Среди проблем, стоящих на пути создания перспективных ракет, выделяется проблема разработки двигателя тягой 250...500 тс при удельном импульсе 250...270 с, сохраняющего работоспособность в условиях воздействия высоких перегрузок. При этом двигатель должен обладать свойством быстрого выхода на режим (время запуска 0,1 с), отличаться высокой плотностью компоновки и иметь небольшую удельную массу.
Этим требованиям могли бы удовлетворить традиционные двигатели твердого топлива. Однако создание твердых топлив со скоростями горения 100...400 мм/с, удельным импульсом 250...270 с и высокими физико-механическими свойствами представляет сложную научно-техническую проблему, не решенную промышленностью. В связи с этим, наряду с созданием твердотопливных двигателей, целесообразно исследовать возможности применения в перспективных ракетах и других типов двигателей.

Существующие ЖРД не удовлетворяют предъявляемым требованиям по динамическим характеристикам (большое время выхода на режим и существенный выброс топлива на запуске), а также по экономическим показателям. В результате анализа энергетических и энергомассовых характеристик была показана принципиальная возможность решения данной задачи с помощью многокамерных ЖРД, основными характеристиками которых являются: применение высококалорийного самовоспламеняющегося жидкого топлива (AT и НДМГ); конструкция ДУ (многокамерная) с вытеснительной системой подачи топлива; неохлаждаемая камера сгорания повышенной расходонапряженности с коротким соплом; схема запуска с пусковыми мембранами свободного прорыва, расположенными непосредственно на входе форсунок камеры сгорания.
Следует отметить, что применение многокамерной ДУ позволяет значительно уменьшить габариты сопловой части установки и ее массу. Использование ДУ модульной конструкции способствует уменьшению производственных затрат.
Для подтверждения возможности достижения требуемых характеристик проведены расчетные исследования и испытания моделей применительно к многокамерной ДУ.
Многокамерная конструкция ЖРД рассматриваемого типа открывает хорошие возможности для исследования процессов в камере сгорания (КС) и системе подачи методом масштабного физического моделирования. Для стендовой модели ДУ была изготовлена модель КС.
Стендовая модель ДУ обладала следующими свойствами: в натурном виде воспроизводился рабочий процесс КС; в системе подачи топлива воспроизводилась работа натурных пусковых мембранных узлов; не моделировались динамика функционирования системы наддува и механические свойства натурной ДУ (в отношении жесткости и собственных частот колебаний).
На первом этапе работ - до создания физической модели ДУ - было проведено математическое моделирование на ЭВМ для определения возможности запуска ЖРД за очень короткое время (менее 0,1 с) без существенных потерь топлива из-за выброса первых порций компонентов. Система уравнений динамики ДУ была разработана на основе математической модели ЖРД, работающего на стабильных самовоспламеняющихся компонентах топлива.
Было исследовано более десяти вариантов запуска ДУ, в которых варьировались сочетания внешних и внутренних факторов, влияющих на функционирование ДУ в указанном режиме. Результаты расчетов свидетельствовали, что реально возможные отклонения таких параметров, как гидравлические сопротивления форсунок, объемы предфорсуночных полостей, времена задержки горения и коэффициенты полноты сгорания не оказывают определяющего влияния на показатели процесса запуска. Выяснилось, что наиболее сильно влияют на запуск динамические характеристики системы наддува. При времени нарастания давления наддува в баках порядка 0,01...0,03 с и свободных объемах, не превышающих 4...6 % от объема бака, процесс запуска протекал без существенных забросов давления (время выхода на режим не более 0,1 с, выброс топлива в пределах 1 % от его общего количества).
Для обеспечения возможности переноса полученных результатов на натурные ДУ были введены критерии экономичности процесса запуска: временные эквиваленты величины выброса и суммарных затрат топлива при запуске и относительные показатели экономичности.
Временной эквивалент выброса или затрат топлива на запуск можно рассматривать как время, в течение которого мог бы работать двигатель на номинальном режиме, расходуя топливо, выброшенное или затраченное на запуск. Относительные показатели экономичности (относительный выброс и относительная затрата топлива на запуск) учитывают особенности двигательной установки и позволяют сравнивать между собой требования к экономичности запуска ЖРД различного типа.
Результаты математического моделирования подтвердили возможность достижения требуемых значений параметров запуска рассматриваемой ДУ.
Модельная камера сгорания была выполнена неохлаждаемой в виде отдельного блока, стыкуемого с форсуночной головкой.
В целях повышения экономичности рабочего процесса в камере сгорания было разработано несколько вариантов форсуночных головок, в том числе: с семью форсунками; с 61-й форсункой.
Автономные испытания моделей ДУ проводились в земных условиях с целью: исследования процесса запуска двигателя и оценки его параметров при выходе на режим; определения показателей экономичности и устойчивости рабочего процесса в камере сгорания с различными форсуночными головками.
Проведенные испытания однокамерной и шестикамерной моделей ДУ подтвердили возможность получения значений параметров камеры сгорания, удовлетворяющих основным требованиям по динамике запуска, устойчивости рабочего процесса и экономичности.
Полученные результаты свидетельствовали о том, что процесс запуска ДУ, как правило, протекал без существенных забросов давления в камере сгорания. Время запуска составляло 0,1...0,5 с, при этом время, потребное для наддува баков, равнялось 0,03...0,35 с.
Анализ показал, что существенное влияние на процесс запуска оказывают динамические характеристики стендовой системы наддува, изменяющиеся в широких пределах в зависимости от ее конструктивного исполнения. При времени наддува баков менее 0,03 с время выхода ДУ на режим 90-процентной тяги не превышало 0,1 с.
При испытаниях однокамерной модели ДУ в ряде случаев наблюдались интенсивные низкочастотные (в диапазоне частот 90...290 Гц) колебания давления в камере сгорания. Для выяснения механизма колебаний были привлечены известные теоретические модели такого рода процессов. Было высказано предположение о "расходном" механизме низкочастотной неустойчивости в сочетании с возможной внутрикамерной неустойчивостью (механизм Крокко). Расчет проводился по упрощенной математической модели "расходного" механизма с учетом влияния внутрикамерной неустойчивости.
Была рассчитана граница устойчивости системы и значения частот колебаний на границе.
Результаты теоретического анализа, проведенного по модели "расходного” и внутрикамерного механизма низкочастотной неустойчивости, согласуются с данными, полученными при испытаниях.
В связи с этим основные практические мероприятия, связанные с обеспечением устойчивости рабочего процесса ДУ по отношению к низкочастотным колебаниям, были направлены на: улучшение диспергирования топлива путем увеличения числа форсунок камеры сгорания; улучшение динамических свойств системы подачи благодаря повышению перепада давления между баками и камерой сгорания.
Проведенные испытания моделей ДУ с КС, имеющими различные форсуночные головки, а также испытания с повышенным гидравлическим сопротивлением системы подачи показали, что наиболее эффективным способом обеспечения устойчивости рабочего процесса по отношению к низкочастотным колебаниям является применение камеры сгорания с 61-й форсункой обратной схемы, обеспечивающей хорошее распыливание топлива и высокую экономичность рабочего процесса. Устойчивость рабочего процесса при использовании семифорсуночной головки КС была обеспечена постановкой дополнительного гидравлического сопротивления в системе подачи топлива.
Анализ показал, что потеря полного импульса зависит от типа форсуночной головки и от условий работы ДУ. По результатам испытаний однокамерной модели ДУ суммарная потеря полного импульса из-за выброса топлива на запуске, неточности настройки гидравлических сопротивлений и неодновременности выработки баков, включая погрешность измерения, в среднем составляла 13 %. В основном потери были обусловлены неточностью выдерживания соотношения расходов компонентов и неодновременностью выработки топлива из баков.
Испытания шестикамерной модели ДУ показали, что двигательная установка в условиях взаимного влияния камер сгорания и газодинамического взаимодействия газовых струй работала устойчиво, и ее динамические характеристики соответствовали предъявленным требованиям.
Резюмируя изложенное, можно констатировать:
1. Схема запуска ДУ с пусковыми мембранами на входе в форсунки позволяет обеспечить надежный "пушечный" запуск двигателя.
2. Наиболее эффективным способом обеспечения устойчивости рабочего процесса по отношению к низкочастотным колебаниям является применение камеры сгорания с достаточно большим числом форсунок обратной схемы (окислитель снаружи, горючее внутри), обеспечивающих тонкий распыл топлива и высокую экономичность рабочего процесса.