При создании современных ЖРД одной из наиболее сложных научно-технических проблем является обеспечение надежной герметичности многочисленных разъемных соединений (РС) трубопроводов разного рода. Это особенно актуально для современных двигателей многоразового использования, где в отличие от ранних ЖРД, сильно уменьшено количество сварных соединений.
Большое число РС в современных ЖРД обусловлено как требованиями многоразовости их использования и ремонтопригодности, так и возможностью замены агрегатов в процессе сборки и эксплуатации двигателей. Двигатель РД-170 для ракеты-носителя "Зенит" имеет, например, более 600 РС.
К РС предъявляются весьма жесткие требования: обеспечение высокой степени герметичности; долговечность в условиях многократного воздействия нагрузок; сохранение работоспособности РС без их переборки и подзатяжки между циклами эксплуатации, в том числе после длительного хранения под нагрузкой и т.д.
Все это обусловило необходимость проведения широкого спектра научно-исследовательских работ для создания принципиально новых конструкций уплотнительных устройств.
Надежность и герметичность криогенных и высокотемпературных РС ЖРД способны обеспечить только металлические упругие уплотнения (МУУ). Благодаря эффекту самоуплотнения, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей среды, такие уплотнения применимы в РС с относительно нежесткими облегченными фланцами. Требуемая герметичность сохраняется даже при расхождении стыка в зоне уплотнения до 0,5…1,0 мм! Применение МУУ способствует уменьшению массы и габаритов РС и массы ЖРД в целом, и как следствие, сокращению стоимости вывода на орбиту единицы массы полезного груза. МУУ сохраняют работоспособность в течение 20 лет не только без переборок, но и без подзатяжки крепежных деталей после многоцикловой эксплуатации и длительного хранения под нагрузкой.
Многообразие условий эксплуатации уплотнительных устройств в современных ЖРД потребовало индивидуального подхода к каждому высоконагруженному устройству.
Принципиальная конструкция РС с МУУ показана на рисунке. Собственно уплотнение - размещенный между фланцами упругий элемент, выполненный в виде кольца с внутренним и наружным барьерами.
Уплотнение заневоливаются усилием упругих рессор и давлением рабочей среды. При затяжке РС упругие рессоры поджимаются (суммарно по обеим рессорам каждого барьера) на величину 0,4…0,6 мм, что создает необходимое для обеспечения герметичности начальное контактное усилие на уплотнительных поверхностях.
При выборе материалов для обеспечения надежной работы упругих уплотнений учитываются их свойства в рабочих условиях, пожаробезопасность и др., а также склонность к наводораживанию. Эти материалы должны обладать высокими прочностными и пластическими показателями, определенными на основании результатов расчетов и экспериментальных исследований.
В зависимости от диапазона рабочих температур, условий эксплуатации, используемой среды применяются материалы различных классов. В уплотнениях, работающих при криогенных температурах, используется низкоуглеродистая сталь ЭК49, а также никелевый сплав ЭК61.
При температурах от 723 до 923К в кислородосодержащей среде используются железоникелевые сплавы ЭП700 и ЭП915, а также никелевый сплав ЭК61, обеспечивающие при этих температурах высокие прочностные характеристики.
При очень высоких температурах, вплоть до 1073К, впервые в отечественной и мировой практике используется жаропрочный высоколегированный никелевый сплав ЭП741НП, получаемый методом горячего изостатического прессования из гранул. Сплав работоспособен в кислородной и водородной средах. Он превосходит все отечественные сплавы, используемые при изготовлении упругих уплотнений, а также ближайший зарубежный аналог Astroloy.
Опыт эксплуатации упругих металлических уплотнений в современных ЖРД показывает, что большую роль в обеспечении герметичности РС играет правильный выбор мягких герметизирующих покрытий, выполняющих также защитные функции от воздействия агрессивных сред. В качестве покрытий в зависимости от температуры для различных рабочих сред используется чистая медь, комбинированное медно-серебряное покрытие, чистое серебро, никель со специальной термообработкой для уменьшения твердости, металлофторопластовое покрытие, индий.
В наиболее вибро- и теплонапряженных РС для уплотнений используется бериллиевая бронза БрБ2 без покрытия, но термообработанная по оригинальной технологии НПО Энергомаш для повышения ее пластических характеристик.
Для обеспечения, наряду с герметичностью РС, компенсации монтажных перекосов было предложено сферическое РС со статическим шарниром и двухбарьерным упругим уплотнением.
В сферических РС, как и в плоских, могут быть использованы однобарьерные или двухбарьерные уплотнения с периферийным силовым кольцом, являющимся вторым барьером уплотнения.
Для исключения в трубопроводах малого диаметра монтажных напряжений, разработаны беспрокладочные РС со сферическим шарниром. Был выбран вариант РС типа "тор + сфера". Такие РС надежно обеспечивают работоспособность и герметичность при термоциклических и вибрационных нагрузках. Они широко внедряются во все современные ЖРД по линиям жидкого кислорода, горячего газа и горючего.
Для разделения газовой и жидкостной полостей в высокотемпературном крупногабаритном РС разработано оригинальное серповидное уплотнение. Оно выполнено из бериллиевой бронзы БрБ2. Для предотвращения попадания горячих сепарированных частиц из газового потока в зазор и для организации завесы в уплотнении выполнены отверстия, через которые подается жидкий кислород.
В конструкции РС, работающего при очень высоком давлении (120 МПа), применено упругое уплотнение К-образного сечения с удлиненными и утолщенными рессорами. При изготовлении уплотнения осуществлялось его предварительное обжатие давлением, превышающим рабочее. Это позволило создать РС, работоспособное и герметичное при значительных расхождениях фланцев (1 мм и более).
В аксиально-подвижных РС уплотнения должны удовлетворять требованиям обеспечения герметичности при минимальных сдвиговых усилиях. Асимметричная манжета с длинной и утолщенной внутренней рессорой используется как вторичное уплотнение в высоконагруженных агрегатах, подверженных значительным динамическим и вибрационным нагрузкам.
Наряду с работами по МУУ исследовался новый тип торцевого стояночного уплотнения для работы в криогенных средах - импульсное уплотнение с саморегулирующимся зазором в несколько микрон. В качестве вторичного уплотнения в такой конструкции применена металлическая манжета, выполненная зацело с аксиально-подвижным ползуном.
Жесткие эксплутационные условия, характерные для современных ЖРД многоразового использования, потребовали создания новых эластомерных материалов для уплотнений по линии горючего. В процессе исследований было установлено, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает бутадиен-нитрильный каучук. Такие резины обеспечивают работоспособность уплотнений и сохраняют эксплуатационную устойчивость в течение длительного времени хранения двигателя (до 20 лет).
Опыт создания РС с упругими металлическими и эластомерными уплотнениями, обеспечивающими экстремальные условия эксплуатации ЖРД, может быть широко использован в разных отраслях промышленности.

Рис.1 Конструкция разъемного соединения с двухбарьерным упругим металлическим уплотнителем