Space Exploration Technologies

Направления исследований и достигнутые результаты

Прежде всего следует отметить работы, связанные с модификацией существующих или поиском новых твердых ракетных топлив. При этом особое значение придавалось способам повышения характеристик топлив. Разработка топливных составов является сложной задачей, поскольку весьма часто факторы, способствующие улучшению одного качества, выбывают нежелательное изменение другого.

В ближайшие годы возможности повышения удельного импульса РДТТ за счет применения более эффективных топлив представляются довольно ограниченными. Наибольшего прироста этого параметра - порядка 200 м/с (т. е. 7%) можно ожидать от использования металлизированных топлив, содержащих бериллий вместо алюминия. Увеличение удельного импульса в этом случае объясняется снижением молекулярной массы топлива (так как у бериллия она в 3 раза меньше, чем у алюминия) в сочетании с повышением температуры его сгорания. К настоящему времени созданы и испытаны образцы РДТТ, работающие на бериллийсодержащем топливе, однако широкому внедрению его препятствует чрезвычайно высокая токсичность бериллия (и соответственно продуктов сгорания топлива); к тому же бериллий дорог. Так что, по-видимому, указанное топливо найдет применение лишь в сравнительно небольших РДТТ, включение которых предусматривается уже в космосе.

Дальнейший прирост удельного импульса примерно еще на 200 м/с можно было бы получить, используя вместо бериллия его гидрид (ВеН2). Однако этому препятствуют (помимо токсичности) химическая нестабильность соединения ("утечка" водорода при хранении) и трудность приготовления достаточно плотных его составов. Следует заметить, что рассмотренные нами новые металлсодержащие топлива характеризуются при большем удельном импульсе меньшей плотностью (что является недостатком), поскольку по этому параметру бериллий уступает алюминию почти в 1,5 раза, а гидрид бериллия - более чем в 4 раза.

Энергетические характеристики твердых топлив могут быть повышены за счет применений в них более активных окислителей и горючих-связующих. Согласно расчету использование в смесевом топливе перхлората нитрония NO2ClO4 (вместо перхлората аммония, который содержит почти вдвое меньше кислорода) обеспечивает прирос г удельного импульса до 300 м/с. Применению этого нового окислителя препятствуют, однако, его гигроскопичность, плохая совместимость с освоенными связующими и взрывоопасность. С целью снижения чувствительности перхлората нитрония к внешним воздействиям предложено, в частности, обрабатывать его газообразным аммиаком, в результате чего образуется "пассивный" поверхностный слой перхлората аммония. Высокая чувствительность препятствует применению в смесевых топливах и фтораминовых связующих, содержащих атомы F, N, Н; по удельному импульсу такие топлива были бы равноценны модифицированным двухосновным, содержащим октоген.

Теми же способами, что и увеличение удельного импульса, могут быть улучшены другие характеристики твердых ракетных топлив: плотность, механические свойства, стабильность, технологичность. Желательным свойством твердого топлива является его полимеризуемость при нормальной температуре. Это позволяет упростить технологический процесс изготовления РДТТ и используемое при этом оборудование, а также избежать термических напряжений в топливном заряде (которые возникают при полимеризации в условиях повышенных температур). С указанной целью предложены различные катализаторы, с введением которых одновременно улучшаются механические свойства заряда.

Эффективным считается и использование так называемых многофункциональных и комплексных добавок, позволяющих получать твердые топлива с заданным, оптимальным сочетанием свойств. Желаемый эффект может быть также достигнут изменением структуры известных компонентов, применением новых способов их изготовления или обработки, а также изменением химической технологии приготовления топлива.

Для обеспечения длительной работы РДТТ без ухудшения первоначальных характеристик большое значение имеет разработка эрозионностойких конструкционных и теплозащитных материалов, а также методов изготовления деталей из них. В особенности это касается столь напряженной части РДТТ, как горловина сопла. До недавнего времени в горловинах крупных РДТТ, рассчитанных на длительную работу и использование высокоэффективных топлив, применялись кольца из пиролитического графита в сочетании с другими деталями или графитовая ткань, намотанная из ленты. Первая конструкция имеет тенденцию к расслаиванию в процессе работы, а вторая подвергается значительной эрозии.

От этих недостатков свободны созданные недавно сопла, горловины которых изготовлены намоткой материала углерод-углерод (здесь и армирующие волокна, и связующее из углерода), с применением тканей с объемной (трехмерной) ориентацией волокон. Полученные таким образом детали воспринимают одновременно тепловые и механические нагрузки (давление газов). Надежность и высокая эрозионная стойкость новой конструкции подтверждены испытаниями экспериментальных РДТТ. Они показали, что сопло в течение 150 с может успешно противостоять продуктам сгорания смесевого топлива с 18%-ным содержанием алюминия: средняя скорость эрозии горловины не превышает 0,04-0,05 мм/с. Это обстоятельство открывает широкие возможности для использования в РДТТ новых, более эффективных топлив и для увеличения продолжительности работы РДТТ.

Значительная доля (40-50%) массы конструкции РДТТ приходится на корпус. Поэтому повышению прочности конструкционных материалов уделяется большое внимание. Характеристики освоенных металлических сплавов могут быть повышены соответствующей термообработкой. Применению новых металлических сплавов и технологических методов обработки препятствуют, однако, экономические ограничения: следует учитывать, что повышаются не только энергетические параметры РДТТ, но и его стоимость.

Дальнейшие перспективы усовершенствования РДТТ открываются в связи с применением в корпусах РДТТ конструкционных материалов из органопластиков. Эти пластики с армирующими наполнителями в виде органических волокон имеют более высокие механические свойства при меньшей плотности, чем стеклопластики. Удельная прочность уже используемых органопластиков с эпоксидным связующим составляет около 75 км. Предполагается довести в недалеком будущем этот показатель до 90-100 км за счет повышения хврактеристик армирующих волокон и применения лучших смол-связующих. Последним способом можно также повысить сопротивление пластиков межслойному сдвигу и, следовательно, уменьшить размеры и массу соединительных деталей конструкции. Недостатком современных органопластиков является их относительная (по сравнению со стеклопластиками) дороговизна. Однако по мере более широкого применения, этих .материалов их стоимость будет неуклонно снижаться.

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, 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.


Параметры РДТТ космического буксира IUS
ПараметрБольшой РДТТ
Малый РДТТ
Высота, м
2,97
1,90
Диаметр корпуса, м
2,31
1,61
Полная масса, кг
10250
2910
Относительная масса топлива, % от полной
94,6
93,3
Полный импульс тяги, кН·с
27900
7760
Максимальная тяга, кН
266
106
Время работы, с
152
106
Удельный импульс, м/с
2863
2841

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.

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 теплоизоляциойных 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 изготовления РДТТ.

В дополнение к использующимся системам управления вектором тяги в космических РДТТ может найти применение также газодинамическая система 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 высокотемпературного газа.

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 конструкций -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.