Герман Назаров - Космические твердотопливные двигатели

В последние годы достигнут существенный прогресс и в области теплоизоляционных материалов: созданы и получают применение композиции, характеризующиеся повышенной эрозионной стойкостью при пониженной (на 10–15 %) плотности (например, пластики с наполнителями из микросфер, неплотного углерода).

Следует также отметить большие успехи в создании эффективных систем и органов управления вектором тяги РДТТ, которые характеризуются высокой надежностью, быстродействием, малым потреблением энергии, небольшой массой и не приводят к заметным потерям удельного импульса РДТТ (обусловленным нарушением газового потока в сопле и отклонением реактивной струи). Примером таких управляющих органов являются эластичные подшипники, использующиеся, например, в РДТТ, о котором рассказывалось на стр. 34, или так называемые жидкостные подшипники, особенностью которых является наличие кремнийорганической жидкости, заполняющей замкнутое пространство вокруг горловины сопла, в месте качания. При отклонении сопла (при помощи приводов) эта жидкость перетекает из одной полости в другую, так что суммарный объем, занимаемый ею, остается неизменным. Такая конструкция позволяет отклонять сопло со скоростью 40 град/с, прилагая весьма малое усилие.

Многие из последних достижений в области РДТТ реализуются в конструкции твердотопливных двигателей, разрабатываемых для космического буксира IUS. Этот аппарат, полное название которого в переводе с английского означает «Инерциальная верхняя ступень», будет выводиться на низкие околоземные орбиты при помощи МТКК «Спейс Шаттл» или РН типа «Титан-3». Конструкция IUS основана на использовании двух базовых РДТТ-модулей: большого и малого, параметры которых представлены в таблице, приведенной на стр. 57.

Анализируя параметры двигателей IUS, приведенные в таблице, следует особо отметить, что номинальная продолжительность работы большего из них (152 с) является рекордной для современных РДТТ. На рекордном уровне находится и величина относительной массы топлива для этого двигателя — 94,6 %; таким образом, на конструкцию приходится около 5 % от массы снаряженного РДТТ.

Параметры РДТТ космического буксира IUS

Параметр Большой РДТТ Малый РДТТ Высота, м 2,97 1,90 Диаметр корпуса, м 2,31 1,61 Полная масса, кг 10 250 2910 Относительная масса топлива, % от полной 94,6 93,3 Полный импульс тяги, кН с 27 900 7760 Максимальная тяга, кН 266 106 Время работы, с 152 106 Удельный импульс, м/с 2863 2841

Такие рекордные показатели могут быть улучшены при применении в корпусах РДТТ конструкционных пластиков на основе высокотемпературных смол, способных работать при температурах 650–700 К. Это позволит снизить массу теплоизоляции. В дальнейшем также можно ожидать применения теплоизоляционных материалов на основе медленно горящих твердых топлив. С целью снижения массы конструкции РДТТ исследуется возможность намотки пластиковых корпусов непосредственно на топливные заряды без использования технологических оправок. В случае успеха этих работ не только станут ненужными соединительные крепежные детали, но и упростится процесс изготовленияРДТТ.

В дополнение к использующимся системам управления вектором тяги в космических РДТТ может найти применение также газодинамическая система (принцип работы которой изложен на стр. 36), усовершенствованная за счет использования продуктов сгорания, отводимых из камеры самого РДТТ, в качестве управляющего газа. Основная трудность здесь состоит в создании клапанов, могущих работать в среде высокотемпературногогаза.

Значительным техническим достижением является создание в последние годы сопел изменяемой формы. Выходная (расширяющаяся) часть их состоит из нескольких сегментов, при перемещении которых сопло раздвигается наподобие телескопической трубы или раскрывается подобно зонтику. В числе ближайших областей применения таких конструкции рассматриваются верхние ступени РН и космические аппараты. До включения РДТТ их сопла будут находиться в сложенном положении, что позволит значительно сократить размеры и массу переходных отсеков ракет. В результате масса полезного груза может быть увеличена в той же степени, что и при повышении удельного импульса РДТТ на 100–250 м/с. Сопла изменяемой геометрии выгодно применять и в двигателях первых ступеней РН: постепенное раскрытие их по мере подъема ракет обеспечит расширение реактивной газовой струи до давления, близкого к окружающему, а это является условием получения максимального удельного импульса.

Хотя РДТТ и прост по своему устройству, его надежная работа возможна лишь при строгом соблюдении хорошо отлаженных технологических процессов, используемых в изготовлении двигателя. Наряду с усовершенствованием этих процессов ведется поиск средств и методов, гарантирующих надежный контроль качества изготавливаемых РДТТ. Последней новинкой в этой области является электронное сканирующее устройство, в состав которого входят источник излучения высокой энергии, приемный экран и чувствительная телекамера. Применением такого устройства достигается контроль качества РДТТ по всей поверхности корпуса с регистрацией результатов на видеоленту.

Новые области применения РДТТ.До настоящего времени твердотопливные двигатели мало применялись на борту космических аппаратов, совершающих полеты к другим планетам. Одна из причин того, почему РДТТ почти не используются при выводе КА с межпланетных траекторий на околопланетные орбиты, состоит в чрезмерном ускорении, которое сообщалось бы конструкции и аппаратуре конкретных КА при работе РДТТ. Необходимо, таким образом, чтобы двигатель развивал небольшую тягу в течение довольно продолжительного времени. В этом направлении в последние годы достигнут значительный прогресс, и становится возможным создание эффективных РДТТ, функционирующих в течение 250 с. Требуемый невысокий уровень тяги обеспечивается, в частности, достижением (за счет подбора определенного состава и отработки технологии изготовления заряда) очень малой скорости горения топлива (порядка 3 мм/с), поддержанием низкого рабочего давления в камере (0,7 МПа и менее), а также горением заряда по торцевой поверхности.

Эти и другие достижения в области РДТТ, о которых рассказывалось выше, открывают возможности для более широкого применения твердотопливных двигателей как в ближнем, так и в дальнем космосе. Проектные проработки показывают, например, что РДТТ может оказаться вполне подходящим двигателем для старта аппарата с образцом грунта с марсианской поверхности.