|
РАЗРАБОТКА ЖРД РД-107 И РД-108 ДЛЯ СЕМЕЙСТВА РН Р-7
К 50-летию полета Ю.А. Гагарина
ОАО "НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко":
Владимир Сергеевич Судаков, начальник отдела
Начало космической эры ознаменовалось запуском 1-го искусственного спутника Земли благодаря созданию в СССР известной теперь космической ракеты Р-7. В то время это была самая мощная в мире ракета. Разрабатывалась она по решению руководства СССР коллективами нескольких КБ, созданных и убедительно показавших свою дееспособность в процессе освоения и модернизации немецкой трофейной ракетной техники, в первую очередь, ракеты А-4.
Создание Р-7 явилось выдающимся достижением человеческого разума и научно-технических возможностей. Решающую роль в создании этой ракеты сыграли двигатели, разработанные и доведенные до высокой степени надежности в КБ, возглавлявшемся Валентином Петровичем Глушко.
Завершив разработку двигателя для ракеты Р-5 на дальность 1200 км, коллектив ОКБ Глушко приступил к созданию двигателя для межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Достижение такой дальности потребовало создания двигателя нового типа, работающего на более эффективном ракетном топливе.
При выборе топлива исходили из того, что из известных и обеспеченных производственной базой окислителей, наибольший удельный импульс мог обеспечить только жидкий кислород. Горючее должно было быть более калорийным, чем спирт, при том, также хорошо освоенное. Таким был керосин. По термодинамическим характеристикам он позволял обеспечить достаточный уровень экономичности, но его использование в качестве горючего для ЖРД вызывало необходимость преодолеть серьезные трудности: температура продуктов его сгорания в кислороде почти на 1000 К выше, чем у водных растворов спирта, в то время как охлаждающие свойства намного хуже. А именно горючим приходится охлаждать стенки камеры, если в качестве второго компонента - окислителя - используется кислород.
Задача охлаждения усложнялась еще тем, что для обеспечения оптимальных характеристик двигателя необходимо было поднять давление газов в камере, по крайней мере, в 2 раза по сравнению с достигнутым на спиртовых двигателях.
Для нового типа двигателя требовалась принципиально новая конструкция камеры. Необходимо было сочетание тонкой, не несущей, но высоко теплопроводной стенки и силовой стальной рубашки, а следовательно, новые типы связей стенки с рубашкой. Конструкторы и технологи ОКБ Глушко создали такую конструкцию. Ее основа - стенки из листовой меди толщиной до 6 мм; на наружной поверхности стенок выфрезеровываются рёбра. Канавки между рёбрами предназначаются для протока охлаждающей жидкости, по наружной поверхности рёбер стенки спаиваются с рубашками. Рёбра интенсифицируют теплоотвод от стенок. На донышках канавок остается толщина до 1 мм. Пайка производится твердым припоем в печах. Уместно отметить, что в дальнейшем, для упрощения и удешевления изготовления камер, на не очень теплонапряжённых участках стали применяться гофрированные проставки вместо рёбер. Огневое днище смесительной головки стали изготавливать из тех же медных сплавов.
Основные особенности камер сохранились до настоящего времени практически во всех отечественных КБ.
К концу 1948 г. была разработана, изготовлена по специально отработанной технологии и испытана на новом стенде первая экспериментальная камера нового типа КС-50 ("Лилипут").
Следующим этапом отработки основных элементов конструкции камеры будущего мощного двигателя явилась модельная экспериментальная камера ЭД-140 тягой 7 тс. Как необходимость такой камеры, так и размерность ее определились не случайно. Дело в том, что с конца 40-х годов в ОКБ Глушко занимались проектно-конструкторскими работами по определению облика камеры тягой 120 тс для ракеты Р-3. Камера рассматривалась в разных вариантах. В результате проведенных работ, включавших и технологические, предпочтение на том этапе было отдано кислородно-керосиновому двигателю с камерой сферической формы с медными стенками, охлаждаемыми горючим, с подачей компонентов топлива в неё через 19 смесительных головок. Была изготовлена одна такая камера, а также два макета двигателя в натуральную величину в вариантах керосинового и водяного охлаждения. Эти макеты как музейные экспонаты существуют и поныне. Вариант двигателя с водяным охлаждением перестал в дальнейшем рассматриваться, когда подтвердилась возможность надёжного охлаждения керосином.
Каждая смесительная головка большой камеры была диаметром 200 мм. Вот для отработки такой головки и была создана камера ЭД-140 с цилиндрической камерой сгорания диаметром 240 мм, который был выбран из условий моделирования как параметров, так и характерных частей конструкции. Она предназначалась для испытаний с целью выбора наилучших смесительных элементов по части обеспечения предельно возможной полноты сгорания. Давление газов в камере должно было достигать 60 атмосфер - эта величина была обусловлена давлением в большой камере. В ЭД-140 проверялись и другие узлы, например, новые пояса щелевых завес с тангенциальной закруткой горючего, которая была введена с целью стабилизации плёнки на внутренних поверхностях стенок камер.
На этой камере, как и на "Лилипуте", удалось достичь близкую к предельной полноту сгорания и подтвердить результаты термо- и газодинамических расчетов. Этому в значительной мере способствовала цилиндрическая форма камеры сгорания, в которой поток газа минимально размывал пристенок, благодаря чему обеспечивалось надёжное охлаждение стенок при минимальной толщине слоя газа с уменьшенной температурой.
Уже в период испытаний ЭД-140 было выяснено, что для цилиндрической камеры оптимальным является плоское огневое днище с форсунками, оси которых параллельны оси камеры. Именно в этом варианте возможно с минимальными потерями организовать и оптимальное смешение компонентов, и охлаждение стенок. Для решения задачи была разработана головка, имеющая три днища: внутреннее огневое и среднее - плоские и спаянные с форсунками в один узел, а также наружное - силовое, выполненное в форме участка сферы, сваренное со средним с использованием цилиндрических перфорированных обечаек. С такой головкой в начале 50-х годов была спроектирована большая камера сгорания с внутренним диаметром 600 мм и изготовлена в нескольких экземплярах с различными вариантами смесительных элементов.
В мае 1954 г. ОКБ-1 НИИ-88 направило в ОКБ-456 проект ТЗ на разработку двигателей первой и второй ступеней. В качестве основного варианта предусматривалась разработка ДУ из пяти однокамерных двигателей (четырех для первой и одного для второй ступеней), причем управление РН должно было осуществляться газоструйными рулями на первой ступени и только для второй ступени предусматривалась разработка двух вариантов: с газоструйными рулями или рулевыми камерами, питаемыми от основного ТНА.
В этом проекте ТЗ предусматривалось, что разработка и автономная доводка рулевых камер проводится НИИ-88, который представляет отчет об этом ОКБ-456 перед комплексными испытаниями двигателя.
После проработки проекта ТЗ ОКБ-456 15 июня 1954 г. направляет доработанный вариант ТЗ на окончательное утверждение в ОКБ-1. В ТЗ по предложению ОКБ-456 внесены существенные изменения - предусматривается разработка основных двигателей в двух вариантах: однокамерном и четырехкамерном. В таком же варианте ОКБ-456 подготовило эскизный проект на разработку двигателей 1 и 2 ступеней. Чем же вызвано предложение разрабатывать четырехкамерный двигатель? Имеющийся в первой половине 50-х годов опыт по обеспечению высокочастотной устойчивости рабочего процесса в камере сгорания представлял собой частные решения проблемы обеспечения устойчивости камер некоторых конкретных конструкций с существенно меньшими давлениями и размерами, чем у новой большой камеры.
Стало ясно, чтобы сделать реальной задачу создания ЖРД большой тяги, нужно вместо одной большой камеры перейти на несколько, например, четыре, удобных для компоновки двигателя. Вместе с тем многокамерная схема, хотя и давала дополнительные преимущества, связанные с уменьшением высоты и массы двигателя, требовала решения ряда новых задач.
ТЗ на разработку двигателей в редакции, предложенной ОКБ-456, было утверждено С.П. Королевым 4 июля 1954 г., при этом вариант четырехкамерного двигателя рассматривался как резервный.
Однако в процессе детальной проработки возможностей технологического освоения обоих вариантов двигателя специалисты ОКБ-456 пришли к однозначному выводу, что в установленные правительственные сроки однокамерный двигатель изготовлен не будет. Для изготовления камеры требовалось уникальное крупногабаритное оборудование, которое нужно было еще спроектировать, изготовить, довести до получения требуемых параметров и характеристик.
Первая реакция В.П. Глушко и С.П. Королева на такой ход событий была негативная, но жесткие сроки создания Р-7 предопределили выбор варианта двигателя в пользу четырехкамерного. Одновременно с выбором варианта основного двигателя определилась и конструкция узла управления полетом ракеты - были выбраны рулевые камеры. Приоритет ОКБ-456 в предложении четырехкамерного двигателя закреплен соответствующим рацпредложением, поданным конструкторами ОКБ-456 и военпредом при этом КБ.
К чести С.П. Королева и сотрудников его КБ следует отнести то, что они с пониманием отнеслись к трудностям двигателистов, касавшихся преодоления высокочастотных колебаний, и согласились на четырехкамерный вариант основных двигателей, пошли на то, чтобы совместными усилиями преодолеть сложности обеспечения одновременного контролируемого запуска на несамовоспламеняющихся компонентах пяти двигательных установок, включающих в общей сложности 32 камеры (20 основных и 12 рулевых). К тому же при отсутствии ограничений по диаметру двигателей сокращение высоты двигателя благодаря многокамерности позволило заметно укоротить ракету.
При решении вопроса, кому - ОКБ-1 или ОКБ-456 - разрабатывать рулевые камеры, В.П. Глушко предложил сохранить первоначальную договоренность и оставить за ОКБ-1 эту работу. Он мотивировал это предложение тем, что разработка камер относительно малой тяги будет отвлекать ОКБ-456 от работ по основным двигателям, а в ОКБ-1 в подразделении М.В. Мельникова разработана экспериментальная камера, близкая по своим параметрам и характеристикам к требуемой. Имеется также стенд для автономных испытаний этой камеры. Осталось разработать узел подачи компонентов топлива через подвижные элементы крепления рулевой камеры. Такая конструкция создавалась впервые, но квалификация работников ОКБ-1 не вызывала сомнения в успешном решении этой задачи.
После нескольких обсуждений С.П. Королев согласился с предложением В.П. Глушко с условием проведения завершающей отработки камер совместно с основными двигателями на стенде ОКБ-456, и ОКБ-1 приступило к разработке рулевых агрегатов.
На первом этапе огневые испытания проводились на стенде ОКБ-1. Были выявлены слабые места конструкции - прогары в области критического сечения, пролизы внутренней стенки и т.д. Принимаемыми мерами дефекты были устранены. Всего к весне 1957 г. было проведено около 500 огневых испытаний на 285 экземплярах камер.
Вторым этапом стендовой отработки рулевых камер явились их совместные испытания с двигателями РД-107 и РД-108 на стенде № 1 ОКБ-456. При проведении этих испытаний было установлено, что на режиме предварительной ступени в рулевых камерах возникают высокочастотные пульсации давления, а при выходе на главную ступень происходит резкое снижение режима и возникают пульсации давления, приводящие к прогарам огневого днища смесительной головки.
Для устранения указанных явлений по предложению ОКБ-456 был осуществлен переход на новую схему подачи топлива в рулевые камеры, что дало положительные результаты.
Последующие испытания в составе двигательного блока, а затем и всего "пакета" подтвердили эффективность предложенной ОКБ-456 новой схемы питания рулевых камер.
Итоговое заключение о допуске системы рулевых агрегатов к летным испытаниям в составе ракеты Р-7 было утверждено 15 марта 1957 г. главными конструкторами ОКБ-1 и ОКБ-456 С.П. Королевым и В.П. Глушко.
В 1957 г. отработка маршевых двигателей РД-107 и РД-108 находилась в завершающей стадии и в соответствии с имеющимися договоренностями конструкторы ОКБ-456 приступили к совершенствованию разработанной ОКБ-1 конструкции рулевых камер. Это диктовалось необходимостью повышения работоспособности камер в части исключения прогаров внутренней стенки, а также использования более совершенных технологий специализированных двигательных заводов по сравнению с экспериментальным производством ОКБ-1.
Новая конструкция рулевой камеры имеет высокую надежность по устойчивости процесса и охлаждению, а по экономичности на 15…20 кгс·с/кг превосходит вариант первоначально разработанный в ОКБ-1.
Первые товарные партии камер Д166-000 были изготовлены на заводе № 456, затем их изготовление было передано на двигателестроительный завод в Куйбышев. При полете в космос Ю.А. Гагарина использовались рулевые камеры конструкции ОКБ-456.
Завершив краткий экскурс в историю создания камер рулевых агрегатов, вернемся к разработке основных маршевых двигателей ракеты Р-7.
В 1954 г. в основном определились принципиальные схемы и компоновки двухступенчатой ракеты, ее блоков и двигательных установок.
При разработке принципиальной схемы и конструкции двигателя конструкторы старались максимально учесть, что доводочные работы потребуют внесения корректив и, следовательно, нужно обеспечить по возможности безболезненную реализацию изменений. Гибкость в доводке, закладываемая с самого начала проектных проработок - это одна из наиболее характерных черт в работе КБ Глушко.
Камеры создавались на давление в них продуктов сгорания 60 атм, без особого запаса не только по прочности (во избежание утяжеления), но и по допустимому интервалу по давлению до нижней границы области высокочастотной неустойчивости рабочего процесса. Внутренний диаметр цилиндрической части камеры сгорания (430 мм) был определен на основе испытаний по предельному проверенному уровню удельной расходонапряженности - секундному расходу топлива, приходящемуся на единицу площади смесительной головки и относящемуся к давлению в камере.
Характеристики ТНА были определены исходя из необходимости обеспечения давления газа в основной камере сгорания и отбора компонентов к рулевым камерам.
Параллельно с решением принципиальных технических вопросов шел выпуск конструкторской и технологической документации, велась подготовка производства и создавалась недостающая стендовая база. Был составлен план доводочных работ, и они развернулись широким фронтом.
Самым трудным было обеспечение работоспособности камеры. Ее огневые испытания начались в 1954 г. Первые же результаты дали обнадеживающие результаты. Отработка началась на экспериментальных двигателях, имеющих одну, две и уже затем и четыре камеры сгорания.
Вместе с тем, в связи с большой сложностью одновременного запуска пяти двигателей, 32-х камер, было решено создать отдельный стенд для отработки совместного запуска двигателей и обеспечения устойчивого горения в камерах на предварительной ступени, для выбора датчиков контроля за ходом запуска и уровня параметров их настройки. Такой стенд был создан рядом с основным огневым стендом. На нем в общей сложности было проведено около тысячи запусков двигателей без последующих выходов на главный режим.
Одновременно с испытаниями по запуску шла отработка камеры на основном режиме. На этом этапе была проведена оптимизация основных двухкомпонентных форсунок в части выбора внутри них длины зоны предварительного смешения компонентов.
К этому времени все агрегаты штатного двигателя успешно прошли автономные испытания на специальных стендах в условиях, по возможности приближенных к натурным.
В начале 1955 г. состоялось первое испытание полной, четырехкамерной сборки.
С самого начала испытаний двигателя возникли серьезные неприятности: в процессе перехода с режима предварительной ступени на главную в камерах развивались высокочастотные колебания разрушающей интенсивности. Значительная часть агрегатов и, главное, стенд оставались целыми благодаря системе ППР, но необходимо было принимать радикальные меры. Выбор пал на изменение характеристик открытия основного клапана окислителя. Доработка клапана дала требуемые результаты, и измененная конструкция кислородного клапана сохранилась навсегда.
При доводке двигателя на основном режиме также пришлось изрядно потрудиться, чтобы обеспечить стабильные характеристики устойчивости. Была найдена допустимого уровня защитная завеса для камер двигателя РД-107 и несколько уменьшенная, с соответствующим увеличением удельного импульса тяги, - для камер двигателя РД-108, что оказалось возможным благодаря меньшему номинальному давлению газов. Из-за этого камеры двух двигателей не унифицированы по смесительным головкам.
Важнейшими совместными доводочными работами явились наземные огневые испытания двигательных установок в составе отдельных блоков - бокового и центрального, а затем и пакета всех блоков, то есть ракеты в целом. Для этих работ был создан уникальный стенд, в то время, по-видимому, крупнейший в мире, на территории отраслевого института, известного ранее как НИИХимМаш, а теперь как НИЦ РКП.
Сначала проводились испытания бокового блока. Подтвердили свою работоспособность как двигательная установка, так и все системы стенда. Этот важный этап был пройден в 1956 г. К великой радости, двигатель не потребовал доработок. Далее, по утвержденной программе следовало провести испытания пакета. Оно и было успешно проведено, тем самым была открыта дорога летно-конструкторским испытаниям.
При первых пусках ракеты Р-7 в 1957 году только однажды, в процессе первого старта 15 мая, была аварийная обстановка, возможно, из-за двигателя: в хвостовом отсеке одного из блоков начался пожар, который к 98-й секунде полета привел к необходимости аварийного его прекращения. Место появления негерметичности осталось неизвестным - по двигателю или перед ним. Было принято решение на всех заводах и на технической позиции перед вывозом ракеты на старт принять эффективные меры по обеспечению и надежному контролю герметичности.
По инициативе С.П. Королева, В.П. Глушко, Н.А. Пилюгина, Совета Главных конструкторов и АН СССР (М.В. Келдыша, который в то время еще не был Президентом АН) высшее руководство нашей страны санкционировало подготовку и запуски спутников.
К этим работам были изготовлены специальные двигатели. Поначалу подбирали все запасы: и массу первого спутника ограничили 85 кг, и двигатели взяли с увеличенным на 2 единицы удельным импульсом, и решили, что на центральном блоке, то есть на второй ступени двигатель должен работать до специального сигнала об окончании одного из компонентов топлива, для чего пришлось провести соответствующую отработку отключения.
Двигатели, как и ракеты, получили к своим обозначениям дополнительные буквы "ПС" - простейший спутник.
Запуск первого искусственного спутника Земли прошел 4 октября 1957 года. Весь мир его увидел и услышал. Неожиданность запуска привела к международному эффекту непредсказуемой силы. Впервые аппарат, созданный человеком, преодолел силу тяжести. И это удалось стране, больше других пострадавшей от недавней войны. Создание ракетного комплекса Р-7 состоялось.
За запуск первого спутника присуждена Ленинская премия - главному конструктору В.П. Глушко и начальнику лаборатории огневых испытаний В.Л. Шабранскому, звания Героев Социалистического Труда получили заместители главного конструктора В.А. Витке и В.И. Курбатов, слесарь-сборщик Н.Г. Васильев. Многие работники предприятия получили ордена и медали.
Работы по совершенствованию двигателей РД-107 и РД-108, повышению их надёжности продолжались. Работать приходилось иногда по 10-12 часов в день. Большое количество доводочных и летных испытаний подтвердило настолько высокую надежность двигателей, что стало возможным доверить им подъем с земли и доставку в космос человека.
За обеспечение полета в космос Ю.А. Гагарина ОКБ-456 награждено орденом Ленина, главному конструктору В.П. Глушко вторично присвоено звание Героя Социалистического Труда. Этого звания удостоены рабочие В.П. Зиновьев, М.Н. Ильюшин, испытатель Н.А. Шмагин, начальник конструкторского отдела С.П. Агафонов, начальник лаборатории огневых испытаний В.Л. Шабранский, заместитель главного конструктора В.И. Лавренец-Семенюк, директор завода Ю.Д. Соловьев.
Успешным полетом Ю.А. Гагарина была открыта эра полетов в космос - эра космонавтики. С тех пор все космонавты, стартующие с космодрома Байконур, поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107 и РД-108 и их модификациями. То же относится к большей части беспилотных космических кораблей и спутников.
Все время, начиная с 1958 г., непрерывно велся авторский надзор за серийным выпуском двигателей РД-107 и РД-108, изготовляемых в Самаре на заводе им. Фрунзе (впоследствии ОАО "Моторостроитель", ныне ОАО "Кузнецов"). Сотрудники КБ участвовали во всех работах по усовершенствованию двигателя и созданию новых модификаций. Так, с 1960 г. велись работы по созданию новых модификаций двигателей на базе двигателей РД-107 (8Д74) и РД-108 (8Д75).
Двигатели 8Д74К и 8Д75К стали первыми модификациями базовых двигателей РД-107 и РД-108. Их отличия заключались в следующем: на двигателе 8Д74К для уменьшения предстартовых расходов было сокращено число промежуточных ступеней. Запуск осуществлялся через две промежуточные ступени вместо трех, а выключение - через первую промежуточную ступень. На двигателе 8Д75К увеличивалось время работы на режиме конечной ступени. Эти двигатели устанавливались на РН 8К78. В дальнейшем двигателю 8Д74К был присвоен индекс 8Д728.
Для увеличения полезной нагрузки было предложено увеличить тягу двигателя 8Д75К путем форсирования его на 5% по давлению газов в камере сгорания, что приводило к увеличению удельного импульса тяги на земле на 2,9 с. Двигатель отрабатывался в двух модификациях: 8Д727 - форсированный на 5% с отключением без конечной ступени; 8Д727К - форсированный на 5% с отключением через конечную ступень.
В 1968 г. началась отработка двигателей 11Д511 и 11Д512 на базе двигателей 8Д727 и 8Д728. Конструктивные отличия заключались в следующем: были доработаны агрегаты, относящиеся к системе регулирования двигателя; расширен диапазон работоспособности редуктора точной настройки; на двигатели 11Д512 установлены камеры с большим запасом устойчивости.
В 1979 г. проведена отработка двигателя 11Д511ПФ на базе 11Д511. В новой модификации двигателя использовалось синтетическое горючее синтин вместо керосина Т-1. Конструктивные отличия заключались в следующем: увеличено давление в камере, введено спиральное оребрение трактов охлаждения камер, при выключении двигателя введена задержка закрытия клапана горючего.
В современной модификации базовых двигателей РД-107 и РД-108 - двигателях 14Д21 и 14Д22 были реализованы следующие конструктивные мероприятия: использована смесительная головка с однокомпонентными форсунками, аналогичная смесительной головке камеры ранее разработанного двигателя РД-111; имеются антипульсационные перегородки из выступающих на 30 мм в сторону огневого пространства форсунок окислителя и горючего; в наиболее теплонапряженных местах камеры выполнено спиральное оребрение тракта охлаждения. Улучшение смесеобразования привело к увеличению удельного импульса тяги в пустоте для двигателя 14Д21 на 4,6 с и для двигателя 14Д22 на 6,2 с. В 2002 г. были завершены летные испытания с модернизированной системой смесеобразования в камерах.
На этих же модификациях в 1999-2002 гг. было отработано химическое зажигание компонентов топлива в камерах. Однако, несмотря на очевидные преимущества, из-за дополнительной массы порядка 200 кг на ракету, пока в конструкцию двигателей не внедрено.
Необходимо отметить, что двигатели РД-107 и РД-108 как яркие примеры выдающихся достижений нашей страны в области ракетно-космической техники неоднократно демонстрировались на международных и отечественных выставках, начиная с середины 60-х годов ХХ века: в 1966 г. в Канаде на выставке "Экспо-66"; в 1967 г. на Международном авиакосмическом салоне в Ле Бурже (Франция), на выставке в Будапеште (Венгрия) и др. Двигатель РД-107 с разрезом долгое время демонстрировался на Выставке достижений народного хозяйства СССР в Москве. К этим выставкам выпускались рекламные материалы с кратким описанием особенностей конструкции этих двигателей.
Высокая надежность ракет типа Р-7, подтвержденная набранной статистикой полетов, позволила обеспечить их длительную эксплуатацию, ставшую рекордной для ракетной техники - более 53 лет. Число изготовленных маршевых двигателей стало поистине "астрономическим": при количестве пусков ракет, составляющих к настоящему времени около 1800, число работавших в полете двигателей - около 9000 экземпляров, число изготовленных двигателей - около 12000. Такой статистики не имеет ни один другой двигатель в мировой практике.