'Водородный клуб'

   

    Недавние события вокруг продажи Индии российских ракетных технологий позволили высветить положение дел с применением водородного топлива в отечественных ракетных и космических системах. Так почему сейчас единственным нашим носителем, в составе которого используется ступень с кислородно-водородными двигателями, является тяжелая ракета "Энергия"?

    Вспомним, как недавно описывали преимущества универсальной ракетной транспортной космической системы (УРТКС) "Энергия" - "Буран" и журналисты, и официальные представители отечественной космонавтики. Подчеркивалось: при создании комплекса применены самые передовые научно-технические решения, соответствующие мировому уровню. Называлось использование в качестве маршевых высокоэффективных кислородно-водородных жидкостно-ракетных двигателей (ЖРД).

    Однако люди, интересующиеся состоянием мирового ракетостроения и космонавтики, не могли при этом не спросить: "Как случилось, что кислородно-водородные ЖРД, широко применяющиеся за рубежом уже почти три десятилетия, в Союзе были впервые установлены на ракете, совершавшей первый старт 15 мая 1987 г.?" Вопрос остался без ответа.

    Попробуем докопаться до истины. Прежде об истории применения жидкого водорода в качестве горючего для ЖРД, о преимуществах и недостатках, присущих этому компоненту.

    Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским. Он писал, что топливная пара ЖК+ЖВ энергетически самая выгодная. Позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза (ПГ) по сравнению с другими видами топлива, не содержащими в качестве компонентов ЖВ. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности. Первая - большая сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина). Вторая - неудовлетворительные физические параметры - чрезвычайно низкая температура кипения (-243њ С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента.

    Один из основоположников практического отечественного ракетного двигателестроения В. П. Глушко еще на заре своей деятельности в этой области достаточно скептически относился к возможности использования ЖВ в качестве горючего для ЖРД даже в далеком будущем. Он ссылался при этом прежде всего на его малую плотность (топливная пара ЖК+ЖВ в 3,5 раза легче топлива ЖК+керосин), требующую больших и тяжелых баков для размещения горючего на ракете. Трудно иметь дело с водородным топливом из-за его низкой температуры хранения и большой взрывоопасности. Зато долгохранимые компоненты (углеводороды, амины, синтетическое горючее и т. п.), не требуют при эксплуатации специальных мер по защите от выкипания. Глушко видел перспективы применения в ракетно-космической технике топлив, имеющих гораздо более низкие по сравнению с водородом энергетические, но более высокие эксплуатационные характеристики - большую плотность и высокую температуру кипения. В расчете на такие топлива он и пытался развивать основные направления в разработке ЖРД в СССР. Зачастую вступал в разногласие с другими ведущими специалистами отечественного ракетостроения, в том числе их С.П. Королевым. Тот признавал трудности в создании кислородно-водородных ракет, но видел их большие преимущества в будущем.

    Скепсис Глушко разделяли и другие ведущие советские специалисты. Их нежелание начать широкие исследования и отсутствие хорошо оснащенной опытной базы привело к тому, что высоко-энергетическое криогенное горючее долгое время оставалось в тени у отечественных двигателистов.

    Что за рубежом? Из-за различия в подходах к разработке ЖРД специалисты до начала 1950-х годов не смогли определиться, какие же основные требования следует предъявлять к ракетному топливу? Потому с середины . 1940-х исследования различных ракетных топлив (главным образом в США) велись широко. Ни одной из рассматриваемых топливных пар не отдавалось предпочтение. Предполагалось, что в будущем большинство из них сможет найти свою область применения.

    Одним из топлив стало кислородно-водородное. Эксперименты с ним велись в США со второй половины 1940-х годов. Первый опытный ЖРД испытан в 1949-м. Примерно до середины 1950-х исследования не выходили из рамок НИОКР. Затем для повышения удельного импульса ЖРД (основной энергетический показатель перспективных, в том числе и космических, систем) работы набрали темп. Интерес к ЖВ стал очевидным не только в ракетостроении, но и в авиации, атомной промышленности.

    В 1958-м под эгидой управления перспективных исследований АРПА министерства обороны США были предложены первые достаточно реальные проекты ракет с водородными двигателями. В октябре того же года начались разработки, а в июле 1959-го состоялись первые наземные испытания стендового образца кислородно-водородного ЖРД. Он и стал прототипом двигателей перспективных ракетно-космических систем.

    Примерно тогда же руководство по всем направлениям ракетостроения и космонавтики было сосредоточено в Национальном управлении по аэронавтике и космическим исследованиям (НА-СА). Правительственную поддержку получили исследования водородных двигателей.

    В 1959 г. НАСА выдало фирме Конвэр крупный заказ на проектирование кислородно-водородного блока "Центавр". Он мог в будущем использоваться в качестве верхних ступеней таких РН, как "Атлас", "Титан" и вновь разрабатываемой тяжелой ракеты "Сатурн". ЖРД для блока "Центавр" создавала фирма "Пратт энд Уитни".

    В ноябре 1963-го стартовала РН "Атлас-Центавр", первая в мире действующая ракета с кислородно-водородной верхней ступенью. Потом различные модификации ступени "Центавра" за-действовались во многих космических программах США, использовались более 60 раз. Они показали высокие характеристики ракеты и ЖРД, их большую надежность.

    Параллельно с началом летных испытаний РН "Атлас-Центавр" в период подготовки и осуществления национальной программы высадки человека на Луну "Аполлон" фирма Рокетдайн создала гораздо более мощный кислородно-водородный двигатель. С февраля 1966-го он применялся на верхних ступенях РН семейства "Сатурн".

    Летным испытаниям и эксплуатации предшествовал огромный объем наземных стендовых испытаний одиночных ЖРД и двигателей в составе ступеней РН "Сатурн". Когда в 1985 г. закончилась программа "Сатурн-Аполлон", носители этого семейства применения не получили.

    С 1972 г. в рамках программы разработки многоразовой транспортной системы фирма Рокетдайн, опираясь на опыт отработки двигателей для носителей семейства "Сатурн", приступила к созданию мощного многоразового кислородно-водородного ЖРД эффективной замкнутой схемы с очень высокими параметрами. С апреля 1981-го он используется в качестве маршевого для орбитального самолета системы "Спейс Шаттл". До 1987 г. был самым мощным и экономичным кислородно-водородным ЖРД в мире.

    Правда, еще в первой половине 1960-х годов фирмы Аэроджет и Пратт энд Уитни предлагали проекты более мощных и эффективных водородных двигателей. Но они не были реализованы главным образом из-за свертывания программы разработок в рамках проекта "Сатурн-Аполлон".

    Кроме двигателя для системы "Спейс Шаттл", фирма Рокет-дайн с конца 1970-х проводит разработку и стендовые испытания перспективного космического водородного ЖРД с очень высокими значениями удельного импульса. Применение планируется в будущих межорбитальных буксирах для перевода ПГ с низкой околоземной на геостационарную орбиту и сообщения аппаратам скорости большей, чем вторая космическая.

    Вслед за американским НАСА в составе своих РН кислородно-водородные верхние ступени использовало Европейское космическое агентство (ЕСА). В декабре 1979-го начались летные испытания европейской РН "Ариан" с криогенной третьей ступенью. Двигатель для нее разрабатывался французской фирмой СЕП и западногерманской МВБ. Этот небольшой достаточно простой по конструкции ЖРД открытой схемы имеет средние показатели удельного импульса. С некоторыми усовершенствованиями он до сих пор применяется на третьих ступенях РН семейства "Ариан". В рамках программы создания новой тяжелой РН "Ариан-5" Франция и ФРГ разрабатывают мощный кислородно-водородный двигатель. По характеристикам и схеме он близок к ЖРД фирмы Рокетдайн, стоявшему на верхних ступенях РН семейства "Сатурн".

    Следующей по счету страной, вступившей в своеобразный "водородный клуб", стала... нет, не наша страна, а Китайская Народная Республика. Она осуществила запуск РН "Чан Чжен-3" с кислородно-водородной третьей ступенью в январе 1984 г. Появление китайской ракеты с высокоэнергетической ступенью не было неожиданностью. О работах объявлялось заранее вполне официально. Правда, по мнению зарубежных экспертов, научно-технический уровень Китая не позволял самостоятельно создать действующий кислородно-водородный ЖРД. Но факт остается фактом - к началу 1992 г. с помощью РН "Чан Чжен-3", эксплуатирующейся с низким темпом запусков, на геостационарную орбиту выведено около десятка спутников. В иностранной печати есть сообщения о том, что работы по криогенным ЖРД начались в Китае в середине 1970-х при скрытном содействии Франции и ФРГ. Они передали КНР технологию разработки своих экспериментальных двигателей 1970-х годов.

    В августе 1986-го Япония стала четвертой "водородной" страной. РН "Эйч-1", строившаяся в Японии по лицензии США, имела только одну ступень собственного производства' - вторую. Именно на ней и был установлен кислородно-водородный двигатель. Его характеристики приближаются к ЖРД третьей ступени РН "Ариан" и блока "Центавр", но несколько превосходят китайский двигатель третьей ступени РН "Чан Чжен-3".

    Параллельно со второй ступенью РН "Эйч-1" Национального управления по исследованиям космоса НАСДА для выведения прикладных спутников на геостационарную орбиту в Японии долгое время разрабатывалась криогенная верхняя ступень для твердотопливной РН/Мю3С-Кай-2" Токийского университета ИСАС для запуска научно-исследовательских аппаратов. Кроме того, ряд частных фирм во второй половине 1980-х годов предлагал небольшую криогенную ступень с очень несложным ЖРД для замены твердотопливной третьей ступени РН "Эйч-1". Цель: примерно на 70-80% увеличить массу спутника, выводимого на геостационарную орбиту.

    Сейчас все эти работы прекращены. Япония создает собственную мощную трехступенчатую РН "Эйч-2". На второй ее ступени будет установлен мощный кислородно-водородный ЖРД, по тяге и удельному импульсу занимающий промежуточное положение между двигателем Европы для РН "Ариан-5" и маршевым ЖРД фирмы Рокетдайн для системы "Спейс Шаттл". На третью ступень РН "Эйч-2" устанавливается усовершенствованный вариант ЖРД, созданного для второй ступени РН "Эйч-1". Оба двигателя проходят стендовую отработку. Эксплуатация новой ракеты начнется в середине 1990-х годов.

    В СССР НИОКР по водородному топливу велись все это время, не приводя, однако, к появлению действующей ракетной ступени. Основным доводом отечественных противников применения водорода было то, что выигрыш в массе ПР за счет большого удельного импульса ЖРД сводился фактически на нет огромными габаритами и массой водородного бака.

    Однако этот довод справедлив лишь для сравнительно небольших ракет. При увеличении размерности преимущества "неводородных" постепенно стираются. С увеличением габаритов и масс системы выигрыш от применения ЖВ становится очевидным. Это в полной мере проявляется в ракетах сверхтяжелой размерности.

    Кроме того, существует определенная область энергетики космических полетов. В ней отказ от применения криогенного топлива можно объяснить только отсутствием опыта эксплуатации кислородно-водородных ЖРД или другими, не вполне ясными причинами. Это полеты на геостационарную орбиту и к дальним планетам Солнечной системы.

    Отсутствие в СССР реального прогресса в таких отраслях, как криогенная техника, материаловедение и некоторые другие, неуверенность бюджетных монополистов в необходимости создания кислородно-водородных ступеней поначалу приводили к отставанию. Разработка отечественных водородных ЖРД получила существенное ускорение лишь после успеха американской ракеты "Атлас-Центавр". В этот момент сотрудники ОКБ-1, руководимого С.П. Королевым, серьезно взялись за проектирование высокоэнергетической третьей ступени для уже летавшего тогда носителя, получившего потом наименование "Союз".

    Применив на этой ступени водород вместо штатного керосина, можно было увеличить массу ПР выводимую на низкую околоземную орбиту, более чем на 35-40%. Кроме того, такая ракета могла использоваться для запуска аппаратов на высокоэллиптические и геостационарные орбиты и к планетам. Выигрыш в массе ПР стал бы еще более значителен, нужда в четвертой ступени, которая обычно служила для этих целей в РН "Союз", отпадала.

    ЖРД для кислородно-водородной ступени начал разрабатываться в двигательном отделе того же ОКБ-1. Инициатором работ был Мельников. Под его руководством несколько раньше проектировались кислородно-керосиновые двигатели для третьей ступени РН "Восток" и высокоэкономичный ЖРД замкнутой схемы для четвертой ступени РН "Союз" и другие двигатели.

    В качестве одной из возможных нагрузок для будущей РН рассматривалась небольшая орбитальная станция. Она создавалась с широким использованием элементов и систем закладывавшегося тогда же корабля "Союз". Но высокоэнергетическая ступень для него не была доведена до стадии летного использования. Сделали лишь наземный стенд для проверки принципов создания кислородно-водородных ЖРД, и ступеней, тренировки наземного персонала в обращении с водородным топливом.

    В первой половине 1960-х годов в СССР началось развертывание широкомасштабной программы высадки человека на Луну Н1-Л3. В ОКБ-1 разрабатывался трехступенчатый тяжелый носителе с высокоэффективными кислородно-керосиновыми ЖРД да всех ступенях. Главный конструктор новой ракеты Н-1 С.П.Королев е самого начала предусматривал постепенную замену керосина на водород в последующих модификациях РН. Однако широко работы по водородному топливу применительно к Н-1 смогли развернуться значительно позже.

    Уже после смерти С.П. Королева для новой, значительно более совершенной программы экспедиции на Луну создавался единый кислородно-водородный блок. Он должен был заменить сразу два кислородно-керосиновых блока стандартного корабля Л-3 для высадки на Луну. Работы по новому блоку были доведены до стадии выпуска проектной документации на летное изделие. Ступень разрабатывалась в ОКБ-1 в отделе, ведущем работы по Н-1, а двигатели для нее в начале 1970-х годов создали в ОКБ А.М. Исаева.

    Первый советский кислородно-водородный ЖРД, построенный по совершенной замкнутой схеме, получился очень экономичным и надежным. Он превосходил по своим характеристикам двигатель аналогичного класса тяги, созданный фирмой "Пратт-Уитни" для ступени "Центавр". Работы в ОКБ Исаева дошли до стадии наземных испытаний ЖРД.

    20 лет этот двигатель многократно испытывался на стенде при различных режимах работы, подтверждая свои высокие характеристики.

    Далее в рамках программы модернизации Н-1 предполагалось заменить кислородно-керосиновую третью ступень этой ракеты на кислородно-водородную, увеличив таким образом массу РП примерно на 20-30%. В качестве нагрузки для этой ракеты фигурировала тяжелая пилотируемая модульная станция МОК - многоцелевой орбитальный комплекс. Криогенные ЖРД для новой ступени разрабатывались в авиадвигателестроительном ОКБ А.П. Люльки. Двигатель в целом был создан, но к моменту принудительного закрытия программы ракеты Н-1 полный объем наземной отработки успели пройти только отдельные его агрегаты. Параллельно с подготовкой к стендовым испытаниям этого ЖРД в ОКБ А.П. Люльки разрабатывался его модифицированный вариант с раздвижным соплом.

    Начинали заниматься водородом и в ОКБ Н.Д. Кузнецова, отвечавшем за создание керосиновых ЖРД для всех ступеней Н-1, незаслуженно преданных потом забвению. Предполагалось со временем установить такой кислородно-водородный ЖРД на второй ступени Н-1. В будущем керосиновой должна была остаться только первая ступень этой сверхтяжелой ракеты - остальным и разгонным блокам следовало работать на водородном топливе. Эти мероприятия резко увеличивали и массу ПР, и возможности РН.

    Поняв, что без водорода в космонавтике все-таки не обойтись, начал заниматься им и его ярый противник - Глушко. Для того чтобы избавиться от одного из самых очевидных недостатков водородного топлива - малой плотности, - он предлагал заменить кислород в топливной паре на другие, более плотные окислители, в частности фтор. Таким образом одновременно с увеличением плотности топлива в два раза улучшались и его энергетические показатели.

    Проектируемый в ОКБ Глушко фторо-водородный двигатель предполагалось установить на одной из модификаций РН "Протон". Однако из-за многих (в том числе и экологических) причин работы не вышли из стадии НИОКР.

   

    В середине 1970-х годов, после закрытия лунной программы, на смену ракете Н-1 пришел проект УРТКС, названный впоследствии "Энергия" - "Буран". Вставший во главе разработчиков системы, Глушко понимал, что, не имея опыта летной эксплуатации, ЖРД целиком на криогенных компонентах многоразовый с необходимыми параметрами создать в требуемые сроки не удастся. Однако в предлагаемой концепции УРТКС нужды в нем не было.

    Разработку маршевого двигателя, по характеристикам близкого к ЖРД системы "Спейс Шаттл", поручили воронежскому КБ "Химавтоматика", ранее известному как ОКБ С.А. Косберга. Его там и построили. Он прошел наземную отработку, испытан в двух полетах УРТКС.

    Для одного из ранних вариантов УРТКС Глушко предполагал разработать высокоэнергетическую верхнюю ступень с двигателями сравнительно небольшой тяги, но высокого удельного импульса. Однако из-за того что работы были сосредоточены главным образом на создании двухступенчатой системы типа "Энергия", разработка подобного двигателя была остановлена. Сейчас в качестве высокоэнергетической верхней ступени для УРТКС "Энергия" предполагается использовать криогенный разгонный блок с двигателями - вариантом ЖРД разработки ОКБ А.М. Исаева.

    В рамках программы повышения энергетических возможностей РН "Протон" КБ "Салют" создает криогенную верхнюю ступень, позволяющую примерно вдвое увеличить массу ПР, выводимого на геостационарную орбиту. В качестве двигателя для этой ступени возможно будет использован все тот же "исаевский" ЖРД. Летные испытания нового варианта РН "Протон" с водородной четвертой ступенью при соответствующих ассигнованиях могут начаться уже в середине 1990-х годов.