Теми же способами, что и увеличение удельного импульса, могут быть улучшены другие характеристики твердых ракетных топлив: плотность, механические свойства, стабильность, технологичность. Желательным свойством твердого топлива является его полимеризуемость при нормальной температуре. Это позволяет упростить технологический процесс изготовления РДТТ и используемое при этом оборудование, а также избежать термических напряжений в топливном заряде (которые возникают при полимеризации в условиях повышенных температур). С указанной целью предложены различные катализаторы, с введением которых одновременно улучшаются механические свойства заряда.
Эффективным считается и использование так называемых многофункциональных и комплексных добавок, позволяющих получать твердые топлива с заданным, оптимальным сочетанием свойств. Желаемый эффект может быть также достигнут изменением структуры известных компонентов, применением новых способов их изготовления или обработки, а также изменением химической технологии приготовления топлива.
Для обеспечения длительной работы РДТТ без ухудшения первоначальных характеристик большое значение имеет разработка эрозионностойких конструкционных и теплозащитных материалов, а также методов изготовления деталей из них. В особенности это касается столь напряженной части РДТТ, как горловина сопла. До недавнего времени в горловинах крупных РДТТ, рассчитанных на длительную работу и использование высокоэффективных топлив, применялись кольца из пиролитического графита в сочетании с другими деталями или графитовая ткань, намотанная из ленты. Первая конструкция имеет тенденцию к расслаиванию в процессе работы, а вторая подвергается значительной эрозии.
От этих недостатков свободны созданные недавно сопла, горловины которых изготовлены намоткой материала углерод—углерод (здесь и армирующие волокна, и связующее из углерода), с применением тканей с объемной (трехмерной) ориентацией волокон. Полученные таким образом детали воспринимают одновременно тепловые и механические нагрузки (давление газов). Надежность и высокая эрозионная стойкость новой конструкции подтверждены испытаниями экспериментальных РДТТ. Они показали, что сопло в течение 150 с может успешно противостоять продуктам сгорания смесевого топлива с 18 %-ным содержанием алюминия: средняя скорость эрозии горловины не превышает 0,04 — 0,05 мм/с. Это обстоятельство открывает широкие возможности для использования в РДТТ новых, более эффективных топлив и для увеличения продолжительности работы РДТТ.
Значительная доля (40–50 %) массы конструкции РДТТ приходится на корпус. Поэтому повышению прочности конструкционных материалов уделяется большое внимание. Характеристики освоенных металлических сплавов могут быть повышены соответствующей термообработкой. Применению новых металлических сплавов и технологических методов обработки препятствуют, однако, экономические ограничения: следует учитывать, что повышаются не только энергетические параметры РДТТ, но и его стоимость.
Дальнейшие перспективы усовершенствования РДТТ открываются в связи с применением в корпусах РДТТ конструкционных материалов из органопластиков. Эти пластики с армирующими наполнителями в виде органических волокон имеют более высокие механические свойства при меньшей плотности, чем стеклопластики. Удельная прочность уже используемых органопластиков с эпоксидным связующим составляет около 75 км. Предполагается довести в недалеком будущем этот показатель до 90 — 100 км за счет повышения характеристик армирующих волокон и применения лучших смолсвязующих. Последним способом можно также повысить сопротивление пластиков межслойному сдвигу и, следовательно, уменьшить размеры и массу соединительных деталей конструкции. Недостатком современных органопластиков является их относительная (по сравнению со стеклопластиками) дороговизна. Однако по мере более широкого применения этих материалов их стоимость будет неуклонно снижаться.
В последние годы достигнут существенный прогресс и в области теплоизоляционных материалов: созданы и получают применение композиции, характеризующиеся повышенной эрозионной стойкостью при пониженной (на 10–15 %) плотности (например, пластики с наполнителями из микросфер, неплотного углерода).
Следует также отметить большие успехи в создании эффективных систем и органов управления вектором тяги РДТТ, которые характеризуются высокой надежностью, быстродействием, малым потреблением энергии, небольшой массой и не приводят к заметным потерям удельного импульса РДТТ (обусловленным нарушением газового потока в сопле и отклонением реактивной струи). Примером таких управляющих органов являются эластичные подшипники, использующиеся, например, в РДТТ, о котором рассказывалось на стр. 34, или так называемые жидкостные подшипники, особенностью которых является наличие кремнийорганической жидкости, заполняющей замкнутое пространство вокруг горловины сопла, в месте качания. При отклонении сопла (при помощи приводов) эта жидкость перетекает из одной полости в другую, так что суммарный объем, занимаемый ею, остается неизменным. Такая конструкция позволяет отклонять сопло со скоростью 40 град/с, прилагая весьма малое усилие.
Многие из последних достижений в области РДТТ реализуются в конструкции твердотопливных двигателей, разрабатываемых для космического буксира IUS. Этот аппарат, полное название которого в переводе с английского означает «Инерциальная верхняя ступень», будет выводиться на низкие околоземные орбиты при помощи МТКК «Спейс Шаттл» или РН типа «Титан-3». Конструкция IUS основана на использовании двух базовых РДТТ-модулей: большого и малого, параметры которых представлены в таблице, приведенной на стр. 57.
Анализируя параметры двигателей IUS, приведенные в таблице, следует особо отметить, что номинальная продолжительность работы большего из них (152 с) является рекордной для современных РДТТ. На рекордном уровне находится и величина относительной массы топлива для этого двигателя — 94,6 %; таким образом, на конструкцию приходится около 5 % от массы снаряженного РДТТ.
Параметры РДТТ космического буксира IUS
Параметр Большой РДТТ Малый РДТТ Высота, м 2,97 1,90 Диаметр корпуса, м 2,31 1,61 Полная масса, кг 10 250 2910 Относительная масса топлива, % от полной 94,6 93,3 Полный импульс тяги, кН с 27 900 7760 Максимальная тяга, кН 266 106 Время работы, с 152 106 Удельный импульс, м/с 2863 2841
Такие рекордные показатели могут быть улучшены при применении в корпусах РДТТ конструкционных пластиков на основе высокотемпературных смол, способных работать при температурах 650–700 К. Это позволит снизить массу теплоизоляции. В дальнейшем также можно ожидать применения теплоизоляционных материалов на основе медленно горящих твердых топлив. С целью снижения массы конструкции РДТТ исследуется возможность намотки пластиковых корпусов непосредственно на топливные заряды без использования технологических оправок. В случае успеха этих работ не только станут ненужными соединительные крепежные детали, но и упростится процесс изготовленияРДТТ.
В дополнение к использующимся системам управления вектором тяги в космических РДТТ может найти применение также газодинамическая система (принцип работы которой изложен на стр. 36), усовершенствованная за счет использования продуктов сгорания, отводимых из камеры самого РДТТ, в качестве управляющего газа. Основная трудность здесь состоит в создании клапанов, могущих работать в среде высокотемпературногогаза.
Значительным техническим достижением является создание в последние годы сопел изменяемой формы. Выходная (расширяющаяся) часть их состоит из нескольких сегментов, при перемещении которых сопло раздвигается наподобие телескопической трубы или раскрывается подобно зонтику. В числе ближайших областей применения таких конструкции рассматриваются верхние ступени РН и космические аппараты. До включения РДТТ их сопла будут находиться в сложенном положении, что позволит значительно сократить размеры и массу переходных отсеков ракет. В результате масса полезного груза может быть увеличена в той же степени, что и при повышении удельного импульса РДТТ на 100–250 м/с. Сопла изменяемой геометрии выгодно применять и в двигателях первых ступеней РН: постепенное раскрытие их по мере подъема ракет обеспечит расширение реактивной газовой струи до давления, близкого к окружающему, а это является условием получения максимального удельного импульса.
