История ракетно-ядерной гонки США и СССР

В ракетных двигателях твёрдого топлива (РДТТ) в крупной камере сгорания горит большая цилиндрическая шашка (с центральным каналом) из твёрдого смесевого топлива, в состав которого входят и горючее, и окислитель. «Прообразом» крупных РДТТ были двигатели пороховых ракет. Главной проблемой в ЖРД и РДТТ является стабилизация процесса горения, – чтобы этот процесс протекал ровно, без значительных колебаний давления и без взрывов. Большие колебания давления с различными частотами и взрывы в камерах сгорания приводят к большим динамическим нагрузкам, вызывающим катастрофы с разрушением двигателей. В многоразовых «Шаттлах», как оказалось, серьёзной проблемой оказалось прогорание уплотнений твёрдотопливных баков (из-за этого 28 января 1986 года погиб шаттл «Челленджер» 7-ю астронавтами на 10-м полёте) и разрушение блоков внешней теплозащиты (из-за этого 1 февраля 2003 года погиб шаттл «Колумбия» с 7-ю астронавтами на 28-м полёте). А «ресурс» многоразовых кораблей реально оказался меньше, чем предполагали их создатели. Поэтому программа оказалась слишком дорогой и в части средств, и в части человеческих потерь, и её пришлось закрыть.

Двигатели требовали тщательной отработки в лабораториях и на стендах сложных режимов процессов горения, обеспечения прочности и сохранения герметичности многочисленных соединений патрубков и камер в условиях высоких перепадов температур, давлений и высоких скоростей движения жидкостей и газов. Одной из сложных проблем ЖРД явилось устранение высокочастотных пульсаций давления в гидросистемах подачи топлива, – эти колебания являлись причинами разрушения трубопроводов и многочисленных аварий. Эту проблему решили путём установки специальных демпферов, гасящих колебания. При создании турбонасосных агрегатов пришлось преодолеть трудности, связанные с неустойчивым течением жидкости, которая может вскипать при «рабочей» температуре. В жидкости возникают «пузыри», наполненные её парами, – это явление, называемое кавитацией, нарушало работу ТНА и могло быть причиной поломки ТНА, работавших с большой нагрузкой при значительных давлениях и скоростях, нагнетаемых в камеру ЖРД жидкостей. Кроме того, кавитационные «пузыри» при «схлопывании» вызывают микроудары, разрушающие поверхность металлических деталей ТНА.

Полезная нагрузка ракеты в виде боеголовки или спутника – тоже очень сложная система. Вся ракета пронизана кабелями электросистемы, – системы управления-контроля, радиосистем и датчиков телеметрии. Часть из них от кабелей наземного оборудования («наземки») остаётся на земле на специальном кабеле или кабель-мачте, чтобы не отягощать ракету в полёте. Самые крупные части ракеты – топливные баки, – должны быть очень лёгкими и прочными. Их выполняют из специальных материалов, – из легких и прочных сплавов, а сейчас – из композитных материалов. Топливные баки поддувают инертным газом (обычно азотом), ставят в них специальные крышки и успокоители колебаний жидкости, чтобы эти колебания не влияли на устойчивость ракеты в полёте. Вначале для наддува на ракеты ставили баллоны с азотом или другим инертным газом, от которых бортовая автоматика поддувала топливные баки. Но такая схема усложняла и утяжеляла конструкцию ракеты. Тогда для самовоспламеняющихся компонентов топлива научились пользоваться химическим наддувом баков: в баки окислителя впрыскивали небольшими порциями горючее, а в баки горючее – окислитель. Небольшой внутренний «пожар» внутри компонентов топлива вызывал выделение газов, которые и обеспечивали наддув баков.

Вся «сухая» конструкция современных ракет вместе с полезной нагрузкой предельно уменьшена примерно до 8–10 % от стартовой массы ракеты для создания мощного импульса скорости полезной нагрузки, а «полезная нагрузка» ракеты составляет ещё меньше – от 1 до 3–5 % от исходной массы ракеты. Чем больше скорость ракеты – тем больше дальность и высота полёта. А вся остальная исходная масса – это масса топлива ракеты, т. е. масса её горючего и окислителя – обычно с некоторым преобладанием массы окислителя. Крупные ракеты делают многоступенчатыми – это позволяет существенно уменьшить размеры и массу ракеты из-за сброса тяжёлых первых ступеней, которые бы отягощали ракету на последующих участках полёта и не позволяли бы её разогнать до большой скорости. Двигатели и баки каждой следующей ступени значительно меньше по массе, чем у предыдущих ступеней. В некоторых ракетах (Р-7, «Атлас») двигатель второй ступени является и двигателем первой ступени – это позволяет снизить массу двигательных установок и упростить конструкцию ракеты, но немного увеличивает массу баков второй ступени. Это также позволяет запускать двигатели обеих ступеней одновременно на Земле (в начале развития ракетной техники возникла проблема запуска двигателя второй ступени в полёте, – эту проблему решили не сразу).