Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США - ГЛАВА 5. Разработка перспективных технологий

ГЛАВА 5. Разработка перспективных технологий

До недавнего времени основные исследования по технологиям перспективных транспортных космических систем и двигательных установок к ним велись NASA в соответствие с «Стратегическим планом работ на 1996—2020 гг.» (Strategic Plan 1996—2020). Большая часть этого плана осталась актуальной и после объявления о второй лунной экспедиции.

Согласно «Стратегическому плану работ», все подразделения агентства во главе с Центром Маршалла готовили соответствующую технологическую базу по следующим шести направлениям.

1. Средства выведения КА легкого класса массой до 225 кг.

Работы в этой области ведутся NASA в рамках таких проектов, как SBIRP (Small Business Innovation Research Program — «Научно-исследовательские работы малых фирм»), HPDP (Hybrid Propulsion Demonstration Program — «Демонстрация возможностей гибридных двигателей») и других. Основной задачей подобных программ является создание дешевой элементной базы перспективных ТКС, например, гибридных двигателей, камер сгорания упрощенной конструкции и т.д.

Среди малых частных фирм, получивших гранты по программе SBIRP, следует отметить компанию «Microcosm», разрабатывающую по заказам военных организаций кислородно-керосиновые ЖРД «Scorpius». Созданные на их базе ракеты со стоимостью запуска 1,5 млн долл. позволят выводить на низкие околоземные орбиты грузы массой до 150 кг.

В рамках программы HPDP несколько промышленных фирм и научно-исследовательских организаций ведут независимые работы в области гибридных двигателей, отличающихся высокой степенью безопасности, надежности и экологично-сти. Так, например, специализированное подразделение Стен-фордского университете — SPG (Space Propulsion Group) совместно с представителями Центра Эймса провело свыше 300 стендовых испытаний различных двигателей тягой от 22,6 кг до 1,6 т. Кроме того, в 1999 г. ими был осуществлен запуск экспериментальной ракеты диаметром 5 см и длиной 1,68 м. В перспективе должен состояться полет ракеты диаметром 19 см и длиной 3,7 м на высоту около 25 км.

Отличительной особенностью разрабатываемых фирмой SPG двигателей является использование в качестве твердого горючего — парафина SP-1. Помимо широкого распространения и безопасности этот компонент обеспечивает высокоскоростное и достаточно эффективное горение с различными окислителями: окислами азота, жидким и газообразным кислородом. Теоретически удельный импульс двигателя, работающего на парафине SP-1 и жидком кислороде, примерно на 30 с превышает показатель топлива твердотопливного ускорителя МТКС «Спейс Шаттл» (295—300 с против 268 с).

Поэтому, несмотря на некоторые недостатки таких гибридных установок: слабую прочность парафина и низкое конструктивное совершенство, отчасти компенсируемое хорошими энергетическими характеристиками, многие энтузиасты считают эти двигатели весьма эффективной заменой современных ТТУ. В качестве аргументов приводятся следующие доводы: гибридные двигатели допускают прекращение работы без разрушения конструкции, что предоставляет возможность проверки их работоспособности после запуска еще на стартовой платформе, как и в случае с маршевыми ЖРД орбитальной ступени; а широкие возможности по дросселированию тяги в полете существенно повысят безопасность полетов МТКС. По предварительным оценкам, гибридные ускорители для системы «Спейс Шаттл» будут иметь диаметр 4,3—4,6 м, а длину 49—52 м; при этом их стартовая масса возрастет примерно на 5%.

Отдельным направлением работ по программе HPDP стало создание гибридного двигателя тягой 113 т, четыре стендовых испытания которого были успешно проведены в 1999—2002 гг. Непосредственной реализацией проекта, на который NASA израсходовало 20 млн долл., занималась группа фирм «Lockheed Martin», «Rocketdyne», «Thiokol» и «United Technologies».

Освоенные в рамках программы HPDP технологии компания «Lockheed Martin» использовала при создании собственной гибридной ракеты HSR (Hybrid Sounding Rocket), первый запуск которой состоялся в декабре 2002 г. с полигона на острове Уоллопс. Одноступенчатая ракета высотой 17,4м и диаметром 0,61 м (без учета стабилизаторов) комплектовалась двигателем тягой 27,2 т, работающим на жидком кислороде и полибутадиене НТРВ. Подача окислителя в камеру сгорания обеспечивалась давлением наддува бака гелием. Удельный импульс созданного компанией «Lockheed Martin» двигателя оценивается в 290 с, что сопоставимо с кислородно-керосино-выми ЖРД.

В качестве полезного груза ракеты HSR при первом старте использовалось экспериментальное оборудование массой 362 кг, подготовленное NASA для отработки новых теплостойких конструкционных материалов. Поскольку запуск прошел успешно, NASA, вероятно, закажет еще несколько аналогичных изделий. Ранее для подобных экспериментов обычно использовались твердотопливные ракеты типа «Терьер-Брант», однако дроссельные характеристики гибридных двигателей существенно расширяют возможности по формированию траекторий полета ракет.

2. Двигательные установки для гиперзвуковых аппаратов.

Руководствуясь принятой в 2001 г. «Национальной аэрокосмической инициативой» (NAI), работы в данном направлении NASA ведет в тесном сотрудничестве с военными организациями. Поэтому первоочередными задачами программы NAI является создание боевой техники: к 2012 г. планируется разработать боевые ракеты со скоростью полета М=4, к 2020 г. ударные самолеты с крейсерской скоростью М=2—4. Позднее освоенные технологии могут найти применение и в составе перспективных МТКС.

Наиболее предпочтительными вариантами комплектации гиперзвуковых трансатмосферных аппаратов или самолетов-разгонщиков верхних ступеней считаются, прежде всего, углеводородные СПВРД, а также комбинированные двигатели различных схем, например турбопрямоточные и воздушно-ра-кетные. Использование на отдельных участках полета кислорода из атмосферы позволит существенно уменьшить массу и стоимость запуска транспортных систем, а удельные затраты на выведение грузов в космос сократить примерно на два порядка — до 200 долл./кг.

НИОКР по комбинированным силовым установкам велись различными подразделениями NASA. Несмотря на то что работы по данной тематике либо полностью прекращены агентством, либо переданы в ведение военным, специализированные центры NASA, располагая богатым опытом и уникальной технической базой, всегда будут привлекаться к таким проектам, хотя бы в качестве соисполнителей и консультантов.

В последнее время основные усилия Центра Маршалла были сосредоточены на создании ракетно-прямоточного двигателя ISTAR (Integrated Systems Test of an Air-breathing Rocket), работающего на углеводородном горючем. Эта силовая установка проектировалась на базе комбинированного двигателя «Strutjet», разработкой которого с конца 1980-х годов занимается фирма «Aerojet». Отличительной особенностью последнего изделия является практически неизменяемая на всех режимах работы форма двигательного тракта, что позволяет существенно упростить конструкцию и снизить нагрузки на изделие при переходных процессах.

В начале воздушного канала установлены клинообразные стойки, одновременно являющиеся и воздухозаборниками и конструктивными элементами, на которых смонтированы высокоскоростные форсунки и жидкостные двигатели. Запатентованные фирмой «Aerojet» форсунки, как элемент ПВРД установленные на боковых поверхностях стоек, обеспечивают каскадный впрыск горючего. Система подачи топлива к форсункам оснащена высокоэффективными фильтрами, позволяющими не только задерживать посторонние фрагменты, но и дробить крупные молекулярные структуры горючего. Также на стойках предусмотрены механические средства регулировки геометрии воздухозаборников нижней и верхней кромками.

^{Схема работы ракетно-прямоточного двигателя Strutjet: 1 — стоечные ЖРД, 2 — воздушный поток, 3 — высокоскоростные форсунки}

<<<Назад Страница 71 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