Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США - Программа SLI. Разработка двигательных установок (Часть 2)

Программа SLI. Разработка двигательных установок (Часть 2)

В отличие от криогенных ЖРД, проектирование которых было прекращено по истечении сроков первых контрактов, работы по кислородно-керосиновым двигателям продолжаются. Наряду с различными проектами по созданию новых конструкционных и теплозащитных материалов, а также инновационными разработками по СПВРД и комбинированным двигателям эти силовые установки стали основным компонентом программы NGLT, ставшей составным элементом «Национальной аэрокосмической инициативы» NAI.

Многообразие работ поддерживается за счет финансирования их военными организациями, заинтересованными в создании двигателей на дешевом и нетоксичном углеводородном горючем. Согласно бюджетным планам, на такие НИОКР в 2005 и 2006 ф.гг. будет запрошено около 1 млрд долл.

Компания «Rocketdyne» занимается проектированием кис-лородно-керосинового ЖРД RS-84 тягой 453 т (стоимость первоначального контракта составила 34 млн долл.). Важной особенностью этого ЖРД является газогенератор, работающий на смеси с преобладанием окислителя. Предварительные изыскания по данному изделию с ресурсом в 100 полетов фирма «Rocketdyne» провела в конце 1990-х годов, когда изучались возможности создания для МТКС «Спейс Шаттл» крылатых стартовых ускорителей. Летом 2003 г. фирма утвердила эскизный проект двигателя RS-8^, а также провела в Центре Стен-ниса огневые испытания его газогенератора, развившего тягу 18 т. К стендовым запускам экспериментального образца ЖРД планируется приступить в конце 2007 г.

Другим подрядчиком по кислородно-керосиновым силовым установкам является компания «Northrop Grumman», выкупившая1 подразделение фирмы TRW, которое разрабатывало двигатель TR-107 тягой 453 т. После выполнения работ по проекту в рамках программы SLI в начале 2003 г. NASA заклют чило с компанией на 18 месяцев дополнительный контракт стоимостью 21 млн долл.

Двигатель TR-107 проектируется на базе уже изготовленного и испытанного фирмой в конце 2000 г. изделия Low Cost Pintle Engine (LCPE). Последний ЖРД стал одним из самых мощных американских двигателей, разработанных в последнее время, — его тяга составляет 300 т, а внешний диаметр камеры сгорания достигает 1,72 м. Среди конструктивных особенностей двигателя LCPE, иногда называемого Pintle, в печати указываются широкое использование стали, абляционная теплозащита и упрощенная конструкция камеры сгорания, в которой один из компонентов подается через кольцевую щель осевого распылителя перпендикулярно струям другого (отсутствие многочисленных форсунок позволяет существенно снизить стоимость камеры). По своей компоновке и схеме новый ЖРД схож с двигателем LMDE, созданным фирмой TRW в 1960-е годы для посадочной ступени лунного модуля корабля «Аполлон».

Одним из преимуществ использования в составе перспективных средств выведения кислородно-керосиновых блоков является простота монтажа на них ВРД, которые обеспечат возвращение изделия на космодром. В отличие от криогенных ступеней исключается необходимость в дополнительных емкостях с углеводородным горючим, мощной теплоизоляции и т.п.

Тем не менее существует и ряд проблем, присущих данному конструкторскому решению. Для их изучения осенью 2002 г. Центр Гленна заключил с компаниями «Pratt and Whitney» и «General Electric» десятимесячные контракты стоимостью по 300 тыс долл. каждый. В ходе работ, которые финансировались из бюджета программы Raser («Revolutionary Aerospace.Engine Research» — «Исследования по инновационным аэрокосмическим двигателям»), подрядчикам было предложено рассмотреть следующую схему полета жидкостных ускорителей г отделение от МТКС на высоте 60 км при скорости М=8, запуск ВРД после планирующего спуска производится на высоте 10 км при скорости М=0,6—-0,8, посадка блока выполняется по командам с земли.

К основным вопросам исследования заказчиком были отнесены:

— оценка компоновки и взаимодействия конструкций разгонного блока и вспомогательной силовой установки;

— технологические аспекты наземного обслуживания ВРД на всех этапах предстартовой подготовки;

— изучение проблем включения ВРД в полете;

— оценка негативных факторов запуска и полета МТКС (высокие стартовые перегрузки и вибрации, которые потребуют усиления опор крепления валов вертикально расположенных ВРД, резкие перепады температур, особенно при использовании криогенного центрального блока, и т.п.).

Кроме того, фирмы должны были подготовить конкретные предложения по комплектации разгонных блоков двигателями для автономного полета. Среди наиболее предпочтительных вариантов фирмой «Pratt and Whitney» называются гражданские ТРДД PW2040 и PW4098, а также военные П19и F135; компания «General Electric» предлагает модифицировать свои двигатели CFM56, CF6, F118 и F136.

Помимо мощных силовых установок в рамках программы SLI разрабатывались различные двигатели для верхних ступеней и космических аппаратов.

Компания «Pratt'and Whitney» изучала возможности создания криогенного ЖРД тягой до 136 т, работающего по испарительному циклу. Решение задачи резкого повышения энергетических характеристик установок данного типа, аналогичных моделям RL-10, предполагает эффективную теплопередачу с рубашки охлаждения горючему, который должен обеспечить высокую мощность турбин насосов подачи компонентов топлива.

По отдельному контракту стоимостью 7,6 млн долл. компания «Aerojet» проектировала двухуровневый двигатель для систем ориентации и стабилизации. Номинальные значения такого ЖРД, работающего на жидком кислороде и этиловом спирте, должны составить 11,3 кг и 394 кг. Стендовые испытания отдельных компонентов новых двигателей были проведены фирмой в конце 2001 г.

Достаточно экзотичной тематикой занималась фирмд «Andrews Space and Technology». Заключенный с NASA контракт стоимостью 3 млн долл. позволил ей приступить к созданию системы сбора и обогащения атмосферного кислорода (Air Collection and Enrichment System — ACES) для перспективной двигательной установки под общим названием «Alchemist» («Алхимик»). Использование на начальном этапе полета атмосферного кислорода существенно улучшит массово-энергетические характеристики ТКС.

Исследования возможностей забора и переработки кислорода из воздуха для снабжения комбинированных ракетных двигателей NASA и ВВС проводили еще в 1960-х годах. Тогда подобные установки предполагалось использовать при сверх-и гиперзвуковых полетах. Однако высокие технические требования (производительность бортовой системы ожижения должна была быть не ниже 181 кг/с) не позволили успешно реализовать данную идею. В частности, чистота компонента, выработанного в ходе проводившихся экспериментов, не превышала 95%.

Система ACES двигателя «Alchemist» рассчитана на дозвуковой режим, что существенно облегчает и упрощает ее конструкцию. На основе предлагаемой силовой установки фирма «Andrews Space and Technology» подготовила проект двухступенчатой многоразовой системы «Gryphon» («Грифон»).

Горизонтальный взлет первой крылатой ступени, по размерам сопоставимой с самолетом «Боинг-747», обеспечат турбовентиляторные двигатели. На этапе дозвукового полета система ACES осуществит сбор и очистку атмосферного кислорода. Сжижение компонента будет производиться в теплообменниках с Жидким водородом, который затем должен использоваться качестве горючего в ракетных двигателях. После заправки топливных баков обеих ступеней включатся маршевые ЖРД само-лета-разгонщика. Отделение второй ступени предполагается осуществлять на высоте 60 км.

Такая транспортная система рассчитывается на доставку к Международной космической станции грузов массой до 27 т, а в герметизированном модуле массой 9 т. При этом удельные затраты на выведение не превысят 1100 долл./кг.

Вероятно, благодаря проекту «Gryphon» фирма «Andrews Space and Technology» была привлечена NASA к работам по программе, предполагающей создание альтернативных (по отношению к МТКС «Спейс Шаттл») средств снабжения МКС. Согласно заключенному в конце 2003 г. контракту стоимостью 2,9 млн долл., фирма должна подготовить концепцию перспективного транспортного аппарата, который позволил бы доставлять к станции грузы массой 48,7 т, а возвращать на Землю около 35 т.

Концепция «Alchemist» находится на начальной стадии проработки. В рамках программы SLI фирма провела детализацию проекта, подготовила план мероприятий по снижению риска при его реализации, а также составила программу стендовых испытаний основных элементов.

Участие в федеральных программах значительно повышает шансы фирмы «Andrews Space and Technology» на получение дополнительных средств от неправительственных организаций. Конечной же целью проводимых работ руководство фирмы видит в привлечении к созданию штатной системы ACES какой-либо крупной двигателестроительной компании, которая сочла бы возможным использовать данную установку в своих перспективных проектах.

Итак, описание программ SLI и NGLT завершает раздел, посвященный работам по созданию МТКС второго поколения. В общем контексте эволюции авиационно-космических систем данные проекты занимают особое место, поскольку основной их задачей было не создание конкретного изделия, а подготовка элементной базы для будущих средств выведения.

За три года выполнения этих программ такой подход оправдал себя в полной мере. Без значительных расходов NASA трижды меняло стратегию своих разработок: сначала сместив акценты с криогенных разгонных ступеней на кислородно-ке-росиновые, потом резко снизив приоритет создания самой МТКС в пользу пилотируемого аппарата OSP и, наконец, решив создавать на базе последнего межпланетный пилотируемый корабль CEV.

Идея поэтапного формирования внешнего облика и определения характеристик новой ТКС исходя из реальных достижений в сфере производства качественно отличает программы SLI и NGLT от таких проектов, как «Dyna Soar», «Спейс Шаттл» и «Venturestar», в ходе которых общий вид и схема будущих аппаратов определялись в большей степени по результатам предварительных изысканий и проектно-конструк-торских проработок. В итоге все три названных проекта, учитывая первоначальный вариант МТКС «Спейс Шаттл» с двумя крылатыми ступенями, завершились неудачами.

В отношении разработки новых технологий текущее десятилетие, вероятно, можно сравнить с 1960-ми годами, когда проводились исследования по самым разным направлениям: исп.ытывались ракетоплан Х-15 и «несущие корпуса»; отрабатывались новые силовые установки типа СПВРД, ЖРД с центральным телом и т.п. Но практическим результатом того периода стала МТКС «Спейс Шаттл», по своей схеме весьма отличная от рассматривавшихся ранее.

Нечто подобное может проявиться и в ближайшее время. Многочисленные технологические проекты широкой тематической направленности, которые предпринимались в последние годы, позволили создать универсальную элементную базу для перспективных авиационно-космических систем различных типов и назначения: от трансатмосферных аппаратов боевого применения до пилотируемых кораблей для дальнего космоса.

<<<Назад Страница 70 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