Глушко, топливо для ЖРД и заделы разработок пылящихся в архивах
В 1945-1946 гг. советские инженеры изучали трофейную реактивную технику в Германии, что дало мощный импульс для дальнейшего развития научно-технических и производственных работ по созданию реактивной техники. 13 мая 1946 г. вышло правительственное постановление "Вопросы реактивного вооружения", в котором излагалась программа создания отечественной ракетостроительной промышленности. Этим постановлением ряду промышленных министерств поручалось воспроизведение немецкой ракеты А-4 (Фау-2) и организация переподготовки инженерных кадров для работы по созданию отечественной ракетной техники.
Глушко принимал участие в решении обеих задач. В июле 1946 г. его назначили главным конструктором ОКБ при заводе в г. Химки, на котором воспроизводился двигатель А-4; в это же время он прочитал курс лекций "Основы устройства реактивных двигателей на жидком топливе" на Высших инженерных курсах (ВИК), организованных при МВТУ им. Баумана. В рамках этого курса был прочитан цикл лекций на тему "Топливо для ЖРД", в основу которого были положены материалы курса лекций, прочитанных в 1933-1934 гг. в ВВА им. Жуковского.
Возглавив конструкторские работы по воспроизводству двигателя А-4, Глушко стал накапливать опыт обращения с новым для него кислородно-спиртовым топливом. На степень его освоения указывает успешная модернизация двигателя в части повышения тяги с 25 тс до 37 тс (ракета Р-2), а затем и до 44 тс (ракета Р-5М). Этим были исчерпаны возможности повышения тяги и удельного импульса на указанном топливе.
Следующей научно-технической задачей, поставленной политическим руководством страны перед отечественными ракетостроителями, стало создание межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Для этого потребовалось разработать не только новую конструкцию двигателя, но и заменить спирт на керосин, обладающий более высокой теплотворностью. Созданная в 1950-х годах ракета Р-7 стала не только первой в мире космической ракетой, но и до сих пор, претерпев ряд модернизаций, успешно эксплуатируется по российским и международным космическим программам. А вот в боевом исполнении эта ракета военных не устраивала из-за низкой боеготовности, т.к. криогенный окислитель требовал длительной подготовки пуска на старте.
Требование главного заказчика разработки ракет - министерства обороны - по обеспечению высокой боеготовности ракетного вооружения было выполнено при создании первой боевой ракеты среднего радиуса действия P-12. Двигатель этой ракеты работал на топливе "азотная кислота и углеводородное горючее". Ракета Р-12 была сдана в эксплуатацию в марте 1959 г. И это было только начало внедрения в практику ракетостроения высококипящего ракетного топлива.
Несмотря на большую занятость разработкой двигателей для ракет Р-5М, Р-7 и P-12, Глушко нашел возможность в этот же период времени подготовить к печати монографию "Источники энергии и их использование в реактивных двигателях" (опубликована в 1955 г.). В основу представленных в книге материалов положены как расчетно-теоретические исследования, так и результаты экспериментальных работ, проведенных на специально разработанной для этой цели камере сгорания КС-50. По сравнению с предыдущими материалами на эту же тему, книга отличается существенно большим количеством различных графиков и таблиц, в которых приводятся как свойства веществ, так и результаты расчетов их химического взаимодействия. Основные выводы и рекомендации практически не изменились.
В данной статье, носящей обзорный характер, автор счел нецелесообразным изложение подробностей новых подходов к оценкам отдельных топлив. Но один момент, отражающий возможность расширения эксплуатационных характеристик жидкого кислорода, следует привести: "Основным дефектом низкокипящих окислителей является их интенсивное испарение, затрудняющее не только хранение и транспортировку, но и эксплуатацию непосредственно на ракете или самолете. Однако существует эффективное средство устранения существующих потерь сжиженного газа от интенсивного испарения путем прекращения его кипения в объеме жидкости с помощью переохлаждения. Последнее может достигаться понижением температуры сжиженного газа ниже точки кипения при существующем давлении в баке... Применение этого средства на стартовой площадке представляет большой практический интерес". И действительно, этот способ успешно использовался при разработке и эксплуатации боевой ракеты Р-9, работавшей на кислородно-керосиновом топливе. Применение при хранении и заправке баков ракеты предварительно переохлажденного кислорода на 10...12 °С ниже точки кипения в истории нашей ракетной техники связывают с именем В.П. Мишина, который действительно приложил много сил для внедрения переохлажденного кислорода.
Кроме теоретических исследований, чтения лекций и выпуска книги о ракетных топливах, Глушко вел большую практическую работу по применению различных компонентов топлива. С конца 1940-х годов он имел тесные связи с руководством и научными сотрудниками Государственного института прикладной химии (ГИПХ). При его поддержке в ГИПХ была организована лаборатория по ракетным топливам, в которой исследовались возможности использования высокоэффективных химических веществ: жидкого и газообразного фтора, моноокиси фтора, аммиака и др. По заявке Глушко лаборатория ГИПХ разработала новое ракетное горючее - несимметричный диметилгидразин (НДМГ), которое с начала 1960-х годов получило широкое распространение в практике ракетостроения. Не забыл Глушко и свои первые успешные опыты с использованием азотного тетроксида (AT). По его предложению был организован промышленный выпуск этого окислителя, который заменил менее эффективную азотную кислоту. Так в отечественном ракетостроении все двигатели, разрабатываемые в ОКБ В.П. Глушко, А.М. Исаева, А.Д. Конопатова, И.И. Иванова стали работать на топливе "АТ + НДМГ". В связи с широким использованием его даже стали называть "штатным топливом".
Казалось бы, что процесс выбора ракетного топлива успешно завершен, определены два его вида, которые обеспечивали решение всех военных и космических задач. Но такое положение дел не могло удовлетворить Глушко в части повышенных требований к эффективности ракетного топлива. В развитие экспериментальных работ по повышению удельного импульса тяги в ОКБ Глушко в 1958-1960 гг. создается двигатель на топливе "кислород + НДМГ". Удельный импульс этого двигателя до сих пор является рекордным для ЖРД открытой схемы. Примерно такую же величину удельного импульса тяги Глушко намеревался получить и при использовании трехкомпонентного топлива, состоящего из AT с 50 % НДМГ и 50 % гидразина.
Начатые в середине 1950-х годов работы с жидким фтором переросли в 1960 г. в разработку проекта фторо-аммиачного двигателя тягой 10 тс с удельным импульсом тяги 400 с. Техническое задание на разработку этого двигателя несколько раз менялось, в последнем варианте двигатель предназначался для разгонного блока ракеты-носителя "Протон". Двигатель прошел все официальные стадии наземной отработки, но по причинам, не зависящим от его технических характеристик и конструкции, тема была закрыта.
По замыслу Глушко фторо-аммиачный двигатель должен был стать предварительным этапом к разработке фторо-водородного двигателя тягой 10 тс с удельным импульсом 464 с. Разработка проекта этого двигателя началась в 1961 г. и велась в течение нескольких лет, но так и не была завершена. Выбрав в качестве горючего водород, Глушко отказался от своего негативного отношения к этому компоненту топлива, которое он исповедовал с середины 1930-х годов. Позднее, в 1973 г., Глушко руководил разработкой проекта кислородно-водородного двигателя тягой 200 тс с удельным импульсом тяги 450 с. Став в мае 1974 г. генеральным конструктором НПО "Энергия", он завизировал в конце 1975 г. правительственное постановление на разработку ракеты-носителя "Энергия" с водородной второй ступенью и сумел довести этот ракетный комплекс, который, как известно, выполнил два успешных полета.
Параллельно с ведением опытно-конструкторских работ по созданию ЖРД на новых топливах, в ОКБ под руководством Глушко велись и научно-исследовательские работы. Приверженный идеям получения максимально возможных энергетических характеристик ЖРД путем использования высокоэффективных топлив, Глушко в начале 1960 г. организовал специальное научно-исследовательское подразделение.
Работы начались с изучения возможности создания ЖРД на топливе "высококонцентрированная перекись водорода (ВПВ) + пентоборан". По термодинамическим расчетам это топливо обеспечивало повышение величины удельного импульса тяги более чем на 25 % по сравнению с ранее освоенными высококипящими топливами и более чем на 15 % по сравнению с кислородно-керосиновым топливом. Освоение ВПВ открывало дальнейшие перспективы реализаций высококипящих топлив. В случае замены пентоборана на гидрид бериллия энергетические характеристики нового топлива мало уступают наиболее высокоэффективному среди криогенных топлив, каковым является фтор с водородом, и в то же время несколько превосходят характеристики кислородно-водородного топлива.
Во второй половине 1960-х годов были проведены расчетно-конструкторские и экспериментальные работы по изучению возможности создания двигателя на топливе "ВПВ и порошкообразный гидрид бериллия". Были получены ценные результаты по организации рабочего процесса в камере сгорания и конструкции системы подачи псевдоожиженного порошкообразного горючего. К сложности освоения гидрида бериллия необходимо отнести его высокую токсичность, а также трудности с организацией процесса горения металлизированного топлива и истечения из сопла двухфазных потоков. В результате научно-исследовательских работ, проведенных в ряде НИИ и ВУЗов, были определены константы горения и оценена полнота сгорания гидрида бериллия.
Исследовалась также возможность создания ЖРД на топливе "ВПВ с керосином". Получаемая в этом случае величина удельного импульса тяги несколько уступала кислородно-керосиновому топливу, но поскольку высококипящая ВПВ имела эксплуатационные преимущества перед криогенным жидким кислородом, ВПВ рассматривалась как перспективный компонент ракетного топлива. В сравнении же с высококипящим топливом типа АТ+НДМГ отмечались не только повышение удельного импульса тяги, но и возможность радикально уменьшить трудности в решении проблемы экологической безопасности.
Общее состояние работ по перекисно-водородной тематике позволило провести проектную разработку ряда ЖРД с высокими реально достижимыми характеристиками. Эти двигатели предназначались для установки в ракеты как военного, так и космического назначения. Часть проектов была доведена до проведения огневых испытаний экспериментальных двигателей. Однако в 1976 г. КБ Энергомаш приступило к разработке кислородно-керосиновых двигателей дня космических ракет "Энергия" и "Зенит", и работы по перекисно-водородной тематике были прекращены.
Подводя итог этому направлению исследований, следует отметить, что был создан основательный научно-технический и конструкторский задел, позволяющий при необходимости создать в сжатые сроки высокоэффективные ЖРД, работающие на ВПВ в качестве окислителя. С тех пор прошло более 30 лет, и сделанный мажорный вывод не соответствует сегодняшней действительности. Ушли на пенсию или из жизни основные разработчики этой тематики, утрачено специальное технологическое оборудование, потеряны кооперационные связи со смежниками, в первую очередь с изготовителями BПB и т.д. Оказался невостребованным мощный пласт научно-технических идей и конструкторских разработок. И все-таки будущим поколениям ракетостроителей, решившим разрабатывать ракеты с перекисно-водородным окислителем, немалую помощь в работе окажут сохраняющиеся в архиве чертежи двигателей и научно-технические отчеты о проведенных работах и полученных результатах.
Полностью http://engine.aviaport.ru/issues/58/page38.html
Россия еще имеет шансы использовать результаты разработок Глушко, но скоро они уменьшатся до 0.