Глава III. РАЗВИТИЕ РАБОТ ПО ОХЛАЖДЕНИЮ ЖРД В ПЕРИОД СЕРЕДИНА 40-Х — НАЧАЛО 60-Х ГГ.

3.2. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖРД В СССР

В первые послевоенные годы развитие ракетной техники в СССР и в США имело свои специфические особенности.

Развязанная империалистическими кругами ведущих капиталистических стран холодная война против СССР и других стран социалистического содружества, стремление США к мировому господству, ведение в отношении СССР «атомной дипломатии» стали причиной невиданной по своим масштабам гонки вооружений. Окружив территорию Советского Союза кольцом военных баз, уповая на свое превосходство в авиации, военные круги США не видели необходимости в создании ракет с дальностью полета до 1000 км (т.е. ракет ближнего радиуса действия). Вместе с тем правительство США хотело бы иметь межконтинентальные баллистические ракеты (с дальностью полета 8000 км).

В создавшихся условиях наша страна вынуждена была принять меры по обеспечению безопасности своих границ. При этом было совершенно очевидной необходимость создания как баллистических ракет ближнего и среднего радиуса действия, так и межконтинентальных ракет.

Поэтому не случайно, в первый же послевоенный год на сессии Верховного Совета СССР, в докладе о пятилетнем плане развития народного хозяйства нашей страны на 1946—1950 гг. была, в частности, высказана мысль о необходимости обеспечить проведение работ по развитию реактивной техники, применению нового типа двигателей, создающих новые скорости и мощности.

В том же 1946 г. было принято решение об образовании соответствующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских предприятий, перед которыми была поставлена задача о создании ракет различного класса и назначения.

Перед группой главных конструкторов, возглавляемых С.П. Королевым, с самого начала были поставлены задачи не только создания ракетного комплекса, не уступающего по своим характеристикам немецкому комплексу с ракетами ФАУ-2, но и поиска рациональных направлений для создания комплексов с более высокими летно-техническими и эксплуатационными характеристиками. Решая поставленные задачи, коллективы КБ проводили большую научно-исследовательскую работу с привлечением отраслевых институтов и институтов союзной и республиканских академий наук. Первый советский комплекс с управляемыми баллистическими ракетами Р-1 с характеристиками, лучшими, чем у ФАУ-2, был создан и испытан осенью 1948 г., на несколько лет раньше комплекса с аналогичными характеристиками, созданного в США.

В 1947 г. в ГДЛ-ОКБ под руководством В.П. Глушко началась разработка проектов мощных ЖРД, и уже в мае 1948 г. начались огневые испытания одного из таких ЖРД, получившего индекс РД-100. Он был установлен на ракету Р-1, созданную в ОКБ С.П. Королева. Первый полет этой ракеты состоялся 10.Х.1948 г.

В следующем, 1949 г. в ГДЛ-ОКБ был уже готов новый двигатель РД-101, имевший повышенные характеристики по сравнению со своим предшественником. Этот двигатель работал на водном растворе этилового спирта и жидком кислороде, его камера имела грушевидную форму, несвязанную конструкцию и охлаждалась спиртом, протекающим по гладкому охлаждающему тракту, а также его подачей через специальные пояса отверстий для создания на огневой поверхности камеры жидкостной пленки.

Дальнейшим развитием двигателя РД-100 стал ЖРД РД-103, разработка которого осуществлялась в ГДЛ-ОКБ в период 1950—1953 гг. Конструктивно камера этого двигателя была подобна камерам РД-100 и РД-101, но технические характеристики этого двигателя были существенно выше.

Так, например, если тяга у Земли ЖРД РД-100 составляла 26 тс (165 кН), давление в камере сгорания 16,2 кгс/см² (1,59 МПа), удельный импульс в пустоте 237 с (2325 м/с), то у ЖРД РД-103 эти параметры соответственно составляли 44 тс, 24,4 кгс/см² (2,39 МПа) и 248 с (2430 м/с) [68, с. 136].

С созданием двигателя РД-103 все возможности системы охлаждения оказались исчерпанными, и при выбранной конструкции камеры становилось уже более невозможным повышать давление продуктов сгорания или при достигнутом уровне давления использовать более калорийное топливо. При попытке улучшить технические характеристики ЖРД неизменно возникало противоречие, сущность которого состояла в следующем.

При форсировании параметров двигателя (увеличении давления в камере, использовании более калорийного топлива) повышалась плотность теплового потока в стенку. Для того чтобы она пропускала этот поток при допустимых температурах и не прогорала, необходимо было делать ее тоньше. Однако, с другой стороны, ее толщина лимитировалась также и требованиями по прочности, и при увеличении давления в камере (или ее объема), исходя из этих требований, необходимо было стенку, наоборот, делать толще.

Тот факт, что существует ограничение в развитии несвязанных конструкций камер, советским специалистам стал понятен еще в 40-е гг. Выше уже отмечалось, что усилиями коллектива, руководимого A.M. Исаевым, у нас в стране была создана камера, у которой внутренняя и внешняя стенки были соединены между собой. Эти работы указывали на возможность принципиально нового подхода к проектированию камер ЖРД (связанной конструкции), реализация которого позволяла преодолеть указанное ограничение в развитии ЖРД.

В середине 1949 г. в ГДЛ-ОКБ начались огневые испытания камер связанной конструкции, рассчитанных на тягу 7 тс при давлении в камере 60 кгс/см² [68, с. 129}. В ходе этих испытаний наряду с изучением возможностей регенеративного охлаждения камеры изучался вопрос о целесообразности перехода на новое ракетное топливо — керосин и жидкий кислород. Исследования наглядно показали, что, несмотря на высокое давление в камере и использование более калорийного топлива, камера связанной конструкции работает достаточно удовлетворительно.

Советскими специалистами было предложено несколько вариантов камер связанной конструкции. В одном из вариантов камеры внешняя и внутренняя стенки были связаны между собой контактной электросваркой по специальным выштамповкам, служившим одновременно и фиксаторами щелевого зазора охлаждающего тракта. Кроме того, в ГДЛ-ОКБ были разработаны связанные камеры, в которых соединение внешней и внутренней оболочек осуществлялось либо через промежуточную гофрированную стенку (проставку), либо через ребра, выфрезерованные на огневой стенке. Последний способ оказался весьма удачным и нашел широкое применение на практике.

Создание камер связанной конструкции поставило много проблем перед исследователями. Так, например, необходимо было изучить особенности технологии пайки внутренней и внешней стенок камеры, изготовленных из однородных материалов. Проведенные работы показали исследователям, что наиболее удачный способ пайки слоистых конструкций, типичных для ЖРД, состоит в вакуумной пайке в азотной защитной среде. Для повышения производительности труда и качества работ были разработаны методы автоматической пайки в специальных электропечах. Так как камеры связанной конструкции разрабатывались для работы при давлении, равном примерно 60 кгс/см², и для использования керосино-кислородного топлива, т.е. для весьма теплонапряженных условий, исследователи вынуждены были задуматься над вопросом о том, из какого материала должны быть изготовлены стенки этих камер. Применение различного рода сталей, традиционно использовавшихся на предыдущих ЖРД, для изготовления огневых стенок камер не приводило к желаемому результату, так как стали имели высокое тепловое сопротивление и поэтому были малопригодны для камер с большими тепловыми потоками в стенку. Высокой теплопроводностью обладает красная медь, однако попытки ее применения в ЖРД наглядно показали, что необходимо разработать новый высокотеплопроводный и жаропрочный материал. В результате была разработана специальная хромистая бронза с двухпроцентным содержанием хрома, но и этот материал по ряду причин оказался неудовлетворительным. В конечном итоге путем уменьшения содержания хрома удалось создать бронзу с уникальными характеристиками.

Выбор этой бронзы в качестве материала для огневой стенки камеры автоматически поставил перед исследователями вопрос о необходимости разработки методов соединения с бронзой новых высокопрочных легированных сталей, использовавшихся для изготовления внешней, силовой стенки камеры. В ходе соответствующих исследовательских и технологических работ был разработан новый припой на серебряно-медной основе, что дало возможность обеспечить необходимую жаропрочность паяного соединения [68, с. 128].

Еще в 1947 г. в ГДЛ-ОКБ началась разработка ЖРД с тягой 120 тс, работавшем на кислородно-керосиновом топливе при давлении в камере 60 кгс/см². В ходе этой разработки была создана первая у нас в стране полноразмерная камера паяно-сварного типа [68, с. 129]. Эта камера сгорания была сферической формы по аналогии с существовавшими в то время спиртокислородными камерами ЖРД, на огневой стенке были выфрезерованы ребра, к вершинам которых припаивалась внешняя стенка.

При разработке этой камеры специалисты столкнулись с существенными трудностями при решении проблемы ее охлаждения. Так, например, первоначально было решено охлаждать камеру частично горючим и частично водой, и только практический опыт, полученный в ходе экспериментов, показал, что от такого сложного и малоудовлетворительного подхода можно отказаться.

Работа по этому ЖРД не была доведена до своего логического конца и в 1951 г. была прекращена. Усилия специалистов были направлены на параллельную разработку сразу трех ЖРД, в ходе которой вопрос об охлаждении двигателей со связанной конструкцией камеры был по существу решен.

В ходе этих работ специалисты ГДЛ-ОКБ продолжили свои усилия по использованию в ЖРД новых ракетных топлив. Один из указанных двигателей отрабатывался для работы на азотно-кислотном топливе, что в конечном итоге привело к созданию двигателя РД-214, использующегося на различных ракетах с 1957 г. [68, с. 130]. Этот двигатель до сих пор обладает наибольшими тягой (64,8 тс у Земли и 74,4 тс в пустоте) и удельным импульсом (264 с в пустоте) среди всех известных двигателей этого класса [20, с. 31].

Исследования по указанным трем двигателям создали предпосылки для решения проблемы разработки ЖРД для межконтинентальной баллистической ракеты, а также для первой космической ракеты, предназначенной для запуска первого искусственного спутника Земли.

Решение по созданию межконтинентальной баллистической ракеты было принято у нас в стране в феврале 1953 г., а в мае того же года после изучения соответствующих возможностей был выбран конкретный вариант такой ракеты. Следует отметить, что ее разработка служила одновременно и исходным пунктом для создания отечественной ракеты-носителя, способной выводить в космос полезные нагрузки.

Для осуществления этих проектов в ГДЛ-ОКБ с 1954 г. начались работы по созданию четырехкамерных ЖРД РД-107 и РД-108, благополучно закончившиеся в 1957 г. Эти двигатели достаточно хорошо описаны в отечественной литературе, поэтому остановимся здесь лишь на кратком рассмотрении методов их охлаждения. Заметим, что эти ЖРД были близки по своим техническим характеристикам, и поэтому ограничимся описанием особенностей лишь одного из них, например РД-107.

Этот двигатель имел тягу, составляющую 84 тс (820 кН) у Земли и 102 тс (1040 кН) в пустоте. Он работал на керосине и жидком кислороде, его камера были паяно-сварной конструкции. У выхода из камеры располагался кольцевой коллектор, распределявший керосин по каналам охлаждающего тракта. Керосин, охлаждая камеру, нагревался до 210°С, максимальная скорость его движения в районе критического сечения сопла достигала 20 м/с, что позволяло поддерживать температуру огневой стенки в этом районе на уровне 380°С при плотности теплового потока, поступавшего на него от продуктов сгорания, равной 14•10⁶ ккал/м²•ч. Температура продуктов сгорания составляла 3250°С, давление в камере 60 кгс/см² (6,1 МПа). Топливо направлялось в камеру через 337 форсунок, расположенных по десяти концентрическим окружностям вокруг одной центральной форсунки. Периферийный ряд форсунок служил для подачи керосина, что позволяло обеспечить его избыток в пристеночном слое продуктов сгорания в камере [68, с. 133].

Двигатели РД-107 и РД-108 применялись, как известно, на ракете-носителе «Восток» и были лучшими двигателями в мировом двигателестроении. Достаточно сказать, что удельный импульс РД-107 был почти на 30 с больше, чем у созданного в середине 60-х годов американского двигателя Н-1 аналогичного класса [20, с. 18], и составлял в вакууме 314 с (3080 м/с).

Еще более высоким удельным импульсом (352 с в пустоте) обладал ЖРД РД-119, созданный в ГДЛ-ОКБ в период 1958–1962 гг. и работавший на кислородно-диметилгидразиновом топливе. Этот двигатель имел тягу 11 тс (108кН) при давлении в камере 80 кгс/см².

Следует отметить, что и РД-110 и РД-214 имели камеры, охлаждавшиеся так же, как и камеры ЖРД РД-107 и РД-108. Этот метод охлаждения стал основным у нас в стране и применялся долгие годы, пока новые, более сложные задачи не привели к необходимости его существенного усовершенствования.

Далее…