Пенсионный советник

«Подобный принцип еще никогда не применялся в ракетном двигателестроении»

О новых двигателях и системах для запуска ракет-носителей

Иван Крылов 30.04.2016, 15:01
ТАСС

О том, как проходит создание принципиально новых двигателей на детонационном принципе горения и в чем преимущества устройства лазерного зажигания для запуска ракеты-носителя, рассказывает отдел науки «Газеты.Ru».

АО «НПО «Энергомаш имени академика В.П. Глушко» является разработчиком и производителем мощных жидкостных ракетных двигателей первой ступени для российских и зарубежных ракет-носителей космического назначения. «Энергомаш» обеспечивает выполнение Федеральной космической программы и других целевых программ.

Основанное в 1929 году предприятие специализируется на разработке и производстве ракетных двигателей, которые

вывели в космос первый искусственный спутник Земли, первого человека, первый самоходный аппарат «Луноход-1», ракетно-космическую систему «Энергия-Буран», новую российскую ракету-носитель «Ангара».

В настоящее время двигатели, разработанные предприятием, устанавливаются практически на все российские ракеты-носители: «Союз», «Протон», «Ангара» и на американские Atlas V и Antares. Каждая вторая ракета-носитель в мире стартует на двигателях разработки и производства НПО «Энергомаш».

За всю историю освоения человеком космического пространства двигатели НПО «Энергомаш» осуществили более 2400 абсолютно успешных пусков, было выпущено более 12 тыс. двигателей и разработано более 60 различных модификаций двигательных установок первой и второй ступени.

В настоящее время НПО «Энергомаш» ведет исследования по созданию принципиально новых двигателей на детонационном принципе горения. Детонационное горение позволит получить на кислородно-керосиновых двигателях такой же удельный импульс, как и на кислородно-водородных. Если сегодня скорость вылета газов из сопла двигателя составляет 3000 метров в секунду, то с применением детонационной камеры она увеличится на 10%.
Принцип работы такого двигателя заключается в постоянной незатухающей детонации топливной смеси внутри кольцевой камеры сгорания. В камеру сгорания впрыскивается топливная смесь, происходит ее поджог и детонация, после чего в сопле происходит расширение и выброс продуктов горения, которые и выполняют механическую работу. Затем цикл повторяется.

Уже сейчас исследователи из НПО «Энергомаш» подтвердили возможность использования процесса спиновой детонации в ракетном двигателестроении, при котором реакция распространения по веществу происходит со сверхзвуковой скоростью.

«Говорить о серийном производстве пока рано, — считает генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов. — В данный момент имеются только теоретические предпосылки к возможности реализации данного двигателя. Правда, предпосылки эти очень заманчивы. Нами совместно с нашими партнерами (МАИ, Новосибирский институт гидравлики им. Лаврентьева, Институт механики МГУ, Центр Келдыша) проведен цикл расчетно-теоретических и проектных работ, разработано несколько вариантов детонационной камеры. В настоящее время ведется их изготовление. В скором времени планируем приступить к огневым испытаниям.

Если теория будет подтверждена, то это будет прорывное решение, можно сказать, технический скачок. Подобный принцип еще никогда не применялся в ракетном двигателестроении.

В конце 2016 года будут огневые испытания экспериментальной натурной камеры с небольшой тягой, которые должны подтвердить правильность конструкции такого типа двигательных установок».

Со специалистом согласен и Игорь Афанасьев, редактор журнала «Новости космонавтики»: «Эффективность реактивных химических двигателей, прежде всего жидкостных, близка к максимально возможному пределу, — комментирует он. — Эффективность можно повысить разными способами, например, используя новые виды топлива, но несущественно. С помощью двигателей, работающих на принципе детонационного горения, можно будет существенно повысить эффективность.

Поэтому я считаю, что разработка двигателей на детонационном принципе горения — это перспективное направление. Такой подход позволит создавать двигатели с очень высокими удельными характеристиками, прежде всего с точки зрения топливной экономичности. Во-вторых, такие двигатели более компактны, чем существующие жидкостные ракетные двигатели.

Однако пока в мире не создано работоспособных образцов таких двигателей. Эти двигатели нужно разрабатывать и строить, проводить долгие испытания. Ранее делались лабораторные образцы, прежде всего в США.

Мне трудно судить когда можно ожидать появления серийных образцов таких двигателей. Все зависит от уровня разработчиков и финансирования исследований».

Другой перспективной разработкой предприятия является система лазерного зажигания топлива, призванная обеспечить надежный запуск, в том числе и многократный, ракетного двигателя.

В настоящее время при запусках ракет-носителей семейства «Союз» используется пирозажигательное устройство (ПЗУ), которое представляет собой деревянную Т-образную опору, на которой установлены две пиротехнические шашки с датчиком. Такое устройство наравне с достоинствами в виде дешевизны, отработанности и того, что оно не влияет на массовые характеристики двигателя, имеет и недостатки – одноразовость, невозможность полноценной проверки устройства и зависимость от человеческого фактора.

Помимо ПЗУ существуют еще электрическая и химическая системы зажигания, которые тоже неэффективны на 100%. Так, электрическая система зажигания удобна, но применима только к твердотопливным двигателям, а химическая система зажигания способна обеспечить многоразовость запуска двигателя, но громоздка и в случае неисправности требует много времени на его устранение.

Лазерное зажигание — это небольшое и легкое устройство, которое способно обеспечить многократный пуск двигателя и не требует никакого специального дополнительного оборудования.

Система проста и надежна в эксплуатации, а по стоимости сравнима с существующими, что дает ей хорошие конкурентные преимущества перед другими принципами зажигания.

Суть новой технологии запуска ракетного двигателя в устройстве, формирующем оптический пробой в виде плазмы в том объеме, куда впрыскивается топливо. Температура этой шаровой молнии порядка одного миллиона градусов, и именно она поджигает топливо. «В рамках данного проекта была проведена серия успешных огневых испытаний на двигателе РД-107/108, предназначенного для РН «Союз», — комментирует Игорь Арбузов. — Сейчас будут проводиться экспериментальные натурные испытания системы на современных мощных двигателях РД-191. Если лазерное зажигание и здесь подтвердит свою эффективность и надежность, то планируется ее внедрение на всю линейку машин, выпускаемых предприятиями холдинга».