НИИМаш (Нижнесалдинский научно-исследовательский институт машиностроения) работает в космической отрасли с 1958 года. Его главный профиль – создание ракетных двигателей малой тяги. Хотя НИИМАш и специализировался на разработке двигателей малой тяги. В истории института сложились другие обстоятельства. Коллектив салдинцев стал частью мегапроекта по реконструкции сооружений для испытания ракетных двигателей РН сверхтяжелого класса.
НИИМашу доверили не только создание двигателей малой тяги. В начале 1980 года на полигоне НИИ г. Нижняя салда был введен в эксплуатацию НИК-201 (Научно-Испытательный Комплекс 201). Специальное сооружение для испытания двигателей РД-0120 РН Энергия.
НИИМаш в 80-е года занимался:
1)Наземной отработкой стендовых систем для испытаний РД-0120.
2) Системами и агрегатами для наземной инфраструктурой снабжения стендов. Совместно с УралВагонЗаводом.
3) Технологией крупномасштабного использования жидкого водорода. Совместно с УралВагонЗаводом.
Общая Высота данного стенда -комплекса составляет около 72 м. Могут испытываться двигатели тягой до 250 тс.
Позднее появился дополнительный комплекс 301. Здесь также шла отработка двигателей РД-0120 РН Энергия.
И позволю напомнить читателю, что именно на стенде 301 в 2022 году испытывался ракетный двигатель уменьшенный демонстратор Многоразовой системы Корона. Хотя станция предназначалась для испытания двигателя РД-0120 сверхтяжелых ракет.
Итог испытаний и строительства:
В общем и целом на Среднем Урале появилась уникальная испытательная база кислородно-водородных двигателей больших тяг. И уникальная инфраструктура хранилища криогенного топлива и подачи этого топлива к огневым стендам для отработки двигателей сверхтяжелых ракет (см. фото 7).
Для этого были созданы специальные системы и оборудование, позволявшие имитировать условия работы двигателей на старте и в полёте, что обеспечивало получение необходимых данных по взаимодействию двигателей с системами ракеты (с баками и электро и пневмоустановками). Имея. То, что было в наличии. Методом проб и ошибок. Огневые испытания РД-0120 шли в непрерывном режиме – за год до 80 пусков РД-0120 на стендах. Нижняя Салда стала основным потребителем жидкого водорода в СССР, только в первом полугодии 1988 года сюда пришли 347 цистерн.
Что было получено от этих испытаний?
Салдинцы сделали прорыв в информативности испытаний: была повышена точность измерения основных параметров двигательных установок ДУ. Она не уступала той, что была у США. При этом использовалась отечественная аппаратура систем измерения и управления.
Другими словами. На стендах в Нижней Салде отрабатывалось отечественное оборудование средств измерения и управления на двигателях РН сверхтяжелого класса. С этого оборудования были получены точные данные работы в циклограммах работы водородных двигателей РД-0120 такого масштаба и размера.
Была получена тяга испытанных двигателей РД-0120:
В вакууме 200 тс; На уровне моря 156 тс. При давлении в камере 22 атм.
В то время как у США для водородного аналога RS-25
В вакууме 223 тс; На уровне моря 181 тс. При давлении в камере 19 атм.
Однако этого было не достаточно. Так как требовалось испытание не только двигателей центральной ступени РН Энергия. Но еще и самой центральной ступени РН Энергия вместе с двигателями. Для анализа аварийных ситуаций работы системы в целом. И определения динамических циклограмм работы нижней ступени в целом для последующего горячего разделения с верхней ступенью в космосе. По аналогии. Как это было сделано в космическом центре имени Джонна Стенниса.
А единственный стенд динамический испытаний (СДИ в составе УКСС) РН Энергия построенный на Байконуре не обеспечивал работы систем нижних ступеней по отдельности во время их горячего разделения. Имитации высотных условий. См рис 3. И был специально создан для динамический испытаний только РН Энергия-Буран. Но никак ни для будущих систем РН Энергия в целом. Например Энергия 7В и ей подобных.
Резюмируем вышесказанное. Отработка ракетных двигателей сверхтяжелых ракет не проходила в одном месте с отработкой нижней ступени РН Энергия. Отработка проходила в разных местах.
а) Двигатели РД-0120 испытывались на полигоне НИИ г. Нижняя Салда.
б) Для центральной ступени РН Энергия требовалась совершенно иная испытательная станция, работающая с водородом.
в) Боковые блоки Энергии от ниж.ступеней РН Зенит испытывались на ИС-102. выше г. Пересвет.
г) В целом РН Энергия испытывалась на УКСС на Байконуре.
Получен огромный опыт по разработке систем стендового оборудования для стендов НИК-201 и НИК-301 в г. Нижняя Салда.
Что можно было предпринять для сооружений испытательных станций РН Энергия?
Единственной и 2 базой для испытаний РН Энергии боковых блоков ДУ РН Зенит для сверхтяжелых ракет была станция ИС-102 выше города Пересвет в Московской области. Там где на стенде испытывались блоки диаметром от 8-10 м лунной ракеты USSR, работающие на керосине и жидком кислороде.
Но для испытания центральной ступени РН Энергия ИС-102 сооружение необходимо капитально реконструировать и вводить новое базовое оборудование для испытания центральной части РН Энергия на водороде. Проводить и увеличивать трубопроводные системы для водорода. Вводить Емкости хранения водорода. Создавать дополнительно инфраструктуру для перемещения и хранения криогенных компонентов пониженных температур.
И отсюда у любопытного читателя возникает вопрос. Почему же раньше в 1970-е нижние ступени сверхтяжелой лунной ракеты USSR испытывались на базе ИС-102 , но затем в 1980-е на базе ИС-102 испытывались только боковые блоки РН Энергия - нижние ступени РН Зенит? Неужели нельзя было еще и центральную ступень РН Энергия испытать на стенде ИС-102? Почему РН Энергия в целом испытывалась только на Байконуре?
Ответить на этот вопрос можно по разному:
1) В то время. У USSR не было большого опыта работы с водородом в таких огромных масштабах. В систему ИС-102 необходимо было вводить дополнительные оборудование и системы работы с водородом (ингибиторы отказа ступени). Поэтому центральную ступень РН Энергия побоялись испытывать в том же месте, где испытывались боковые ступени, работающие на керосине. Так как РН Энергия была многотопливной ракетой.
2) В 1980-х. Введение дополнительных больших двигателей на водороде РД-0120 потребовало от НПО Автоматики вводить дополнительное оборудование в больших отдельных огневых стендах НИК 201 и НИК 301 неподалеку от разработчика этих систем (г Екатеринбург ->г.Нижняя Салда) для отработки двигателей РД-0120.
3) В 1980-х. Было очень мало данных о свойств материалов, работающих в среде такого двигателя. Географическое положение испытаний. На металлургическом предприятии Верхней Салды разрабатывались новые сплавы для двигателя РД-0120.
Что касается станции ИС-106. То она предназначена для отработки не нижних ступеней, работающих на водороде. А разгонных блоков, работающих в условиях вакуума или близких к вакууму. Структура стендов ИС-106 построена таким образом, что предназначается для испытаний частей двигателей. А при сборке всех частей двигателя в единое целое, в двигатель. Далее. Испытания всего водородного двигателя в целом. А при сборке водородного двигателя в составе Разгонного блока. Далее. Испытания водородного разгонного блока с двигателем в целом.
Новый двигатель РД-0120М для
супертяжелых и сверхтяжелых ракет
Используя опыт, накопленный при создании РД-0120, выполнены работы по оценке возможности разработки на его основе трехкомпонентного (кислород-керосин-водород) двигателя РД-0750. На предприятии КБХА в пригороде города Воронеж проведены проектные, расчетно-исследовательские и экспериментальные работы, а также испытаны модельные и полноразмерные трехкомпонентные газогенераторы, подтвердившие работоспособность агрегатов.
Тяга согласно экспериментам трех компонентной версии 160 тс (советской водородной версии RD-0120) до 144 тс (для русской керосиновой RD-0750). Это было временным решением для перехода на другие компоненты топлива. Расчеты и эксперименты подтвердили возможность использования связок топлив «кислород - керосин» и «кислород - метан».
Другие параллельные работы КБХА, проведенные с 1987-1993 для двигателя RD-0120М, показали возможность замены водорода метаном. При значительном увеличении тяги на уровне моря на 9%.
160.7тс - (советской водородной версии RD-120)
175.3тс - (русской метановой версии RD-120М)
В 1991-1993 гг. для фирмы SEP выполнены проектные работы по оптимизации схемы и параметров кислородно-водородных ЖРД, а в 1994 г. начата программа «Рекорд», в которой помимо SEP участвовали: DASA (Германия), Fiat Aero (Италия), Volvo (Швеция), Techspace Aero (Бельгия).
Целью программы являлась разработка математической модели двигателя с замкнутой схемой на основе РД-0120. Финансирование программы велось за счет средств фонда TACIS и агентства ЕКА.
КБХА совместно с ИЦ им.М.В.Келдыша проводит исследования по программе создания перспективного ЖРД (проект ТЕХОРА) в рамках соглашения РКА - DARA (Германское космическое агентство). С 1993 г. филиалы компании Aerojet RocketDyne занимались маркетингом RD-0120 и его модификаций на американском рынке.
Первоначально новый двигатель RD-0750 предназначался для использования в перспективных вариантах РН «Ангара», позднее рассматривалось применение в будущих многоразовых, в т.ч. одноступенчатых системах, таких как МАКС. А версия RD-0120М в центральных ступенях сверхтяжелых ракет, работающих в целом на СПГ. На стендовой базе КБХА были проведены автономные огневые испытания трехкомпонентного газогенератора. В последующем был собран демонстрационный двигатель RD-0750D, который в 1998 г. испытывался на стенде B2a ИС-106 НИИХИММАШ (Сергиев Посад).
Двигатель RD-0750D прошел серию сертификационных испытаний в НИИ-Химмаш (г.Сергиев Посад). И после 2000-х был транспортирован на базу США в в Центр им.Маршалла. Это же соглашение (РКА - DARA) предусматривало дальнейшую работу под эгидой РКА над трехкомпонентным двигателем RD-0750.
Далее история этого двигателя RD-750 плавно прерывается. Сейчас КБХА включилось в разработку малоразмерных кислородно-водородных ЖРД для разгонных блоков и межорбитальных буксиров, после фактического свертывания программы мощного кислородно-водородного двигателя РД-0120 Центральной ступени РН Энергия.
Рекомендации и планирование в ракетостроении к 2030-40 годам:
1) Наблюдается хорошая тенденция по реформированию базы ИС-102 для испытаний нижних ступеней РН , работающих в целом только на метане.
2) Существует возможность но сегодня нет программы Роскосмоса такого же реформирования стендов НИК-201 и НИК-301 в г. Нижняя Салда для ракетных двигателей сверхтяжей работающих на метане. Нет окончательных разработок метанового двигателя RD-0120М. Нет программы Роскосмоса на создание эскизного проекта на новый стенд для испытания нижних ступеней для имитации высотных условий (см пример как на фото 8).
4) Еще важно в каком месте может быть выбрано сооружение для реконструкции и насыщения его оборудованием ИС. Для конкретных испытаний необходимы конкретные объемно-планировочные решения и конфигурация фасадов подобранных сооружений.
5) Необходимо чтобы воспроизводство топлива находилось неподалеку от космодрома. А ИС находились неподалеку от этих мест воспроизводства топлива.
Источники:
1) Подготовка Нижне Салдинских стендов-сооружений к испытаниям космической системы Энергия.
2) Видео об испытании двигателя РД-0120.
3) Хронология испытаний двигателя РД-0120 и центральной ступени Энергия.
4) Об этапах реконструкции Нижне Салдинских стендов до и после 2025 года.