Герман Назаров - Космические твердотопливные двигатели

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] 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». . 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.