Работа двигателя ракеты: фото, характеристики, видео

СССР: Как Гагарин

Мы же, как дети, увлеклись рекордами. Быстрее, дольше, выше, больше — всё это служило для народа очевидным (хотя и ложным) доказательством превосходства советской модели развития общества над капиталистической.

В этой погоне мы забыли обо всём: о реальных проблемах людей и их низком уровне жизни, о рисках, о морали и этике, о практической пользе освоения космоса, об элементарной честности, в конце концов. Главное — быть первыми.

О том, как мы начинали эту гонку и чем она закончилась, я уже писал. Директор Космического центра имени Кеннеди Курт Дебус называл советские рекорды «технологической софистикой» и у него были на то основания.

Американцы объявляли о своих планах задолго, в СССР работали в обстановке строжайшей секретности, стараясь изо всех сил запуститься пораньше — хоть на неделю. Американцы ставили перед собой полезные с практической точки зрения задачи, нам было достаточно «приоритета» и рекордов.

Самым известным из них навсегда останется полёт Гагарина 12 апреля 1961 года.

Из истории данного вопроса

Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.

Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, также он является автором идеи многоступенчатой ракеты – в трудах Хааса подробно описан механизм работы летательного аппарата, состоящего из двух ракет. Изыскания продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты так и остались на бумаге.

Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.

Примерно так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция

В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.

Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.

В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.

Вторая мировая война стала периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году на вооружение Красной армии была принята установка залпового огня БМ-13 – знаменитая «Катюша», а в 1943 – немцы начали использование баллистической Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Она была разработана под руководством  Вернера фон Брауна, который позже возглавил американскую космическую программу. Германией также было освоено производство КР Фау-1 с прямоточными реактивным мотором.

Ракета Фау-2. Немцы называли ее «оружие возмездия». Правда, оно не слишком помогло Гитлеру

В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.

Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».

СССР: Два конструктора

В СССР не разделяли этой уверенности. С 1950 года ОКБ-1 Королёва вело разработку тяжёлой межконтинентальной баллистической ракеты, двигателями для неё занимался Глушко. Не мудрствуя лукаво, оба конструктора взяли лучшее из того, что смогла дать им немецкая ракетная школа и вывезенные в СССР немецкие специалисты, добавив к этому собственные наработки.

Несмотря на то, что советские конструктора получили на блюдечке с голубой каёмочкой все немецкие перспективные наработки, создать на их основе ракету (или даже просто повторить Фау-2) было не так-то просто. Основной проблемой была технологическая отсталость советской промышленности. Из едва ли не ста сортов стали для ФАУ-2 в СССР производили менее трети, такое же положение складывалось и с цветными металлами, резинами, пластмассами. Не получалось алюминиевое литье, качественная сварка швов, сверхточная обработка и многое другое.

В результате первые собранные в СССР копии Фау-2 получили вдобавок в новому названию Р-1 новые проблемы, на решение которых потребовалось несколько лет.

Первым совместным успехом двух конструкторов была ракета Р-5 — фактически, продвинутая версия Фау-2 с форсированным двигателем и массой других улучшений.

В основу следующей ракеты, Р-7, легла разработанная Гельмутом Греттрупом для проекта Г-5 компоновка: один центральный блок и четыре отделяющихся обтекаемых блока по бокам. От Греттрупа Королёв избавился, но, к счастью, его идеи взял на вооружение.

Глушко тоже не подвёл — ему удалось перевести двигатель от Фау-2 со спирта на керосин и вместо одной камеры сгорания установить в него сразу четыре с одним турбонасосным агрегатом. Решение было, скорее, вынужденным — советские конструктора до сих пор так и не научились делать по-настоящему большие камеры сгорания из-за возникающих в них в процессе работы колебаний. Но, так или иначе, мощность у двигателя выросла в разы при вполне приличных надёжности и массе.

21 августа 1957 года ракета Р-7 совершила свой первый успешный полёт. При стартовой массе в 267 тонн, она была способна вывести в космос спутник массой около тонны. Более того, в 1956 году была начата разработка этого спутника, который должен был нести 200-300 кг научной аппаратуры. Однако уже к концу года стало понятно, что к моменту запланированного американцами запуска наш спутник готов не будет.

Нет спутника? Не беда: запустим в космос «пищалку» — два радиомаяка и аккумулятор — решил Королёв и начал готовить ракету к запуску. Со штатной Р-7 было снято всё, что можно, облегчив конструкцию на 7 тонн, а вместо массивной боеголовки на неё был установлен переходник под спутник.

4 октября 1957 года был проведён запуск. Не всё прошло гладко: один из двигателей «запаздывал», а время выхода на режим жёстко контролируется, и при его превышении старт автоматически отменяется. Блок вышел на режим менее чем за секунду до контрольного времени. На 16-й секунде полёта отказала система управления подачей топлива, и из-за повышенного расхода керосина центральный двигатель отключился на 1 секунду раньше расчётного времени. Ещё чуть-чуть — и спутник не вышел бы на орбиту, но — победителей не судят.

Под давлением

Традиционное литье может составить конкуренцию спеченному порошку, если отливку потом обработать в газостате под давлением до 2000 атмосфер и при температуре до 12000С. При обычном затвердевании в форме металл усаживается, и в наиболее сложных местах деталей — в изменениях сечений и переходов — образуются микропоры. По этим местам и происходит разрушение. Обработка температурой и давлением в газостате позволяет приблизить свойства детали к идеальным. Вот данные 2003 года: в США 850 газостатов, в Европе 720, в Японии — порядка 400. К сожалению, в России лишь 24 газостата, и вот сейчас на ММЗ «Салют» прибавляется еще один, 25-й. А действуют из них всего четыре!

Эффект от обработки в газостате поразительный: усталостная прочность лопаток ГТД повышается наполовину; количество брака уменьшается в пять раз — с 50 до 10%! А стоимость всего одной литой турбинной лопатки — порядка пятисот долларов! Поверхности деталей, работающих на износ, при традиционных технологиях приходится дополнительно упрочнять. Обычно они азотируются, но тогда на поверхности получается плотный и хрупкий слой, который может скалываться. В газостате азотирование качественно иное — глубина слоя, насыщенного азотом, не 10−20 микрон, как раньше, а 1,5−2,5 мм. Поверхность по твердости вполне соизмерима с алмазом, далее идет плавный переход — никаких сколов поверхностного слоя, — а в глубине твердость, характерная для металла.

Из таких материалов в перспективе будут изготавливать турбины и прочие агрегаты двигателей, а вот корпуса и баки — из алюминий-литиевых сплавов второго поколения. Они намного дешевле сплавов первого поколения, лучше штампуются, гораздо лучше свариваются (можно вместо экзотической сварки трением использовать традиционную аргонно-дуговую) и содержат значительно меньше лития (что, кроме снижения стоимости, увеличивает стойкость к микротрещинам). «Композит» освоил малотоннажное производство Al-Li сплавов второго поколения — трубы и полусферы.

Михаил Рязанский

Михаил Сергеевич Рязанский (1909 – 1987) и Георгий Николаевич Бабакин

Член-корреспондент Академии наук СССР Рязанский был главным ракетным «радистом». С 1930-х годов занимался радиоуправлением танков, самолетов и торпедных катеров, авиационными радиостанциями. Участвовал в разработке первого советского радиолокатора. После войны был назначен Главным конструктором НИИ-885 (ныне ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения»), который создавал аппаратуру радиосвязи для ракет. Его внук – Сергей Рязанский – стал космонавтом. Его первый космический полет состоялся в 2013-м.

Двигательный тюнинг

Качество серийных двигателей, как нетрудно догадаться, для серьезных соревнований не годилось. Поэтому рядом с заводом в 1984 году появилось мелкосерийное опытное производство, обеспечивавшее своей продукцией сборную страны. Особенно выделялись двигатели, частным образом изготовленные мастером Юрием Гапоном.

Технологии
Календари Майя и не только: как исчисляли время разные народы

А в чем, собственно, сложность производства? По своей сути ракетомодельный двигатель — простейшее устройство: картонная трубка с запрессованным внутри дымным порохом марки ДРП-3П (дымный ружейный порох 3-й состав для прессованных изделий) с керамической заглушкой с соплом-дыркой с одной стороны и пыжом с вышибным зарядом — с другой. Первая проблема, с которой не справлялось серийное производство, — точность дозировки, от которой зависел и конечный суммарный импульс двигателя. Вторая — качество корпусов, которые часто давали трещины при прессовании под давлением в три тонны. Ну и третья — собственно, качество запрессовки. Впрочем, проблемы с качеством возникали не только в нашей стране. Не блещут им и серийные ракетомодельные двигатели другой великой космической державы — США. А лучшие модельные двигатели делают микроскопические предприятия в Чехии и Словакии, откуда их контрабандой провозят для особо важных мероприятий.

Тем не менее при социализме двигатели, пусть неважные и с дефицитом, но были. Сейчас же их нет вообще. Отдельные детские ракетомодельные студии летают на старых, еще советских запасах, закрывая глаза на то, что срок годности давно вышел. Спортсмены пользуются услугами пары мастеров-одиночек, а если повезет, то и контрабандными чешскими двигателями. Любителям же остается единственный путь — перед тем как стать Королевым, сначала стать Глушко. То есть делать двигатели самим. Чем, собственно, и занимались я и мои друзья в детстве. Слава богу, пальцы и глаза у всех остались на месте.

Алюминий

«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.

Технологии
Как кошки ведут себя в невесомости (и зачем это проверять)

Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) — такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами.

В ракете он годится только на «сухие» отсеки — клепаная конструкция не гарантирует герметичности под давлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можно деформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 (в частности, из них изготовлены все баки).

Американские инженеры имели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, содержащие до десятка разных компонентов. Но прежде всего наши сплавы проигрывали заокеанским по разбросу свойств. Понятно, что разные образцы могут немного отличаться по составу, а это приводит к разнице в механических свойствах. В конструкции часто приходится полагаться не на среднюю прочность, а на минимальную, или гарантированную, которая у наших сплавов могла быть заметно ниже средней.

В последней четверти XX века прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевых сплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только на увеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно более легким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты «Энергия», из него же делают сейчас и баки «Шаттлов».

Наконец, самый экзотический материал на основе алюминия — боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этот материал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику — из него сделана ферма между баками последней модификации разгонного блока «ДМ-SL», задействованного в проекте «Морской старт». Выбор конструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее как тогда, так и сейчас алюминий — металл №1 в ракете. Но, конечно же, есть и целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.

Титан и титановые сплавы Самый модный металл космического века. Вопреки широко распространенному мнению, титан не очень широко применяется в ракетной технике — из титановых сплавов в основном делают газовые баллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом или жидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. На космическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел с космонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздух для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана с рабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19 килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!

Изучение и освоение трофеев

Технические данные ракеты «Фау-2» (А-4) стали известными только после окончания войны. При первом знакомстве с этим изделием специалисты стран-победительниц, в основном из СССР и США, обнаружили в нём множество новинок. После этого и в СССР, и в странах Запада началось тщательное изучение такой немецкой техники. В СССР создали специальную комиссию под руководством известного авиационного специалиста Бориса Евсеевича Чертока. В Пенемюнде на территории ракетного центра обнаружили большое количество узлов А-4, бортовых приборов, пусковое оборудование и даже несколько полностью собранных ракет, а также различную документацию. Б.Е. Черток предложил изучать все найденное прямо на месте и создать в Германии специальный институт, названный «Рабе» («ракетенбау» — «строительство ракет»), для работы в котором решили привлечь и немецких специалистов. Сотрудники «Рабе» быстро разобрались с найденной техникой и документацией, а также обеспечили подготовку пробных пусков трофейных ракет. Такому результату способствовало наличие в СССР хорошей школы инженеров-ракетчиков, которые и в военное время не прекращали своей деятельности. Однако некоторые наиболее известные специалисты в этой области были репрессированы и находились в лагерях. Таких людей пришлось освобождать. Это, в частности, были Сергей Павлович Королёв — специалист в области общей ракетной проблематики и Валентин Петрович Глушко — специалист по ракетным двигателям. С «выходом на работу» таких профессионалов дело быстро пошло на лад.

«Tomahawk» – прошлое и настоящее

Всего, за всю историю существования «Томагавков» было разработано 7 разновидностей этих ракет. Часть из них снята со службы еще несколько десятков лет назад. Например, такая участь постигла комплексы, которые запускались с земли.

Что
интересно, в прошлом маршрут первых моделей приходилось прокладывать за неделю
до даты планируемой атаки при помощи воздушного картографирования, сделанного с
самолета. Во время пуска оставалось только надеяться на то, что тактическая
ситуация за это время не изменилась.

Не стоит на месте и техническое развитие данной модели ракеты. Так, в 2016 году Национальная лаборатория Лос-Аламоса представила разработку, позволяющую дополнительно увеличить боевую мощь «Томагавка» за счет несгоревшего топлива.

Также
налаживание производства этих ракет позволило снизить стоимость до 650 тысяч
долларов, вместо 1,5 миллионов в прошлом.

Вкупе с
универсальностью, касающейся выполнения боевых задач, «Томагавк» можно
смело называть одной из самых впечатляющих военных разработок последних лет.