Энергетические и двигательные установки ракетно-космической техники

В создание движителей для вывода полезных нагрузок в космос огромный вклад внесли наши соотечественники. Будучи приговоренным к смертной казни, студент медико-хирургической академии Николай Иванович Кибальчич (1853-1881 гг.) передал в адвокатуру не просьбу о помиловании, а свой “Проект воздухоплавательного прибора”. В этом проекте он высказал идею ракетного летательного аппарата. Н.И. Кибальчич писал, что если его идея после тщательного обсуждения учеными-специалистами будет признана выполнимой, то он будет счастлив тем, что окажет громадную услугу Родине и человечеству. Однако его обращение осталось без ответа. Только спустя почти 40 лет стало известно о научном подвиге революционера.

К.Э. Циолковский очень высоко ценил научный подвиг Н.И. Кибальчича и ставил его на первое место среди своих предшественников. К.Э. Циолковский умел смотреть далеко вперед, рисуя картины космического завтра, хотя в то время не только ракеты, но и аэропланы толком летать не могли. “Сорок лет я работал над реактивным двигателем и думал, что прогулка на Марс начнется через много сотен лет, но сроки меняются. Я верю, что многие из вас будут свидетелями первого заатмосферного путешествия”. Эти слова К.Э. Циолковский произнес в первомайский день 1935 г., а через 22 года на орбиту был выведен первый спутник Земли.

Фридрих Артурович Цандер, Юрий Васильевич Кондратюк по праву считаются выдающимися учеными в области реактивной техники. С.П. Королев, В.П. Ветчинкин, Б.С. Стечкин, М.К. Тихонравов, Ю.А. Победоносцев, В.П. Глушко и другие своими работами подготовили науку и технику к старту в 1957 г. Пионером проектной космонавтики является М.К. Тихонравов с группой энтузиастов.

С.П. Королев начал свое знакомство с ракетной техникой с проекта Н.И. Кибальчича. Он возглавил работы по практической космонавтике и обеспечил запуск первого спутника, первый выход человека в космос, первый облет Луны, первые снимки обратной стороны Луны. С.П. Королев прожил только 60 лет, но их хватило на то, чтобы осуществить великую мечту человечества. Он открыл дорогу в космос, и имя его стало бессмертным.

Все ракетные двигатели (РД) подразделяются на два больших класса: двигатели малой тяги (высокой экономичности), имеющие высокую скорость истечения газов, но небольшую массу отбрасываемого рабочего тела, и двигатели большой тяги, где скорость истечения газов сравнительно малая, но масса истекающих газов ве-лика. Первые находят применение для создания малых ускорений в открытом космосе. Для преодоления земного притяжения, сопротивления атмосферы при старте ракеты и первоначального разгона используются только двигатели большой тяги.

В ЖРД жидкое топливо – горючее и окислитель – с помощью топливных насосов подается в камеру сгорания. В результате химической реакции горения температура топлива повышается, и газообразные продукты сгорания из камеры через профилированное сопло истекают с большой скоростью наружу, создавая тягу. Скорость истечения газов из сопла (следовательно, удельная тяга) зависит от температуры и молекулярной массы. Чем температура выше, тем больше скорость. Молекулярную массу продуктов сгорания, напротив, желательно иметь как можно меньше, так как с ее уменьшением скорость истечения возрастает. Такие топлива, как жидкий кислород и керосин или азотная кислота и диметилгидразин, позволяют получить удельную тягу около 300 с, т.е. скорость истечения из сопла около 3 км/с.

Значительные преимущества как горючее с малой молекулярной массой имеет водород. Он обладает большой теплотворной способностью, обеспечивающей высокую температуру продуктов сгорания с самой низкой молекулярной массой из всех веществ, известных на Земле. В паре с жидким кислородом сжиженный водород дает удельную тягу около 450 с (скорость истечения около 4,5 км/с). Кроме того, продукты сгорания совершенно неядовиты, так как после сгорания образуется водяной пар.

Ввиду больших энергетических преимуществ водорода как горючего он впервые был использован в сверхтяжелых ракетах-носителях Saturn-5 и “Энергия”. При экологической чистоте топливо водород – кислород взрывоопасно вследствие того, что при произвольном смешении водорода с воздухом образуется “гремучий газ”. Поэтому отработана специальная строгая технология работы с водородом, суть которой заключается в очистке всех емкостей баков и магистралей от водорода, воздуха и кислорода путем тщательной продувки азотом,сжигании испарений жидкого водорода, истекающего из дренажных магистралей, и автоматическом контроле за наличием водорода. По всему ракетно-космическому комплексу система аварийной защиты через систему сбора данных о состоянии и работе всех систем и агрегатов контролирует обстановку в целях предупреждения развития аварийной ситуации.

Стартовая система ракетно-космической системы “Энергия” – “Буран” имеет массу 2400 т, из них более 1890 т приходится на расходуемое топливо. Суммарная тяга у Земли четырех блоков первой ступени (по 740 тс каждая) и центрального блока (600 тс) составляет 3560 тс. Баки ракетных блоков первой ступени при секундном расходе 2,4 т/с опорожняются за 165 с. Через 486 с на высоте 160 км заканчивается топливо и второй ступени. Для вывода на заданную орбиту недостает скорости 30…40 м/с, которую после разделения с “Энергией” обеспечивает объединенная двигательная установка (ОДУ) орбитального корабля “Буран”. Путем двукратного включения ОДУ формируется почти круговая орбита с высотами апогея 256 км и перигея 252 км. Приведенный пример показывает, как расточительны двигатели, работающие на химическом топливе. Они поражают наше воображение расходом топлива и развиваемой при этом мощностью. Легко определить, например, что ЖРД с тягой 100 тс при выводе КА на орбиту развивает мощность в 2 млн л.с., т.е. по мощности превосходит Братскую ГЭС.

Теоретические исследования показывают, что при любых, даже самых выгодных комбинациях горючих и окислителей их удельная тяга не превышает 450 с, а в большинстве случаев приходится довольствоваться удельной тягой 300 с. Если пользоваться этими данными, то невольно возникает сомнение в возможности осуществления экспедиции на планеты Солнечной системы с помощью химических двигателей непосредственно с поверхности Земли. Необходимы многократные стыковки модулей с дозаправкой в космосе или более мощные источники энергии, такие как ядерные.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) во многом подобен ЖРД. Принципиальное отличие его состоит в том, что реактивная масса перед выходом ее из сопла нагревает-ся не горением, а теплом, образующимся в ядерном реакторе. Энергия деления ядер в 10 млн раз превышает энергию химиче-ских реакций, поэтому расход делящегося в ядерном реакторе вещества пренебрежимо мал по сравнению с расходом топлива в ЖРД. ЯРД расходует практически только рабочее тело. При этом мы не должны, конечно, забывать о массе реактора и ради-ационной защите.

Тем не менее существуют проекты (например, проект МГ-19, разработанный под руководством В.М. Мясищева и О.В. Гурко), в которых в целях экономии рабочего тела (того же жидкого водорода) предлагается многорежимный комбинированный двигатель. В плотных слоях атмосферы (до высот 40-50 км) такой двигатель пользуется воздухом атмосферы, который, проходя через специальный радиатор (теплообменник) реактора, нагревается до высоких температур и без сгорания с большой скоростью истекает из сопла ПВРД. При этом фактически в безрасходном режиме работы двигателя осуществляется полет с медленным набором высоты, но с максимальным приобретением скорости (до 10…12 М). После набора высоты, на которой разреженная атмосфера уже не оказывает значительного влияния на режим работы двигателя, расходующего запасенный водород, скорость истечения газовой струи может достигать 25 км/с.

Расчеты показывают, что в недалеком будущем (при снижении массы конструкционных материалов на 20-30%) появится возможность создать одноступенчатые многоразовые с горизонтальными стартом и посадкой системы доступа в космическое пространство.

В системах с двигателями большой тяги рабочее тело вначале нагревается до высокой температуры вследствие химической или ядерной реакции и затем в виде газовой струи выбрасывается наружу через профилированное сопло. В этих системах масса собственно двигателя обычно составляет небольшую часть массы ракеты космического назначения. Большая доля массы приходится на рабочее тело (топливо). В современных ракетах-носителях масса топлива составляет около 90% общей стартовой массы ракеты-носителя. Такие тяговые системы создают громадные тяги, но работают непродолжительно. После относительно короткого активного участка КА переходит в пассивный полет, определяемый лишь воздействием внешних сил.

Известно, что верхняя атмосфера, солнечный ветер, световое давление хоть и незначительно, но влияют на полет КА, оказывают возмущающие и тормозящие воздействия, которые при длительных полетах накапливаются и становятся значительными. При эксплуатации космических систем возникают необходимость исправления (компенсации) накопленных воздействий космического пространства и, естественно, стремление бороться с ними по мере их возникновения. Так появилась необходимость использования двигателей малой тяги.

Системы малой тяги создаются на основе применения электрической энергии для ускорения рабочего тела. В подобных системах масса двигателя одного порядка с массой рабочего тела. Электромагнитные ракетные двигатели (ЭРД) создают малые ускорения, но в течение длительных отрезков времени. Существуют различные схемы ЭРД. Однако во всех случаях для разгона рабочего тела в двигателе используются электрические и магнитные поля или их комбинации. В зависимости от схемы ускоряющей системы ЭРД их подразделяют на ионные и плазменные. В ионных ЭРД реактивная струя представляет собой поток ионов.

Роль реактивного сопла выполняет электростатическое поле, в котором ионы могут разгоняться до больших скоростей. В качестве рабочего тела выбирается легкоионизирующееся вещество, например, цезий. Рабочее тело подается в ионизатор. Образовавшиеся ионы разгоняются в электростатическом поле ускорителя. Ионные двигатели позволяют получить удельные тяги до 20 000 с (скорость истечения около 200 км/с).

В плазменных ЭРД в качестве рабочего тела используется плазма. Разгон рабочего тела в них производится за счет так называемой силы Лоренца, возникающей при взаимодействии магнитного поля Земли с электрическим током в плазме. Запущенная в конце 1964 г. к Марсу советская автоматическая станция “Зонд-2” имела шесть небольших плазменных двигателей, с помощью которых производилась ориентация станции. В 1988 г. был проведен специальный космический эксперимент “Плазма”, в котором экспериментально проверялась эффективность использования плазменных двигателей на ИСЗ и помеховое воздействие работающего плазменного двигателя на радиосвязь с КА.