Двигатели больших ракет их характеристики

Как это работает. Ракетный двигатель

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

«Самый мощный в мире»: какими характеристиками будет обладать новый российский ракетный двигатель РД-171МВ

НПО «Энергомаш» приступило к производству опытных образцов жидкостных ракетных двигателей РД-171МВ, которые в компании называют «самыми мощными в мире». Соответствующая информация размещена на сайте госзакупок.

В опубликованном на портале техническом задании указывается, что «Энергомаш» производит закупку сортового проката литейных сталей и сплавов «для комплектации РД-171МВ в рамках опытно-конструкторской работы «Феникс». На закупку планируется потратить около 19,5 млн рублей.

«Фениксом» называют опытно-конструкторские работы, цель которых — разработка нового семейства российской ракеты-носителя среднего класса для замены ракет «Зенит».

«Прорывной проект»

Разработка РД-171МВ началась в 2017 году. Проект предусматривает создание двигателя для первой ступени проектируемой РКК «Энергия» ракеты-носителя среднего класса «Союз-5» (также известна как «Иртыш»). Помимо этого, он будет устанавливаться на сверхтяжёлой ракете «Енисей».

«РД-171МВ — самый мощный из жидкостных двигателей. Он оснащён четырьмя камерами сгорания и работает на паре кислород-керосин», — рассказал в беседе с RT научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев.

В качестве основы для создания нового двигателя был взят советский РД-171М, который, в свою очередь, был модификацией двигателя РД-170, признанного самым мощным в истории. Его мощность составляла 230 тыс. лошадиных сил.

«Принципиальное отличие этой модели от предыдущей в том, что она сможет выводить тяжёлую нагрузку на достаточно высокие орбиты с большей мощностью. Важно отметить, что сверхмощные двигатели позволяют выводить грузы весом 20—30 тонн на орбиты», — заявил военный эксперт Михаил Тимошенко в разговоре RT.

Как отмечают в компании «Энергомаш», при создании РД-171МВ используются технологические и конструктивные решения, отработанные при эксплуатации двигателей РД-180 и РД-191.

«Мы внедряем в новую разработку в первую очередь систему регулирования, которая хорошо себя показала на двигателе РД-191, — полностью российской сборки, изготавливается у нас — и проводим дополнительные мероприятия по защите от возгорания внутренних полостей двигателя», — заявил главный конструктор НПО «Энергомаш» Пётр Лёвочкин.

Масса РД-171МВ составляет 10,3 тонны, тяга — более 800 тонн. Мощность аппарата при этом оценивается в 246 тыс. лошадиных сил, что является мировым рекордом и выводит двигатель на первое место в мире по данному показателю.

«Двигатель РД-171МВ действительно будет самым мощным в мире, — заявил генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов. — Создание подобного рода конструкций — это локомотив не только конструкторской мысли, но ещё и технологический локомотив».

При работе двигателя тепловая мощность, выделяемая камерой сгорания, составляет 27 млн киловатт, что можно сравнить с мощностью крупной гидроэлектростанции. Ещё одно любопытное сравнение, о котором конструкторы рассказали общественности: турбонаддувочный агрегат двигателя развивает мощность в 180 тыс. киловатт — столько же, сколько и три атомные силовые установки крупнейших ледоколов, вместе взятые.

Для реализации проекта по созданию РД-171МВ «Энергомаш» провёл модернизацию своих производственных мощностей. Руководство предприятия отмечает, что РД-171МВ станет первым его двигателем, при создании которого в качестве подлинников конструкторской документации используются компьютерные 3D-модели, а не привычные бумажные чертежи. Это позволило сократить сроки разработки, оптимизировать процесс изготовления и снизить издержки.

«Для ускорения новых разработок мы вводим трёхмерное моделирование. Для снижения стоимости и повышения конкурентоспособности наших двигателей мы внедряем самые современные технологии, композитные материалы, новое оборудование, идёт техническое перевооружение предприятия», — рассказал Лёвочкин.

В феврале 2019 года о сборке первого образца двигателя сообщил глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин. Тогда он отметил, что по мощности этому двигателю нет равных. На вторую половину декабря 2019 года запланированы огневые испытания РД-171МВ. Предполагается, что первый аппарат будет поставлен заказчику в 2021 году.

Первый двигатель РД-171МВ для новейшей ракеты среднего класса Союз-5 «Иртыш» собран на подмосковном «НПО Энергомаш» и готовится к огневым испытаниям. По мощности ему нет равных в мире pic.twitter.com/YN5KrBn0iy

Военный историк Юрий Кнутов отметил, что данный тип двигателя является более экологически чистым, чем предыдущие модели, потому что он работает на паре кислород-керосин.

«Важно отметить, что эти двигатели более экологичные, потому что там используется в качестве окислителя кислород и топливо не такое ядовитое, как гептил, которое используется в старых ракетах. Переход на новые технологии — это реальный прорыв. На мой взгляд, он позитивно скажется на развитии всей космонавтики», — заявил Кнутов в интервью RT.

По его словам, создание РД-171МВ можно назвать прорывным для российской космической отрасли.

«Этот проект можно назвать прорывным, поскольку до этого у нас была одна сверхтяжёлая ракета «Энергия», которая создавалась всем Советским Союзом. Часть её технологий осталась в бывших советских республиках, поэтому многие элементы новой сверхтяжёлой ракеты приходится создавать заново», — сказал эксперт.

Кнутов также подчеркнул, что обладание таким двигателем позволит России сохранить лидирующие позиции в двигателестроении.

«Сегодня самые полноценные двигатели делает только Россия, на втором месте идут США, а все остальные страны сильно отстают», — заявил он.

«Ни у одной страны нет подобных разработок»

По мнению академика Российской академии космонавтики Александра Железнякова, новый двигатель, как и его предшественник РД-171М, будет успешно конкурировать с зарубежными аналогами.

«Он успешно конкурирует уже более 30 лет и дальше будет конкурировать, потому что на данный момент продолжает оставаться самым мощным жидкостным ракетным двигателем в мире. Кроме того, ни у одной страны нет подобных разработок», — рассказал эксперт в интервью RT.

По его словам, продвижение этого двигателя на международном рынке связано с вопросами геополитики.

«Кроме Китая, вряд ли кто-то заинтересуется, поскольку это зависит от геополитической обстановки», — пояснил он.

Схожую точку зрения выразил и военный эксперт Михаил Тимошенко.

«Этот двигатель сможет конкурировать с иностранными разработками. США вряд ли будут заинтересованы в его покупке, потому что у них есть двигатель для тяжёлых ракет. Но интерес могут проявить Евросоюз и Китай, если, конечно, они захотят выводить на орбиту что-то тяжёлое», — сказал он RT.

В свою очередь, Моисеев заявил, что двигатель вряд ли пойдёт на экспорт, поскольку такие аппараты создаются под конкретные ракеты. Пока за рубежом нет ракет, совместимых с РД-171МВ.

«Для его покупки предполагаемый покупатель должен иметь соответствующую ракету. Им заинтересуются тогда, когда кто-то начнёт разрабатывать ракету, под которую он подойдёт, но пока таких ракет не разрабатывают и в планах ни у кого нет», — сказал эксперт.

Новый «Союз»

Активная фаза разработки ракеты среднего класса «Союз-5» началась в 2016 году. Планируется, что её будут использовать как для пилотируемых миссий, так и для коммерческих пусков. Старты будут осуществляться с космодромов Байконур и Восточный.

Для этих целей на Байконуре проводятся работы по модернизации стартового комплекса в рамках российско-казахстанского проекта «Байтерек».

«Союз-5» — ракета среднего класса, которую создали на замену ракете-носителю «Зенит». Производство «Зенита» прекратили в связи с ухудшением российско-украинских отношений», — пояснил Моисеев.

На второй ступени «Союза-5» будут использоваться два двигателя РД-0124МС — модернизированные двигатели от третьей ступени ракеты «Союз-2.1Б».

В 2018 году были завершены эскизные работы, после чего «Роскосмос» заключил госконтракт с РКК «Энергия» на сумму 61,2 млрд рублей на создание и испытание ракеты «Союз-5».

В рамках лётных испытаний, запланированных на 2022—2025 годы, с космодрома Байконур будут выполнены четыре запуска «Союза-5». Согласно планам, в 2023 году будет осуществлён пуск с новым российским пилотируемым кораблём «Федерация». Аппарат будет работать в беспилотном режиме. Годом позже должен быть произведён и пилотируемый запуск.

Производиться «Союз-5» будет в РКЦ «Прогресс».

Твердотопливные ракетные двигатели

История твердотопливных двигателей

Первой работой КБ «Южное» в области создания твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) является начатая в 1963 г. опытно-конструкторская разработка маршевого РДТТ первой ступени 15Д15 для комбинированной ракеты 8К99.

Первый пуск двигателя был проведен в апреле 1965 г.

Однако в октябре 1969 г., несмотря на серию полностью успешных пусков ракеты 8К99, ее разработка была прекращена. Опыт создания РДТТ позволил выработать новые прогрессивные подходы к определению наиболее оптимального облика будущих маршевых РДТТ.

В 1969 г. в КБ «Южное» была начата разработка МБР 15Ж43 и, в том числе, РДТТ первой ступени – 15Д122.

При создании двигателя был предложен ряд прогрессивных решений:

• комбинированный корпус со стеклопластиковой трубой продольно-поперечной намотки и металлическими днищами;
• моноблочный заряд из смесевого твердого топлива на основе бутилового каучука, прочноскрепленный с корпусом;
• центральное частично утопленное в камеру сгорания стационарное сопло с системой управления вектором тяги вдувом горячего камерного газа в утопленную сверхзвуковую часть сопла.

Проведенные огневые испытания двигателя 15Д122 подтвердили его работоспособность и требуемые характеристики системы управления вектором тяги на основе «горячего» вдува.

В этот период в КБ были разработаны управляющие твердотопливные двигатели для разведения космических объектов с увеличенным временем работы и управляющими усилиями (15Д161, 15Д171, 15Д221). В двигателях использовались заряды торцевого горения из безметального смесевого топлива с оригинальной конструкцией скрепления с корпусом и уникальной конструкцией уплотнения в подшипниках вращающихся сопел.

Следующей работой КБ «Южное» по созданию РДТТ стала разработка маршевого двигателя 3Д65 для первой ступени ракеты морского базирования 3М65 (разработки конструкторского бюро им. Макеева), в конструкции которого были применены самые передовые инженерные решения:

• цельномотанный корпус типа «кокон» с силовой оболочкой из высокопрочного органоволокна и закладными элементами из титанового сплава;
• прочноскрепленный с корпусом заряд из высокоэнергетического смесевого топлива на основе бутилкаучука;
• стационарное сопло с системой управления вектором тяги по трем каналам на основе «горячего» вдува;
• ряд конструкторских решений, обусловленных спецификой применения двигателя в составе ракеты морского базирования (старт, как из надводного, так и подводного положения).

В 1982 г. двигатель 3Д65 был допущен к серийному производству.

В середине 1970-х годов КБ «Южное» приступило к разработке маршевых РДТТ первой ступени – 15Д206 и второй ступени – 15Д207 для шахтной МБР 15Ж44 и мобильной МБР 15Ж52.

С целью сокращения объема и сроков экспериментальной отработки двигатель 15Д206 был спроектирован как полный аналог двигателя 3Д65, изменения состояли в повышении уровня расходно-тяговых характеристик, увеличении диаметра критического сечения и величины давления в камере сгорания.

При разработке двигателя 15Д207 были применены следующие новые технические решения:

• стационарное сопло с выдвижным высотным насадком;
• углерод-углеродные композиционные материалы для вкладыша критического сечения;
• рецептуры топлива с повышенным уровнем энергетических характеристик;
• моноблочный заряд с высоким коэффициентом заполнения камеры сгорания.

Наземная отработка двигателей была начата в 1979 г.

Однако в 1983 г. было принято решение о прекращении разработки ракет 15Ж44 и 15Ж52 и о создании на их базе МБР 15Ж60 и 15Ж61 с улучшенными тактико-техническими характеристиками и повышенным уровнем стойкости к поражающим факторам ядерного оружия.

Для мобильных ракет 15Ж61 был создан новый двигатель второй ступени – 15Д290, улучшенные характеристики которого были получены за счет применения нового высокоэнергетического смесевого топлива и внедрения ряда конструкторских решений, повышающих стойкость двигателя к воздействию поражающих факторов ядерного оружия.

Для ракеты 15Ж60 предъявленные требования к маршевым РДТТ первой и второй ступеней привели к необходимости создания принципиально нового двигателя первой ступени и модернизации двигателя второй ступени (15Д305 и 15Д339 соответственно).

При разработке двигателя 15Д305 были заложены следующие уникальные решения:

• высокоэнергетическое топливо на основе октогена;
• корпус типа «кокон»;
• центральное поворотное сопло на эластичном опорном шарнире с моноблочным вкладышем критического сечения из объемно-армированного углерод-углеродного материала.

Для двигателя 15Д339 было создано многофункциональное покрытие, защищающее корпус от всех поражающих факторов ядерного оружия, а также улучшено массовое совершенство конструкции и повышена эрозионная стойкость сопла.

В результате проведенных работ в 1986-1988 гг. была завершена отработка РДТТ 15Д290, 15Д305 и 15Д339 и начато их серийное производство.

В 1988 г. КБ «Южное» была поручена разработка двигательной установки первой ступени (15Д365) МБР 15Ж65.

Особенностями конструкции двигателя 15Д365 являются:

• моноблочный заряд с поворотным управляющим соплом на эластичном опорном шарнире, с качанием по круговой диаграмме;
• органопластиковый корпус типа «кокон»;
• прочноскрепленный заряд из смесевого топлива, на основе октогена.

Было проведено пять огневых испытаний с выпуском заключения о допуске двигателя 15Д365 к летным испытаниям. Однако из-за распада СССР все работы по теме в КБ «Южное» были прекращены.

Наряду с маршевыми и управляющими РДТТ в КБ «Южное» разработана большая группа (82 типа) малогабаритных твердотопливных двигателей, аккумуляторов давления и газогенераторов.

С их помощью решен широкий круг технических задач:

• минометный старт ракеты;
• минометное разделение ступеней ракеты;
• заклон ракеты при минометном старте;
• изменение геометрии надувного наконечника головного обтекателя;
• увеличение высотности сопла маршевого двигателя;
• отделение и увод с траектории ракеты различных объектов;
• управление полетом частей ракеты;
• выброс с ракеты объектов и обеспечение их полета с заданной скоростью;
• стабилизация объектов вращением.

Многолетний опыт успешной эксплуатации ракет подтвердил высокую надежность и высокую стойкость разработанных РДТТ к воздействию внешних эксплуатационных факторов.

Новости

В ПАО «ОДК-УМПО» завершен первый этап испытаний демонстратора пульсирующего детонационного двигателя

По итогам испытаний двигателя-демонстратора получена тяга 1600 кг, на отдельных режимах зафиксировано увеличение удельной тяги до 50% (в сравнении с двигателями традиционных схем) с соответствующим снижением удельного расхода топлива. В перспективе это позволит в 1,3-1,5 раза увеличить максимальную дальность и массу полезной нагрузки летательных аппаратов, оснащенных пульсирующими детонационными двигателями, а также улучшить динамику полета и их маневренные характеристики за счет увеличения тяговооруженности.

Пульсирующий детонационный двигатель – новый тип двигателя для авиации. В нем реализуется термодинамический цикл, близкий к циклу со сгоранием топлива при постоянном объеме, а потому более экономичный, чем используемый в существующих газотурбинных двигателях. Как отмечает генеральный конструктор-директор ОКБ имени А. Люльки Евгений Марчуков, простота конструкции и относительно низкие требования к значениям величин газодинамических параметров по всей проточной части изделия позволяют применять при его создании технологии, отработанные на предыдущих поколениях двигателей. Это дает колоссальное коммерческое и экономическое преимущество по сравнению с разрабатываемыми перспективными двигателями традиционных схем.

Диапазон возможного применения пульсирующих детонационных двигателей широк: сверх- и гиперзвуковые летательные аппараты, семейство ракет различного назначения, космические летательные аппараты, воздушно-космические самолеты и перспективные ракетно-космические системы и др. Этот тип двигателя может быть предложен как потенциально эффективное дополнение и развитие традиционных ракетных и воздушно-реактивных двигателей.

В ОКБ им. А. Люльки — филиале ПАО «ОДК-УМПО» сформировано отдельное направление по разработке пульсирующих детонационных двигателей.

В 2016 году авторский коллектив проекта «Пульсирующий детонационный двигатель» стал победителем конкурса «Лучший инновационный проект по направлениям критических технологий в РФ» в Сколково. Макет пульсирующего детонационного двигателя впервые был представлен на Международном военно-техническом форуме «Армия-2017».

ПАО «ОДК-УМПО» – разработчик и крупнейший производитель авиационных двигателей в России. Основными видами деятельности являются разработка, производство, сервисное обслуживание и ремонт турбореактивных авиационных двигателей и газоперекачивающих агрегатов, производство и ремонт узлов вертолетной техники. Расположено в г. Уфе. Входит в АО «Объединенная двигателестроительная корпорация».

АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (входит в Госкорпорацию Ростех) – интегрированная структура, специализирующаяся на разработке, серийном изготовлении и сервисном обслуживании двигателей для военной и гражданской авиации, космических программ и военно-морского флота, а также нефтегазовой промышленности и энергетики.

Госкорпорация Ростех – одна из крупнейших промышленных компаний России. Объединяет более 800 научных и производственных организаций в 60 регионах страны. Ключевые направления деятельности – авиастроение, радиоэлектроника, медицинские технологии, инновационные материалы и др. В портфель корпорации входят такие известные бренды, как АВТОВАЗ, КАМАЗ, Концерн Калашников, «Вертолеты России», ОДК, Уралвагонзавод, «Швабе» и др. Ростех активно участвует в реализации всех 12 национальных проектов. Компания является ключевым поставщиком технологий «Умного города», занимается цифровизацией государственного управления, промышленности, социальных отраслей, разрабатывает планы развития технологий беспроводной связи 5G, промышленного интернета вещей, больших данных и блокчейн-систем. Ростех выступает партнером ведущих мировых производителей, таких как Boeing, Airbus, Daimler, Pirelli, Renault и др. Продукция корпорации поставляется более чем в 100 стран мира. Почти треть выручки компании обеспечивает экспорт высокотехнологичной продукции.