Ракетные двигатели: фейерверк улетевший в космос.
12 век. Китай. По распоряжению императора Ю-Суна, празднование наступающего нового года должно пройти особенно пышно. И помочь в этом должно случайное открытие китайских алхимиков. Подобно многим, они упорно искали рецепт эликсира бессмертия, но смешав селитру, древесный уголь и серу получили нечто иное: чёрный порошок, который горел медленно, устойчиво и ярко. Тысячи коротких бамбуковых палок, набитых этим порошком были брошены в костры и они озарили в новогоднюю ночь первым в истории человечества фейерверком.
Сейчас этот порошок принято называть дымным порохом. Наблюдая за тем, как подпрыгивают и даже взлетают бамбуковые палки набитые порохом, средневековые китайцы быстро научились использовать реактивную тягу не только в увеселительных целях. Заглушив бамбуковую трубку с одного конца, они, по сути, сделали первый твёрдотопливный реактивный двигатель на смесевом топливе. Доподлинно известно, что бамбуковые ракеты пытались использовать и в боевых целях. Существует легенда о китайском изобретателе, сконструировавшем примитивную систему залпового огня на базе таких ракет. Как ни парадоксально это звучит, но и сейчас, твёрдотопливный реактивный двигатель, по сути, всё та же заглушённая с одного конца трубка, только выполненная из других материалов и набитая более совершенным топливом.
На протяжении многих веков это изобретение оставалось в неизменном виде, без каких-либо намёков на прогресс. Появившийся позже бездымный порох дал сильный толчок развитию огнестрельного оружия и артиллерии, но в качестве топлива для ракет оказался даже хуже чем его дымный предшественник. Акцент в разработках учёных окончательно сместился в сторону артиллерии. Впрочем случались и редкие попытки боевого применения ракет. Например в первую мировую войну ими иногда вооружали французские самолёты, чтобы сбивать вражеские дирижабли. После 100-120 метров разгона пороховым двигателем, ракета по инерции преодолевала расстояние до 450 метров. Нетрудно заметить, что конструкция этих ракет за много веков не претерпела никаких изменений.
 Французский истребитель Nieuport 16 вооружённый ракетами Le Prieur. Фото с сайта www.dieselpunks.org/ |
В начале прошлого века, после выхода в свет научных трудов К.Э.Циолковского, интерес к этому направлению возобновился. В Москве и Ленинграде появились первые группы энтузиастов занимавшихся изучением реактивного движения, из среды которых вышли первые российские конструкторы ракет и ракетных двигателей. В 30-ых годах прошлого века силами энтузиастов из ГИРД была сконструирована и успешно испытана первая в России ракета на жидком топливе ГИРД-09. Топливом для этой ракеты служил загущённый канифолью бензин, а окислителем - газообразный кислород. Двигатель развивал тягу в 50 кгс., а общий вес ракеты составлял 19 кг. В годы начавшейся второй мировой появились и первые образцы эффективного ракетного оружия с двигателями на твёрдом топливе. Одним из примеров может служить легендарная "Катюша" с ракетами РС-132. По конструкции снаряда-ракета РС-132 представлял из себя наполненный нитроцеллюлозой цилиндр с соплом. В качестве боевой нагрузки снаряд нёс 4,9 кг взрывчатки, эквивалентные по силе связке из шести противотанковых гранат. При общем весе в 42,5 кг снаряд доставлял взрывчатку на расстояние до 8,5 км.
Существующие на тот момент технологии и рецептуры не позволяли получить топливные шашки больших и стабильных по характеристикам размеров , по этому максимальная тяга развиваемая двигателями той поры исчислялась несколькими килограммами, а практическое применение сводилось к малогабаритным неуправляемым ракетам для систем залпового огня и авиации. Для снарядов "Катюш" применялись шашки диаметром до 200 мм, сгоравшие за несколько секунд. И это был предел. Для больших ракет требовались шашки гораздо больших размеров, медленно горящие и выдерживающие длительное хранение без изменения основных свойств.
Настоящим прорывом стал сконструированный в годы второй мировой двигатель для ракеты ФАУ-2. Немецкие специалисты во главе с Вернером Фон Брауном применив в качестве топлива спирт и жидкий кислород в качестве окислителя, построили небывало мощный по тем временам двигатель, развивавший тягу в несколько десятков тонн. И это был качественный скачёк позволивший конструкторам создавать по настоящему крупные ракеты, способные достигать больших скоростей и положивший начало эре освоения космоса.На несколько десятилетий жидкостные реактивные двигатели стали основой для всех новых ракет. Применявшиеся на первых порах спирт в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя оказались не самой эффективной парой и её заменили на связку керосин-кислород, которая используется и по сей день, наряду с водородно-кислородными двигателями.
Однако, для военных нужд требовались совсем другие компоненты топлива. Жидкий кислород имеет свойство быстро испаряться, а это значит, что ракета не могла долго находиться в заправленном состоянии. Стартовые комплексы получались громоздкими, а процедуры подготовки ракеты к старту длительными и сложными. Уже в начале 50-ых годах на ракетах военного назначения появились двигатели использующие двухкомпонентное самовоспламеняющееся топливо, которое позволило держать ракету в заправленном состоянии до нескольких лет.
Это решило проблему лишь частично - заправка ракет по прежнему оставалась сложной и опасной процедурой, поскольку новые виды топлива были к тому же ещё и токсичны. Взоры конструкторов двигателей для боевых ракет снова повернулись к твёрдому топливу.
Пальму первенства в разработке новых видов твёрдого топлива захватили американцы и вскоре на вооружении появились ракеты для подлодок "Трайдент" и межконтинентальная баллистическая ракета "Minuteman" стартовой массой в 29,7 т. Двигатель развивал тягу в 933 кн. С нашей стороны с небольшим опозданием последовали ракеты среднего радиуса действия РТ-15 и МБР РТ-1. При этом стало очевидно, что в вопросах создания твёрдого топлива американцы заметно обогнали своих российских коллег. Первая ступень "Minuteman" была выполнена с использованием крупногабаритной монолитной шашки, в то время как РТ-1 пришлось составлять из нескольких спаренных ускорителей с шашками небольшого диаметра.
Особенности эксплуатации обусловили и сферы применения тех или иных двигателей. ЖРД имеют наибольший среди химических двигателей удельный импульс. Они позволяют гибко управлять тягой двигателя, могут быть остановлены и снова запущены в любой момент. Твёрдотопливные двигатели погасить невозможно. Для управляемой отсечки тяги ТТРД используют ряд раструбов, направленных в сторону противоположную движению ракеты. В нужный момент пиропатроны разрушают заглушки раструбов, которые формируют тормозящую реактивную тягу.
Более низкая температура реактивной струи и омывание несгоревшими компонентами стенок сопла упрощает изготовление и снижает вес двух самых больших деталей двигателя - камеры сгорания и сопла. Баки с компонентами топлива, как правило, не испытывают больших нагрузок, что позволяет упростить их конструкцию и снизить суммарный вес ракеты. В твердотопливных ракетах, бак с топливом, по сути, является и камерой сгорания, что вынуждает делать их с большим запасом прочности и большим суммарным весом. Тем не менее, обязательное применение насосов для подачи топлива в ЖРД, сводит это преимущество на нет, применительно в малогабаритным ракетам.
ЖРД достаточно компактен и часто устанавливается на качающейся подвеске, позволяющей без проблем отклонять вектор тяги в достаточно широких пределах. Работающие на керосине или связке водород-кислород гораздо более экологичны, что особенно актуально в наши дни. В случае возврата, ЖРД чаще всего может быть использован повторно, а твёрдотопливные двигатели до недавнего времени были большей частью одноразовыми.
Твердотопливные двигатели, с другой стороны, гораздо более просты в изготовлении и соответственно более надёжные. Собранная на заводе ракета с таким двигателем, как правило, легко поддаётся транспортировке, хранению и в дальнейшем обслуживании практически не нуждается. Боевые твердотопливные ракеты могут находиться на дежурстве десятилетиями.
В наши дни, основная сфера применения твердотопливных двигателей это боевые ракеты и ускорители для ракетоносителей. Маршевые двигатели ракетоносителей и тяжёлых боевых ракет, малогабаритные вспомогательные двигатели и двигатели ориентации на космических аппаратах - это главная сфера применения жидкостных двигателей.
Ракетные двигатели рекордсмены
 |
| Самый мощный в мире ракетный двигатель - боковой твёрдотопливный ускоритель шаттла. Развивал тягу в 1400 тс. В настоящее время на его базе создаётся новый двигатель с тягой в 1600 тс. Источник фото: http://www.spacelaunchreport.com |
 |
| Самый мощный в мире жидкостный четырёхкамерный ракетный двигатель РД-170 (СССР). Развивал тягу в 740 тс. имея при этом габариты в 1.5 раза меньшие, чем американский рекордсмен F-1. Использовался на первых ступенях сверхтяжёлого ракетоносителя "Энергия" и ракетоносителя "Зенит". Источник фото: http://www.spacelaunchreport.com |
 |
| Самый мощный в мире однокамерный жидкостный ракетный двигатель F-1 (США). Развивал тягу в 680 тс. Использовался в ракетоносителе "Saturn V". Благодаря этим двигателям американские астронавты первыми ступили на поверхность луны. Источник фото: http://www.nasa.gov |
Середа Ян.