ЖИ́ДКОСТНЫЙ РАКЕ́ТНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ

ЖИ́ДКОСТНЫЙ РАКЕ́ТНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ (ЖРД), ре­ак­тив­ный дви­га­тель, не ис­поль­зую­щий для ра­бо­ты ок­ру­жаю­щую сре­ду и ра­бо­таю­щий на жид­ком ра­кет­ном то­п­ли­ве. Мо­жет функ­цио­ни­ро­вать в ат­мо­сфе­ре и в кос­мич. (меж­пла­нет­ном) про­стран­ст­ве.

ЖРД – осн. тип дви­га­те­лей на кос­мич. ко­раб­лях, ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся так­же в вы­сот­ных ис­сле­до­ва­ни­ях и бое­вых бал­ли­стич. ра­ке­тах даль­не­го дей­ст­вия, зе­нит­ных управ­ляе­мых ра­ке­тах; ог­ра­ни­чен­но – в бое­вых ра­ке­тах др. клас­сов, на экс­пе­рим. са­мо­лё­тах и др.

По на­зна­че­нию раз­ли­ча­ют ЖРД ос­нов­ные (мар­ше­вые), раз­гон­ных бло­ков, верх­них сту­пе­ней, кор­рек­ти­рую­щие, тор­моз­ные, ру­ле­вые, мик­ро­ра­кет­ные (мо­гут ра­бо­тать в им­пульс­ном ре­жи­ме). То­п­ли­во ЖРД мо­жет быть од­но­ком­по­нент­ным и двух­ком­по­нент­ным (го­рю­чее и окис­ли­тель); боль­шин­ст­во совр. ЖРД ра­бо­та­ют на двух­ком­по­нент­ном то­п­ли­ве. ЖРД со­сто­ит из ка­ме­ры сго­ра­ния (КС), со­пла, тур­бо­на­сос­но­го аг­ре­га­та по­да­чи то­п­ли­ва, га­зо­ге­не­ра­то­ра, сис­те­мы ав­то­ма­ти­ки, ор­га­нов ре­гу­ли­ро­ва­ния, сис­те­мы за­жи­га­ния, те­ле­мет­рич. дат­чи­ков, вспо­мо­гат. аг­ре­га­тов (те­п­ло­об­мен­ни­ков, ру­ле­вых при­во­дов и др.), ра­мы и др. Ве­дут­ся ра­бо­ты по соз­да­нию трёх­ком­по­нент­ных ЖРД.

Го­рю­чее и окис­ли­тель впры­ски­ва­ют­ся под дав­ле­ни­ем в КС че­рез фор­сун­ки, пе­ре­ме­ши­ва­ют­ся, ис­па­ря­ют­ся и вос­пла­ме­ня­ют­ся. Вос­пла­ме­не­ние (за­жи­га­ние) то­п­ли­ва мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся хи­мич., пи­ро­тех­нич. и элек­трич. сред­ст­ва­ми. То­п­ли­во по­сле вос­пла­ме­не­ния го­рит при вы­со­ких дав­ле­ни­ях (в не­ко­то­рых слу­ча­ях до 15–25 МПа и бо­лее). При го­ре­нии то­п­ли­ва об­ра­зу­ют­ся га­зо­об­раз­ные про­дук­ты сго­ра­ния (ра­бо­чее те­ло), на­гре­тые до темп-ры 3700–3900 К, ко­то­рые ис­те­ка­ют из ка­ме­ры сго­ра­ния в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во че­рез со­пло. Для це­ло­ст­но­сти кон­ст­рук­ции КС при та­кой темп-ре не­об­хо­ди­мо не­пре­рыв­ное её ох­ла­ж­де­ние. Оно мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся, напр., с по­мо­щью го­рю­че­го, про­те­каю­ще­го пе­ред по­сту­п­ле­ни­ем в сме­си­тель­ную го­лов­ку по ка­на­лам внеш­ней сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния ка­ме­ры сго­ра­ния. Та­кой спо­соб ох­ла­ж­де­ния на­зы­ва­ет­ся ре­ге­не­ра­тив­ным. По ме­ре дви­же­ния про­дук­тов сго­ра­ния по дли­не со­пла их темп-ра и дав­ле­ние умень­ша­ют­ся, а ско­рость воз­рас­та­ет, пе­ре­хо­дя по­рог ско­ро­сти зву­ка в ми­ним. (кри­ти­че­ском) се­че­нии со­пла. На вы­хо­де из со­пла ско­рость ис­те­че­ния дос­ти­га­ет 2700–4500 м/с. Тя­га, соз­да­вае­мая ка­ж­дым ки­ло­грам­мом га­зов, вы­те­каю­щих из дви­га­те­ля в 1 с, на­зы­вает­ся удель­ным им­пуль­сом тя­ги. Чем вы­ше ско­рость ис­те­че­ния, тем боль­ше удель­ный им­пульс и, сле­до­ва­тель­но, тем со­вер­шен­нее то­п­ли­во и дви­га­тель. Раз­ли­ча­ют ЖРД с тур­бо­на­сос­ной по­да­чей то­п­ли­ва без до­жи­га­ния про­дук­тов сго­ра­ния (от­кры­тая схе­ма), в ко­то­ром про­дук­ты га­зо­ге­не­ра­ции по­сле сра­ба­ты­ва­ния в тур­би­не вы­бра­сы­ва­ют­ся в ок­ру­жаю­щую сре­ду че­рез вспо­мо­гат. со­пла (дав­ле­ние в ка­ме­рах сго­ра­ния 4,9–7,8 МПа), и ЖРД с до­жи­га­ни­ем (за­кры­тая, или замк­ну­тая, схе­ма), в ко­то­ром про­дук­ты га­зо­ге­не­ра­ции по­сле сра­ба­ты­ва­ния в тур­би­не на­прав­ля­ют­ся в ка­ме­ру ЖРД для до­жи­га­ния. Та­кие ЖРД не име­ют по­терь удель­но­го им­пуль­са, обу­слов­лен­ных не­об­хо­ди­мо­стью при­во­да в дей­ст­вие тур­бо­на­сос­но­го аг­ре­га­та, и уро­вень дав­ле­ния в КС дос­ти­га­ет 14,7–26,5 МПа.

Историческая справка

Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма ЖРД раз­ра­бо­та­на К. Э. Ци­ол­ков­ским в 1903, до­ка­зав­шим воз­мож­ность ис­поль­зо­ва­ния ЖРД для по­лё­тов в кос­мос. Учё­ный так­же ука­зал наи­бо­лее вы­год­ные ра­кет­ные то­п­ли­ва и ис­сле­до­вал во­про­сы уст­рой­ст­ва осн. аг­ре­га­тов. Прак­тич. ра­бо­ты по соз­да­нию бы­ли на­ча­ты в 1921 в США Р. Год­дар­дом, осу­ще­ст­вив­шим в 1926 пер­вый в ми­ре за­пуск ра­ке­ты с ЖРД. В кон. 1920-х – нач. 1930-х гг. к раз­ра­бот­ке ЖРД при­сту­пи­ли в СССР, Гер­ма­нии и др. стра­нах. В 1931 бы­ли ис­пы­та­ны пер­вые рос. ЖРД – ОРМ (опыт­ный ра­кет­ный мо­тор) и ОРМ-1, соз­дан­ные В. П. Глуш­ко в ле­нингр. Га­зо­ди­на­мич. ла­бо­ра­то­рии (ГДЛ). В 1933 ис­пы­та­на дви­га­тель­ная ус­та­нов­ка ОР-2 кон­ст­рук­ции Ф. А. Цан­де­ра, а дви­га­тель-10, соз­дан­ный моск. Груп­пой изу­че­ния ре­ак­тив­но­го дви­же­ния (ГИРД), обес­пе­чил по­лёт жид­ко­ст­ной ра­ке­ты.

До нач. 2-й ми­ро­вой вой­ны в СССР и США поя­ви­лись опыт­ные об­раз­цы ЖРД с тя­гой до не­сколь­ких со­тен кг, пред­на­зна­чен­ные для экс­пе­рим. ЛА. В Гер­ма­нии во вре­мя 2-й ми­ро­вой вой­ны в про­цес­се про­во­див­ших­ся ин­тен­сив­ных ра­бот в об­лас­ти ра­кет­ной тех­ни­ки бы­ли соз­да­ны раз­но­об­раз­ные ти­пы ЖРД бое­во­го на­зна­че­ния, мно­гие из ко­то­рых про­из­во­ди­лись се­рий­но. Луч­ши­ми бы­ли ЖРД зе­нит­ной управ­ляе­мой ра­ке­ты «Вас­сер­фаль» и бал­ли­стич. ра­ке­ты Фау-2. Пер­вы­ми се­рий­ны­ми рос. ЖРД ста­ли дви­га­те­ли РД-1 и РД-1Х3, соз­дан­ные к кон­цу вой­ны в ГДЛ-ОКБ.

Даль­ней­шее раз­ви­тие ЖРД оп­ре­де­ли­ли на­ча­тые в сер. 1950-х гг. в СССР и США про­грам­мы по соз­да­нию меж­кон­ти­нен­таль­ных бал­ли­стич. ра­кет и ра­кет-но­си­те­лей (РН). Для их реа­ли­за­ции бы­ли соз­да­ны мощ­ные, эко­но­мич­ные и ком­пакт­ные ЖРД, ра­бо­таю­щие на ки­сло­род­но-ке­ро­си­но­вом то­п­ли­ве. В 1960-х гг. соз­да­ны ЖРД, ра­бо­таю­щие на вы­со­ко­ки­пя­щих то­п­ли­вах, и ки­сло­род­но-во­до­род­ные ЖРД. Впер­вые идея замк­ну­той схе­мы бы­ла раз­ра­бо­та­на в кон. 1950-х гг. в СССР в НИИ-1 (ны­не Ис­сле­до­ва­тель­ский центр им. М. В. Кел­ды­ша) и реа­ли­зо­ва­на в 1960. Эти ЖРД с сер. 1960-х гг. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся на РН (напр., «Про­тон», Н-1). На­ря­ду с мощ­ны­ми мар­ше­вы­ми ЖРД соз­да­ны мно­го­член­ные ЖРД сред­ней и ма­лой тя­ги.

В 1970–90-х гг. соз­дан один из са­мых мощ­ных в ми­ре че­ты­рёх­ка­мер­ных ЖРД – РД-170 (дав­ле­ние в ка­ме­ре сго­ра­ния 24,5 МПа, тя­га на зем­ле/в ва­куу­ме 7200/7900 кН) для пер­вых сту­пе­ней ра­кет­но-кос­мич. ком­плек­са «Энер­гия – Бу­ран» и его мо­ди­фи­ка­ции РД-171 для РН «Зе­нит», а так­же вы­со­ко­ре­сурс­ный мар­ше­вый дви­га­тель РД-0120 тя­гой 1961 кН для 2-й сту­пе­ни РН «Энер­гия» на энер­го­ём­ких ком­по­нен­тах то­п­ли­ва (ки­сло­род – ке­ро­син); на стра­те­гич. ра­ке­те Р-36М («Са­та­на») ус­та­нов­лен дви­га­тель РД-264 тя­гой 4520 кН с дав­ле­ни­ем в ка­ме­ре сго­ра­ния 20,6 МПа. Для ор­би­таль­но­го ко­раб­ля «Бу­ран» впер­вые в ми­ро­вой прак­ти­ке для кос­мич. ап­па­ра­та ис­поль­зо­ван крио­ген­ный окис­ли­тель – жид­кий ки­сло­род и го­рю­чее – син­те­тич. уг­ле­во­до­род син­тин, что су­ще­ст­вен­но по­вы­си­ло энер­ге­тич. воз­мож­но­сти ор­би­таль­но­го ко­раб­ля и сде­ла­ло его экс­плуа­та­цию бо­лее без­опас­ной и эко­ло­ги­че­ски чис­той. В 2001 ус­пеш­но про­ве­де­но пер­вое ог­не­вое ис­пы­та­ние ки­сло­род­но-ке­ро­си­но­во­го дви­га­те­ля РД-191 (замк­ну­тая схе­ма), соз­дан­но­го для 1-й сту­пе­ни се­мей­ст­ва рос. РН «Ан­га­ра»; в 2005 раз­ра­бо­тан че­ты­рёх­ка­мер­ный ЖРД РД-0124 (замк­ну­тая схе­ма) для ус­та­нов­ки на 3-ю сту­пень РН «Со­юз-2-1Б». Круп­ней­шие из за­ру­беж­ных ор­га­ни­за­ций, за­ня­тых раз­ра­бот­кой ЖРД, на­хо­дят­ся в США. Ве­ду­щая фир­ма – «Rocketdyne», раз­ра­бо­тав­шая: в 2000 ки­сло­род­но-во­до­род­ный дви­га­тель RS-68 (от­кры­тая схе­ма, тя­га 3230 кН) для ус­та­нов­ки на ра­ке­те Delta 4, в 2002 – ки­сло­род­но-во­до­род­ный ЖРД RS-83 (замк­ну­тая схе­ма) тя­гой 2900 кН в рам­ках про­грам­мы НАСА «Кос­ми­че­ская пус­ко­вая ини­циа­ти­ва» SLI (Space Launch Initiative).

Боль­шин­ст­во рос. кос­мич. ЖРД, обес­пе­чив­ших по­лё­ты пер­вых рос. ис­кусств. спут­ни­ков Зем­ли, ис­кусств. спут­ни­ков Солн­ца, Лу­ны, Мар­са, ав­то­ма­тич. стан­ций на Лу­ну, Ве­не­ру и Марс, кос­мич. ко­раб­лей, всех гео­фи­зич. и др. ра­кет в 1949 – 70-х гг., соз­да­но под рук. В. П. Глуш­ко, А. М. Исае­ва, С. А. Кос­бер­га, М. В. Мель­ни­ко­ва и др. кон­ст­рук­то­ров. ЖРД по­лу­чи­ли ши­ро­кое раз­ви­тие в США, Ве­ли­ко­бри­та­нии, Фран­ции и др. стра­нах.

Даль­ней­шее раз­ви­тие ЖРД свя­за­но с по­ис­ком и ос­вое­ни­ем но­вых то­п­лив и раз­ра­бот­кой но­вых тех­нич. прин­ци­пов, обес­пе­чи­ваю­щих даль­ней­шее уве­ли­че­ние кпд и умень­ше­ние га­ба­ри­тов и мас­сы ЖРД. Ве­дут­ся ра­бо­ты над соз­да­ни­ем дви­га­тель­ных ус­та­но­вок для мно­го­ра­зо­вых средств вы­ве­де­ния на ба­зе ЖРД и воз­душ­но-ре­ак­тив­ных дви­га­те­лей.