Profile

ernest_jr: (Default)
ernest_jr

Expand Cut Tags

No cut tags
ernest_jr: (pic#10857286)
[personal profile] ernest_jr



Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме. Обратите внимание на замедляющие горение перемычки зарядов.

1. Вроде бы, твердотопливные (пороховые) двигатели самые древние из ракетных, единственные древние. Широко и повсеместно применялись со средних веков. Искусство их изготовления все это время не утрачивалось.

Именно пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.

Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты. Это предыстория очерка.


2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса (его научная цель — достижение Луны). В экспериментах он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.


Патент Годдарда 1914 года на многоступенчатую пороховую ракету с дискретной подачей зарядов бездымного пороха. Очевидно, подача предложена, чтобы уменьшить скорость горения, снизить ускорение.

N.B. В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Пороховые ракеты запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостных. Озарения в разных странах меня не волнуют в очерке. Важна дорога к успеху и влияющие на успех попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.

3. Ключевой недостаток пороховых двигателей в избытке скорости горения заряда. В 1926 два американских химика в лаборатории университета разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт опыта получили вонючее вещество, которое не смогли удалить сильными растворителями. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего изобретения в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.

Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.


4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Он настоящий ученый, а это значит, в частности, что извлечь пользу из его трудов непросто. Мне известен один пример, не касающийся его работ в электротехнике и системах управления — это знаменитая Bazooka — первый реактивный гранатомет. Пороховой двигатель гранаты разработан под руководством бывшего лаборанта Годдарда.

В 1926 в США создана исследовательская группа, которую возглавил фон Карман — американский аэродинамик — чистый теоретик из Австро-Венгрии, венгр, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик самого Прандтля, в конце жизни ставший историком аэродинамики. Todor von Kármán, 1881-1963.

Чтобы выманить его из Венгрии ему создали крошечную лабораторию The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT) — как видно из названия, на деньги из единственного источника — фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Теперь это было бы более $7 млн. Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. 15 лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.

5. В 1939 GALCIT впервые получил госзаказ от Национальной академии наук США (есть есть такая) — заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов, ведь стали строить огромные самолеты, а аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). «Естественно», GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, спустя 13 лет, и фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.

В том же году развернули постройку нескольких образцов ускорителей: порохового, на ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя (так собирались управлять скоростью горения). Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы именно тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться, но если надо много тягой управлять, то ладно.

С началом войны уже особенно больного Годдарда призвали и дали высокое воинское звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает и это избыток прочности из-за огромных ускорений. Внедрили битумные составы — асфальты, смешанные с окислителем — перхлоратом калия. Такой заряд горит медленнее, держит форму, но раскалывается. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе двигателя, тщательно разрабатывая форму каналов горения хитрыми точно рассчитанными звездочками. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, быстрее разрушаются, разрушившись еще скорее горят, отчего крошатся совсем.

Но это после войны. А за ее время главное достижение — пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горел 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, например, в большой авиационной неуправляемой ракете Tiny Tim (1944) и как первая ступень высотной двухступенчатой ракеты WAC Corporal (1945).



На асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех! Первое применение смесевого топлива, но еще не резина.

N.B. Это не первый твердотопливный ускоритель взлета. Например, Уго Юнкерс в 1928 испытал гидросамолет с пороховым ускорителем взлета. Но речь не о порохах, а о смесевом топливе космических ракет.


6. Только в 1946 JPL совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру, в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая его.

Вот ступени очень быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:



1) 1949, Hughes AAM-A-2 Falcon — ракета воздушного боя, семейство развилось в Phoenix.





2) 1951, Redstone Arsenal M31 Honest John — неуправляемая ядерная ракета, на вооружении в армии США до 1982.




3) 1955, Lockheed X-17 — первая многоступенчатая смесевая ракета и прообраз Polaris.



4) 1958, Lockheed UGM-27 Polaris A-1 — первая баллистическая ракета для подводной лодки, с подводным пуском. Семейство развивалось до Trident-1. Опыт с работой ускорителя JATO под водой провели еще в 1943.




5) 1961, Boeing LGM-30 Minuteman-1 — межконтинентальная баллистическая ракета. Семейство до сих пор на вооружении.



6) 1960, NACA Langley center Scout X-1 — ракета-носитель. Это первая ступень ракеты Polaris Castor, в основе; универсальная ступень многих космических ракет-носителей по сию пору.




7) 1965, Aerojet AJ-260-2 — опытная твердотопливная первая ступень вместо использовавшейся на Saturn IB. Тяга 1800 тс, самая большая тяга одного двигателя в истории. Собственная масса ступени — 830 т. Прообраз первых ступеней Titan-3C, Space Shuttle, Ares, SLS.

* * * *

Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.

Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout — самая летавшая американская ракета, из надежных.

Надо бы закончить на Trident-II — 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB — 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как верхняя ступень современных космических носителей.

Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист из «золотой молодежи» Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952, погиб при взрыве домашней лаборатории во время ее перевозки в Месксику!).

Познавательное об изготовлении второго в истории по тяге двигателя, для SLS, — 1600 тс (2 минуты):





Схема обслуживания ракеты Trident II D5 на лодке. Очевидно, что такое обслуживание ракеты с ядовитым топливом было бы затруднено — одна из важных предпосылок надежности. Высота это важнейший параметр лодочной ракеты, определяющий стоимость дорогого корпуса лодки: даже головной обтекатель притуплен, но с выдвижной иглой для сверхзвукового обтекания. Плотность смесевого двигателя уменьшает стоимость лодки.

* * * *

И для сравнения летопись достижений последователей:

— В СССР начаты ОКР в 1959. В 1959 в СССР попала AIM-9 из Китая, а в 1960 Р-13 на ее основе начала испытания. В 1961 начали проект МБР РТ-2, испытания с 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Нет, не все.

N.B. Еще в 1962 испытана «твердотопливная МБР» РТ-1, разрабатывавшаяся с 1959. Но заряд там — нитроглицериновый порох в четырех стеклопластиковых корпусах, с беспримерными диаметрами по 800 мм. Испытания неудачны. Пример удали и смекалки, как не надо делать.

— Во Франции начали ОКР в 1962. Испытания c 1966 — S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.

— В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно итальянская фирма Avio предлагает самые совершенные ступени для новейших носителей Vega и Ariane 6.

— В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семейства Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на носителе Lambda-4S (срав. Во Франции и В СССР), а в 1970 — удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай: «с МБР»). Смесевое топливо разработано самостоятельно. Но уже ракеты Mu на основе технологии американских Castor и Nike. С 1966 сильно, а потом и взаимно связаны с США, обмениваются технологиями. Семейства твердотопливных ракет Японии обозначают греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), теперь Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что в десять раз лучше, чем предыдущее достижение (как в кино о Бонде, прямо). Хотят такое внедрить на новом носителе H3. Все их носители имеют твердотопливные ступени.

— В Индии космическая программа началась в 1962, пуском смесевой американской Nike-Apache (1963). Потом семейство малых геодезических смесевых ракет Rohini (1965) — на основе Nike. Пустили твердотопливный носитель SLV (1979) с малым спутником (1980); далее ASLV (1987), смешанные (смесевые и самовоспламеняющиеся ступени) PSLV (1993). И вот GSLV (2010), у которого центр на НДМГ+АТ, а два твердотопливных ускорителя S200 — третьи по тяге после самых мощных американских и итальянских: заряд 200 т, тяга под 800 тс. Собственно, индийские работы теперь ближе к прежнему Ariane 4 и его технологиям P230. То есть топливо у них модное HTPB. По твердотопливникам обставили Китай.



Итальянский двигатель Avio P120C (на фото внизу) с монолитным зарядом. Виден корпус двигателя, изготовленный намоткой композитов. Тяга 460 тс, диаметр 3.4 м, сухой 11 т, топлива 144 т, удельный импульс 278.5 с. Двигатели Avio используются на итальянском носителе Vega и проекте ЕКА Ariane 6.


* * * *

Этот очерк без выводов. Не перевод и не конспект, а факты о создании первых смесевых двигателей с датами.
From:
Anonymous( )Anonymous This account has disabled anonymous posting.
OpenID( )OpenID You can comment on this post while signed in with an account from many other sites, once you have confirmed your email address. Sign in using OpenID.
User
Account name:
Password:
If you don't have an account you can create one now.
Subject:
HTML doesn't work in the subject.

Message:

 
Notice: This account is set to log the IP addresses of everyone who comments.
Links will be displayed as unclickable URLs to help prevent spam.

Most Popular Tags

Style Credit

Page generated Sep. 26th, 2017 09:19 am
Powered by Dreamwidth Studios