О двигателе РД-170 (II)

Окончание (начало статьи здесь)

В целом глубокий и обширный план экспериментальной доводки двигателя дал возможность достичь достаточно высоких значений надежности двигателя.

По состоянию на первое января 1991 г. было проведено 804 огневых испытания общей длительностью 93300 с, в том числе 22 двигателя прошли успешные летные испытания в составе ракет-носителей "Зенит" и "Энергия". В 1991 г. планировалось завершить наземную отработку модификации двигателя РД-170 на ресурс, обеспечивающий десятикратное полетное использование и дальнейшее совершенствование и развитие в направлении повышения мощности, улучшения удельных характеристик.

Существенный шаг вперед был сделан в разработке и реализации качественно новых, научно обоснованных методик и программ экспериментальной отработки двигателя, ориентированной на получение необходимых результатов с максимальной экономией материальной части в максимально сжатые сроки. Особенностями программы экспериментальной отработки являются:

- автономная отработка огневых агрегатов двигателя;
- автономная отработка системы подачи топлива;
- обеспечение максимальной информативности огневых испытаний;
- использование автоматизированных систем обработки результатов;
- многократность ресурсных огневых испытаний, которые составили основу экспериментальной отработки двигателя в штатной комплектации.

Система технической диагностики разрабатывалась параллельно с созданием двигателя как средство оценки техническою состояния двигателя и прогноза его работоспособности. Кроме того, она использовалась для анализа отказов и дефектов, поскольку давала возможность более глубоко исследовать взаимоувязку параметров, их статистические характеристики.

Система представлялась как совокупность технических средств, методов диагностирования и объекта диагностирования, а также организационно-технических мероприятий для сбора, преобразования, хранения, анализа информации и принятия решения о состоянии двигателя. Система должна обеспечивать установление места и причин возникновения неисправностей.

Система технической диагностики имела следующие подсистемы:

- информационно-измерительная;

- фукционного диагностирования;

- тестового диагностирования как неразрушающего метода контроля состояния. Эффективность технической диагностики в части установления граничных значений параметров и характеристик не могла базироваться на статистике испытаний до отказа из-за высокой стоимости двигателей и опасности таких испытаний для стенда. В этой связи важное значение приобрело математическое моделирование. Большой объем информации, сложность математических моделей и алгоритмов обработки обусловили необходимость привлечения мощных универсальных и специализированных вычислительных комплексов.

В ходе разработки системы диагностирования созданы:

- методика контроля стабильности характеристик запуска, основного режима и режима конечной ступени. Методика предназначалась для оценки значений медленно меняющихся параметров и их скоростей, полученных при огневых испытаниях с учетом поля допустимых границ;

- методика допускового контроля параметров на основном режиме и режиме конечной ступени; предназначалась она для оценки соответствия параметров двигателя, измеренных при огневых испытаниях, расчетным значениям, полученным с использованием математических моделей и модельных характеристик агрегатов по их автономным испытаниям, что определяется нахождением параметров в поле допусков;

- методика контурной увязки медленно меняющихся параметров; предназначалась для оценки функционирования двигателя в целом и его контуров на стационарных режимах путем сравнения измеренных и расчетных значений медленно меняющихся параметров в характерных точках;

- методика оценки устойчивости и определения виброакустических характеристик; предназначалась для контроля уровня пульсации и вибраций на соответствие статистическим допускам и оценки устойчивости камеры сгорания и газогенератора, с анализом физической природы спектров и определением декрементов затухания колебаний;

- методика оценки величины выработанного ресурса сборочных единиц; основана она на теории многоцикловой усталости материалов и учитывает динамические нагрузки, вызываемые пульсациями и вибрациями; оценивалось интегральное значение усталостной повреждаемости при контрольно-технологических испытаниях, прогнозировалось ее значение при эксплуатации и их сумма сравнивалась с предельным значением, определяемым по результатам многоресурсовых испытаний;

- методика параметрического контроля - использовалась при диагностировании на стационарных режимах в целях локализации неисправностей; анализ основан на оценках функциональных характеристик агрегатов;

- комплекс неразрушающих методов контроля.

По результатам оценки эффективности систем диагностики отмечено, что все же в ряде случаев имели место отказы двигателей при повторных испытаниях, хотя система не указывала на их предпосылки. Были реализованы меры по усовершенствованию системы и эти случаи были исключены. В результате было определено, что риск поставщика и риск заказчика составлял 0,03 при доверительной вероятности 0,95.

Возможности совершенствования системы нельзя считать исчерпанными. Во многом недостатки связаны с погрешностями измерений, в том числе таких характеристик, как спектральный состав пламени, электропроводимость газа и его светимость.

Гарантированный запас работоспособности двигателей составляет по ресурсу и числу включений сверх эксплуатационного не менее трех летных. Кратность использования модуля серийного образца в составе блока А не менее 10. Остаточный ресурс работоспособности приборов, агрегатов и систем на момент последнего пуска обеспечивает возможность проведения не менее пяти полетов.

При разработке двигателя было предусмотрено обеспечение возможности не менее двадцатикратного его использования в составе носителя, включая межполетные огневые проверки в составе блока. Гарантированные запасы работоспособности двигателей по ресурсу и количеству включений, сверх потребных в эксплуатации (перед последним использованием), должны составлять не менее 5, необходимых для одного полета.

Ввиду сложности проблемы отработка на ресурс в рамках третьего этапа осуществлялась в несколько подэтапов. На первом подэтапе ставилась задача доведения гарантированного ресурса до величины, достаточной для однократного полетного использования двигателя, то есть суммарно, с учетом двух технологических пусков, - до девяти ресурсов (ресурс - время работы двигателя в одном полете). Далее гарантированный ресурс постепенно наращивался и в итоге он должен быть доведен до 27 ресурсов. Гарантированный ресурс двигателя РД-170, в конечном счете, должен составлять на этапе однократного использования не менее девяти штатных циклов, на этапе многократного полетного использования после завершения отработки - не менее 27 штатных циклов.

Если в первые годы разработки двигателей представлялось, что их параметры близки к предельным, особенно по температуре генераторного газа, то в последующем выявилась реальная возможность заметного повышения основных характеристик - тяги и удельного импульса.

Возможность повышения тяги определилась как за счет принятых мер по защите элементов турбины насоса окислителя от возгорании, так и за счет мер по снижению температуры генераторного газа и уменьшения скорости вращения вала турбонасосного агрегата - в этой связи повышения коэффициента полезного действия насосов турбины, снижения гидросопротивлений и понижения уровня виброактивности.

Возможность повышения удельного импульса очевидна из того, что достигнутый уровень коэффициента полноты удельного импульса (0,943) хотя и близок к максимальному для предыдущих жидкостных ракетных двигателей, все же свидетельствует о некоторых потерях в камерах. Проведенные исследования подтверждают наличие резерва повышения полноты сгорания за счет улучшения смесеобразования.

Уже в ходе доводки двигателей имели место испытания с форсированием по тяге и специальные испытания для определения запасов по температуре генераторного газа. При этих испытаниях был реализован режим 105-107 % по тяге с многократным ресурсом. Форсирование по тяге на 5 % не вызывало сомнений. В принципе, обеспечивалась работоспособность при температуре генераторного газа до 700 °С.

Параллельные варианты двигательных установок первой ступени появились и прорабатывались в основном по инициативе руководства министерства, потому что в период 1982-1983 гг. положение с разработкой перерастало в драматическое. Непрерывные аварийные исходы огневых испытаний родили сомнения в возможности создания такого двигателя с требуемыми характеристиками. Складывалась ситуация, когда создание "Энергии" в целом ставилось под удар.

Мы упоминали о проработке двигателей, разработанных КБ Н.Д.Кузнецова для Н-1, в качестве одного из вариантов применения. Характеристики этих двигателей известны. Нам надо было определить уровень достигнутой надежности с целью оценки возможности их применения в "Энергии".

По договоренности двух министров - Минобщемаша и Минавиапрома - мы с Р.К.Ивановым вылетели в Куйбышев и подробно изучали положение дел с этими двигателями. Николай Дмитриевич показал нам более 90 готовых двигателей, которые в свое время были собраны на заводе имени Фрунзе. Это были двигатели первой ступени - НК-33. Они испытывались по сертификационной программе, утвержденной Министерством авиационной промышленности, требующей подтверждения работоспособности каждого двигателя в течение четырехкратного ресурса. Огневые испытания сорока двигателей на стенде показали работоспособность от 7 до 14 тыс. с - это почти десять полетных ресурсов. Двигатели второй ступени - НК-43, третьей - НК-39, четвертой -НК-31. Нам были нужны двигатели для первой ступени. Были показаны результаты статистической оценки надежности двигателей - она существенно возросла по сравнению с временами H-1 Нас снабдили соответствующей документацией.

На наш вопрос, что необходимо для возобновления производства и поставки на летные испытания этих двигателей для "Энергии", Николай Дмитриевич перечислил несколько обычных в этой ситуации условий по расширению производственной и экспериментальной базы, а главное, как он сказал, "двигатели и коллектив должны быть реабилитированы". "Если реабилитации не будет - двигатели не дадим...", - сказал, как отрезал.

Замечательный коллектив, хорошее производство... Мы уехали "пережевывать" полученную информацию.

Второй вариант двигателя родился в стенах КБ В.П.Глушко, в Химках. Это так называемый "вариант Клепикова". И.А.Клепиков - проектант, он выступил на одном из заседаний коллегии Минобщемаша с идеей "четвертовать" четырехкамерный двигатель РД-170, то есть из одного сделать четыре самостоятельных движка с тягой примерно как у кузнецовского НК-33. Предполагалось, что, разделив турбонасосный агрегат на четыре, можно получить работоспособный агрегат. Противники "четвертушки" показывали, что для достижения удельных характеристик цельного РД-170 авторы придут к необходимости решения тех же проблем, какие решаются сейчас.

Конечно, ситуация была сложной, но надо отдать должное Валентину Петровичу Глушко, который стоял на своем: "Будем доводить и не шарахаться в стороны". Позиция у него была твердая. Сказывался опыт.

Проведенные нами оценки жидкостных вариантов, а ведь были и твердотопливные варианты, показали, что любой из них потребует переделки проекта "Энергии" и, в первую очередь, блоков А. Это приводило к выводу, что потребуется дополнительно несколько лет. Выигрыш от кажущегося простым решения смазывался. Но главное - это надежность. "Четвертушка" в этой проблеме в счет не шла: мы приходили снова к проблеме многодвигательных установок, даже при высокой теперь надежности НК-33...

Оставался еще один вариант - твердотопливный, о котором много говорили в процессе проектирования "Энергии" и даже после ее успешных первых полетов.

Оценку возможности создания маршевого твердотопливного двигателя первой ступени вело КБ ПО "Искра", главный конструктор Лев Николаевич Лавров. Его мы хорошо знали по совместным разработкам боевых твердотопливных ракет. КБ отличалось смелостью решений, новизной, прогрессивностью. Выданное нами техническое задание на проработку двигателя первой ступени было необычным для этого КБ по многим параметрам. Однако Лев Николаевич воспринял эту работу как лично необходимую, с желанием действительно помочь делу. По результатам проработки были выпущены предварительные материалы объемом с хороший предэскизный проект.

Облик этого уникального твердотопливного двигателя составляли следующие характеристики:

- максимальный габаритный диаметр - 3,6 м;
- длина-44,92 м;
- степень расширения сопла - 2,8;
- масса конструкции - 60 т;
- масса топлива - 460 т;
- масса снаряженного двигателя - 520 т;
- коэффициент весового совершенства - 0,3;
- время работы на установившемся режиме активного участка полета - 124 с;
- полное время работы - 138 с;
- максимальное давление в камере сгорания - 68 атмосфер;
- удельный импульс тяга - 263 с;
- средняя тяга -1050 т.

На основе предварительного анализа была принята следующая конструктивная схема двигателя: семисекционный, односопловый, управляемый, с двумя несоосно расположенными узлами силовой связи, с центральным блоком и с верхним и нижним шпангоутами для стыковки носового обтекателя и хвостового отсека ступени.

В качестве конструкционные материалов для корпуса двигателя рассматривались высокопрочные стали и конструкционные пластики. По состоянию отечественной производственной базы, перспективы ее развития, с учетом обеспечения минимальной массы конструкции был принят стеклопластиковый вариант: в основе жгут РВМН и связующее ЭДТ-10.

Для обеспечения энерго-массовых характеристик двигателя планировалось применить смесевое твердое топливо с высоким удельным весом, которое способно сохранять высокий уровень эластичности при низких температурах. Рассматривались составы КД 11/18 и Т9-БК-8/Э. Топливо КД 11/18 ранее проходило лишь опытную отработку и до этого времени не применялось.

В проектных материалах была показана принципиальная возможность создания маршевого твердотопливного двигателя одноразового использования для первой ступени ракеты-носителя "Энергия". Двигатель по своим основным характеристикам не уступал двигателям "Спейс Шаттла". С учетом состояния сырьевой, производственной и технологической базы в стране корпуса двигателей стали изготавливать из стеклопластика в секционном исполнении. При этом концевые секции предполагалось выполнять методом спирально-кольцевой намотки по схеме "полукокон", остальные секции - методом продольно-поперечной намотки.

Проведена была оценка разнотяговости пакета двигателей на всех режимах работы. Было установлено, что при параллельном изготовлении одноименных секций зарядов двигателей, входящих в пакет, разнотяговость и разновременность окончания работы двигателей значительно уменьшается. Однако реализация параллельного заполнения секций требует значительных капиталовложений.

Для дальнейшей разработки твердотопливного двигателя предстояло решить следующие вопросы:

- принятие обоснованных требований к величинам управляющих усилий;

- уточнение характеристик двигателя с учетом аэродинамического и термосилового нагружения;

- определение возможности и целесообразности введения системы термостатирования двигателей в диапазоне температур от нуля до +50 °С.

Двигатель мог быть создан при успешном решении следующих технологических вопросов:

- создание высокопроизводительного специального оборудования для изготовления секций корпусов диаметром 3,6 м методом намотки;

- создание технологии и оборудования для изготовления неметаллических деталей диаметром до 3,5 м соплового блока;

- разработка легких конструкций оправок для намотки секций корпуса;

- разработка рациональной технологии сборки и испытаний снаряженного двигателя;

- разработка углерод-углеродного композиционного материала для критического вкладыша соплового блока;

- организация на предприятиях нефтехимпрома изготовления вакуумных мешков диаметром до 4 и длиной до 8 м.

Для реализации принятых технических решений и обеспечения основных характеристик двигателя необходимо было проведение большого объема научно-исследовательских и экспериментальных работ и организационных мероприятий, направленных на производство зарядов из топлива КД 11/18 с массой секций до 80 т, создание производства по изготовлению корпусов диаметром до 3,6 м из пластика, создание крупногабаритного поворотного управляющего сопла, создание специального подъемно-транспортного оборудования и обеспечение проведения огневых испытаний мощных двигателей с тягой до 1350 т.

Могли быть реализованы следующие сроки разработки:

- изготовление первого модельного двигателя - через 2 года;
- изготовление первого макетного двигателя - через 4,5 года;
- проведение первого огневого испытания - через 6 лет;
- поставка первого комплекта двигателей на летные испытания - через 8 лет.

Основную сложность в освоении такого твердотопливного двигателя вносили его габариты и масса, которые промышленностью страны по всей технологической цепочке не были освоены. Необходимо было оснащаться вновь. К этому же - специфика нашего космодрома - широкий диапазон сезонных температур в Казахстане (от 40° мороза до 50° жары), которые, если не умалять цель получения высокого конструктивного совершенства, требовали применения наземных стартовых средств термостатирования заряда двигателя. Все это усложняло применение твердотопливных первых ступеней в ракетной системе "Энергия".

Следует напомнить, что проработки таких вариантов велись исходя из предпосылок, что создание такого двигателя, как РД-170, зайдет в тупик. В других условиях замена жидкостной ступени на твердотопливную нерациональна по энергетическим качествам и безопасности в полете Об этом особо...

Проведенная в совокупности работа приводила к выводу, что "на переправе коней не меняют". А если конкретнее, то необходимо вновь вернуться к началу разработок. Двигатель РД-170 разрабатывался в своей размерности не по прихоти, а по необходимости, надежности системы. Это было принципиально. В.П.Глушко выстоял в споре и оказался прав. Любое лучшее - враг хорошего Мы доложили: если хотим иметь систему, то следует ее доводить, если же хотим иметь что-то более совершенное, то оно может быть и есть, но это "есть" не нашего времени. Впереди была большая работа... Мы не пошли на коренные изменения: "лучшее - враг хорошего". Это был поворотный момент в создании ракеты-носителя "Энергия".

Взгляд изнутри на проблему РД-170: получив по своим каналам информацию об очередной неудаче, министр С.А.Афанасьев появлялся в КБ и устраивал дежурный разнос. К счастью, у нашего дела были и наделенные большой властью помощники, среди которых в первую очередь хочу назвать председателя Госкомитета по оборонной технике Л.В.Смирнова. Тем не менее не доверявший конструкторскому коллективу министр, желая перестраховаться, поставил перед нами вопрос о создании резервного двигателя, вчетверо менее мощного. Это означало, что при переходе на "четвертушки" потребуется увеличить их число в четыре раза, снизив тем самым надежность.

Внешне было полное впечатление, что В.П.Глушко старается не принимать участия в "боевых действиях", даже когда вышел приказ о разработке "четвертушки" (руководил разработкой И.А.Клепиков) силами КБ. "Подчеркнуто спокойное поведение Глушко оказалось оптимальным для дела", - писал М.Р.Гнесин, один из сподвижников Глушко. "Валентин Петрович уберег коллектив от паники и склоки, сконцентрировал его энергию на творчестве", - заключил Михаил Рувимович.

- 9 июля 1981 г. двигатель впервые проработал полное время на стенде. С середины 1984 г. начались первые поставки двигателей для "Энергии". В.П.Глушко не расправился с отступниками.

Источник

P.S.:  На базе четырехкамерного РД-170 в АООТ "Энергомаш" для американской ракеты-носителя Atlas-3A был разработан его двухкамерный вариант РД-180. 

Паралельно с подготовкой серийного выпуска РД-180 для Atlas-3A на "Энергомаше" идут работы по отработке варианта РД-180 для носителя EELV. Основное отличие между двумя вариантами состоит в том, что двигатель для Atlas-3A работает на 84-85% номинальной тяги, а двигатель для EELV - на уровне около 100%. Разная и циклограмма работы - больше длительность работы, другой профиль изменения тяги.

Еще одним перспективным вариантом исходного четырехкамерного РД-170 является однокамерный РД-191, разрабатываемый в настоящее время для семейства ракет "Ангара" ГКНПЦ им.М.В.Хруничева.

А на фотографии ниже - испытания российского ракетного двигателя РД-180, происходившие 4 ноября 1998 года в центре MSFC (NASA). Топливо: керосин и жидкий кислород.

NASA, Image ID: MSFC-9808476 - http://mix.msfc.nasa.gov/abstr...

P.P.S.: О создании самой мощной ракеты-носителя "Энергия"