Статья А.Санина

Авиация и космонавтика
№ 1 / 1991

В одной упряжке мороз и пламя

В статье "Первый полет" ("Авиация и космонавтика", 1989, N4) авторы В.Кравец и О.Бабков, характеризуя объединенную двигательную установку (ОДУ) орбитального корабля "Буран", пишут, что в ее состав входят 48 двигателей трех размерностей по тяге. Однако сложность и новизна ОДУ определяются не столько количеством двигателей и разнообразием решаемых с их помощью задач, сколько новыми техническими решениями, необходимость которых была вызвана выбором топливной пары "жидкий кислород + углеводородное горючее".

Даже теперь, спустя почти полтора десятилетия, этот выбор не кажется бесспорным для многих специалистов. Дело в том, что для двигательных систем подобного типа использование криогенного топливного компонента, такого, как жидкий кислород, связано с решением множества технических проблем. Ведь до сих пор в мировой практике двигательные установки для орбитальных космических аппаратов создаются исключительно на базе некриогенных топлив либо однокомпонентных (гидразин, перекись водорода), либо двухкомпонентных (окислитель - азотный тетроксид, горючее - производные гидразина). Почти все эти вещества (кроме перекиси водорода) высокотоксичны, а некоторые производные гидразина, кроме того, еще и экологически опасны.

Использование же кислородно-углеводородного топлива позволило значительно повысить энерговооруженность "Бурана", сделать его эксплуатацию более безопасной и экологически чистой. И это особенно важно для многоразовых транспортных космических систем. И еще. Появилась возможность объединить ОДУ с другими бортовыми системами "Бурана", использующими кислород, например, электропитания и жизнеобеспечения.

Техническое своеобразие установки во многом определилось повышенными требованиями к безопасности и надежности, обеспечению многоразовости, выхода из нештатных ситуаций и др. Кроме того, влияние массы топлива на центровку "Бурана" как крылатого летательного аппарата также сказалось на ее техническом облике. И потому неудивительно, что создание ОДУ оказалось очень сложным делом и потребовало многих сил от конструкторов, производственников и испытателей.

Чтобы читатели имели более полное представление о возможностях "Бурана", приведем несколько цифр в дополнение к тому, что уже было сказано в вышеупомянутой статье. Тяга каждого из двух двигателей орбитального маневрирования - 90 кН, их пустотный удельный импульс тяги - 362 с, число включений за полет - до 15. Любой из 38 двигателей управления имеет тягу 4 кН, удельный импульс тяги 275-295 с и число включений до 2000 за полет. Они не только управляют положением, но и обеспечивают перемещение центра масс орбитального корабля в пространстве. А установки прецизионной ориентации (их восемь), каждая с тягой 200 Н, только поддерживают его в определенном положении.

Что касается заправки и хранения компонентов топлива, контроля за их состоянием, управления потоками жидкостей и газов, включения и выключения, то все эти операции выполняются агрегатами пневмогидравлической системы, а также приборами и датчиками систем управления и измерений. Объединение их в конструктивные блоки облегчило условия монтажа и эксплуатации ОДУ.

В то же время применение криогенного окислителя в установке с большим числом двигателей управления, значительно удаленных от топливных баков, рассчитанной на продолжительность орбитального полета до 30 суток, потребовало прежде всего решить две весьма сложные задачи: обеспечить длительное хранение жидкого кислорода в баке при наличии теплопритока извне и постоянное присутствие окислителя (с соответствующими параметрами) на входе в двигатели управления с целью включения их в любой момент полета.

Первая задача была решена за счет глубокого охлаждения (до -210 град. С) кислорода и заправки его в единый теплоизолированный бак, который снабжен средствами перемешивания для выравнивания температуры в полете. В таком состоянии хранится весь запас кислорода, предназначенный как для основных (маршевых), так и для двигателей управления. Все это позволяет избежать потерь в течение 15-20 суток, а более длительный полет будет обеспечиваться с помощью холодильной машины.

Для второй задачи найдено нетрадиционное решение. Питание двигателей управления осуществляется за счет газообразного кислорода, получаемого в специальном бортовом газификаторе путем сжигания в жидком кислороде небольшой доли горючего.

Несколько слов о других решениях, которые отличают ОДУ "Бурана" от существующих. К ним можно отнести: применение в двигателях управления электрического зажигания, охлаждение газообразным кислородом, использование капиллярных заборных устройств. Наличие мощной маршевой установки позволяет сегодня проводить ускоренную выработку топлива в нештатных ситуациях, а в перспективе - повысить общую эффективность системы "Буран-Энергия" за счет включения этих двигателей на активном участке.

Как же действует ОДУ? Напомним, что рабочим телом управления пневмогидравлической системы является гелий, который хранится в шаровых баллонах, погруженных в жидкий кислород. Последовательность и логика работы системы определяются программой и алгоритмами, заложенными в бортовой вычислительной машине и приборах систем управления и технической диагностики.

Перед запуском маршевого двигателя с помощью двух управляющих в течение 20-25 с создается предварительная осевая перегрузка, составляющая 0,001 земной. Под ее действием жидкости в топливных баках приливают к выходным клапанам и запускаются насосы предварительной подкачки, расположенные непосредственно на баках.

В процессе рабойы маршевого двигателя топливные емкости наддуваются гелием, который перед подачей в бак горючего подогревается в регенераторе тепла. После того как выдан заданный импульс тяги, он отключается, закрываются разделительные клапаны и прекращается наддув.

Двигатели же управления питаются окислителем от ресиверов, в которых находится газифицированный кислород при давлении 2,5-5,0 МПа. Его запаса хватает на работу в течение двух-трех секунд десяти таких двигателей. Когда же давление в ресиверах падает до 3,0- 2,5 МПа, по команде соответствующего сигнализатора в работу включаются один или два газификатора окислителя.

Горючее к двигателям управления подается от вспомогательных баков высокого давления, снабженных разделительной мембраной. Предусмотрена и их дозаправка из основной емкости с помощью специального насоса.

Если в процессе выведения произошел отказ одного из двигателей ракеты "Энергия" и должен реализоваться маневр возврата "Бурана" на аэродром вблизи стартового комплекса, то основной задачей ОДУ становится интенсивная выработка и слив топлива из баков для обеспечения необходимой центровки корабля к моменту отделения его от носителя. Для этого предусматривается одновременное включение двух маршевых двигателей, а также сброс газообразного кислорода через специальные патрубки. После отделения "Бурана" от аварийного носителя их работа будет продолжаться до полной выработки топлива.

Надежность работы установки достигается резервированием ее жизненно важных элементов в сочетании с возможностью отключения отказавших и включения резервных элементов. Эти действия выполняет функциональная система контроля, диагностики и аварийной защиты ОДУ. Ее основу составляют бортовые средства, работающие в автоматическом режиме, которые позволяют также проводить защитные операции как экипажем, так и наземным комплексом управления. В бортовую часть системы входит около 100 датчиков различных типов (давления, перепадов давления, температур, вибраций, перемещений) и столько же пневмореле, а также вычислительные устройства и органы управления ОДУ при аварийных ситуациях.

Быстроразвивающиеся и потому особо опасные отказы "роторно-огневых" агрегатов (маршевых двигателей и газификаторов) контролируются специальными вычислительными устройствами - модулями средств аварийной защиты. Опасные последствия отказов, связанных с неисправностями ротора турбонасоса, предупреждаются путем контроля составляющих спектра виброперегрузок.

В других системах ОДУ отказы после их обнаружения развиваются до опасных пределов за время, достаточное для контроля, диагностирования и аварийной защиты с помощью центрального вычислительного комплекса "Бурана" (не менее 0,03 с). В этих случаях основными задачами являются поиск и устранение различных негерметичностей, которые при длительном полете могут привести к потере рабочего тела.

Особое внимание при разработке системы контроля, диагностирования и аварийной защиты обращалось на невыдачу ложных команд и информации.

ОДУ "Бурана" - первая установка нового класса на нетоксичных криогенных топливах. Оценку ее технического уровня можно сделать лишь путем сравнения с функциональным аналогом - вспомогательной установкой космического корабля "Спейс шаттл". Показатели ОДУ "Бурана" существенно превосходят американский аналог по тяге маршевых двигателей (больше чем в три раза) и по их удельному импульсу (выше на 50 с). "Плата" за эти преимущества (включая и нетоксичность топлива) - сложность пневмогидравлической системы ОДУ и, как следствие, увеличенная масса конструкции по сравнению с "Шаттлом" - примерно на 1100 кг.

Из графика видно, что использование криогенной ОДУ дает итоговый выигрыш по массе полезного груза в широком диапазоне характеристических скоростей (от 300 м/с и выше), типичном для большинства практических задач орбитальных кораблей "Буран" и "Спейс шаттл".

И еще. С увеличением характеристической скорости возрастает "ценность" удельного импульса тяги, а также сказывается повышенный энергозапас (суммарный импульс тяги), содержащийся в основной заправке ОДУ "Бурана". Немалую положительную роль играет и возможность объединения ОДУ с системой электропитания по кислороду.

Итак, сделан первый шаг. Впереди - новые полеты, в которые орбитальный корабль "Буран" вновь поведет криогенная ОДУ, объединившая в себе космический холод жидкого кислорода с пламенем ракетных двигателей.

Б. СОКОЛОВ, заместитель главного конструктора НПО "Энергия", доктор технических наук;
А. САНИН, кандидат технических наук