РАБОТЫ
В.П.ГЛУШКО Вячеслав Федорович Рахманин, НПО Энергомаш Работы В.П. Глушко в области ракетных топлив были объединены и систематизированы в надлежащем порядке при подготовке курса лекций по теме "Жидкое топливо для реактивных двигателей", прочитанных в Военно-воздушной академии им. Н.Е. Жуковского в 1933-1934 гг. В 1936 г. в типографии ВВА тиражом 1000 экземпляров был издан сборник лекций, который сегодня является библиографической редкостью. Это было первое в мире учебно-справочное пособие по химическому ракетному топливу, оно существенно шире практических инженерных потребностей и охватывает большинство химических элементов и соединений, пригодных для использования в качестве ракетного топлива. В авторском предисловии отмечается, что "издание такого курса вызвано с одной стороны настоятельной потребностью в печатном руководстве для подготовки специалистов в совершенно новой области техники, с другой стороны желанием автора поделиться…с результатами своей теоретической и опытной работы. Предпринятая работа имеет еще целью привлечь к разработке проблемы реактивного моторостроения широкие инженерно-технические силы, которые до сих пор были в стороне от этого дела, так как сама проблема еще совсем недавно не имела лица". Книга состоит из пяти глав, в которых изложены оценки качества топлива, свойства окислителей от азотной кислоты до жидкого фтора и т.д. Открывается книга изложением перечня оценочных характеристик для выбора топлива. В работе Циолковского "Топливо для ракеты" (1932-1933 гг.) подобный перечень состоит из шести пунктов. Резюмируя итог выбора топлива в соответствии с изложенными требованиями, Глушко пишет: "В настоящее время не существует такого топлива, которое полностью удовлетворяло бы всем предъявляемым к нему требованиям и поэтому приходится из большого ряда известных горючих веществ и окислителей выбирать такие их комбинации, которые для заданных условий работы двигателя способны дать наилучшие результаты. Вопрос о рациональном топливе имеет первостепенную важность. Прежде чем приступить к разработке реактивного двигателя, необходимо произвести выбор наиболее подходящего топлива. В зависимости от того, насколько будет удачен этот выбор, стоит качество разрабатываемого двигателя, а иногда и успех всей работы. Критическому разбору различных топлив с точки зрения их пригодности для реактивного двигателя до сих пор не уделялось достаточного внимания... В этом отношении следует особо отметить трафаретный состав топлива, указываемый подавляющим большинством авторов проектов реактивных аппаратов, - кислород и водород. Более тщательный учет свойств этих веществ показывает, что кислород является далеко не лучшим окислителем, а водород попросту не годится для целей практического использования". Рассмотрим
приведенные в курсе лекций доказательства этого, на первый взгляд, одиозного
дня наших дней утверждения. Непредвзятый анализ изложенного показывает, что сделанная Глушко оценка использования кислорода в ракетном топливе получила полное подтверждение в процессе развития ракетной техники в последующие годы. При разработке ракет семейства A-1 - A-4 немецкие конструкторы во второй половине 1930-х годов в части выбора горючего руководствовались идеями, полностью созвучными с взглядами В.П. Глушко. В дальнейшем подтвердились трудности при создании надежного и устойчиво работающего кислородного двигателя по сравнению с азотнокислотным двигателем, а от применения кислорода в ракетах боевого назначения отказались в 1960-х годах, вначале в США, а затем и в СССР. В то же время жидкий кислород получил широкое применение в двигателях космических ракет. К использованию водорода в ракетном топливе Глушко в те годы относился двояко. Отмечая его высокие термодинамические свойства, он указывал и на недостатки, связанные с малым удельным весом. "Водород является наиболее теплопроизводительным горючим из всех известных их видов, дающих газообразные продукты горения в кислороде. Жидкий водород как горючее ценен во многих отношениях. Однако удельный вес жидкого водорода (0,07) настолько мал, что у некоторых работников реактивного дела естественно возникло сомнение в практической целесообразности использования водорода как горючего… На основании такого рода соображений Макс Валье, стяжавший широкую известность своими интереснейшими опытами... высказывает предположение, что употребление жидкого водорода не оправдает себя. В дальнейшем мы... убедимся, что жидкий водород как горючее будущего не имеет". Дополнительные трудности в использовании жидкого водорода Глушко видел в его низкой температуре кипения и образовании взрывчатой смеси при контакте с воздухом. "Малая доступность жидкого водорода и неудобство в обращении с ним, вызванное крайне низкой температурой его кипения (-253 °С), отпугивают в настоящее время от его использования... Место испытаний двигателей и ракет на жидком водороде должно быть связано с местом производства этого горючего, вследствие трудности его длительного хранения и транспортировки... При хранении жидкого водорода соприкасающийся с ним атмосферный воздух сжижается и затвердевает, погружаясь как более тяжелый на дно сосуда. В результате получается весьма опасная взрывчатая смесь твердого воздуха и жидкого водорода". Из изложенного видно, что главные опасения и сложности в использовании жидкого водорода связаны с несовершенством криогенной техники тех лет. И такое негативное отношение к жидкому водороду как компоненту ракетного топлива у Глушко сохранялось до второй половины 50-х годов, когда в криогенной технике наметился существенный положительный сдвиг, в том числе благодаря использованию жидких кислорода и азота в ракетной технике. В период подготовки и прочтения курса лекций по ракетным топливам В.П. Глушко и Г.Э. Лангемак написали книгу "Ракеты, их устройство и применение", которая вышла в 1935 г. тиражом в 700 экземпляров. В пятой главе этой книги "Жидкие топлива для ракетного двигателя" в отличие от аналитического обзора, характерного для упомянутого выше в курсе лекций множества химических веществ, потенциально применимых в качестве компонентов ракетного топлива приводятся сведения по веществам, наиболее пригодным для практического использования. К таким окислителям отнесены азотная кислота, перекись водорода, азотный тетроксид, тетронитрометан, кислород и озон, а к горючим - углеводородная группа (в том числе метан, этилен, толуол и спирты). Отдельно рассматривался жидкий водород, причем оценки возможности его использования совпадали с ранее сделанными в курсе лекций. Основываясь на изложенных в главе материалах, Глушко сделал следующие выводы: "Наибольшей практической ценностью для ракетных аппаратов на жидком топливе в ближайшем будущем обладают: из окислителей - азотная кислота, азотный тетроксид, жидкий кислород; из горючих - тяжелые, но не слишком вязкие погоны нефти... Тот ассортимент топлив, которым уже сейчас можно располагать, позволяет решать вполне актуальные технические задачи". Это уже не научный обзор существующих возможностей, а конкретное руководство для практической деятельности. Проводившиеся расчетно-теоретические исследования в области ракетных топлив для составления курса лекций и написания книги по времени совпали с изменением места работы Глушко. В октябре 1933 г. путем объединения коллективов ГДЛ и МосГИРД был создан Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). Оба коллектива пришли со своими взглядами на состав ракетного топлива и техническими заделами реактивной техники. Напомним, что в технических разработках МосГИРД основу составили ЖРД на кислородно-бензиновом топливе, а ЖРД, сконструированные в ГДЛ, работали на азотной кислоте и керосине. Разработчики каждого направления не только отстаивали правильность своего выбора в научных спорах, но и конфликтовали лично, что явно мешало работе. В этой обстановке начальник РНИИ И.Т. Клейменов (бывший начальник ГДЛ) отдал предпочтение работам Глушко и приказом по институту закрыл кислородную тематику. Такое решение он принял на основе оценки эксплуатационных характеристик жидкого кислорода в условиях боевого применения. Представляет интерес отношение С.П. Королева в тот период времени к выбору ракетного топлива. В тезисах доклада по объекту 318 "Научно-исследовательские работы по ракетному самолету (1938 г.)", основываясь на имеющемся опыте создания двигателя на топливе "азотная кислота и керосин" тягой 150 кгс с удельным импульсом 200...210 кгс·с/кг (ОРМ-65 конструкции Глушко), он отмечал, что "нет принципиальных возражений против возможности получения... следующих характеристик двигателя: тяга в одном агрегате - до 500...1000 кг; время работы - до 15…20 мин; повторный запуск. Это все "доводка", а не "проблемы", которые могут быть разрешены или не разрешены". И далее, в отношении кислородных двигателей: "Их применение с точки зрения полетных данных оправдывается в том случае, если удельная тяга у них будет на 20...25 % больше, чем у азотных двигателей (при одинаковых давлениях подачи), что необходимо для компенсирования разницы в весах баков и воздушных баллонов. Когда удельная тяга будет на 20...25 % превышать удельную тягу азотного двигателя (при прочих равных условиях), возможно и целесообразно применение кислородных двигателей для высотного варианта. Для выяснения возможности применения его для военного варианта требуется дополнительное тактико-техническое исследование". Такая вот технически взвешенная и осторожная позиция. Возможно, это было следствием репрессивных мер в отношении сторонников "азотного" топлива (И.Т. Клейменов, Г.Э. Лангемак, В.П. Глушко). В то же время активные пропагандисты "кислородного" топлива М.К. Тихонравов, Л.С. Душкин, А.Г. Костиков, возглавившие в РНИИ после проведенных арестов 1937-1938 гг. разработку жидкостной ракетной техники, от использования кислорода в ЖРД отказались и использовали кислоту и керосин. Эксплуатационные требования, предъявляемые к реактивному вооружению, оказались важнее их научных взглядов на состав ракетного топлива. В годы работы в РНИИ (январь 1934 г. - март 1938 г.) Глушко занимался, в основном, отработкой конструкции камеры сгорания ЖРД, разработал также два варианта газогенераторов. Во всех конструкциях использовалась азотная кислота и керосин. Из практических работ следует упомянуть изготовленные в 1938 г. ОPM-101 и -102 для проведения огневых испытаний на тетронитрометане с керосином. В связи с арестом Глушко в марте 1938 г. испытания этих двигателей не проводились. С марта 1938 г. по август 1939 г. Глушко находился под следствием, а затем отбывал наказание в тюрьме 4-го спецотдела НКВД при казанском авиамоторном заводе, где под его техническим руководством разрабатывался авиационный ЖРД, работающий на азотной кислоте и керосине. Эти работы продолжались и после освобождения Глушко из заключения в период с июля 1944 г. до середины 1946 г. В этот же период времени аналогичные работы с таким же топливом проводились и в других КБ под руководством Душкина и Исаева. В 1945-1946 гг. советские инженеры изучали трофейную реактивную технику в Германии, что дало мощный импульс для дальнейшего развития научно-технических и производственных работ по созданию реактивной техники. 13 мая 1946 г. вышло правительственное постановление "Вопросы реактивного вооружения", в котором излагалась программа создания отечественной ракетостроительной промышленности. Этим постановлением ряду промышленных министерств поручалось воспроизведение немецкой ракеты А-4 (Фау-2) и организация переподготовки инженерных кадров для работы по созданию отечественной ракетной техники. Глушко принимал участие в решении обеих задач. В июле 1946 г. его назначили главным конструктором ОКБ при заводе в г. Химки, на котором воспроизводился двигатель А-4; в это же время он прочитал курс лекций "Основы устройства реактивных двигателей на жидком топливе" на Высших инженерных курсах (ВИК), организованных при МВТУ им. Баумана. В рамках этого курса был прочитан цикл лекций на тему "Топливо для ЖРД", в основу которого были положены материалы курса лекций, прочитанных в 1933-1934 гг. в ВВА им. Жуковского. Возглавив конструкторские работы по воспроизводству двигателя А-4, Глушко стал накапливать опыт обращения с новым для него кислородно-спиртовым топливом. На степень его освоения указывает успешная модернизация двигателя в части повышения тяги с 25 тс до 37 тс (ракета Р-2), а затем и до 44 тс (ракета Р-5М). Этим были исчерпаны возможности повышения тяги и удельного импульса на указанном топливе. Следующей научно-технической задачей, поставленной политическим руководством страны перед отечественными ракетостроителями, стало создание межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Для этого потребовалось разработать не только новую конструкцию двигателя, но и заменить спирт на керосин, обладающий более высокой теплотворностью. Созданная в 1950-х годах ракета Р-7 стала не только первой в мире космической ракетой, но и до сих пор, претерпев ряд модернизаций, успешно эксплуатируется по российским и международным космическим программам. А вот в боевом исполнении эта ракета военных не устраивала из-за низкой боеготовности, т.к. криогенный окислитель требовал длительной подготовки пуска на старте. Требование главного заказчика разработки ракет - министерства обороны - по обеспечению высокой боеготовности ракетного вооружения было выполнено при создании первой боевой ракеты среднего радиуса действия P-12. Двигатель этой ракеты работал на топливе "азотная кислота и углеводородное горючее". Ракета Р-12 была сдана в эксплуатацию в марте 1959 г. И это было только начало внедрения в практику ракетостроения высококипящего ракетного топлива. Несмотря на большую занятость разработкой двигателей для ракет Р-5М, Р-7 и P-12, Глушко нашел возможность в этот же период времени подготовить к печати монографию "Источники энергии и их использование в реактивных двигателях" (опубликована в 1955 г.). В основу представленных в книге материалов положены как расчетно-теоретические исследования, так и результаты экспериментальных работ, проведенных на специально разработанной для этой цели камере сгорания КС-50. По сравнению с предыдущими материалами на эту же тему, книга отличается существенно большим количеством различных графиков и таблиц, в которых приводятся как свойства веществ, так и результаты расчетов их химического взаимодействия. Основные выводы и рекомендации практически не изменились. В данной статье, носящей обзорный характер, автор счел нецелесообразным изложение подробностей новых подходов к оценкам отдельных топлив. Но один момент, отражающий возможность расширения эксплуатационных характеристик жидкого кислорода, следует привести: "Основным дефектом низкокипящих окислителей является их интенсивное испарение, затрудняющее не только хранение и транспортировку, но и эксплуатацию непосредственно на ракете или самолете. Однако существует эффективное средство устранения существующих потерь сжиженного газа от интенсивного испарения путем прекращения его кипения в объеме жидкости с помощью переохлаждения. Последнее может достигаться понижением температуры сжиженного газа ниже точки кипения при существующем давлении в баке... Применение этого средства на стартовой площадке представляет большой практический интерес". И действительно, этот способ успешно использовался при разработке и эксплуатации боевой ракеты Р-9, работавшей на кислородно-керосиновом топливе. Применение при хранении и заправке баков ракеты предварительно переохлажденного кислорода на 10...12 °С ниже точки кипения в истории нашей ракетной техники связывают с именем В.П. Мишина, который действительно приложил много сил для внедрения переохлажденного кислорода. Кроме теоретических исследований, чтения лекций и выпуска книги о ракетных топливах, Глушко вел большую практическую работу по применению различных компонентов топлива. С конца 1940-х годов он имел тесные связи с руководством и научными сотрудниками Государственного института прикладной химии (ГИПХ). При его поддержке в ГИПХ была организована лаборатория по ракетным топливам, в которой исследовались возможности использования высокоэффективных химических веществ: жидкого и газообразного фтора, моноокиси фтора, аммиака и др. По заявке Глушко лаборатория ГИПХ разработала новое ракетное горючее - несимметричный диметилгидразин (НДМГ), которое с начала 1960-х годов получило широкое распространение в практике ракетостроения. Не забыл Глушко и свои первые успешные опыты с использованием азотного тетроксида (AT). По его предложению был организован промышленный выпуск этого окислителя, который заменил менее эффективную азотную кислоту. Так в отечественном ракетостроении все двигатели, разрабатываемые в ОКБ В.П. Глушко, А.М. Исаева, А.Д. Конопатова, И.И. Иванова стали работать на топливе "АТ + НДМГ". В связи с широким использованием его даже стали называть "штатным топливом". Казалось бы, что процесс выбора ракетного топлива успешно завершен, определены два его вида, которые обеспечивали решение всех военных и космических задач. Но такое положение дел не могло удовлетворить Глушко в части повышенных требований к эффективности ракетного топлива. В развитие экспериментальных работ по повышению удельного импульса тяги в ОКБ Глушко в 1958-1960 гг. создается двигатель на топливе "кислород + НДМГ". Удельный импульс этого двигателя до сих пор является рекордным для ЖРД открытой схемы. Примерно такую же величину удельного импульса тяги Глушко намеревался получить и при использовании трехкомпонентного топлива, состоящего из AT с 50 % НДМГ и 50 % гидразина. Начатые в середине 1950-х годов работы с жидким фтором переросли в 1960 г. в разработку проекта фторо-аммиачного двигателя тягой 10 тс с удельным импульсом тяги 400 с. Техническое задание на разработку этого двигателя несколько раз менялось, в последнем варианте двигатель предназначался для разгонного блока ракеты-носителя "Протон". Двигатель прошел все официальные стадии наземной отработки, но по причинам, не зависящим от его технических характеристик и конструкции, тема была закрыта. По замыслу Глушко фторо-аммиачный двигатель должен был стать предварительным этапом к разработке фторо-водородного двигателя тягой 10 тс с удельным импульсом 464 с. Разработка проекта этого двигателя началась в 1961 г. и велась в течение нескольких лет, но так и не была завершена. Выбрав в качестве горючего водород, Глушко отказался от своего негативного отношения к этому компоненту топлива, которое он исповедовал с середины 1930-х годов. Позднее, в 1973 г., Глушко руководил разработкой проекта кислородно-водородного двигателя тягой 200 тс с удельным импульсом тяги 450 с. Став в мае 1974 г. генеральным конструктором НПО "Энергия", он завизировал в конце 1975 г. правительственное постановление на разработку ракеты-носителя "Энергия" с водородной второй ступенью и сумел довести этот ракетный комплекс, который, как известно, выполнил два успешных полета. Параллельно с ведением опытно-конструкторских работ по созданию ЖРД на новых топливах, в ОКБ под руководством Глушко велись и научно-исследовательские работы. Приверженный идеям получения максимально возможных энергетических характеристик ЖРД путем использования высокоэффективных топлив, Глушко в начале 1960 г. организовал специальное научно-исследовательское подразделение. Работы начались с изучения возможности создания ЖРД на топливе "высококонцентрированная перекись водорода (ВПВ) + пентоборан". По термодинамическим расчетам это топливо обеспечивало повышение величины удельного импульса тяги более чем на 25 % по сравнению с ранее освоенными высококипящими топливами и более чем на 15 % по сравнению с кислородно-керосиновым топливом. Освоение ВПВ открывало дальнейшие перспективы реализаций высококипящих топлив. В случае замены пентоборана на гидрид бериллия энергетические характеристики нового топлива мало уступают наиболее высокоэффективному среди криогенных топлив, каковым является фтор с водородом, и в то же время несколько превосходят характеристики кислородно-водородного топлива. Во второй половине 1960-х годов были проведены расчетно-конструкторские и экспериментальные работы по изучению возможности создания двигателя на топливе "ВПВ и порошкообразный гидрид бериллия". Были получены ценные результаты по организации рабочего процесса в камере сгорания и конструкции системы подачи псевдоожиженного порошкообразного горючего. К сложности освоения гидрида бериллия необходимо отнести его высокую токсичность, а также трудности с организацией процесса горения металлизированного топлива и истечения из сопла двухфазных потоков. В результате научно-исследовательских работ, проведенных в ряде НИИ и ВУЗов, были определены константы горения и оценена полнота сгорания гидрида бериллия. Исследовалась также возможность создания ЖРД на топливе "ВПВ с керосином". Получаемая в этом случае величина удельного импульса тяги несколько уступала кислородно-керосиновому топливу, но поскольку высококипящая ВПВ имела эксплуатационные преимущества перед криогенным жидким кислородом, ВПВ рассматривалась как перспективный компонент ракетного топлива. В сравнении же с высококипящим топливом типа АТ+НДМГ отмечались не только повышение удельного импульса тяги, но и возможность радикально уменьшить трудности в решении проблемы экологической безопасности. Общее состояние работ по перекисно-водородной тематике позволило провести проектную разработку ряда ЖРД с высокими реально достижимыми характеристиками. Эти двигатели предназначались для установки в ракеты как военного, так и космического назначения. Часть проектов была доведена до проведения огневых испытаний экспериментальных двигателей. Однако в 1976 г. КБ Энергомаш приступило к разработке кислородно-керосиновых двигателей дня космических ракет "Энергия" и "Зенит", и работы по перекисно-водородной тематике были прекращены. Подводя итог этому направлению исследований, следует отметить, что был создан основательный научно-технический и конструкторский задел, позволяющий при необходимости создать в сжатые сроки высокоэффективные ЖРД, работающие на ВПВ в качестве окислителя. С тех пор прошло более 30 лет, и сделанный мажорный вывод не соответствует сегодняшней действительности. Ушли на пенсию или из жизни основные разработчики этой тематики, утрачено специальное технологическое оборудование, потеряны кооперационные связи со смежниками, в первую очередь с изготовителями BПB и т.д. Оказался невостребованным мощный пласт научно-технических идей и конструкторских разработок. И все-таки будущим поколениям ракетостроителей, решившим разрабатывать ракеты с перекисно-водородным окислителем, немалую помощь в работе окажут сохраняющиеся в архиве чертежи двигателей и научно-технические отчеты о проведенных работах и полученных результатах. Практические работы по изысканию новых высокоэффективных топлив Глушко успешно сочетал с научно-теоретическими работами в этой области. О его печатных работах уже упомянуто, осталось рассказать о деятельности в Академии наук СССР, член-корреспондентом которой он был избран в 1953 г., а действительным членом - в 1958 г. В мае 1965 г. Глушко возглавил Научный совет при Президиуме АН СССР по проблеме "Жидкое ракетное топливо" и бессменно руководил им до конца жизни. В состав Совета входили известные ученые, представители НИИ и ОКБ, министерств и промышленных предприятий. На заседаниях Совета в первую очередь рассматривались вопросы разработки новых топлив, проблемы горения, теплообмена и теплопередачи, исследования двухфазных потоков и т.д. Кроме определения ряда химических топлив, представляющих практический интерес как для текущего времени, так и для ближайшего будущего, Глушко осуществлял научно-техническое руководство расчетно-теоретическими работами в Институте горючих ископаемых по определению термодинамических свойств и констант химических веществ. В результате этих работ в период с 1965 по 1982 гг. вышел ряд фундаментальных справочников: "Термические константы веществ", "Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания", "Термодинамические свойства индивидуальных веществ". В 1984 г. по инициативе Глушко отдел химической термодинамики Института высоких температур АН СССР был реорганизован в Центр данных о термодинамических свойствах индивидуальных веществ (Термоцентр). Отмечая заслуги В.П. Глушко в работах Академии наук, Термоцентру РАН в 1997 г. было присвоено имя академика. Подводя итоги обзору работ по выбору эффективного ракетного топлива, следует отметить, что в мировой истории ракетостроения только два ученых всесторонне изучали эту научно-техническую проблему - К.Э. Циолковский и В.П. Глушко. Отдавая должное Циолковскому как первопроходцу этого научного направления, следует отметить, что его ученик и последователь - Глушко - не только воплотил идеи теоретика космонавтики в своих практических работах, но и творчески развил эти идеи, довел их до уровня современной науки о химических веществах, показал необходимость увязки энергетических и эксплуатационных характеристик. Анализируя возможность использования различных топлив в зависимости от решаемой боевой или космической задачи, Глушко в монографии "Источники энергии и их использование в реактивных двигателях" дал такую рекомендацию: "Правильный выбор наиболее эффективных топлив … является первым и обязательным условием успеха работ, направленных к созданию реактивного двигателя". Сейчас, как и 50 лет назад, космические ракеты летают на кислородно-керосиновом топливе. Не за горами разработка систем выведения нового поколения. И хотелось бы, чтобы идеологи новых разработок руководствовались не только соображениями экономики, но и багажом идей и разработок, оставленных им пионерами космической техники. В жизни Глушко было много различных увлечений: астрономия, музыка, живопись, литература. Однако главным смыслом его жизни была творческая работа, в которой он реализовался как талантливый конструктор, изобретатель, исследователь. Его работы в области ракетных топлив составляют значительный вклад в развитие мировой ракетной техники. Оставленное В.П. Глушко научно-теоретическое наследство в области химического ракетного топлива имеет непреходящее значение. [Напоминаем, что Интернет-вариант
статьи сильно сокращен. Ред.]
| ||