Космические твердотопливные двигатели
Шрифт:
С 1968 г. на третьей ступени РН «Дельта» устанавливаются РДТТ серии «Стар-37», созданные на базе тормозного двигателя КА «Сервейер». Они содержат корпуса диаметром 935 мм, изготовленные из титанового сплава, и «утопленные» сопла. Первоначально использовался вариант РДТТ со сферическим корпусом, имевший следующие характеристики: масса 718 кг, включая 653 кг (т. е. 91 %) смесевого топлива полибутадиен — перхлорат аммония — алюминий, максимальная тяга 46,7 кН, удельный импульс 2850 м/с. Работая в течение 44 с, двигатель развивал полный импульс тяги 1860 кН с, соответствующий усредненной тяге 42 кН.
В 1972 г. корпус (и соответственно топливный заряд) РДТТ был удлинен на 362 мм путем введения средней цилиндрической
В этой связи интересно сравнить РДТТ с ЖРД. Если для двигательной установки с ЖРД увеличение (сокращение) запаса топлива приводит к соответствующему увеличению (сокращению) продолжительности работы двигателя, а тяга его остается неизменной, то для РДТТ наблюдается противоположный эффект. Таким образом, тягу РДТТ можно менять в значительных пределах путем простого изменения длины. топливного заряда. В этом отношении «гибкими» являются секционные РДТТ (подобные рассмотренным ранее SRM и UA-1205): варьируя число секций, можно легко получать двигатели разной тяги.
Завершая обсуждение вопросов, связанных с двигателями РН «Дельта», отметим, что в 1977–1978 гг. были созданы новые варианты РДТТ серии «Стар-37», в которых реализованы многие из последних достижений в области твердотопливных двигателей. Теперь же мы переходим к рассмотрению космических РДТТ, созданных во Франции.
РДТТ ракеты-носителя «Диамант». Твердотопливные двигатели устанавливались на второй и третьей ступенях этой РН, при помощи которой было запущено Несколько французских ИСЗ в 1965–1975 гг. (на первой ступени ракеты использовался ЖРД). «Диамант» является единственной РН, созданной во Франции. Подобно американским, эта РН подверглась ряду усовершенствований, направленных на повышение мощности.
В последнем варианте «Диамант» применялись односопловые РДТТ с короткими стеклопластиковыми корпусами диаметром 1,5 (вторая ступень) и 0,8 м (третья ступень), в которых содержалось соответственно 4 и 0,685 т смесевого топлива. В первом из этих РДТТ предусмотрено управление вектором тяги за счет впрыска в сопло фреона, что позволяет контролировать полет ракеты в плоскостях тангажа и курса. Этот двигатель работает 62 с на постоянном уровне тяги 180 кН. Соответствующие параметры для РДТТ третьей ступени «Диамант» составляют 46 с и ~ 30 кН (усредненная величина). Подобно РДТТ второй ступени, этот двигатель содержит неподвижное сопло с графитовой горловиной, однако в нем нет устройств для управления вектором тяги.
Из рис. 1, на котором был представлен данный РДТТ, видно, что в его топливном заряде имеется центральный круглый канал с поперечными щелями. Такая конфигурация заряда обеспечивает неизменную поверхность горения и соответственно постоянную тягу двигателя в процессе работы. Точные размеры внутренней полости заряда обеспечиваются механической обработкой.
На топливо приходится 91 % от полной массы двигателя, и оно имеет следующий состав: 60 % перхлората калия, 21 % полиуретана, 19 % алюминия (приведены скругленные значения). Применение этого сравнительно малоэффективного топлива позволило получить удельный импульс РДТТ лишь около 2730 м/с. Для РДТТ второй ступени РН «Диамант» (где также использовалось полиуретановое топливо) этот параметр еще меньше — примерно 2680 м/с.
Следует отметить, что двигатели ракеты «Диамант» не отражают в полной мере успехи Франции в области РДТТ. Так, например, в баллистических ракетах дальнего действия, созданных в этой стране, используются РДТТ с топливными зарядами, масса которых достигает 16 т и время горения 76 с. В 1969 г. одна французская фирма демонстрировала на выставке экспериментальный заряд диаметром 3 м.
Многие современные достижения в области РДТТ реализованы да твердотопливном двигателе, совместно созданном недавно специалистами Франции, Италии и ФРГ для использования в космических аппаратах, начиная с 1980 г. Этот РДТТ с суммарной массой 692 кг развивает полный импульс тяги 1900 кН с и удельный импульс свыше 2890 м/с. Однако прежде чем перейти к двигателям КА, рассмотрим двигатели еще нескольких РН.
РДТТ «Вэксуинг». Этот двигатель, представленный на рис. 11, использовался на третьей ступени английской РН «Блэк Эрроу», при помощи которой в 1971 г. был запущен первый английский ИСЗ «Просперо». Хотя «Вэксуинг» и подобные ему двигатели и не имеют широкого применения, рассмотрение этого РДТТ позволит получить более полное представление о возможных конструкциях космических РДТТ, их особенностях и проблемах, решаемых при их создании.
В РДТТ «Вэксуинг» применяется корпус в виде тонкостенного (0,6–0,8 мм) стального сосуда диаметром 712 мм. В двигателе содержится 312 кг не совсем обычного смесевого топлива. Оно состоит из перхлората аммония (63 %), пикрата аммония (14 %), алюминия (12 %) и горючего-связки на основе пластифицированного полиизобутилена (11 %). Это топливо необычно в том отношении, что изготовление заряда из него сводится к смешиванию указанных компонентов до состояния густой пасты (с плотностью 1,77 г/см3), последующее отверждение которой не производится. При температуре 60 °C топливная масса становится настолько пластичной, что ею можно заполнять под вакуумом корпус РДТТ.
После загрузки в топливо вводится профилированная игла для образования внутреннего канала горения. Созданием соответствующего гидростатического давления обеспечивается плотное прижатие заряда к корпусу, который предварительно покрывается теплоизоляционным слоем (наполненный хлорсульфоновый полиэтилен) и адгезионным составом (нитрильный каучук).
Двигательная установка с РДТТ «Вэксуинг» имеет массу 352 кг (на долю топлива приходится 89 % от этой величины) и работает 37 с, развивая удельный импульс около 2710 м/с. В течение первых 15 с тяга РДТТ постепенно возрастает, достигая ~ 29 кН (при этом давление в камере увеличивается до ~ 2,8 МПа), после чего плавно снижается. Создатели «Вэксуинга» опасались, что пастообразный топливный заряд, достаточно упругий при небольшой нагрузке, «потечет» под воздействием ускорений в процессе работы двигателей первой и второй ступеней РН. Соответствующие эксперименты показали, однако, что опасный уровень перегрузок существенно превышает действительный.
Рис. 11. РДТТ «Вэксуинг»
При создании РДТТ «Вэксуинг» необходимо было предусмотреть возможность его аварийного выключения в случае выхода РН за пределы безопасной зоны полигона. С указанной целью в переднем днище корпуса разместили кольцевой заряд взрывчатого вещества, при, детонации которого в днище вырезается отверстие диаметром около 200 мм. При этом происходит быстрый спад рабочего давления в двигателе, и горение топлива прекращается.
При запуске ИСЗ двигатель «Вэксуинг» включился в апогее промежуточной орбиты и обеспечил перевод спутника на околополярную орбиту. После отделения ИСЗ ракетная ступень продолжала, однако, двигаться вследствие истечения из РДТТ продуктов пиролиза теплоизоляционных материалов, нагретых до высокой температуры. В результате ступень настигла спутник и при столкновении повредила телеметрическую антенну. Этот факт — один из многих «сюрпризов», которые необходимо учитывать при создании и использовании космических РДТТ.