Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США

Ракеты «Атлас-Центавр»

Значительного повышения грузоподъемности ракет «Атлас» удалось добиться после создания разгонного блока «Центавр» — первой в мире криогенной ступени, заработавшей на жидких кислороде и водороде. Применение в качестве горючего жидкого водорода позволяет увеличить удельную тягу двигателей на 30—40%. Однако взрывоопасность, низкая плотность и высокая летучесть долгое время препятствовали промышленному освоению этого компонента.

Во второй половине 1950-х годов ВВС совместно с компанией Lockheed в рамках секретной программы «Suntan» («Загар») вели проектно-конструкторские работы по высотному самолету-разведчику CL-400, которым предполагалось заменить самолет U-2. В составе проектировавшегося изделия планировалось использовать силовую установку, работавшую на жидком водороде. Разработкой требуемого двигателя с турбона-сосной подачей горючего занималась фирма «Pratt and Whitney». Несмотря на закрытие проекта в 1959 г., освоенный научно-технический задел, производственная и экспериментальная база были применены позднее при создании блока «Центавр».

Независимо от работ по проекту «Suntan» фирма «Convair» провела собственное исследование по криогенной ступени для своих ракет «Атлас». Согласно предварительным оценкам, новый разгонный блок массой 13,5 т должен был оснащаться четырьмя кислородно-водородными ЖРД тягой по 3,1 т. В целях упрощения конструкции намечалось применять вытесни-тельную систему подачи топлива. В комплектации с такой верхней ступенью, названной «Центавр», ракеты «Атлас» по своей грузоподъемности примерно в полтора раза должны были превзойти модели «Атлас-Аджена».

Предложения по использованию на блоке «Центавр» двигательной установки фирмы «Pratt and Whitney» были высказаны специалистами Управления ARPA (позднее переименованного в DARPA), которые изучали возможности запусков военных спутников тяжелого (для того времени) класса. После непродолжительного периода согласования основные контракты на создание ступени былимлодписаны в конце 1958 г.

Головным подрядчиком по проекту стала компания «Convair», по двигательной установке, включавшей два маршевых ЖРД, — «Pratt and Whitney», по инерциальной системе наведения— «Minneapolis-Honeywell».

Поскольку осенью 1958 г. было образовано NASA, то большинство космических проектов, не связанных напрямую с решением военных задач, постепенно стало передаваться в ведение этого агентства. Начиная с лета 1960 г. работы по созданию ступени «Центавр» полностью координировались Центром Маршалла, а основной задачей программы «Атлас-Центавр» были определены запуски лунных зондов серии «Сервейер» (Surveyor).

При разработке блока «Центавр» фирма «Convair» широко использовала технологическую базу, освоенную при производстве ракет «Атлас». Как и МБР, ступень имела диаметр 3,05 м; ее топливные баки также проектировались по несущей схеме с совмещенными днищами и постоянным наддувом. Первые образцы изделия имели толщину стенок лишь 0,25 мм, хотя позднее ее пришлось несколько увеличить. Единственным силовым элементом в топливном отсеке была цилиндрическая секция на днище бака окислителя, которая воспринимала нагрузки от тяги маршевых ЖРД. В целом масса конструкции топливного отсека ступени «Центавр» длиной 7,4 м составляла около 425 кг, тогда как его вместительность составляла 15 т.

В целях снижения потерь на испарение криогенных компонентов на ступени «Центавр» использовались различные средства теплоизоляции. Если на баке окислителя можно было ограничиться покрытием его нижнего днища стеклотканью, то для бака водорода, вскипающего при -253 °С, потребовались более сложные мероприятия. Так, например, в совмещенное днище помещался пористый материал, насыщенный азотом, который после заправки баков низкоки-пящими компонентами вымораживался, обеспечивая криогенную вакуумизацию объема днища. Кроме того, с внешней стороны бак закрывался изолирующими панелями, а во избежание смерзания зазор между ними и стенкой бака продувался гелием.

Основными элементами систем управления и наведения ступени «Центавр» были гиростабилизированная платформа с тремя акселерометрами и тремя гироскопами, БЦВМ и шесть двигателей тягой 0,7—1,3 кг для ориентации изделия на пассивном этапе полета (эти ЖРД работали на перекиси водорода). На активном участке выведения управление блоком осуществлялось маршевыми двигателями, подвешенными в карданных подвесах. Большая часть электронного оборудования размещалась в верхней части ступени на кольцевой приборной полке, а микродвигатели, емкости с перекисью и гелием, который применялся для наддува топливных баков, — в хвостовом отсеке.

Силовая установка ступени «Центавр» комплектовалась двумя ЖРД серии RL-10A (по военной классификации XLR-115). Первый летный образец ступени «Центавр» оснащался моделью RL-10A-1 с тягой 6,8 т и удельным импульсом 425 с при степени расширения сопла 40:1.

Работающие по замкнутой безгазогенераторной схеме двигатели RL-10A до сих пор считаются одними из самых эффективных. Вращение турбины ТНА производится газообразным водородом, прошедшим «рубашку» охлаждения сопла (так называемый испарительный цикл). Регулировка тяги изделия осуществляется клапаном подачи водорода к турбине.

Характерной особенностью первых моделей ЖРД ступени «Центавр» являлось использование бустерных насосов для увеличения давления подачи компонентов. За счет применения этих устройств, работавших на перекиси водорода и которые монтировались непосредственно у баков, удалось несколько снизить давление наддува и, соответственно, массу топливного отсека.

Во избежание испарения компонентов в трубопроводах, приводящего к неустойчивой работы насосов при запуске, непосредственно перед включением ЖРД необходимо провести захолаживание его магистралей и агрегатов. Выполнение этой операции продолжительностью 30—40 с в полете сопряжено со значительными сложностями и риском, лишним расходом топлива и в конечном счете уменьшением полезного груза. Наилучшим решением проблемы стала прокачка магистралей жидким гелием в наземных условиях перед стартом РН. Это позволило сократить время захолаживания в полете до нескольких секунд.

Поскольку ступень «Центавр» рассчитывалась на многократные включения, то в ее составе были предусмотрены дополнительные средства обеспечения надежного запуска двигательной установки. Так, например, в целях снижения колебаний топлива в баках помимо специальных гасителей в течение всего пассивного участка полета, который мог достигать нескольких часов, должны были работать два небольших ЖРД малой тяги (сначала использовалось два двигателя тягой 0,9 кг, позднее — четыре тягой 1,3 кг). Кроме того, для осадки топлива непосредственно перед запуском установки включались четыре ЖРД тягой 22,4 кг. Как первые, так и вторые вспомогательные двигатели работали на перекиси водорода.

^{Компоновка ракеты «Атлас-Центавр»: 1 — ступень «Центавр», 2 — бак жидкого водорода, 3 — бак жидкого кислорода, 4 — баки с перекисью водорода, 5 — маршевые ЖРД, 6 — бак жидкого кислорода ступени «Атлас», 7 — бак керосина, 8 — маршевый ЖРД, 9 — стартовые ЖРД, 10 —' электронное оборудование, 11 — заряд системы самоликвидации ракеты, 12 — двигатели осадки топлива, 13 — верньерные двигатели, 14 — направляющие сброса хвостового отсека}

Хвостовой отсек ступени «Центавр», общая масса которой составляла 16,7 т, а длина — 9,1 м, не имел внешней обшивки. Поэтому при монтаже на ракете «Атлас» маршевые ЖРД и прочее вспомогательное оборудование закрывались переходником длиной 4 м.Подготовленная к эксплуатации РН со стартовой массой 136 т обеспечивала выведение на низкую орбиту грузов массой 3,8 т, на траекторию полета к Луне аппараты массой 1 т, а к Марсу или Венере массой 600 кг.

Первый экспериментальный старт ракеты «Атлас-Центавр», состоявшийся в мае 1962 г. с полуторагодичным отставанием от установленного срока, окончился полной неудачей. На 54 с полета при прохождении участка максимального скоростного напора произошел разрыв бакового отсека ступени «Центавр» с последующим взрывом изделия. Как удалось установить в ходе расследования, причина аварии была непосредственно связана с использованием криогенного топлива: значительные температурные деформации бака водорода привели к разрушению верхнего шпангоута, на котором крепился головной обтекатель.

По мнению экспертов комитетов Конгресса, курировавших космические исследования, неудачный запуск, срывы графика работ и неопределенности с решением проблем применения криогенных компонентов стали следствием неудовлетворительного менеджмента программы «Центавр» на всех уровнях. Ситуация осложнялась противоречиями, постоянно возникавшими между заказчиком и головным исполнителем, поскольку для Центра Маршалла в то время наиболее приоритетной задачей была разработка ракет «Сатурн» для лунной программы, тогда как компания «General Dynamics» традиционно была ориентирована на обеспечение проектов ВВС.

<<<Назад Страница 82 Далее>>>