Твердотопливные ракеты будут играть важную роль при моделировании будущих космических транспортных систем, таких, как усовершенствованная система запуска.
«Аэрокосмическая техника» 1991 №2, с. 70-76
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.
1) Aerospace America, 1990, No. 7, pp. 44 — 47, 90 — 92. Перевод В. Ф. Мартынюка.
Твердотопливные ракеты будут играть важную роль при моделировании будущих космических транспортных систем, таких, как усовершенствованная система запуска. |
К концу XX века специалисты по твердотопливным ракетным двигателям вышли на распутье, где они столкнулись со множеством проблем. Первая и самая главная: США должны внимательно рассмотреть возросшие инвестиции в НИОКР с целью создания прочной технологической базы к наступающему столетию. Проще говоря, государство должно покончить с 20-летней халатностью и развивать технологические методы уменьшения риска, времени развертывания и цены реактивных систем, которые потребуются, чтобы удовлетворить изменяющимся требованиям.
Новые твердотопливные ракетные ускорители необходимы для обеспечения дешевого выхода в космос, модифицированные ступени орбитального перехода — для расширения диапазона работы, характеристик и времени пребывания в космосе и твердые топлива с уменьшенной сигнатурой, высокой энергетикой и меньшей чувствительностью — для будущих реактивных систем тактического оружия. Настоятельная потребность в дешевых средствах доставки в космос потребует, от страны разработки совершенно новых подходов к технологии твердотопливных ракет для больших ускорителей. Необходимо, чтобы новые средства запуска в космос имели низкую стоимость, и как можно более высокую надежность, а выхлоп ракетного двигателя не содержал хлорида водорода, который может повредить озонный слой. Чтобы удовлетворить условиям, вытекающим из тактико-технических требований к тактическим ракетам, потребуются низкосигнатурные факелы выхлопа и системы, в которых внешние воздействия не вызывают нежелательных реакций.
Задача дешевой и надежной доставки в космос быстро стала приоритетной национальной программой для военных, гражданских и коммерческих целей. Прогнозы, касающиеся построения комплексов космической транспортировки, таких, как усовершенствованная система запуска (УСЗ) и будущих коммерческих средств запуска, показывают, что к 2000 г. годовая потребность в выводе на низкую околоземную орбиту полезного груза может возрасти до 2 — 3 млн. кг/год. Твердотопливные ракеты являются конкурентоспособной техникой, удовлетворяющей целям этих будущих систем запуска.
Вопросы технологии, направленные на дальнейшее сокращение производства твердотопливного ракетного ускорителя (ТРУ) и стоимости полета, повышение надежности и уменьшение количества плановых запусков в целях заботы об окружающей среде находятся в поле зрения правительства и промышленных кругов. Твердотопливные двигатели вполне удобны для обеспечения высоких уровней тяги для больших стартовых ракет. Действительно, ТРУ уже используются во всех случаях включения двигателей на орбите (работа двигателя в перигее и апогее) в качестве вспомогательных подъемных двигателей в четырех из пяти стартовых устройств США и в новой конструкции пятого.
Хотя долгосрочные национальные задачи в космосе четко еще не определены, для программ, которые сейчас фондируются и рассматриваются, например программа создания космических станций, СОИ, программа по изучению человека в космических условиях (Human Exploration Initiative), необходимы выгодные грузоподъемные беспилотные пусковые ракеты. Ракетоноситель большой грузоподъемности обеспечивает возможность выполнения обширной программы космических операций, гарантируя в то же время доставку груза в космос. Исследования по выбору концепций проводятся в отношении УСЗ с целью обеспечения этого будущего государственного пускового комплекса возможностями, в которых должны сочетаться прочная инфраструктура, высокая надежность, гибкость и малая стоимость. Твердотопливные двигатели могут помочь в реализации всех этих целей, особенно если будет решено использовать семейство ракет.
Надежность — это такое свойство, которое нужно подтверждать снова и снова. До сих пор в США было осуществлено 447 попыток запуска, из них 413 успешных, что наглядно указывает на общую надежность 92,4%. Общая (для жидкостных и твердотопливных ракет) доля успешных запусков составляет 96,9%, что соответствует 433 успешным запускам из 447 попыток. Доля успешных запусков для жидкостных ускорителей первой ступени составляет 0,988 и 0,984 — для второй ступени. Твердотопливные двигатели имеют уровень надежности 0,988. Таким образом, твердотопливные и жидкостные ускорители демонстрируют по существу одинаковую надежность.
Технология, используемая в настоящее время для выпуска твердотопливных ракетных ускорителей, по существу не отличается от существовавшей 20 лет назад. За счет ее улучшения можно повысить надежность, понизить стоимость и улучшить характеристики. Одна из существующих программ, направленных прежде всего на повышение надежности твердотопливных ускорителей, предполагает разработку дешевых, а не обладающих наилучшими характеристиками и минимальной массой ракетоносителей. Другая программа связана с разработкой концепции тотального управления качеством (Total Quality Management); она сосредоточена на изучении процесса разработки и контроля как междисциплинарном взаимодействии разработчиков, что позволяет услышать "голос заказчика". Третья — это новый подход к надежности, который объединяет разработку с подтверждением надежности. Этот новый подход включает две первые программы, поскольку в нем переосмысливается роль безопасности и системы тотального управления качеством с учетом продукта и процесса разработки.
| В настоящее время твердотопливные ускорители используются во всех орбитальных двигателях и их разработка и усовершенствование продолжаются. |
Ясно, что твердотопливные ускорители в обозримом будущем должны играть главную роль в достижении национальных целей в космосе. Поэтому их следует принять во внимание при создании УСЗ и других усовершенствованных систем ускорителей. Каждую систему запуска необходимо разрабатывать с учетом требований пользователя, управляемости, надежности и стоимости, чтобы определить подходящее сочетание реактивных систем.
В случае тактических ракет, во-первых, появляется требование "низкой сигнатуры", обусловленное требованием большей скрытости будущих военных операций при применении реактивных систем. Во-вторых, ставится задача — достичь большей гибкости в управлении энергией, так как реактивным снарядам и перехватчикам свойственна большая резкость, что предполагает их сверхманевренность. Третье требование — это "нечувствительность" вооружений, включая вновь разрабатываемые ракеты, которая сводит на нет возможность катастрофических аварий в опасной обстановке.
Хотя по всем трем вопросам и достигнут определенный прогресс, до завершения технологических разработок дело не дошло. Если исследования не продолжать, то в опасности окажутся будущие авиационные системы, такие, как усовершенствованные тактические истребители (Advanced Tactical Fighter) и усовершенствованные тактические штурмовики (Advanced Tactical Attack), поскольку дополнительные технологические разработки для тактических вооружений не будут технологически оправданы, если вообще будут проводиться.
Согласно прогнозируемым тактическим сценариям, эффективность оружия будет определяться главным образом возможностью его проникновения или уровнем обнаружения вражеским локатором. Значительные ассигнования были выделены на разработку самолета с малой обнаружаемостью, или малозаметного самолета. Однако боевая эффективность этого самолета может резко упасть, если не разработать проникающее оружие поражения. Необходимо дополнительное финансирование НИОКР по уменьшению сигнатуры факела ракетного двигателя.
Первый подход к ограничению сигнатуры будет связан с изменением состава топлив, несмотря на то что предыдущие попытки уменьшить сигнатуру таким способом дали несущественные результаты. При изменении состава потери в характеристиках слишком велики. Второй, более многообещающий, подход должен быть связан с ограничением факела. Превосходные результаты уже достигнуты на пути уменьшения сигнатуры факела при помощи специальной конструкции шашек топлива. Технология США отстает в этой области, но наши партнеры по НАТО успешно работают в данном направлении.
 В сравнительных запусках двигателей при исследовании характеристик появления/исчезновения пламени показано, что для полученных по усовершенствованной литьевой технологии фирмы Royal Ordnance двухосновных топлив с нитраминным наполнителем можно добиться исчезновения пламени без существенной потери импульса. |
В качестве приоритетной следует выделить и разработку твердых ракетных топлив на основе нитрата аммония ввиду их потенциальных достоинств. Применение нитрата аммония позволит избавиться от хлорида водорода в факеле выхлопа (и значит сделать факел менее опасным для озонного слоя), уменьшая видимые размеры факела и его сигнатуру хлорида в невидимой области. Нитрат аммония также самый дешевый окислитель, но трудности, связанные с его плохим горением, склонностью к увлажнению, переработкой, деформацией и фазовой стабилизацией, требуют применения значительных усилий и ресурсов со стороны исследователей.
Вопреки распространенной точке зрения технология твердых ракетных топлив еще не вполне сформировалась. Хотя в действительности и существуют ограничения энергетического потенциала твердых ракетных топлив, необходимо провести большую работу по разработке высокоэнергетических полимеров и синтетических окислителей. Полный импульс и надежность двигателя еще можно увеличивать за счет использования материалов с более подходящими физическими свойствами: многие из этих материалов могут обладать большей потенциальной способностью уменьшения сигнатуры.
Необходимо также сконцентрировать усилия на разработке топлив и деталей двигателя, предназначенных для работы при высоких давлениях. В случае топлив необходимо уменьшить или вовсе исключить имеющийся излом показателя степени в законе скорости горения. Также необходимо проверить сохранение целостности структуры топлива после нагрузок высокого давления, связанных с воспламенением.
В результате использования в тактических ракетах композитных материалов работа двигателей при высоких давлениях стала реальной, что означает достижение высоких характеристик топлив с низкой сигнатурой. Дальнейшее повышение качества корпусов из композитов может быть достигнуто с использованием волокон высокой прочности и смол улучшенного качества. Необходима дальнейшая проработка таких приемов конструирования композитных корпусов, как применение критериев разрушения оболочки, сетки усовершенствованных элементов и методов укрепления корпуса.
 Композиты все шире и шире используются в двигателях тактических ракет, как в случае этой оболочки из графит-эпоксида с намотанными волокнами для двигателя первой ступени малых межконтинентальных баллистических ракет. |
Процесс переработки топлива также нуждается в усовершенствованиях. Полимеризующиеся без ограничений топлива позволяют понизить стоимость производства и повысить его безопасность за счет уменьшения вызванного тепловой нагрузкой напряжения в топливе. Полимеризующиеся без ограничений топлива откроют дорогу применению непрерывного литья и автоматизированным процессам производства. Однако необходимы дальнейшие исследования по разработке непрерывного смешения. Бронировка, которую можно напылять на заряд, также облегчит эту требующую интенсивного труда операцию, уменьшит стоимость производства и позволит лучше контролировать качество.
Непрерывная разработка передовых материалов крайне необходима для твердотопливных ракет. Такие материалы не только понизят стоимость ракет, в которых они используются, но и улучшат характеристики, и повысят надежность за счет уменьшения массы и увеличения безопасности и термостойкости. Композитные корпусы двигателей будут способствовать уменьшению сигнатуры за счет увеличения давления в камере. Они могут также уменьшить массу двигателя тактических ракет, сглаживая при этом чувствительность ракетного двигателя к опасным внешним воздействиям. Однако высокая стоимость корпуса двигателя из композиционного материала (в 5-10 раз больше стоимости стального или алюминиевого корпуса) сдерживает их широкое применение. Новые усилия по улучшению характеристик двигателя потребуют разработки дешевых композитных корпусов. Особый интерес будут представлять прессованные композитные кольца, цилиндры, изготовленные путем обертывания лентой или намоткой волокон, полимеризующиеся под действием ультрафиолетового излучения смолы и корпуса, изготовленные прямо на топливе. В этой области лидирует французская фирма SEP. При высоких выплатах в этой сфере следует ожидать, что США предпримут аналогичные усилия.
Проводятся интенсивные исследования по управлению энергией в форме импульсных двигателей, включая многоимпульсные конструкции с жестким разделением барьеров, обеспечивающие надежность за счет создания конструктивных и поддающихся проверке зарядов. Увеличение гибкости или расширение диапазона эффективного управления тактическим оружием потребует лучшего управления энергией. В большинстве подходов используются заранее определенные режимы тяги и времена горения и исключена возможность изменить длительность горения или фазу работы, после того как двигатель изготовлен. Простые методы включают в себя форсированные поддерживаемые уровни тяги, режим импульс — движение по инерции — импульс и конечную тягу. Возможность дросселирования — вот что нужно твердотопливным двигателям, в которых уровнем тяги и длительностью можно было бы управлять, как это делается в жидкостных ракетных двигателях. Дросселирующие твердотопливные двигатели работают в разной степени успешно, но все ранее демонстрируемые модели были сложными, тяжелыми и слишком дорогими.
В 1990-х годах управление энергией может означать переход к гибридным двигателям, которые состоят из обогащенного горючим твердого топлива и жидкого окислителя. Уровень и длительность тяги можно регулировать изменением впрыска окислителя в камеру сгорания. Дополнительный выигрыш состоял бы в разделении окислителя и твердого топлива, что значительно уменьшает отклик на опасные воздействия. Как уже продемонстрировано на больших двигателях, проектирование тактических гибридных двигателей должно быть сосредоточено на уменьшении размера и стоимости системы инжекции жидкого горючего, разработке стойких при хранении окислителей и выпуске твердых горючих с низкой сигнатурой.
Дополнительным способом управления энергией является метод контроля вектора тяги, который расширяет диапазон полета и ведет к расширению класса задач и уменьшению потерь при перехвате. Были проведены успешные технологические проработки ряда способов контроля вектора тяги.
Требования уменьшения сигнатуры заставляют все больше использовать безметальные твердые топлива, что при одновременном повышении рабочего давления в камере приводит к рассмотрению упрощенных концепций камер сгорания с управлением сливом и использованием усилителей жидкостного управления и сопел. Эти модели могут срабатывать с углом отклонения 60° с помощью единственного механического устройства с одной движущейся частью. Эта техника уже демонстрировалась при низких температурах, но ее широкое использование ограничено пока имеющимися системами охлаждения и нагрева газа. Ее применение в условиях ракетных двигателей сдерживается эрозией, вызываемой горячими выхлопными газами, но необходимость их применения реальна и поддерживается высокими выплатами.
Менее 10 лет назад Министерство обороны начало реализацию программы безопасных боеприпасов (Insensitive Munitions, IM), направленную на уменьшение чувствительности систем вооружений к внешним воздействиям. Цель программы — разработка вооружений, которые удовлетворяли бы и требованию высоких характеристик и эксплуатационным требованиям, а энергичные реакции и разрушение в результате незапланированных воздействий были бы сведены к минимуму. Инциденты, включающие загорание транспортного самолета, случай в хранилище снарядов 16-дюймовых бортовых орудий линкора "Айова", а также инциденты при
 Программа IM включает в себя разработку менее чувствительных топлив, взрывчатых веществ и средств воспламенения, устройств для сброса и материалов оболочки, которые смягчают отклик на энергетические воздействия. |
В 1988 году проектом DOD-STD-2105A определены требования к IM. Стандарт определяет условия испытаний и критерии оценки отклика вооружения на принципиальные угрожающие воздействия. Он также требует, чтобы менеджеры программы системы вооружений оценили эти угрожающие воздействия и подготовили планы испытаний для подтверждения каждой службой Отдела проверки взрывобезопасности. У Отдела достаточно полномочий, чтобы принять или отклонить предлагаемые критерии и ввести их в будущий стандарт. Создание стандарта — это не выработка единого требования: должно быть собрано семь различных критериев.
Конструирование ракеты с удовлетворяющей требованиям IM — трудная задача прежде всего потому, что отклик по разным энергетическим воздействиям зависит от конструктивных особенностей ракеты или рассматриваемого двигателя. Например, отклик типичных ракетных двигателей на воздействие кумулятивной струи определяется главным образом ударной чувствительностью топлива. Отклик на воздействие быстрого или медленного нагрева зависит главным образом от термохимических свойств топлива. Для того чтобы удовлетворить целям IM, необходим системный подход, так как список критериев охватывает различные воздействия.
Такой подход ведет к формированию координированной программы, включающей разработку менее чувствительных топлив, взрывчатых веществ, средств воспламенения, средств выпуска и материалов оболочки, которые уменьшают отклик на энергетические воздействия. Необходимы также методы расчета отклика ракеты, исходящие из свойств материала и конфигурации изделия главным образом потому, что натурные испытания очень дороги. Для проведения испытаний необходимы минимум 20 комплектов ракет. Оценке многих конструкций или проведению полномасштабных проверочных испытаний препятствует большая общая стоимость испытаний или ракет.
Достигнуты успехи в идентификации и расшифровке отклика снарядов и ракетных двигателей на воздействия излучением на волне 2105Å. Идентифицированы многообещающие подходы в объединении критерием IM, однако нужны постоянные усилия на поддержание программы и начало исследований, необходимых для введения технологических методов IM в развернутые ракетные системы. Нашими партнерами по НАТО, особенно в Royal Ordnance в Великобритании и в SEP, достигнуты значительные успехи. Ввиду этих успехов им фактически была передана часть разработок силовых установок новых тактических ракет США.
Вопрос об отклике топлива является первостепенным для всех критериев IM. Ракетные топлива могут быть разделены на два широких класса по их поведению относительно IМ-воздействий. Трудности в применении порохов с минимальным дымообразованием на основе нитроэфиров нитраминов связаны с ударной чувствительностью. Наоборот, малодымные топлива на основе перхлората аммония и эластомерного полимера (обычно уретан, вулканизированный полибутадиеном и полиэфиром) не чувствительны к ударным воздействиям, но горят интенсивно при низких давлениях и трудно гасятся. Добавки алюминия повышают энергетический уровень обоих типов топлив, но нисколько не способствуют понижению их чувствительности.
Проделана интенсивная работа по уменьшению чувствительности к ударноволновому воздействию топлив с минимальным дымообразованием. Частичная или полная замена нитрамина на нитрат аммония значительно понижает чувствительность при одновременном ухудшении характеристик не более чем на 10%. Необходимо интенсифицировать работу по повышению баллистических характеристик и срока службы, прежде чем новые составы будут готовы для полномасштабных инженерных проработок. Чтобы восстановить потери энергетических характеристик, необходимы новые ингредиенты с существенно лучшими параметрами ударной чувствительности.
Альтернативой IM-подходу служат гелеобразные бинарные топлива, в которых горючее (производные гидразина) и окислитель (азотная кислота) до старта содержатся в разных сосудах; таким образом исключается опасность детонации. Однако потери
 Эти оболочки из графито-эпоксидных композитов с металлическими и композитными кронштейнами стабилизаторов для твердотопливного ракетного двигателя ERINI-1 изготовлены фирмой SEP. |
Идет поиск новых подходов в разработке композитных твердых ракетных топлив, которые легко гасятся. Замена полибутадиена на полимер с другой основной цепью облегчает гашение составов. Использование перхлоратов металлов вместо перхлората аммония резко повышает термостойкость топлив. Исследуются также баллистические модификаторы, которые облегчают гашение. Необходимо провести еще много исследований, но композитные топлива с пониженной чувствительностью к ударноволновому воздействию будут разработаны к середине 1990-х годов.
Предварительные испытания в конце 1980-х годов показали, что использование вместо монолитных металлических оболочек альтернативных материалов существенно улучшает отклик на быстрый нагрев или прострел пулей топлив с минимальным дымообразованием. Оболочки, покрытые тонкими металлическими пластинами, уменьшают воздействие быстрого нагрева, хотя они и не так эффективны в случае прострела пулей, как композиты. Гибридные оболочки (сталь с покрытием из графито-эпоксидного композита) могут дать дополнительные преимущества, позволяя конструкторам отводить пламя от прилегающих конструкций. Использование в оболочках графит-композитов улучшит характеристики, так как позволит повышать давление в камере сгорания при меньшей массе.
В будущих тактических двигателях могут применяться пассивные средства, которые обеспечивают быстрый сброс давления и сводят на нет типичные явления, связанные с медленным нагревом. В зависимости от конструкции они также могут уменьшить и опасность, связанную с прострелом пулей. Особенно необходимы такие устройства в сплошных стальных оболочках. Включение защиты и ослабителей в контейнерах развертывания ракетных хранилищ будет следующим шагом к формированию списка IM-требований. Проверено множество концепций ослабления для определения наилучшей структуры ослабляемой ударной волны и скоростей осколка.
Несмотря на необходимость проведения еще множества проверочных испытаний, большая часть разработок с целью удовлетворения IM-критериев должна быть завершена к середине 1990-х годов. При буквальном рассмотрении понятие "нечувствительные материалы" содержит в себе противоречие. Но как определено проектом, это просто самое труднопреодолимое препятствие, с которым придется столкнуться разработчикам твердых топлив для тактических ракет в следующем десятилетии.