Шикарный фейерверк, стоимостью $ 95 млн. К судьбе твердотопливных двигателей непосредственного отношения не имеет, поскольку авария произошла не в силу каких-то особенностей конструкции двигателя, а из-за механического повреждения корпуса.
В предыдущих статьях цикла не было уделено достаточно внимания твердотопливным ракетным двигателям (РДТТ), и действительно – о чем можно говорить, ведь это просто бочка с соплом, набитая порохом? Разумеется – это совсем не так, несмотря на свое очень древнее происхождение, твердотопливные двигатели и сейчас актуальны. Ранее я не уделил должного внимания твердотопливным двигателям вовсе не по причине их простоты и низкой эффективности, а в силу особенностей конструкции, которые не позволяют их корректно сравнивать с ЖРД.
что сложного в конструкции РДТТ? При первом рассмотрении - решительно непонятно.
С одной стороны – нужно разобраться, какое место в пищевой цепи занимают твердотопливные ракетные двигатели, с другой стороны – существуют особенности, которые не позволяют напрямую корректно сравнивать РДТТ и ЖРД. Чтобы выбраться из этой ситуации – необходимо понять, какие именно особенности конструкции РДТТ не позволяют их напрямую сравнивать с ЖРД, а уж после – видно будет, как же все-таки можно их сравнить.
Вспомним, как обстояли дела с жидкостными ракетными двигателями:
- для достижения высокого удельного импульса - требуется высокоэнергетическое топливо, дающее легкие продукты сгорания;
- чтобы преобразовать энергию топлива в энергию реактивной струи - требуется сопло с высокой степенью понижения давления;
- чтобы в условиях атмосферы получить высокую степень понижения давления – нужно высокое давление в камере сгорания;
для достижения высокого давления в камере сгорания - нужна тяжелая система подачи топлива;
- двигатель, имеющий высокое давление в камере – требует более прочную и тяжелую конструкцию.;
В результате всего этого, получается, что более эффективный (по удельному импульсу) двигатель – будет более тяжелым.
С одной стороны более тяжелый двигатель ухудшает характеристики ракеты, а с другой стороны – более эффективный двигатель, израсходовав такое же количество топлива – сообщает ракете бóльшую, скорость. Что в итоге может сделать предпочтительным использование, пусть более тяжелого, но и более эффективного двигателя, или наоборот – в определенных условиях менее эффективный, но более легкий двигатель может оказаться эффективнее.
По этой причине сравнивать между собой ЖРД, только по их характеристикам – затея бессмысленная, для корректного сравнения ЖРД между собой потребовалось условно поместить сравниваемые ЖРД в условно-стандартные условия и определить их эффективность по достижению определенного целевого показателя (достижимое приращение скорости).
Благодаря некоторым принципиальным отличиям РДТТ от ЖРД – их нельзя сравнить, поместив в те же «стандартные условия», которые годились для сравнения между собой ЖРД.
Основные отличия РДТТ от ЖРД, которые не позволяют их сравнивать в тех же стандартных условиях, что и ЖРД следующие:
- в РДТТ нет системы подачи топлива, которая тем тяжелее, чем выше давление в камере сгорания
- зато в РДТТ есть конструкция оболочки, которая тем тяжелее, чем выше давление
Второе отличие, вроде, должно компенсировать первое, но не компенсирует, поскольку рост массы ЖРД при росте давления в камере распространяется только на двигатель, при этом изначально масса двигателя определяется его тягой и никак не зависит от количества топлива.
В случае твердотопливного двигателя – рост давления в камере сгорания влечет за собой рост массы корпуса двигателя (оболочки заряда топлива), масса оболочки, изначально не зависит напрямую от тяги двигателя, но зависит от массы запаса топлива
Из этого следует, что РДТТ нельзя поместить в те же стандартные условия, что и ЖРД. Получение стандартных условий для ЖРД было возможных благодаря тому, что в изменении этих условий – сам двигатель не менялся – менялись масса груза, масса топлива, масса конструкции ступени, в твердотопливных двигателях – и масса топлива и масса конструкции ступени уже определены и подобрать их для получения стандартных условий возможности нет, в противном случае – это будет уже другой твердотопливный двигатель.
Сравнить РДТТ и ЖРД, тем не менее, получится, но использовать для этого придется стандартные условия применимые для ЖРД и стандартные условия, применимые для РДТТ.
Для ЖРД, стандартные условия выглядят так:
– стартовая масса (исходя из тяговооруженности 1,3) будет равная тяге двигателя, деленной на 1,3 и на 9,81 м/с2;
- масса полезного груза составляет 30% стартовой массы ступени (или 23,077% стартовой массы ракеты)
- масса конструкции ракеты (без учета массы двигателя) составляет 1/15 массы топлива
- масса топлива – всё, что осталось от стартовой массы.
Для РДТТ, стандартные условия проще, поскольку массовые характеристики уже определены – они есть массовые характеристики самого двигателя.
- определяем только массу полезного груза – 30% от стартовой массы ступени (РДТТ), или 23,077% стартовой массы ракеты, в составе которой «будет работать» РДТТ.
Со стандартными условиями определились, теперь можно и сравнить.
В таблице приведены примеры ныне используемых и ранее использовавшихся твердотопливных двигателей (ускорителей – ступеней), и сравнив их по целевому показателю (стандартное приращение скорости) становится ясно – с такой низкой эффективностью им не тягаться с ЖРД, даже если сравнивать с наименее эффективными из них.
Напомню, что для выхода на низкую орбиту нужна скорость примерно 9100 м/с. Если первая ступень может обеспечить хотя бы 40% этого приращения скорости (3640 м/с), то есть смысл делать двухступенчатую ракету, поскольку оставшиеся 60% сможет вытянуть вторая ступень. Ни один твердотопливный двигатель не обеспечивает такое приращение скорости в стандартных условиях, из чего следует что о двухступенчатых твердотопливных ракетах пока думать рано.
Если твердое топливо - то только три или более ступеней, либо в комбинации с жидкостными верхними ступенями, которые на себе вывезут недобор эффективности.
Может показаться, что твердотопливные двигатели слишком просты, чтобы иметь высокую эффективность, однако это не так - обусловлены такие низкие характеристики твердотопливных двигателей следующими основными факторами:
- твердые топлива гораздо менее энергоемкие, чем жидкие топлива;
- при сгорании твердых топлив образуется значительная доля твердых частиц тяжелых соединений, в частности оксиды и соли металлов (алюминия чаще всего) тяжелые продукты сгорания и твердые частицы снижают эффективность преобразования энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи;
- невысокое давление в камере сгорания – не позволяет иметь высокую степень понижения давления газа, повышать давление до давлений, сопоставимых с ЖРД нельзя, поскольку в этом случае конструкция оболочки станет намного тяжелее и съест весь выигрыш..
Эти три фактора, работая вместе, обеспечивают низкий, по сравнению с ЖРД удельный импульс.
И в борьбе за эффективность твердотопливных двигателей – инженеры вплотную подошли к ограничениям, которые обусловлены перечисленными факторами.
В одной из предыдущих частях цикла я писал о том, что с ростом энергоемкости однокомпонентных топлив – растет и их взрывоопасность, то же самое справедливо и для твердых ракетных топлив.
Только представьте себе, что для изготовления твердых ракетных топлив в качестве основы используют такие взрывчатые вещества, как тринитроглицерин и октоген. Кому в здравом уме придет в голову идея – поджечь бочку с октогеном массой в несколько десятков тонн? Но хорошие инженеры тем и отличаются, что для решения сложной задачи способны пойти на, казалось бы, немыслимые решения.
В борьбе за энергетические характеристики топлив сделано очень много, и в результате, сейчас – твердое ракетное топливо на основе октогена – это норма, наряду с другими видами твердых ракетных топлив, такими, как смесевые ТРТ. Также для повышения энергетических характеристик топлива, в состав топлива добавляют порошки металлов (алюминий оказался предпочтителен, поскольку дешев, технологичен и достаточно эффективен). И это лишь те решения, которые уже серийно используются, в то время, как разрабатываемые композиции ракетных топлив способны приблизить эффективность РДТТ в эффективности кислород-керосиновых ЖРД.
Чтобы повысить удельный импульс, за счет увеличения давления в камере сгорания, и при этом иметь приемлемую массу конструкции – двигателестроители в совершенстве овладели практикой композитных конструкций, разработали технологические циклы, которые нигде более не используются. Корпуса современных РДТТ – это прочные и легкие композитные оболочки ( иногда стальные для удешевления).
Намотка углепластиковой оболочки поверх теплозащитного слоя
Эти два направления работы двигателестроителей – основные в борьбе за повышения удельных параметров твердотопливных двигателей, однако в конструкции РДТТ есть еще немало сложностей.
Чего стоит хотя бы обеспечение необходимой скорости горения. Твердые топлива разных типов по-разному реагируют на изменение начальной температуры заряда и на давление, от этих факторов существенно зависит скорость горения. Для обеспечения нужной тяги двигателя, необходимо, чтобы в единицу времени сгорало всё время одинаковое количество топлива.
Постоянную скорость сгорания топлива (массовый расход) можно обеспечить формой заряда, при которой площадь поверхности горения с течением времени не изменяется. На практике рассчитать форму заряда для получения нужного закона изменения площади во время горения – весьма непросто, поскольку внутри двигателя во время горения непрерывно меняются все условия – температура, давление, скорость потока и пр.
Если в ЖРД изменить тягу можно, уменьшая или увеличивая подачу топлива, то в РДТТ такой возможности нет, и тяга во время полета ракеты изменяется так, как это запрограммировали формой и составом заряда твердого топлива.
Красивые формы сечения заряда твердого топлива предназначены для решения сразу нескольких задач - получение необходимой площади поверхности горения, изменение площади поверхности горения в процессе работы по заданному закону, обеспечение необходимого свободного сечения для движения горячих газов, максимально возможную плотность заполнения топливом. В настоящее время оптимальные формы зарядов определяются сложными методами численного моделирования.
Весьма непростой является задача создания сопла. В отличие от ЖРД, в твердотопливных двигателях охлаждать сопло нечем, и сопло изготавливают из термостойких материалов, например из объемно армированного углерод-углеродного композита. Даже такие термостойкие материалы не выдерживают условий работы и подвергаются разрушению (эрозии). В процессе работы двигателя критическое сечение за счет эрозии расширяется и эффективность работы сопла падает, и этот фактор также учитывается при проектировании.
Блок сопла ОТРК "ОКА-У" с критическим сечением из углерод-углеродного композита (слева). Ручное плетение пространственной армирующей решетки из комбинации композитных пластин и углеродных нитей - начальный этап получения конструкции критического сечения сопла из углерод-углеродного композита (справа).
Если термостойкость материалов, из которых изготавливают сопло позволяет им в течение времени работы сохранить работоспособность, то материалы, из которых изготавливают корпус двигателя, находящийся под большим давлением – на это не способны. Чтобы корпус РДТТ не разрушился под воздействием горячих газов, приходится принимать ряд мер, таких, как теплозащитные покрытия или «бронирование» заряда по поверхностям, прилегающим к конструкции.
«Бронирование» не позволяет поверхности горения распространяться в зоны защищаемой конструкции, и конструкция все время находится под слоем заряда топлива.
При некачественном бронировании или при наличии трещин в заряде заряд начинает гореть не только там, где положено, при этом возникает тепловое воздействие на конструкцию, на которое она не рассчитана и дополнительная площадь поверхности горения увеличивает скорость выгорания заряда, что приводит к росту давления, тяги. Рост давления запросто может порвать корпус (второе испытание РДТТ Украинского ОТРК «ГРОМ-2»), а рост тяги запросто может опрокинуть ракету, если это произойдет в одном из боковых ускорителей.
Еще одной интересной особенностью конструкции РДТТ является система управления вектором тяги, в отличие от ЖРД – камеру двигателя повернуть нет возможности, поэтому используют либо поворот сопла или его части, либо изменение направления струи внутри сопла различными способами.
Цельноповоротное сопло (слева), газодинамические рули - устанавливаются у выходного сечения сопла для отклонения струи истекающих из сопла газов. Часто газодинамические рули устанавливаются в комбинации с аэродинамическими рулями, работающими от общего привода (в центре). Клапаны вдува газа в закритическую часть сопла - газ, подаваемый с боковой поверхности сопла расширяется и отодвигает струю истекающих газов в противоположном от подачи направлении, тем самым меняет направление тяги (справа)
Заострять внимание на сложностях не буду – очевидно, что обеспечить надежную работу подвижных частей при высоких температурах и скоростях потока газов, насыщенных твердыми частицами – задача не из легких.
По итогу – простая «бочка с порохом» оказывается не такой простой, как кажется на первый взгляд. Разумеется сложность РДТТ намного меньше, чем ЖРД и жидкостных ракет, но тем не менее, они по праву могут считаться высокотехнологичным изделием.
Из всего сказанного, естественно должен возникнут вопрос - если твердотопливные двигатели достаточно сложны, но при этом низкоэффективны, по сравнению с ЖРД , то компенсирует ли разница в сложности и стоимости эту низкую эффективность? В большинстве случаев – да, компенсирует, однако не только за простоту и низкую стоимость РДТТ заслужили свое место под солнцем, есть у них еще плюшки за пазухой.
Твердые топлива имеют большую плотность, чем жидкие, что означает меньшие габариты ракеты при тех же массовых характеристиках. Если у жидких топлив плотность не превышает 1,2 (АТ+НДМГ), то у твердых она достигает 1,8 и более. Разумеется, низкая эффективность твердотопливных ракет требует большую стартовую массу и большее количество ступеней, но ступени эти дешевле, а за счет высокой плотности топлива – габариты ракеты получаются не более, чем у жидкостных.
Очень важным преимуществом твердотопливных ракет – простота подготовки к пуску и возможность длительное время находиться в состоянии высокой готовности к пуску.
Эти два преимущества твердотопливных двигателей перед жидкостными, актуальны прежде всего, для боевых ракет и для космического применения не особенно важны, но это отнюдь не означает, что в космосе им делать нечего. Если твердотопливные двигатели были наилучшим решением для баллистических ракет, то на вооружении РВСН и ВМФ не стояли бы жидкостные баллистические ракеты, также, как и не было бы космических ракет-носителей с твердотопливными двигателями.
Виной всему история развития ракетной техники. Значительная часть технологий в космический извоз пришла от межконтинентальных баллистических ракет. Так вышло, что и мы и США начинали развивать МБР на жидком топливе, поскольку на твердом топливе достигнуть необходимой дальности и грузоподъемности тогда представлялось решительно невозможным.
Со временем США столкнулись с рядом проблем, вызванных сложностью в обращении и длительном хранении агрессивных и ядовитых компонентов топлива (70-е годы), не взявшись за решение этих проблем они постепенно отказались от жидкостных МБР в пользу твердотопливных, благо их химическая промышленность в то время оказалась готова предложить достаточно эффективные композиции твердых ракетных топлив.
СССР же в то время не готов был создавать крупные твердотопливные заряды с достаточно высокими удельными характеристиками, зато смог решить те проблемы с жидкостными МБР, от решения которых отказались США. В результате к 80-м годам США подошли с развитыми технологиями создания твердотопливных двигателей, а СССР – жидкостных.
В Российских войсках, сейчас значительно большую долю, стали занимать твердотопливные МБР («Тополь-М», «Ярс», «Булава»). В этой части мы идем по дорожке, частично протоптанной США, и даже немного успели уйти вперед. США – идут вслед за нами, сосредотачивая значительные усилия на разработке ЖРД для космического применения, которые способны достичь сравнимых с отечественными ЖРД характеристик.
Тенденция очевидна – РДТТ стремятся к военному применению, ЖРД – к гражданскому, но и те и другие, еще далеко не всё сказали на «непрофильной поляне».
Теперь, зная сравнительные характеристики и особенности ЖРД и РДТТ – самое время поговорить об экономической эффективности космической ракетной техники, и о том, как она зависит от применяемых на ракетах двигателей и не только. Но об этом в следующей части цикла.
предыдущие части:
Часть 1. Удельный импульс – что за зверь и с чем его едят?
https://cont.ws/@petruha256/13...
Часть 2. Не все йогурты одинаково полезны. Ракетные топлива.
https://cont.ws/@petruha256/15...
Часть 3. Жидкостные ракетные двигатели
https://cont.ws/@petruha256/15...
Часть 4. ЖРД. На что годятся шедевры двигателестроения?
Оценили 7 человек
10 кармы