После окончания работы двигателей SRM и их отделения должна включаться в действие парашютная система, которая обеспечит мягкое приводнение этих РДТТ на поверхность океана с целью повторного их использования. В этом отношении SRM тоже является уникальным среди твердотопливных двигателей. Его корпус рассчитан, например, на двадцатикратное использование, а гибкий подшипник — на десятикратное. Теплозащита корпуса и сопла будет удаляться (струей от гидромонитора) после каждого полета и наноситься вновь. Для того чтобы ограничить динамические нагрузки на спасаемую конструкцию РДТТ, было решено отбрасывать пластиковую выходную часть сопла от отработавшего двигателя в вершине траектории его полета. Отбрасываемая оболочка сопла отрезается газами, которые генерируются кольцевым пирозарядом.
Необходимо отметить, что при создании столь крупного двигателя, каким является SRM, потребовалось провести лишь четыре огневых испытания полноразмерных экспериментальных РДТТ на стенде. Соответственно этому и затраты на разработку двигателя были небольшими. Указанное обстоятельство объясняется, в частности, тем, что корпорация Тиокол, разрабатывавшая SRM, использовала в полной мере опыт, накопленный в США в процессе создания и эксплуатации другого крупного РДТТ, который рассматривается ниже.
Двигатель UA-1205. Этот РДТТ, созданный фирмой Юнайтед Текнолоджи Сентер, используется с 1965 г, для начального разгона различных РН семейства «Ти-тан-3». Как и в МТКК «Спейс Шаттл», в них также устанавливаются два РДТТ по параллельной схеме, которые работают от старта до высоты 45 км. Одна из таких РН представлена (в полете, в момент отделения отработавших РДТТ) на последней странице обложки брошюры.
UA-1205 является самым крупным из эксплуатировавшихся до настоящего времени РДТТ. В его стальном цилиндрическом корпусе диаметром 3,05 м содержится около 193 т твердого топлива, при сгорании которого создается тяга, достигающая 5,3 МН. Продолжительность работы двигателя 125 с, развиваемый полный импульс тяги — около 500 МН с. UA-1205 (рис. 9) имеет секционную конструкцию и работает на смесевом топливе, близком по составу к тому, которое используется в двигателе SRM. Конфигурация заряда сходна с используемой в SRM, но задние торцы отдельных секций (всего их 7) не бронированы. Благодаря этому в начале работы РДТТ его тяга достигает максимального значения (которое указано выше), затем постепенно снижается до ~ 70 % и в последние 20 с резко спадает до нуля.
Рис 9 Двигательная установка с РДТТ UA-1205
В отличие от SRM в UA-1205 установлено обычное, а не «утопленное» сопло. В его конструкции предусмотрены графитовые кольцевые вкладыши (в горловине) и аблирующие материалы (фенопласты, армированные кремнеземными и другими тканями). Продукты сгорания, разгоняясь в сопле, сообщают двигателю удельный импульс 2610 м/с (в вакууме).
С целью управления полетом РН в каждом; двигателе UA-1205 предусмотрена система управления вектором тяги, основанная на несимметричном вводе вспомогательного рабочего тела — жидкой четырехокиси азота в сверхзвуковой поток газа в сопле. Для этого предусмотрены электроуправляемые форсунки, расположенные вокруг сопла примерно на середине расширяющейся части. На каждый квадрант поперечного сечения приходится шесть сблокированных форсунок, при включении которых в соответствующем месте сопла возникает боковая управляющая сила. Она обусловлена динамическим и химическим взаимодействием потоков, а также импульсом силы, создаваемым струей вспомогательного рабочего тела.
Хотя при этом осевая составляющая тяги возрастает, результирующий удельный импульс РДТТ все же уменьшается. Такой способ обеспечивает управление полетом ракеты по тангажу и курсу при использовании одного двигателя, а в случае двух двигателей (т. е. как в РН семейства «Титан-3») — и по крену. В UA-1205 четырехокись азота содержится в специальном баке, из которого вытесняется сжатым азотом. В течение полета расходуется около 80 % запаса жидкости, составляющего ~ 4 т.
С учетом РДТТ системы отделения двигательная установка на основе UA-1205 имеет высоту 26 м и массу 230 т.
РН семейства «Титан-3» являются наглядным примером эффективности использования «навесных» РДТТ с целью увеличения грузоподъемности серийных ракет, находящихся в эксплуатации. История этих РН началась с двухступенчатой межконтинентальной ракеты «Титан-2», приспособленной для вывода полезных грузов в космос. Разгон этой ракеты, использовавшейся в 1965–1966 гг. для запуска пилотируемых кораблей «Джемини», обеспечивался при помощи двух последовательно включавшихся ЖРД. Первый из них развивал тягу 1913 кН (на Земле) и работал 150 с, второй — тягу 445 кН за время 180 с.
После того как на «Титан-2» установили сверху еще одну жидкостную ступень, а с двух сторон корпуса прикрепили «навесные» твердотопливные двигатели UA-1205, стартовая масса РН возросла с 147 до 630 т, а грузоподъемность (масса полезного груза, выводимого на низкую околоземную круговую орбиту) увеличилась примерно с 3,5 до 13 т. Указанная модернизация РН была осуществлена в сжатые сроки и при денежных затратах, намного меньших тех, которые потребовались бы для создания совершенно новой РН равной мощности.
Суммарной тяги двух двигателей UA-1205 оказывается вполне достаточно, чтобы оторвать РН от земли и поднять ее на высоту в несколько десятков километров (ЖРД включаются после окончания работы РДТТ). Если подсчитать тяговооруженность для различных вариантов РН семейства «Титан-3», то окажется, что этот показатель возрос после модернизации РН с 1,3 до 1,7 g. Таким образом, разгон РН стал производиться быстрее, а следовательно, и снизились потери скорости, связанные с воздействием земного притяжения (что касается потерь на преодоление аэродинамического сопротивления, то они возросли ненамного).
Образно говоря, «навесные» РДТТ вдохнули в ракеты «Титан» новую жизнь, обеспечив им широкое использование при осуществлении американских космических программ. Ракеты этого типа — самые мощные из эксплуатирующихся в последние годы американских РН. С их применением связаны многие достижения космонавтики. Так, в 1977 г. при помощи «Титанов» осуществлены запуски двух межпланетных станций «Вояжер», которые после передачи ценнейшей информации о Юпитере и его спутниках продолжают двигаться к Сатурну. С целью сокращения времени полета указанным КА была сообщена третья космическая скорость, и они выйдут за пределы Солнечной системы.
Разгон «Вояжеров» производился при помощи пятиступенчатых РН семейства «Титан-3»: на первой ступени устанавливались твердотопливные двигатели UA-1205, на последующих трех — ЖРД и на верхней (так называемом разгонном блоке) — РДТТ. Об этом твердотопливном двигателе рассказывается далее, а здесь мы обратимся к РДТТ, которые применяются в другой РН, получившей широкое использование при осуществлении космических программ.
Двигатели РН «Дельта». В США эту РН называют «рабочей лошадью космонавтики»: ею выведено в космос больше полезных грузов, чем какой-либо другой из зарубежных ракет, причем эти грузы имеют самые различные назначения.
Первоначально «Дельта» представляла собой трехступенчатую ракету с ЖРД на первых двух ступенях и РДТТ на третьей[4]. При стартовой массе около 48 т она могла вывести 270 кг полезного груза на круговую орбиту высотой 370 км или 45 кг на вытянутую эллиптическую орбиту 185 × 36 000 км (так называемая переходная геостационарная орбита). Со времени первого полета, состоявшегося в 1960 г., «Дельта» претерпела целый ряд изменений, в ходе которых появились более мощные образцы РН, оснащенные тремя (1964 г.), шестью (1970 г.) и девятью (1972 г.) навесными РДТТ. Один из последних вариантов «Дельты» представлен на рис. 10 с расчленением на отдельные составные части. Высота этой ракеты 35 м, стартовая масса 132 т, из которых 42 т приходятся на 9 навесных РДТТ.
Рассмотрим последовательность работы двигателей данного варианта РН при выводе ИСЗ на геостационарную орбиту. По команде «Пуск» включаются жидкостный двигатель центрального блока (1-я ступень), развивающий тягу 912 кН, и 6 твердотопливных, которые создают дополнительную тягу 942 кН. В результате ракете сообщается начальное ускорение 1,4 g. Через 39 с, когда РДТТ прекращают работу, «Дельта» разгоняется до скорости порядка 400 м/с, поднимаясь на высоту около 5 км (к этому времени уже начинается разворот РН по тангажу, обеспечивающий «плавный» вывод полезного груза на околоземную орбиту). Затем включаются три оставшихся РДТТ. Такая последовательность операций вызвана необходимостью ограничить перегрузки, действующие на днища баков с жидкими топливными компонентами.
Спустя ~ 10 с после прекращения работы последних РДТТ на высоте порядка 20 км все девять твердотопливных — двигателей одновременно отделяются. Жидкостная ступень продолжает функционировать примерно до 230-й секунды полета. При этом РН поднимается на 95 км, разгоняясь до 5300 м/с. Двигаясь несколько секунд по инерции, «Дельта» поднимается еще на 10 км, после чего производится двукратное включение ЖРД второй ступени с интервалом 13 мин. Проработав в общей сложности 300 с на уровне тяги 46 кН, указанный ЖРД выводит полезный груз на высоту около 180 км, сообщая ему первую космическую скорость.
