ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
HYDROGEN ECONOMY
Безопасность водородной энергетики
Safety of hydrogen energy
УДК 629.7.036.54
ОБ ОПЫТЕ ОТРАБОТКИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ БЕЗОПАСНОСТИ
А. Г. Галеев
Member of the International Editorial Board
ФГУП «НИИхиммаш» г. Пересвет, Московская область, 141320, Россия Тел.: (496) 546-34-75; факс (495) 221-62-82; e-mail: mail@niichimmach.ru
Сведения об авторе: доктор техн. наук (1990 г.), профессор (1992 г.), лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983 г.), действительный член Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского (2000 г.), начальник лаборатории ФГУП «НИИхиммаш», профессор Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-По-садского филиала Московского государственного индустриального университета. Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.). Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей и двигательных установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии.
Публикации: 140 научных работ, в том числе монографий — 2, учебных пособий — 5, авторских свидетельства и патентов на изобретения — 42.
Галеев Айвенго Гадыевич
Рассмотрены вопросы по обобщению опыта и особенностям отработки жидкостных ракетных двигателей 11Д56, 11Д57, РД-0120 и ряда энергетических установок, сравнение их отработки с зарубежными двигателями. Показаны роль модельных исследований и автономных испытаний агрегатов и систем; автономных испытаний двигателя, в том числе и с имитацией полетных условий эксплуатации, и комплексных испытаний двигательных установок. Приведены способы и устройства для обеспечения безопасности наземных испытаний ракетных двигателей и энергетических установок.
Введение
К числу проблемных вопросов при создании ракетных двигателей относятся:
- определение характеристик наиболее напряженных узлов и агрегатов ЖРД — насос-
ных агрегатов, турбин, подшипников, уплотнений, газогенераторов и камер сгорания;
- разработка эффективных каналов аварийной защиты и методов диагностирования технического состояния двигателя;
Лекция доктора технических наук, действительного члена Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского, начальника лаборатории ФГУП «НИИхиммаш», профессора Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-Посадского филиала Московского государственного индустриального университета А. Г. Галеева будет представлена во время торжественной церемонии награждения в Государственной Думе РФ 29 ноября 2008 г. в 1500. Галеев А. Г. награжден Медалью редколлегии Междунродного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» «За большой вклад в безопасность сложных технических систем».
Статья поступила в редакцию 15.08.2007 г. Ред. рег. № 117.
The article has entered in publishing office 15.08.2007. Ed. reg. No. 117.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7(51) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
- имитация полетных условий эксплуатации и послепусковой профилактики двигателя при многократных испытаниях на стенде; -обеспечение их безопасности [1, 2].
1. Отработка кислородно-водородных двигателей 11Д56 и его модификаций, 11Д57 и РД-0120
Еще в 1893 г. К. Э. Циолковским была высказана мысль о возможности использования принципа реактивного движения в «межпланен-тных» летательных аппаратах. В 1903 г. он предложил проект космического аппарата, компонентами которого являлись жидкий кислород и жидкий водород. То есть Циолковский предвидел преимущества экологически чистой и высокоэффективной топливной пары — жидких кислорода и водорода в двигательных установках. В Германии во время Второй мировой войны В. фон Браун создал первую ракету Фау-2 с ЖРД тягой 250 кН на этиловом спирте и жидком кислороде. В СССР первые ракеты (Р1) создавались на основе ракеты Фау-2, а ракета Р-5 и ЖРД были уже собственной разработкой ОКБ С. П. Королева и В. П. Глушко.
В 1954-1957 гг. была создана 2-ступенча-тая ракета-носитель (РН) «Восток» (Р-7) с кислородно-керосиновыми двигателями РД-107 и РД-108, с помощью которой был осуществлен запуск первого искусственного спутника Земли, а также первый полет человека в космос.
В это же время в ОКБ В. П. Глушко были созданы двигатели РД-216 (тяга 1470 кН), РД-251 (тяга 2410 кН) для баллистических ракет Р14, Р16 и Р36 и мощный однокамерный двигатель РД-253 (тяга 1500 кН), выполненный по схеме с дожиганием окислительного газа, для первой ступени РН «Протон». Эти двигатели работали на самовоспламеняющейся высокоэффективной топливной паре «азотный тетроксид - несимметричный диметилгидразин» (АТ-НДМГ). Также был создан двигатель РД-119 (тяга 107 кН в пустоте) на жидком кислороде и НДМГ с высоким удельным импульсом тяги для второй ступени РН легкого класса «Космос-1».
В ОКБ А. М. Исаева в 1962-1965 гг. был создан двигатель 11Д49 (тяга 157 кН в пустоте), работающий на компонентах НДМГ и АТ по схеме без дожигания восстановительного генераторного газа, для второй ступени РН легкого класса «Космос-3» («Космос-3М»). РН «Кос-мос-3» был предназначен для вывода спутников связи и метеонаблюдений массой до 1500 кг.
В 1961 г. после осуществления успешного полета Ю. А. Гагарина на корабле «Восток» президент США Джон Кеннеди поставил национальную задачу «догнать и перегнать русских» по созданию ракетного комплекса «Сатурн-5» с лунным кораблем «Аполлон» для обеспечения пилотируемых полетов на Луну. В результате
выполнения лунной программы «Аполлон» были созданы двух- и трехступенчатые ракеты-носители «Сатурн-1», «Сатурн-1В» и «Сатурн-5», на которых использовались экологически чистые компоненты топлива: кислородно-керосиновое топливо на первой ступени и кислородно-водородное топливо на второй и третьей ступенях РН «Сатурн-5».
Всего было осуществлено 7 запусков пилотируемых кораблей «Аполлон» на Луну (первый полет состоялся 16-24 июля 1969 г. с астронавтами Н. Армстронгом, Э. Олдрином и М. Коллинзом).
В СССР по пилотируемой лунной программе в 1962-1972 гг. создавалась ракета-носитель «Н1-Л3» [3]. При этом рассматривалась схема запуска двух ракет «Н1-Л3», после стыковки на орбите Земли и сборки лунного модуля предусматривался старт к Луне для высадки космонавта на планету. При создании РН «Н1-Л3» возникли разногласия в выборе компонентов топлива. В ОКБ С. П. Королева делали ставку на экологически чистые и более безопасные компоненты топлива — жидкий кислород и керосин для пилотируемой ракеты, а В. П. Глушко считал более приемлемым топливную пару АТ-НДМГ; к тому моменту у него были практически отработаны двигатели для РН «Протон» на компонентах АТ-НДМГ. В результате этих разногласий С. П. Королев выдает ТЗ на разработку двигателей для всех ступеней ракеты «Н1-Л3» в авиационное ОКБ Н. Д. Кузнецова, которое к тому времени не имело опыта создания ЖРД. Проведение летных испытаний РН «Н1-Л3» принимало затяжной характер, так как стартовый комплекс был готов к испытаниям только в конце 1969 г. Было проведено 4 пуска ракеты «Н1-Л3», которые завершились с аварийными исходами.
Отвечая на вопрос: «Почему мы не слетали на Луну?», академик В. П. Мишин, сменивший С. П. Королева на посту главного конструктора ОКБ-1 в 1966 г., высказался так: «Во-первых, США в то время обладали более высоким научно-техническим и экономическим потенциалом, чем наша страна. Во-вторых, в США программа «Сатурн-Аполлон» была общенациональной программой, которая должна была восстановить престиж страны. В-третьих, наряду с программой посадки человека на Луну у нас разрабатывался в ОКБ В. Н. Челомея проект облета Луны космическим кораблем «УР-700-ЛК-700» с двумя космонавтами на борту. Наличие двух программ распыляло силы».
К этому можно добавить [3]:
- американцы, создавая ракету «Сатурн-5», на второй и третьей ступенях применили более эффективную топливную пару — жидкие кислород и водород, которая превосходила кислородно-керосиновое топливо на ~30 % по удельному импульсу. В те годы в нашей стране применение
кислородно-водородного топлива на четвертой и пятой ступенях ракеты «Н1-Л3» рассматривалось только на втором этапе при последующей модернизации ракетного комплекса (кислородно-водородные ЖРД 11Д56 тягой 73,5 кН и ЖРД 11Д57 тягой 392 кН разработки ОКБ А. М. Исаева и ОКБ А. М. Люльки, соответственно);
- ступени ракеты «Сатурн-5» имели более оптимальную схему ДУ с меньшим количеством двигателей, что обеспечило более высокую надежность всей системы;
- в США была создана мощная стендовая база, позволившая провести эффективную отработку двигателей, ступеней ракет на стенде с имитацией полетных (натурных) условий эксплуатации: четыре стенда обеспечивали стендовые испытания двигателей Г-1 и первой ступени РН «Сатурн-5» с пятью ЖРД Г-1 (суммарная тяга 33850 кН).
А при отработке РН «Н1-Л3» первая ступень не подвергалась стендовым испытаниям ввиду отсутствия у нас такого стенда, и, по сути, все четыре проведенные летные испытания РН были посвящены совместной отработке двигателей в составе систем питания ДУ первой ступени.
В мае 1974 г. работы по теме «Н1-Л3» были прекращены. После закрытия темы «Н1-Л3» в ОКБ академика Н. Д. Кузнецова двигатели НК-33 (тяга 1470 кН), которые устанавливались на первой ступени, были доведены до совершенства по надежности путем многократных испытаний. В настоящее время остался задел ~90 двигателей НК-33, которые после 25-летнего хранения при демонстрационных испытаниях на стендах США и России показали хорошую работоспособность.
В 1970 г. американцы приступили к созданию многоразовой транспортно-космической системы (МТКС) «Спейс Шаттл» для доставки на околоземную орбиту полезных грузов орбитальным самолетом (челноком), рассчитанным на 55 полетов. Первый полет «Шаттл» состоялся в 1981 г. Маршевый кислородно-водородный двигатель ЯЯМЕ орбитального корабля «Шаттл» (время непрерывной работы в полете 8 мин, общий ресурс работы 7,5 ч) отрабатывался на стенде 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.