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/см³), 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 ?V ? 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 (I_y) 2850 м/с, запас твердого топлива 90 % суммарной массы РДТТ. Воспользуемся известной формулой Циолковского, которую запишем для нашего случая в виде: ?V = I_yln[(М_Т + М_К + М_ПГ)/(М_К + М_ПГ)], где М_Т — масса топлива, М_К — масса конструкции РДТТ, М_ПГ — масса полезного груза (т. е. спутника без учета РДТТ). Подставляя в эту формулу исходные данные, получим следующие (округленные) величины (в килограммах): М_Т = 465, М_К = 50, М_ПГ = 485 (сумма этих чисел составляет 1000). Перемножив далее значения М_Т и I_y, 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».

Примечания:

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».