ЛИНЕЙКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ГП «КБ «ЮЖНОЕ» ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ СЕМЕЙСТВ РАКЕ

[stailker]

А. А. Прокопчук, В. А. Шульга
Государственное предприятие «Конструкторское бюро «Южное» им. М. К. Янгеля», Днепропетровск

ЛИНЕЙКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ГП «КБ «ЮЖНОЕ» ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ СЕМЕЙСТВ РАКЕТО-НОСИТЕЛЕЙ

ВВЕДЕНИЕ

В составе Государственного предприятия «Конструкторское бюро «Южное» им. М. К. Янгеля» имеется специализированное конструкторское бюро (КБ-4) по разработке жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), специалисты которого имеют более чем пятидесятилетний опыт создания ЖРД различного назначения. На всех межконтинентальных баллистических ракетах (МБР), разработанных ГП «КБ «Южное», используются в качестве рулевых, на первых и вторых ступенях, а также маршевых, на верхних ступенях, двигатели собственной разработки, перечень которых, с привязкой к МБР, приводится на рис. 1.



На рис. 2 приводится перечень ЖРД, разработанных ГП КБ «Южное» для космических носителей.



Специалисты «Южного» освоили технологию разработки ЖРД, работающих по замкнутому циклу, — с дожиганием генераторного газа в камере сгорания, реализация которого позволяет получить максимальную эффективность топливной пары. С реализацией замкнутого цикла специалистами «Южного» были разработаны маршевые двигатели вторых ступеней РД857 и РД862, работающие на топливе АТ+НДМТ, и рулевой двигатель второй ступени РН «Зенит» РД-8, работающий на топливе жидкий кислород и керосин. Обогатить имеющийся опыт отработки и эксплуатации двигателей замкнутой схемы с дожиганием генераторного газа специалистам «Южного» позволило многолетнее конструкторское сопровождение изготовления и испытаний на ПО ЮМЗ маршевого двигателя второй ступени РН «Зенит» РД120, разработанного специалистами НПО «Энергомаш» (Российская Федерация). Использование богатого опыта по разработке и отработке ЖРД различного назначения позволяет специалистам «Южного» прогнозировать существенное снижение затрат, как времени, так и финансовых, на создание новых современных ЖРД.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Чтобы обеспечить вновь разрабатываемые перспективные РН двигателями собственной разработки специалисты ГП «КБ «Южное» решают задачу создания линейки перспективных ЖРД, которые могут быть востребованы не только в интересах выполнения космических программ Украины, но и зарубежными заказчиками. При этом для маршевых двигателей в качестве топливной пары выбраны жидкий кислород и керосин. Это топливо, обладая достаточно высокими энергетическими возможностями, позволяет минимизировать на этапах отработки и эксплуатации двигателей ущерб окружающей среде.

Все двигатели этого ряда (работающие на топливе жидкий кислород + керосин) выполнены с турбонасосной системой подачи по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа.

Для космических буксиров и взлетно-посадочных модулей с длительной продолжительностью функционирования в космосе в качестве топливной пары применяются высококипящие компоненты топлива.

При выборе размерностей двигателей по уровням тяг, формирующих «линейку», исходили из того, что для первых ступеней, разрабатываемых в настоящее время и прогнозируемых на ближайшее будущее космических носителей от легкого до тяжелого классов, наиболее востребованными являются двигатели с тягами примерно от 50 до 500 тс. Для вторых и третьих ступеней, а также разгонных блоков наиболее востребованными могут быть ЖРД с тягами примерно от 2 до 140 тс.

Для решения задач по исследованию дальнего космоса необходимы двигатели с уровнем тяг от нескольких килограммов до нескольких тонн, но с большой продолжительностью функционирования в условиях космоса, обеспечением возможности многократного включения в полете и широким диапазоном регулирования тяг.

Формируя линейку перспективных ЖРД специалисты «Южного» руководствовались следующими соображениями, которые направлены на сокращение затрат:

• по возможности максимально использовать имеющийся опыт, в том числе за счет заимствования узлов, агрегатов, технических решений в новые разработки из ранее отработанных двигателей;
• наращивание размерности двигателей по тяге предусматривает максимальное заимствование ключевых узлов для выбранного ряда;
• выбираемые основные параметры двигателей должны позволять при минимальных дополнительных затратах модификацию параметров в случае необходимости. С этой целью номинальные характеристики двигателей выбираются с учетом возможности форсирования режима в процессе их эксплуатации, если в этом возникнет необходимость.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

На рис. 3 представлена линейка ЖРД, создание которых является приоритетной задачей специалистов ГП «КБ «Южное».



Для первых ступеней перспективных РН разработаны проекты ЖРД с тягами 120, 200 и 250 тс.

Облик этих двигателей приведен на рис. 3, а характеристики — в табл. 1 [2].



Для создания двигателей больших тяг, которые могут найти применение в РН тяжелого и сверхтяжелого классов, в качестве базового будет использоваться РД815 с земной тягой 250 тс.

Мы планируем двигатель тягой 500 тс (РД880) на первом этапе выполнить двухкамерным, что потребует разработки нового турбонасосного агрегата (ТНА), а камеру сгорания и газогенератор можно заимствовать из РД815. В дальнейшем не исключаем возможности модернизации двигателя этой размерности с переходом на однокамерную конструкцию, что позволит уменьшить вес и диаметральный габарит двигателя. Необходимость такой модернизации будет диктоваться потребностями будущего рынка. Облики двигателя с земной тягой 500 тс в двухкамерном и однокамерном исполнении приведены на рис. 4.



Двигатели тягой 1000 тс мы сегодня видим как кластерные из четырех 250 тонных, либо двух пятисот тонных (РД880х2) в двухкамерном либо однокамерном исполнении.

Над проектами этих двигателей специалисты «Южного» в настоящее время работают.

Для вторых и третьих ступеней разрабатываются проекты двигателей с тягой 10 тс (РД809К), 50 тс (РД835), примерно 140 тс (РД801В), 9 тс (РД809М), 2 тс (РД805).

Облик этих двигателей приведен на рис. 3, б, а характеристики — в табл. 1.

Двигатели РД809К, РД809М и РД805 разработаны на базе агрегатов серийного двигателя РД8, который используется в качестве рулевого на РН «Зенит». В РД809К заимствованы из РД8 ТНА, газогенератор и некоторые другие агрегаты. РД809К однокамерный, а РД8 четырехкамерный Поэтому для РД809К разработана вновь камера сгорания, а также некоторые агрегаты автоматики и общей сборки. Кроме того, РД809К будет обеспечивать многократный запуск в полете. Проект и конструкторская документация по этому двигателю разработаны. В настоящее время ведется освоение изготовления этого двигателя и в ближайшее время специалисты «Южного» приступят к отработке вновь разработанных узлов и агрегатов.

Проект двигателя РД809М разрабатывался для использования в качестве маршевого на второй ступени РН «Антарес» [3]. Схемные решения для этого двигателя, состав агрегатов полностью заимствованы из РД8. Под новые задачи потребовалось изменить компоновку двигателя в обеспечение минимальных диаметральных габаритов. По нашим оценкам отработка и сертификация такого двигателя может быть проведена на 5—7 экземплярах. Все агрегаты двигателя в состоянии производства. На базе камеры двигателя РД8 создается проект маршевого двигателя РД805 тягой 2 тс для верхних ступеней. Разрабатываемые нами на базе двигателя РД8 три новых современных ЖРД могут быть с минимальными затратами отработаны и применены в качестве
маршевых для верхних ступеней РН.

По двигателю РД835 с тягой в пустоте 50 тс в настоящее время ведутся проектные работы. В наших планах завершить разработку эскизного проекта этого двигателя до конца текущего года.

Двигатель РД801В, с тягой в пустоте около 140 тс, разрабатывается на базе агрегатов двигателя РД801, который нами разработан в качестве маршевого для первых ступеней с земной тягой 120 тс. Мы планируем модифицировать этот двигатель путем перепрофилирования сопла для изменения его высотности.

Для верхних ступеней и разгонных блоков в течение последних 10 лет специалистами «Южного» разработаны проекты ряда ЖРД, работающих на высококипящих компонентах топлива.

Для третьей ступени РН «Циклон-4» практически завершена отработка двигателя РД861К, внешний вид которого приведен на рис. 5, а, а характеристики приведены в табл. 2. Имея высокие энергомассовые характеристики, этот двигатель может обеспечивать многократный запуск в полете и продолжительное функционирование в условиях космического пространства.

Аналог двигателя РД843 (см. рис. 5, б) эксплуатируется в качестве маршевого в составе 4 ступени европейской РН «Вега».



Характеристики этого двигателя также приведены в табл. 2.



Для автономного космического буксира «Кречет», эксплуатация которого планировалась в составе РН «Днепр», создана двигательная установка ДУ802 (см. рис. 6, а), позволяющая осуществлять многоразовые включения в полете. Отработка этой двигательной установки приостановлена на этапе комплексных испытаний из за отсутствия финансирования.



На базе ранее разработанных двигателей, работающих на высококипящих долгохранимых компонентах топлива, разработаны проекты двигателей РД860 и РД860L [4], которые могут быть использованы в космических программах по освоению Луны и других космических объектов. Имея опыт создания двигателей для советской лунной программы, позволявших обеспечить мягкую посадку пилотируемого корабля на лунную поверхность и доставку корабля на окололунную орбиту после взлета с поверхности Луны, специалисты «Южного» готовы решать вопросы создания ЖРД с многократным регулированием тяги. Для этого класса двигателей имеются производственная для изготовления и стендовая для испытаний базы на ГП ПО ЮМЗ и ГП КБ «Южное». Такие двигатели могут быть созданы с минимальными финансовыми затратами и в очень сжатые сроки.

Специалистами «Южного» разрабатывается также апогейный двигатель тягой 40 кгс, работающий на долгохранимых высококипящих компонентах топлива (рис. 6, б). По этому двигателю разработана документация на опытный образец и ведутся экспериментальные работы. Основные характеристики ДУ 802 и РД 840 приведены в табл. 2.

ВЫВОДЫ

В обеспечение создания новых семейств РН специалисты ГП КБ «Южное» ведут разработки современных маршевых ЖРД для первых и вторых ступеней, работающих на экологически чистом топливе жидкий кислород и керосин, а так же ЖРД, работающих на долгохранимых высококипящих компонентах топлива, которые найдут применение для космических программ по исследованию дальнего космоса.
Использование имеющегося богатого опыта по разработке и отработке ЖРД позволяет прогнозировать существенное сокращение затрат на создание всей линейки двигателей, представленных в настоящей статье.

ftp://ftp.mao.kiev.ua/pub/journals/knit/2015-21/knit-2015-21-5-04-prokopchuk.pdf
alex999(с)