Многоразовые ракетные двигатели: вопросы эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Многоразовые ракетные двигатели: вопросы эксплуатации

Ванин Ю.В.,

старший мастер 2 группы, механо-эрозионного участка, сборочно-сварочного цеха 222 АО «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко»

Россия, г. Химки

Аннотация

В статье рассмотрены основные вопросы, связанные с эксплуатацией жидкостных ракетных двигателей многоразового использования. В частности, описываются принципы дросселирования с примерами соответствующих характеристик отечественных и зарубежных двигателей, обсуждаются проблемы регулирования тяги и способы их решения.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, дросселирование, тяга, ракетостроение, аэрокосмическая промышленность.

Annotation

The paper deals with the main issues related to the reusable liquid-propellant rocket engines. In particular, it describes the principles of throttling with examples of corresponding characteristics of domestic and foreign engines, discusses the problems of thrust control and ways to solve them.

Key words: liquid rocket engine, throttling, thrust, rocket science, aerospace.

В настоящее время приобретает популярность концепция многоразового использования ракетных установок, что достигается, в том числе, методом вертикальной посадки, для обеспечения безопасности и надёжности которой требуется точное и стабильное регулирование тяги двигателя до низких уровней [1, с. 2-3].

Пример многоразового ракетного двигателя - разработанный компанией Rocketdyne жидкостный двигатель Спейс Шаттла (Space Shuttle Main Engine, SSME) или RS-25, функционирующий по ступенчатому циклу сгорания на жидком кислороде в качестве окислителя, и жидком водороде в качестве горючего. Недостатком является то, что у двигателя наблюдаются проблемы с выносливостью, которые приводят к неоптимизированному и дорогостоящему техническому обслуживанию [2, с. 63-65]. Большинство из них связаны с термическими нагрузками, частично - с выбранным типом топлива (оно криогенное и имеет низкую плотность), поэтому ожидается, что будущий двигатель многоразового использования Прометей (Prometheus), разработка которого началась в 2017 году и ведётся по настоящее время, будет работать на кислородно-метановом топливе (рисунок 1).

Двигатель Прометей функционирует по газогенераторному циклу с одним валом турбонасоса. Газогенераторные установки используют газогенератор - дополнительный компонент для сжигания небольшого количества топлива и подачи его мощности в турбину [4, с. 47]. Ожидается, что Прометей достигнет тяги 950-1000 кН, удельного импульса - от 326 с до 366 с, в зависимости от ступени, на которой он будет размещён. Предусмотрено пятикратное повторное использование двигателя, и от двух до четырёх воспламенений за полёт.

Для соответствия целям миссии многоразовой пусковой установки, новые виды подобных двигателей требуют возможности регулирования тяги (дросселирования) [1, с. 2]. Конструкции жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) обычно предусматривают работу при постоянной тяге с небольшими отклонениями от точки равновесия. При этом важно отметить, что дросселирование крайне необходимо в ряде космических миссий: орбитальное маневрирование, посадка, зависание, дросселирование во избежание столкновений. Дросселируемые ЖРД способны непрерывно адаптироваться к оптимальной (наиболее экономичной с точки зрения расхода топлива) кривой тяги, что обеспечивает наилучшие эксплуатационные характеристики ракетной установки в целом.

Рисунок 1. Двигатель Прометей (Prometheus) [3]