Досить
одному щаблі
Ольга Рубан
В останні
роки ринок космічних запусків перестав розширюватися. Одна з головних причин --
висока вартість виведення корисного навантаження на орбіту. Що й казати,
космічна індустрія працює більш ніж нераціонально - заради одного польоту в
космос знищується дорога багатоступенева ракета-носій. Однією з
найдорожчих складових ракети є двигуни - при відкиданні кожній
ступені «згоряють» мільйони доларів.
Останні
рік-два Європа і особливо США активно намагаються знайти спосіб здешевлення
запусків. Зокрема, за рахунок розробки двигуна, який міг би
використовуватися багаторазово. Буквально тиждень тому ряд російських та
західноєвропейських двигунобудівних компаній вирішив об'єднати зусилля заради
створення нового ракетного двигуна, одним з головних достоїнств якого
стане багаторазовість: відпрацювавши покладений ділянку, двигун буде
повертатися назад на Землю спускається на спеціальному апараті. Проект
розрахований на десять-п'ятнадцять років, передбачається, що на нього доведеться
витратити не менше 1,2 млрд євро (про введення євро див. статтю «Євро - нова
валюта »- Прим. НиТ). Тим часом прототип багаторазового двигуна, що дозволяє в
кілька разів скоротити вартість космічного запуску, давно створений в нашій
країні.
Навіщо
спалюють ступені
З часів
перший космічних запусків ракети-носії різних країн і фірм-виробників
конструюються за одним принципом: всі вони складаються з декількох ступенів,
які послідовно, один за одним, виконують своє завдання, а потім
відкидаються. Цей «принцип етажерки» для виведення корисного вантажу на
космічні орбіти запропонував ще Костянтин Ціолковський, і йому до цих пір вірні
всі ракетобудівники. Чим же пояснюється така однаковість?
Справа в тому, що
умови польоту ракети на навколоземному ділянці й у відкритому космосі істотно
відрізняються, а отже, різні і вимоги до двигунів, які,
власне, є основним вмістом нижніх ступенів ракети-носія (плюс
баки з паливом і система управління). Двигун першого ступеня повинен
забезпечити максимально можливу тягу, щоб відірвати величезну стартову масу
від Землі і вивести її в верхні шари атмосфери. Таке завдання найбільш ефективно вирішується
з використанням палива підвищеної щільності - у більшості вітчизняних
рідинних двигунів першого ступеня згоряють кисень і гас. Сопло такого
«Навколоземного» двигуна порівняно короткий. Навколоземний ділянку польоту
закінчується через 130 ... 180 секунд, і від двигуна другого ступеня потрібно вже
зовсім інша - висока питома імпульс тяги для розгону ракети до першого
космічної швидкості. З цим найефективніше справляється паливо, що складається
з кисню та водню. Сопло цього двигуна набагато довше, оскільки
тепер за бортом вакуум і тиск газового струменя в момент закінчення з сопла
повинно бути якомога менше.
Виходить, що
двигуни нижніх ступенів будь-якої сучасної ракети-носія служать всього
кілька хвилин, про їх загибелі оповіщає бадьорий голос коментатора в ЦУП: «Є
відділення енної щаблі! ». Так що немає нічого дивного в тому, що ще в
середині 70-х років минулого століття найкращі уми провідних космічних держав
захопила ідея створити універсальний двигун, який міг би однаково
ефективно забезпечувати політ ракети і на «навколоземному», і на «космічному»
ділянці її траєкторії. Це дозволило б істотно вдосконалити
конструкцію ракети, зробивши її одноступеневою.
Минуло тридцять
років. За кордоном в цьому напрямку зробили, схоже, холостий оборот, і сьогодні
прототип єдиного в світі універсального ракетного двигуна стоїть в цеху
НВО «Енергомаш» імені академіка В. П. Глушко в підмосковних Хімках. Тутешні
фахівці не тільки знайшли і експериментально підтвердили цілий ряд
технічних рішень, завдяки яким новий агрегат поєднує в собі якості
двигунів першого і другого ступенів, а й пішли далі. Вони зробили його
багаторазовим, що дозволяє помітно здешевити космічні запуски і в майбутньому
створити повертається ракету-носій або багаторазову аерокосмічну систему,
позбувшись таким чином від полів падіння, зон відчуження і інших небезпек.
Универсальное
сопло
«Ми вирішили
реалізувати цю ідею на вже відпрацьованих технологіях, - розповів «Експерт» перша
заступник генерального директора і генерального конструктора НВО «Енергомаш»
професор Володимир Чванов. - Тому новий двигун увібрав у себе
конструктивні рішення, які вже були випробувані на сімействі
киснево-гасових двигунів для «Зеніту» і «Енергії» (йдеться про
двигунах РД-171 і РД-170, причому РД-170 - найпотужніший у світі маршовий
двигун багаторазового використання. - «Експерт »)».
У результаті
вийшов двигун, який на перший погляд нічим не відрізняється від
що використовувалися до цих пір традиційних ЖРД. Однак він один вміє працювати в
двох режимах: спочатку як двигун першого ступеня, при цьому в камері згоряння
спалюються традиційні для «навколоземного» ділянки кисень (81,4%) з гасом
(12,6%), і до них ще додається водень (6%), а потім як двигун другу
ступені: цього разу у тій же камері згоряння спалюються які довели свою
ефективність на «космічному» етапі польоту кисень (86%) та водень (14 %).
Сміливість
вітчизняних конструкторів полягала в тому, що в першому режимі вони зважилися
одночасно подати в одну камеру згоряння три різних компоненти і спалити їх
разом. (До цього часу ні однієї двигунобудівного фірмі світу не вдавалося
цього зробити, одночасно домігшись сталого режиму горіння.)
«Добавка відразу
в першому режимі невеликої кількості водню, який є основним
паливними компонентом другому режиму, необхідна для того, щоб потім плавно
перейти з першого режиму на другу », - пояснив начальник відділу технічної
інформації «Енергомаш» Володимир Судаков. Інакше довелося б вносити в процес
горіння подвійне обурення: одночасно припиняти надходження в камеру
згоряння гасу і «включати» подачу водню.
Добавка
водню в першому режимі дозволила на 23% підвищити одну з ключових характеристик
двигуна - питома імпульс: з 337 секунд (питома імпульс ракетного
двигуна вимірюється в секундах) в традиційних киснево-гасових ЖРД до
415 секунд. Більш того, в ході випробувань прототипу двигуна несподівано
з'ясувалося, що завдяки додаванню водню повнота згоряння традиційної
паливної суміші кисень плюс гас збільшилася і практично стала дорівнює ста
відсоткам.
Поява в
перший режимі третього паливного компонента зажадало від конструкторів
створити нову форсунку (одне з головних ноу-хау проекту). Форсунка - це
коротка трубочка, у якій крім основного каналу є ще вузькі канальчики
в стінках для того, щоб різні компоненти палива надходили в камеру згоряння
окремо один від одного. Форсунки-трубочки впритул один до одного наставлені над
камерою згоряння і всі разом утворюють змішувальну голівку. Якщо подивитися
знизу, через сопло, вони дуже нагадують стільники, тільки не з шестигранними, а з
круглими осередками. Наприклад, в новій модифікації двигуна РД-107 для першого ступеня
ракети «Союз» таких форсунок більше 900 штук.
До цих пір в
техніці використовувалися тільки двокомпонентні форсунки. Для нового ж
двигуна необхідно було, не змішавши по дорозі, впорснути в камеру згоряння
одночасно три різні компоненти. При цьому впорскується вони повинні суворо
певним чином, щоб, кажучи спрощено, поруч із кожною молекулою,
наприклад, гасу виявилося точно розраховане кількість молекул кисню і
водню - тільки в цьому випадку відбудеться необхідна хімічна реакція.
Саме від цього залежить якість процесу горіння і, як результат, освіта
тяги.
Наступна
технічна задача, яку вперше у світовій практиці мали вирішити
фахівцям НВО «Енергомаш», - припинити після закінчення першого режиму
надходження гасу в камеру згоряння (цього вдалося домогтися установкою
особливих клапанів на тракті подачі гасу) і забезпечити стійкий перехід з
перше, трикомпонентному, режиму на другу, двокомпонентний.
Для того щоб
новий двигун можна було використовувати для одноступеневою ракети, була
розроблена конструкція «універсального» сопла, яке, як уже говорилося
вище, спочатку має бути коротким, а потім довгим. Тут російські
фахівці вирішили взяти на озброєння вже випробувану за кордоном конструкцію
розсувного сопла. Спочатку нижня частина дзвони сопла піднята нагору,
утворюючи як би другий стінки для його верхній частині, а після переходу двигуна
на другому режим цей широкий обід, виготовлений, до речі, не з металу, а з
особливих композиційних матеріалів, опускається і пристроюється знизу, тим самим
подовжуючи сопло.
Рис. 1. Схема
подачі палива в камеру згоряння трикомпонентному двигуна РД-704 (ліворуч).
Двокомпонентні відцентрові (тангенціальні) форсунки (праворуч)
П'ятдесят
вогневих випробувань прототипу нового двигуна показали, що всі завдання вирішені на
«Відмінно». Перспективний трьохкомпонентних дворежимний ЖРД отримав найменування
РД-704. Використовувати двигун можна буде десять-п'ятнадцять разів. За оцінкою
професора Чванова, поєднання переваг нового двигуна - його багаторазовості
і можливості виводити корисне навантаження в космос на ракеті що повертається, у
якої взагалі не буде відкидати частин, - дозволить знизити вартість
космічних запусків в рази.
З нами
дешевше
Біда
енергомашевского творіння в тому, що воно, схоже, випередила свій час. У
середині 90-х у Сполучених Штатах були проведені демонстраційні випробування
зменшеною у п'ять разів копії «ракети майбутнього» - одноступеневою Delta-Clipper,
яка після злету зі стартового столу урочисто опустилася на нього
назад. Цим експериментом була підтверджена можливість створення повертається
ракети. Її посадкою у вертикальній площині можна буде керувати шляхом зміни
тяги двигунів, а в горизонтальній - за рахунок відхилення їх камер. Зрозуміло, що
у такої ракети не може бути відкидаємо ступенів, і єдиний можливий
варіант для неї - багаторазовий двигун, ефективний однаково як у
навколоземному просторі, так і в космосі.
За словами
Володимира Чванова, як двигун для подібної багаторазової системи серед
інших варіантів розглядався і новий дворежимний двигун НВО «Енергомаш».
У 1994 ... 1995 роках фахівці «Енергомаш» на замовлення американців
розробляли відповідний проект, але потім Штати відмовилися від послуг
російських двигунобудівників і засекретили свої роботи в цій області. За
Як видно, тоді їм так і не вдалося створити в цьому напрямку нічого
такого, про що було б не соромно оповістити світ.
Наприкінці 2000
року NASA (National Aeronautics and Space Administration) знову активізувало
роботи зі створення багаторазового космічного носія. Зокрема, у рамках
програми SLI (Space Launch Initiative), на яку протягом найближчих п'яти
років передбачається витратити близько 5 млрд доларів, перед корпорацією Boeing
поставлено завдання розробити основу перспективного багаторазового носія RLV
(Reusable Launch Vehicle), а компанія Rocketdyne (підрозділ Boeing) повинна
розробити рухові установки для нього. Паралельно NASA оголосило конкурс
проектів багаторазових ракет нового покоління. Європейське космічне
агентство, побоюючись відстати від США, теж звернулося до теми створення
багаторазового універсального двигуна. Однак поки справа застопорилася на
стадії концептуальних суперечок про те, які для нього вибрати паливні
компоненти.
Зараз
вартість рухових установок складає близько 40% вартості всього
ракетного комплексу. «Багаторазовий двигун завжди дорожче одноразового, так
як він складніше. Наш новий двигун буде коштувати дорожче одного одноразового
двигуна (наприклад, киснево-гасовий двигун РД-180, який
«Енергомаш» виробляє для американських ракет AtlasIII, коштує близько 10млн
доларів. - «Експерт»), але дешевше двох - з першого і другого ступенів », --
говорить професор Чванов.
Однак для
того, щоб прототип перетворився на повноцінний двигун, «Енергомаш» потрібні
інвестиції. Сума необхідних вкладень мінімізована за рахунок використання в
новому двигуні в основному вже давно освоєних виробництвом елементів і
відпрацьованих технологій і наближається до 230млн доларів. Для порівняння: на
розробку «традиційного» водневого двигуна першого ступеня європейської
ракети Ariane5 знадобилося вісім років і близько 1 млрд. доларів. У не меншу
суму свого часу обійшлося створення не дуже вдалого багаторазового
киснево-водневого двигуна SSME для американської системи SpaceShuttle
(розробники досі змушені постійно займатися його доведенням та удосконаленням).
Здається,
що прагматичні американці і європейці, якщо вони, звичайно, матимуть успіх у
створення космічних носіїв нового покоління, можуть прийти до висновку, що
простіше, швидше, а головне, дешевше профінансувати доведення двигуна в Росії,
ніж винаходити його самим. Тим більше, що один раз американці так вже
надійшли: у 1996 році вони визнали оптимальним варіантом поставити на свої нові
тоді ракети AtlasIII наш РД-180.
Таблиця. 1.
Характеристики базових вітчизняних двигунів
(джерело:
НВО «Енергомаш»)
Двигун
Ракета-носій
Тяга на землі/в порожнечі, тс
Питома імпульс тяги на землі/в
порожнечі, с
Компоненти палива: окислювач/пальне
Тиск в камері згоряння, кгс/см2
Маса, кг
Габарити: висота/діаметр, м
РД-107
Перший ступінь РН «Союз»
83/102
256/313
Кисень/гас
60
1190
2,86/1,85
РД-108
Другий ступінь РН «Союз»
76/96
250/316
Кисень/гас
52
1625
2,86/1,85
РД-119
Другий ступінь РН «Космос»
-/10,76
-/352
Кисень/НДМГ
80
170,5
2,17/0,96
РД-120
Другий ступінь РН «Зеніт»
-/85
-/350
Кисень/гас
166
1125
3,87/1,95
РД-170
Перший ступінь РН «Енергія»
740,0/806,4
309/337
Кисень/гас
250
10750
4,0/4,0
РД-180
Перший ступінь РН Atlas III (США)
390,2/423,4
311,3/337,8
Кисень/гас
261,7
5330
3,58/3,20
РД-191
Перший ступінь сімейства РН «Ангара»
196,0/212,6
310,7/337,0
Кисень/гас
263,4
2200
4,00/1,45
РД-214
Перший ступінь РН «Космос»
64,8/74,4
230/264
HNO3/ТМ-185
44,5
645
2,38/1,50
РД-251
Перший ступінь РН «Циклон»
241,2/269,7
269,6/301,4
N2O4/НДМГ
85
1729
1,70/2,52
РД-253
Перший ступінь РН «Протон»
150,3/166,7
285/316
N2O4/НДМГ
150
1080
3,0/1,5
РД-704
1-й режим
200
415
Кисень/гас + водень
300
2000
5,0/2,3
2-й режим
81
461
Кисень/водень
122
2000
5,0/2,3
Список
літератури
Болонкін А.А.
НАСА (NASA): Досягнення та перспективи. Нит, 2002.
Рекорди в науці
і техніці. Ракети та космічні кораблі, космічні польоти. Нит, 2002.
Радченко
С.Г., Лапач С.М. Інформаційне забезпечення створення авіаційної техніки в
роботах НТУУ «КПІ» та АНТК ім. О.К. Антонова. Нит, 2002.
