Ракетные двигатели твердого топлива в космических программах США

Ракетное вооружение США различного назначения создавалось преимущественно на базе ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). Отечественные ракеты стратегического назначения длительное время создавались на базе жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Примерно к 1985 г. был достигнут паритет по всем показателям и по уровню энергомассовых характеристик маршевых РДТТ для ракет стратегического назначения СССР и США. Отечественные разработки были, как правило, оригинальными и эффективными. При надлежащем финансировании отечественные РДТТ могут производиться для боевых систем любого назначения. Но в отношении использования РДТТ в космических программах для средств выведения или межорбитальной транспортировки сложилось совсем другое положение.

Если автоматический перенос опыта США в использовании твердотопливных ускорителей применительно к российским условиям далеко не бесспорен, то опыт двойного применения достоин изучения. Следует отметить, что:

• все важнейшие американские разработки осуществлялись в интересах боевых систем. Топливо HTPB (МБР Minuteman) широко используется во многих РДТТ космического назначения, но более эффективное топливо NEPE применяется только в БРПЛ Trident-2;
• объемы производства топлива и материалов РДТТ космического назначения в настоящее время значительно превосходят военную составляющую.

Структура твердотопливного двигателестроения США несколько отличается от отечественной. Фирма Thiokol Corporation разрабатывает рецептуры твердого топлива, корпуса и т.д. Фирма Alliant Techsystems Inc. (которая является двигательной фирмой в нашем, российском понимании) изготавливает сопловые блоки и т.д.

При создании и проектировании в США твердотопливных ускорителей (ТТУ) прослеживаются следующие основные тенденции: унификация, поэтапная модернизация, разделение на группы (навесные и многосекционные).

Установка навесных стартовых ускорителей является одним из способов повышения начальной тяговооруженности ракет-носителей (РН). Примерами многосекционных стартовых ускорителей являются ТТУ МТКК Space Shuttle (Shuttle).

Для маршевых двигателей РН легкого и среднего класса, характерным является следующее:

• применение исключительно РДТТ;
• все РДТТ ракет-носителей имеют двойного назначения.

В американских РН с полезной нагрузкой до 1,5 т и стартовой массой до 120 т используют РДТТ несмотря на более низкий, чем у ЖРД, удельный импульс тяги и, соответственно, большую стартовую массу. Это связано с простотой обслуживания, меньшей стоимостью отработки и т.д.

Наиболее яркими примерами унификации являются:

• РН Pegasus воздушного базирования, которая с самого начала разрабатывалась как боевое средство доставки и средство выведения на орбиту (с 1990 по 2000 г. осуществлено 27 пусков);
• РН Taurus, в которой используется первая ступень МБР МX (либо ее модификация — Castor-120) и все три ступени РН Pegasus (в 1998 г. были запущены две РН Taurus — одна с 1-ой ступенью МБР МX, другая — с Castor-120);
• модифицированная первая ступень МБР МХ (Castor-120) используется в целом ряде американских РН (LLV — Athena-I, -II, Delta light), а также предполагается к использованию в качестве первой ступени европейской РН Vega K3.

Фирма Orbital Sciences Corporation приступила к разработке РН (военного назначения) авиационного базирования Pegasus с апреля 1987 г. Использование Pegasus в качестве средства выведения на орбиты весьма эффективно и позволяет избавиться от зон падения.

Первоначально РН Pegasus имела длину 14,8 м, диаметр 1,27 м, массу 18,3 т без полезной нагрузки. Маршевые РДТТ изготавливает фирма Hercules. РДТТ первой ступени Orion 50S развивает тягу 49,6 тс. РДТТ второй ступени Orion 50 имеет поворотное управляющее сопло и развивает тягу 12,5 тс. РДТТ третьей ступени Orion 38 также имеет поворотное управляющее сопло и развивает тягу 4,4 тс.

После модернизации ракеты фирмой Orbital были увеличены длины первых ступеней и введена четвертая ступень (на ЖРД) HAPS (Hydrazine Auxiliary Propulsion System). Грузоподъемность возросла на 60 %. Этот вариант, названный Pegasus XL, имеет длину 16,5 м и массу 22,7 т.

Следует особо отметить высокую степень интеграции компонентов РН Pegasus XL с другими средствами выведения. Так, все три ступени Pegasus XL используются в РН Taurus, Taurus 2 и Minotaur.

Работы по программе Athena были начаты в январе 1993 г. На первом этапе были проведены испытания РДТТ I-ой ступени Castor-120 (1992 г.), а затем второй ступени Orbus 21D. Летные испытания проходили в 1994-1995 гг.

В августе 1997 г. с авиабазы Ванденберг (Калифорния) РН Athena I был запущен спутник NАSА, а в январе 1998 г. с мыса Канаверал (Флорида) РН Athena II — спутник NАSА для изучения Луны. Три запуска РН Athena состоялись в 1999 г.

Программа РН Taurus была начата в январе 1993 г. фирмой Orbital Sciences Corporation. Характерной особенностью РН является наличие баллистической паузы (порядка 205 с) после работы первых двух ступеней. На всю предстартовую подготовку требуется не более 20 суток.

Задачи межорбитальной транспортировки большинства зарубежных космических аппаратов успешно решаются применением РДТТ, что обусловлено более эффективным использованием объема головного обтекателя. Преимущества РДТТ по сравнению с ЖРД по критериям объемного импульса, удобства компоновки, размещения неоспоримы.

Первыми разгонными блоками (РБ) США являлись Burner-2 и Burner-2а, (Boeing). Эти блоки использовались в качестве верхней ступени РН Tor-Burner-2, Torad-Delta, Atlas-Burner-2.

В качестве маршевого двигателя в разгонном блоке Burner-2 и первой ступени РБ Burner-2а использовался РДТТ ТЕ-М-364-2, а на второй ступени Burner-2а — РДТТ ТЕ-М-442-1 (STAR-26), разработанные фирмой Thiokol. Более поздние модификации этого двигателя ТЕ-М-364-3, ТЕ-М-364-4 (STAR-37).

Семейство РДТТ STAR, разработанное фирмой Thiokol, обеспечивает безотказность средств межорбитальной транспортировки (СМТ) в течении более чем 20 лет.

Для межорбитальных операций при летной эксплуатации орбитального корабля Space Shuttle были разработаны два семейства разгонных блоков:

• вспомогательный модуль РАМ (Payload Assist Module), изготовленный фирмой McDonnell Douglas;
• инерционный разгонный блок IUS (Inertial Upper Stage), изготовленный фирмой Boeing.

Вспомогательный модуль РАМ выпускался в нескольких вариантах. Первым из них был РАМ-D, предназначенный для перевода полезной нагрузки массой до 1225 кг с низкой круговой орбиты на переходную эллиптическую с высотой апогея ~ 36 000 км. Впервые РАМ-D был выведен РН Delta в 1980 г., а в 1982 г. — в составе орбитального корабля Shuttle. РАМ-D использует РДТТ Star-48, разработанный фирмой Thiokol.

Модернизированный РАМ-D-2 обладает более высокими энергетическими характеристиками, благодаря РДТТ IPSM. Этот двигатель разработан фирмой Thiokol. Корпус РДТТ выполнен из кевлара, сопло поворотное. Закритическая часть сопла выполнена из графито-фенольного материала.

Межорбитальные буксиры семейства IUS (Inertial Upper Stage), разработанные фирмой Boeing, предназначены для перевода спутников на геостационарную орбиту и рассчитаны на использование в составе орбитального корабля Shuttle, а также РН Titan-34D и Titan-4 в качестве третьей ступени. В качестве двигателей буксиров применяются РДТТ SRM-1 и SRM-2 (United Technologies Corporation). Конструкция этих двигателей аналогична. Для каждого двигателя предусмотрена заправка топливной массой от 50 до 100 %, что значительно расширяет возможности РБ IUS.

Корпус РДТТ SRM-2 представляет собой уменьшенную модель корпуса SRM-1, который выполнен из кевлара и является силовым элементом всего разгонного блока. В РДТТ используется топливо марки ITP-1926А. Управление вектором тяги осуществляется поворотным устройством, допускающим отклонение сопла на угол 7° в любой плоскости.

В последние годы повышенное внимание уделяется экологическим аспектам ракетно-космической деятельности. Проводилось специальное наблюдение за концентрацией озона при стартах тяжелых РН с твердотопливными бустерами. Были проанализированы данные программы Глобальной спектрометрической картографии озона, определялись тенденции к изменчивости. Однако этот анализ не выявил никаких экологических нарушений.

Назовем несколько причин широкого использования РДТТ в космических программах США.

1. Разработка крупногабаритных РДТТ началась в США на 10-15 лет раньше, чем в СССР, что позволило быстрее выявить преимущества.
2. Преимуществами РДТТ являются:
   — структурная простота и надежность;
   — малая трудоемкость изготовления (возможна автоматизация производства основных составных частей);
   — простота эксплуатации и подготовки к пуску.
3. Заимствование разработок вплоть до полного использования РДТТ боевого назначения.
4. Сокращение стоимости РДТТ с ростом объемов производства.

Незначительное использование РДТТ в отечественных космических программах обусловлено, помимо других причин, отставанием в разработке РДТТ от совершенных отечественных ЖРД. Это, в свою очередь, предопределило создание наземной инфраструктуры подготовки и проведения запуска носителей, предназначенной преимущественно для РН с ЖРД.

Таким образом, комплексное использование РДТТ, как видно на примере США, не приводит к завышению стоимости доставки грузов в космос и обеспечивает устойчивое функционирование отрасли. В то же время отечественный потенциал используется недостаточно, что создает предпосылки нарастающего технологического отставания как в военной области, так на мировом рынке космических коммерческих услуг.

http://engine.aviaport.ru/issues/13/page18.html
ФГУП «Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша»
Михаил Куранов нач. отдела, к.т.н
Павел Курсков главный специалист по РДТТ, к.т.н.
Вадим Миронов нач. отделения, д.т.н.

Не менее интересно:

ФНПЦ «Алтай»: энергия твердого топлива
С.П. Королев считал, что жидкостные ракеты должны использоваться для освоения космоса, а твердотопливные – для решения военных задач.
Ракетные топлива для первых отечественных межконтинентальных твердотопливных ракет С.П. Королева были созданы на Алтае
http://oborona.ru/includes/periodics/defense/2011/0415/12395989/print.shtml

ФГУП «Федеральный центр двойных технологий «Союз»
ФГУП «ФЦДТ «Союз» — ведущее предприятие Российской Федерации в области химии и технологии твердых ракетных топлив и артиллерийских порохов, проектирования и отработки энергетических установок для ракетных комплексов различного назначения, космических систем, установок прямого преобразования энергии, а также создания высокоэффективных технологий двойного назначения.
Предприятие основано в октябре 1947 г. на базе опытно-исследовательского завода №512, производившего в годы Великой Отечественной войны пороховые заряды для легендарных «Катюш». Является одним из ведущих предприятий военно-промышленного комплекса Российской Федерации. Более 80% современных российских ракет снаряжено топливом, разработанным в «Союзе»
http://ugresh.ru/econom/sovdir/soyz.htm