Космические твердотопливные двигатели

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.