70-летию со дня рождения В.П. Макеева посвящается

В.Д. Алексеев Б.А. Гладков, Ю.С. Телицын, В.И. Феофилактов

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ИХ СИСТЕМ ДЛЯ МОРСКИХ РАКЕТ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ

Двигательная установка является одной из функциональных систем ракеты и наряду с двигателем включает в себя ряд систем, обеспечивающих наддув топливных баков, забор компонентов топлива из баков и подачу их в двигатель и других систем и составляющих в целом пневмогидравлическую систему подачи топлива. Жёсткие габаритные ограничения, специфические условия эксплуатации и применения, свойственные морским ракетам, оказывают существенное влияние на конструктивное исполнение и параметры систем двигательной установки.

Наиболее характерными особенностями двигательных установок морских ракет являются:

- повышенная теплонапряжённость процессов в баке при работе двигателя из-за размещения двигателя в топливном баке;

- сложная геометрия топливных баков, требующая специальных решений по системам забора и подачи компонентов топлива на вход в двигатель и системам обеспечения одновременного израсходования компонентов;

- специальная подготовка компонентов, необходимая для обеспечения потребного диапазона изменения давлений в баках при хранении в условиях тепло- и массообмена между газом и компонентом топлива в баке.

Двигатель оказывает решающее влияние на формирование облика и на параметры двигательной установки в целом, но и влияние пневмогидравлической системы подачи топлива на двигатель и ракету весьма существенное. В статье не затрагиваются вопросы создания двигателей и приводятся лишь материалы, касающиеся основных аспектов создания систем собственной разработки КБ им. академика В.П. Макеева.

На первой морской ракете, разработанной и сданной на вооружение КБ им. академика В.П. Макеева, была использована турбонасосная система подачи компонентов в двигатель, причем двигатель состоял из двух блоков - основного и рулевого; оба выполнялись по схеме «без дожигания». Наддув бака окислителя осуществлялся выхлопными газами турбины основного блока (окислительный газ), а наддув бака горючего — выхлопными газами от турбины рулевого блока (восстановительный газ). Турбонасосная система подачи позволила создать очень экономичную систему наддува баков и по сравнению с вытеснительной системой подачи, использованной на первой отечественной морской ракете Р-11ФМ, обеспечила малые массовые затраты на пневмогидравлическую систему подачи в целом.

Предложенная принципиальная схема системы наддува оказалась настолько эффективной, что с рядом усовершенствований, учитывающих особенности двигателя и ракеты в целом, подобного типа системы были внедрены на маршевых ступенях ракет РСМ-25, РСМ-40, РСМ-54 (рис.1).

Основные усилия при их создании были направлены на снижение непроизводительных затрат топлива на наддув, на обеспечение требуемых параметров газов на входе в баки по температуре, расходу и составу, а также температурных режимов в баках по нагреву компонентов и. конструкции, и, наконец, на обеспечение безопасности протекающих в системах процессов.

Серьезные схемные и конструктивные отличия в пневмогидросистемах от маршевых двигательных установок имели двигательные установки разведения, .которые КБ им. академика В.П. Макеева начало разрабатывать совместно с КБ химического машиностроения, начиная с 70-х годов.

Они для большинства ракет отличались высоким уровнем автономности, имели собственные баки и функциональные системы. Необходимо было обеспечить работоспособность таких двигательных установок в более жестких (по сравнению с маршевыми) условиях — при наличии значительных колебаний компонентов, большом времени работы как в непрерывном, так и в импульсном режимах при воздействии знакопеременных перегрузок в широком диапазоне, а также при невесомости. Потребовалось создание специальных конструкций баковых систем, а также принципиально новых автономных систем предпускового наддува.

Ряд оригинальных решений по двигательной установке был реализован на одной из разработанных жидкостных ракет, в которой были совмещены топливные баки и пневмогидросистемы подачи топлива для двух ступеней.

Для решения задачи наддува бака потребовалось внедрить принципиально новый способ наддува с предварительным охлаждением генераторного газа. Для реализации такого способа наддува были разработаны и внедрены оригинальные, высокоэффективные теплообменники, сепараторы-фазоразделители, работающие в широком диапазоне изменения расхода газа, и устройства для подачи конденсата на вход двигателя.

Дальнейшим шагом по совершенствованию систем наддува явилось, прежде всего, использование новых рабочих тел наддува.

В процессе разработки жидкостных ракет постоянно совершенствовались системы забора и опорожнения компонентов из баков в направлении достижения оптимального соотношения таких характеристик, как количество незабираемого остатка топлива, гидросопротивление и вес конструкции. Так, вместо одноточечных заборников в баках маршевых ступеней стали применяться заборные уст-ройства в виде полукольцевых и кольцевых коробов. В баках со сферическими днищами и центральным отбором топлива стали устанавливаться тарели, обеспечивающие уменьшение незабираемого остатка топлива в 2 раза по сравнению с традиционными конструкциями.

Что касается ступеней разведения ракет, то потребовалась разработка оригинальных систем для бесперебойной подачи компонентов в специфических условиях их работы.

Наконец, одной из серьезных задач, которую пришлось решать при создании маршевых двигательных установок, является одновременность опорожнения баков, т.е. снижение погрешности поддержания соотношения расходов компонентов. На первых ракетах, где специальных систем не было, точность поддержания соотношения компонентов была на уровне 5-6%. На ракете РСМ-25 использовалась гидромеханическая система на базе стабилизаторов, поддерживающих равенство давлений «до» и «после» трубок Вентури, установленных в магистралях двигателя. Однако точность такой системы была относительно невелика (2,5%) и ее использование приводило к большим потерям давления подачи компонентов. Требовались новые решения. Применяемые в ракетах других головных разработчиков системы регулирования расходов топлива, основанные на уровнемерах, установленных в топливных баках, для морских ракет оказались неприемлемыми.

Для повышения точности регулирования и снижения гарантийных запасов топлива была создана и внедрена, начиная с ракеты РСМ-40, принципиально новая электромеханическая система регулирования соотношения компонентов топлива. Она включала в себя малогабаритные датчики расхода окислителя и горючего, регулирующий орган с приводом, а также счётно-решающий прибор, входящий в состав системы управления ракеты. Система позволила повысить точность регулирования. соотношения расходов до 1,2 — 1,5%, практически исключить потери давления на регулирование и получить информацию о расходах компонентов на всех этапах отработки ракеты, включая летно-конструкторские испытания, а также проводить перенастройку номинала коэффициента соотношения расходов.

В заключение отметим, что созданные КБ им. академика В.П. Макеева с участием смежных организаций жидкостные ракетные двигательные установки и их системы подтвердили свою высокую эффективность и технический уровень в составе морских ракет; накоплен большой опыт их конструкторской разработки, экспериментальной отработки и инженерного сопровождения при изготовлении.