Предыстория создания ЖРД РД-107/108

экспериментальные двигатели и проекты - предшественники

Перед началом создания двигателей РД-107 и РД-108 для ракеты Р-7 опыт ОКБ-456 базировался в основном на создании и доведении до серийного производства двигателей для ракет Р-1 - Р-5 и их модификаций, на ряде проектных и экспериментальных работ, в первую очередь - по однокамерным 120- и 65-тонным кислородно-керосиновым ЖРД, а также на многолетних разработках конструкций, технологических процессов и на испытаниях новых типов экспериментальных камер.

РД-100 - РД-103

В соответствии с Постановленим Совета Министров СССР от 13 мая 1946 г. в СССР были начаты работы по изучению немецкого опыта проектирования и производства двигателей для ракеты V-2. В результате был создан ряд двигателей, прототипом для которых послужил немецкий ЖРД.

Все ЖРД этого ряда были однокамерными, работали на топливе "жидкий кислород – 75%-ный раствор этилового спирта" (РД-103 в качестве горючего использовал 92%-ный раствор этилового спирта), и состояли из камеры сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, агрегатов автоматики и элементов общей сборки. ТНА раскручивался продуктами каталитического разложения 80%-ной перекиси водорода. Процесс разложения проходил в газогенераторе при впрыске катализатора – 28%-ного раствора перманганата натрия. Начальное зажигание в камере сгорания происходило от пускового факела, образующегося при горении распыленной воздушно-спиртовой смеси (пены), воспламеняемой от пиропатронов с электрозапалом. Управление двигателем осуществлялось системой пневмо- и электроклапанов и реле, приводимой от наземной и бортовой батарей сжатого воздуха.

Камера сгорания (см. рис. 1) имела грушевидную форму и плавно переходила в коническое сопло. Конструкция камеры – сварная неразъемная. Внутренняя стенка и наружная рубашка камеры и сопла представляли собой стальные детали, штампованные из листовых заготовок. Охлаждение – проточное, горючим; в наиболее теплонапряженных участках камеры были организованы четыре пояса внутреннего (пленочного) охлаждения путем впрыска горючего через радиальные отверстия и форсунки дополнительного охлаждения, установленные на втором поясе. Головка камеры имела 18 форкамер, расположенных по двум окружностям (6 – по внутренней, 12 – по внешней) с распылителями окислителя. В боковых стенках форкамер устанавливались форсунки горючего.

Рис. 1. Камера двигателя ракеты А-4 [13].	Рис. 2. Форкамера двигателя РД-103 [14]. распылитель окислителя коллектор горючего вокруг форкамеры пояс щелевого пленочного охлаждения три ряда форсунок горючего

Некоторые решения, использованные в этих двигателях (например, привод турбины ТНА продуктами каталитического разложения концентрированной перекиси водорода), были применены и в последующих разработках ОКБ-456, в том числе при создании двигателей РД-107/108. Кроме того, на начальном этапе работы над РД-107/108 модификации последнего из указанного ряда ЖРД РД-103 под обозначением 5МРД использовались для проверки функционирования систем регулирования тяги и соотношения компонентов топлива на специальных экспериментальных ракетах Р-5РД.

Рис. 3. РД-103М [15] (изображение справа увеличивается)

РД-110 (8Д55)

Так же, как и немецкий прототип, двигатели РД-100 - РД-103 работали на паре "жидкий кислород – раствор этилового спирта". Предринятые попытки перевести их на более эффективную топливную пару "жидкий кислород – керосин" (в частности, РД-103) не дали удовлетворительных результатов. Первым двигателем большой тяги, спецально спроектированным под использование керосина вместо этилового спирта, стал ЖРД РД-110, работы над которым начались в 1947 г.

Однокамерный РД-110 предназначался для баллистической ракеты Р-3. Он должен был развивать тягу у земли 120 тонн и при давлении в камере сгорания 5.76 МПа обеспечивать пустотный удельный импульс тяги 285 с, что было существенно выше аналогичных параметров двигателей серии РД-100 (см. таблицу 1).

В отличие от камер двигателей РД-100 - РД-103 с грушевидной КС и коническим соплом (см. рис. 1), камера двигателя РД-110 имела относительно небольшую сферическую КС и профилированное сопло. Кроме того, камера сгорания не имела обычных для РД-100 - РД-103 форкамер (см. рис. 1). Вместо них на верхней полусфере камеры устанавливались 19 плоских смесительных элементов, представляющих собой уменьшенный в диаметре до 200 мм вариант смесительной головки экспериментального двигателя ЭД-140. Такая конструкция камеры обеспечивала лучшее смесеобразование при повышенной прочности, что, наряду с использованием более эффективного топлива, позволило существенно повысить удельный импульс тяги. Однако унаследованная от двигателя ракеты V-2 конструкция тракта охлаждения камеры с относительно толстыми стальными оболочками, скрепленными редкими связями, не могла обеспечить надежное охлаждение при более высокой температуре горения керосина и заданном давлении. В результате двигатель РД-110 так и не был доведен до стадии огневых испытаний, а созданный для отработки смесительной головки экспериментальный двигатель ЭД-140 оказал большое влияние на последующие разработки ОКБ-456.

Рис. 4. Камера РД-110 [14]

Рис. 5. РД-110 I Вар. [15] (изображение увеличивается)	Рис. 6. РД-110 II Вар. [15] (изображение увеличивается)

КС-50 "Лилипут"

В конце 1948 г. была разработана и 26 апреля 1949 г. впервые испытана экспериментальная камера "Лилипут" (на фотографии справа [11]). Различные варианты охлаждаемой водой камеры тягой 50 - 100 кг (в зависимости от давления в ней) использовались c 1949 по 1950 гг для испытаний высококалорийных компонентов топлива, включая испытания топливных пар с фтором в качестве окислителя, а также гидрида берилия в качестве горючего. Всего было сделано и испытано не менее 10 вариантов камеры.

Камера имела разъемную конструкцию и состояла из цилиндрической камеры сгорания, сопла и смесительной головки с одной двухкомпонентной центробежной форсункой. Подвод одного из компонентов осуществлялся по центральному каналу с шнековым завихрителем; второй компонент подавался во внешнюю полость форсунки тангенциально.

Для формирования тракта охлаждения в различных вариантах применялись проволочные проставки между гладкими оболочками или фрезерованные в материале огневой стенки каналы, как прямые, так и спиральные с различными углами наклона к образующей. В случае применения фрезерованных каналов силовые стальные наружные элементы конструкции припаивались к огневой стенке по вершинам ребер.

В ходе испытаний было установлено, что при повышенных тепловых потоках со стороны продуктов сгорания конструкция должна базироваться на тонких, порядка 1 мм, стенках из высокотеплопроводного материала - чистой меди или жаропрочного высокотеплопроводного медного сплава (бронзы). В "Лилипуте" были предложены и реализованы многие основные элементы будущих камер: тракт охлаждения, образованный фрезерованными снаружи огневой стенки канавками с ребрами между ними и внешней оболочкой; обеспечение изменения числа ребер на конических участках сопла; пайка медных стенок со стальными рубашками по вершинам ребер; сварка медных и стальных элементов конструкций друг с другом.

Рис.7. Один из вариантов камеры КС-50 "Лилипут" [14] (изображение увеличивается): сменная смесительная головка двухкомпонентная форсунка камера с трактом охлаждения тонкая огневая стенка сопло с отдельным трактом охлаждения

ЭД-140

В 1949 г. была создана экспериментальная модельная камера ЭД-140 тягой 7 т (на фотографии справа [11]), работавшая на топливе "жидкий кислород + керосин" при давлении в камере сгорания 60 атм.

Первоначально главной задачей был выбор конструкции плоской смесительной головки для ЖРД РД-110, обеспечивающей максимальный удельный импульс тяги. Однако позднее камера использовалась для изучения влияния давления в КС и соотношения компонентов топлива на величину теплового потока в стенку и удельный импульс камеры; для испытаний различных самовоспламеняющихся старторвых компонентов; оценки конструкций форсунок и их расположения на смесительной головке, а также трактов охлаждения с фрезерованными каналами и гофрированными проставками; исследования конструкции щелевого пояса внутреннего охлаждения, в том числе с тангенциальной закруткой пелены горючего.

Таким образом, на камере были отработаны многие элементы будущих двигателей.

Камера имела разъемную конструкцию и состояла из цилиндрической камеры сгорания диаметром 240 мм, плоской смесительной головки с однокомпонентными струйными форсунками, и профилированного сопла. Наличие независимых трактов охлаждения для сопла и КС давало возможность менять их параметры (например, скорость движения охладителя) независимо друг от друга.

Рис.8. Камера ЭД-140 [14] (изображение увеличивается): подвод окислителя охлаждаемая плоская смесительная головка подвод горючего цилиндрическая камера сгорания штуцер для замера давления профилированное сопло выходной коллектор охладителя промежуточные коллекторы охладителя входной коллектор охладителя входной коллектор охладителя выходной коллектор охладителя

РД-105 (8Д56) и РД-106 (8Д60)

В соответствии с Постановлением Совета Министров от 4 декабря 1950 г. в рамках работ по теме Н3 "Исследование перспектив создания РДД различных типов с дальностью полёта 5000-10000 км с массой боевой части 1...10 т", а также в соответствии с Постановлению Совета Министров от 13 февраля 1953 г. в рамках работ по теме Т-I "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию двухступенчатой баллистической ракеты с дальностью полёта 7000-8000 км", целью которой являлась разработка эскизного проекта двухступенчатой баллистической ракеты дальнего действия массой до 170 т с отделяющейся головной частью массой 3000 кг на дальность 8000 км., в ОКБ-456 для первой ступени МБР был разработан однокамерный двигатель РД-105, а также его высотный вариант с увеличенным соплом РД-106 для второй ступени.

РД-105/106 работали на топливной паре "жидкий кислород – керосин", однако для привода турбонасосного агрегата по прежнему использовались продукты каталитического разложения концентрированной перекиси водорода. В конструкции камеры были применены многие решения, найденные при отработке экспериментального двигателя ЭД-140. Существенным отличием от предыдущих двигателей большой тяги стало применение цилиндрической камеры сгорания диаметром 600 мм с тонкой огневой стенкой, скрепленной с внешней силовой оболочкой посредством частых связей.

Во время проведенния огневых испытаний двигателя РД-105 в 1952-53 гг. выяснилось, что при переходе на главную ступень тяги в камере развивается высокочастотная неустойчивость, в результате чего камера разрушалась. Поиски способа подавления неустойчивости удовлетворительного результата не дали.

Рис. 9. РД-105 [15] (изображение увеличивается) Справа от РД-105 на красной подставке видны также ЭД-140 и КС-50 "Лилипут".

В октябре 1953 г. по указанию заместителя Председателя Совета Министров СССР масса головной части МБР увеличивалась при сохранении дальности полёта, что вызвало необходимость увеличения тяги двигателей. В связи с тем, что не было оснований рассчитывать на быстрое решение задачи обеспечения высокочастотной устойчивости в мощной камере, в январе 1954 г. было принято решение об отказе от форсирования двигателей РД-105/РД-106 и начале разработки новых двигателей с цилиндрическими камерами, уровень тяги которых находился в освоенном на тот момент диапазоне. Для увеличения надежности было решено объеденить в один двигатель четыре камеры с их работой от одного ТНА. Такой подход позволил также сократить длину двигателя.

Заключение

В результате проведенных в период с 1947-1954 гг. работ в ОКБ-456 были

• освоена топливная пара "жидкий кислород + керосин";
• достигнуто номинальное давление в камере 60 атм.;
• создана конструкция смесительной головки, обеспечивающая высокое значение полноты сгорания. Тем самым удельный импульс тяги в пустоте доведен до 300-310 с;
• создана облегченная конструкция камеры, способная работать на кислороде с керосином при высоких давлениях, обеспечивая надежное охлаждение огневой стенки.

Все это обеспечило успешное создание двигателей РД-107/108 для МБР Р-7.

Таблица 1. Технические параметры двигателей РД-103/РД-103М, РД-110, РД-105, РД-106

Параметр	Значение				Единицы
	РД-103/РД-103М	РД-110	РД-105	РД-106
	8Д54/8Д71	8Д55	8Д56	8Д60
Годы разработки	1952-1953/1955	1947-1951	1952-1954	1952-1954
Компоненты топлива
окислитель	жидкий кислород	жидкий кислород	жидкий кислород	жидкий кислород
горючее	92%-ный раствор этилового спирта	керосин	керосин	керосин
Соотношение компонентов топлива		2.65	2.7	2.7
Тяга
у Земли	43/44	120	55	53	тонн
в пустоте	50/51	140	64	65.8	тонн
Удельный импульс тяги
у Земли	220	244	260	250	с
в пустоте	248	285	302	310	с
Давление в камере сгорания	2.36/2.39	5.76	5.88	5.88	МПа
Масса двигателя
сухого	870/867	1800	782	802	кг
залитого	1030/		897	925	кг
Габариты
высота	3121/3121	5200	4200	4500	мм
диаметр	1650/1620	1800	1400	1400	мм
Время работы	115/120		130	330	с

Вернуться...