Читать предыдущую часть. <<<
В предыдущей части мы поговорили о том, как технология твердотопливных ракет стала применяться для целей космонавтики и о характеристиках используемого топлива. Продолжим рассмотрение инженерных особенностей и возможностей "пороховых" ракет.
Итак, мы остановились на том, что твердотопливные ракетные двигатели (ТТРД) гораздо проще по конструкции, чем жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Одновременно с этим, особенности концепции ТТРД и физические характеристики твердого топлива таковы, что показатель удельного импульса уступает жидкостным ракетам. Однако, второй важный показатель любого ракетного двигателя - это создаваемая тяга, и это особенно важно на старте, когда аппарату необходимо преодолевать земное тяготение и плотные слои атмосферы.
Здесь мы приходим к неоспоримому преимуществу твердотопливных ускорителей, поскольку по силе тяги они, в среднем превосходят ЖРД. Возьмем, к примеру, твердотопливный ускоритель Solid Rocket Booster (SRB), разработанный для космического челнока Space Shuttle. Это классический ТТРД, и на момент своего создания он являлся самым большим двигателем подобного рода - его тяга составляла 1500 тонн силы. Более того, эта модель не только была неотъемлемой частью системы запуска шаттлов, но и впоследствии была модифицирована для новой лунной ракеты NASA SLS. И новая вариация способна выдавать тягу в 1630 тонн силы.
Для сравнения, рассмотрим самые мощные жидкостные двигатели из когда-либо созданных. Один двигатель Rocketdyne F-1, созданный для сверхтяжелой ракеты Saturn-V обеспечивал тягу около 690 тонн силы. Еще более мощный советско-российский двигатель РД-170, созданный для ракеты Энергия выдавал примерно 745 тонн силы. Но корректно ли вообще сравнивать эффективность этих тяговых характеристик, учитывая особенности устройства ТТРД? Ведь "пороховые" двигатели являются одновременно и топливным баком, а ЖРД существуют сами по себе и, теоретически, могут быть установлены на ракету с любым объемом бака.
Чтобы понять, насколько корректны такие сравнения, сначала поговорим подробнее о конструкции ТТРД на примере все того же "шаттловского" ускорителя SRB.
Структурно он представляет собой многосегментную стальную трубу с толщиной стенки в 13_мм. Внутренняя часть этой трубы покрыта специальным термозащитным слоем, который предотвращает выгорание стали в процессе работы двигателя. Внутри находится массивная "пороховая шашка", это то самое твердое топливо, которое мы обсуждали в предыдущей части статьи. Значимой частью устройства также является сопло, выполненное по принципу, аналогичному другим ракетным двигателям - оно служит для увеличения скорости истечения реактивных газов.
Так же, как и многие жидкостные двигатели, SRB обладает системой управляемого вектора тяги. Эта система позволяет менять направление реактивной струи, выбрасываемой из двигателя, управляя ориентацией сопла. Благодаря этому, возможно более точное управление направлением полета, что критически важно для выхода на необходимую траекторию.
Таким образом, в контексте ракетных технологий - "ничего сложного" в этой инженерной конструкции нет. Нет большого количества подвижных частей, турбонасосов, криогенных топливопроводов, нет устройств дросселирования и еще многих деталей, актуальных для ЖРД. И эта простота в ракетостроении часто является желанным качеством, так как она может уменьшить стоимость и упростить производство и обслуживание. Однако важно понимать, что простота не всегда означает высокую эффективность. Хотя твердотопливные двигатели и состоят из сравнительно небольшого количества деталей, главным минусом их конструкции является массивность.
Статья о трагедии, вызванной недочетом в проектировании SRB:
Чтобы понять, насколько ТТРД тяжелее, чем их жидкостные собратья, рассмотрим параметр, известный как характеристическая масса. Он определяется отношением массы полностью заправленной ракеты к её сухой массе. Этот показатель прямо связан с формулой Циолковского, которая говорит о том, что чем выше характеристическая масса, тем большую скорость может достичь ракета, при одинаковом удельном импульсе. Проще говоря, чем большая часть массы ракеты представлена топливной смесью, тем большую скорость ракета может развить.
Напомним, ТТРД является одновременно топливным баком и двигателем, поэтому для сравнения нам понадобится рассматривать характеристическую массу жидкостных ступеней в сборе, включая и топливные резервуары и сами двигатели. Например, первая ступень ракеты Saturn-V имеет достаточно высокое отношение массы в заправленном виде (2300 тонн) к "сухой" массе (130 тонн) - и образует показатель более 17 к 1.
В случае с твердотопливным двигателем шаттла SRB, который также можно рассматривать как отдельную ступень, его масса в заправленном виде составляет 583 тонны, а "сухая" масса - около 82 тонны. Таким образом, характеристическая масса этого ускорителя составляет около 7 к 1. Это связано с тем, что для жидкостных ракет материалы и структура топливных баков традиционно легче - ведь баку с жидким топливом не нужно выдерживать изнутри высокое давление и температуру от сгорания топлива.
Все это возвращает нас к вопросу о сравнении тяги жидкостных и твердотопливных двигателей. С одной стороны, ТТРД действительно могут без проблем выдавать значения тяги, которые являются настоящим вызовом в контексте конструирования ЖРД. С другой стороны, "пороховые" ускорители являются крайне массивными и неоптимальными с точки зрения характеристической массы. Если мы подставим значения характеристической массы и удельного импульса ТТРД в формулу Циолковского, станет очевидно, насколько они уступают жидкостным двигателям.
Например, если бы мы хотели запустить первую ступень ракеты Saturn-V без других ступеней сверху, и без полезной нагрузки, она бы достигла скорости в 8700 м/с. Теоретически, этого даже может быть достаточно для выхода на низкую околоземную орбиту. Но если мы отдельно запустим ускоритель SRB, его максимально достигнутая скорость составит всего 4700 м/с. Получается, что твердотопливные ускорители в среднем действительно могут оторвать от земли бо́льшую массу, чем жидкостные. Но делают они это крайне неэффективно - весь этот огромный вес они могут вывести на гораздо более скромные траектории полета.
Но и эти особенности ТТРД не являются исчерпывающими аргументами в вопросе, являются ли такие ракетные двигатели лучше или хуже жидкостных. Подведем краткий итог, если сравнивать твердотопливные двигатели с ЖРД, то в среднем они имеют:
- Меньший удельный импульс,
- Большую силу тяги,
- Более простую конструкцию,
- Конструкция при этом массивнее,
- Меньшую эффективность в следствие малой характеристической массы и малого удельного импульса.
Мы все еще не затронули вопросы многоразового использования и экономической эффективности этой технологии, и сделаем это в следующий раз.