книги из ГПНТБ / Мошкин, Е. К. Развитие отечественного ракетного двигателестроения

2.2.ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Всвязи с успешными пусками весной 1928 г. ракет на бездымном порохе лаборатория Н. И. Тихомирова была расширена и переименована в Газодинамическую лабо­ раторию (ГДЛ) с подчинением Военно-научно-исследо­ вательскому комитету при Реввоенсовете СССР. Перво­ начально задачей ГДЛ являлась разработка ракет на твердом топливе, которым служили высококачественные бездымные пороховые шашки. Вскоре ГДЛ приступила также к созданию пороховых стартовых ускорителей и тормозящих устройств для самолетов. На основании ус­

пешных результатов опытных работ Н. И. Тихомирова и В. А. Артемьева по созданию ракет Главным артилле­ рийским управлением РККА было принято решение об усилении ГДЛ специалистами и о расширении производ­ ственно-лабораторной базы.

Основная опытно-исследовательская база ГДЛ с мая 1928 г. размещалась на Научно-испытательном артилле­ рийском полигоне (НИАП) под Ленинградом, конструк­

оказывали председатель ВСНХ, а затем нарком тяжелой промышленности, Г. К. Орджоникидзе и, особенно, Мар­ шал Советского Союза М. Н. Тухачевский, которому ГДЛ была непосредственно подчинена.

В1930 г. в возрасте 70 лет Н. И. Тихомиров скончался. В связи

с50-летием со дня организации ГДЛ ее создателю и руководителю патриоту и ученому Н. И. Тихомирову воздвигнут памятник. Имя

Н. И. Тихомирова навсегда вошло в историю ракетной техники СССР

иприсвоено одному из кратеров на обратной стороне Луны.

С1930 г. руководителем ГДЛ стал талантливый воен­ ный инженер-артиллерист Борис Сергеевич Петропав­

ловский. С 1930 до 1933 г. в ГДЛ разрабатывались по­ роховые реактивные снаряды (PC) калибров, в частно­ сти, 60; 65; 70; 82; 132. Уже в середине 1931 г. под разра­ ботанные реактивные снаряды ГДЛ создаются проекты самолетных пусковых устройств, а в 1932 г. начались практические летно-полигонные стрельбы снарядами РС-82 с самолета И-4. Летом 1932 г. бьщи проведены

•80

официальные стрельбы снарядами РС-82 с самолета И-4, вооруженного шестью пусковыми реактивными установ­ ками.

Наряду с совершенствованием авиационных реактив­ ных снарядов велись широкие исследования по исполь­ зованию PC в наземных условиях с помощью специаль­ ных легких пусковых устройств.

Большую роль при выполнении боевых операций в годы Великой Отечественной войны сыграл бесствольный многозарядный миномет — боевые машины БМ-13-СН, БМ8-48, БМ31-12 и их модификации, предназначенные для стрельбы реактивными снарядами. Миномет во вре­ мя войны назывался гвардейским; в народе он получил название «Катюша».

Развитие гвардейского миномета «Катюша» можно разделить на три основных этапа. На первом этапе (1921—1929 гг.) был создан шашечный бездымный по­ рох, разработаны основы конструкции твердотопливных ракет и начаты их летные испытания; на втором этапе (1930—1933 гг.) завершено создание ракетных снарядов, прошедших официальные испытания, и на третьем этапе (1934—1941 гг.) создается гвардейская минометная ус­ тановка «Катюша»,

81

Опытные работы с пороховыми реактивными ускори­ телями для взлета самолетов и торможения их при по­ садке проводились с 1927 г. иа пороховой катапульте, а затем с учебным самолетом У-1. О конца 1931 г. работы по пороховому ускорителю продолжались с самолетом ТБ-1. 14 октября 1933 г. прошли с удовлетворительным результатом государственные испытания самолета ТБ-1, оборудованного стартовыми ракетами; применение стар­ товых ракет сократило разбег самолета на 77% при по­ летном весе 8 т. Пороховые ускорители разрабатывали Б. С. Петропавловский, Г. Э. Лангемак и др. При отра­ ботке ракетного старта значительный вклад внесли В. Н. Дудаков, летчик С. И. Мухин и механик А. И. Гриц­ кевич.

В 1933 г. были начаты работы по ракетному старту самолета ТБ-3 с полетным весом 20 т. В 1934 г. командо­ вание ВВС Красной Армии приняло решение о проведе­ нии испытаний реактивных ускорителей на трех самоле­ тах ТБ-1. Один из самолетов для этого совершил специ­ альный рейс по маршруту Ленинград — Москва — Ленинград. В целом испытания подтвердили эффектив­ ность применения ускорителей. Преимущество взлета самолетов с ускорителями стало для всех очевидным.

Наряду с разработкой ракет н ракетных двигателей на твердом топливе с 15 мая 1929 г. в ГДЛ развертыва­ ются работы над первыми отечественными ракетными двигателями: электрическими (ЭРД) и на жидких топли­ вах (ЖРД). В 1931 г. ГДЛ подразделялась на 7 секто­ ров (с 1932 г. — отделов): 1 — пороховых ракет (началь­ ник Г. Э. Лангемак); 2 — ракет на жидком топливе (на­ чальник В. П. Глушко) 3 — авиационного применения ракет (начальник В. И. Дудаков); 4 — минометный (на­ чальник Н. А. Доровлев); 5 — порохового производства (начальник И. И. Кулагин); 6 — производственный (на­ чальник Е. С. Петров); 7 — административно-хозяйст­ венный. С 1930 по 1933 гг. число сотрудников возросло с 23 примерно до 200 человек.

Организатором и руководителем работ по ЭРД и ЖРД, конструктором первого в мире электротермическо­ го ракетного двигателя и первого отечественного ЖРД был Валентин Петрович Глушко.

82

Валентин

Петрович

Глушко (фото 1931 г.'

В. А. Тимофеев, Н. М. Мухин, И. М. Панькии и др. Имена многих ученых ГДЛ носят кратеры на обратной стороне Луны.

В. П. Глушко родился 2 сентября 1908 г. в г. Одессе. Проблемой ракетоплавання начал интересоваться с '1921 г. С 1923 г. переписы­ вался с К. Э. Циолковским, который в предисловиях к своим книгам

ниях упоминает В. П. Глушко в числе лиц, способствовавших своими публикациями распространению идей звездоплавания.

С '1922 по 1924 гг. В. П. Глушко работал в Одесской Астрономи­ ческой обсерватории в качестве астроиома-иаблюдателя. Полученные им результаты публиковались в 1924—1925 гг. в Астрономическом бюллетене и в журнале общества «Мироведение». Молодой астроном был избран члеиом-сотрудииком, затем действительным членом Рус­ ского общества любителей мироведения (РОЛМ). По окончании уче­ бы на физико-математическом факультете Ленинградского Государ­ ственного универсистета (1925—'1929 гг.) В. П. Глушко начал рабо­ тать в Газодинамической лаборатории. Посвященная разработке ракетных двигателей дипломная работа вызвала интерес и получила одобрение экспертов отдела военных изобретений (Н. И. Тихомиро­ ва и М. В. Шулейкина). Материалы дипломной работы и явились первоначальной основой для развертывания экспериментальных ра­ бот по ЭРД и Ж РД в Газодинамической лаборатории.

В. П. Глушко является автором ряда научных статей и фунда­ ментальных трудов, в том числе книг «Ракеты, их устройство и при­ менение» (совместно с Г. Э. Лангемаком, 1935 г.), «Жидкое топливо для реактивных двигателей» (1936 г.) и др.

Будучи крупным ученым в области физико-технических проб­ лем энергетики, В. П. Глушко в 1953 г. избирается члеиом-коррес- помдеитом Академии наук СССР, а в 1958 — академиком. Он дважды Герой Социалистического Труда, Лауреат Ленинской и Государ­ ственной премий. Валентин Петрович неоднократно избирался депу­

83

татом Верховного Совета СССР. В 1972 г. Международная авиаци­ онная федерация (ФАИ) наградила В. П. Глушко как видного советского ученого в области развития ракетной техники п исследова­ ния физико-технических проблем энергетики Международным Дип­ ломом. Решения ФАИ являются международным признанием боль­ ших заслуг нашей Родины в изучении и исследовании космоса.

В Газодинамической лаборатории уже в 1929—1930 гг. практически была доказана принципиальная возмож­ ность создания электрического ракетного двигателя. Од­ нако в те годы решить весь комплекс вопросов, связан­ ных с окончательной отработкой ЭРД не представлялось возможным.

Поэтому основное внимание Газодинамической лабо­ ратории было сосредоточено на разработке ЖРД и ис­ следовании процессов его работы. В 1930 г. В. П. Глушко предложил и в дальнейшем исследовал различные компоненты топлива: азотную кислоту, растворы азотного тетроксида в азотной кислоте, тетранитрометан, пере­ кись водорода, хлорную кислоту, бериллий, жидкие го­ рючие и пороха с диспергированным бериллием; в 1933 г. им предложены в качестве окислителя смесь жидкого кислорода и жидкого фтора, в качестве горючего—рас­ творы пентаборана в керосине, фторо-водородное топливо

имногие другие.

В1931 г. им было предложено самовоспламеняю­

щееся топливо и химическое зажигание Г В качестве го­ рючих использовались бензин, керосин, толуол, бензол

идр.

Вэти же годы велась экспериментальная отработка

отдельных элементов жидкостных ракетных двигателей. В камерах сгорания пороховых опытных двигателей ис­

стендовых испытаний двигателей: пружинные и емкост­ ные регистраторы давления и тяги, индуктивные датчики1

самовоспламеняющиеся компоненты, либо применяется самовоспла­ меняющееся вспомогательное пусковое топливо, вводимое в камеру сгорания в начальный период работы двигателя.

84

расхода и отметчики времени с записью магнитоэлект­ рическим осциллографом и т. д. Разрабатывались схемы ЖРД с автоматически регулируемой переменной тягой при постоянном давлении в камере сгорания.

В1930 г. разрабатывалась конструкция первого в Советском Союзе лабораторного Ж РД ОРМ-1 (опытный ракетный мотор —• один) і.

В1931 г. в ГДЛ начались огневые испытания двига­ телей. На опытной лабораторной установке ОРМ испы­

тывались унитарные топлива — растворы горючего (толуола, бензина) в азотном тетроксиде2. В качестве топлива для ОРМ-1, изготовленного ів 1930—1931 гг., предназначались азотный тетроксид и толуол. Стендовые испытания проводились на жидком кислороде и бензине, поскольку эксперименты, ранее проведенные с ОРМ, по­ казали большую опасность запуска двигателя на высококипящем окислителе, особенно учитывая усложненную форму камеры сгорания ОРМ-1.

В 1932 г. для экспериментальных целей были разра­ ботаны, построены и испытаны двигатели от ОРМ-4 до ОРМ-22. В качестве окислителей применяли жидкий кис­ лород, азотную кислоту, азотный тетроксид, растворы азотного тетроксида в азотной кислоте. Азотный тетро­ ксид вырабатывался на собственной полузаводской уста­ новке, разработанной и введенной в эксплуатацию в 1931 г. В качестве горючих исследовались бензин, бен­ зол, толуол, керосин.

Впроцессе испытаний отлаживался запуск, совер­ шенствовалась организация внутрикамерных процессов, отрабатывались методы надежного охлаждения камеры сгорания.

В1933 г. в ГДЛ создаются опытные ЖРД от ОРМ-23 до ОРМ-49, на которых продолжаются исследования проблемных вопросов конструкции ЖРД. Для создания ЖРД, обеспечивающего достаточно высокий удельный импульс, работающего устойчиво, с одинаковыми показа­ телями при ряде последовательных испытаний, т. е. од­

нотипно, надежно и развивающего требуемую тягу,

1 Индексом ОРМ обозначались все ЖРД, разработанные под руководством В. П. Глушко в ГДЛ и РНИИ.

2 Азотный тетроксид (четырехокись азота) является высококнппщим окислителем для Ж РД - Он обеспечивает больший удельный им­ пульс, чем азотная кислота, но уступает ей в эксплуатационном от­ ношении, обладая более узким температурным интервалом со­ хранения жидкого состояния.

85

необходимо было выбрать компоненты топлива и наивы­ годнейшее соотношение между ними, разработать спосо­ бы подачи топлива в камеру сгорания, научиться орга­ низовывать процесс его горения. В этом же году созда­ ются конструкции Ж РД практического применения — ОРМ-50, ОРМ-51, ОРМ-52, работавшие на керосине и азотной кислоте как в чистом виде, так и в смеси с оки­ слами азота. В этих двигателях применялось разработан­ ное в ГДЛ химическое зажигание, т. е. зажигание с по­ мощью самовоспламеняющегося топлива. Для испытания двигателей в летных условиях в 1932—-1933 гг. был спро­ ектирован ряд опытных ракетных летательных аппара­ тов (РЛА).

2.3. ЖИДКОСТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И РАКЕТЫ ГДЛ

В Газодинамической лаборатории исследовались и разрабатывались электрический ракетный двигатель (ЭРД), жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), назы­ ваемые в то время ОРМ, и опытные образцы ракет, име­ новавшиеся РЛА.

Шаг за шагом улучшалась конструкция отдельных элементов и двигателя в целом, что в конечном счете при­ вело к созданию достаточно совершенного для того вре­ мени жидкостного ракетного двигателя ОРМ-52.

«Особо важные перспективы,—■писал М. Н. Тухачев­ ский в 1932 г., — связываются с опытами в ГДЛ над жидкостным реактивным мотором, который в последнее

Ю. А. Победоносцев и другие руководители и сотрудни­ ки ГИРДа, которым демонстрировалась работа ЖРД, построенных в ГДЛ. Так состоялись первые встречи со­ трудников ГДЛ и ГИРД.

Экспериментальный электрический ракетный двигатель

0 возможности применения электричества для при­ вода в действие ракетных двигателей упоминал К. Э. Циолковский. В 1933 г. К- Э. Циолковский писал:

«Лучшей передачей энергии является передача с помо-1

1 Космонавтика. М., «Советская энциклопедия», 1970, с. 93.

86

щыо электрического тока. Но как электроэнергию пре­ вратить в механическую работу?... С помощью электриче­ ского тока легко получить высокую температуру и хими­ ческое разложение вещества» Г

Автором первого в мире действующего электротерми­ ческого ракетного двигателя был В. П. Глушко.

В 1928—1929 гг. им разработан проект космиче­ ского ракетного корабля—гелиоракетоплана, движимого электрической энергией, вырабатываемой с помощью солнечных батарей, окружавших корабль в виде диска. В апреле 1929 г. Военно-научно-исследовательскому ко­ митету при Реввоенсовете СССР В. П. Глушко была представлена работа «Металл как взрывчатое вещество. Реактивный двигатель с высокой скоростью истечения»12. Эта работа, являвшаяся частью проекта, и послужила основой при создании электрического ракетного двигате­ ля в ГДЛ.

Первоначально подразделение ГДЛ по разработке и испытанию ЭРД (1929—4930 гг.) размещалось в высоковольтной лаборатории Физико-технического института, директором которого был академик А. И. Иоффе. Сама лаборатория, возглавляемая академиком А. А. Чернышевым, находилась в Лесном под Ленинградом и в 1930 г. была реорганизована в Электрофизический институт. В 1932—1933 гг. работы по ЭРД проводились иа территории Иоаиновского равелина Петропавловской крепости.

Экспериментальным работам предшествовал аналити­ ческий расчет. Затем были изготовлены и испытывались двигатели, выполненные по различным схемам; проводи­ лись также исследования свойств различных электро­ проводящих жидкостей и металлов с целью выяснения возможности использования их в качестве рабочих тел.

В авторском свидетельстве, полученном изобретате­ лем ЭРД — В. П. Глушко 23 марта 1931 г.3, предлага­ лись различные схемы двигателя, в которых вещество для электровзрыва вводилось в камеру непрерывно. (Под электровзрывом понималось быстрое превращение вво­ димого в камеру вещества в газообразное состояние).

Еще в 1929—1930 гг. были разработаны два вида си­ стем непрерывной подачи, названных карбюраторами: жидкостный для жидкого рабочего тела и проволочный для рабочего тела в виде проволоки.

87

Внешний аид электрического ракетного двигателя (ЭРД) конструкции В. П. Глушко

В жидкостном карбюраторе подача жидкостей произ­ водилась из емкостей через трубки со сменными насад­ ками — форсунками различных диаметров. В качестве взрываемой жидкости использовались ртуть, водный раствор сульфата меди, слабый водный раствор азотной кислоты и другие вещества.

В проволочном карбюраторе механизм подачи состо­ ял из двух стальных валиков, имевших направляющее устройство. Валики приводились во вращение электро­ мотором через редуктор. В качестве рабочего тела ис­ пользовались металлические проволочки из различных металлов (меди, никеля, вольфрама, свинца и др.) и угольные нити. Частоту взрывов удалось довести до не­ скольких десятков 'В секунду. Взрывы фиксирова­ лись фотокамерой через светофильтры. Образующиеся при испарении металла газы ускорялись в обычном сопле.

Питание такого ЭРД производилось от электриче­ ской импульсной установки большой мощности, основ­ ными элементами которой являлись высоковольтный трансформатор, четыре выпрямителя и масляные конден­ саторы емкостью 4 мкФ, заряжавшиеся до 40 кВ.

Эффект единичного электровзрыва определялся (1932—1933 гг.) с помощью баллистического маятника. Было показано, что в опытном образце ЭРД удалось получить скорость истечения в несколько десятков кило­ метров в секунду.

85

В начале тридцатых годов уровень науки, техники и технологии не позволял создать эффективно действую­ щий ЭРД и компактную бортовую электростанцию. По­ этому работы над ЭРД были временно прекраще­ ны, и В. П. Глушко полностью переключился на исследо­ вание и разработку ЖРД-

Новый этап в развитии электрических ракетных дви­ гателей начался в конце сороковых — начале пятидеся­ тых годов, когда в СССР и в США достижения в ряде об­ ластей науки оказались достаточными для развертыва­ ния экспериментальных работ. К этому же времени в связи с достижениями в области изучения космического пространства появилась практическая необходимость в создании ЭРД.

Современные ЭРД выполняются по различным схе­ мам.

В электротермическом ракетном двигателе рабочее тело, твердое или газы с малым молекулярным весом (ге­ лий, водород и др.), нагревается до высокой температуры с помощью электрической дуги, омическим нагревом или другим методом электронагрева. Нагретое рабочее тело ускоряется в обычном сопле до скоростей, не превышаю­ щих 20 км/с.

Более совершенным является электромагнитный (плазменный) ракетный двигатель, в котором рабочее те­ ло превращается в плазму и ускоряется с помощью воз­ действующего на нее электромагнитного поля. В таких двигателях возможно получение скоростей истечения в сотни км/с.

Другим представителем современного ЭРД являет­ ся электростатический (ионный) ракетный двигатель, в

ускоряются в сильном электростатическом поле до ско­ ростей в десятки и сотни км/с. С помощью специального эмиттера производится нейтрализация реактивной струн электронами.

При проектировании ■ЭРД выбирают оптимальное значение удельного импульса, величина которого в зна­ чительной степени зависит от весовых и энергетических характеристик бортовых электростанций, параметров преобразователей электрического тока и других агрега­ тов установки. Для получения электроэнергии на борту

89