Уносящие к звездам
С чего начинается космос? На Земле он начинается с ревущих гигантов, сотрясающих грохотом старт и затихающих далеким громом в небе. Унося полезную нагрузку к звездам на своих мощных плечах, ракеты-носители являются самыми мощными и самыми сложными летательными аппаратами человека. И одновременно – одними из самых интересных.
Его величество двигатель
Космическая ракета, или ракета-носитель, запускает свою полезную нагрузку в космический полет. Для этого она поднимает груз выше атмосферы и разгоняет его до орбитальной космической скорости. Подъем и разгон ракеты происходят в одном процессе выведения полезной нагрузки на орбиту, в результате которого достигаются высота порядка 200-300 километров и расположенная горизонтально космическая скорость. Большинство ракет-носителей стартуют вертикально с поверхности Земли, постепенно все больше наклоняя свою траекторию. В полете происходит отделение ступеней, из которых собрана конструкция ракеты. Последняя ступень завершает разгон и отделяет полезную нагрузку, начинающую космический полет.
Жидкостным двигатель называется из-за топлива, состоящего из двух жидких веществ – горючего и окислителя, – образующих топливную пару. Они вступают в химическую реакцию горения, в которой атомы горючего отдают свои электроны принимающим их атомам окислителя и образуют молекулы газов. Для полноты сгорания горючее и окислитель нужно подать в правильном соотношении и как можно лучше перемешать. Это делают форсунки, находящиеся в форсуночной головке в начале камеры сгорания. Оба компонента подаются в них с большим давлением многих десятков и сотен атмосфер, распыляясь в очень тонкую взвесь. Часто горючее и окислитель соединяются в общей форсунке, перемешиваясь в едином плотном факеле. Воспламенение происходит уже в начале факела форсунки, распыляемого в пламя зоны горения. Большое давление камеры сгорания приводит к очень быстрому сгоранию. Химическая энергия топлива переходит в потенциальную энергию продуктов сгорания, в форме высоких температуры и давления газа.
Получившийся сжатый газ устремляется в реактивное сопло, состоящее из двух частей. Камера сгорания переходит в сужающуюся часть сопла, где дозвуковой поток газа ускоряется. В самой узкой части сопла, называемой критическим сечением, поток достигает скорости звука. Дальше он попадает в расширяющуюся часть сопла, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Давление и температура при этом все время снижаются, зато непрерывно растет скорость потока. Сопло преобразует потенциальную энергию тепла и давления газа в кинетическую энергию струи, являясь тепловой машиной по разгону газа. Истечение струи создает реактивную силу в обратном направлении; эта сила составляет основную часть тяги двигателя. Чем быстрее истечение газа из сопла, тем больше сила тяги. Вот зачем струю разгоняют до высокой скорости, на краю сопла в три раза большей скорости звука в ней.
Топлива в камеру подается много, сгорание идет с высокими температурами – около трех тысяч градусов – и под большим давлением. Это делает камеру сгорания и сопло очень нагруженными в силовом и тепловом плане. Сопло раскаляется добела. Без охлаждения стенок камеры и сопла неминуемы прогар стенок и авария двигателя. Охлаждение стенок камеры и сопла организуется разными путями. В тонких каналах стенок сопла и камеры текут компоненты топлива, в камере создается пристеночная жидкостно-капельная завеса из горючего. Сама камера делается очень прочной, чтобы держать рабочее давление. Силовая рама передает усилие тяги от камеры сгорания на корпус ракеты.
Основные моменты и участки при выведении на орбиту
Чем больше топлива сгорит в двигателе, тем больше тяга. Подачу топлива в ЖРД обеспечивает его вторая важнейшая часть – турбонасосный агрегат, ТНА. Он объединяет главные насосы горючего и окислителя, другие насосы и вращающую их газовую турбину. ТНА работает крайне напряженно. Для создания большого расхода компонентов и высокого давления за насосами турбина совершает огромную работу и имеет очень большую мощность при компактных размерах. Отдельная камера сгорания ТНА сжигает компоненты топлива со сверхзвуковым истечением газов на лопатки турбины. Отработанный газ за турбиной сбрасывается за борт в двигателях открытого цикла или идет в основную камеру сгорания двигателей закрытого цикла.
Есть ракета, у которой в ЖРД нет ТНА: насосы ее двигателей вращают электромоторы запасенной в аккумуляторах энергией. Это сверхлегкая ракета-носитель Electron компании Rocket Lab, пока единственная в своем роде. Ее небольшие двигатели, удерживаемые в одной руке, позволяют электрический привод топливных насосов.
При принципиальной простоте конструкции работа двигателя в реальности весьма сложная. Газодинамические процессы в двигателе непросты и требуют правильной организации и управления. Так же сложна разветвленная гидродинамика жидких компонентов, теплообменные дела – и прочие динамика, физика и химия. Работа двигателя может нарушаться неустойчивыми режимами. Если давление в камере сгорания случайно вырастет, то перепад давления из форсунок в камеру снизится, это уменьшит подачу топлива в камеру. Меньше поступит и сгорит топлива – давление в камере снизится, что увеличит перепад давления на форсунках и подачу топлива. Излишек топлива сгорит, даст скачок давления – и цикл колебаний давления повторится. Подобные пульсации давления могут иметь частоту десятка раз в секунду и приводят к разгону процесса до разрушения камеры сгорания или к неустойчивому горению с падением тяги. Такова низкочастотная неустойчивость двигателя.
Высокочастотная неустойчивость возникает в виде акустических колебаний внутри камеры сгорания, образующих в ее объеме стоячие волновые конфигурации разных форм. Многократно сливаясь, акустические колебания усиливаются до небольших ударных волн, с ростом давления и температуры во фронте волны. В местах их прилегания к стенкам камеры могут возникать прогары и разрушения. Также высокочастотная неустойчивость способна ухудшать сгорание топлива. Борются с этим видом неустойчивости введением в камеру особых перегородок, расположением форсунок и другими мерами.
Тягой двигателя необходимо управлять. Например, при старте ракеты-носителя «Союз» тяга двигателей РД-107 растет не плавно, а ступенчато. После зажигания начинается режим предварительной ступени тяги. Если горение нормальное (между прочим, на этом этапе ТНА еще не запущен, насосы стоят, а керосин и кислород просто самотеком льются из баков в камеры сгорания, как с водонапорной башни), включается режим первой промежуточной ступени. Запускается и раскручивается ТНА, расход компонентов и тяга вырастают, продолжается контроль работы двигателя. Далее следует вторая промежуточная ступень. Давление в магистралях и подача топлива усиливаются настолько, что тяга превышает вес ракеты, и она поднимается в воздух. И только через шесть секунд подъема ракеты двигатель переводится в режим главной тяги, на полную мощность. У других ракет циклограммы выхода двигателей на полную тягу могут различаться, но все они требуют контроля параметров работы двигателя сотни и тысячи раз в секунду. Управляют величиной тяги изменением работы турбины ТНА или клапанами подачи компонентов топлива. Управление направлением тяги производят через подвижный качающийся подвес основных или управляющих камер сгорания, разностью тяги в многокамерных двигательных установках и другими способами.