В этот день… №2-17 (11-20 апреля)



Александр Грищенко Поздравляем всех читателей с международным днём космонавтики!
В нашем обзоре хотелось бы напомнить о появлении смесевого твёрдого ракетного топлива и о первых разработках электрических ракетных двигателей.

 

 
 
 
13 апреля 1945 года завершились испытания ракеты «Прайвит-Ф» (Private-F, США).

В США, кроме Роберта Годдарда, в 1936 году серьёзно начали работать над ракетными двигателями в Калифорнийском технологическом институте (КТИ). Скромная программа, первоначально предусматривала проектирование высотных метеорологических ракет. Руководил разработками профессор Теодор фон Карман (Theodore von Kármán). Первые два года работа осуществлялась на частные средства. С 1 июля 1939 года в КТИ начались исследовательские работы над реактивными двигателями для армейской авиации США; целью работ было создание ракетных ускорителей для обеспечения взлёта и улучшения лётных качеств самолётов. Вначале работа шла медленно: одни только топлива исследовались около года. Первый успех был достигнут в 1941 году при испытании маленького самолёта фирмы «Эркоуп» (Еrcoupe), на котором установили стартовые пороховые ускорители. Под крылом самолёта были подвешены шесть ускорителей c тягой по 125 Н. Самолёт взлетел, сократив дистанцию разбега наполовину. Время горения ускорителей составило 12 с.

Теодор фон КарманПозже, 23 августа 1941 года был совершён полёт того же самолёта со снятым воздушным винтом и установленными 12-ю ракетными ускорителями. Это был первый в Америке полёт самолёта на ракетной тяге. Одновременно с работой над твёрдыми топливами лаборатория КТИ вела исследования и жидких топлив.

Заряд в стартовых ускорителях для самолёта «Эркоуп» состоял из амидного дымного пороха, названного ГАЛСИТ-27 (по наименованию проекта). Заряд весил примерно 0,9 кг и был запрессован в камеру сгорания, которая имела облицовку из пропитанной бумаги. Диаметр заряда равнялся 4,5 см, а длина — 25,5…28 см. Двигатель развивал тягу около 120 Н в течение примерно 12 с.

Министерство военно-морских сил следило с большим интересом за успешными испытаниями самолёта «Эркоуп». Оно интересовалось применением ракет в качестве стартовых ускорителей для взлёта самолётов с авианосцев. Министерство военно-морских сил подписало в 1942 г. контракт с группой разработчиков на разработку ракетных ускорителей с тягой 900 Н при ресурсе — 2 секунды. Ракетный ускоритель обозначался акронимом JATO, что означало «ракетный стартовый ускоритель». В США это наименование осталось до сих пор.

Лётные испытания самолёта «Эркоуп» со стартовыми твердотопливными ускорителями (август 1941)Контракт Министерства ВМС был подписан в момент, когда начали взрываться стартовые ракетные ускорители, изготовленные для испытаний на самолёте «Эркоуп». Все усилия улучшить состав топлива из амидного дымного пороха и способы снаряжения ракет, разработанных для самолёта «Эркоуп», закончились неудачей, так как стартовые ракетные ускорители не выдерживали специфических условий хранения на военных базах. Разработка ракетных двигателей на баллистите, который является соединением нитроцеллюлозы и нитроглицерина, также окончилась неудачей из-за того, что баллистит оказался чувствительным к температуре окружающего воздуха. У него изменялась скорость горения с изменением температуры окружающей среды. Например, ракетный стартовый ускоритель, который должен был развивать тягу в 4540 Н при температуре +32°С, смог развить тягу только в 2700 Н при температуре +4,4°С. Хотя при низкой температуре увеличивалась продолжительность работы двигателя, самолёт с таким ракетным ускорителем в подобных условиях мог потерпеть аварию при взлёте с короткой взлётно-посадочной полосы.

В июне 1942 года один из сотрудников — Парсонс, предложил испытать радикально новое топливо. Оно должно было состоять из окислителя в виде перхлората калия, связующего вещества и горючего в виде асфальта, которым покрывают дороги. Эти компоненты после смешивания должны были размещаться в камере сгорания. Испытания топлива, названного ГАЛСИТ-53, прошли довольно успешно и результаты были такими многообещающими, что работы над другими типами горючего были прекращены на много лет.

Схема двигателя тягой 11,4 кг, который проработал 12 секунд при лётных испытаниях самолёта «Эркоуп» (август 1941 г.)В разработке топлива на асфальтовой основе Парсонсу помогали Миллс и Ф. Миллер. После изучения источника идей нового топлива Парсонс был признан изобретателем и ему был выдан патент на это топливо.

Благодаря этим событиям контракт Министерства ВМС на 100 ракетных стартовых ускорителей, снаряжённых топливом ГАЛСИТ-53, с тягой 910 Н в течение 8 секунд был успешно выполнен. Вскоре после этого фирма Аэроджет Энджиниринг Корпорейшен (Aerojet Engineering Corporation, созданная участниками разработки первых ракетных ускорителей) начала производство вышеуказанных стартовых ракетных ускорителей для самолётов военно-морских сил.

В последующие годы по проекту проводились широкие исследования топлива на асфальтовой основе. В мае 1944 г. Миллс подготовил подробный отчёт о топливе ГАЛСИТ-61-С. ГАЛСИТ-61-С состоял из 76% перхлората калия и 24% горючего. Горючее состояло из 70% асфальта «Texaco» №18 и 30% чистого смазочного масла САЕ №10 фирмы Юньон Ойл Компани (Union Oil Company). Горючее переходило в жидкое состояние при температуре около 135°С, затем к нему добавлялся перхлорат калия в расплавленном состоянии, и эта смесь тщательно перемешивалась. После подачи смеси в камеру сгорания, которую предварительно облицовывали веществом, подобным топливу, её оставляли охлаждаться до затвердевания.

Взлёт летающей лодки со стартовыми ускорителями JATOЭто топливо при сгорании под давлением в камере около 14 МПа создавало в камере температуру порядка 1650…1920°C. Удельный импульс двигателя равнялся 1760 м/с, а скорость истечения около 1800 м/сек. Температурные пределы хранения топлива равнялись 23…48°С. Это топливо было разработано в 1943 г. и использовалось в ракетных стартовых ускорителях, находившихся на вооружении ВМС до конца второй мировой войны.

В 1944 году, после получения сведений о немецких баллистических ракетах А-4 в КТИ по проекту ГАЛСИТ продолжились работы с окончательной задачей использования твердотопливных ускорителей в управляемых ракетах большого радиуса действия. Результатом этих работ стала ракета Private-A (Private – рядовой), впервые полетевшая в декабре 1944. Это была одной из первых баллистических ракет, созданных в США. Цели программы были исключительно исследовательские – изучение свойств управляемых ракет.

Ракета «Прайвит-Ф» на стартовой рампеКонструкция ракеты была проста, если не сказать примитивна — стартовый ускоритель JATO был оснащён стабилизирующими плоскостями, РДТТ развивал тягу 4400 Н в течение 15 секунд. Старт осуществлялся со стартовой рампы с рельсовыми направляющими. Ракета имела стартовую ступень, состоящую из четырёх реактивных снарядов (время работы – 0,5 с). В лучшем пуске ракета улетела на 18300 м за 90 с. Напомним, что немецкая многоступенчатая твердотопливная ракета «Рейнботе» (Rheinbote), чьи испытания начались в ноябре 1941 года, имела дальность около 200 км. Но «Прайвит» была испытательной, а не боевой ракетой.

После успешных испытаний, проектом заинтересовались в Департаменте вооружений Армии США. В январе 1945 года был заключён контракт на разработку новых модификаций ракет. И уже в апреле 1945 года модификация «Прайвит-Ф» стартовала. Она отличалась от «Прайвит-А» оперением — вместо крестообразных стабилизаторов были установлены два крыла и один вертикальный стабилизатор, что позволяет классифицировать её как крылатую ракету. 17 испытательных пусков были проведены с 1 по 13 апреля 1945 года. Но, несмотря на усовершенствования, устойчивость ракеты в полёте была неудовлетворительной – необходима была система управления.

Именно с ракеты «Прайвит» в США появилась традиция именовать боевые ракеты с РДТТ воинскими званиями. За «Рядовым» последовали «Капрал» и «Сержант».


 

18 апреля 1929 года – работа В. П. Глушко «Металл как взрывчатое вещество» была сдана в военный отдел Комитета по делам изобретений (СССР).

В. П. Глушко (1931)Валентин Глушко, студент физико-математического факультета Ленинградского университета, избрал темой дипломной работы проект электрического ракетного двигателя (ЭРД). Такие двигатели должны были устанавливаться на межпланетный космический корабль (какие интересные темы дипломных работ предлагались выпускникам в конце 20-х годов). Для питания ЭРД предполагалось использовать солнечную энергию, преобразуемую с помощью термоэлементов. И если межпланетный корабль для конца двадцатых годов ХХ века был чистой фантазией, то проект двигателя прошёл экспертизу у начальника ГДЛ Н. И. Тихомирова и у профессора М. В. Шулейкина, после чего В. П. Глушко получил предложение от военного ведомства организовать и провести в ГДЛ работы по реализации этого процесса. С 15 мая 1929 года будущий академик Валентин Петрович Глушко был зачислен в штат ГДЛ руководителем этих работ.

В 1929-1930 гг. в стенах ГДЛ теоретически и экспериментально была доказана в принципе работоспособность электрического ракетного двигателя (ЭРД), использующего в качестве рабочего тела твёрдые или жидкие проводники (непрерывно подаваемые металлические проволоки либо жидкие струи), взрываемые с заданной частотой электрическим током в камере с соплом. К форсунке и корпусу камеры, разделённым изолятором, подводились провода от электрической ЭРД, изготовленный по эскизам, восстановленным В. П. Глушкоимпульсной установки большой мощности, основными элементами которой являлись высоковольтный трансформатор, четыре выпрямителя и масляные конденсаторы ёмкостью 4 мкФ, заряжаемые до 40 кВ. Взрыванию подвергались нити из углерода, проволока из алюминия, никеля, вольфрама, свинца и других металлов, а также жидкости — ртуть, электролиты. Изучались как одиночные электровзрывы жидких и твёрдых проводников, так и серии взрывов при непрерывной подаче рабочего тела. Вначале электровзрывы проводились в открытом пространстве, затем в камере с соплом. В 1932-1933 гг. ЭРД испытывался на баллистическом маятнике. Это был первый электротермический ракетный двигатель.

25 марта 1931 года было зарегистрировано заявочное свидетельство №85435/5789 на такой двигатель. Поскольку ЭРД мог проявить свои качества лишь в космическом пространстве, а полёты в космос явно не были приоритетной задачей для такой военно-технической организации как ГДЛ, группе В. П. Глушко с 1930 года всё больше и больше усилий пришлось уделять разработке ЖРД. Именно работы в ГДЛ и МосГИРДе подготовили кадры инженеров и техников, для которых ракетный двигатель стал не заманчивой мечтой, а объектом проектирования и исследования. Многие из тех, кто начал заниматься этой проблемой в далёкие тридцатые годы, стали главными конструкторами, профессорами и даже академиками, руководителями ведущих Схема ЭРДорганизаций – разработчиков ракетно-космической техники. Но это всё позже, а в 1930-е годы они делали первые практические шаги и учились на своих ошибках. А это является необходимым этапом подготовки действительно квалифицированного инженера.

ЭРД начали применять в ДУ космических аппаратов в 60-е годы ХХ века. В настоящее время ЭРД различных схем применяются на многих спутниках и АМС. Но именно электротермические двигатели, над созданием которых трудился Валентин Глушко, пока не используются.


 

При подготовке материалов были использованы следующие источники:

  1. Дж. Хэмфрис. Ракетные двигатели и управляемые снаряды. – М.: «Издательство иностранной литературы», 1958.
  2. В. П. Глушко. Путь в ракетной технике 1924-1946. – М.: «Машиностроение», 1977.
  3. В. Н. Аликин, А. В. Вахрушев, В. Б. Голубчиков, А. С. Ермилов, А. М. Липанов, С. Ю. Серебренников. Твердые топлива реактивных двигателей / Под ред. академика А. М. Липанова. – М.: «Машиностроение», 2011.

 


« »



Оставьте свой комментарий

Вы должны быть авторизованы чтобы оставлять комментарии.

Рейтинг@Mail.ru