Ernest (jr0) wrote,
Ernest
jr0

Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей


Эскиз многосегментного твердотопливного ускорителя для Space Shuttle, 1977.

Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты — только предыстория очерка.


Пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.


Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме. А есть и еще более удивительные источники о многоступенчатых пороховых ракетах: саксонец в Румынии Konrad Haas и баварец Johann Schmidlap, авторы описаний таких ракет еще на век ранее.

2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.

Патент Годдарда 1914 года на многоступенчатую пороховую ракету с дискретной подачей зарядов бездымного пороха.

  • В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях. Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.


3. Ключевым недостатком пороховых двигателей являлась тогда скорость горения заряда.

В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.

Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.

4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман — американский аэродинамик — чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.

При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника — фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.

5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.

В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.

После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы — асфальты, смешанные с окислителем — перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.

Но это после войны. А за время ее главное достижение — пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной неуправляемой ракете Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).


На асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех! Первое применение смесевого топлива.

  • Примечание: это не первый твердотопливный ускоритель взлета. Первые, видимо, немцы: Уго Юнкерс в 1928 испытал гидросамолет с пороховым ускорителем взлета. Но речь не о порохах, а о смесевом топливе космических ракет.


6. Но только в 1946 GALCIT совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру и в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая.

Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:



1.  1949, Hughes AAM-A-2 Falcon (семейство развилось в Phoenix).



2.  1951, Redstone Arsenal M31 Honest John (на вооружении в США до 1982).



3. 1955, Lockheed X-17 (первая многоступенчатая такая ракета и прообраз Polaris).



4. 1958, Lockheed UGM-27 Polaris A-1 (семейство развивалось до Trident-1). Опыт с работой ускорителя JATO под водой провели еще в 1943.



5. 1961, Boeing LGM-30 Minuteman-1 (семейство до сих пор на вооружении).



6. 1960, NACA Langley center Scout X-1 (это Castor, в основе, — первая ступень Polaris; универсальная ступень многих космических ракет-носителей по сию пору).


7. 1965, Aerojet AJ-260-2 — опытная твердотопливная первая ступень вместо использовавшейся на Satun IB. Тяга 1800 тс, самая большая тяга одного двигателя в истории. Собственная масса ступени — 830 т. Прообраз первых ступеней Space Shuttle, Ares, SLS.

Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.

Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout — самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.

Надо бы закончить на Trident-II — 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB — 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как верхняя ступень современных космических носителей.

Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист, член Ордена восточных тамплиеров Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952). Джон погиб при взрыве домашней лаборатории перед переездом в Месксику и далее в Израиль!

Добавлю познавательное видео об изготовлении второго по тяге двигателя, для SLS, — 1600 тс:



Схема обслуживания ракеты Trident II D5 на лодке.

Высота это важнейший параметр лодочной ракеты, определяющий стоимость корпуса лодки.
Подобное обслуживание ракеты с ядовитым толпивом было бы затруднено. Одна из важных предпосылок надежности.

* * * *

И для сравнения летопись достижений последователей:

— В СССР работы начаты в 1959. В 1959 в СССР попала AIM-9 из Китая, а в 1960 Р-13 на ее основе начала испытания. В 1961 начали проект МБР РТ-2, испытания с 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Нет, не все.

  • Еще в 1962 испытана "твердотопливная МБР" РТ-1, разрабатывавшаяся с 1959. Но на нитроглицериновом порохе в четырех стеклопластиковых корпусах, диаметром по 800 мм. Испытания неудачны.


— Во Франции начали в 1962. Испытания c 1966 — S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.

— В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ступени для Vega и будущей Ariane 6.

— В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семейства Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции и В СССР), а в 1970 — удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Смесевое топливо разработано самостоятельно. Но уже Mu на основе технологии американских Castor и Nike. С 1966 сильно, а потом и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет обозначают греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), теперь Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени. А еще, их ускорители первой ступени имеют сейчас рекордный среди смесевых удельный импульс (расход топлива).

— В Индии космическая программа началась в 1962, пуск смесевой американской Nike-Apache (1963). Потом семейство малых геодезических смесевых ракет Rohini (1965) — доработок Nike. Пустили твердотопливный носитель SLV (1979) с малым спутником (1980); далее ASLV (1987), смешанные PSLV (1993). И вот GSLV (2010), у которого центр на НДМГ, а два твердотопливных ускорителя S200 — третьи по тяге после самых мощных американских и французских: заряд 200 т, тяга под 800 тс. Собственно, индийские работы теперь ближе к прежнему Ariane 4 и его технологиям P230. То есть топливо у них модное HTPB. По твердотопливникам обставили Китай.

  • Этот очерк без выводов. Не перевод и не конспект, а факты с датами.



Tags: thiokol, история, космос, ликбез, сша
Subscribe
promo jr0 november 30, 2014 17:13 70
Buy for 10 tokens
Эскиз многосегментного твердотопливного ускорителя для Space Shuttle, 1977. Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты — только предыстория очерка. Пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 70 comments