РАБОТЫ В.П.ГЛУШКО ПО ВЫБОРУ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
(к 100-летию со дня рождения)

Вячеслав Федорович Рахманин, НПО Энергомаш

 

Вывод на космическую орбиту 4 октября 1957 г. первого рукотворного спутника Земли стал сенсацией для подавляющего большинства людей. И в то же время это историческое событие явилось результатом естественного развития научно-технического прогресса, в первую очередь, в области создания двигателей, способных преодолеть земное притяжение.

Человек с древних времен устремлял свои взоры на Луну и звезды, стремился к полетам в космос. Это находило свое отражение в сказаниях, легендах, мифах, в книгах писателей-фантастов.

Так было до начала XX века, до публикации в 1903 г. статьи "Изучение мировых пространств реактивными приборами" нашего соотечественника К.Э. Циолковского. В этой работе автор научно обосновал, что единственным средством для передвижения в космосе является ракета.

Реактивный двигатель относится к классу тепловых машин, у которых потенциальная химическая энергия, заключенная в топливе, преобразуется в поступательное движение продуктов сгорания, создающих тяговую силу истечением из сопла. Реактивный двигатель является двигателем прямого действия, не использующим какие-либо промежуточные механизмы - колеса, гусеницы, воздушный пропеллер, водяной винт и т.д. Он может обеспечивать движение связанному с ним аппарату вне внешней материальной среды (суша, воздух, вода). Особенностью ЖРД - одного из видов реактивного двигателя - является наличие запасов топлива на борту движущегося аппарата, чаще всего ракеты. Таким образом, ЖРД по принципу своего действия пригоден для полетов как в космическом пространстве, так и в атмосфере любой планеты.

Величина реактивной силы ЖРД зависит не только от потенциальной химической энергии топлива, но и от полноты ее использования в двигателе, главным образом, от выбранной схемы двигателя и конструкции камеры сгорания и сопла. В практической деятельности ракетного двигателестроения установлено, что "конструктивные" потери составляют 3...5 % от исходной величины химической энергии топливной смеси. При сравнении энергетической эффективности различных топлив такой величиной можно пренебречь, что и делали пионеры космонавтики в своих теоретических трудах.

Мерилом энергетической эффективности химических топлив принято считать получаемую скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла камеры. В практической работе чаще используется величина удельного импульса тяги, которая характеризует тягу, получаемую при сгорании 1 кг топлива в секунду, и имеет размерность кгс·с/кг.

Высокая значимость вида ракетного топлива с учетом выделяемой при его сжигании химической энергии является весомой причиной для практически обязательного упоминания пионерами космонавтики предлагавшегося ими топлива в соответствующих теоретических трудах. Эти предложения, как и используемое ракетное топливо в начальный период конструирования первых ЖРД и жидкостных ракет, представляет исторический интерес.

Родоначальник научной космонавтики К.Э. Циолковский в своей первой работе предложил использовать в качестве ракетного топлива наиболее энергоемкую кислородно-водородную смесь. В последующих работах, углубляя и детализируя теорию реактивного движения, он одновременно корректировал свои взгляды на возможность использования в качестве ракетного топлива как различных химических элементов и соединений, так и других физических источников энергии, включая ядерную и электрическую. Погружаясь глубже в практические вопросы ракетостроения, Циолковский все больше обращает внимание на эксплуатационные характеристики топлив.

Последней работой, в которой Циолковский переосмыслил, обобщил и систематизировал все ранее изложенные взгляды на ракетное топливо, стала написанная в 1932-1933 гг. статья "Топливо для ракеты" (опубликована в 1936 г.). Далее Циолковский определил, что вместо водорода подходящими для горения с кислородом являются метан, этилен, бензол, ацетилен, скипидар, метиловый и этиловый спирты, эфир. У всех есть недостатки, но наиболее приемлемым является этиловый спирт.

Что касается окислителя, то, по мнению Циолковского, жидкий кислород неудобен из-за его низкой температуры кипения. Интерес представляют кислородные соединения азота и, в первую очередь, азотный ангидрид, применение которого, однако, требует защиты металлов от коррозии.

Научно-технический прогресс во второй половине XX века существенно скорректировал возможности использования криогенных веществ, в остальном оценки Циолковского сделаны достаточно точно.

Параллельно с Циолковским создавали свои научно-теоретические труды и другие пионеры космонавтики. Некоторые из них на практике участвовали в создании первых ЖРД и жидкостных ракет.

Американский ученый-физик Р. Годдард вошел в мировую историю ракетной техники как создатель жидкостной ракеты, совершившей 16 марта 1926 г. первый в мире полет. Эта ракета работала на кислородно-бензиновом топливе.

Выдающийся немецкий ученый, пионер космонавтики Г. Оберт в книге "Ракета в межпланетном пространстве" (издана в 1923 г.) предложил использовать в двигателе космической ракеты жидкие кислород, водород и спирт. В последующих теоретических трудах предлагал, а в практической деятельности использовал кислород и этиловый спирт. Такое же топливо использовали и другие немецкие конструкторы ракетной техники (М. Валье, К. Ридель), а также конструкторское бюро под руководством В. фон Брауна в двигателе первой боевой жидкостной ракеты А-4 (Фау-2). Из других немецких конструкторов следует указать Р. Небеля, использовавшего в качестве горючего бензин, и И. Винклера, создавшего ракету на кислородно-метановом топливе. Именно она считается первой в Европе жидкостной ракетой, впервые поднявшейся в небо 14 марта 1931 г.

Французский авиаконструктор Р. Эсно-Пельтри изложил взгляды как на конструкцию космической ракеты, так и на топливо для ее двигателя. По его мнению, из химических элементов наиболее целесообразным являлось использование кислородно-водородного топлива, а для полетов в дальний космос Р. Эсно-Пельтри предлагал использовать энергию распада радия.

Самобытные и оригинальные методы решения задач межпланетных полетов предложил Ю.В. Кондратюк в книге "Завоевание межпланетных пространств", написанной, в основном, в 1916 г., а затем трижды подвергавшейся авторской переработке. Книга была издана в 1929 г. Для получения максимальной скорости истечения газов из сопла Кондратюк предложил в пару к жидкому кислороду использовать в качестве горючего твердые материалы (литий, бор, алюминий, кремний) или их водородные соединения. Об использовании жидкого водорода он высказался достаточно осторожно: "Вопрос о его применении приходится считать открытым ввиду затруднительности хранения и дороговизны".

Большой вклад в развитие отечественной космической науки и техники внес Ф.А. Цандер, ставший "связующим звеном" между теоретическими разработками космических полетов и созданием конструкции ЖРД. В своих теоретических трудах "Перелеты на другие планеты" (1924 г.) и "Проблемы полета при помощи реактивных аппаратов" (1932 г.) в качестве ракетного топлива он предложил использовать жидкий кислород и металлы, подаваемые в камеру сгорания в расплавленном, порошкообразном или ленточном виде. Ему же принадлежит идея использования металлоконструкции ракеты в качестве горючего. В 1930 г. Цандер изготовил лабораторную реактивную установку ОP-I, работавшую на сжатом атмосферном воздухе и бензине, а в 1932 г. разработал проект ЖРД ОР-2 тягой 50 кгс, топливом для которого служили жидкий кислород и бензин.

В 20-30 годы XX века произошло перемещение центра тяжести работ из области научно-теоретических разработок космических полетов в сферу создания первых реальных образцов ЖРД и жидкостных ракет. Пришло время первых творческих коллективов, объединяющих энтузиастов изучения реактивного движения. Первым таким коллективом следует упомянуть ленинградскую газодинамическую лабораторию (ГДЛ), где под техническим руководством Глушко в 1930 г. был создан первый в нашей стране жидкостный реактивный двигатель ОРМ (опытный ракетный мотор) и начаты первые научно-исследовательские работы по жидкостной ракетной тематике, в том числе и по выбору оптимального состава ракетного топлива. Деятельность Глушко по ракетным топливам изложена ниже.

В 1932 г. в МосГИРД началось изготовление ЖРД ОР-2, разработанного Цандером по инициативе С.П. Королева для установки на планер-крыло БИЧ-11 конструкции Б.И. Черановского. В процессе огневой отработки двигателя ОР-2 исходное горючее (бензин) было заменено на этиловый спирт. Параллельно велась разработка двигателя для работы на металлическом горючем, однако, в связи с трудностями создания системы подачи такого горючего в камеру сгорания, работы были прекращены. По проекту М.К. Тихонравова была изготовлена ракета, двигатель которой работал на жидком кислороде и сгущенном (желеобразном) бензине. Эта ракета совершила 17 августа 1933 г. первый зарегистрированный в СССР полет. В других проектах ГИРД использовались жидкие кислород и бензин.

В 1932-1934 гг. в ленинградской организации ГИРД (ЛенГИРД) под руководством В.В. Разумова были разработаны проекты трех ракет с ЖРД, работающих на жидком кислороде и бензине. Ни один из этих проектов не был реализован.

В 1935-1939 гг. при Артиллерийском управлении РККА функционировало КБ-7, руководимое Л.К. Корнеевым и А.И. Полярным. В этом КБ разрабатывались жидкостные ракетные снаряды на топливе "кислород+спирт" с дальностью полета до 50 км.

Таковы были взгляды на использование ракетного топлива основоположников космической техники и конструкторов на первом этапе ее развития в 20-30-е годы XX века. В период промышленного развития ракетостроения в нашей стране, начиная с конца 40-х годов, из всей плеяды выдающихся главных конструкторов ракетной техники только В.П. Глушко продолжил работы К.Э. Циолковского в области расчетно-теоретических исследований и практического применения новых ракетных топлив.

Интерес к космическим полетам с использованием химических веществ в качестве топлива для ЖРД у Глушко проявился еще в школьные годы. Начальный интерес постепенно перерос в увлечение, появилась потребность дальнейшего изучения на уровне серьезной научной литературы. Прочитав первую работу К.Э. Циолковского "Изучение мировых пространств реактивными приборами", опубликованную в 1903 г., Глушко в сентябре 1923 г. написал автору письмо с просьбой высылать ему публикации новых работ по космонавтике. Так завязалась переписка школьника, а затем студента Глушко с патриархом отечественной космонавтики. Уже при изучении первых работ Циолковского у Глушко началось формирование понимания важности правильного выбора ракетного топлива для получения эффективного ЖРД. Об этом есть упоминание в автобиографическом очерке: "Изучение трудов Циолковского позволило мне понять, что центральными вопросами при разработке средств достижения космоса, в первую очередь, является изыскание оптимального источника химической энергии и овладение им в ракетном двигателе. Нет двигателя - и любая самая совершенная конструкция корпуса ракеты со всей ее начинкой - мертва. Поэтому первейшим этапом в моей практической работе по ракетной технике мне представлялось изучение химии различных взрывчатых веществ. Я стал изучать и по возможности собирать литературу по взрывчатым веществам, а для лучшего освоения химии организовал у себя дома химическую лабораторию".

О серьезном отношении к интересующему его предмету, критическому восприятию изложенного материала в трудах Циолковского свидетельствует высказанные Глушко в письме от 6 октября 1923 г. сомнения в правомерности выбора Циолковским в работе 1903 г. кислородно-водородного топлива, т.к. эти компоненты составляют гремучий газ, который обладает сокрушительной взрывной силой, способной разрушить корпус ракеты и угрожать жизни ее пассажиров. Попутно Глушко указывает на ошибочность утверждения Циолковского, что "веществ, обладающих большей энергией, чем гремучий газ, не существует", и в качестве примера приводит вещества, забытые автором: нитроглицерин, нитромоннит, меланит и др. Здесь же он высказал предположение, что ошибки Циолковского объясняются выходом книги в 1903 г.

После окончания школы Глушко продолжил учебу в ленинградском госуниверситете на физико-математическом факультете. Завершая в 1928 г. учебу, он избрал темой дипломной работы проект космического корабля "Гелиоракетоплан" с электротермическим двигателем. Со свойственным молодости максимализмом Глушко решил применить двигатель с удельным импульсом тяги в десятки раз выше, чем у двигателей, работающих на химическом топливе. Такую величину удельного импульса можно было получить, сжигая в мощном электроразряде металлические проводники. Дипломный проект электротермического двигателя получил известность, и Глушко в мае 1929 г. был приглашен для его реализации в ленинградскую газодинамическую лабораторию. Однако идея создания электротермического двигателя опережала технические возможности того времени, и Глушко в начале 1930 г. переключился на разработку ЖРД на химическом топливе.

Начинающий конструктор ЖРД вынужден был приступить к работам с "чистого листа". До него в СССР не было изготовлено ни одного ЖРД. Изготовленная Ф.А. Цандером в начале 1930 г. лабораторная реактивная установка ОP-1 работала на сжатом воздухе и бензине. О ЖРД имелись только теоретические разработки в трудах Циолковского и в вышедшей в 1929 г. в Новосибирске книге Кондратюка "Завоевание межпланетных пространств". Исследовательские работы по выбору ракетного топлива и конструкции камеры сгорания велись одновременно, но поскольку темой статьи являются работы по использованию химических веществ в качестве ракетного топлива, то основное внимание сосредоточено на этой части создания ЖРД, а о конструктивных особенностях камеры будет упоминаться только по мере необходимости.

Первые исследования эффективности различных химических веществ Глушко начал проводить на лабораторных установках, получивших единое обозначение ОРМ (опытный ракетный мотор) с последовательным указанием номера конструктивного варианта (OPM-1, ОPM-2 и т.д.). По совету руководящих работников ГДЛ свои первые опыты Глушко начал с применения однокомпонентного (унитарного) топлива - стехиометрического раствора бензина в четырехокиси азота. Такой совет, видимо, основывался на богатом опыте разработки пороховых снарядов в ГДЛ, ведь порох - самое распространенное унитарное топливо. На первый взгляд такое топливо имеет существенные преимущества перед другими. Главным из них является возможность получения высокой экономичности рабочего процесса в камере без экспериментального поиска оптимального смесеобразования, т.к. окислитель и горючее уже смешаны в исходном веществе. Другим достоинством является установка на ракету только одного топливного бака, что позволяет значительно уменьшить размеры и массу ракеты.

Однако, кроме достоинств унитарное топливо обладает и существенными недостатками. О коварстве такого топлива предупреждал Циолковский в статье "Топливо для ракеты". В этом Глушко убедился на собственном опыте. Первое же испытание закончилось взрывом на режиме запуска двигателя. Повторные испытания с заменой растворенного бензина на бензол или толуол отличались от первого только моментом возникновения и силой взрыва.

Подводя итоги испытаниям ОРМ на унитарном однокомпонентном топливе, Глушко в отчете за 1931 г. записал: "Основной вывод из серии проведенных опытов состоит в том, что готовая жидкая смесь окислителя и горючего при повышенных давлениях горит весьма неустойчиво с явно выраженной склонностью к детонации". После выпуска этого отчета Глушко к работам с однокомпонентным топливом не возвращался.

В истории ракетного двигателестроения известно еще несколько попыток разработать двигатели с различными однокомпонентными унитарными топливами. Положительный результат получен только в одном случае: немецкий конструктор Х. Вальтер в конце 30-х годов разработал самолетный двигатель с каталитическим разложением перекиси водорода, известный как "холодноструйный ЖРД". Этот двигатель в качестве маршевого прошел летные испытания на самолете Ме-163А, но в связи с низкими техническими характеристиками дальнейшего распространения не получил.

Разочаровавшись в однокомпонентном топливе, Глушко продолжал поиск химических веществ, способных обеспечить максимальную дальность полета ракеты. Для этого нужно было найти топливо, обладающее максимальной тепло- и газопроизводительностью.
В начале 30-х годов Глушко провел расчетно-теоретическое исследование теплогазопроизводительности при сгорании различных компонентов топлива и пришел к выводу, что нельзя довольствоваться только созданными природой веществами, можно и нужно повышать их эффективность, искусственно объединяя химические элементы или их соединения. Задавшись целью найти сочетание веществ, обеспечивающих повышение удельного импульса тяги, Глушко не мог пройти мимо возможности использования в качестве горючего ряда металлов, таких как бериллий, литий. Однако в случае их использования появляется трудность организации подачи, равномерного перемешивания и т.д. Для техники 30-х годов это было неразрешимой задачей, и Глушко предпринял обходной вариант: он попытался использовать широко известные в химии коллоидные растворы и суспензии. В этом случае обладающие высокой теплопроизводительностью металлы в порошкообразном виде применяются в качестве примеси к основному жидкому горючему, составляющему дисперсную среду. Использование в качестве дисперсной среды окислителя крайне опасно, в этом случае получается однокомпонентное унитарное топливо с высокой вероятностью взрыва. Размещение порошкообразных металлов в составе растворов создает возможность подавать такое горючее в камеру сгорания через струйные или центробежные форсунки. В таких растворах твердая металлическая примесь и основное жидкое горючее не вступают между собой в химическую реакцию и это дает основание считать такую комбинацию, состоящую из окислителя и двух разных горючих, представляющих собой механическую смесь, а не химическое соединение, трехкомпонентным топливом.

В ГДЛ были проведены исследования эффективности использования диспергированных в жидком углеводородном горючем ряда металлов в сочетании с жидким кислородом. На использование коллоидных растворов в качестве горючего в ракетном топливе Глушко в 1930 г. получил патенты под названием "Горючее для реактивного двигателя (способ повышения теплотворной способности жидкого или коллоидного твердого топлива для реактивных двигателей)" и "Топливо для реактивных летательных и иных аппаратов".

Помимо экспериментов с различными горючими проводились также исследования эффективности применения разных окислителей. Кроме кислорода использовались азотная кислота и ее растворы с азотным тетроксидом, перекись водорода, хлорная кислота, тетранитрометан и их растворы.

Подробно результаты экспериментальных работ с различными топливами Глушко изложил в технических отчетах "Жидкое коллоидное топливо для реактивного двигателя" (1930 г.), "О горении готовых жидких топливных смесей в полузамкнутом объеме" (1931 г.) и др. Окончательный вывод: ощутимого эффекта от применения коллоидных растворов и суспензий указанной группы компонентов топлива получить не удалось.

В поисках получения максимально возможного удельного импульса тяги с использованием химических веществ Глушко перешел к исследованиям двухкомпонентных топлив, состоящих из компонентов, широко используемых в промышленности. К таким, в первую очередь, относятся: из окислителей - жидкий кислород, жидкий воздух, азотная кислота, азотный тетроксид; из горючих - авиационный бензин, бензол, толуол, керосин.

Подводя итоги проведенным экспериментальным работам, Глушко в сентябре 1932 г. выпустил "Отчет по опытам с реактивными моторами, проведенными по 1 сентября 1932 года", в котором наряду с другими выводами определился с выбором топлива для дальнейших практических работ. Критерием выбора стало состояние неохлаждаемого корпуса камеры сгорания после огневых испытаний на топливах, имеющих в качестве окислителя жидкий кислород и азотную кислоту, горючее же одно и тоже - керосин. "При сжигании топлива состава жидкий кислород + авиационный бензин в камере сгорания развивается столь высокая температура, что ей не могут противостоять стальные стенки камеры...

При азотной кислоте в качестве окислителя явления плавления также имеют место, но сказываются в несравненно меньшей степени. Реактивный мотор, работающий на азотной кислоте, не нуждается ни в термоизоляции, ни в охлаждении топливом при условии, что в камере сгорания отсутствуют острые выступы, кромки и тому подобные места".

Выбор топлива по степени воздействия продуктов его сгорания на конструкцию камеры получил в дальнейшем подтверждение и со стороны выполнения требований к условиям эксплуатации военной техники.

Определившись с топливом, Глушко приступил к созданию конструкции и исследованиям рабочего процесса в камере сгорания. Одновременно он продолжал вести расчетно-теоретические работы по ракетным топливам. В число компонентов ракетных топлив, рассмотренных им в этот период, вошли растворы фтора в кислороде, пентоборана в керосине и еще ряд химических веществ. Кроме того, добиться повышения эффективности ракетного топлива он планировал увеличением его плотности благодаря введению тяжелой инертной примеси.

(Продолжение в следующем номере).

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]