Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей
Эскиз многосегментного твердотопливного ускорителя для Space Shuttle, 1977.
Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты - только предыстория очерка.
Пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.
Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме. А есть и еще более удивительные источники о многоступенчатых пороховых ракетах: саксонец в Румынии Konrad Haas и баварец Johann Schmidlap, авторы описаний таких ракет еще на век ранее.
2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.
Патент Годдарда 1914 года на многоступенчатую пороховую ракету с дискретной подачей зарядов бездымного пороха.
- В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях. Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.
В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.
Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.
4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман - американский аэродинамик - чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.
При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника - фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.
5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.
В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.
После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы - асфальты, смешанные с окислителем - перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.
Но это после войны. А за время ее главное достижение - пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной неуправляемой ракете Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).
Click to viewНа асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех! Первое применение смесевого топлива.
- Примечание: это не первый твердотопливный ускоритель взлета. Первые, видимо, немцы: Уго Юнкерс в 1928 испытал гидросамолет с пороховым ускорителем взлета. Но речь не о порохах, а о смесевом топливе космических ракет.
Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:
1. 1949, Hughes AAM-A-2 Falcon (семейство развилось в Phoenix).
2. 1951, Redstone Arsenal M31 Honest John (на вооружении в США до 1982).
3. 1955, Lockheed X-17 (первая многоступенчатая такая ракета и прообраз Polaris).
4. 1958, Lockheed UGM-27 Polaris A-1 (семейство развивалось до Trident-1). Опыт с работой ускорителя JATO под водой провели еще в 1943.
5. 1961, Boeing LGM-30 Minuteman-1 (семейство до сих пор на вооружении).
6. 1960, NACA Langley center Scout X-1 (это Castor, в основе, - первая ступень Polaris; универсальная ступень многих космических ракет-носителей по сию пору).
7. 1965, Aerojet AJ-260-2 - опытная твердотопливная первая ступень вместо использовавшейся на Satun IB. Тяга 1800 тс, самая большая тяга одного двигателя в истории. Собственная масса ступени - 830 т. Прообраз первых ступеней Space Shuttle, Ares, SLS.
Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.
Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout - самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.
Надо бы закончить на Trident-II - 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB - 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как верхняя ступень современных космических носителей.
Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист, член Ордена восточных тамплиеров Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952). Джон погиб при взрыве домашней лаборатории перед переездом в Месксику и далее в Израиль!
Добавлю познавательное видео об изготовлении второго по тяге двигателя, для SLS, - 1600 тс:
Схема обслуживания ракеты Trident II D5 на лодке.
Высота это важнейший параметр лодочной ракеты, определяющий стоимость корпуса лодки.
Подобное обслуживание ракеты с ядовитым толпивом было бы затруднено. Одна из важных предпосылок надежности.
* * * *
И для сравнения летопись достижений последователей:
- В СССР работы начаты в 1959. В 1959 в СССР попала AIM-9 из Китая, а в 1960 Р-13 на ее основе начала испытания. В 1961 начали проект МБР РТ-2, испытания с 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Нет, не все.
- Еще в 1962 испытана "твердотопливная МБР" РТ-1, разрабатывавшаяся с 1959. Но на нитроглицериновом порохе в четырех стеклопластиковых корпусах, диаметром по 800 мм. Испытания неудачны.
- В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ступени для Vega и будущей Ariane 6.
- В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семейства Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции и В СССР), а в 1970 - удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Смесевое топливо разработано самостоятельно. Но уже Mu на основе технологии американских Castor и Nike. С 1966 сильно, а потом и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет обозначают греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), теперь Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени. А еще, их ускорители первой ступени имеют сейчас рекордный среди смесевых удельный импульс (расход топлива).
- В Индии космическая программа началась в 1962, пуск смесевой американской Nike-Apache (1963). Потом семейство малых геодезических смесевых ракет Rohini (1965) - доработок Nike. Пустили твердотопливный носитель SLV (1979) с малым спутником (1980); далее ASLV (1987), смешанные PSLV (1993). И вот GSLV (2010), у которого центр на НДМГ, а два твердотопливных ускорителя S200 - третьи по тяге после самых мощных американских и французских: заряд 200 т, тяга под 800 тс. Собственно, индийские работы теперь ближе к прежнему Ariane 4 и его технологиям P230. То есть топливо у них модное HTPB. По твердотопливникам обставили Китай.
- Этот очерк без выводов. Не перевод и не конспект, а факты с датами.