|
ПУТЬ ЦИАМ В РАКЕТНОЙ ТЕХНИКЕ
(создание отечественных ЖРД в 50-80 гг. ХХ века)
Валентин Алексеевич Шерстянников,
доктор технических наук, лауреат премии Н.Е. Жуковского, ветеран
космонавтики России, академик Германской академии им. А. Гумбольдта
(Окончание. Начало в № 5 - 2010)
Работы по маршевым двигателям РД-107, РД-108 для старта космического корабля "Союз-19" по программе "Союз-Аполлон"
Совместный советско-американский космический полет по программе "Союз-Аполлон" явился первым крупномасштабным проектом двух сверхдержав в области освоения космического пространства. Поэтому все работы по реализации этого проекта проводились с особой тщательностью по всем направлениям, в том числе и в авиационной промышленности, где изготовлялись двигатели для этого полета. Здесь речь идет о мощных кислородно-керосиновых ЖРД, суммарной тягой при старте 450 тс, расположенных на первой и второй степенях ракетоносителей Союз. Двигатели разработаны ОКБ Валентина Петровича Глушко и имеют индексы РД-107, РД-108. Серийное изготовление двигателей осуществляется в Куйбышеве (Самара) на одном из лучших заводов авиационной промышленности. Ракетоносители "Союз" и двигатели имеют высокую надежность. За время эксплуатации (более 50 лет) было осуществлено около 1700 пусков ракет. Такой статистики пуска ракет не имеет ни одно ракетное ОКБ, ни в одной стране. Современная западноевропейская ракета "Ариан" имеет около 150 пусков, и это, по мнению зарубежных специалистов, является хорошим показателем.
Для обеспечения выполнения программы "Союз-Аполлон" на серийном заводе была изготовлена большая партия двигателей. По принятой методике контроль качества их изготовления осуществлялся путем проведения контрольно-выборочных испытаний единичных двигателей. По результатам этих испытаний принималось решение о пригодности всей партии выпущенных двигателей. В особых случаях по приказу Министерства авиационной промышленности контрольно-выборочные испытания проводились межведомственными комиссиями.
Мне, в соответствии с приказами министерства, пришлось возглавить ряд таких комиссий в период с 1974 по 1982 годы по реализации как космической программы "Союз-Аполлон", так и "Союз-Салют". Причем приказ о моем назначении председателем комиссии по двигателям для реализации программы "Союз-Аполлон" я получил в день своего 50-летия. Руководитель института, поздравляя меня с юбилеем, вручил мне приветственный адрес министерства и приказ о моем назначении и добавил, что к работе нужно приступить немедленно. Юбилейный банкет пришлось отложить. И как шутили мои товарищи по работе, банкет был принесён в жертву Аполлону. Через пару часов я и члены комиссии вылетели в Куйбышев. К работе приступили немедленно. Были проанализированы материалы огневых испытаний двигателя, информация о состоянии материальной части после испытаний, проведен анализ систем измерения, составлены заключения и подробный план мероприятий по повышению качества изготовления двигателей. О результатах работы комиссии я доложил на совещании в министерстве. Доклад и план мероприятий были одобрены, однако положение оставалось серьезным, т.к. поджимали сроки - до совместного советско-американского полета оставался всего один год. На заводе была организована напряженная работа по всем направлениям плана мероприятий комиссии. О результатах его выполнения я периодически докладывал на совещаниях в министерстве, на которые приглашались представители военно-промышленного комплекса. В результате напряженной работы завода при большой помощи министерства были изготовлены двигатели высокого качества и поставлены на ракету в заданные сроки.
Старт космического корабля "Союз-19" с космонавтами Алексеем Леоновым и Валерием Кубасовым на борту прошел успешно. Стыковка кораблей "Союз" и "Аполлон" прошла нормально. Вся программа "Союз-Аполлон" была выполнена полностью и вызвала большой резонанс во всем мире. Результаты полета широко освещались в популярной литературе и в научных изданиях, докладывались на международных космических конгрессах и симпозиумах по космонавтике. Все это свидетельствовало о большом успехе программы "Союз-Аполлон" и больших достижениях Советского Союза и Америки в области создания уникальной ракетно-космической техники.
Успешный советско-американский полет "Союз-Аполлон" открыл новые перспективы для международного сотрудничества в космосе, включая создание и 15-летнюю эксплуатацию орбитальной станции "Мир", которую посетили зарубежные космонавты и астронавты, а также создание и функционирование в настоящее время сверхтяжелой международной космической станции (сейчас - МКС, при создании "Станция Альфа").
Высокодинамичные двигатели для ракетных комплексов ОКБ П.Д. Грушина систем ПРО и ПВО
В 60-80-х годах головным ОКБ под руководством выдающегося конструктора академика П.Д. Грушина был создан ряд высокоэффективных ракет ПРО и ПВО. Среди них высокодинамичная ракета дальнего перехвата А-350 и ее модификации, принятые на вооружение в составе противоракетной системы, а также высокоманевренные зенитные ракеты средней и большой дальности для комплексов ПВО и Военно-Морского Флота.
Разработка двигателей для этих ракет являлась сложной научно-технической задачей. В соответствии с ТЗ требовалось создать многорежимные двигатели высокой экономичности и минимальной массы, работающие при воздействии сильных вибраций и больших отрицательных и положительных перегрузок, обусловленных эволюциями ракеты в полете.
Функция головной научной организации была возложена на НИИ. Специалисты НИИ на протяжении многих лет принимали творческое участие на всех этапах создания и отработки этих двигателей и двигательных установок (ДУ) на жидком и твердом топливе, а на завершающем этапе возглавляли Межведомственные комиссии (МВК) по их наземной отработке (Председатели МВК: В.А. Шерстянников и Ю.И. Тулупов).
Огневые испытания двигателей в составе ракетных блоков проводились на вертикальном огневом стенде, имитировавшем штатное пространственное расположение и крепление двигателей в ракетном блоке и сохранение основных упруго-массовых соотношений, свойственных корпусу ракеты. Это позволило в определенной мере воспроизвести при испытаниях динамические и прочностные характеристики ракетных и двигательных систем, а также действовавшие на них вибрационные нагрузки.
Совместно с ОКБ нами были разработаны и апробированы в работе усовершенствованные методы отработки переходных режимов высокодинамичных ЖРД на огневых стендах, включающие в себя имитацию резких изменений осевых перегрузок, воспроизведение летных программ управления двигателями, виброиспытания ДУ в составе ракет в диапазоне частот и перегрузок, соответствующих натурным. Внедрение указанных методов обеспечило повышение эффективности наземной отработки двигателей, существенное приближение условий испытаний на огневых стендах к натурным условиям на ракетах и позволило значительно сократить затраты материальной части на летную отработку двигателей.
Анализ результатов испытаний показал, что основные параметры переходного процесса (время выхода на режим, величина заброса тяги при запуске и время спада тяги при выключении), полученные при автономных испытаниях двигателей в составе ДУ и при летних испытаниях ракет соответствуют друг другу и удовлетворяют требованиям ТЗ. Это свидетельствовало об эффективности примененных методов наземной отработки созданного испытательного оборудования, позволивших значительно сократить затраты на летную отработку двигателей.
МВИ двигателей ракеты А-35 были успешно завершены в 1967 г. Это были первые МВИ в нашей стране по двигателям такого типа. Заключительное заседание комиссии проходило в Ленинграде в канун 50-летия Октября. Отчет МВК с разделами "Заключение", "Выводы" и "Рекомендации" подписали все члены Комиссии. Об успешном завершении работы было доложено по правительственной связи в ЦК КПСС, Минавиапром и МО на имя Устинова, Дементьева и Батицкого. Шифровку подписали главный конструктор, председатель МВК и секретарь парткома завода. Это был большой успех коллектива ОКБ и его главного конструктора. Все это создавало радостное и праздничное настроение и ощущение причастности к происходящему. Свой пятидесятый юбилей наша страна встречала в расцвете своих сил, пользуясь большим международным авторитетом.
Через три года эта ракета была принята на вооружение в составе системы ПРО.
В 1969 г. были успешно завершены МВИ двигателя для ЗУР большой дальности системы С-200, способной поражать цели на расстоянии более 200 км. В начале 70-х годов ракета была принята на вооружение и находилась на боевом дежурстве в СССР и странах Варшавского договора. До настоящего времени она не имеет аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.
Прототип ракеты использовался в качестве летающей лаборатории для проведения первых в мире летных испытаний водородного ГПВРД. Эти испытания вызвали большой интерес у зарубежных специалистов. Полученные данные демонстрировались на многих авиационно-космических выставках в России и за рубежом.
В 60-70-е годы ОКБ П.Д. Грушина была разработана зенитная ракета средней дальности 5В55, способная поражать цели, летящие со скоростями более 2500 м/с в широком диапазоне высот их полета. Ракета выполнена одноступенчатой с твердотопливным однорежимным двигателем.
Ракета стартует вертикально из герметичного транспортно-пускового контейнера запуск двигателя осуществляется на высоте 20...25 м, что уменьшает воздействие газовых струй двигателя на элементы ракетного комплекса Двигатель успешно прошел полный объем наземной отработки включая МВИ и этапы летно-конструкторских испытаний.
В 1979 г. ракета была принята на вооружение в составе комплекса ПВО С-300. Автор принимал участие в заключительных пусках ракеты, в ходе которых было сбито четыре мишени, причем все они были уничтожены первыми же ракетами. Модернизация ракеты, проведенная в середине 80-х годов с внедрением нового более эффективного двигателя, позволила существенно повысить ее характеристики, по которым в настоящее время эта ракета превосходит американскую ракету "Пэтриот". Комплекс С-300 с большим успехом демонстрируется на различных международных выставках вооружений.
Ниже в таблице приведены двигательные установки, успешно прошедшие межведомственные испытания и принятые к эксплуатации в составе ракетных комплексов и космических объектов (председатель межведомственных комиссий В.А. Шерстянников). Разработанные методы наземной отработки высокодинамичных ЖРД, внедренные в программы МВИ, составляют научные основы методологии создания современных ЖРД данного типа ракет.
Автору посчастливилось многие годы работать с коллективом ОКБ Петра Дмитриевича Грушина. Более пятнадцати лет он возглавлял межведомственные комиссии по наземным испытаниям двигателей и ДУ для создаваемых им ракет и имел возможность тесного общения с Петром Дмитриевичем при выполнении этих работ. Грушин был выдающимся конструктором отечественных ракет противоракетной и противовоздушной обороны. Яркий талант и неутомимый поиск новых решений позволили ему успешно решать сложнейшие задачи, связанные с повышением обороноспособности страны. На протяжении почти сорока лет Петр Дмитриевич был неизменным руководителем созданного им высококвалифицированного коллектива ОКБ, занимавшегося разработкой уникальных ракет, которые стали надежным щитом нашей Родины и союзных с нами государств.
Гидродинамическое моделирование рабочего процесса на натурных ЖРД и их агрегатах запуска
Изучение принципиальных закономерностей формирования процесса надёжного запуска ЖРД закрытой схемы и исследование динамических характеристик насосов и турбин ТНА и их вибрационно-пульсационных состояний из наиболее трудных проблем, возникших при создании ЖРД закрытой схемы, разрабатываемых для ракет-носителей "Протон" и других ракет космического и оборонного назначения, была динамика процесса запуска двигателей. Решение задачи осложнялось высокой быстротечностью переходных процессов, приводящих при аномальных испытаниях к "разносам" ТНА, недопустимым забросам температуры генераторного газа и возгоранию элементов конструкции двигателей за десятые и даже сотые доли секунды. Решение этой проблемы потребовало от двигательных и ракетных ОКБ проведения в содружестве с ЦИАМ и НИИ ТП большого комплекса научно-исследовательских работ, создания специальных экспериментальных установок и разработки эффективных методов физического и математического моделирования, учитывающих реальные условия работы двигателей в составе ракеты.
Большой вклад внесли научные сотрудники подразделений 012 и 500 ЦИАМ в создании методов математического и гидродинамического моделирования процесса запуска и переходных режимов ЖРД (научные руководители В.М. Калнин и В.А. Шерстянников).
В отделе 012 ЦИАМ в соответствии с разработанными критериями гидродинамического подобия был создан гидравлический стенд для моделирования процесса запуска на натурных ЖРД и были разработаны специальные малоинерционные датчики и аппаратура для измерения быстропротекающих нестационарных процессов при запуске ЖРД.
Совместно с ОКБ были проведены исследования по выбору циклограмм запуска ЖРД и динамических характеристик насосов и турбин ТНА ЖРД ОКБ С.А. Косберга, Н.Д. Кузнецова и С.П. Изотова, разрабатывавшихся в 60-70 гг. Новые методы нашли широкое применение в практике двигательных ОКБ при создании и отработке как первых отечественных ЖРД закрытой схемы, так и большинства последующих двигателей этого типа.
Подробное изложение результатов исследования приведено в монографии Шерстянникова В.А., Калнина В.М. "Гидродинамическое моделирование рабочего процесса ЖРД на режимах запуска". М.: Машиностроение, 1981 г. и в монографии Шерстянникова В.А."Двигатели, опередившие время", М., Двигатель, 2006 г.
Наиболее интересные результаты принесли, пожалуй, следующие результаты исследований, проведенных в ЦИАМ:
1. Исследование нестационарных процессов в системе подачи топлива и в огневых агрегатах ЖРД на пусковых режимах.
В процессе исследований изучена динамика срабатывания пусковых мембранных клапанов в различных эксплуатационных условиях. Выявлен механизм аномального срабатывания мембраны, состоящий в запаздывании и неравномерности открытия проходного сечения трубопровода, что оказывает существенное влияния на запуск двигателей. Для исключения этого явления применена фиксация мембран в открытом положении (ЖРД 8Д43, 8Д46, 15Д1, 8Д419). Разработанный метод исследования пусковых клапанов, основанный на применении скоростной киносъемки, использовался в практике создания ЖРД.
Уточнен механизм возникновения гидравлического удара в процессе заполнения шнекоцентробежных насосов при запуске двигателя и получена обобщенная зависимость гидравлического сопротивления насоса от коэффициента заполнения, позволяющая расчётным путём прогнозировать уровни параметров гидроударов при запуске и заблаговременно принимать меры для их снижения до безопасного уровня.
Выявлен механизм формирования забросов температуры генераторного газа при запуске двигателя 8Д46 вследствие пространственно временной неравномерности процесса заполнения гидравлического тракта газогенератора компонентами топлива и разработаны рекомендации по исключению забросов температуры, приводящих к возгоранию элементов газового тракта двигателя.
Определены динамические характеристики неравномерности заполнения разветвленных топливных трубопроводов многокамерных ЖРД в процессе запуска, существенно влияющей на высокочастотную неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания, и разработаны специальные выравнивающие устройства, предназначенные для исключения этого явления и обеспечивающие надежность запуска двигателей 8Д715.
Исследованы динамические характеристики эмульсионной подачи топлива в газогенератор двигателя НК-15. Для уменьшения выявленной неравномерности вступления в работу форсунок в газогенератор установлен дефлектор, обеспечивающий более равномерное распределение первых порций горючего по поперечному сечению, что способствовало более плавному воспламенению топлива в газогенераторе на режиме запуска без повышенных хлопков и перегрузок по давлению.
2. Исследования динамических характеристик насосов и турбин ТНА и их вибрационно-пульсационного состояния.
В процессе этих исследований:
Методами моделирования были проведены исследования динамических характеристик высоконапорных ТНА с заданием высоких темпов разгона ротора и динамических возмущений в гидравлических и газовых трактов насосов и турбин, близких к значениям, регистрируемым в процессе запуска двигателя.
Получены экспериментальные зависимости и приближённые формулы для определения напора и крутящего момента насоса на переходных режимах его работы [dn/dt < 2·105 (об/мин)/с, dG/dt < 2500 кгс/с2], позволяющие упростить проведение предварительных оценок динамических характеристик при проектировании системы подачи ЖРД.
Получена обобщенная зависимость напора насоса от объёма кавитационной каверны, удовлетворительно описывающая объёмный механизм падения напора для широкого класса высоконапорных насосов при кавитации, вызываемой нестационарными процессами в системе подачи топлива. Она используется при математическом моделировании динамики насосов ЖРД и анализе аномальных процессов при аварийных исходах испытаний двигателей 1974 г.
Экспериментально изучен механизм создания напора криогенными насосами при ускоренном охлаждении тракта позволяющего осуществить "горячий" запуск двигателей, работающих на криогенных топливах, с минимальным временем запуска (t = 3...5 с вместо 500...600 с.
Схема "горячего" запуска (без предварительного охлаждения кислородного насоса) применена на двигателях НК-39 и НК-31 для ракеты "Н-1". Определены мощностные характеристики осевых и центростремительных турбин на переходных режимах с оценкой влияния емкостных свойств системы "турбина - газовый тракт" на располагаемую мощность турбины и динамику осевых нагружений ротора ТНА. Проведена оценка запирающего эффекта турбины при работе на влажном генераторном газе. Установлено, что мощностные характеристики исследованных турбин при темпах изменения частоты вращения ротора dn/dt < 2·105 (об/мин)/с можно считать квазистационарными.
Впервые с позиций ограничения уровня вибраций элементов конструкции двигателя и снижения амплитуд пульсаций давления в системе подачи топлива проведено детальное исследование вибрационно-пульсационных процессов, свойственных ЖРД. Экспериментальным путем были определены зависимости амплитуд и частот этих процессов от параметров режима работы ТНА и характеристик системы подачи двигателей. Выявлены характерные закономерности резкого усиления интенсивности пульсаций давления жидкости и вибраций элементов конструкции насоса при выходе параметров подобия режимов насосов Q/n за некоторые критические пределы. Полученные закономерности, наряду с напорными и кавитационными характеристиками насосов, используются при проектировании и доводке двигателей для прогнозирования пульсационно-вибрационного состояния гидравлических трактов ЖРД.
Исследовано влияние вынужденных механических колебаний конструкции на пульсации давления в гидросистеме с ТНА в диапазоне частот 5...70 Гц. Разработана математическая модель, позволяющая оценить амплитуды вынужденных колебаний давления жидкости в гидросистеме центробежным насосом.
Разработаны метод и средства диагностирования переходных режимов натурных ТНА на модельной жидкости, позволяющей получать комплексную информацию о динамических нагружениях подшипников и вибрационных перемещениях ротора при нормальных и аварийных условиях работы ТНА с погрешностями динамических измерений, не превышающих 10 % в диапазоне частот от 5 до 2000 Гц. Разработанный и экспериментально апробированный комплекс измерительных средств может служить основой для построения систем технической диагностики ТНА.
На основе полученных при моделировании обобщенных динамических характеристик уточнены математические модели основных элементов системы подачи топлива ЖРД, определяющие гидроудары, инерционные потери в насосе, кавитационные срывы напора насосов и эмульсионную подачу топлива в газогенератор (и др.).
Уточнение и апробация экспериментальными данными математических моделей способствовали усовершенствованию методов математического моделирования процесса запуска ЖРД.
Комплексное использование методов гидродинамического и математического моделирования и натурной отработки двигателей на огневых стендах позволили выявить принципиальные закономерности процесса запуска ЖРД закрытой схемы и разработать эффективные мероприятия по обеспечению надежного запуска двигателей этого типа.
Основные результаты работ по динамике ЖРД обобщены в монографиях под редакцией А.А. Шевякова и В.Р. Левина. Ряд исследований опубликованы в академических изданиях по космонавтике, трудах международных астронавтических конгрессов и космических симпозиумов. Цикл работ по теории управления и гидродинамическому моделированию процесса запуска ЖРД отмечен премией имени Н.Е. Жуковского.
Работа по созданию эффективных методов физического и математического моделирования процесса запуска двигателей перспективных схем и изысканию надежных способов управления этим процессом проводились В.М. Калниным, В.А. Шерстянниковым, А.И. Гулиенко, Н.В. Науменковой, В.В. Дятловым, Н.Д. Захаровым, Ю.Н. Кузьминым, Е.В. Тюриковым, Е.Г. Любарским, Р.Г. Клингом и другими сотрудниками подразделений 012 и 500 ЦИАМ.