Запись огневых испытаний рд 191. © Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос

LIQUID ROCKET ENGINE RD-191

14.06.2016

Российское НПО «Энергомаш» планирует в 2017 году удвоить объемы производства двигателей РД-191 для ракет-носителей «Ангара», сообщил гендиректор предприятия Игорь Арбузов.
«Начался этап испытаний ракеты-носителя «Ангара», количество заказов на РД-191 выросло. Следовательно, НПО «Энергомаш» должно удвоить объемы его производства (в 2016 году – 22 двигателя, в 2017 году – 40)», – приводит его слова корпоративное издание НПО «Энергомаш».
По его словам, чтобы выполнить заказ, предприятию придется увеличить численность рабочей силы на производстве на 250-300 человек.
ТАСС

16.04.2019
Проблемы с низкочастотными вибрациями двигателей РД191 для российской ракеты-носителя «Ангара» решены, заявил в интервью «Интерфаксу» главный конструктор «НПО Энергомаш» Петр Левочкин.
«Мы внедрили в конструкцию двигателя ряд решений по подавлению этих низкочастотных колебаний и добились с Центром Хруничева того, что эти мероприятия позволяют двигателю нормально работать и соответствовать техзаданию», – сказал П.Левочкин.
Так он прокомментировал появившиеся в январе этого года сообщения в СМИ о том, что возникающие при старте ракеты «Ангара» вибрации двигателя РД191 могут привести к ее разрушению.
Собеседник агентства пояснил, что низкочастотные вибрации возникали из-за крайне тяжелого для силовой установки ракеты режима, когда двигатель центрального блока первой ступени работает всего на 30% мощности для экономии топлива.
«РД191 уникален. На «Ангаре-А5″ двигатель центрального блока, пока работают боковушки, должен работать в щадящем режиме, экономя топливо. Для этой ракеты был выбран режим 30-процентного, глубокого дросселирования», – сказал П.Левочкин.
Интерфакс-АВН

ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ РД-191

Разработка двигателя РД-191 началась в конце 1998 г. Этот двигатель с дожиганием окислительного газа предназначен для семейства отечественных ракет-носителей «Ангара». Конструкция двигателя основана на конструкции двигателей РД-170/171.
РД-191 представляет собой однокамерный ЖРД с вертикально расположенным турбонасосным агрегатом. В течение 1999 г. была выпущена конструкторская документация, в 2000 г. начата автономная отработка агрегатов двигателя РД-191 и завершена подготовка производства. В мае 2001 г. был собран первый доводочный двигатель. Первое огневое испытание РД-191 проведено в июле 2001 г.
На июнь 2011 г. проведено 120 огневых испытаний двигателя с общей наработкой 26892,4 секунды, в том числе летом-осенью 2009 г. успешно проведено три огневых испытания РД-191 в составе УРМ-1 (модуля первой ступени ракеты-носителя «Ангара») в НИЦ РКП (г. Пересвет, Московская область).

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкостный ракетный двигатель с дожиганием окислительного газа
Топливо – кислород+керосин
Тяга, земная/пустотная, тс 196/212,6
Удельный импульс, земной/пустотный, с 311,2/337,5
Давление в камере сгорания, кгс/см2 262,6
Масса, сухая/залитая, кг 2290/2520
Габариты, высота/диаметр, мм 3780/2100
Период разработки 1999–2011
Назначение Для первой ступени семейства РН «Ангара»

В РФ создан уникальный двигатель Россия начала использовать новое поколение ракет-носителей «Ангара», самых экономичных и выносливых Новый ракетный двигатель РД-191 разработки «НПО Энергомаш им. академика В.П.Глушко»

«Ангара» создана на основе универсального ракетного модуля с кислородно-керосиновым двигателем, являющимся российским ноу-хау. Семейство этих двигателей включает в себя носители от легкого до тяжелого класса и обладает уникальным диапазоном грузоподъемности от 1,5 до 25 тонн. Именно с такими ракетами специалисты связывают развитие российской космонавтики в ближайшие десятилетия. Новый ракетный двигатель РД-191 разработки «НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко», предназначенный для перспективных носителей «Ангара» и многоразовых ракет-ускорителей «Байкал», поставлен для установки на действующее изделие, сообщает пресс-служба Российского космического агентства. «Разработка технологии повторного использования самой дорогой части ракеты позволит сократить затраты на выведение грузов в космос» Поскольку двигатель относится к среднему классу, то кроме основного применения он может быть использован в качестве первой ступени в ракетах-носителях (РН) при запуске телекоммуникационных космических аппаратов. РД-191 представляет собой дальнейшее развитие двигателей семейства РД-170/171, которые были разработаны для универсальной транспортной системы «Энергия», а сейчас используются в составе РН «Зенит». Семейство развивалось в направлении создания более легких двигателей: если РД-170, примененный в первой ступени тяжелой РН «Энергия», был четырехкамерным, то созданный на его базе экспортный мотор для модернизированных американских носителей семейства Atlas III/IV РД-180 представляет собой как бы его «половинку» с двумя камерами сгорания. РД-191 - это и вовсе «четвертинка» двигателя «Энергии»: камера сгорания в нем всего одна. Тем не менее, он развивает рекордную в своем классе тягу - 221 тонна при собственном весе 2,2 тонны. Такой показатель достигнут сочетанием хорошо отработанного еще советским ракетостроением решения, называемого «дожиганием окислительного газа» (заключается в подаче выхлопа турбонасосных агрегатов в камеру сгорания вместо бесполезного его выбрасывания) с новой формой камеры сгорания, отработанной на трехмерных математических моделях и обеспечивающей более оптимальное использование энергии горения ракетного топлива. Схема с дожиганием окислительного газа является «визитной карточкой» «Энергомаша»: она используется на всех разработках НПО, начиная с 1965 года. Еще одна особенность двигателя, крайне редко встречающаяся в ракетостроении и делающая его характеристики уникальными, - это возможность плавного регулирования тяги от 38% до номинала. Действительно, для обеспечения необходимой динамики разгона полная тяга необходима на начальных этапах полета, когда запас топлива еще не выработан и масса ракеты близка к стартовой. По мере выгорания горючего и окислителя тяга может быть уменьшена, что позволяет экономить топливо, необходимое, например, для орбитального маневрирования. Следует отметить, что разработка двигателя идет с 1998 года. Первый массогабаритный макет РД-191, предназначенный для увязки интерфейса ракеты и двигателя был поставлен НПО «Энергия» в 1999 году, а первое огневое испытание на наземном стенде состоялось еще в июле 2001 года. С принятием в сентябре 2004 года правительственного решения об ускорении работ по программе «Ангара» были интенсифицированы и работы по двигательной установке, которые фактически свелись к большой серии наземных огневых испытаний (более 100 огневых циклов) с последующим анализом и устранением выявленных недостатков, ведь большой ресурс - один из важнейших показателей для РД-191. Дело в том, что двигатель изначально задуман как многоразовый. Традиционно при запуске ракеты отработавшая первая ступень всегда падает на Землю, чем создает определенную экологическую и физическую опасность в районе падения. Ступень же для «Ангары» под названием «Байка» сделана управляемой, возвращаемой и многоразовой. Разработка технологии возвращения и повторного использования наиболее дорогостоящих частей ракеты позволит в несколько раз сократить затраты на выведение в космос полезных грузов. В условиях ограниченных финансовых возможностей нашего предприятия разработка такой технологии представляется наиболее экономически целесообразной. Однако традиция делать заявления, приуроченные к датам, в России неискоренима. Так, о «завершении создания» РД было сообщено 2 сентября - в день 100-летней годовщины со дня рождения разработчика ракетных двигателей, академика Валентина Петровича Глушко, чье имя носит НПО «Энергомаш». Шутка Валентина Петровича, уже вошедшая в анналы истории, и до сих пор широко цитируемая многими руководителями, кстати, не только ракетно-космической отрасли, но и авиации, звучит так: «Если есть ракетный двигатель, то к нему хоть забор привяжи - он полетит!» Впрочем, двигатель существует в металле, он успешно прошел полный цикл наземных испытаний, ну а PR-акций еще никто не отменял.

ПЕРМЬ, 27 авг - РИА Новости. Глава госкорпорации "Роскосмос" Дмитрий Рогозин заявил о намерении открыть производство экологичных двигателей РД-191 для ракет "Ангара" в Пермском крае, сообщается на сайте губернатора и правительства региона.

Заявление Рогозина прозвучало во вторник в ходе рабочей встречи с губернатором Пермского края Максимом Решетниковым, проходившей в рамках авиакосмического салона МАКС-2019 в Жуковском. По данным регионального правительства, одной из основных тем встречи стало развитие технополиса "Новый Звездный" в Пермском крае и связанная с ним модернизация предприятия "Протон-ПМ" (входит в "Роскосмос"), на котором планируется запустить серийное производство ракетных двигателей РД-191 на экологически чистых компонентах топлива.

"Надеюсь, это благотворно скажется на регионе. Если и будут какие-то испытания производств в Пермском крае, то это РД-191 под "Ангару". А это кислородно-реактивный двигатель, чистые компоненты. Мы любим Пермский край, любим Каму, не хочется оставлять плохой след в таком красивом регионе", - цитирует Рогозина пресс-служба пермского губернатора.

Как говорится в сообщении, Рогозин уточнил, что производство двигателей РД-191 для ракет-носителей "Ангара" кратно возрастет с 2023 года с началом серийного изготовления ракет. В связи с этим Рогозин обратил внимание на развитие социальной инфраструктуры кластера "Новый Звездный". "Здесь я очень благодарен губернатору за все его усилия, которые связаны с развитием инфраструктуры. Раньше приезжали в Пермь – рабочий городок только развивался. Сейчас появятся новые рабочие места, специалисты, и надо, чтобы для них была не только дорога, но и хорошая школа", - сказал Рогозин.

Губернатор Решетников со своей стороны отметил, что ПАО "Протон-ПМ" создал мастер-план, согласно которому и ведется развитие инфраструктуры в микрорайоне Новые Ляды – территории перспективного развития технополиса.

По данным правительства Пермского края, к 2025 году в Новых Лядах планируется создать современную спортивную инфраструктуру, построить бассейн. Будут отремонтированы здания местной поликлиники на 150 посещений в сутки и техношколы им. В.П. Савиных на 1 тысячу мест. Кроме того, планируется провести реконструкцию очистных сооружений и местной фильтровальной станции.

"Ангара" - семейство экологически чистых ракет-носителей различных классов. В него входят легкие носители "Ангара-1.2", средние - "Ангара-А3", тяжелые - "Ангара-А5" и модернизированная "Ангара-А5М", повышенной грузоподъемности - "Ангара-А5В". Двигатель РД-191 используется в составе универсального ракетного модуля УРМ-1 ракет "Ангара". В ракете легкого класса "Ангара-1.2" используется один УРМ-1, среднего "Ангара-А3" - три, тяжелого "Ангара-А5" - пять.

МИА "Россия сегодня" выступает официальным информационным партнером авиационно-космического салона МАКС-2019.

Создатель лучших в мире жидкостных ракетных двигателей академик Борис Каторгин объясняет, почему американцы до сих пор не могут повторить наших достижений в этой области и как сохранить советскую фору в будущем

21 июня на Петербургском экономическом форуме прошло награждение лауреатов премии «Глобальная энергия». Авторитетная комиссия отраслевых экспертов из разных стран выбрала три заявки из представленных 639 и назвала лауреатов премии 2012 года, которую уже привычно называют «нобелевкой для энергетиков». В итоге 33 миллиона премиальных рублей в этом году разделили известный изобретатель из Великобритании профессор Родней Джон Аллам и двое наших выдающихся ученых - академики РАН Борис Каторгин и Валерий Костюк.

Все трое имеют отношение к созданию криогенной техники, исследованию свойств криогенных продуктов и их применению в различных энергетических установках. Академик Борис Каторгин был награжден «за разработки высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на криогенных топливах, которые обеспечивают при высоких энергетических параметрах надежную работу космических систем в целях мирного использования космоса». При непосредственном участии Каторгина, более пятидесяти лет посвятившего предприятию ОКБ-456, известному сейчас как НПО «Энергомаш», создавались жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), рабочие характеристики которых и теперь считаются лучшими в мире. Сам Каторгин занимался разработкой схем организации рабочего процесса в двигателях, смесеобразованием компонентов горючего и ликвидацией пульсации в камере сгорания. Известны также его фундаментальные работы по ядерным ракетным двигателям (ЯРД) с высоким удельным импульсом и наработки в области создания мощных непрерывных химических лазеров.

В самые тяжелые для российских наукоемких организаций времена, с 1991-го по 2009 год, Борис Каторгин возглавлял НПО «Энергомаш», совмещая должности генерального директора и генерального конструктора, и умудрился не только сохранить фирму, но и создать ряд новых двигателей. Отсутствие внутреннего заказа на двигатели заставило Каторгина искать заказчика на внешнем рынке. Одним из новых двигателей стал РД-180, разработанный в 1995 году специально для участия в тендере, организованном американской корпорацией Lockheed Martin, выбиравшей ЖРД для модернизируемого тогда ракетоносителя «Атлас». В результате НПО «Энергомаш» подписало договор на поставку 101 двигателя и к началу 2012 года уже поставило в США более 60 ЖРД, 35 из которых успешно отработали на «Атласах» при выводе спутников различного назначения.

Перед вручением премии «Эксперт» побеседовал с академиком Борисом Каторгиным о состоянии и перспективах развития жидкостных ракетных двигателей и выяснил, почему базирующиеся на разработках сорокалетней давности двигатели до сих пор считаются инновационными, а РД-180 не удалось воссоздать на американских заводах.

Борис Иванович, в чем именно ваша заслуга в создании отечественных жидкостных реактивных двигателей, и теперь считающихся лучшими в мире?

Чтобы объяснить это неспециалисту, наверное, нужно особое умение. Для ЖРД я разрабатывал камеры сгорания, газогенераторы; в целом руководил созданием самих двигателей для мирного освоения космического пространства. (В камерах сгорания происходит смешение и горение топлива и окислителя и образуется объем раскаленных газов, которые, выбрасываясь затем через сопла, создают собственно реактивную тягу; в газогенераторах также сжигается топливная смесь, но уже для работы турбонасосов, которые под огромным давлением нагнетают топливо и окислитель в ту же камеру сгорания. - «Эксперт».)

Вы говорите о мирном освоении космоса, хотя очевидно, что все двигатели тягой от нескольких десятков до 800 тонн, которые создавались в НПО «Энергомаш», предназначались прежде всего для военных нужд.

Нам не пришлось сбросить ни одной атомной бомбы, мы не доставили на наших ракетах ни одного ядерного заряда к цели, и слава богу. Все военные наработки пошли в мирный космос. Мы можем гордиться огромным вкладом нашей ракетно-космической техники в развитие человеческой цивилизации. Благодаря космонавтике родились целые технологические кластеры: космическая навигация, телекоммуникации, спутниковое телевидение, системы зондирования.

Двигатель для межконтинентальной баллистической ракеты Р-9, над которым вы работали, потом лег в основу чуть ли не всей нашей пилотируемой программы.

Еще в конце 1950-х я проводил расчетно-экспериментальные работы для улучшения смесеобразования в камерах сгорания двигателя РД-111, который предназначался для той самой ракеты. Результаты работы до сих пор применяются в модифицированных двигателях РД-107 и РД-108 для той же ракеты «Союз», на них было совершено около двух тысяч космических полетов, включая все пилотируемые программы.

Два года назад я брал интервью у вашего коллеги, лауреата «Глобальной энергии» академика Александра Леонтьева. В разговоре о закрытых для широкой публики специалистах, коим Леонтьев сам когда-то был, он упомянул Виталия Иевлева, тоже много сделавшего для нашей космической отрасли.

Многие работавшие на оборонку академики были засекречены - это факт. Сейчас многое рассекречено - это тоже факт. Александра Ивановича я знаю прекрасно: он работал над созданием методик расчета и способов охлаждения камер сгорания различных ракетных двигателей. Решить эту технологическую задачу было нелегко, особенно когда мы начали максимально выжимать химическую энергию топливной смеси для получения максимального удельного импульса, повышая среди прочих мер давление в камерах сгорания до 250 атмосфер. Возьмем самый мощный наш двигатель - РД-170. Расход топлива с окислителем - керосином с жидким кислородом, идущим через двигатель, - 2,5 тонны в секунду. Тепловые потоки в нем достигают 50 мегаватт на квадратный метр - это огромная энергия. Температура в камере сгорания - 3,5 тысячи градусов Цельсия. Надо было придумать специальное охлаждение для камеры сгорания, чтобы она могла расчетно работать и выдерживала тепловой напор. Александр Иванович как раз этим и занимался, и, надо сказать, потрудился он на славу. Виталий Михайлович Иевлев - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, к сожалению, довольно рано умерший, - был ученым широчайшего профиля, обладал энциклопедической эрудицией. Как и Леонтьев, он много работал над методикой расчета высоконапряженных тепловых конструкций. Работы их где-то пересекались, где-то интегрировались, и в итоге получилась прекрасная методика, по которой можно рассчитать теплонапряженность любых камер сгорания; сейчас, пожалуй, пользуясь ею, это может сделать любой студент. Кроме того, Виталий Михайлович принимал активное участие в разработке ядерных, плазменных ракетных двигателей. Здесь наши интересы пересекались в те годы, когда «Энергомаш» занимался тем же.

В нашей беседе с Леонтьевым мы затронули тему продажи энергомашевских двигателей РД-180 в США, и Александр Иванович рассказал, что во многом этот двигатель - результат наработок, которые были сделаны как раз при создании РД-170, и в каком-то смысле его половинка. Что это - действительно результат обратного масштабирования?

Любой двигатель в новой размерности - это, конечно, новый аппарат. РД-180 с тягой 400 тонн действительно в два раза меньше РД-170 с тягой 800 тонн. У РД-191, предназначенного для нашей новой ракеты «Ангара», тяга и вовсе 200 тонн. Что же общего у этих двигателей? Все они имеют по одному турбонасосу, но камер сгорания у РД-170 четыре, у «американского» РД-180 - две, у РД-191 - одна. Для каждого двигателя нужен свой турбонасосный агрегат - ведь если четырёхкамерный РД-170 потребляет примерно 2,5 тонны топлива в секунду, для чего был разработан турбонасос мощностью 180 тысяч киловатт, в два с лишним раза превосходящий, например, мощность реактора атомного ледокола «Арктика», то двухкамерный РД-180 - лишь половину, 1,2 тонны. В разработке турбонасосов для РД-180 и РД-191 я участвовал напрямую и в то же время руководил созданием этих двигателей в целом.

Камера сгорания, значит, на всех этих двигателях одна и та же, только количество их разное?

Да, и это наше главное достижение. В одной такой камере диаметром всего 380 миллиметров сгорает чуть больше 0,6 тонны топлива в секунду. Без преувеличения, эта камера - уникальное высокотеплонапряженное оборудование со специальными поясами защиты от мощных тепловых потоков. Защита осуществляется не только за счет внешнего охлаждения стенок камеры, но и благодаря хитроумному способу «выстилания» на них пленки горючего, которое, испаряясь, охлаждает стенку. На базе этой выдающейся камеры, равной которой в мире нет, мы изготавливаем лучшие свои двигатели: РД-170 и РД-171 для «Энергии» и «Зенита», РД-180 для американского «Атласа» и РД-191 для новой российской ракеты «Ангара».

- «Ангара» должна была заменить «Протон-М» еще несколько лет назад, но создатели ракеты столкнулись с серьезными проблемами, первые летные испытания неоднократно откладывались, и проект вроде бы продолжает буксовать.

Проблемы действительно были. Сейчас принято решение о запуске ракеты в 2013 году. Особенность «Ангары» в том, что на основе ее универсальных ракетных модулей можно создать целое семейство ракетоносителей грузоподъемностью от 2,5 до 25 тонн для вывода грузов на низкую околоземную орбиту на базе универсального же кислородно-керосинового двигателя РД-191. «Ангара-1» имеет один двигатель, «Ангара-3» - три с общей тягой 600 тонн, у «Ангары-5» будет 1000 тонн тяги, то есть она сможет выводить на орбиту больше грузов, чем «Протон». К тому же вместо очень токсичного гептила, который сжигается в двигателях «Протона», мы используем экологически чистое топливо, после сгорания которого остаются лишь вода да углекислый газ.

Как получилось, что тот же РД-170, который создавался еще в середине 1970-х, до сих пор остается, по сути, инновационным продуктом, а его технологии используются в качестве базовых для новых ЖРД?

Похожая случилась с самолетом, созданным после Второй мировой Владимиром Михайловичем Мясищевым (дальний стратегический бомбардировщик серии М, разработка московского ОКБ-23 1950-х годов. - «Эксперт»). По многим параметрам самолет опережал свое время лет эдак на тридцать, и элементы его конструкции потом заимствовали другие авиастроители. Так и здесь: в РД-170 очень много новых элементов, материалов, конструкторских решений. По моим оценкам, они не устареют еще несколько десятилетий. В этом заслуга прежде всего основателя НПО «Энергомаш» и его генерального конструктора Валентина Петровича Глушко и членкора РАН Виталия Петровича Радовского, возглавившего фирму после смерти Глушко. (Отметим, что лучшие в мире энергетические и эксплуатационные характеристики РД-170 во многом обеспечиваются благодаря решению Каторгиным проблемы подавления высокочастотной неустойчивости горения за счет разработки антипульсационных перегородок в той же камере сгорания. - «Эксперт».) А двигатель РД-253 первой ступени для ракетоносителя «Протон»? Принятый на вооружение еще в 1965 году, он настолько совершенен, что до сих пор никем не превзойден. Именно так учил конструировать Глушко - на пределе возможного и обязательно выше среднемирового уровня. Важно помнить и другое: страна инвестировала в свое технологическое будущее. Как было в Советском Союзе? Министерство общего машиностроения, в ведении которого, в частности, находились космос и ракеты, только на НИОКР тратило 22 процента своего огромного бюджета - по всем направлениям, включая двигательное. Сегодня объем финансирования исследований намного меньше, и это говорит о многом.

Не означает ли достижение этими ЖРД неких совершенных качеств, причем случилось это полвека назад, что ракетный двигатель с химическим источником энергии в каком-то смысле изживает себя: основные открытия сделаны и в новых поколениях ЖРД, сейчас речь идет скорее о так называемых поддерживающих инновациях?

Безусловно нет. Жидкостные ракетные двигатели востребованы и будут востребованы еще очень долго, потому что никакая другая техника не в состоянии более надежно и экономично поднять груз с Земли и вывести его на околоземную орбиту. Они безопасны с точки зрения экологии, особенно те, что работают на жидком кислороде и керосине. Но для полетов к звездам и другим галактикам ЖРД, конечно, совсем непригодны. Масса всей метагалактики - 10 в 56 степени граммов. Для того чтобы разогнаться на ЖРД хотя бы до четверти скорости света, потребуется совершенно невероятный объем топлива - 10 в 3200 степени граммов, так что даже думать об этом глупо. У ЖРД есть своя ниша - маршевые двигатели. На жидкостных двигателях можно разогнать носитель до второй космической скорости, долететь до Марса, и все.

Следующий этап - ядерные ракетные двигатели?

Конечно. Доживем ли мы еще до каких-то этапов - неизвестно, а для разработки ЯРД многое было сделано уже в советское время. Сейчас под руководством Центра Келдыша во главе с академиком Анатолием Сазоновичем Коротеевым разрабатывается так называемый транспортно-энергетический модуль. Конструкторы пришли к выводу, что можно создать менее напряженный, чем был в СССР, ядерный реактор с газовым охлаждением, который будет работать и как электростанция, и как источник энергии для плазменных двигателей при передвижении в космосе. Такой реактор проектируется сейчас в НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Григорьевича Драгунова. В проекте также участвует калининградское КБ «Факел», где создаются электрореактивные двигатели. Как и в советское время, не обойдется без воронежского КБ химавтоматики, где будут изготавливаться газовые турбины, компрессоры, чтобы по замкнутому контуру гонять теплоноситель - газовую смесь.

А пока полетаем на ЖРД?

Конечно, и мы четко видим перспективы дальнейшего развития этих двигателей. Есть задачи тактические, долгосрочные, тут предела нет: внедрение новых, более жаростойких покрытий, новых композитных материалов, уменьшение массы двигателей, повышение их надежности, упрощение схемы управления. Можно внедрить ряд элементов для более тщательного контроля за износом деталей и других процессов, происходящих в двигателе. Есть задачи стратегические: к примеру, освоение в качестве горючего сжиженного метана и ацетилена вместе с аммиаком или трехкомпонентного топлива. НПО «Энергомаш» занимается разработкой трехкомпонентного двигателя. Такой ЖРД мог бы применяться в качестве двигателя и первой, и второй ступени. На первой ступени он использует хорошо освоенные компоненты: кислород, жидкий керосин, а если добавить еще около пяти процентов водорода, то значительно увеличится удельный импульс - одна из главных энергетических характеристик двигателя, а это значит, что можно отправить в космос больше полезного груза. На первой ступени вырабатывается весь керосин с добавкой водорода, а на второй тот же самый двигатель переходит от работы на трехкомпонентном топливе на двухкомпонентное - водород и кислород.

Мы уже создали экспериментальный двигатель, правда, небольшой размерности и тягой всего около 7 тонн, провели 44 испытания, сделали натурные смесительные элементы в форсунки, в газогенераторе, в камере сгорания и выяснили, что можно сначала работать на трех компонентах, а потом плавно переходить на два. Все получается, достигается высокая полнота сгорания, но чтобы идти дальше, нужен более крупный образец, нужно дорабатывать стенды, чтобы запускать в камеру сгорания компоненты, которые мы собираемся применять в настоящем двигателе: жидкие водород и кислород, а также керосин. Думаю, это очень перспективное направление и большой шаг вперед. И надеюсь кое-что успеть сделать при жизни.

Почему американцы, получив право на воспроизведение РД-180, не могут сделать его уже много лет?

Американцы очень прагматичны. В 1990-х, в самом начале работы с нами, они поняли, что в энергетической области мы намного опередили их и надо у нас эти технологии перенимать. К примеру, наш двигатель РД-170 за один запуск за счет большего удельного импульса мог вывезти полезного груза на две тонны больше, чем их самый мощный F-1, что означало по тем временам 20 миллионов долларов выигрыша. Они объявили конкурс на двигатель тягой 400 тонн для своих «Атласов», который выиграл наш РД-180. Тогда американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить. Я им сразу сказал: вы затратите больше миллиарда долларов и десять лет. Четыре года прошло, и они говорят: да, надо шесть лет. Прошли еще годы, они говорят: нет, надо еще восемь лет. Прошло уже семнадцать лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов. У нас на «Энергомаше» есть стенды, где в барокамере можно испытывать тот же двигатель РД-170, мощность струи которого достигает 27 миллионов киловатт.

- Я не ослышался - 27 гигаватт? Это больше установленной мощности всех АЭС «Росатома».

Двадцать семь гигаватт - это мощность струи, которая развивается относительно за короткое время. При испытаниях на стенде энергия струи сначала гасится в специальном бассейне, затем в трубе рассеивания диаметром 16 метров и высотой 100 метров. Чтобы построить подобный стенд, в котором помещается двигатель, создающий такую мощность, надо вложить огромные деньги. Американцы сейчас отказались от этого и берут готовое изделие. В результате мы продаем не сырье, а продукт с огромной добавленной стоимостью, в который вложен высокоинтеллектуальный труд. К сожалению, в России это редкий пример хайтек-продаж за границу в таком большом объеме. Но это доказывает, что при правильной постановке вопроса мы способны на многое.

- Борис Иванович, что надо сделать, чтобы не растерять фору, набранную советским ракетным двигателестроением? Наверное, кроме недостатка финансирования НИОКР очень болезненна и другая проблема - кадровая?

Чтобы остаться на мировом рынке, надо все время идти вперед, создавать новую продукцию. Видимо, пока нас до конца не прижало и гром не грянул. Но государству надо осознать, что без новых разработок оно окажется на задворках мирового рынка, и сегодня, в этот переходный период, пока мы еще не доросли до нормального капитализма, в новое должно прежде всего вкладывать оно - государство. Затем можно передавать разработку для выпуска серии частной компании на условиях, выгодных и государству, и бизнесу. Не верю, что придумать разумные методы созидания нового невозможно, без них о развитии и инновациях говорить бесполезно.

Кадры есть. Я руковожу кафедрой в Московском авиационном институте, где мы готовим и двигателистов, и лазерщиков. Ребята умнющие, они хотят заниматься делом, которому учатся, но надо дать им нормальный начальный импульс, чтобы они не уходили, как сейчас многие, писать программы для распределения товаров в магазинах. Для этого надо создать соответствующую лабораторную обстановку, дать достойную зарплату. Выстроить правильную структуру взаимодействия науки и Министерства образования. Та же Академия наук решает много вопросов, связанных с кадровой подготовкой. Ведь среди действующих членов академии, членов-корреспондентов много специалистов, которые руководят высокотехнологическими предприятиями и научно-исследовательскими институтами, мощными КБ. Они прямо заинтересованы, чтобы на приписанных к их организациям кафедрах воспитывались необходимые специалисты в области техники, физики, химии, чтобы они сразу получали не просто профильного выпускника вуза, а готового специалиста с некоторым жизненным и научно-техническим опытом. Так было всегда: самые лучшие специалисты рождались в институтах и на предприятиях, где существовали образовательные кафедры. У нас на «Энергомаше» и в НПО Лавочкина работают кафедры филиала МАИ «Комета», которой я руковожу. Есть старые кадры, которые могут передать опыт молодым. Но времени осталось совсем немного, и потери будут безвозвратные: для того, чтобы просто вернуться на существующий сейчас уровень, придется затратить гораздо больше сил, чем сегодня надо для его поддержания.

Ctrl Enter

Заметили ошЫ бку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF NOZZLE EXTENSION FOR ROCKET ENGINE РД-191

Marat Seydagaliev

Russia, Baikonur

Nikolay Ilyushenko

5th year student of the department “Design and testing of aircraft” branch “Voskhod” of MAI,

Russia , Baikonur

Olga Shestopalova

candidate of Science, assistant professor of branch “Voskhod”

of the Moscow aviation institute (national research university),

Russia, Baikonur

АННОТАЦИЯ

Современные ракетные двигатели практически достигли предела энергетических возможностей топлива, поэтому увеличение эффективности ракетного двигателя даже на небольшие значения представляет собой непростую задачу. В работе предлагается решение данной проблемы путем применения раздвижного соплового насадка. Для проведения расчетов в качестве примера был взят наиболее эффективный и перспективный для отечественной космонавтики однокамерный жидкостный ракетный двигатель РД-191.

ABSTRACT

Modern rocket engines almost reached the limit of energy fuel capabilities so increasing the efficiency of rocket engine even for small values is a big problem. There is a solution which suggests to use of nozzle extension. As an example for the calculations was taken RD-191 – the most effective and perspective liquid propellant rocket engine by now.

Ключевые слова: ракета-носитель (РН), двигательная установка (ДУ), сопловой насадок, жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), реактивная тяга, удельный импульс.

Keywords: launch vehicle, nozzle extension, liquid propellant rocket engine, jet thrust, specific impulse.

На сегодняшний день наиболее перспективным ракета-носителем отечественной космонавтики является семейство ракета-носителей Ангара, в основе которых лежит универсальный ракетный модуль – 1 (УРМ-1). Двигательной установкой УРМ-1 служит жидкостный ракетный двигатель РД-191. В данной работе приводится оценка эффективности применения соплового насадка для двигателя РД-191. Сопловой насадок – выдвигаемая часть сопла ракетного двигателя, установка в рабочее положение которого обеспечивает увеличение выходной площади сопла, как следствие увеличивает эффективность в разряженных слоях атмосферы или в вакууме.

При расчете сделаны следующие допущения:

• двигатель работает в нормальном режиме (с постоянным массовым расходом);
• ракета-носитель летит по прямой траектории, с постоянной скоростью;
• не учитываются потери из-за трения и рассеивания скорости на выходе сопла.

Необходимые для расчета технические характеристики ЖРД РД-191 представлены в таблице 1.

Таблица 1 .

Характеристики ЖРД РД-191

Характеристика	Обозначение	Значение
Тяга (Земля), тс
Тяга (пустота), тс
Удельный импульс (Земля), с
Удельный импульс (пустота), с
Давление в камере сгорания, кгс/см в кв.
Давление на срезе сопла, кгс/см в кв.
Температура в камере сгорания
Степень расширения сопла
Диаметр выходного сечения сопла, мм
Диаметр минимального сечения сопла, мм

Для расчетов предлагается использовать формулу тяги реактивного двигателя при допущении одномерности течения газа по соплу :

где: µ – секундный массовый расход; – давление, скорость и площадь сечения на срезе сопла соответственно; – давление окружающей среды, (зависит от высоты подъёма h).

Скорость потока на срезе сопла определяется известным из газовой динамики соотношением :

(2)

где: – газовая постоянная продуктов сгорания; – температура давление в камере сгорания соответственно; – показатель адиабаты.

Показатель адиабаты зависит от используемых компонентов топлива, для пары керосин-кислород; =1,11 .

Из выражений (1) и (2) получаем окончательное выражение для расчета тяги реактивного двигателя:

(3)

Очевидно, что тяга двигателя меняется по мере подъёма на высоту. Причина этого заключается в том, что давление окружающей среды является непрерывно изменяющейся величиной.

Уравнение (3) описывает тягу двигателя с постоянной степенью геометрического расширения. Рассмотрим случай, при котором в каждый момент времени реализуется расчетный режим работы двигателя (). Тогда уравнение (3) примет вид:

(4)

Для расчета средней тяги двигателя использующего раздвижной насадок необходимо определится с геометрическими характеристиками соплового насадка. Расчеты показали, что оптимальная радиус соплового насадка, при которой средняя тяга будет наибольшей на протяжении всего участка работы двигателя, превышает радиус УРМ-1 (1,45 м), исходя из этого принимаем радиус раздвижного насадка равный 1,20 м, это позволит использовать сопловой насадок в пакетной конструктивно-компоновочной схеме (Ангара-А3, Ангара-А5, Ангара-А5В). По радиусу насадка определяем давление на срезе сопла и вычисляем тягу двигателя согласно уравнению (1).

Ниже приводятся результаты расчетов (рис. 1) тяги двигателя согласно уравнениям (3), (4) для трех случаев:

• двигателя с нерегулируемым соплом;
• двигателя с идеально регулируемым по высоте соплом;
• двигателя с одноступенчатым регулируемым соплом.

Рисунок 1. Изменение тяги двигателя в зависимости от высоты полета: 1 – нерегулируемое сопло, 2 – одноступенчатое регулируемое сопло; 3 – идеально регулируемое по высоте сопло

Результаты расчета показали, что применение соплового насадка для РН семейства Ангара, выполненных в пакетной схеме, позволяет увеличить среднюю тягу каждого УРМ-1 на 9,28 тс, с учетом потерь из-за трения в сопле. При использовании раздвижного соплового насадка на ракета-носителях легкого класса выполненных в тандемной схеме (Ангара 1.1 и 1.2), прирост тяги составит 17,5 тс в виду отсутствия ограничения радиуса соплового насадка. При внесении конструктивных изменений в сопло РД-191 (с целью увеличения давления на срезе сопла), представляется возможным увеличить тягу на 24,4 тс для пакетной и 35,7 тс для тандемной схемы.

Регулирование высотности сопла путем применения соплового насадка не является принципиально новым инженерным решением, но практической реализации данное решение так и не нашло из-за сложности обеспечения охлаждения насадка. На сегодняшний день, эта проблема является устранимой в связи с появлением принципиально новых материалов, не доступных ранее, имеющих высокую температуру плавания, прочность, стойкость к изнашиванию и т. д. Именно поэтому представленная работа является актуальной, и практически реализуемой.

Список литературы:

1. Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей: учеб. для вузов. – М.: Машиностроение, 1980.

2. Гречух Л.И. Проектирование жидкостного ракетного двигателя: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. – М.: Издательство ОмГТУ, 2011. – 69 с.

3. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели: учеб. для вузов. –М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2006. – 269 с.

4. Двигательная установка. РД-191 – [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://ecoruspace.me/%D0%A0%D0%94-191.html (Дата обращения: 8.04.16).