Space Exploration Technologies

ЖРД на двухкомпонентном топливе

К основным преимуществам двигательных установок с ЖРД на однокомпонентном топливе относится их сравнительная простота и, следовательно, высокая конструктивная надежность. В определенном диапазоне значений суммарного импульса тяги (т. е. произведения тяги на суммарное время работы) эти двигательные установки обладают и весовыми преимуществами перед другими реактивными системами. По мере увеличения потребного суммарного импульса тяги оказываются выгодными ЖРД на двухкомпонентном топливе в связи с их более высоким удельным импульсом. Кроме того, для работы этих ЖРД не требуется катализатор, в большой степени определяющий динамические характеристики рабочего процесса и ограничивающий ресурс двигателя.

В настоящее время вспомогательные ЖРД на двухкомпонентном топливе получили не меньшее применение в космонавтике, нежели двигатели на монотопливе. , Их создание в большой степени было ускорено разработкой программ пилотируемых космических полетов. Они сыграли, в частности, большую роль в осуществлении программы "Аполлон". В ракетно-космической системе "Сатурн-5-Аполлон" применяется 52 вспомогательных космических ЖРД четырех типов с тягой от 34 до 68 кг. Они работают на всех этапах космического полета, начиная с запуска корабля "Аполлон" к Луне и кончая возвращением астронавтов на Землю.

Расположение вспомогательных ЖРД реактивной системы управления служебного отсека космического корабля "Аполлон":
1 - отсек экипажа; 2 - служебный отсек; 8 - вспомогательные ЖРД

На рисунке показаны ЖРД R-4D фирмы Марквард, установленные на корпусе служебного отсека корабля. Этот отсек имеет 4 автономные подсистемы управления со своими топливными баками и баллоном со сжатым газом для подачи топлива. Вспомогательные ЖРД сгруппированы в 4 блока. Каждый такой блок весит 18 кг и состоит из 4 крестообразно расположенных ЖРД типа R-4D.

Указанные двигательные блоки являются частью соответствующих подсистем управления, которые почти идентичны и образуют в совокупности систему, обеспечивающую ориентацию и стабилизацию служебного отсека и корабля в целом, маневры отсека и другие операции. Работа подсистем согласована между собой, что необходимо для равномерной выработки топлива. Надежное управление космическим кораблем обеспечивается даже в случае выхода из строя отдельных элементов системы, включая отказ подсистем.

Двигатели R-4D применялись и в системе управления лунным отсеком корабля "Аполлон". Эта система также содержит 4 блока ЖРД, однако двигатели распределены между двумя автономными подсистемами по восемь двигателей в каждой. В случае необходимости вспомогательные ЖРД можно переключить на питание от топливных баков основной двигательной установки.

Реактивная система управления лунного отсека установлена на его взлетной ступени и обеспечивает отделение лунного отсека от служебного, ориентацию, стабилизацию и маневрирование, а также другие операции. Кроме того. двигатели системы управления обеспечивают определенное приращение скорости взлетной ступени в случае преждевременного выключения основного двигателя.

ЖРД R-4D работает на топливе аэрозин-азоттетроксид или монометилгидразин-азоттетроксид и развивает тягу 45 кг при давлении в камере сгорания около 7 атм. Двигатель весит 2,3 кг, высота его - 34 см, диаметр - 16,5 см. ЖРД состоит из камеры и установленных на ней соленоидных клапанов окислителя и горючего. В конструкции двигателя насчитывается всего 70 деталей.

Выходной участок реактивного сопла ЖРД изготовлен из нержавеющей стали, остальная часть корпуса камеры - из молибденового сплава и покрыта изнутри противоокислительным керамическим составом (дисилицид молибдена). Камера рассчитана на радиационное охлаждение в сочетании с охлаждением защитной пленкой горючего и работает при температуре газов 1150°С, что существенно ниже температуры, соответствующей получению максимального удельного импульса. Пониженная температура, обеспечивающая надежность камеры, достигается путем подбора определенного соотношения расходов горючего и окислителя.

ЖРД R-4D может функционировать как в непрерывном режиме тяги, так и в импульсном. При осуществлении программы "Аполлон" было использовано 400 таких двигателей, суммарная наработка которых составила 9 ч, а число включений - примерно 750 тыс. Для отдельных образцов ЖРД (на разных этапах полета) общая продолжительность работы превышала 7 мин, частота импульсов достигала 30 в 1 с при длительности импульсов 0,01 с, число включений составляло 35 тыс.

При столь большом числе включений ЖРД необходима строгая оценка эффективности использования топлива, расходуемого двигателем за один рабочий цикл. Неэкономное использование топлива в процессе включения и выключения ЖРД (т. е. при переходных режимах работы) может привести к существенному снижению его удельного импульса и, следовательно, к необходимости увеличения запасов топлива на борту космического аппарата, а в конечном счете к уменьшению доли полезного груза.

Характер включения и выключения ЖРД определяется в большой степени его конструкцией. При проектировании ЖРД, работающих в импульсном режиме, необходимо стремиться к достижению максимальной скорости (минимального времени) срабатывания управляющих клапанов и минимального объема полостей между клапанами и рабочей зоной камеры сгорания (это желательно и по другим причинам).

Быстродействие управляющих клапанов ЖРД R-4D (время их срабатывания меньше 0,01 с) обеспечивается наличием в конструкции каждого из них всего лишь двух подвижных деталей (штока и пружины) малой массы. Минимальный объем упомянутых полостей достигается установкой клапанов непосредственно в смесительную головку (так что она является одновременно частью конструкции клапанов) и принятой схемой охлаждения камеры.

Однако полностью исключить неэкономное использование топлива в процессе запуска и выключения ЖРД не удалось (это невыполнимо в связи с самим характером рабочего процесса). Удельный импульс К-40 при работе в непрерывном режиме тяги составляет 2750 м/с, в импульсном режиме - 1960 м/с; удельный импульс за все время работы (в среднем) - 2160 м/с.

При функционировании ЖРД в импульсном режиме в конструкции его камеры обычно появляются микротрещины, вызванные характером ее нагружения. Развитие этих микротрещин ограничивает ресурс двигателя. При выборе для стенки камеры ЖРД R-4D в качестве покрытия дисилицида молибдена была учтена его способность к "заживлению" микротрещин. Этот эффект достигается образованием в области трещин двуокиси кремния, предохраняющей конструкционный материал стенки камеры от окисления.

R-4D является примером универсального ЖРД. Он применялся не только в космическом корабле "Аполлон", но и в АМС "Лунар орбитер" (одна из американских лунных программ), а также при полетах по программе "Скайлэб". В АМС "Лунар орбитер" двигатели R-4D, установленные в карданных подвесах, выполняли функции, свойственные как вспомогательным, так и основным двигателям.

А теперь несколько слов о ЖРД SE-8 фирмы Рокетдайн. 12 таких двигателей используются на корабле "Аполлон" в реактивной системе управления отсеком экипажа. ЖРД работает на топливе монометилгидразин-азоттетроксид и развивает тягу 42 кг. Камера рассчитана на абляционное охлаждение в сочетании с охлаждением пленкой горючего и работает при той же примерно температуре, что и камера ЖРД R-4D. В минимальном сечении камеры установлен вкладыш из жаропрочного материала на графитовой основе. Максимальный удельный импульс ЖРД SE-8 составляет 2650 м/с.

Двигатели R-4D и SE-8, о которых мы рассказали, относятся к числу самых крупных вспомогательных ЖРД, работающих на двухкомпонентном топливе. Из самых малых двигателей можно назвать ЖРД западногерманской фирмы Мессершмитт-Белкоф-Блом, использующийся в системе ориентации связного спутника "Симфония" (рассчитан на эксплуатацию в течение пяти лет). Этот двигатель весом 160 г работает на том же, что и SE-8 топливе и развивает тягу в 1 кг при максимальном удельном импульсе 2870 м/с.