Герман Назаров - Космические твердотопливные двигатели
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.
