- Среда. История ракет, самолетов, двигателей
История ракетной техники характерна тем, что пережила время насмешек и конфликтов, неудачных испытаний и жертвенного труда, и вышла на уровень, о котором человечество веками могло лишь мечтать. А ведь раньше подобных мечтателей наказывали за вольнодумство!
Несколько слов об основах темы
Ракетные двигатели - двигатели, которые имеют "на борту" реактвного устройства полный запас реактивных компонентов. Я сразу не написал "запас топлива и окислителя" по одной причине. Не все ракетные двигатели используют реакцию горения. Более того, не все используют химические реакции.
Пример - разложение перекиси водорода (двигатель Вальтера) или двигатели на сжатом воздухе, либо сжатом воздухе и воде. Они не такие энергоемкие и эффективные, поэтому не нашли широкого распространения. Другой пример - ядерные, плазменные или фотонные двигатели. Они не химические, но в перспективе имеют хороший потенциал развития.
В основе этой статьи - история ракетных двигателей, использующих реакцию горения. Они условно делятся на два класса - твердотопливные (ТТРД) и жидкостные (ЖРД).
Начало
Никто уже и не помнит, кто и когда придумал "оседлать огнедышащего дракона", кто создал первую пороховую ракету. Историки считают, что это дело рук итайцев. Порох изобрел алхимик Сунь Сы-мяо в 7 веке, а ракеты появились в 8-м веке нашей эры. Их использовали и в фейерверках, и в военном деле.
Интересно, что с тех пор, и до 20-го века яркого прогресса у пороховых ракет не было. Вот общая схема ракеты с пороховым (твердотопливным) двигателем:
На твердом топливе
В первую мировую и позже шли испытания боевых твердотопливных снарядов. В середине 20-го века их квинтессенцией становятся снаряды наших "Катюш", которые продолжали развиваться и после Второй мировой. А позже широкое распространение нашли твердотопливные двигатели для боевых баллистических ракет, ракет классов "воздух-воздух", "воздух-земля".
В космической же технике самымое известное применение ТТРД нашли в боковых ускорителях Спейс Шаттлов.
Идеи о пилотируемых пороховых ракетах были высказаны Николаем Ивановичем Кибальчичем, изобретателем и народовольцем, еще в 1881 году. Он придумал интересные решения для управления процессом горения, устройства подачи пороха в камеру сгорания, изменения вектора тяги. Однако пилотируемая космонавтика не пошла по этому пути.
Давайте рассмотрим преимущества и недостатки подобных двигателей.
ПЛЮСАМИ ракет на твердом топливе в первую очередь являются:
- Простота
- Возможность неограниченно долгого хранения заправленной ракеты и быстрая подготовка к запуску
- Низкая пожароопасность
- Отсутствие возможных утечек топлива
МИНУСЫ:
- Относительно низкий удельный импульс или удельная тяга
- Трудности управления тягой
- Невозможность остановки и перезапуска двигателя
В целом подобные движки достаточно распространены, но для "далеких путешествий" применимы только как вспомогательные.
Принцип действия всех реактивных двигателей
На то оно и "реактивное" движение, чтобы появляться в следствие "реакции" - воздействия одного тела на другое. Если вы стоите на катке на коньках и бросаете снежки, то каждый бросок создает отдачу, и вы едете в сторону, противоположную запущенному снежку.
В физике это описывается законом сохранения импульса.
В принципе, когда люди стали серьезно осваивать реактивное движение, они, казалось бы, уже наэкспериментировались с паровыми двигателями, перешли к Двигателям Внутреннего Сгорания (ДВС), начали работать над электродвигателями. И возникает вопрос, а в чем главное преимущество Реактивных двигателей вообще, и ракетных в частности? Стоило ли на них тратить время?
И ответ довольно простой. Эти двигатели могут работать в пустоте, в космосе. И, что важно, ТОЛЬКО реактивные двигатели потенциально способны развивать огромную скорость. Если говорить о космических полетах межпланетных аппаратов, то они уже достигают скорости в 17 километров в секунду. А если мы говорим о полете в воздушной среде, где есть сопротивление воздуха, то в плане потенциала роста скорости у реактивных есть преимущество перед винтовыми двигателями. Если сказать немного "поэтично", то винтовой двигатель самолета отталкивается от воздуха, а реактивный двигатель ...от части себя - от вылетающих газов! И все это - благодаря закону сохранения импульса.
С какой бы скоростью уже ни летела ракета в пустоте, если включается реактивный двигатель, скорость опять неминуемо будет расти. Как вы видите из картинки и уравнения, реактивная тяга тем выше, чем больше в единицу времени отбрасывается масса газов, и чем выше их скорость. Именно по этому пути и шло развитие реактивной техники - больше расход массы + выше скорость.
ЖРД
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) начали исследоваться в 20-е годы прошлого века. А предложена идея жидких компонентов Константином Эдуардовичем Циолковским на рубеже 19-го и 20-го веков. Именно жидкостные компоненты могут создать как больший секундный расход, так и большую скорость истечения реактивных газов.
Их преимущества - высокая тяга и управляемость - сделали их флагманами в ракетостроении.
Практически независимо друг от друга в СССР начали практические эксперименты в области реактивной тяги два коллектива сециалистов. Это группа инженеров под руководством Валентина Петровича Глушко, и другая группа под руководством Сергея Павловича Королева. Соратником Королева был еще один гениальный инженер-ракетчик Фридрих Артурович Цандер.
Газодинамическая лаборатория (ГДЛ) была создана в Санкт-Петербурге в 1921 году и работала над твердотопливными рекативными снарядами, а позже - над жидкостными двигателями. Именно там работал Глушко. А в 1931 году при ОСОАВИАХИМЕ в Москве была создана (по инициативе Королева) группа Группа Изучения Реактивного Движения (ГИРД), которая объединяла на общественных началах энтузиастов.
За то, что они работали на вдохновении, не требовали зарплат (и не получали), над ними часто насмехались, и "за глаза" называли "Группой Инженеров, Работающих Даром".
Первый жидкостный опытный ракетный мотор (ОРМ) был создан группой Глушко в 1931 году. Вот он в музее, в разрезе:
Совсем не похож на современные двигатели, правда? :)
Группа Королева в 1932-33 году тестировала Ракетный двигатель РД-09. Он был необычен тем, что использовал "полужидкое" топливо - бензин с растворенной канифолью, которое располагалось прямо в камере сгорания. А все параметры меняли за счет регулирования подачи кислорода в камеру.
Следующим был РД-10, уже с полностью на жидких компонентах - бензин и жидкий кислород, либо спирт и жидкий кислород:
Эти двигатели работали на экспериментальных ракетах ГИРД-10:
Один из главных конфликтов между Королевым, как ракетным инженером, и официальной точкой зрения партии, разыгрался по вопросу приоритетов. Королев считал, чтобудущее, даже в военной сфере, за жидкостными ракетами, а "партия" - что за твердотопливными. Именно это послужило поводом для ареста Сергея Павловича и для обвинения во вредительстве. Если не смотрели фильм "Королев", искренне рекомендую. То ли правда, то ли ложь, но считают, что Глушко давал показания против Королева в те лихие годы... Хотя мне не хочется в это верить. Порой показания на Лубянке выбивались через доведения людей до беспамятства через пытки. Скорее всего это был такой случай... Глушко тоже был осужден, но затем оставлен для работы в техбюро. Так или иначе, наши ракетные инженеры "хлебнули горя" и пожертовали годы жизни, просто потому, что верили в свое дело. А позже Королев и Глушко работали вместе.
В 1939 и 40-м годах появились и первые прототипы истребителей с ЖРД, в германии это Heinkel He-176, в СССР - БИ-1:
Сразу после войны Королева назначают возглавить разработку баллистических ракет.
Космос
Королев вскоре становится главным конструктором ракет, а Глушко - ракетных двигателей. В течение нескольких лет разрабатываются ракеты Р-1 (на основе ФАУ-2), Р-2, Р-5, Р-7. В работе над ними под руководством Глушко появляется двигатель РД-107, который затем эксплуатировался в течение десятков лет!
Именно эти двигатели стояли ракете Р-7, модификация которой известна нам как "Восток", которая унесла на орбиту Юрия Гагарина. Все наши будущие двигатели в той или иной мере основываются на модели РД-107.
Двигатель имел соединенные 4 камеры сгорания, меньший размер которых позволил легче достигать стабильного режима сгорания топлива. Высота его была 2,8 метра, диаметр 1,85 метра, а сухая масса составляла 1190 кг.
Тягу у земли РД-107 составляла 83 тонны силы, а давление в камере сгорания достигает 60 атмосфер. Компоненты - керосин и жидкий кислород.
Ракетные двигатели - уникальные устройства. Температура в РД-107 составляла 3250 градусов, обеспечивая скорость истечения газов в 2950 м/с!!! Интересный факт заключается в "хитрой" системе охлаждения стенок, ведь такие температуры требуют крайне тугоплавких и очень дорогих сплавов, при этом износ все равно будет огромным. Еще Циолковский предлагал охлаждать стенки компонентами топлива или окислителя, протекающими "внутри" по кольцевым трубчатым каналам. В итоге оказалось, что такую схему приняли изготовители двигателей во всем мире. Есть еще один момент. Топливо горит, если есть кислород. А если нет? И вот что придумали. Топливо подается в пристеночный слой в избытке таким образом, что испаряясь, дополнительно охлаждает стенки! На словах все звучит просто, но сделать это на практике было далеко не легко. Однако это работает!
За полетом Гагарина последовали новые амбициозные проекты исследования Луны и планет, а также доставка больших грузов на орбиту. Тогда появился проект ракеты "Протон" и двигателя РД-253, который начал разрабатываться в 1961 году. Его мощность, удельный импульс были еще выше. Но заплатить за это пришлось токсичностью компонентов.
Двигатель работает на паре "гептил-амил", то есть топливо - это несимметричный диметил-гидразин (НДМГ, сложный углеводород), а окислителем является тетраоксид азота.
Королев, кстати, снова жестко высказывался против амил-гептильной пары, убеждая, что важно придерживаться неядовитых вариантов топлива. Отчасти поэтому не ему поручили курировать создание и новых баллистических ракет, включая Р-16, а Янгелю. Всё из-за того, что одним из требований был отказ от пары керосин-жидкий кислород. С точки зрения военных требований это было оправдано. Но Королев настаивал на том, что важно искать нетоксичные решения.
РД-170
Рекордсменами по недежности и "популярности" стали РД-170 и следующие модификации. Эти двигатели предназначались для ракеты-носителя "Энергия", для ракет "Зенит", для комплекса "Ангара", а также продавались за рубеж. Компоненты этих двигателей также не ядовиты, работают на керосине и жидком кислороде.
В 60-е годы из-за стремления во всем обогнать Америку, СССР разрабатывал свою Лунную ракету. В первых проектах в ней должны были использоваться двигатели Глушко РД-111, а также двигатели Кузнецова НК-9, находившиеся в процессе разработки. На последних моделях на первой ступени стояли двигатели НК-33. Думаю, у нас бы все получилось, если бы не давление "сверху" и спешка. Задача синхронизации тридцати, если не ошибаюсь, двигателей первой ступени уже в целом была решена. Но испытания, как им и положено, не всегда шли гладко. На них мы потеряли несколько прототипов, а удовольствие это было дорогое. В итоге проект свернули.
Жертвы
Как и в любом новом деле не обходилось без жертв. Правильно изготовить и смонтировать двигатели - это еще полдела. 14 октября 1960 года произошло событие, которые воспринимаю чуть ли не как личную трагедию. Когда эту историю рассказывали у нас на кафедре, я очень проникся, но когда прочел множество деталей после ее рассекречивания, прям стало тяжело на душе. Боевую баллистическую ракету Р-16 разрабывали и доводили в КБ "Южное", руководил которым Михаил Кузьмич Янгель. И наша партия очень хотела, чтобы к Дню Великой Революции мы обязательно "показали американцам" успешный запуск новой ракеты. Но были сбои в системах и пуск переносился. На космодроме в Байконуре был и маршал Неделин, курируя подготовку. Когда на очередном предстартовом отсчете произошел сбой, инструкции предписывали слить компоненты, разобраться, начать все сначала.
Но сроки поджимали. Неделин, как говорят, был за ускорение процесса. Перечить ему не смогли. Так же как он сам не перечил Хрущеву. Вспоминают его слова: "Ну, как же я Никите скажу?" Решено было в обход всех инструкций проверять и исправлять недостатки прямо на заправленной ракете. Во время очередной предстартовой подготовки нештатно включились двигатели второй ступени. На площадке, да и на самой ракете в это время было множество людей. Возник пожар, взрыв, токсичные горячие газы заполнили все вокруг. Погибло по разным оценкам от 70 до 120 человек. Погиб и маршал Неделин...
Этой истории можно бы посвятить отдельную статью, но пока не хочется...
Приручение огнедыдащих драконов оказалось небезопасным процессом. И это не только в нашей стране. Повсюду ракетная техника "наказывала" нас за малейшие просчеты.
На самом деле есть еще много интересных историй и фактов. Но понимаю, что не смогу в одной статье рассказать все о химических ЖРД, поэтому перейду еще к одной теме, хорошо?
Перспективные двигатели
У химических двигателей мы видим огромный прогресс за последние десятилетия. Но есть параметры, которые создают "потолок" их возможностей. Это скорость истечения топлива, температура и давление в камере сгорания и износостойкость стенок камеры и сопла при огромных нагрузках. Но идей у нас впереди огромное количество. Вот некоторые из них.
ИОННЫЕ ракетные двигатели все еще исследуются, хотя некоторые были успешно применены. Принцип действия - разгон ионов рабочего тела в электростатическом поле до сверхвысоких скоростей порядка сотен километров в секунду и выброс их в качестве реактивной струи. Тяга современных ионных двигателей составляет максимум десятые доли ньютона. Но зато они мега-экономичны в плане рабочего тела и обладают высоким удельным импульсом. В отличие от ЖРД могут работат в течение тысяч часов без остановки и способны разогнать аппараты до скоростей, недоступных другим двигателям.
На снимке - испытание ионного двигателя на ксеноне (источник).
ЯДЕРНЫЕ ракетные двигатели имеют большой потенциал, но и существенные недостатки. В них рабочим телом может выступать атомарный водород, который, благодаря тепловой энергии двигателя, можно также разогнать до сверхвысоких скоростей.
В СССР разрабатывался двигатель РД-0410. В целом испытания были успешными, но масса радиационной защиты составляла целых две тонны. Двигатель выдавал "тягу в пустоте" в 3,6 тонны силы (сравните с 83 тонны силу у земли для РД-107) и в итоге проект был закрыт.
В США прошли успешные испытания проекта NERVA. Но по политическим причинам финансирование было резко сокращено, и двигатель не пригодился.
Ну, и конечно, к ядерным двигателям всегда будет несколько подозрительное отношение, поскольку авария потенциально черевата ядерной катастрофой. Согласны?
ФОТОННЫЙ ракетный двигатель.
Это, пожалуй, самый футуристический, но и самый интересный проект. Однако именно он и самый утопичный из всех. То есть в принципе непонятно, как его создавать. Одна идея - аннигиляция вещества и антивещества, но в реальности все не так однозначно и просто. Даже если удастся подобную управляемую реакцию осуществить, это лишь полдела, поскольку не при всякой аннигиляции вещество превращается в чистую энергию фотонов. Плюс ко всему в реализации этой идеи есть множество других технических трудностей.
Так или иначе, важно создать каким-то образом направленное фотонное излучение, которое и будет аналогом реактивной струи. В таком случае скоростью истечения будет ни много, ни мало, равна скорости света! А это значит, что околосветовые режимы движения станут возможными. Станет. Но пока нет. Совсем.
Однако все, что мы сейчас видим вокруг, когда-то было лишь несбыточной мечтой. И, кто знает, вдруг мы доживем до эпохи приручения фотонов!
Не-инженерные уроки ракетных двигателей
Здесь позвольте мне чуть пофантазировать. Как все, о чем мы прочитали относится лично к моей жизни, к моему развитию?
В отношении обстоятельств или поведения других людей мы порой склонны вести себя, что называется, "реактивно". То есть мне нагрубили - и я грублю в ответ. В коммуникации и теории зрелой личности это считается минусом. Но, с другой стороны, за счет "реактивности", по аналогии с ракетами, мы способны оттолкнуться и двигаться в нужную сторону. Если эту полушутку рассмотреть просто как метафору, то что откроется? А то, что главная задача эту "реактивную энергию" оседлать, научиться управлять ею. Интересные идеи в этом смысле высказывал Михаил Литвак в книге "Психологическое айкидо". Рекомендую!
Итак, если вы чувствуете, как в неприятной ситуации внутри "вспыхивает" реактивная энергия, летите на ней туда, куда мечтаете, а не просто "взрывайтесь" во все стороны :)
Еще один момент, уже непосредственно связанный с историей. Инженерные решения идут по пути проб и ошибок. От твердотопливных ракет, экспериментальных ракет на бензине с канифолью, до современных и даже футуристических проектов лежат не просто десятилетия. Лежат пласты мудрости, опыта, искренности в познании, самоотверженности, дружбы и коллективных открытий. Почему Королев, Глушко, Янгель и другие смогли это сделать? Потому что во главу угла ставили настоящий живой интерес. Насколько такой же настоящий интерес присутствует в том, чем вы занимаетесь каждый день? Просто задайте себе такой вопрос.
И на этом все, дорогой читатель!
- Расскажите, что было в статье самым интересным? Какие еще остались вопросы по двигателям?
- Поделитесь, чего не хватило? Либо, если видите неточности, пишите, буду рад исправить.
- Делитесь вашими предложениями, чем можно дополнить статью, либо о чем написать новую?
Спасибо вам, что дочитали до конца. Успехов, и до новых встреч!
Поскольку ДЗЕН показывает не все статьи, заходите в мой канал СЮДА!