Space Exploration Technologies

Перспективы развития космических ЖРД

В планах дальнейшего освоения космоса жидкостно-ракетным двигателям отводится большая роль. Мощные ЖРД, рассчитанные на экономичное использование высокоэффективных топлив, по-прежнему находятся в центре внимания специалистов. Доказательством тому является разработанный фирмой Рокетдайн кислородно-водородный двигатель SSME с тягой свыше 200 т, предназначенный для транспортного космического корабля "Спейс Шатл". Этот двигатель в отличие от прежних кислородно-водородных ЖРД функционирует на всем участке разгона космического аппарата:от старта до вывода на околоземную орбиту. Давление в камере ЖРД 55МЕ превышает 200 атм.

Развитие криогенной техники наряду с достижениями в области теплоизоляционных материалов в скором времени сделает целесообразной разработку для космических аппаратов основных и вспомогательных ЖРД, работающих на криогенных топливах и развивающих высокий удельный импульс. В этой связи большой интерес представляет смесь жидкого водорода с твердым, так называемый шугообразный водород. С заменой жидкого водорода твердым возрастает плотность ракетного топлива и в несколько раз снижаются потери водорода за счет испарения.

Большое внимание уделяется также разработке ЖРД" рассчитанных на использование новых, более эффективных топлив. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в создании ЖРД с тягой в несколько тонн, работающих на топливах, содержащих фтор - самый сильный из известных окислителей. Фтор-водородное топливо превосходит кислородно-водородное примерно на 5% по удельному импульсу и вдвое по плотности. В ряде случаев еще больший эффект может дать использование фторных топлив, в которых окислителем являются фтор, моноокись фтора или механические смеси фтора с кислородом (флоксы), а горючим - гидразин, аммиак, диборан или легкие углеводороды (например, метан). Эти топлива обеспечивают удельный импульс, примерно на 10% меньший, нежели обеспечивает кислородно-водородное топливо, однако плотность их столь же высока, что и кислородно-керосинового топлива; кроме того, они лучше сохраняются в условиях космического полета, нежели топлива, содержащие водород.

Однако освоение фторных топлив требует решения многочисленных проблем, связанных с химической природой фтора. Этот продукт исключительно агрессивен. Он реагирует почти со всеми органическими и неорганическими веществами с выделением большого количества тепла, часто вызывающего воспламенение. При определенных условиях фтор вступает в реакцию даже с инертными газами. Многие металлы реагируют с фтором даже при комнатной температуре и при незначительном нагреве (при сильном же нагреве в атмосфере фтора горят все металлы). В струе фтора сгорают асбест, стекло, песок и бетон; пожар, начавшийся в результате воздействия фтора, потушить очень трудно. Фторные окислители и продукты сгорания фторных топлив относятся, к сожалению, к числу самых токсичных продуктов, опасных для человека и окружающей среды.

Химическая агрессивность фтора значительно сужает круг возможных конструкционных материалов для ЖРД, рассчитываемых на использование фторных топлив. Внутренние поверхности металлических элементов конструкции, соприкасающиеся с фтором, должны подвергаться операции пассивирования, которая заключается в обработке поверхностей газообразным фтором с целью нанесения защитной пленки фторидов. Внутренние поверхности элементов не должны иметь пор, микротрещин, заусенцев и других дефектов, поскольку они могут вызвать возгорание конструкции. Использование фторных топлив в ЖРД осложняет задачу создания надежно охлаждаемой камеры, поскольку при сгорании этих топлив развивается чрезвычайно высокая температура (например, для топлива фтор-аммиак она на 700°С выше, чем для топлива кислород-керосин, и достигает 4100°С).

В то же время, несмотря на трудность освоения фторных топлив, успехи, достигнутые в этой области в течение последнего десятилетия, дают основания считать, что в ближайшие годы фторные ЖРД найдут применение на верхних ступенях ракет, предназначенных для перевода автоматических космических аппаратов на другие орбиты и для разгона их к планетам. Фторные ЖРД рассматриваются в качестве перспективных двигателей и для космических кораблей, которые будут способны совершать длительные полеты к планетам.

В числе возможных компонентов топлив для будущих ЖРД рассматривается также озон, являющийся более сильным окислителем, нежели кислород. Озон в сочетании с водородом обеспечивает теоретически более высокий удельный импульс, чем топливная пара фтор-водород. Однако озон является чрезвычайно взрывоопасным продуктом, в сильной степени склонным к самопроизвольной детонации, и, следовательно, проблема получения и использования озона в большом количестве еще ждет своего решения.

Повышение характеристик двухкомпонентных жидких топлив может быть достигнуто и за счет добавки к ним в качестве третьего компонента легких металлов. Наибольший интерес среди таких металлсодержащих топлив представляют композиции фтор-водород-литий и кислород-водород-бериллий, обеспечивающие в принципе получение удельного импульса около 5000 м/с, близкого к предельному для существующих молекулярных топлив. Столь высокий удельный импульс можно объяснить упрощенно большим количеством тепла, выделяющимся при сгорании металлов в кислороде и фторе, и малым молекулярным весом водорода, воспринимающего выделившееся тепло.

Для создания экономичных двигателей, работающих на металлсодержащем топливе, необходимо решить многочисленные проблемы, к которым относятся: разработка надлежащих методов производства и хранения топлива; организация подачи топлива в камеру двигателя; обеспечение в камере полного сгорания топлива с последующим эффективным разгоном продуктов сгорания. Существенным недостатком двух упомянутых металлсодержащих топлив является их малая плотность, обусловленная высоким содержанием водорода (они в 4 раза легче кислородно-керосинового топлива).

Наряду с освоением новых ракетных топлив проводится поиск технических принципов, обеспечивающих дальнейшее усовершенствование ЖРД по экономичности, габаритам и массе. В этом отношении возможности принятых в современных ЖРД схем и конструктивных решений ограничены. Дело в том, что выигрыш в удельном импульсе и габаритах ЖРД, достигаемый увеличением давления в камере, с ростом давления становится все менее ощутимым, а трудности создания ЖРД все более возрастают. Существенное увеличение давления в камере свыше 200-250 атм оказывается малоэффективным и труднореализуемым.

Макет ЖРД с соплом внешнего расширения (США)

В связи с этим большой интерес вызывают ЖРД с соплом внешнего расширения (рисунок). Своему названию такие ЖРД обязаны тем, что в них газовый поток обтекает реактивное сопло камеры снаружи, а не течет внутри сопла, как в обычных ЖРД. Сопло внешнего расширения представляет собой профилированное тело, сужающееся по направлению газового потока, похожее на конический или призмообразный сосуд с дном. Камера сгорания на рисунке имеет вид кольца, охватывающего сопло. Внутри сопла располагаются все другие элементы конструкции ЖРД, включая турбонасосный агрегат. Отработанный газ турбины выбрасывается наружу через отверстия в дне сопла. При старте ракеты реактивная струя вначале прижата к соплу атмосферным давлением, а затем по мере подъема ракеты расширяется в стороны. Поскольку газовый поток при обтекании сопла расширяется до давления, близкого к окружающему, то при полете ракеты сопло работает постоянно в режиме, соответствующем максимальному удельному импульсу, что является значительным преимуществом сопла внешнего расширения по сравнению с применяющимся. Другим преимуществом сопел внешнего расширения являются их существенно меньшие габариты (они короче обычных сопел в 3-4 раза), что объясняется их газодинамическими характеристиками. Применение сопел внешнего расширения позволяет значительно увеличить удельный импульс и уменьшить габариты ЖРД, не прибегая к увеличению давления в камере свыше 100 атм. К настоящему времени испытаны экспериментальные образцы ЖРД с соплом внешнего расширения, рассчитанные на тягу примерно от 10 до 100 т. Следует сказать, что создание таких ЖРД представляет немалые трудности для конструкторов и технологов.

Разработка космических ЖРД сопряжена с огромными материальными затратами. Стоимость создания этих двигателей достигает многих сотен миллионов долларов, а стоимость серийных образцов часто выражается семизначными числами. Тем не менее столь дорогостоящие изделия вместе с другими элементами ракет и космических аппаратов используются лишь однократно. Исследования проектов транспортных космических систем многократного применения, проводившиеся в течение многих лет, показали, что их создание оправдано экономически лишь при условии частого их использования. Одна из ключевых проблем разработки этих систем состоит в создании мощных эффективных ЖРД, рассчитанных на несколько десятков полетов и на ресурс в несколько часов при малом объеме межполетных регламентных работ. В этих условиях становится необходимой разработка специальной системы технической диагностики состояния ЖРД. В двигателе появляется новый элемент: контрольный блок с малогабаритным счетно-решающим устройством, который управляет работой двигателя и при необходимости подает команду на аварийное выключение.

Таким образом, возможности развития космических ЖРД далеко не исчерпаны. Следует учесть, что мы рассмотрели в основном лишь те перспективы развития, которые связаны с уже начавшимися работами.

В заключение скажем несколько слов о будущем космических ЖРД вообще, учитывая то обстоятельство, что существуют и разрабатываются другие типы двигателей, могущих использоваться в космонавтике.