ОСНОВОПОЛОЖНИК ОТЕЧЕСТВЕННОГО РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Аннотация

К 100-летию со дня рождения академика В. П. ГлушкоРассматриваются основные этапы жизни и творческой деятельности выдающегося ученого и конструк- тора ракетно-космических двигателей, академика В. П. Глушко. Представлен его вклад в развитие отечест- венной и мировой космонавтики. Проведен анализ научно-технических тенденций развития ракетно- космического двигателестроения.

Полный текст

Научно-техническая общественность России и многих зарубежных стран готовится достойно отме- тить знаменательную дату - столетие со дня рождения выдающегося ученого и конструктора XX в., осново- положника отечественного ракетно-космического двигателестроения академика Валентина Петровича Глушко. В. П. Глушко родился 2 сентября 1908 г. в Одессе. В юные годы, обучаясь в одесской профессионально- технической школе, он увлекся фантастической идеей межпланетных путешествий. Это увлечение очень быстро превратилось в твердое убеждение - посвятить свою жизнь осуществлению космических полетов. Уже тогда он уяснил, что для серьезной реализации этой мечты необходимы глубокие знания и исключи- тельная целеустремленность. Свой путь в космонав- тику В. П. Глушко начал с изучения астрономии и наблюдений звездного неба в Первой государственной астрономической обсерватории Одессы. Проявляя незаурядные организаторские способности, он создал под своим руководством «Кружок молодых мирове- дов», который активно занимался изучением фунда- ментальных естественно-научных и прикладных про- блем. О серьезности увлечения В. П. Глушко свиде- тельствуют собранные им в те годы материалы для написания двух научных книг. Издание их в те годы не состоялось, однако сохранившиеся материалы и сейчас, по отзывам специалистов, представляют ин- терес. Огромное влияние на формирование научного ми- ровоззрения В. П. Глушко оказало его знакомство с трудами К. Э. Циолковского. Между ними установи- лась переписка, которая продолжалась несколько лет. К. Э. Циолковский высылал в Одессу В. П. Глушко издания своих трудов, высказывал рекомендации и советы по практическому применению теории косми- ческих полетов. Переписка юного энтузиаста космо- навтики В. П. Глушко и ученого-теоретика К. Э. Циол- ковского - это уникальное явление в истории отечест- венной науки. В 1925 г. В. П. Глушко поступил на физико- математический факультет Ленинградского универси- тета. «Мир университета увлек меня, перенеся в новое поле деятельности, приближавшее к заветному буду- щему, когда я мог бы посвятить себя целиком работе над осуществлением мечты», - писал В. П. Глушко. В те годы он с увлечением, в подлиннике, прочел тру- ды зарубежных пионеров ракетной техники: Р. Год- дарда, Р. Эно-Пельтри, Г. Оберта. После завершения учебы в университете В. П. Глуш- ко начал работать в Ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ). Здесь им разрабатывалась серия жидкостных ракетных двигателей ОРМ - опытных ракетных моторов, исследовались способы химиче- ского зажигания, возможности использования разных видов топлива, изучалось влияние степени профили- рования сопла на характеристики двигателя, проводи- лись огневые стендовые испытания ЖРД. Эти двига- тели были предназначены для ракет вертикального взлета, ускорителей самолетов, морских торпед. В 1933 г. в Москве на базе ГДЛ и московской Группы по изучению реактивного движения был соз- дан первый в мире Реактивный научно- исследовательский институт (РНИИ). В. П. Глушко переехал в Москву и возглавил в РНИИ отдел по раз- работке ЖРД. В этот период им были проведены об- ширные научно-исследовательские работы в области определения эффективности ракетных топлив, расчета профиля сверхзвукового сопла, выбора струйных и центробежных форсунок для качественного распыла жидкого топлива, расчета охлаждения огневой стенки камеры двигателя. Именно в РНИИ началась совмест- ная деятельность С. П. Королева и В. П. Глушко, оп- ределившая на многие годы основополагающее на- правление развития ракетной техники и космонавтики в нашей стране. У С. П. Королева и В. П. Глушко были обширные творческие планы по созданию перспективных ракет- ных двигателей, крылатых и баллистических ракет. Однако в тот период их планом не суждено было пре- твориться в жизнь. По ложному обвинению в 1938 г. они были арестованы и репрессированы. Находясь в заключении, В. П. Глушко работал сначала на одном из подмосковных авиазаводов, а затем на авиазаводе в Казани. Здесь он возглавил спе- циальное КБ по разработке реактивных ускорителей для самолетов. Под руководством В. П. Глушко в го- ды Великой Отечественной войны были разработаны, испытаны и переданы в серийное производство ракет- ные двигательные установки РД-1, РД-1ХЗ, РД-2, ко- торые устанавливались в качестве ускорителей на са- молеты Пе-2, Ла-7, Як-3, Су-6. В 1945 г. В. П. Глушко создал и возглавил в Казан- ском авиационном институте первую в СССР кафедру ракетных двигателей. В ее состав вошли выдающиеся специалисты-ракетчики: С. П. Королев, Г. С. Жириц- кий, Д. Д. Севрук. В этом же году В. П. Глушко в составе группы советских специалистов, занимавшихся вопросами ракетной техники, был командирован в Германию для поисков и изучения немецких боевых ракет V-2. Богатый опыт и инженерная интуиция позволили В. П. Глушко быстро разобраться в особенностях кон- струкции двигателей V-2, их технических характери- стиках, условиях производства и эксплуатации. После возвращения из Германии В. П. Глушко бы- ли сформулированы и направлены в Правительство СССР предложения о создании в нашей стране круп- ной конструкторской организации и опытного завода для проектирования и производства ракетных двига- телей. Инициатива В. П. Глушко получила поддержку руководства страны, и в 1946 г. в подмосковном горо- де Химки на базе бывшего авиационного завода было организовано ОКБ-456, ныне знаменитое Научно- производственное объединение «Энергомаш». В. П. Глушко был его бессменным Главным конструк- тором с первого дня и до 1974 г. В послевоенные годы коллективом ОКБ-456 под руководством В. П. Глушко были разработаны двига- тели РД-100, РД-101, РД-103М, которые устанавлива- лись на баллистические ракеты Р-1, Р-2, Р-5, Р-5М конструкции С. П. Королева. Во многом эти двигатели по своей конструкции и техническим параметрам еще напоминали двигатели немецкой ракеты V-2. Однако В. П. Глушко понимал, что для дальнейшего улучше- ния характеристик отечественных ЖРД нужны прин- ципиально новые решения. Необходимо было увели- чить давление в камере сгорания, перейти на более эффективное топливо, улучшить условия смесеобра- зования и распыла топливных компонентов и т. д. В результате напряженных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ удалось разработать новую конструкцию охлаждающего тракта камеры двигателя, создать оригинальную схему расположения форсунок в смесительной головке, значительно уменьшить массово-габаритные параметры камеры ЖРД. Накопленный научно-технический потенциал по- зволил ОКБ-456 под руководством В. П. Глушко пе- рейти к созданию ракетных двигателей качественно нового уровня. В 1957 г. прошло первое летное испы- тание новой отечественной мощной межконтинен- тальной ракеты Р-7 конструкции С. П. Королева с двигателями РД-107 и РД-108 конструкции В. П. Глушко. На этих двигателях осуществлен запуск пер- вого искусственного спутника Земли, полет первого в мире космонавта Ю. А. Гагарина, запуски автомати- ческих станций для полетов Луну, Венеру, Марс, пи- лотируемых кораблей и «Восток», «Восход», «Союз». Созданные более 50 лет назад двигатели РД-107 и РД-108 постоянно совершенствуются и продолжают активно работать в интересах российской и мировой космонавтики. Именно на них осуществляются запус- ки пилотируемых космических кораблей с космодро- ма «Байканур». В период 60-70-х гг. прошлого столетия в ОКБ В. П. Глушко была создана серия ЖРД на высококи- пящих окислителях (азотная кислота, азотный тетрок- сид) с керосином, а затем и с несимметричным диметилгидразином (НДМГ). Это долгохранимые топлива, так как заправленные ими ракеты могут длительное время находиться в боевой готовности. Созданные с использованием таких двигателей ракеты шахтного базирования составили основу оборонного потенциала нашей страны. Разработка и создание ЖРД на высококипящих окислителях шли в ОКБ особенно успешно и быстро. Так, например, азотнокислотный двигатель РД-214 с тягой 74 тс в пустоте летал с 1957 г., а с 1962 по 1977 гг. использовался на первой ступени ракет-носителей «Космос». На второй ступени этой ракеты использован работающий на кислороде с несимметричным ди- метилгидразином двигатель РД-119 тягой 11 тс в пус- тоте и с рекордным для схемы без дожигания удель- ным импульсом 352 с, созданный в 1958-1962 гг. Раз- работанные в 1958-1961 гг. двигатели РД-218 и РД- 219 соответственно тягой 226 и 90 тс на первой и вто- рой ступенях ракеты Р-16 работали на самовоспламе- няющемся топливе (азотная кислота с несимметрич- ном диметилгидразином) и обеспечивали удельный импульс соответственно 246 и 293 с. В 1959-1962 гг. в ОКБ В. П. Глушко для ракеты Р-9 был создан кислородно-керосиновый двигатель РД-111 с четырьмя качающимися камерами. Тяга в пустоте - 166 тс, удельный импульс в пустоте - 317 с, давление в камере - 80 кг/см2 . Привод ТНА - от газо- генератора, работающего на основных компонентах с избытком горючего. В дальнейшем ОКБ В. П. Глушко с целью ликви- дации потерь на привод ТНА перешло на создание двигателей с дожиганием генераторного газа. Такая схема была использована на однокамерном двигателе РД-253; топливо - азотный тетроксид (АТ) с несимметричном диметилгидразином. Давление в камере - 150 кг/см2, в магистралях - до 400 кг/см2 , тяга в пус- тоте - 166 тс, удельный импульс - 316 с. Период разработки - 1962-1965 гг. Шесть таких двигателей уста- новлены на первой ступени ракеты-носителя «Про- тон» и они безотказно работают уже в течение более четырех десятилетий. «Протон» обладает значительно большей грузоподъемностью, чем «Союз» и отличает- ся высокими эксплуатационными и энергетическими характеристиками; им решен ряд важнейших задач, связанных с исследованием Луны, Венеры и Марса, в том числе «Протон» обеспечил программу полета к Луне с взятием грунта и его доставкой на Землю. Для российской школы создателей жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), которую долгие годы возглавлял академик В. П. Глушко, характерно стрем- ление к максимально полному использованию энергии химического топлива и получению максимального удельного импульса. Мощные ЖРД устанавливаются на первых ступе- нях ракет-носителей. Тяга таких единичных двигате- лей составляет 100-800 т. Поскольку двигатели рабо- тают с уровня Земли, то, естественно, давление про- дуктов сгорания на срезе их сопел ограничено: оно не может быть намного меньше атмосферного. В про- тивном случае в сопло входит скачок уплотнения, и тогда возможны отрывы потока и, как следствие, про- гары сопел. Это означает, что при выбранной паре компонентов топлива увеличить удельный импульс можно, только повышая степень расширения продук- тов сгорания в сопле. В мощных ЖРД первых ступе- ней подобное достигается путем увеличения давления в камере сгорания. Динамику освоения высоких давлений (рис. 1) и получения максимальных удельных импульсов (рис. 2) можно проследить на примере двигателей, разработанных в НПО «Энергомаш» и за рубежом. Из рисунков видно, что более высокое давление в камерах сгорания российских ЖРД позволяют обеспе- чить большую степень расширения продуктов сгора- ния в соплах и, следовательно, повышенные удельные импульсы тяги двигателей. Такие ЖРД установлены практически на всех российских космических ракетах и на многих ракетах стратегического назначения. Использование замкнутой схемы и освоение высо- ких давлений с целью получения максимальных удельных импульсов тяги стало основным направле- нием в создании российских ЖРД и для мирного кос- моса, и для стратегических ракет оборонного назначе- ния. Так, на стратегической ракете Р-36М («Сатана») установлен двигатель РД-264 с давлением в камере сгорания 210 кг/см2, а на ракетах-носителях «Зенит» и «Энергия» - двигатели РД-171 и РД-170 с давлением в камере сгорания 250 кг/см2. Давление в камере сгорания, кгс/см2 image 300 РД-191 РД-270 РД-170(171) РД-180 200 РД-253 SSME LE-7 РД-120 Область “за- крытых” схем 100 Область «открытых» схем РД-119 LR-87-NA 119 РД-111 LR-10 YF-20 Viking-5 РД-214 РД- H-1 LR-10 J-2 RS-2701 LR-87-A15 LB-5 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Рис. 1. Изменения со временем величины давления в камерах сгорания ЖРД: image - разработки НПО «Энергомаш»; image - двигатели зарубежных стран image Удельный импульс тяги на Земле, с Степень расширения газов в солле 350 300 Область «открытых» схем РД - 120 - 02 РД - 120 - 01 РД - 253 РД - 170()171 РД - 270 РД - 180 РД - 191 250 H - 1 F1 YF - 20 РД - 107 РД - 111 RS - 2701 LR - 87 - A15 Viking - 5 РД - 108 Область «закрытых» 200 LR - 49 - РД - 214 схем 100 200 300 400 Рис. 2. Зависимость удельного импульса тяги от степени расширения газов в сопле ЖРД: image - разработки НПО «Энергомаш»; image - двигатели зарубежных стран Все научно-технические достижения и конструк- торские решения НПО «Энергомаш», которые были получены при разработке мощных и надежных двига- телей замкнутых схем, стали основой для определения перспективных направлений развития ЖРД на блибазе высоконадежной многоразовой универсальной камеры сгорания. В зависимости от необходимой мощ- ности двигателя в нем используется четыре (РД-170 и РД-171), две (РД-180) или одна (РД-191) камера. image жайшие десятилетия. Главное в том, что на нетоксич- 18 ных, экологически безопасных, энергетически эффективных и относительно дешевых компонентах топлива освоены и реализованы методы конструирования и 17 доводки высоконадежных агрегатов ЖРД: камер сго- рания, газогенераторов и турбонасосных агрегатов. 16 Использование перечисленных разработок в ряде других двигателей повысило надежность и эффективность всех разработок. Примером может служить дви- 15 гатель НПО «Энергомаш» РД-180, имеющий тягу 400 т. Он построен на базе универсальной 200-тонной 14 камеры сгорания и двухзонного газогенератора. Проект этого двигателя был представлен на объявленном 13 в 1995 г. корпорацией «Локхид-Мартин» (США) кон- курсе по выбору кислородно-керосинового двигателя для модернизации американской ракеты-носителя 12 «Атлас». Российский проект оказался победителем тендера, продемонстрировав преимущество отечест- венных двигательных технологий. Двухкамерный двигатель РД-180 (рис. 3) с давле- нием в камере сгорания 260 кг/см2 был создан в ре- кордно короткие сроки. Через три года и десять меся- цев после заключения контракта на разработку двига- теля состоялся первый успешный коммерческий полет 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ракеты «Атлас III» с российским двигателем РД-180. Во время полета были продемонстрированы высокие энергетические характеристики и, что особенно важ- но, возможность изменения в широком диапазоне тяги двигателя. Это позволяет оптимизировать и умень- шить нагрузки на элементы конструкции ракеты и спутника на разных участках траектории. В процессе создания двигатель РД-180 был серти- фицирован для использования в ракетах-носителях «Атлас» легкого, среднего и тяжелого классов. Сего- дня такого результата можно достичь, применяя толь- ко российские технологии. К настоящему времени успешно осуществлено семь запусков американских ракет-носителей «Атлас» легкого и среднего классов с российскими двигателями РД-180. Новейшей разработкой кислородно-керосинового двигателя является РД-191 НПО «Энергомаш» для перспективной российской ракеты-носителя «Анга- ра», первая ступень которой строится из универсаль- ных ракетных модулей. Каждый модуль оснащается 200-тонным двигателем, в котором используется одна универсальная камера сгорания - та же, что и в двига- телях РД-170 и РД-180. Двигатель РД-191, в который заложены элементы многоразовости, проходит первый этап доводочных испытаний, проверяются новые ре- шения по управлению потоками рабочих тел и векто- ром тяги, а также возможность уменьшения тяги дви- гателя до 30 % номинальной. Таким образом, можно констатировать, что сегодня первые ступени российских ракет-носителей обеспечены на десятилетие вперед семейством мощ- ных кислородно-керосиновых ЖРД, построенных на 11 10 Рис. 3. Двигатель РД-180: 1 - рама; 2 - блок газоводов; 3 - выхлопной коллектор турбины; 4 - турбина; 5 - теплообменник; 6 - насос окислителя; 7 - бус- терный насосный агрегат окислителя; 8 - насос горючего пер- вой ступени; 9 - насос горючего второй ступени; 10, 11 - вторая и первая камеры двигателя; 12 - эжектор; 13 - пусковой бачок; 14 - рулевой привод; 15 - гибкие элементы; 16 - бустерный насосный агрегат горючего; 17 - траверса; 18 - разделительный клапан Разносторонне талантливый, В. П. Глушко не за- мыкался только на технической стороне создания дви- гателей и ракет. Большое внимание он уделял работам по исследованию характеристик ракетных топлив, возглавлял научный совет по жидкому ракетному топ- ливу при Президиуме Академии наук СССР, привле- кая к работе широкий круг научных организаций. В результате многолетней работы с 1956 по 1982 гг. было выпущено 40 томов справочных изданий, со- держащих богатейшую информацию по свойствам различных веществ. Эти издания широко используют- ся у нас в стране и за рубежом. Академиком В. П. Глушко было создано принци- пиально новое научное направление в области фунда- ментальных и прикладных наук. Следуя его примеру многие молодые ученые и инженеры выбрали сферой своей научно-технической и производственной дея- тельности ракетное двигателестроение. Как о своем пер- вом учителе в ракетной технике говорил о В. П. Глушко выдающийся главный конструктор космических и ракетных двигателей Герой Социалистического труда, лауреат Ленинской и Государственной премий СССР А. М. Исаев. Эти же слова могут повторить и многие другие двигателисты нашей страны. Всегда занятый решением научно-произ- водственных вопросов, В. П. Глушко находил время и для общественной работы. Многие годы он избирался депутатом Верховного Совета СССР, добросовестно выполнял свой долг перед избирателями, активно уча- ствовал в решении важнейших государственных и социальных проблем. Однако его имя не было широко известно в нашей стране и за рубежом, так же как не были известны имена других выдающихся создателей оборонной техники. Только после смерти В. П. Глуш- ко в 1989 г. появились первые публикации о его жиз- ни и творческой деятельности. Выдающиеся заслуги В. П. Глушко были отмечены высокими наградами государства. Он является дваж- ды Героем Социалистического Труда, лауреатом Ле- нинской и Государственных премий СССР, награжден пятью орденами Ленина, орденом Октябрьской рево- люции, другими орденами и медалями, в том числе Золотой медалью им. К. Э. Циолковского АН СССР. Он был действительным членом Академии наук СССР и Международной академии астронавтики, председа- телем и членом многих научных советов. Имя Валентина Петровича Глушко, пионера и выдающегося творца ракетно-космической техники, в августе 1994 г. решением XXII-й Генеральной ассамб- леи Международного астрономического союза было присвоено кратеру на заповедной видимой стороне Луны в одном ряду с именами величайших исследова- телей мира - Н. Бора, Г. Галилея, Д. Дальтона, А. Эн- штейна. 4 октября 2001 г. в Москве на Аллее Героев космоса был открыт памятник выдающемуся ученому и конструктору современности, одному из основопо- ложников отечественного ракетостроения академику Валентину Петровичу Глушко. Теперь, в дополнение к небесному мемориалу, на Аллее Героев космоса ус- тановлен земной памятник выдающемуся нашему со- временнику, инженеру и ученому с мировым именем. Памятник В. П. Глушко стоит в одном ряду с па- мятниками академикам С. П. Королеву и М. В. Кел- дышу. Каждый из них внес свой вклад в мировую науку и космическую технику, взаимно дополняя и завершая работу другого. И это подчеркивается груп- повым ансамблем памятников нашим выдающимся соотечественникам-ракетостроителям и космонавтам- первопроходцам космических трасс, память о которых сохранится в веках.