"Магеллан" с ВИС для вывода на траекторию полета к Венере и твердотопливным двигателем STAR 48B для перевода на эллиптическую орбиту вокруг планеты покинул грузовой отсек КЛАМИ "Спейс шаттл".
«Аэрокосмическая техника» 1991 №2, с. 77-84
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1989. Все права сохраняются.
1) Aerospace America, 1990, No. 7, pp. 48 — 51, 89. Перевод В. Ф. Мартынюка.
Твердотопливые двигатели играют важную роль в космических программах США со времен проекта "Фарсайд", когда был выведен в открытой космос на 434,4 км небольшой оборудованный приборами объект. Запущенный с аэростата на высоте 30 480 м, этот космический зонд использовал четыре ступени силовых установок из 10 твердотопливных двигателей. Пять из них изготавливались фирмой Thiokol Recruits, а другие пять — фирмой Grand Central Lokis. Проект "Фарсайд" был осуществлен через 18 сут после вывода с использованием жидкостного ракетного ускорителя на околоземную орбиту первого советского ИСЗ 4 октября 1957 г. — события, открывшего космическую эру.
С тех пор и поныне основным преимуществом твердотопливных ракетных двигателей является концентрация необходимой энергии в меньшем объеме по сравнению с жидкостными ракетами. Наряду с простотой, более низкой ценой и воспроизводимостью характеристик эта более высокая плотность импульса объясняет привлекательность твердотопливных ракетных двигателей для многих космических приложений. Тормозные твердотопливные ракетные двигатели использовались в пилотируемых полетах по программам "Меркурий" и "Джемини" и беспилотных полетах по программам "Рэйнджер", "Сервейер" и "Дискавери". До возвращения на землю космонавтов, выполнявших полет по программе "Аполлон", когда торможение осуществлялось с помощью жидкостного ракетного двигателя, все космические аппараты, экспериментальные установки, кассеты с кинопленкой возвращались с орбиты с использованием тормозных твердотопливных двигателей.
Твердотопливные двигатели играли также важную роль в межпланетных программах. Последними ускорителями аппаратов "Пионер -10" и "Пионер-11" и "Вояджер-1" и "Вояджер-2" — единственных аппаратов, покинувших солнечную систему, — были двигатели STAR 37E, изготовленные фирмой Thiokol. Твердотопливные двигатели обеспечат добавочное ускорение на орбите аппаратов "Галилей" на его пути к Юпитеру и "Магеллан", когда он будет вблизи Венеры.
Помимо того что "Магеллан" является первой более чем за десятилетие программой, целью которой является достижение другой планеты, это — первый межпланетный зонд, запуск которого предусмотрен с КЛАМИ "Спейс шаттл". С использованием твердотопливных двигателей (Orbus-21 и Orbus-6E) производства фирмы United Technologies верхняя инерциальная ступень (ВИС) фирмы Boeing ускоряла "Магеллан" на его траектории к Венере, а твердотопливный двигатель STAR 48B фирмы Thiokol переведет 14 августа космический аппарат на эллиптическую орбиту вокруг планеты, что позволит ему приступить к радиолокационной картографии планеты. ВИС вывела "Галилей" на траекторию к Юпитеру с такой точностью, что не потребовалось дополнительной коррекции в полете. В конце этого года твердотопливная ракета типа использованной в программе "Магеллан" выведет аппарат "Уилисс" на траекторию, с которой можно будет изучать полярные области Солнца.
В течение последних 30 лет твердотопливные двигатели в космосе используются прежде всего для орбитального перехода и вывода космических кораблей на орбиту с геостационарной высотой 35 880 км. Для твердотопливных двигателей различных производителей (United Technologies, Aerojet, Hercules, Grand Central и
"Магеллан" с ВИС для вывода на траекторию полета к Венере и твердотопливным двигателем STAR 48B для перевода на эллиптическую орбиту вокруг планеты покинул грузовой отсек КЛАМИ "Спейс шаттл". |
Когда спутник выведен на низкую околоземную орбиту с помощью КЛАМИ "Спейс шаттл" или другого ракетоносителя, для изменения орбиты спутника в целях удовлетворения требований полета требуются затраты большого количества энергии. Для многих спутников необходима геостационарная орбита. Это означает, что их первоначальная, близкая к круговой, орбита должна быть растянута до переходной геосинхронной орбиты за счет короткого включения двигателя в перигее, что переведет спутник на сильно вытянутую эллиптическую орбиту. С этой орбиты в свою очередь спутник должен переводиться на круговую орбиту за счет работы двигателя в апогее. Так как масса двигательных систем, необходимых для изменения орбит, может составлять большую долю массы спутника, наилучшими являются двигатели с малой массой и высокой концентрацией энергии, допускающие более широкое изменение конструкции спутника.
Конструкция многих ракетных двигателей для орбитального переноса базируется на конструкторских разработках 20— и даже 30-летней давности. И хотя эти двигатели хорошо апробированы и надежны, их характеристики можно значительно улучшить за счет использования более современных технологических разработок.
Толчком к разработке усовершенствованных твердотопливных двигателей орбитального перехода послужили работы по программе перехватчика космического базирования (ПКБ) в НИЦ Astronautics Lab ВВС, который инициировал разработку новых двигателей. Новые двигатели могут быть лучше и эффективнее. Это могут быть гибридные двигатели, использующие сочетание жидкого и твердого топлив. В перспективной концепции нового двигателя предусматривается, что топлива для работы в перигее и апогее будут находиться в общем корпусе и иметь общее сопло.
В большинстве сегодняшних двигателей для орбитального перехода используются корпуса, изготовленные либо из титановых сплавов, либо из композитных материалов с намотанными волокнами, такие, как кевлар-эпоксид или s-стекло-эпоксид. Уже изготовлены гораздо более легкие и надежные корпуса двигателей из материалов с намотанными волокнами — графит-эпоксид с прочностью волокон (Т-1000 и Т-1000 GB) более чем 56 кг/см2. Композиты с такими хорошими характеристиками обладают значительными преимуществами перед оболочками из титановых сплавов просто потому, что из процесса исключается достаточно продолжительное время для производства штамповок. Кроме того, для производства металлических корпусов требуется более продолжительный цикл, включающий сложную механическую обработку штамповок до тонкостенных составляющих, сварку, тепловую обработку и точную механическую сборку.
При производстве и обработке корпусов двигателей из высокопрочных композитов могут потребоваться более толстые стенки. Но даже с такими толстыми стенками они будут весить меньше, чем сегодняшние металлические и композиционные корпуса двигателей того же размера и выдерживающие те же давления. Кроме того, повышение давления в камере сгорания допускает использование горловины сопла уменьшенного размера при определенных уровнях тяги и сопел с большей степенью расширения, что улучшает характеристики двигателя при заданных длинах сопла и площадях сечения среза сопла.
 Масса реактивной системы, необходимой для перевода с низкой околоземной орбиты на геостационарную орбиту, может составлять значительную часть массы космического аппарата. |
Во многих современных двигателях используются сложные слоистые углерод-углеродные конусы сопла. Эти конусы первого поколения дают значительный выигрыш в массе по сравнению с углерод-фенольными, но требуют контурной обработки как внешней, так и внутренней поверхности. Легкие углерод-углеродные конусы второго поколения имеют плетеную структуру, образующую внутреннюю и внешнюю поверхности. Эти конусы не требуют главной конечной обработки, причем окончательная толщина стенки будет 1,5-2,0 мм. Затраты труда при их производстве также будут гораздо меньше, чем в случае существующих конусов.
Другое новшество, уменьшающее массу сопла, — это связывание в одно целое горловины сопла и выходного конуса. Используя процесс уплотнения углерод-углерода, в результате которого получается высокоплотный материал в горловине сопла и более низкоплотный в диффузоре, оптимизируется масса и эрозионная стойкость сопла. Компоновка в единое целое позволяет также удерживать при изготовлении вставку горловины сопла повышенной эрозионной стойкости с помощью шаблона диффузора. При этом выдерживается контур внешней поверхности вставки с помощью шаблона связываемого выходного конуса.
Эрозия вставки горловины сопла приводит к потере удельного импульса, так как во время горения уменьшается степень расширения сопла. Использование неэродирующих горловин улучшает характеристики двигателя. В качестве материала горловины сопла проверена армированная керамика с покрытием, которая может оказаться наилучшим материалом для определенных топлив и времен работы двигателя. Еще один способ уменьшить габариты двигателя орбитального перехода — это складывание надставки выходного конуса, которая развертывается горючими газами при зажигании двигателя. Присоединенное вблизи плоскости среза конуса расширения сопла, это устройство может вкладываться внутрь выходного конуса перед зажиганием. Продемонстрировано множество оригинальных проектов для этих очень тонких устройств из ниобиевых сплавов, которые при развертывании значительно увеличивают степень расширения сопла.
Другой способ, с помощью которого можно улучшить характеристики космических двигателей, — это усовершенствованная конструкция расходуемого выходного конуса (expendable exit cone, EEC). В ВИС ВВС в настоящее время используются двигатели Orbus 6E с EEC, который увеличивает степень расширения сопла с 50:1 до 180:1. В этой конструкции два вкладных усеченных конуса, являющиеся частями общего выходного конуса, переводятся в кормовую часть с помощью электромеханических ланжеронов расширения хвостовой части. Космические двигатели будущего должны содержать конусы уменьшенной массы и системы развертки, которые дадут еще большие степени расширения.
Новые материалы для наполнителей, такие, как кевлар, уже заменили асбесты более ранних бронировок с каучуком в качестве наполнителей и показали великолепную стойкость к эрозии. В настоящее время разрабатываются легкие наполнители, такие как пластиковые микросферы, и материалы для матрицы, чтобы
 В этой конструкции Orbus 6E два вкладных усеченных углерод-углеродных конуса, служащие частями общего выходного конуса, переводятся в кормовую часть с помощью электромеханических ланжеронов расширения хвостовой части. |
Системы безопасности и развертывания современных двигателей орбитального перехода — это тяжелые дорогостоящие устройства со сложной электромеханикой с блокированием вращающихся частей. К их преимуществам относятся продемонстрированная ими высокая надежность и устойчивость к радиационному воздействию. Инициаторы из полупроводниковых мостов в сочетании со всеми электронными устройствами безопасности и развертывания потенциально способны снизить массу и стоимость таких систем. Использование волоконно-оптических линий и пиропатронов с лазерным инициированием также поможет сделать двигатель меньше и безопаснее. Пиропатроны должны полностью изолироваться от внешних электростатических разрядов или электромагнитного излучения, которые могут вызвать их несанкционированное воспламенение или отказ. Уже демонстрировались лазеры, напрямую воспламеняющие материалы вторичных зарядов. Свет передается по волокнам к каждому индивидуальному пиропатрону. Такие устройства упрощают конструкцию пиропатронов, поскольку позволяют исключить из нее мосты и всю электронику.
Работа твердотопливного ракетного двигателя будущего может обеспечиваться за счет использования гибридной реактивной тяги, когда используются основные преимущества жидкостных и твердотопливных двигателей в силу применения твердого горючего и жидкого окислителей. Твердое горючее может быть почти любым, начиная с используемых в настоящее время каучука, плексигласа и алюминированного НРТВ (полибутадиен с гидраксильными окончаниями) до разрабатываемых для будущего применения в космосе высокоэнергетических горючих. Окислитель также может меняться в широких пределах: от хорошо хранящихся жидкостей, таких, как тетроксид азота, до криогенного жидкого кислорода. При этом легко достигается удельный импульс от 330 до 350 с, а на некоторых гибридах пройден весь диапазон до 400 с.
Горючее гибридного двигателя горит не так, как твердое ракетное топливо. По мере нагревания за счет горения поверхность гибридного горючего испаряется, а газообразные продукты смешиваются с поступающим в камеру сгорания окислителем. Это приводит к тому, что горение происходит вдали от поверхности горючего, а не на ней. А это значит, что наличие пористых включений и трещин в горючем не влияет на давление в камере или регрессию заряда гибридного горючего, которые случаются в твердотопливных двигателях и чреваты катастрофическими последствиями.
Кроме того, заряды гибридного горючего инертны, а значит, безопасны при производстве и обращении. А так как заряды горючего безопасны в обращении, подготовка запуска также упрощается. Испытания показали, что разрыв бака окислителя гибридной системы не вызывает катастрофического взрыва. Жидкий окислитель просто гасит продукты горения и ограничивает давление в камере и тягу.
 Заряды топлива могут изготавливаться в виде пластин, которые укладываются в камеру до набора требуемой массы. Такая укладка применялась в гибридной реактивной системе Firebolt фирмы United Technologies, которая использовалась как беспилотная мишень. |
Еще одно преимущество гибридов связано с возможностью изготовления заряда горючего в виде пластин, которые могут просто складываться в камере до тех пор, пока не наберется необходимая масса заряда. Никакой связи между пластинами не требуется. Укладка слоев в системе заряжания уже используется в оперативном самолете Firebolt, который сейчас применяется в качестве беспилотного самолете-мишени. Гибриды допускают использование всего лучшего, что есть в системах снаряжения. Высокий удельный импульс помогает улучшить характеристики и уменьшить размеры. Высокая плотность импульса также способствует уменьшению размера. Бак жидкого окислителя должен располагаться так, чтобы с максимальной пользой использовать весь свободный объем. Можно провести прямое сравнение с системой "Центавр" (Centaur G-Prime). Для вывода одинакового полезного груза на гелиостационарную орбиту гибридные двигатели уменьшают длину двигательных систем ня 40%, освобождая место для полезного груза.
Гибридные двигатели можно запускать и останавливать, чего нельзя делать с твердотопливными. Горение в гибридном двигателе прекращается при закрытии клапана подачи жидкого окислителя. Так как заряд горючего инертен, повторное воспламенение шашки за счет действия обратного излучения факела сопла на горючее невозможно. Повторное воздействие системы газового воспламенения позволит перезапустить двигатель. Этот режим уже был продемонстрирован в 1969 г. на гибридном двигателе с шестью циклами запуска/остановки. Гибридные двигатели находятся в сфере внимания конструкторов более 20 лет, и интерес к ним начал расти. Новые материалы компонентов оборудования и усовершенствованные подходы к твердым топливам и жидким окислителям открывают сейчас новые привлекательные возможности, которые должны быть использованы.
Проведено большое количество исследований по высокоэнергетическим топливам для космических систем, особенно по использованию бериллия и гидрида бериллия для ПКБ. Бериллий повышает удельный импульс почти на 20 с. В переводе на нагрузку это означает увеличение полезной массы на 10-20%. Использование гидрида бериллия увеличивает удельный импульс еще на 20 с с соответствующим дальнейшим увеличением полезной массы.
Все большее внимание привлекают к себе чистые топлива. Оксиды металлов и соляная кислота ставят вопросы опасного загрязнения, особенно для наступающей эпохи космических станций. Продолжаются работы над составами топлив, использующих энергетические связки с нитратом аммония в качестве окислителя и нитроаминов с целью достижения приемлемого уровня энергии в малозагрязняющих топливах.
Твердотопливные ракеты за 30 лет продемонстрировали высокую надежность и хорошие характеристики. При значительном улучшении топлив, эффективности методов производства, новых материалов, а также при повышенной надежности и более низкой цене за счет использования методов тотального управления качеством (Total Quality Management) орбитальным твердотопливным ракетным двигателям можно гарантировать успех до тех пор, пока будет продолжаться освоение космоса.