Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США - ГЛАВА 3. Разработка перспективных технологий

ГЛАВА 3. Разработка перспективных технологий

Одним из основных элементов ТКС, определяющим ее важнейшие технико-эксплуатационные и экономические показатели, является двигательная установка. (Для одноразовых ракет стоимость маршевых двигателей составляет примерно 50% от стоимости всего изделия.) В связи с этим вопросам совершен-ч ствования элементной базы двигателей как транспортных систем, так и космических аппаратов уделяется особое внимание.

В 1996 г. начались работы по межведомственной комплексной программе «Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program» (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для ракетных двигателей различных типов. В результате проведения качественной модернизации силовых установок к 2010 г. предполагается вдвое увеличить грузоподъемность ТКС, существенно сократив при этом затраты на их запуски.

В период 1996—2010 гг. на программу IHPRPTP намечается израсходовать около 1,8 млрд долл., из которых 950 млн долл. должны поступить из бюджета Министерства обороны, 450 млн долл. — от NASA, а остальные 400 млн долл. — от промышленных компаний.

Подготовительные работы по проекту начались с рассылки специализирующимся на разработке реактивных двигателей фирмам предложений по составлению собственного плана развития двигателестроения ARPP (Advanced Rocket Propulsion Plan). На основе полученных данных был составлен Национальный план развития ракетного двигателестроения NRPP (National Rocket Propulsion Plan), который в общих чертах определил сроки выполнения этапов программы и источники финансового обеспечения работ.

Наиболее приоритетными направлениями исследований, предусмотренных программой IHPRPTP, признаны следующие:

— двигательные установки средств выведения и разгонных блоков;

— бортовые двигательные установки космических аппаратов;

— маршевые двигатели боевых систем.

Программа IHPRPTP, ведущая роль в реализации которой принадлежит Исследовательской лаборатории ВВС AFRL (база ВВС Кертленд, шт. Нью-Мексико), разбита на три пятилетних этапа. По завершении каждого из них предполагается добиться определенного улучшения основных технических показателей двигательных установок (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Поэтапное улучшение характеристик двигательных установок, предусмотренное программой IHPRPTP

За счет улучшения характеристик двигательных установок на каждом этапе планируется получить определенный экономический эффект:

— 1 этап — 1996—2000 гг. При начальных затратах в 306 млн долл. экономия финансовых средств должна составить 6,3 млрд дол л;

— 2 этап — 2001—2005 гг. Инвестиции — 428 млн долл., экономия — 12,6 млрд долл;

— 3 этап— 2006—2010 гг. Инвестиции— 490 млн долл., экономия — 18,8 млрд долл.

В целом к 2010 г. за счет разработки новых силовых установок ТКС стоимость выведения грузов в космос предполагается снизить на 33%, а сроки активного существования спутников и их возможности по маневрированию на орбите увеличить на 45% и 500% соответственно.

К наиболее крупным проектам, которые выполняются в рамках программы IHPRPTP, относятся следующие.

Проект Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) предполагает создание демонстрационного образца кислородно-водород-ного двигателя тягой 113 т для перспективных МТКС. По сравнению с двигателем SSME системы «Спейс Шаттл» стоимость обслуживания нового ЖРД, ресурс которого определен в 100 полетов, планируется снизить в 10 раз. Степень дросселирования тяги нового двигателя должна составить 5:1, что позволит эффективно его использовать и на верхних ступенях.

Для обеспечения заданных характеристик требуется создание новой элементной базы ЖРД, в первую очередь газогенератора, работающего на смеси с избытком окислителя (что для американского двигателестроения является нетрадиционным решением), камеры сгорания и турбонасосных агрегатов подачи компонентов. По сравнению с ТНА окислителя двигателя SSME при разработке турбонасосного агрегата нового ЖРД намечается обеспечить 14%-ное снижение относительной массы, 9-кратное уменьшение числа сборочных элементов и 5-крат-ное снижение стоимости изготовления. Для ТНА горючего эти показатели должны быть следующими: 33%-ное снижение относительной массы, 7-кратное уменьшение числа сборочных элементов и 4-кратное снижение стоимости.

Контракты на разработку демонстрационного образца нового ЖРД были заключены в 1994 г. с фирмами «Rocketdyne» и «Aerojet». Первая из них занимается общей компоновкой двигателя, а также проектированием ТНА и форсуночной головки, вторая разрабатывает газогенераторы, камеру сгорания и сопло.

Ключевыми вопросами обеспечения высокого ресурса двигателя IPD являются повышение износостойкости лопаток турбин и подшипников ТНА. Для решения первой проблемы фирма «Aerojet» проектирует газогенераторы, работающие при меньших температурах, а компания «Rocketdyne» предполагает использовать в ТНА гидростатические подшипники.

В конце 2003 г. подрядчики провели стендовые испытания своих узлов; комплексные же испытания опытного образца ЖРД должны состояться в 2005 гг. на технической базе Центра Стенниса.

В итоге общие затраты на программу IPD должны составить 130 млн долл. Полученные в ходе ее реализации результаты и технологии будут использоваться всеми участниками проекта: ВВС, NASA и промышленными компаниями. В частности, специалисты NASA рассматривают возможности универсального применения нового ЖРД: как на разгонных ступенях перспективных ТКС, так и в составе межпланетных пилотируемых аппаратов.

Проект «Advanced Expander Cycle Upper-Stage Engine», выполняемый фирмой «Pratt and Whitney», имеет цель создание нового кислородно-водородного ЖРД, работающего по так называемому испарительному циклу (expander cycle). В подобных двигателях, применяемых на верхних ступенях, ТНА приводится в действие не газогенераторным газом, а газифицированным водородом, прошедшим «рубашку» охлаждения сопла. Отсутствие такого элемента, как газогенератор,- значительно упрощает конструкцию ЖРД и соответственно повышает его надежность.

По сравнению с базовым изделием, выпускаемым названной фирмой, — двигателем RL-10A-3—ЗА, характеристики новой модели должны существенно улучшиться: тяга возрасти с 7,5 т до 22,6 т, тяговооруженность — с 54 до 71 единицы, удельный импульс в вакууме — до 446 с, надежность — на 25—52%, а стоимость изготовления при этом планируется снизить на 15%.

Одним из возможных путей обеспечения требуемых характеристик считается повышение эффективности охлаждения камеры сгорания и сопла за счет применения нового конструкционного материала. Если эти элементы двигателя RL-10 изготавливаются из стальных трубок, то для проектируемого ЖРД они разрабатываются из медного сплава PWA 1177, усиленного дисперсией окисла (oxide-dispersion-strengthened copper alloy). За счет лучшей теплопроводности при равной со стальной «рубашкой» прочности этот сплав позволит увеличить давление в камере сгорания с 33 до 97 кг/см².

Первые испытания опытного образца ЖРД, стоимость разработки которого оценивается в 25 млн долл., должны состояться после 2005 г.

Параллельно с освоением технологической базы по программе IHPRPTP фирма «Pratt and Whitney» ведет проектирование эксплуатационного образца нового двигателя. Первоначально рассматривался вариант создания модели RL-50 тягой 23 т, то есть соответствующей экспериментальному изделию. Однако позднее, вероятно с учетом тенденции увеличения массы стационарных спутников связи, к разработке был утвержден двигатель RL-60 тягой 27 т.

Важной особенностью проекта RL-60 является участие в нем зарубежных организаций: шведской компании «Volvo Аего», разрабатывающей сопло с фрезерованными каналами охлаждения, японской фирмы «Ishikawajima-Harima Heavy Industries» (IHI), ответственной за поставку турбонасосного агрегата подачи горючего, и российского Конструкторского бюро «Химавтоматика», проектирующего турбонасосный агрегат окислителя.

При успешном завершении проекта в 2005 г. фирма «Pratt and Whitney» планирует предложить новый ЖРД для использования в составе ракет «Атлас-5» и «Дельта-4».

В качестве примера проекта, полностью завершенного на первом этапе программы IHPRPTP, можно привести создание фирмой «Thiokol» модифицированного варианта твердотопливного двигателя «Кастор-120» (этот РДТТ с тягой 168 т в вакууме применяется в настоящее время на первых ступенях ракет «Афина» и «Таурус», — см. Главу 6). Отличительными особенностями нового двигателя, стендовые испытания которого были успешно проведены осенью 2000 г., являются: более легкий и дешевый корпус, изготовляемый, как и для базового изделия, из композиционных материалов, топливный заряд с улучшенными энергетическими характеристиками, также усовершенствованная система управления тягой с новым механизмом поворота сопла.

Дальнейшая работа фирмы «Thiokol» по программе IHPRPTP будет связана с созданием укороченной (примерно вдвое) модели двигателя «Кастор-120». Предполагается, что такой РДТТ может найти применение в качестве верхней ступени различных ракет-носителей или разгонного блока КА, выводимых на околоземную орбиту с помощью МТКС «Спейс Шаттл».

<<<Назад Страница 20 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz