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.
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.
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.
Космические моторы. Главные разработки Валентина Глушко, известные на весь мир
2 сентября исполнилось 110 лет со дня рождения инженера, ученого и конструктора, занимавшегося разработкой ракетных двигателей и космических систем, — Валентина Петровича Глушко. При его непосредственном участии был разработан целый ряд двигателей, на которых до сегодняшнего дня летают космические носители «Союз» и «Протон», а также межконтинентальная баллистическая ракета «Воевода», которая известна на Западе как «Сатана». ТАСС собрал главные изобретения знаменитого конструктора ракетно-космической техники.
Первый электрический реактивный двигатель
Под руководством Глушко был разработан первый в мире электротермический реактивный двигатель. Опытный образец был создан в СССР — в Газодинамической лаборатории в Ленинграде, которой заведовал Глушко, в 1929 году.
Читайте также
Просто космос
В двигателе в камеру сгорания устанавливались специальные проводники (из железа, палладия других металлов), на эти проводники подавались кратковременные, но мощные импульсы электрического тока с определенной частотой. Сам процесс назывался «электрическим взрывом» — при прохождении разряда проводники в прямом смысле разрушались, выделяя водород, который истекал из сопла двигателя и создавал тягу. Позже работы по этим двигателям были свернуты из-за низкой мощности.
Впервые в советской космической промышленности электрореактивные двигатели (ЭРД), но с иным принципом, были применены значительно позже — в 1964 году в космос был отправлен спутник «Зонд-2», с шестью установленными плазменными двигателями ориентации.
В современной космической технике применяются различные ЭРД, например, ионный (ионизированный газ разгоняется в электрическом поле). Такие модели, как и первый двигатель Глушко, имеют малую тягу, но могут работать за счет низкого расхода рабочего тела чрезвычайно долго — до нескольких лет. В качестве маршевого ЭРД был, например, установлен на японском космическом аппарате «Хаябуса», запущенном для изучения астероида Итокава. ЭРД широко применяются на спутниках в качестве двигателей коррекции траектории.
Первые в СССР жидкостные ракетные двигатели
Под руководством Глушко после завершения работ по ЭРД впервые в отечественной космической промышленности была создана целая серия опытных ракетных двигателей, работающих на жидком топливе. Серия называлась ОРМ — опытные ракетные моторы. В качестве топлива в двигателях серии использовались керосин, бензин, толуол, другие вещества.
Советские ученые экспериментировали как со смешанными унитарными, так и с двухкомпонентными топливами.
Первые образцы, работавшие на унитарном топливе (ОРМ-1 тягой всего 20 кгс), были крайне несовершенны и терпели отказы, вплоть до аварийных ситуаций — двигатели взрывались на стендах во время работы. В итоге был сделан выбор в пользу более безопасной двухкомпонентной схемы — отдельные баки для горючего, отдельные для окислителя.
Читайте также
Освоение космоса в СССР началось с Петропавловской крепости
Работы над двигателями серии ОРМ Газодинамическая лаборатория начала в 1930-х годах, и к 1933-му был создан достаточно мощный образец ОРМ-52 с тягой 300 кгс. Под этот двигатель был разработан целый ряд реактивных летательных аппаратов («РЛА-1», «РЛА-2» и так далее), но их образцы «в железе» не создавались. По задумке инженеров, РЛА должны были взлетать на высоту нескольких километров и выбрасывать контейнер с метеоаппаратурой, которая затем опускалась бы на землю на парашюте. ОРМ-52 прошел официальные государственные испытания, правда, только на стенде. На одном из запусков образца двигателя в 1933 году присутствовал начальник вооружения Красной Армии маршал Михаил Тухачевский и дал работе лаборатории Глушко положительную оценку.
В 1934 году коллектив Газодинамической лаборатории из Ленинграда был объединен с московской группой изучения реактивного движения (под руководством Сергея Павловича Королева) в Реактивный научно-исследовательский институт. Ученые совместными усилиями продолжили разработку двигателей и носителей под них. Коллектив Глушко создал образцы с номерами от ОРМ-53 до ОРМ-102. В частности, двигатель ОРМ-65 разработки Глушко ставился на созданную Королевым крылатую ракету — «объект 212». В 1939 году прошли ее испытания — ракета с ОРМ-65 достигла высоты 250 м, когда преждевременно раскрылся ее парашют. Двигатель ОРМ-65 работал на азотной кислоте и керосине, развивал тягу 150 кгс и мог работать до 80 секунд.
Двигатели для баллистических и космических ракет
С 1946 года Глушко был назначен главным конструктором ОКБ-456 в Химках (сейчас НПО «Энергомаш» — главный разработчик и производитель российских ракетных двигателей — прим. ТАСС). Здесь под его руководством созданы двигатели для первых советских баллистических ракет Р-1, Р-2 и Р-5.
В 1954–1957 годах коллектив ОКБ-456 разработал жидкостные ракетные двигатели РД-107, которые впоследствии будут устанавливаться на знаменитую ракету Р-7, сконструированную коллективом ОКБ-1 под руководством Королева, так называемую королевскую семерку. Это была первая в мире полноценная межконтинентальная баллистическая ракета с максимальной дальностью полета 8 тыс. км и одним термоядерным зарядом мощностью 3 мегатонны. Первый запуск Р-7 состоялся 15 мая 1957 года, на вооружение Ракетных войск стратегического назначения она была принята в январе 1960-го.
Жидкостный ракетный двигатель «РД-107» бокового блока ракеты-носителя «Восток»
© Черединцев Валентин/ТАСС
На базе Р-7 был создано целое семейство ракет космического назначения. В частности, знаменитый «Восток», на котором 12 апреля 1961 года в космос отправился Юрий Гагарин. Модификации этой ракеты используются до сих пор — с грузовыми кораблями и спутниками в космос стартуют ракеты серии «Союз-2», с пилотируемыми — «Союз-ФГ» (со следующего года запуски космонавтов будут переведены на «Союз-2»).
До сих пор на этих ракетах используются модификации двигателей, разработанных Глушко: версии РД-107 для боковых и центрального блока первой ступени и варианты РД-108 — для второй ступени.
Также сотрудники ОКБ-456 под руководством Глушко создали двигатель РД-253, который с изменениями и сейчас используется в самой массовой серии советских и российских тяжелых грузовых ракет «Протон». Последний вариант — «Протон-М» — использует на первой ступени шесть двигателей РД-276, которые являются глубокой модернизацией РД-253 Глушко.
Читайте также
«Сатане» на смену: почему утилизируют самые мощные ракеты России
Параллельно известный конструктор работал над двигателями для советских баллистических ракет, появившихся после Р-7. В частности, самая мощная на сегодняшний день и стоящая на вооружении РВСН тяжелая межконтинентальная ракета «Воевода» использует на первой ступени двигатель РД-264, разработанный при непосредственном участии Глушко.
«Энергия — Буран»
В 1974 году было создано НПО «Энергия» (сейчас Ракетно-космическая корпорация «Энергия»), в новую организацию вошло Центральное конструкторское бюро машиностроения (ОКБ-1, переименованное так после смерти Королева), а также КБ «Энергомаш» (бывшее ОКБ-456).
Глушко стал главным конструктором «Энергии», название которой, по некоторым данным, он и придумал.
Несмотря на все его усилия, НПО «Энергия» не получило заказ от государства на разработку двигателей под ракету сверхтяжелого класса Н-1 для советской лунной программы. Идеи конструктора были отклонены из-за токсичности предложенных им компонентов топлива. Позже он в своих письмах не оставляет планов покорения Луны, в частности, предлагает руководству страны в течение десяти лет разработать и создать систему доставки космонавтов к естественному спутнику Земли и орбитальный лунный модуль весом 60 тонн, который обеспечит высадку на Луну трех космонавтов. Однако этим планам не суждено сбыться.
Универсальная ракетно-космическая транспортная система «Энергия» с орбитальным кораблем многоразового использования «Буран» на стартовом комплексе космодрома Байконур, 1988 год
© Пушкарев Альберт/ТАСС
В 1976 году внимание Глушко переключается на совсем другую тему — создание челнока «Буран» как ответа на запуски американских многоразовых кораблей «Спейс Шаттл».