CC BY
195
УДК 624.45:93
М. В. Краев, В. П. Назаров
ОСНОВОПОЛОЖНИК ОТЕЧЕСТВЕННОГО РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО
ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ
К 100-летию со дня рождения академика В. П. Глушко
Рассматриваются основные этапы жизни и творческой деятельности выдающегося ученого и конструктора ракетно-космических двигателей, академика В. П. Глушко. Представлен его вклад в развитие отечественной и мировой космонавтики. Проведен анализ научно-технических тенденций развития ракетно-космического двигателестроения.
Научно-техническая общественность России и многих зарубежных стран готовится достойно отметить знаменательную дату - столетие со дня рождения выдающегося ученого и конструктора XX в., основоположника 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 исключительная целеустремленность. Свой путь в космонавтику 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 фундаментальных естественно-научных и прикладных проблем. О серьезности увлечения В. П. Глушко свидетельствуют 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 интерес.
Огромное влияние на формирование научного мировоззрения В. П. Глушко оказало его знакомство с трудами К. Э. Циолковского. Между ними установилась 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 космических полетов. Переписка юного энтузиаста космонавтики В. П. Глушко и ученого-теоретика К. Э. Циолковского - это уникальное явление в истории отечественной науки.
В 1925 г. В. П. Глушко поступил на физико-математический факультет Ленинградского университета. «Мир университета увлек меня, перенеся в новое поле деятельности, приближавшее к заветному будущему, когда я мог бы посвятить себя целиком работе над осуществлением мечты», - писал В. П. Глушко. В те годы он с увлечением, в подлиннике, прочел труды 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 химического зажигания, возможности использования разных видов топлива, изучалось влияние степени профилирования сопла на характеристики двигателя, проводились огневые стендовые испытания ЖРД. Эти двигатели 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 создан первый в мире Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). В. П. Глушко переехал в Москву и возглавил в РНИИ отдел по разработке ЖРД. В этот период им были проведены обширные 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 совместная деятельность С. П. Королева и В. П. Глушко, определившая на многие годы основополагающее направление развития ракетной техники и космонавтики в нашей стране.
У С. П. Королева и В. П. Глушко были обширные творческие планы по созданию перспективных ракетных двигателей, крылатых и баллистических ракет. Однако в тот период их планом не суждено было претвориться 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 специальное КБ по разработке реактивных ускорителей для самолетов. Под руководством В. П. Глушко в годы Великой Отечественной войны были разработаны, испытаны и переданы в серийное производство ракетные двигательные установки РД-1, РД-1ХЗ, РД-2, которые устанавливались в качестве ускорителей на самолеты Пе-2, Ла-7, Як-3, Су-6.
В 1945 г. В. П. Глушко создал и возглавил в Казанском 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 У-2. Богатый опыт и инженерная интуиция позволили В. П. Глушко быстро разобраться в особенностях конструкции двигателей У-2, их технических характеристиках, условиях производства и эксплуатации.
После возвращения из Германии В. П. Глушко были сформулированы и направлены в Правительство СССР предложения о создании в нашей стране крупной конструкторской организации и опытного завода для проектирования и производства ракетных двигателей. Инициатива В. П. Глушко получила поддержку руководства страны, и в 1946 г. в подмосковном городе Химки на базе бывшего авиационного завода было организовано ОКБ-456, ныне знаменитое Научно-производственное объединение «Энергомаш». В. П. Глушко был его бессменным Главным конструктором с первого дня и до 1974 г.
В послевоенные годы коллективом ОКБ-456 под руководством В. П. Глушко были разработаны двигатели РД-100, РД-101, РД-103М, которые устанавливались 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 У-2. Однако В. П. Глушко понимал, что для дальнейшего улучшения характеристик отечественных ЖРД нужны принципиально новые решения. Необходимо было увеличить давление в камере сгорания, перейти на более эффективное топливо, улучшить условия смесеобразования 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 позволил ОКБ-456 под руководством В. П. Глушко перейти к созданию ракетных двигателей качественно нового уровня. В 1957 г. прошло первое летное испытание новой отечественной мощной межконтинентальной ракеты Р-7 конструкции С. П. Королева с двигателями РД-107 и РД-108 конструкции В. П. Глушко. На этих двигателях осуществлен запуск первого искусственного спутника Земли, полет первого в мире космонавта Ю. А. Гагарина, запуски автоматических станций для полетов Луну, Венеру, Марс, пилотируемых 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 запуски пилотируемых космических кораблей с космодрома «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 диме-
тилгидразином (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 пустоте и с рекордным для схемы без дожигания удельным импульсом 352 с, созданный в 1958-1962 гг. Разработанные в 1958-1961 гг. двигатели РД-218 и РД-219 соответственно тягой 226 и 90 тс на первой и второй ступенях ракеты Р-16 работали на самовоспламеняющемся топливе (азотная кислота с несимметричном 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 газогенератора, работающего на основных компонентах с избытком горючего.
В дальнейшем ОКБ В. П. Глушко с целью ликвидации 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 пустоте - 166 тс, удельный импульс - 316 с. Период разработки - 1962-1965 гг. Шесть таких двигателей установлены на первой ступени ракеты-носителя «Протон» и они безотказно работают уже в течение более четырех десятилетий. «Протон» обладает значительно большей грузоподъемностью, чем «Союз» и отличается 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 стремление к максимально полному использованию энергии химического топлива и получению максимального удельного импульса.
Мощные ЖРД устанавливаются на первых ступенях ракет-носителей. Тяга таких единичных двигателей составляет 100-800 т. Поскольку двигатели работают с уровня Земли, то, естественно, давление продуктов сгорания на срезе их сопел ограничено: оно не может быть намного меньше атмосферного. В противном случае в сопло входит скачок уплотнения, и тогда возможны отрывы потока и, как следствие, прогары сопел. Это означает, что при выбранной паре
компонентов топлива увеличить удельный импульс можно, только повышая степень расширения продуктов сгорания в сопле. В мощных ЖРД первых ступеней 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 обеспечить большую степень расширения продуктов сгорания 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 высоких давлений с целью получения максимальных удельных импульсов тяги стало основным направлением в создании российских ЖРД и для мирного космоса, и для стратегических ракет оборонного назначения. 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/см
300
0РД-270
РД-170(171) ББМЕ
РД-191
СГ РД-180
О
200 -
§
Область "закрытых" схем
ОРД-253
РД-120 ЬБ-7 • О- "
100 -«
Область «открытых» схем
РД-214
1950
1960
1970
1980
1990
Рис. 1. Изменения со временем величины давления в камерах сгорания ЖРД: О - разработки НПО «Энергомаш»; 0 - двигатели зарубежных стран
15
2000
Удельный импульс тяги на Земле, с
Степень расширения газов в солле
350
Область «открытых» схем
300 250
РД - 120 - 02
Орд -120-01 ОРД -253
Область «закрытых» схем
100
200
РД -180 -170()171 О
О С.РД-191
РД -рД0 О
300
Рис. 2. Зависимость удельного импульса тяги от степени расширения газов в сопле ЖРД: О - разработки НПО «Энергомаш»; # - двигатели зарубежных стран
0
Все научно-технические достижения и конструкторские решения НПО «Энергомаш», которые были получены при разработке мощных и надежных двига -телей замкнутых схем, стали основой для определения перспективных направлений развития ЖРД на бли-жайшие десятилетия. Главное в том, что на нетоксичных, экологически безопасных, энергетически эффективных и относительно дешевых компонентах топлива освоены и реализованы методы конструирования и доводки высоконадежных агрегатов ЖРД: камер сгорания, газогенераторов и турбонасосных агрегатов.
Использование перечисленных разработок в ряде других двигателей повысило надежность и эффектив -ность всех разработок. Примером может служить двигатель НПО «Энергомаш» РД-180, имеющий тягу 400 т. Он построен на базе универсальной 200-тонной камеры сгорания и двухзонного газогенератора. Проект этого двигателя был представлен на объявленном в 1995 г. корпорацией «Локхид-Мартин» (США) конкурсе по выбору кислородно-керосинового двигателя для модернизации американской ракеты-носителя «Атлас». Российский проект оказался победителем тендера, продемонстрировав преимущество отечественных двигательных технологий.
Двухкамерный двигатель РД-180 (рис. 3) с давлением в камере сгорания 260 кг/см2 был создан в рекордно короткие сроки. Через три года и десять месяцев после заключения контракта на разработку двигателя состоялся первый успешный коммерческий полет ракеты «Атлас III» с российским двигателем РД-180. Во время полета были продемонстрированы высокие энергетические характеристики и, что особенно важно, возможность изменения в широком диапазоне тяги двигателя. Это позволяет оптимизировать и уменьшить нагрузки на элементы конструкции ракеты и спутника на разных участках траектории.
В процессе создания двигатель РД-180 был сертифицирован для использования в ракетах-носителях «Атлас» легкого, среднего и тяжелого классов. Сегодня такого результата можно достичь, применяя только 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 «Ангара», 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 двигателях РД-170 и РД-180. Двигатель РД-191, в который заложены элементы многоразовости, проходит первый этап доводочных испытаний, проверяются новые решения по управлению потоками рабочих тел и вектором тяги, а также возможность уменьшения тяги двигателя до 30 % номинальной.
Таким образом, можно констатировать, что сегодня первые ступени российских ракет-носителей обеспечены на десятилетие вперед семейством мощных кислородно-керосиновых ЖРД, построенных на
базе высоконадежной многоразовой универсальной камеры сгорания. В зависимости от необходимой мощности двигателя в нем используется четыре (РД-170 и РД-171), две (РД-180) или одна (РД-191) камера.
18 1 2 3 4 5 6 7
ш-т /
Ж® ЭНЕРГОМАШ V I
РОССИЯ Л ( ч|)
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 первой 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 замыкался только на технической стороне создания двигателей 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, привлекая к работе широкий круг научных организаций. В результате многолетней работы с 1956 по 1982 гг. было выпущено 40 томов справочных изданий, содержащих богатейшую информацию по свойствам различных веществ. Эти издания широко используются у нас в стране и за рубежом.
Академиком В. П. Глушко было создано принципиально 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 деятельности 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-производственных 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 участвовал 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 жизни и творческой деятельности.
Выдающиеся заслуги В. П. Глушко были отмечены высокими наградами государства. Он является дважды Героем Социалистического Труда, лауреатом Ленинской и Государственных премий СССР, награжден пятью орденами Ленина, орденом Октябрьской революции, 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, председателем и членом многих научных советов.
Имя Валентина Петровича Глушко, пионера и выдающегося творца ракетно-космической техники, в августе 1994 г. решением ХХ11-й Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза было присвоено кратеру на заповедной видимой стороне Луны в одном ряду с именами величайших исследователей 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 основоположников отечественного ракетостроения академику Валентину Петровичу Глушко. Теперь, в дополнение к небесному мемориалу, на Аллее Героев космоса установлен земной памятник выдающемуся нашему современнику, инженеру и ученому с мировым именем.
Памятник В. П. Глушко стоит в одном ряду с памятниками академикам С. П. Королеву и М. В. Келдышу. Каждый из них внес свой вклад в мировую науку и космическую технику, взаимно дополняя и завершая работу другого. И это подчеркивается групповым ансамблем памятников нашим выдающимся
соотечественникам-ракетостроителям и космонавтам-первопроходцам космических трасс, память о которых сохранится в веках.
Библиографический список
1. Арлазаров, М. С. Дорога на космодром / М. С. Арлазаров. М. : Политиздат, 1980. 152 с.
2. Афанасьев, И. Б. Каждый должен заниматься своим делом / И. Б. Афанасьев, М. Н. Пирогов // Новости космонавтики. 2008. № 3. С. 52-53.
3. Глушко, В. П. Путь в ракетной технике / В. П. Глушко. М. : Машиностроение, 1997. 504 с.
4. Каторгин, Б. И. Открыт памятник В. П. Глушко / Б. И. Каторгин, В. Ф. Рахманин // Общеросс. науч.-техн. журнал «Полет». 2001. № 11. С. 19-21.
5. Каторгин, Б. И. Перспективы создания мощных жидкостных ракетных двигателей / Б. И. Каторгин // Вестник РАН. 2004. Т. 74. № 3. С. 499-506.
6. Космонавтика. Энциклопедия / под ред.
B. П. Глушко. М. : Советская энциклопедия, 1985. 528 с.
7. Максимов, А. И. Основоположники современной космонавтики. С. П. Королев / А. И. Максимов // Теплофизика и аэромеханика. 2006. Т. 13. № 4.
C. 507-529.
8. Мохов, В. В. «Ангара» выходит на рынок /
B. В. Мохов // Новости космонавтики. 1999. № 9.
C. 50-51.
9. Семенов, Ю. В. Концепция марситанской экспедиции / Ю. В. Семенов, Л. А. Горшков // Оберосс. на-уч.-техн. журнал «Полет». 2001. № 11. С. 12-18.
10. Фаворский, В. В. Космонавтика и ракетно-космическая промышленность. Кн. 1. Зарождение и становление (1946-1975 гг.) / В. В. Фаворский, И. В. Мещеряков. М. : Машиностроение, 2003. 344 с.
11. Черток, Б. Е. Ракеты и люди / Б. Е. Черток. М. : Машиностроение, 1975. 416 с.
12. Черток, Б. Е. Ракеты и люди. Фили-Подлипки-Тюратам / Б. Е. Черток. М. : Машиностроение, 1996. 446 с.
13. Черток, Б. Е. Ракеты и люди. Горячие дни холодной войны / Б. Е. Черток. М. : Машиностроение, 1997. 536 с.
14. Черток, Б. Е. Ракеты и люди. Лунная гонка / Б. Е. Черток. М. Машиностроение, 1999. 576 с.
M. V. Krayev, V. P. Nazarov THE FOUNDER OF RUSSIAN ROCKET-SPACE ENGINE BUILDING
To the 100-th anniversary of the birth of academic V. P. Glushko
The main events of life and creative activity of the outstanding scientist and rocket-space engines designer academic V. P. Glushko are described. His contribution to the Russian and world astronautic science development is represented. The scientific-technical tendencies in the rocket-space engine building development are analyzed.
