«Техника-молодежи» 1993 г. №6, с.20-21
Новости техники
Вадим ЧЕРНОБРОВ,
инженер-конструктор
Рисунок автора
В конце 1992 года два гиганта аэрокосмической продукции — НПО «Энергомаш» и американская фирма «Пратт энд Уитни» подписали соглашение Последняя готова продавать на мировом рынке российский ракетный двигатель, а впоследствии и производить его по нашей лицензии.
Предмет сделки — самый мощный в мире 4-камерный жидкостный ракетный двигатель РД-170. Аналогов ему нет и, видимо, в ближайшие 5 лет — примерно столько надо на проектирование и доводку — не будет. Некто из западных журналистов уже окрестил его «венцом тысячелетней истории ракетных двигателей».
Они действительно появились более тысячи лет назад, в Китае. Топливом в них обычно служил порох. Использовать же в ракете двигатель на жидких компонентах предложил в 1903 году К.Э.Циолковский. Через 23 года в США взлетела первая такая ракета Р.Годдарда. Спустя десятилетие в СССР поднялась «ГИРД-Х» Ф.А. Цандера.
 Принципиальная схема РД-170: 1 — трубопровод окислителя, 2 — трубопровод горючего; 3 — фильтр (не имеет аналогов — при расходе жидкости 1,7 т/с не пропускает примеси размером более 160 мкм); 4 — преднасос; 5 — 1-й насос горючего; 6 — 2-й насос горючего; 7 — насос окислителя; 8 — турбонасосный агрегат; 9 — сильфон; 10 — камера сгорания; 11 — рубашка охлаждения сопла, 12 — приводы качающегося сопла. |
Поначалу жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) был весьма капризен. Казалось, конструкторам еще долго не удастся решить массу технологических задач. Поэтому разведка союзников в начале второй мировой войны не очень верила слухам, что немцы построили мощный и надежный ЖРД. Но доказательство не замедлило себя ждать — на Лондон обрушились «Фау-2». Вернер фон Браун вместе со своим соотечественником В.Тилем создал двигатель с тягой в 25 т/с и посчитал, что выжал из ЖРД все. Сопло камеры сгорания работало при максимально допустимой температуре, повысить ее не представлялось возможным. Чтобы охладить двигатель (внутреннюю часть корпуса), нужно было для лучшего теплоотвода сделать его стенки тоньше. Но здесь наступал предел — они не выдерживали высокого давления.
В 50-х годах советские и американские специалисты практически независимо друг от друга нашли выход из тупика. (Кстати, именно после этого наступила эра космических ракет.) Оболочку сопла изготовили из двух слоев, между которыми протекала охлаждающая жидкость: внутренняя тонкая стенка хорошо передавала ей тепло раскаленных газов, внешняя толстая — воспринимала силовые нагрузки. За кажущейся простотой стояла титаническая работа технологов, не так-то просто соединить три компонента в единое целое...
 РД-170 на стенде. |
К нашему времени изготовление двухслойных корпусов было доведено до совершенства, и чтобы увеличить мощность двигателя, требовалось принципиально новое. Оно-то и воплотилось в РД-170. В нем искусственно создаются условия, при которых область максимальных температур находится по оси камеры сгорания, а на ее периферии — гораздо «прохладней». Достигается же последнее за счет изменения оптимального соотношения горючего (керосина) и окислителя (кислорода).
Избыточный керосин впрыскивают в периферийную область через дополнительные форсунки. Кроме того, часть керосина, который играл роль охлаждающей жидкости, просачивается по капиллярным отверстиям на внутренней стороне сопла. То есть пожар, бушующий вблизи стенок, частично тушится... горючим! Это и позволило повысить температуру в сердцевине камеры, а следовательно, и мощность двигателя.
Наращивается она благодаря и еще одной особенности. Дело в том, что не так-то просто добиться полного сгорания всей топливной смеси внутри камеры; часть ее, хоть и небольшая, обычно выносится из сопла. Потому «коктейль» из горючего и окислителя надо готовить очень быстро и качественно. Конструкторы перепробовали всевозможные типы смесителей и форсунок: струйные, щелевые, решетчатые, вихревые, центробежные... А в 60-х годах в РД-253 (он выводит в космос «Протоны») применили такое, от чего вздрогнул бы любой специалист по пожарной безопасности: самовоспламеняющиеся компоненты смешивались прямо в трубопроводе, до камеры сгорания! Конечно, пришлось учесть массу тонкостей, но главное — двигатель успешно работал. Впрочем, на протяжении почти 30 лет повторять подобную схему никто не решался. До появления РД-170.
На рисунке видно — уже в турбонасосном агрегате смешиваются весь поступающий в него кислород и часть керосина. Конструкторы сделали пожар в трубопроводе расчетным режимом двигателя — за счет переизбытка кислорода температура смеси (и здесь ее состав не оптимален для горения) поднимается всего до 400° С. Однако что такое горячая смесь с переизбытком кислорода? Очень агрессивная среда, гибельная для любого металла. Стенки трубопровода, конечно, можно изготовить весьма толстыми, но на пути разъедающего потока — тонкий и гибкий сильфонный патрубок. Другим его не сделаешь — при управлении ракетой двигатель должен поворачиваться в двух плоскостях на 6 — 8 градусов. Тут уже постарались химики и создали для патрубка уникальный никелевый сплав (состав которого, естественно, засекречен), способный выдерживать агрессивную смесь с давлением в 270 — 300 атм.
В камере сгорания она соединяется с разогретым, прошедшим рубашку охлаждения керосином, и теперь уж пламя бушует вовсю: давление хоть и падает до 250 атм, но температура достигает 3500°С! При этом на стенках (мы уже знаем почему) она примерно на 2800°С ниже. Газ вырывается из сопла с удельным импульсом 330 с и создает тягу 800 т/с (при массе двигателя — около 11 т).
Многое в РД-170 вызвало восхищение у американских специалистов Но для НПО «Энергомаш» это уже пройденный этап. На столе генерального директора, доктора технических наук Бориса Каторгина уже лежат чертежи первого в мире трехкомпонентного (кислород, водород, керосин) ЖРД. Пока его назвали РД-701. Масса двигателя составит 1,8 т, а максимальную тягу он разовьет 200 т/с. Работать будет в двух режимах, потребляя после старта 6% водорода, 12,6% керосина и 81,4% кислорода, а при дальнейшем разгоне — вообще без керосина. Определено уже и применение нового двигателя — космические челноки, взлетающие с самолетов типа «Мрии».