Космические твердотопливные двигатели

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.