Space Exploration Technologies

Кислородно-водородные ЖРД

Кислородно-керосиновое топливо, на котором работают описанные выше двигатели РД-107, РД-108, Р-1, широко применяется в космических ракетах. С освоением этого топлива скорость реактивной струи ЖРД достигла и превысила 3000 м/с. Большое значение для дальнейшего развития космонавтики имело создание в середине 60-х годов ЖРД, работающих на кислородно-водородном топливе, которое по удельному импульсу примерно на 30% превосходит кислородно-керосиновое.

Хотя кислородно-водородное топливо было предложено еще в 1903 г. Циолковским, оно не находило применения в течение длительного времени по причинам, связанным со специфическими свойствами водорода. Жидкий водород, как известно, в 14 раз легче воды и закипает уже при температуре 20 К. Смеси водорода с воздухом являются чрезвычайно пожаро- и взрывоопасными. Например, энергия электростатического разряда, который мы иногда ощущаем, прикасаясь к дверной ручке, в десятки и сотни раз больше энергии, необходимой для воспламенения воздушно-водородной смеси. В связи с этим получение дешевого жидкого водорода в большом количестве представлялось проблематичным, конструирование и эксплуатация систем жидкого водорода относились к сложным техническим задачам, а топливные баки для жидкого водорода получались слишком тяжелыми.

В настоящее время кислородно-водородное топливо применяется на верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером этого является универсальная ступень "Центавр", используемая на космических ракетах семейств "Атлас" и "Титан-3", а также вторая и третья ступени ракеты "Сатурн-5". Топливные баки этих ракетных ступеней, предназначенные для размещения жидкого водорода, представляют собой гигантские термосы, металлические стенки которых покрыты теплоизолирующими полимерными материалами. На рисунке показана в качестве примера теплоизоляция, использующаяся в баках ракеты "Сатурн-5". В этой изоляции предусмотрены каналы, через которые при нахождении ракеты на старте подается газообразный гелий с целью удаления из изоляции взрывоопасных газов, которые могут там накопиться.

Стенка топливного бака жидкого водорода (вторая ступень ракеты "Сатурн-5"): 1- силовая оболочка (алюминиевый сплав); 2, 5 - клеевой слой; 3 - каналы для прохода гелия; 4 - сотовая конструкция (полиуретановый материал); 6 - найлонофеиольный стой; 7 - герметизирующее покрытие (синтетический материал тедлар)

Теплоизоляция утяжеляет конструкцию кислородно-водородных ступеней. Поскольку кислородно-водородное топливо втрое легче кислородно-керосинового, то оно требует при той же массе втрое большего объема для своего размещения. В итоге вес конструкции ракетной ступени, приходящийся на 1 кг топлива, оказывается для кислородно-водородного топлива на 40% большим, чем для кислородно-керосинового. Этот недостаток с избытком компенсируется высоким удельным импульсом кислородно-водородных ЖРД. При равной стартовой массе космическая ракета на кислородно-водородном топливе способна вывести на орбиту втрое больший полезный груз, чем ракета на кислородно-керосиновом топливе. Применение этого топлива на верхних ступенях ракеты "Сатурн-5" позволяет выводить на низкую круговую геоцентрическую орбиту до 140 т, а на траекторию полета к Луне - до 48,5 т полезного груза.

Наряду с высокой эффективностью кислородно-водородные топлива имеют ряд других достоинств, среди которых следует отметить низкую температуру сгорания (на 200°С ниже, чем для кислородно-керосинового топлива) и нетоксичность как самого топлива, так и продуктов его сгорания (которые представляют собой смесь водяного пара с газообразным водородом).

Теперь остановимся на кислородно-водородных ЖРД RL10 и .J2, применяющихся соответственно на ступени "Центавр" и на верхних ступенях ракеты "Сатурн-5".

Принципиальная схема ЖРД RL-10: 1 - насос горючего; 2 - трубопроводы горючего; 3 - насос окислителя; 4 - турбина; 5 - камера

Двигатель RL10, разработанный фирмой Пратт-Уитни, развивает тягу 6,8 т. Из принципиальной схемы двигателя, представленной на рисунке, видно, что он является однокамерным ЖРД с насосной подачей топлива. Однако в отличие от других ЖРД с турбонасосными агрегатами в RL10 отсутствует газогенератор: турбина вращается газом, который образуется при нагреве жидкого водорода в охлаждающем тракте камеры. Температура газообразного водорода составляет всего -70°С; после турбины он поступает в камеру, где сгорает с жидким кислородом при давлении около 28 атм (воспламенение смеси производится от электрической искровой свечи). Температура конструкции в начальный момент оказывается достаточной, чтобы обратить водород в газ, обеспечивающий раскрутку турбины. Простая принципиальная схема ЖРД КЫО объясняется исключительно высокими термодинамическими характеристиками водорода.

По величине удельного импульса, которая равна 4360 м/с, RL10 является наилучшим ЖРД. На ступени "Центавр" установлены два таких двигателя на карданных подвесах. Эта ступень широко применяется для запуска автоматических межпланетных станций. В 1972 г. ракета "Атлас" со ступенью "Центавр" впервые сообщила космическому аппарату (АМС "Пионер-10" для исследования Юпитера) третью космическую скорость. Начиная с 1965 г. в космических полетах было использовано более 100 двигателей RL10 без единого отказа.

Кислородно-водородный двигатель J2, разработанный фирмой Рокетдайн, развивает тягу 104 т. Он является однокамерным, с насосной подачей топлива и имеет ту особенность, что для окислителя и горючего предусмотрены отдельные турбонасосные агрегаты, каждый из которых состоит из насоса и турбины. На два агрегата предусмотрен один газогенератор, в который поступает около 2% топлива, расходуемого через двигатель. Образующийся газ приводит во вращение последовательно обе турбины, после чего сбрасывается в сопло трубчатой камеры через щели между трубками, по которым протекает горючее. Включение и выключение ЖРД производится (как и в RL10) при помощи клапанов, управляемых газообразным гелием. Раскрутка турбонасосных агрегатов при запуске осуществляется газообразным водородом, поступающим из специального баллона.

При давлении в камере сгорания 55 атм двигатель .1-2 развивает удельный импульс 4170 м/с. ЖРД весом 1600 кг крепится к ракете неподвижно или на карданном подвесе. На второй ступени ракеты "Сатурн-5" установлено пять таких двигателей, на третьей - один.