Космические твердотопливные двигатели - Герман Назаров

Приведенные рассуждения в значительной мере объясняют широкое применение РДТТ в космонавтике. В пользу РДТТ говорит и то обстоятельство, что при освоенном типе твердого топлива, включая технологию изготовления из него заряда, двигательная установка с РДТТ может быть создана в более короткие сроки, с меньшими затратами средств и, как говорят, с «меньшим риском», чем установка с ЖРД той же тяги. Данные соображения становятся особенно важными, когда речь идет об очень высоких уровнях тяги. Крупнейший твердотопливный двигатель, о котором будет рассказано в разделе о маршевых РДТТ, в 1,7 раза превосходит по тяге наиболее мощные современные ЖРД. При его создании было проведено всего четыре стендовых испытания натурных образцов, при разработке же мощных ЖРД таких испытаний проводится несколько сотен.

Следует отметить, что в США в 1965 г. был испытан на стенде экспериментальный РДТТ с диаметром корпуса 6,6 м. Этот двигатель содержал 730 т топлива и развивал тягу до 26 МН. Создание ЖРД такой же мощности представляет и в настоящее время большие трудности. Таким образом, возможности РДТТ далеко не исчерпаны, и реализация их будет зависеть от потребностей развивающейся космонавтики.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ РДТТ

В настоящее время эти двигатели широко используются в системах аварийного спасения (САС) и мягкой посадки космических кораблей, для управления полетом КА, в системах разделения ступеней и сброса головных обтекателей РН, для раскрутки студеней РН и т. д. Их широкое применение прежде всего вызвано простотой конструкции, быстротой срабатывания и высокой надежностью, что особенно важно при спасении экипажей пилотируемых космических кораблей в аварийных ситуациях

Например, РДТТ с вспомогательными функциям нашли применение в первой полностью твердотопливной РН «Скаут» (с 1960 г.). В РН «Скаут» четвертая ступень стабилизировалась вращением (для раскрутки этой ступени применялись 4 РДТТ тягой по 0,18 кН). В дальнейшем сфера использования вспомогательных РДТТ в космонавтике расширилась: от РДТТ с тягой в несколько ньютонов (например, для раскрутки и ориентации спутников) до сотен килоньютонов (для систем аварийного спасения космических кораблей). В этом разделе мы рассмотрим наиболее характерные примеры установки вспомогательных РДТТ на ракетах-носителях и космических аппаратах.

РДТТ систем аварийного спасения и мягкой посадки советских космических кораблей. «Восток». Поскольку основная опасность грозила космонавту на старте и при посадке, были приняты меры по оснащению корабля специальными системами безопасности. Особенности спасения на старте при взрыве и пожаре на РН, которые носят быстротечный характер, потребовали создания автоматики включения средств спасения. Эта. автоматика в определенной последовательности вводила в действие пиротехнические средства отстрела крышки-люка корабля и включала два РДТТ, укрепленных на катапультируемом кресле с космонавтом. РДТТ обеспечивали удаление космонавта из очага пожара на расстояние в несколько сотен метров. После этого вводилась в действие парашютная система посадки.

В отличие от американского космического корабля «Джемини», где катапультируемые кресла с РДТТ использовались только как средства спасения космонавтов в аварийных случаях, на корабле «Восток» катапультирование можно было использовать и при посадке. В этом случае на высоте около 7 км сбрасывалась крышка-люк спускаемого аппарата (по сигналам от бародатчиков) и производилось катапультирование космонавта. После этого вводился в действие тормозной парашют, а затем открывался основной. Спускаемый аппарат имел и независимую парашютную систему, которая включала вытяжной и основной парашюты.

Из шести запусков кораблей «Восток» все прошли успешно, и посадка осуществлялась в заданном районе, что подтвердило высокую надежность РН и космического корабля, а также большую эффективность мероприятий, направленных на обеспечение безопасности полетов.

«Восход». Этот ТИП корабля значительно отличался от своего прототипа — корабля «Восток». Убедившись в высокой надежности последнего, конструкторы отказались и от громоздкого и тяжелого катапультируемого кресла. Изменилась также и система посадки. Она теперь включала следующие операции: на высоте около 5 км отстреливалась крышка парашютного контейнера и вводилась в действие парашютная система, когда скорость снижения спускаемого аппарата уже уменьшилась за счет торможения в атмосфере до 220 м/с. Примерно через 6 мин корабль достигал поверхности Земли, и перед касанием с грунтом включалась тормозная двигательная установка с РДТТ, которая снижала скорость приземления практически до нуля.

Использование РДТТ мягкой посадки началось с 1964 г. при полете корабля «Восход-1».

«Союз». Для быстрого покидания зоны пожара или взрыва, когда экипаж находится в спускаемом аппарате в режиме проверок бортовых систем, на корабле «Союз» предусмотрена специальная аварийная система покидания старта. Эта система аварийного спасения (САС) корабля «Союз» стала применяться с 1967 г., с появлением более усовершенствованного варианта трехступенчатой РН «Восток». САС может вводиться на конечном этапе предстартовой подготовки, когда обслуживающий персонал уже покинул стартовую позицию, а фермы обслуживания РН и космического корабля разведены. С помощью этой системы корабль уводится из аварийной зоны на высоту, достаточную для отделения спускаемого аппарата и введения в действие парашютной системы посадки.

Двигательная установка САС корабля «Союз» представляет собой установку из РДТТ трех типов (см. рис. на первой странице обложки). В верхней части системы расположен многосопловой РДТТ отделения САС и обтекателя, защищающего корабль от аэродинамического нагрева во время прохождения ракетой плотных слоев атмосферы. Непосредственно к обтекателю крепится основной РДТТ (тяга 750 кН, масса топливного заряда 1 т) с 12 соплами, развернутыми под углом 30° к продольной оси РН. Под обтекателем этого двигателя находятся четыре РДТТ управления, которые обеспечивают разворот и увод спускаемого аппарата и орбитального отсека корабля в сторону от опасной зоны,

В результате срабатывания САС корабль может подниматься на высоту до 1200 м и отбрасываться от места старта на расстояние до 3 км (в зависимости от направления ветра).

РДТТ нашли применение в системах приземления космического корабля «Союз» (наряду с парашютной системой). Посадка спускаемого аппарата происходит так. Непосредственно у Земли, за 10 мин до посадки, отделяется уже ненужный передний теплозащитный экран, закрывающий двигатели мягкой посадки, расположенные в лобовой части спускаемого аппарата. При этом экипаж начинает готовиться к приземлению и взводится система амортизации кресел, в которых группируются космонавты. У самой Земли, на высоте около 1 м, включается шесть РДТТ мягкой посадки (тяга несколько килоньютонов, масса заряда РДТТ 9 кг, время работы доли секунды). Эти двигатели окончательно гасят скорость, с которой спускаемый аппарат снижается на парашюте (примерно 7–8 м/с), практически до 0 м/с.

РДТТ систем аварийного спасения американских космических кораблей. «Меркурий». На первом американском космическом корабле в случае аварии на старте и на начальном участке выведения использовалась система аварийного спасения с РДТТ, который обеспечивал увод корабля на высоту до 760 м. Затем с помощью парашютной системы корабль мог осуществлять посадку на воду. Твердотопливный двигатель САС корабля «Меркурий» (рис. 5) мог создать максимальную перегрузку до 30 g и развивать тягу 230 кН в течение ~ 1 с. РДТТ устанавливался так, чтобы равнодействующая тяги, развиваемой его тремя соплами, была смещена относительно центра масс корабля для обеспечения отделения корабля в поперечном направлении относительно траектории полета РН.

После отделения корабля от РН на безопасное расстояние предусматривался сброс фермы с РДТТ увода, уже выполнившим свою задачу. Для этого предназначался другой РДТТ (тоже с тремя соплами), который мог развивать тягу 3,6 кН в течение 1,5 с. При нормальном ходе полета САС сбрасывалась на определенной высоте, а РН с кораблем продолжали полет.

В практике пилотируемых полетов космического корабля «Меркурий» САС не использовалась. Однако было осуществлено срабатывание этой системы во время первого запуска экспериментального (непилотируемого) космического корабля «Меркурий» (25 апреля 1961 г.), выведенного на орбиту со специальной установкой («роботом») на борту, имитирующей дыхание, температуру, и речь человека. РН была подорвана по команде с Земли через 30 с после старта, но перед подрывом САС отделила корабль, который опустился на парашюте на воду и был подобран вертолетом через 25 мин после запуска. Этот случай на практике доказал целесообразность использования РДТТ в системах аварийного спасения космических кораблей.