме.

Двигатели SRM созданы для многоразового транспортного космического корабля (MTKK) «Спейс Шаттл» — первого американского космического «челнока»[3], полеты которого начнутся в 1981 г. Два РДТТ, установленные по параллельной схеме и работающие совместно с тремя ЖРД, обеспечат старт МТКК и его подъем до высоты 45 км. После отделения РДТТ указанные ЖРД будут функционировать еще 6 мин, пока «Спейс Шаттл» не достигнет скорости, почти равной первой космической.

С целью управления траекторией полета МТКК в каждом РДТТ вокруг горловины сопла устанавливается универсальный гибкий подшипник диаметром около 2 м и массой свыше 3 т, обеспечивающий (совместно с гидроприводами) поворот сопла в двух осевых плоскостях на угол ±8° и, следовательно, изменение вектора тяги. Соответствующим поворотом двух сопел достигается управление по тангажу, курсу и крену. Основу указанного подшипника составляют чередующиеся стальные и каучуковые кольцевые пластины, склеенные в единый блок.

Расчетная программа полета МТКК «Спейс Шаттл» может быть выдержана лишь при определенном, не очень большом разбросе рабочих характеристик индивидуальных РДТТ (времени выхода на номинальный режим при запуске, величине тяги в каждый момент времени и т. д.). Иначе система управления полетом не сможет «парировать» возникающие возмущения траектории. Для того чтобы обеспечить стабильные характеристики SRM, разработаны строгие требования к качеству исходных топливных Компонентов и технологии изготовления топливных зарядов. Заряды для каждой конкретной пары SRM предполагается изготавливать одновременно. Причем топливная смесь, приготовленная в одной емкости, будет заливаться попеременно в соответствующие сегменты того и другого РДТТ.

После окончания работы двигателей SRM и их отделения должна включаться в действие парашютная система, которая обеспечит мягкое приводнение этих РДТТ на поверхность океана с целью повторного их использования. В этом отношении SRM тоже является уникальным среди твердотопливных двигателей. Его корпус рассчитан, например, на двадцатикратное использование, а гибкий подшипник — на десятикратное. Теплозащита корпуса и сопла будет удаляться (струей от гидромонитора) после каждого полета и наноситься вновь. Для того чтобы ограничить динамические нагрузки на спасаемую конструкцию РДТТ, было решено отбрасывать пластиковую выходную часть сопла от отработавшего двигателя в вершине траектории его полета. Отбрасываемая оболочка сопла отрезается газами, которые генерируются кольцевым пирозарядом.

Необходимо отметить, что при создании столь крупного двигателя, каким является SRM, потребовалось провести лишь четыре огневых испытания полноразмерных экспериментальных РДТТ на стенде. Соответственно этому и затраты на разработку двигателя были небольшими. Указанное обстоятельство объясняется, в частности, тем, что корпорация Тиокол, разрабатывавшая SRM, использовала в полной мере опыт, накопленный в США в процессе создания и эксплуатации другого крупного РДТТ, который рассматривается ниже.

Двигатель UA-1205. Этот РДТТ, созданный фирмой Юнайтед Текнолоджи Сентер, используется с 1965 г, для начального разгона различных РН семейства «Ти-тан-3». Как и в МТКК «Спейс Шаттл», в них также устанавливаются два РДТТ по параллельной схеме, которые работают от старта до высоты 45 км. Одна из таких РН представлена (в полете, в момент отделения отработавших РДТТ) на последней странице обложки брошюры.

UA-1205 является самым крупным из эксплуатировавшихся до настоящего времени РДТТ. В его стальном цилиндрическом корпусе диаметром 3,05 м содержится около 193 т твердого топлива, при сгорании которого создается тяга, достигающая 5,3 МН. Продолжительность работы двигателя 125 с, развиваемый полный импульс тяги — около 500 МН с. UA-1205 (рис. 9) имеет секционную конструкцию и работает на смесевом топливе, близком по составу к тому, которое используется в двигателе SRM. Конфигурация заряда сходна с используемой в SRM, но задние торцы отдельных секций (всего их 7) не бронированы. Благодаря этому в начале работы РДТТ его тяга достигает максимального значения (которое указано выше), затем постепенно снижается до ~ 70 % и в последние 20 с резко спадает до нуля.

Рис 9 Двигательная установка с РДТТ UA-1205

В отличие от SRM в UA-1205 установлено обычное, а не «утопленное» сопло. В его конструкции предусмотрены графитовые кольцевые вкладыши (в горловине) и аблирующие материалы (фенопласты, армированные кремнеземными и другими тканями). Продукты сгорания, разгоняясь в сопле, сообщают двигателю удельный импульс 2610 м/с (в вакууме).

С целью управления полетом РН в каждом; двигателе UA-1205 предусмотрена система управления вектором тяги, основанная на несимметричном вводе вспомогательного рабочего тела — жидкой четырехокиси азота в сверхзвуковой поток газа в сопле. Для этого предусмотрены электроуправляемые форсунки, расположенные вокруг сопла примерно на середине расширяющейся части. На каждый квадрант поперечного сечения приходится шесть сблокированных форсунок, при включении которых в соответствующем месте сопла возникает боковая управляющая сила. Она обусловлена динамическим и химическим взаимодействием потоков, а также импульсом силы, создаваемым струей вспомогательного рабочего тела.

Хотя при этом осевая составляющая тяги возрастает, результирующий удельный импульс РДТТ все же уменьшается. Такой способ обеспечивает управление полетом ракеты по тангажу и курсу при использовании одного двигателя, а в случае двух двигателей (т. е. как в РН семейства «Титан-3») — и по крену. В UA-1205 четырехокись азота содержится в специальном баке, из которого вытесняется сжатым азотом. В течение полета расходуется около 80 % запаса жидкости, составляющего ~ 4 т.

С учетом РДТТ системы отделения двигательная установка на основе UA-1205 имеет высоту 26 м и массу 230 т.

РН семейства «Титан-3» являются наглядным примером эффективности использования «навесных» РДТТ с целью увеличения грузоподъемности серийных ракет, находящихся в эксплуатации. История этих РН началась с двухступенчатой межконтинентальной ракеты «Титан-2», приспособленной для вывода полезных грузов в космос. Разгон этой ракеты, использовавшейся в 1965–1966 гг. для запуска пилотируемых кораблей «Джемини», обеспечивался при помощи двух последовательно включавшихся ЖРД. Первый из них развивал тягу 1913 кН (на Земле) и работал 150 с, второй — тягу 445 кН за время 180 с.

После того как на «Титан-2» установили сверху еще одну жидкостную ступень, а с двух сторон корпуса прикрепили «навесные» твердотопливные двигатели UA-1205, стартовая масса РН возросла с 147 до 630 т, а грузоподъемность (масса полезного груза, выводимого на низкую околоземную круговую орбиту) увеличилась примерно с 3,5 до 13 т. Указанная модернизация РН была осуществлена в сжатые сроки и при денежных затратах, намного меньших тех, которые потребовались бы для создания совершенно новой РН равной мощности.

Суммарной тяги двух двигателей UA-1205 оказывается вполне достаточно, чтобы оторвать РН от земли и поднять ее на высоту в несколько десятков километров (ЖРД включаются после окончания работы РДТТ). Если подсчитать тяговооруженность для различных вариантов РН семейства «Титан-3», то окажется, что этот показатель возрос после модернизации РН с 1,3 до 1,7 g. Таким образом, разгон РН стал производиться быстрее, а следовательно, и снизились потери скорости, связанные с воздействием земного притяжения (что касается потерь на преодоление аэродинамического сопротивления, то они возросли ненамного).

Образно говоря, «навесные» РДТТ вдохнули в ракеты «Титан» новую жизнь, обеспечив им широкое использование при осуществлении американских космических программ. Ракеты этого типа — самые мощные из эксплуатирующихся в последние годы американских РН. С их применением связаны многие достижения космонавтики. Так, в 1977 г. при помощи «Титанов» осуществлены запуски двух межпланетных станций «Вояжер», которые после передачи ценнейшей информации о Юпитере и его спутниках продолжают двигаться к Сатурну. С целью сокращения времени полета указанным КА была сообщена третья космическая скорость, и они выйдут за пределы Солнечной системы.

Разгон «Вояжеров» производился при помощи пятиступенчатых РН семейства «Титан-3»: на первой ступени устанавливались твердотопливные двигатели UA-1205, на последующих трех — ЖРД и на верхней (так называемом разгонном блоке) — РДТТ. Об этом твердотопливном двигателе рассказывается далее, а здесь мы обратимся к РДТТ, которые применяются в другой РН, получившей широкое использование при осуществлении космических программ.

Двигатели РН «Дельта». В США эту РН называют «рабочей лошадью космонавтики»: ею выведено в космос больше полезных грузов, чем какой-либо другой из зарубежных ракет, причем эти грузы имеют самые различные назначения.

Первоначально «Дельта» представляла собой трехступенчатую ракету с ЖРД на первых двух ступенях и РДТТ на третьей[4]. При стартовой массе около 48 т она могла вывести 270 кг полезного груза на круговую орбиту высотой 370 км или 45 кг на вытянутую эллиптическую орбиту 185 × 36 000 км (так называемая переходная геостационарная орбита). Со времени первого полета, состоявшегося в 1960 г., «Дельта» претерпела целый ряд изменений, в ходе которых появились более мощные образцы РН, оснащенные тремя (1964 г.), шестью (1970 г.) и девятью (1972 г.) навесными РДТТ. Один из последних вариантов «Дельты» представлен на рис. 10 с расчленением на отдельные составные части. Высота этой ракеты 35 м, стартовая масса 132 т, из которых 42 т приходятся на 9 навесных РДТТ.

Рассмотрим последовательность работы двигателей данного варианта РН при выводе ИСЗ на геостационарную орбиту. По команде «Пуск» включаются жидкостный двигатель центрального блока (1-я ступень), развивающий тягу 912 кН, и 6 твердотопливных, которые создают дополнительную тягу 942 кН. В результате ракете сообщается начальное ускорение 1,4 g. Через 39 с, когда РДТТ прекращают работу, «Дельта» разгоняется до скорости порядка 400 м/с, поднимаясь на высоту около 5 км (к этому времени уже начинается разворот РН по тангажу, обеспечивающий «плавный» вывод полезного груза на околоземную орбиту). Затем включаются три оставшихся РДТТ. Такая последовательность операций вызвана необходимостью ограничить перегрузки, действующие на днища баков с жидкими топливными компонентами.

Спустя ~ 10 с после прекращения работы последних РДТТ на высоте порядка 20 км все девять твердотопливных — двигателей одновременно отделяются. Жидкостная ступень продолжает функционировать примерно до 230-й секунды полета. При этом РН поднимается на 95 км, разгоняясь до 5300 м/с. Двигаясь несколько секунд по инерции, «Дельта» поднимается еще на 10 км, после чего производится двукратное включение ЖРД второй ступени с интервалом 13 мин. Проработав в общей сложности 300 с на уровне тяги 46 кН, указанный ЖРД выводит полезный груз на высоту около 180 км, сообщая ему первую космическую скорость.

Вслед за этим производится раскрутка (с целью стабилизации) и отделение третьей, твердотопливной ступени (вместе с ИСЗ). Ее двигатель тягой 67 кН включается на 24-й минуте полета и за 44 с работы увеличивает скорость ИСЗ с 7,9 до 10,25 км/с. При этом спутник выводится в точку над экватором, соответствующую перигею орбиты 185 × 35 790 км, с наклонением к плоскости экватора около 29° (апогей соответствует противоположной точке земного шара). Здесь ИСЗ отделяется и самостоятельно, при помощи собственного ракетного двигателя, совершает переход на геостационарную орбиту. Эту завершающую фазу полета мы рассмотрим в соответствующем разделе (см. стр. 49), а пока вернемся к. «Дельте».

Рис. 10. Ракета носитель «Дельта»

Из приведенной выше схемы запуска нетрудно заметить, что на навесные РДТТ «Дельты» (а тем более на каждый из них в отдельности) приходится относительно небольшая доля от суммарного импульса тяги, развиваемого всеми двигателями РН. Функционируют они непродолжительное время и отделяются на малой высоте. Так что если в МТКК «Спейс Шаттл» и РН «Титан» соответствующие РДТТ образуют полноценные ступени, то в. «Дельте» они по своим характеристикам являются промежуточными между ракетными ступенями и ракетными ускорителями. В конструктивном отношении эти двигатели относятся к самым простым среди маршевых РДТТ. В частности, они не. содержат устройств для изменения вектора тяги, и управление полетом РН «Дельта» производится при помощи жидкостной двигательной установки центрального блока.

С 1968 г. на третьей ступени РН «Дельта» устанавливаются РДТТ серии «Стар-37», созданные на базе тормозного двигателя КА «Сервейер». Они содержат корпуса диаметром 935 мм, изготовленные из титанового сплава, и «утопленные» сопла. Первоначально использовался вариант РДТТ со сферическим корпусом, имевший следующие характеристики: масса 718 кг, включая 653 кг (т. е. 91 %) смесевого топлива полибутадиен — перхлорат аммония — алюминий, максимальная тяга 46,7 кН, удельный импульс 2850 м/с. Работая в течение 44 с, двигатель развивал полный импульс тяги 1860 кН с, соответствующий усредненной тяге 42 кН.

В 1972 г. корпус (и соответственно топливный заряд) РДТТ был удлинен на 362 мм путем введения средней цилиндрической секции, в связи с чем масса РДТТ увеличилась примерно на 400 кг, а содержание топлива возросло до 92,6 %. Полный импульс тяги достиг 2910 кН с; пропорционально этому увеличилась тяга (до 66,7 кН), поскольку продолжительность работы двигателя осталась прежней.

В этой связи интересно сравнить РДТТ с ЖРД. Если для двигательной установки с ЖРД увеличение (сокращение) запаса топлива приводит к соответствующему увеличению (сокращению) продолжительности работы двигателя, а тяга его остается неизменной, то для РДТТ наблюдается противоположный эффект. Таким образом, тягу РДТТ можно менять в значительных пределах путем простого изменения длины. топливного заряда. В этом отношении «гибкими» являются секционные РДТТ (подобные рассмотренным ранее SRM и UA-1205): варьируя число секций, можно легко получать двигатели разной тяги.

Завершая обсуждение вопросов, связанных с двигателями РН «Дельта», отметим, что в 1977–1978 гг. были созданы новые варианты РДТТ серии «Стар-37», в которых реализованы многие из последних достижений в области твердотопливных двигателей. Теперь же мы переходим к рассмотрению космических РДТТ, созданных во Франции.

РДТТ ракеты-носителя «Диамант». Твердотопливные двигатели устанавливались на второй и третьей ступенях этой РН, при помощи которой было запущено Несколько французских ИСЗ в 1965–1975 гг. (на первой ступени ракеты использовался ЖРД). «Диамант» является единственной РН, созданной во Франции. Подобно американским, эта РН подверглась ряду усовершенствований, направленных на повышение мощности.

В последнем варианте «Диамант» применялись односопловые РДТТ с короткими стеклопластиковыми корпусами диаметром 1,5 (вторая ступень) и 0,8 м (третья ступень), в которых содержалось соответственно 4 и 0,685 т смесевого топлива. В первом из этих РДТТ предусмотрено управление вектором тяги за счет впрыска в сопло фреона, что позволяет контролировать полет ракеты в плоскостях тангажа и курса. Этот двигатель работает 62 с на постоянном уровне тяги 180 кН. Соответствующие параметры для РДТТ третьей ступени «Диамант» составляют 46 с и ~ 30 кН (усредненная величина). Подобно РДТТ второй ступени, этот двигатель содержит неподвижное сопло с графитовой горловиной, однако в нем нет устройств для управления вектором тяги.

Из рис. 1, на котором был представлен данный РДТТ, видно, что в его топливном заряде имеется центральный круглый канал с поперечными щелями. Такая конфигурация заряда обеспечивает неизменную поверхность горения и соответственно постоянную тягу двигателя в процессе работы. Точные размеры внутренней полости заряда обеспечиваются механической обработкой.

На топливо приходится 91 % от полной массы двигателя, и оно имеет следующий состав: 60 % перхлората калия, 21 % полиуретана, 19 % алюминия (приведены скругленные значения). Применение этого сравнительно малоэффективного топлива позволило получить удельный импульс РДТТ лишь около 2730 м/с. Для РДТТ второй ступени РН «Диамант» (где также использовалось полиуретановое топливо) этот параметр еще меньше — примерно 2680 м/с.

Следует отметить, что двигатели ракеты «Диамант» не отражают в полной мере успехи Франции в области РДТТ. Так, например, в баллистических ракетах дальнего действия, созданных в этой стране, используются РДТТ с топливными зарядами, масса которых достигает 16 т и время горения 76 с. В 1969 г. одна французская фирма демонстрировала на выставке экспериментальный заряд диаметром 3 м.

Многие современные достижения в области РДТТ реализованы да твердотопливном двигателе, совместно созданном недавно специалистами Франции, Италии и ФРГ для использования в космических аппаратах, начиная с 1980 г. Этот РДТТ с суммарной массой 692 кг развивает полный импульс тяги 1900 кН с и удельный импульс свыше 2890 м/с. Однако прежде чем перейти к двигателям КА, рассмотрим двигатели еще нескольких РН.

РДТТ «Вэксуинг». Этот двигатель, представленный на рис. 11, использовался на третьей ступени английской РН «Блэк Эрроу», при помощи которой в 1971 г. был запущен первый английский ИСЗ «Просперо». Хотя «Вэксуинг» и подобные ему двигатели и не имеют широкого применения, рассмотрение этого РДТТ позволит получить более полное представление о возможных конструкциях космических РДТТ, их особенностях и проблемах, решаемых при их создании.

В РДТТ «Вэксуинг» применяется корпус в виде тонкостенного (0,6–0,8 мм) стального сосуда диаметром 712 мм. В двигателе содержится 312 кг не совсем обычного смесевого топлива. Оно состоит из перхлората аммония (63 %), пикрата аммония (14 %), алюминия (12 %) и горючего-связки на основе пластифицированного полиизобутилена (11 %). Это топливо необычно в том отношении, что изготовление заряда из него сводится к смешиванию указанных компонентов до состояния густой пасты (с плотностью 1,77 г/см^3), последующее отверждение которой не производится. При температуре 60 °C топливная масса становится настолько пластичной, что ею можно заполнять под вакуумом корпус РДТТ.

После загрузки в топливо вводится профилированная игла для образования внутреннего канала горения. Созданием соответствующего гидростатического давления обеспечивается плотное прижатие заряда к корпусу, который предварительно покрывается теплоизоляционным слоем (наполненный хлорсульфоновый полиэтилен) и адгезионным составом (нитрильный каучук).

Двигательная установка с РДТТ «Вэксуинг» имеет массу 352 кг (на долю топлива приходится 89 % от этой величины) и работает 37 с, развивая удельный импульс около 2710 м/с. В течение первых 15 с тяга РДТТ постепенно возрастает, достигая ~ 29 кН (при этом давление в камере увеличивается до ~ 2,8 МПа), после чего плавно снижается. Создатели «Вэксуинга» опасались, что пастообразный топливный заряд, достаточно упругий при небольшой нагрузке, «потечет» под воздействием ускорений в процессе работы двигателей первой и второй ступеней РН. Соответствующие эксперименты показали, однако, что опасный уровень перегрузок существенно превышает действительный.

Рис. 11. РДТТ «Вэксуинг»

При создании РДТТ «Вэксуинг» необходимо было предусмотреть возможность его аварийного выключения в случае выхода РН за пределы безопасной зоны полигона. С указанной целью в переднем днище корпуса разместили кольцевой заряд взрывчатого вещества, при, детонации которого в днище вырезается отверстие диаметром около 200 мм. При этом происходит быстрый спад рабочего давления в двигателе, и горение топлива прекращается.

При запуске ИСЗ двигатель «Вэксуинг» включился в апогее промежуточной орбиты и обеспечил перевод спутника на околополярную орбиту. После отделения ИСЗ ракетная ступень продолжала, однако, двигаться вследствие истечения из РДТТ продуктов пиролиза теплоизоляционных материалов, нагретых до высокой температуры. В результате ступень настигла спутник и при столкновении повредила телеметрическую антенну. Этот факт — один из многих «сюрпризов», которые необходимо учитывать при создании и использовании космических РДТТ.

Двигатели полностью твердотопливных РН. Разгон этих трех- и четырехступенчатых ракет производится исключительно при помощи РДТТ, установленных на всех ступенях. При разработке подобных РН конечной целью ставилось создание таких средств доставки полезных грузов в космос, которые были бы не очень дорогими в изготовлении и удобными в обращении, а также не требовали бы сложных стартовых комплексов и большой предстартовой подготовки. Решающее значение для достижения всего этого имел выбор для всех ступеней РН небольших по размерам и простых по устройству маршевых РДТТ.

Рассматриваемые РН отличаются малыми габаритами и существенно уступают другим современным РН по величине стартовой массы и соответственно массы полезного груза. Наибольшее внимание мы уделим американской четырехступенчатой РН «Скаут», которая эксплуатируется с 1960 г. Первоначально стартовая масса этой РН составляла 16 т, и она могла вывести ИСЗ массой 45 кг на околоземную орбиту высотой 280 км. С начала своего применения РН «Скаут» многократно модернизировалась с целью повышения мощности, при этом отдельные РДТТ также модифицировались или заменялись новыми, более совершенными образцами.

В современном варианте РН со стартовой массой 21,4 т способна вывести на околоземную орбиту высотой 560 км полезный груз массой 181 кг. Высота РН 23 м, максимальный диаметр корпуса 1,13 м. Маршевые РДТТ этой ракеты развивают тягу 476, 275, 125 и 25 кН (в соответствии с очередностью их включения) и функционируют от ~75 (первая ступень) до ~ 30 с (последняя ступень).

Эти двигатели не имеют устройств для изменения вектора тяги, а управление полетом РН «Скаут» производится при помощи аэродинамических и газовых рулей, установленных на первой ступени, и неподвижных ракетных двигателей малой тяги, установленных на последующих ступенях. Причем на второй и третьей ступенях используются ЖРД, работающие на продуктах разложения перекиси водорода, а на четвертой — вспомогательные РДТТ, которые сообщают ступени вращательное движение вокруг продольной оси.

Из маршевых РДТТ ракеты «Скаут» мы рассмотрим подробно двигатель FW-4, который использовался[5] на четвертой ступени в 1965–1973 гг. Он имеет цилиндрический корпус диаметром 508 мм, масса снаряженного двигателя составляет ~300 кг. Причем 91 % этой массы приходится на смесевое топливо, содержащее перхлорат аммония, сополимер бутадиена, акрилонитрила, акриловой кислоты и алюминий.

В начальной части топливного заряда горящая поверхность образована центральным цилиндрическим каналом, затем следует кольцевая поперечная щель и снова — осевой круглый канал, переходящий в расширяющееся коническое отверстие. Упомянутая щель выполняет двоякую роль: компенсирует температурные напряжения, возникающие при изменении условий хранения РДТТ, и обеспечивает надлежащий характер изменения тяги: в первые 11 с работы она неравномерно возрастает с 21 до 30 кН, а в последующие 19 с плавно снижается. Среднее (за время работы) значение давления в камере РДТТ составляет 5,3 МПа.

Истекая из сопла, продукты сгорания развивают удельный импульс 2805 м/с. Сопло крепится к корпусу через теплоизолированный фланец из алюминиевого сплава. Горловина сопла образована графитовым кольцом, а расширяющаяся часть — конической оболочкой из нержавеющей стали (толщина 0,25 мм), защищенной изнутри графитовой тканью (на начальном участке) и кремнийфенольным материалом.

Корпус двигателя FW-4 защищен от прогара слоем теплоизоляции из бутадиеннитрильного каучука, наполненного окисью кремния. Сам же корпус с толщиной цилиндрической стенки 2 мм изготовлен из стеклопластика, т. е. материала на основе стеклянных волокон и полимерного связующего компонента (в данном случае эпоксидной смолы), И в этом примечательная особенность FW-4 по сравнению с рассмотренными ранее двигателями SRM и UA-1205.

Наиболее распространенный способ изготовления стеклопластиковых корпусов состоит в намотке непрерывной стеклоленты, пропитанной смолой, на вращающуюся оправку. Намотанная конструкция подвергается термоотверждению, после чего оправка извлекается из корпуса; с этой целью она делается либо разборной, либо разрушаемой (например, из гипса). Применение в РДТТ пластиковых корпусов связано с необходимостью решения ряда специфических проблем, одной из которых является значительное изменение геометрических размеров конструкции при нагружении ее рабочим давлением, что объясняется повышенной (по сравнению с металлами) деформацией пластиков.

При испытаниях FW-4 обнаружилась, например, следующая проблема, специфичная для этого двигателя. Непосредственно перед запуском маршевого РДТТ четвертая ступень РН «Скаут» раскручивается (при помощи упомянутых выше вспомогательных РДТТ) до 120–160 об/мин с целью ее стабилизации. Некоторые полезные грузы не отделяются от ступени, и если после окончания работы маршевого РДТТ включается механизм замедления вращения Полезного груза, корпус двигателя подвергается дополнительным нагрузкам. Стендовые испытания первых образцов FW-4 с имитацией вращения показали, что эти нагрузки могут вызвать расслоение стеклопластиковых корпусов, образованных внутренним слоем спиральной намотки и внешним слоем поперечной (кольцевой) намотки. Поэтому корпуса стали изготавливать, чередуя ту и другую намотки.

Армированные пластики широко применяются в качестве конструкционного материала для корпусов современных космических РДТТ. По сравнению с металлическими пластиковые корпуса имеют меньшую массу, что объясняется более высокой удельной прочностью пластиков. Этот параметр определяется как отношение прочности на растяжение к плотности материала. До введения Международной системы единиц (СИ) вместо плотности использовался удельный вес, и в этом случае указанный параметр имел размерность длины. Так вот в этой прежней размерности удельная прочность сталей, используемых в двигателях SRM и UA-1205, составляет 20 км, а стеклопластика, применяемого в FW-4, — около 50 км.

Современное технологическое оборудование позволяет изготавливать пластиковые корпуса без каких-либо разъемов, как одно целое, и обеспечивает стабильность их характеристик. Намоткой волокон под различными углами и подбором надлежащего числа волокон в определенных местах достигается равнопрочность конструкции изготавливаемого корпуса. Все это позволяет в максимальной степени использовать высокие прочностные свойства пластиков.

Благодаря высокой производительности технологических процессов и сравнительно невысокой стоимости исходных материалов корпуса РДТТ из стеклопластика (именно этот пластик нашел наибольшее применение) получаются не намного дороже металлических корпусов. В первую очередь пластики выгодно использовать для двигателей верхних ступеней РН и аппаратов, работающих в космосе, где снижение массы конструкции дает максимальное приращение массы полезного груза.

Завершая описание двигателей РН «Скаут», следует отметить, что 3 июня 1979 г. состоялся 100-й пуск этой ракеты. К этому времени успешно осуществлялись 95 пусков, в том числе 37 подряд (в период 1967–1975 гг.). Последний показатель является рекордным для зарубежных РН.

Кроме США, полностью твердотопливные космические РН созданы также в Японии и Индии. С 1974 г. в Японии используются различные варианты трехступенчатых РН серии «Мю». Их особенностью является наличие на первой ступени навесных твердотопливных ускорителей, которые в течение короткого времени создают тягу, дополнительную к тяге основного РДТТ. В качестве примера укажем характеристики двигателей для одного из вариантов РН серии «Мю» (со стартовой массой 42 т): тяга основных РДТТ (в соответствии с очередностью включения) — 867, 279 и 57 кН, время работы — соответственно 61, 69 и 53 с. В данной РН используется 8 ускорителей диаметром 0,3 м и тягой по 95 кН, работающих в течение 8 с.

Таким образом, стартовая тяга РН составляет почти 1630 кН и РН стартует с ускорением около 4 g. В последние годы на первых двух ступенях РН серии «Мю» применяются маршевые РДТТ, снабженные системами управления вектором тяги (в частности, используется ввод жидкости в сопло); третья ступень стабилизируется вращением. РН имеют высоту до 25 м при максимальном диаметре корпуса 1,4 м (без учета ускорителей); стартовая масса превышает 50 т.

Аналогом первоначального варианта ракеты «Скаут» стала твердотопливная РН, созданная недавно в Индии. Эта четырехступенчатая ракета имеет высоту 23 м при максимальном диаметре корпуса 1 м. При стартовой массе 17 т она должна выводить 40 кг полезного груза на околоземную орбиту высотой 400 км. Запуск этой РН, произведенный в августе 1979 г., был неудачным.

РДТТ космических аппаратов. В первую очередь рассмотрим твердотопливные двигатели, широко применяющиеся для создания конечного разгонного импульса при выводе КА на околоземные орбиты, достижение которых требует больших энергетических затрат, и на межпланетные траектории. Например, большинство геостационарных ИСЗ, запущенных к настоящему времени, оснащалось неотделяемыми РДТТ, входящими непосредственно в конструкцию космического аппарата.

Ранее мы рассмотрели последовательность операций при запуске геостационарного спутника, ограничившись моментом прекращения работы последней ступени РН и соответственно выходом ИСЗ на переходную геостационарную орбиту. Попробуем теперь рассчитать характеристики бортового РДТТ спутника, если из расчета траектории полета известно, что для совершения окончательного маневра ИСЗ необходимо сообщить дополнительную скорость ΔV ≈ 1840 м/с. Соответствующий разгонный импульс создается в апогее переходной орбиты, и в этом случае бортовой РДТТ называют апогейным.

Зададимся дополнительно следующими исходными данными: масса ИСЗ в момент отделения от ракетной ступени 1000 кг, удельный импульс РДТТ (Iy) 2850 м/с, запас твердого топлива 90 % суммарной массы РДТТ. Воспользуемся известной формулой Циолковского, которую запишем для нашего случая в виде: ΔV = Iyln[(МТ + МК + МПГ)/(МК + МПГ)], где МТ — масса топлива, МК — масса конструкции РДТТ, МПГ — масса полезного груза (т. е. спутника без учета РДТТ). Подставляя в эту формулу исходные данные, получим следующие (округленные) величины (в килограммах): МТ = 465, МК = 50, МПГ = 485 (сумма этих чисел составляет 1000). Перемножив далее значения МТ и Iy, получим полный импульс тяги РДТТ: 1325 кН с.

В принципе эту величину можно реализовать как за счет кратковременного действия большой тяги, так и при длительном действии малой тяги. При выборе конкретных параметров РДТТ необходимо учесть допустимые перегрузки на конструкцию всего КА и его отдельных элементов, а также баллистические характеристики применяемого твердого топлива, влияние давления в камере сгорания на массу конструкции, на габариты и удельный импульс и т. д. В конечном счете характерное время работы для бортового РДТТ получается равным порядка 40 с, что при указанном выше значении полного импульса соответствует усредненной (за время работы) тяге ~30 кН. Эти параметры того же порядка, что и для двигателей верхней ступени РН «Дельта», которые рассматривались нами в соответствующем разделе.

По устройству и внешнему виду РДТТ космических аппаратов также не отличаются от двигателей верхних ступеней РН. Так что те и другие РДТТ вполне можно отнести к одному классу двигателей, тем более что твердотопливные верхние ступени в большинстве своем включаются после сообщения им первой космической скорости, т. е. сами по себе могут считаться космическими аппаратами. Сюда же относятся РДТТ разгонных блоков — унифицированных ракетных ступеней, которые также включаются на околоземных орбитах и могут использоваться в составе различных РН как для запуска ИСЗ, так и для разгона автоматических межпланетных станций.

В частности, в разгонных блоках широко применялись уже известные нам двигатели типа «Стар-37», Именно они использовались при запусках межпланетных КА «Вояджер», о чем шла речь на стр. 38. Начальная масса разгонных блоков составляла 1,22 т с учетом 1060 кг твердого топлива, после израсходования которого скорость КА увеличивалась на 2 км/е. Указанные блоки стабилизировались при помощи микродвигателей, работавших на жидком монотопливе (гидразине),

РДТТ применяются также на борту космических кораблей и в автоматических межпланетных КА, где они выполняют роль тормозных двигателей, развивающих сравнительно небольшой импульс тяги. После окончания работы эти РДТТ отделяются от КА.

В 1961–1962 гг. тормозной РДТТ тягой около 23 кН и массой 95 кг (с пластиковым корпусом) устанавливался в КА «Рейнджер» с тем, чтобы погасить скорость падения приборного контейнера на поверхность Луны (рис. 12). Двигатель должен был включаться на высоте 16 км и работать в течение 10 с до высоты 330 м. Далее сферический контейнер «Рейнджера» должен был совершать свободное падение, ударяясь о лунный грунт со скоростью 33 м/с, обеспечивающей сохранность научных приборов. По различным техническим причинам запуски всех КА «Рейнджер» указанного типа завершились неудачей. Зато успешными были полеты в 1966–1968 гг. нескольких КА «Сервейер», при посадке которых на лунную поверхность использовался бортовой РДТТ, Он обеспечивал снижение скорости КА до 120 м/с (далее включались ЖРД мягкой посадки). По своим параметрам этот твердотопливный двигатель близок к его модификации, использованной впоследствии в составе РН «Дельта».

При посадке космических кораблей «Меркурий» (1962–1963 гг.) и «Джемини» (1965–1966 гг.) твердотопливные двигатели обеспечивали их сход с околоземной орбиты на траекторию спуска. Тормозная двигательная установка корабля «Меркурий» содержала три РДТТ (рис. 13) с диаметром корпуса 300 мм, тягой каждого 4,45 кН и временем работы 10 с. Включение этих двигателей (их расположение было показано на рис. 5) осуществлял сам космонавт при помощи ручной системы управления.

Рис. 12. РДТТ космического аппарата «Рейнджер-3»:

1 — сопло раскрутки; 2 — корпус РДТТ раскрутки; 3 — тормозной РДТТ

Рис. 13. Тормозной РДТТ космического корабля «Меркурий»

Тормозная установка «Джемини» состояла из четырех РДТТ со сферическими корпусами (из титанового сплава) диаметром ~320 мм, с начальной массой по 31 кг. РДТТ снаряжались смесевым топливом, содержащим перхлорат аммония, полисульфидное горючее-связку и алюминий. При сгорании этого топлива развивалась тяга около 11 кН. В отличие от «Меркурия» на «Джемини» тормозные РДТТ включались не одновременно, а последовательно — один за другим:

Твердотопливная тормозная установка предусматривалась и в космических кораблях «Восход» (1964–1965 гг.) в качестве резервной: она должна была включаться в случае отказа жидкостной установки (которая, однако, продемонстрировала надежную работу).

В 70-х годах тормозные РДТТ применялись в КА для исследования Марса и Венеры. На стр. 28 упоминался один из таких двигателей, который обеспечил перевод спускаемых аппаратов советских. КА «Марс-2» и «Марс-3» с пролетной траектории на траекторию встречи с планетой. Этот РДТТ с тягой 4 кН и временем работы 55 с был показан на рис. 7 в составе КА. Недавно, в декабре 1978 г., бортовой РДТТ тягой 18 кН обеспечил перевод американского КА «Пионер-Венера-1» (начальной массой 550 кг) с пролетной траектории на орбиту Венеры, изменив при этом скорость КА на 1060 м/с. В сферическом корпусе двигателя диаметром 622 мм содержалось около 200 кг твердого топлива, которое было израсходовано примерно за 30 с. Этот же РДТТ использовался ранее в качестве апогейного бортового двигателя геостационарных ИСЗ «Скайнет».

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКИХ РДТТ [6]

Направления исследований и достигнутые результаты. Прежде всего следует отметить работы, связанные с модификацией существующих или поиском новых твердых ракетных топлив. При этом особое значение придавалось способам повышения характеристик топлив. Разработка топливных составов является сложной задачей, поскольку весьма часто факторы, способствующие улучшению одного качества, вызывают нежелательное изменение другого.

В ближайшие годы возможности повышения удельного импульса РДТТ за счет применения более эффективных топлив представляются довольно ограниченными. Наибольшего прироста этого параметра — порядка 200 м/с (т. е. 7 %) можно ожидать от использования металлизированных топлив, содержащих бериллий вместо алюминия. Увеличение удельного импульса в этом случае объясняется снижением молекулярной массы топлива (так как у бериллия она в 3 раза меньше, чем у алюминия) в сочетании с повышением температуры его сгорания. К настоящему времени созданы и испытаны образцы РДТТ, работающие на бериллийсодержащем топливе, однако широкому внедрению его препятствует чрезвычайно высокая токсичность бериллия (и соответственно продуктов сгорания топлива); к тому же бериллий дорог. Так что, по-видимому, указанное топливо найдет применение лишь в сравнительно небольших РДТТ, включение которых предусматривается уже в космосе.

Дальнейший прирост удельного импульса примерно еще на 200 м/с можно было бы получить, используя вместо бериллия его гидрид (BeH_2). Однако этому препятствуют (помимо токсичности) химическая нестабильность соединения («утечка» водорода при хранении) и трудность приготовления достаточно плотных его составов. Следует заметить, что рассмотренные нами новые металлсодержащие топлива характеризуются при большем удельном импульсе меньшей плотностью (что является недостатком), поскольку по этому параметру бериллий уступает алюминию почти в 1,5 раза, а гидрид бериллия — более чем в 4 раза.

Энергетические характеристики твердых топлив могут быть повышены за счет применения в них более активных окислителей и горючих-связующих. Согласно расчету использование в смесевом топливе перхлората нитрония NO_2ClO_4 (вместо перхлората аммония, который содержит почти вдвое меньше кислорода) обеспечивает прирост удельного импульса до 300 м/с. Применению этого нового окислителя препятствуют, однако, его гигроскопичность, плохая совместимость с освоенными связующими и взрывоопасность. С целью снижения чувствительности перхлората нитрония к внешним воздействиям предложено, в частности, обрабатывать его газообразным аммиаком, в результате чего образуется «пассивный» поверхностный слой перхлората аммония. Высокая чувствительность препятствует применению в смесевых топливах и фтораминовых связующих, содержащих атомы F, N, Н; по удельному импульсу такие топлива были бы равноценны модифицированным двухосновным, содержащим октоген.

Теми же способами, что и увеличение удельного импульса, могут быть улучшены другие характеристики твердых ракетных топлив: плотность, механические свойства, стабильность, технологичность. Желательным свойством твердого топлива является его полимеризуемость при нормальной температуре. Это позволяет упростить технологический процесс изготовления РДТТ и используемое при этом оборудование, а также избежать термических напряжений в топливном заряде (которые возникают при полимеризации в условиях повышенных температур). С указанной целью предложены различные катализаторы, с введением которых одновременно улучшаются механические свойства заряда.

Эффективным считается и использование так называемых многофункциональных и комплексных добавок, позволяющих получать твердые топлива с заданным, оптимальным сочетанием свойств. Желаемый эффект может быть также достигнут изменением структуры известных компонентов, применением новых способов их изготовления или обработки, а также изменением химической технологии приготовления топлива.

Для обеспечения длительной работы РДТТ без ухудшения первоначальных характеристик большое значение имеет разработка эрозионностойких конструкционных и теплозащитных материалов, а также методов изготовления деталей из них. В особенности это касается столь напряженной части РДТТ, как горловина сопла. До недавнего времени в горловинах крупных РДТТ, рассчитанных на длительную работу и использование высокоэффективных топлив, применялись кольца из пиролитического графита в сочетании с другими деталями или графитовая ткань, намотанная из ленты. Первая конструкция имеет тенденцию к расслаиванию в процессе работы, а вторая подвергается значительной эрозии.

От этих недостатков свободны созданные недавно сопла, горловины которых изготовлены намоткой материала углерод—углерод (здесь и армирующие волокна, и связующее из углерода), с применением тканей с объемной (трехмерной) ориентацией волокон. Полученные таким образом детали воспринимают одновременно тепловые и механические нагрузки (давление газов). Надежность и высокая эрозионная стойкость новой конструкции подтверждены испытаниями экспериментальных РДТТ. Они показали, что сопло в течение 150 с может успешно противостоять продуктам сгорания смесевого топлива с 18 %-ным содержанием алюминия: средняя скорость эрозии горловины не превышает 0,04 — 0,05 мм/с. Это обстоятельство открывает широкие возможности для использования в РДТТ новых, более эффективных топлив и для увеличения продолжительности работы РДТТ.

Значительная доля (40–50 %) массы конструкции РДТТ приходится на корпус. Поэтому повышению прочности конструкционных материалов уделяется большое внимание. Характеристики освоенных металлических сплавов могут быть повышены соответствующей термообработкой. Применению новых металлических сплавов и технологических методов обработки препятствуют, однако, экономические ограничения: следует учитывать, что повышаются не только энергетические параметры РДТТ, но и его стоимость.

Дальнейшие перспективы усовершенствования РДТТ открываются в связи с применением в корпусах РДТТ конструкционных материалов из органопластиков. Эти пластики с армирующими наполнителями в виде органических волокон имеют более высокие механические свойства при меньшей плотности, чем стеклопластики. Удельная прочность уже используемых органопластиков с эпоксидным связующим составляет около 75 км. Предполагается довести в недалеком будущем этот показатель до 90 — 100 км за счет повышения характеристик армирующих волокон и применения лучших смолсвязующих. Последним способом можно также повысить сопротивление пластиков межслойному сдвигу и, следовательно, уменьшить размеры и массу соединительных деталей конструкции. Недостатком современных органопластиков является их относительная (по сравнению со стеклопластиками) дороговизна. Однако по мере более широкого применения этих материалов их стоимость будет неуклонно снижаться.

В последние годы достигнут существенный прогресс и в области теплоизоляционных материалов: созданы и получают применение композиции, характеризующиеся повышенной эрозионной стойкостью при пониженной (на 10–15 %) плотности (например, пластики с наполнителями из микросфер, неплотного углерода).

Следует также отметить большие успехи в создании эффективных систем и органов управления вектором тяги РДТТ, которые характеризуются высокой надежностью, быстродействием, малым потреблением энергии, небольшой массой и не приводят к заметным потерям удельного импульса РДТТ (обусловленным нарушением газового потока в сопле и отклонением реактивной струи). Примером таких управляющих органов являются эластичные подшипники, использующиеся, например, в РДТТ, о котором рассказывалось на стр. 34, или так называемые жидкостные подшипники, особенностью которых является наличие кремнийорганической жидкости, заполняющей замкнутое пространство вокруг горловины сопла, в месте качания. При отклонении сопла (при помощи приводов) эта жидкость перетекает из одной полости в другую, так что суммарный объем, занимаемый ею, остается неизменным. Такая конструкция позволяет отклонять сопло со скоростью 40 град/с, прилагая весьма малое усилие.

Многие из последних достижений в области РДТТ реализуются в конструкции твердотопливных двигателей, разрабатываемых для космического буксира IUS. Этот аппарат, полное название которого в переводе с английского означает «Инерциальная верхняя ступень», будет выводиться на низкие околоземные орбиты при помощи МТКК «Спейс Шаттл» или РН типа «Титан-3». Конструкция IUS основана на использовании двух базовых РДТТ-модулей: большого и малого, параметры которых представлены в таблице, приведенной на стр. 57.

Анализируя параметры двигателей IUS, приведенные в таблице, следует особо отметить, что номинальная продолжительность работы большего из них (152 с) является рекордной для современных РДТТ. На рекордном уровне находится и величина относительной массы топлива для этого двигателя — 94,6 %; таким образом, на конструкцию приходится около 5 % от массы снаряженного РДТТ.

Параметры РДТТ космического буксира IUS

Параметр Большой РДТТ Малый РДТТ Высота, м 2,97 1,90 Диаметр корпуса, м 2,31 1,61 Полная масса, кг 10 250 2910 Относительная масса топлива, % от полной 94,6 93,3 Полный импульс тяги, кН с 27 900 7760 Максимальная тяга, кН 266 106 Время работы, с 152 106 Удельный импульс, м/с 2863 2841

Такие рекордные показатели могут быть улучшены при применении в корпусах РДТТ конструкционных пластиков на основе высокотемпературных смол, способных работать при температурах 650–700 К. Это позволит снизить массу теплоизоляции. В дальнейшем также можно ожидать применения теплоизоляционных материалов на основе медленно горящих твердых топлив. С целью снижения массы конструкции РДТТ исследуется возможность намотки пластиковых корпусов непосредственно на топливные заряды без использования технологических оправок. В случае успеха этих работ не только станут ненужными соединительные крепежные детали, но и упростится процесс изготовленияРДТТ.

В дополнение к использующимся системам управления вектором тяги в космических РДТТ может найти применение также газодинамическая система (принцип работы которой изложен на стр. 36), усовершенствованная за счет использования продуктов сгорания, отводимых из камеры самого РДТТ, в качестве управляющего газа. Основная трудность здесь состоит в создании клапанов, могущих работать в среде высокотемпературногогаза.

Значительным техническим достижением является создание в последние годы сопел изменяемой формы. Выходная (расширяющаяся) часть их состоит из нескольких сегментов, при перемещении которых сопло раздвигается наподобие телескопической трубы или раскрывается подобно зонтику. В числе ближайших областей применения таких конструкции рассматриваются верхние ступени РН и космические аппараты. До включения РДТТ их сопла будут находиться в сложенном положении, что позволит значительно сократить размеры и массу переходных отсеков ракет. В результате масса полезного груза может быть увеличена в той же степени, что и при повышении удельного импульса РДТТ на 100–250 м/с. Сопла изменяемой геометрии выгодно применять и в двигателях первых ступеней РН: постепенное раскрытие их по мере подъема ракет обеспечит расширение реактивной газовой струи до давления, близкого к окружающему, а это является условием получения максимального удельного импульса.

Хотя РДТТ и прост по своему устройству, его надежная работа возможна лишь при строгом соблюдении хорошо отлаженных технологических процессов, используемых в изготовлении двигателя. Наряду с усовершенствованием этих процессов ведется поиск средств и методов, гарантирующих надежный контроль качества изготавливаемых РДТТ. Последней новинкой в этой области является электронное сканирующее устройство, в состав которого входят источник излучения высокой энергии, приемный экран и чувствительная телекамера. Применением такого устройства достигается контроль качества РДТТ по всей поверхности корпуса с регистрацией результатов на видеоленту.

Новые области применения РДТТ. До настоящего времени твердотопливные двигатели мало применялись на борту космических аппаратов, совершающих полеты к другим планетам. Одна из причин того, почему РДТТ почти не используются при выводе КА с межпланетных траекторий на околопланетные орбиты, состоит в чрезмерном ускорении, которое сообщалось бы конструкции и аппаратуре конкретных КА при работе РДТТ. Необходимо, таким образом, чтобы двигатель развивал небольшую тягу в течение довольно продолжительного времени. В этом направлении в последние годы достигнут значительный прогресс, и становится возможным создание эффективных РДТТ, функционирующих в течение 250 с. Требуемый невысокий уровень тяги обеспечивается, в частности, достижением (за счет подбора определенного состава и отработки технологии изготовления заряда) очень малой скорости горения топлива (порядка 3 мм/с), поддержанием низкого рабочего давления в камере (0,7 МПа и менее), а также горением заряда по торцевой поверхности.

Эти и другие достижения в области РДТТ, о которых рассказывалось выше, открывают возможности для более широкого применения твердотопливных двигателей как в ближнем, так и в дальнем космосе. Проектные проработки показывают, например, что РДТТ может оказаться вполне подходящим двигателем для старта аппарата с образцом грунта с марсианской поверхности.

Перспективы применения РДТТ в космонавтике во многом зависят от того, удастся ли разработать приемлемые методы и средства для осуществления многократного выключения-включения РДТТ в полете и регулирования величины тяги. Быстродействие РДТТ, сочетающееся с другими положительными качествами, привлекает к этим двигателям особое внимание разработчиков реактивных систем управления траекторией полета и пространственным положением КА. Однако двигатели этих систем должны включаться многократно — до многих сотен тысяч раз, например, для связных спутников Земли, рассчитанных на несколько лет работы.

Принципиально простым способом обеспечения многократного срабатывания РДТТ представляется использование многосекционного (так называемого вафельного) заряда, в котором соседние секции разделены термоизоляционными прокладками, причем каждая секция имеет свою систему воспламенения. Однако ввиду усложнения, утяжеления и удорожания конструкции РДТТ при увеличении количества секций их число на практике в лучшем случае может достигать нескольких десятков (такие экспериментальные РДТТ созданы и испытаны на стендах).

Попытки преодолеть существующие для РДТТ ограничения по количеству включений привели к созданию совершенно необычных экспериментальных конструкций. Одна из них напоминает детский пистолет, стреляющий пистонами, нанесенными на ленту. «Пистонами» являются миниатюрные РДТТ тягой в несколько ньютонов, сгорающие в течение примерно 0,1 с. Соответствующей подачей таких «пистонов» достигается требуемый в данный момент полный импульс тяги. Описанное устройство не может конкурировать, однако, с современными ЖРД малой тяги, которые с успехом используются в тех областях, где РДТТ до сих пор почти или совсем не применялись.

Что касается регулирования величины тяги РДТТ, то наиболее разработанный в настоящее время метод состоит в изменении площади горловины сопла путем механического перемещения профилированной иглы («центрального тела»), установленной по оси сопла. Поскольку изменение проходного сечения сопла приводит к противоположному изменению величины давления в камере, то зависимость тяги от перемещения иглы имеет весьма сложный характер. При соответствующем составе топлива полным открытием горловины сопла можно обеспечить гашение заряда. Повторное включение РДТТ можно произвести при помощи многозарядного воспламенителя. В космических РДТТ описанная система регулирования тяги, однако, не применяется, так как она приводит к существенному усложнению и утяжелению конструкции (а также другим нежелательным последствиям).

Тягу РДТТ можно регулировать в определенных пределах и путем ввода в камеру газа или жидкости. Недостатки же этого способа связаны с наличием в двигательной установке вспомогательного рабочего вещества.

РДТТ и проблема охраны окружающей среды. Перспективы развития и применения твердотопливных двигателей связаны самым непосредственным образом с проблемой охраны окружающей среды, чему в настоящее время уделяется все большее внимание. Эффективные топлива, используемые в современных РДТТ, в этом отношении представляются далеко не безупречными. Так, например, при каждом пуске аппарата «Спейс Шаттл» в атмосферу должно выбрасываться ~ 1000 т продуктов сгорания твердого топлива, содержащих свыше 100 т газообразного хлористого водорода. Значительная часть этих продуктов сосредоточивается в облаке, которое перемещается горизонтально под действием ветра на высоте ниже 1–1,5 км, причем нижняя часть этого облака находится вблизи земли. Высказывались опасения, что в случае повышенной влажности атмосферы возможно выпадение токсичных, кислотосодержащих осадков из облака на расстояниях до 100 км от стартового комплекса. В прошлом уже наблюдались случаи поражения растительности осадками, образовавшимися вследствие работы крупных РДТТ, на расстояниях в несколько километров. В этой связи особое значение приобретает учет метеорологических условий в районе старта. Высказывалось также опасение, что продукты сгорания РДТТ при частых пусках аппаратов «Спейс Шаттл» могут привести к разрушению озонного слоя верхней атмосферы. (Механизм этого разрушения, носящий каталитический характер, опять-таки связан с хлористым водородом, из которого образуется вследствие фотолиза свободный хлор, воздействующий на озон.) Детальные исследования проблемы не подтвердили этого опасения. Тем не менее были рассмотрены другие топлива, которые при необходимости можно будет использовать вместо принятых.

Что касается сжигания ненужных остатков твердых топлив, то в ряде районов США местные власти уже запретили это делать. В поисках выхода из создавшейся ситуации сделаны обнадеживающие попытки расщепить смесевое топливо на отдельные компоненты (окислитель, горючее-связующее, алюминий). Предложено также использовать остаток алюминия и горючего-связующего или измельченное топливо пр, и изготовлении взрывчатых веществ.

Опасность для окружающей среды представляют не только продукты сгорания РДТТ, но и вещества, вовлеченные в технологические процессы изготовления твердых топлив: асбестовые и другие волокна, органические отвердители и растворители и т. д. В ближайшие 10–20 лет ожидается повышение требований к указанным веществам и процессам в отношении их безопасности, что может привести к удорожанию РДТТ. Однако и это обстоятельство не рассматривается в настоящее время как фактор, могущий оказать отрицательное влияние на развитие и применение РДТТ.

Итак, можно с достаточной уверенностью утверждать, что в обозримом будущем космические РДТТ не утратят своей роли и что рациональное сочетание РДТТ с ЖРД в ракетно-космических системах будет по-прежнему являться важной предпосылкой развития космонавтики. В заключение скажем несколько слов о ближайших перспективах применения космических РДТТ. Они связаны в первую очередь с космическими транспортными системами, разрабатываемыми в США. Эти системы включают многократно используемые «челноки» в сочетании с космическими буксирами и менее мощными ракетными блоками (которые должны использоваться в тех случаях, когда применение буксиров окажется нерентабельным).

В указанных транспортных системах маршевым РДТТ отводится большая роль. Мощные твердотопливные двигатели многократного применения составляют основу первой ступени «челноков», а буксиры и аналогичные им ракетные блоки рассчитаны исключительно на установку маршевых РДТТ. Как полагают, в течение 80-x годов эти аппараты будут основным средством для выведения полезных грузов в космос с территории США.

В то время как США планируют снять с эксплуатации современные РН однократного применения, другие страны продолжат использование и разработку таких ракет. А это означает, в частности, что РДТТ будут по-прежнему применяться в составе различных вариантов РН «Дельта», изготавливаемой в Японии по американским лицензиям. Кроме того, японской космической программой предусмотрено дальнейшее усовершенствование полностью твердотопливных РН, созданных в Этой стране. Разработка и применение подобных РН являются также частью национальной программы Индии. Далее, в рамках европейской космической программы разрабатываются усовершенствованные варианты РН «Ариан», рассчитанные на установку твердотопливных ускорителей. Использование их начнется вскоре после первых эксплуатационных полетов «Ариан». В настоящее время не предвидится каких-либо ограничений для дальнейшего широкого применения РДТТ в качестве бортовых двигателей ИСЗ. Наконец, в обозримом будущем твердотопливные двигатели сохранят свою роль при осуществлении вспомогательных операций в космических полетах.

Примечания

1

О ЖРД см.: В. Н. Бычков, Г. А. Назаров, В. И. Прищепа. Космические жидкостно-ракетные двигатели (Серия «Космонавтика, астрономия», 9). — М.: Знание, 1976.

2

Таким образом, к РДТТ не относятся так называемые сублимационные двигатели, в которых твердое рабочее вещество (например, бикарбонат аммония, гидрид лития) превращается при возгонке в газ, и истечение этого газа в окружающую космическую среду приводит к возникновению тяги. Вполне очевидно, что в сублимационном двигателе химическая энергия рабочего вещества для получения тяги не используется.

3

О «челноках» см.: В. И. Левантовский. Транспортные космические системы. — М.; Знание, 1976.

4

Иногда название «Дельта» применяют только для второй ступени РН, а всю ракету в этом случае называют «Тор—Дельта», поскольку первая ступень ее является модифицированной баллистической ракетой средней дальности «Тор».

5

Этот двигатель применялся также в 1965–1970 гг. на третьей ступени РН «Дельта», а ранее там применялись другие РДТТ четвертой ступени ракеты «Скаут». Навесные РДТТ ракеты «Дельта» являются вариантами двигателей, использующихся на второй ступени РН «Скаут».

6

По материалам зарубежной печати.

Content

Г. А. Назаров, В. И. Прищепа
КОСМИЧЕСКИЕ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ РДТТ

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ РДТТ

МАРШЕВЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ РДТТ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКИХ РДТТ

Примечания