12.3. МАРШЕВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВКС «СПЕЙС ШАТТЛ»

Прежде чем подробно рассмотреть схему и конструкцию этого двигателя целесообразно остановиться на всей двигательной установке этого воздушно-космического самолета, показанного на рис. 157. Она состоит из двух твердотопливных ускорителей, конструкция которых описана в разд. 11.3, нескольких небольших РДТТ, предназначенных для отделения ТТУ, и трех маршевых ЖРД, работающих на криогенных компонентах и размещенных на орбитальной ступени. Жидкие кислород и водород поступают к ним из подвесного блока топливных баков. Кроме того, на орбитальной ступени установлены система орбитального маневрирования (СОМ), которая будет подробно рассмотрена в разд. 12.5.1, и реактивная система управления (РСУ), состоящая из 38 основных и 6 верньерных ЖРД (см. разд. 12.6.1). ЖРД этих систем работают на долгохранимых компонентах, баки которых также находятся на орбитальной ступени.

Маршевый двигатель, два ТНА и камера сгорания которого показаны на рис. 158, был разработан фирмой «Рокетдайн». Этот двигатель выполнен по замкнутой схеме и допускает многократный запуск. К 1989 г. намечено довести ресурс двигателя до 7,5 ч с 55 включениями. Номинальная тяга двигателя — на земле и в пустоте, с возможностью форсирования до 109% (т. е. до 2320 кН в пустоте) и дросселирования до 65% номинальной тяги. Двигатель работает с давлением в камере сгорания и степенью расширения сопла 77,5. Удельный импульс составляет 363 с на уровне моря и 455 с в вакууме (расчетный удельный импульс 457 с). Номинальное соотношение компонентов длина двигателя 4,24 м, диаметр от 2,66 до 2,4 м, масса 3065 кг.

Замкнутая схема двигателя выбрана вместо схемы с выбросом генераторного газа из-за ее высокой эффективности. Каждый двигатель снабжен двумя ТНА с турбопреднасосами (рис. 158). Турбопреднасосы с давлением на выходе обеспечивают бескавитационную работу насосов

(кликните для просмотра скана)

высоткого давления, обеспечивающих давление на выходе Пневмогидравлическая схема двигателя представлена на рис. 159. Охладив сопло и камеру сгорания, водород поступает в газогенераторы турбонасосов с небольшим количеством горючего и окислителя, где при соотношении компонентов вырабатывается восстановительный газ с температурой, допустимой для материала турбин. Пройдя турбины, горячий газ поступает в камеру сгорания, где дожигается с остальной частью кислорода. Такая схема значительно повышает экономичность. На рис. 159, кроме камеры сгорания и показаны также пять главных клапанов и приведены значения температур, давлений и расходов на некоторых участках двигателя. На рис. 160 показаны основные агрегаты двигателя, а на рис. -разрез его цельносварной конструкции, включающей

Рис. 159. (см. скан) Пневмогидравлическая схема маршевого двигателя ВКС «Спейс Шаттл».

Рис. 160. Основные узлы маршевого двигателя ВКС «Спейс Шаттл» [35]. 1 — блок управления; 2 - ТНА горючего; 3— коллектор газа после турбины; 4 — турбопреднасос ТНА горючего; 5 — газогенератор ТНА горючего; 6 — шаровой подвес двигателя; 7 — блок смесительной головки камеры; 8 - газогенератор ТНА окислителя; 9 - ТНА окислителя; 10 — камера сгорания; 11 - турбопреднасос ТНА окислителя; 12 — сопловой блок.

газогенераторы, газоводы, смесительную головку, камеру сгорания и сопло. При изготовлении двигателя широко использована электронно-лучевая сварка (более 200 швов, толщина некоторых из них превышает 25 мм). Такая технология позволила обеспечить надежную работу двигателя высокого давления при минимальной массе конструкции.

Интересно отметить, что камера сгорания выполнена с двухоболочечной рубашкой охлаждения, как и ЖРД первой немецкой ракеты «Фау-2», хотя затем в течение длительного периода преимущество отдавалось трубчатым конструкциям. Возврат к двухоболочечной конструкции при высоком давлении стал возможным благодаря использованию новых материалов и технологических процессов. Огневая стенка, которая должна выдерживать давление 20 МПа и температуру 3300 К, выполнена из специального теплопроводного сплава нарлой состоящего в основном из меди с добавками серебра и циркония. Литая тонкостенная заготовка сначала формуется на оправке (рис. 162), а затем проводится механическая обработка внутреннего и наружного контуров по шаблонам на станках с ЧПУ. После этого на наружной поверхности оболочки

Рис. 161. Цельносварной двигательный блок [82]. ) 1 - ТНА горючего; 2 — газогенератор ТНА горючего; 3 — газогенератор ТНА окислителя; 4 - ТНА окислителя; 5 — подкачивающий насос газогенератора; 6 — основная камера сгорания; 7 — коллектор охлаждения.

фрезеруются каналы охлаждающего тракта. Толщина оболочки в зоне дна канала очень мала (0,66 мм). Затем на внутреннюю оболочку методом вакуумного напыления осаждается слой никеля, окончательно формирующий каналы охлаждающего тракта. После цикла термообработки к камере приваривают наружную оболочку, коллекторы трубопроводов, смесительную головку и т. д. Наружная оболочка камеры сгорания выполнена из сплава инконель-718, обладающего требуемыми прочностью и технологичностью.

Турбопреднасос жидкого окислителя имеет производительность а ТНА жидкого водорода отличается исключительно высоким отношением мощности к массе среди всех систем подачи — 75 тыс. л. с. (56 МВт) при массе т. е. на массы (в автомобиле эта величина равна 1, а в . В сопловом блоке, который начинается с и имеет противоточные каналы охладителя чередуются через один.

Управление осуществляется встроенным в двигатель блоком управления с двумя ЭВМ и связанными с ними электронными устройствами. Блок управления получает команды от ЭВМ

Рис. 162. (см. скан) Технологические стадии производства маршевого

Рис. 163. (см. скан) Штатная циклограмма работы маршевого двигателя ВКС «Спейс Шаттл» [82].

орбитальной ступени и сигналы датчиков двигателя, образуя замкнутую систему, которая обеспечивает регулирование тяги Двигателя в диапазоне от 65 до 109% номинальной тяги (рис. 163). Блок управления содержит две дублирующие системы и управляет пятью регуляторами посредством резервированных сервоприводов.

(кликните для просмотра скана)

Дублирование электрических цепей дополнено пневматической системой останова двигателя, что обеспечивает безопасность при отказе. Маршевый двигатель ВКС «Спейс Шаттл» — первый американский ЖРД с встроенной электронной системой управления на базе ЭВМ. Примером ее работы может служить циклограмма изменения тяги и давления в камере при полете корабля «Колумбия» 12 апреля 1981 г, (рис. 164). На рис. 164, а видно, что выход на режим осуществлялся плавно и укладывался в поле допуска. После 50 с работы на номинальном режиме двигатель перешел на режим дросселирования (65% номинальной тяги), продолжавшийся и соответствовавший участку максимального аэродинамического сопротивления, после чего вновь вышел на номинальный режим (рис. 164,б). После 460 с работы, по достижении предельно допустимого ускорения полета двигатель перешел на режим дросселирования с последующим остановом после 520 с работы (рис. 164, в). При останове импульс последействия оставался в заданных пределах. Большую часть узлов двигателя можно заменять как на заводе, так и в монтажно-испытательном корпусе космодрома, в том числе насосы, клапаны, расходомеры, зажигательные устройства, датчики и блок управления. После изготовления или ремонта каждого узла его основные характеристики подтверждаются специальными приемочными испытаниями, чаще всего включающими огневые испытания всего двигателя. Большинство этих узлов имеет хорошие эксплуатационные характеристики. Наиболее частой проверки требуют ТНА высокого давления. Ожидается, что к 1989 г. их ресурс также будет доведен до 55 включений.

Фирма «Рокетдайн» работает над дальнейшим усовершенствованием двигателя. Предложенные технические решения позволят, в частности, снизить температуру горячего газа на входе в турбину на по сравнению с нынешними и заменить трехканальный газовод, по которому горячий газ поступает от турбин к смесительной головке, двухканальным. Другие усовершенствования касаются смесительной голозки и камеры сгорания.