Глава 1. Ракетные двигатели твердого топлива

1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Ракетный двигатель, работающий на твердом топливе, состоит из корпуса, заряда твердого топлива, соплового блока и воспламенительного устройства. Необходимыми элементами двигательной установки (ДУ) управляемой ракеты на твердом топливе являются также устройство создания управляющих усилий и устройство отсечки тяги (рис. 1.1).

Двигательные установки ракет различных типов в основном являются твердотопливными. Только в ракетах носителях космических аппаратов преимущественное распространение получили жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Маршевые ступени некоторых управляемых ракет с большой продолжительностью полета оснащаются воздушно-реактивными двигателями.

Ниже кратко описаны области применения твердотопливных двигательных установок и основные параметры ракет.

1. Неуправляемые ракеты. К ним относятся реактивные системы залпового огня (РСЗО, рис. 1.2 и табл. 1.1, в которой приведены основные данные некоторых советских ракет «Катюша» 1941…1945 гг. [14]), реактивные глубинные бомбы, зенитные, авиационные, реактивные противотанковые гранатометы, тактические, специальные (например, в системах разминирования).

2. Управляемые ракеты (УР) с аэродинамическими органами управления полетом (на активном и пассивном участках): противотанковые (табл. 1.2), переносные зенитные, зенитные управляемые (табл. 1.3) ракеты классов «земля-воздух», «воздух-воздух», «воздух-земля», противокорабельные, противолодочные и ракеты-торпеды. Для скорейшего перехода к управляемому (маршевому) участку полета, а также во избежание соударения ракеты с поверхностью земли или моря (при характерном для УР наклонном старте) на стартовом (как правило, не управляемом) участке обеспечивается высокая тяговооруженность обычно с помощью стартовых твердотопливных ускорителей или РДТТ с двумя режимами тяги.

3. Управляемые баллистические ракеты: оперативно-тактические (ОТР) и баллистические ракеты средней дальности (БРСД), межконтинентальные баллистические ракеты (табл. 1.4); баллистические ракеты подводных лодок (табл. 1.5).

В США разработка стратегических ракет с маршевыми ЖРД практически прекращена более 20 лет назад; снимается с вооружения ракета «Титан-2» (принята в 1963 г.). Ампулизированные ЖРД применяются в США в основном в ДУ головных частей (ДУГЧ) твердотопливных стратегических ракет, где требуется глубокое регулирование тяги. Однако для подводных лодок более приемлемой оказалась менее эффективная энергетически, но более безопасная в эксплуатации твердотопливная ДУГЧ (например «Трайдент-1»).

На баллистических ракетах в соответствии со схемой действия применяются также различные РДТТ с малой продолжительностью работы: тормозные, увода обтекателей, закрутки боевых блоков, ступеней.

Рис. 1.1 Ракетный двигатель на твердом топливе:

1 – воспламенительное устройство; 2 – теплозащитное покрытие; 3 – корпус типа «кокон»; 4 – заряд смесевого твердого топлива; 5 – линия, соответствующая половине толщины свода; 6 – передний узел крепления; 7 - задний узел крепления; 8 – рулевой привод; 9 – частично вдвинутое поворотное сопло; 10 – силовая оболочка; 11 – герметизирующий слой; 12 – антидиффузионный слой; 13 – защитно-крепящий слой; 14 – слой, контактирующий с потоком; 15 – слой, исключающий склеивание манжеты с покрытием; 16 – манжета.

Таблица 1.1

Параметры неуправляемых ракет РСЗО

Параметр	Оперенные			Турбореактивные
	М-8	М-13	М-31	М-14Ф	М-24Ф
Калибр, мм Длина, мм Масса, кг Дальность, км Число сопел Угол наклона сопел, Число направляющих	82 1090 13,3 8,5 1 0 24; 36;48	132 1415 42,5 8,5 1 0 16	300 1760 92,4 4,3 1 0 12	140 1085 39,6 10 10 22 17	240 2000 112,2 11 16 15 12

4. Космическая техника. Имеются твердотопливные ракетоносители (РН «Скаут», табл. 1.6); РДТТ применяются также в различных сочетаниях с ЖРД, а именно: два семисекционных РДТТ в составе первой ступени РН «Титан-3С»; два четырехсекционных стартовых РДТТ, запускаемых вместе с ЖРД («Спейс шатл»); верхние ступени, в том числе стабилизируемые вращением РН «Тор-Дельта» и «Торад-Дельта» (в последнем случае имеются также навесные РДТТ).

Рис. 1.2 Реактивные снаряды:

1 – сопло снаряда М-13; 2 – корпус; 3 – семишашечный заряд твердого топлива; 4 – воспламенитель; 5 – узел крепления; 6 – пиропатрон; 7 – пусковое устройство; 8 – диафрагма; 9 – турбореактивный снаряд М-14Ф.

РДТТ применяются также в межорбитальных буксирах. На твердом ракетном топливе работают различные тормозные двигатели, посадочные, двигатели реактивных систем управления, разнообразные двигатели (увода обтекателей и отработанных ступеней, систем аварийного спасения, создания небольшого положительного ускорения для осадки жидкости топлива пред запуском ЖРД и др.); как правило, эти РДТТ имеют малое время работы [10].

______________

* Длина направляющих.

В связи с тем, что РН по стартовой массе на порядок и более превышают баллистические ракеты и для них необходимы высокие энергетические характеристики, регулирование тяги, заправка (снаряжение) на стартовой позиции непосредственно перед пуском, в зарубежных РН получили широкое распространение ЖРД [7]. В ряде случаев, отмеченных выше, оказалось целесообразным применение РДТТ. В США рассматриваются проекты крупных твердотопливных РН (в том числе на базе баллистических ракет), длительно поддерживаемых в готовности к пуску для выполнения задач военной космической программы.

5. РДТТ применяются и в других областях науки и техники, а именно: в авиации в качестве стартовых ускорителей самолетов, в парашютно-десантных и катапультных системах; для забрасывания спасательного линя с корабля на берег; в качестве двигательных установок метеорологических и геофизических ракет, а также ракет для борьбы с градом. Проведены испытания турбобура на твердом ракетном топливе.

Из сравнения твердотопливных и жидкостных ракетных двигателей (табл. 1.7) видны эксплуатационные преимущества первых. Плотность компоновки твердотопливных ракет в 1,5…2 раза выше, чем жидкостных. Максимальными массами и тягой обладают РДТТ «Спейс шатл» ЖРД для РН «Сатурн-5».

Таблица 1.6

Параметры ступеней РН «Скаут» (США)

Ступень	Тяга, км	Время работы, с	Масса, т	Диаметр, м	Длина, м
1 2 3 4	440 325 75 26	76 38 47 25	10,8 4,5 1,3 0,26	1,0 0,8 0,8 0,46	9,1 7,3 1,9 1,48

Особенности конструкции твердотопливных ракет и ракетных двигателей открывают широкие возможности их поэтапной модернизации (что можно видеть на примерах развития систем залпового огня и баллистических ракет подводных лодок).

Таблица 1.7

Основные параметры РДТТ и ЖРД

Параметр	РДТТ	ЖРД (низкокипящие компоненты)
Удельный импульс тяги, м/с Плотность топлива, г/см Полетное дросселирование тяги Многократный запуск Наибольшая масса топлива, 10кг Наибольшая тяга единичной ДУ, МН Стартовая перегрузка Возможность длительного поддержания (15 лет) готовности снаряженной ДУ к запуску Безопасность эксплуатации снаряженной ДУ	2863 1,8 Т Т 502 14 2…3 + +	4464 0,345 + + - - 1,2…1,6 + Т

Примечание. Т – трудно осуществляется; + - применяется; * - жидкий кислород и жидкий водород, ЖРД для космического аппарата «Спейс шатл».

Основные узлы твердотопливного ГГ сходны с главными узлами РДТТ: ГГ состоит из корпуса, заряда твердого топлива, воспламенителя и выхлопного устройства с газоходом, ресивером и (возможно) регулятором расхода; нередко в газовом тракте ГГ устанавливаются охлаждающие устройства и фильтры [35].

Продукты газогенерации истекают либо при сверхкритическом перепаде давлений (через одно или несколько сопел к различным потребителям), либо при докритическом, либо часть газов истекает при сверхкритическом, а часть – при докритическом. Увеличенные тепловые и газодинамические потери, утечки газа в питаемых устройствах, их изменения во времени, малые коэффициенты импульса и расхода – все это оказывает существенное влияние на рабочие характеристики ГГ. основные области применения твердотопливных ГГ следующие:

1. бортовые источники мощности (до 10кВт) или газа;

2. ГГ систем старта (например, для открытия створок крышки шахтного ствола; для поднятия крышки траншеи и подъема контейнера с ракетой в вертикальное положение, мощность таких ГГ достигает 10кВт; для создания повышенного давления в подракетном объеме с целью обеспечения старта ракеты из шахтного ствола или пускового контейнера);

3. стендовые ГГ для исследования и отработки новых топлив, теплозащитных материалов и элементов сопловых блоков. Технические задачи, для решения которых предназначены ГГ, определяют конкретные требования, как-то: время работы; расход (мощность на выходе); температура и состав продуктов генерации; диапазон давлений в корпусе.