Astronautika: istorija

18. februar. 2011.

U želji da odgovore na američki motor J-2 koji je pokretao raketu za Mesec „Saturn V“, Sovjeti su napravili najveći motor ikad napravlje. Nažalost, nikad se nije iskušao u svemiru.

Iz istorije kosmonautike znamo da su bezmalo tri decenije – i to one prve, najvažnije – Sovjeti bili №1 u kosmosu. To govore brojne činjenice. Tako je bilo sve do uspešnog leta Apollo-8, koji je 1968. godine ušao u istoriju kao prvi brod koji je sa ljudskom posadom napustio Zemljinu orbitu.

Pored neviđenih ljudskih resursa, Sovjetima je išla na ruku i situacija u zemlji i svetu, koja je neprestano od čitavog društva tražila da bude angažovano na proizvodnji i napretku vojne, a potom i kosmičke industrije. Sovjetske rakete su već ušle u legendu, ili kao najveće, ili kao najjače, ili i jedno i drugo. Ono što ih je od samog početka činilo moćnim, jesu raketni motori, od kojih neki danas besprekorno rade čak i u američkim raketama.

Najjači raketni motor koji su Sovjeti ikada napravili nosio je oznaku ЖРД РД-270 (8Д420). Kao veliki ljubitelj ruskih raketa, red je da napišem nešto o tom čudu tehnike. Kada su posle pada SSSR-a Amerikanci konačno videli ruske motore iz blizine, nisu mogli da veruju koliko su njihovi suparnici ispred njih u tehničkim rešenjima i tehnologiji proizvodnje materijala.

Istorija razvoja

Tokom šezdesetih godina prošlog veka, kada su već bili započeti projektni radovi na razvoju moćnih raketa u SSSR-u, jedan od gorućih problema bio je izbor vučnih motora i njihov broj u raketnim stepenima – pre svega u prvom. To je konstruktore dovelo do toga da je prvi stepen rakete predviđene za let na Mesec, „H-1“, imao 30 (u prvobitnom projektu 24) jednokomornih 150-tonskih motora[1], što je predstavljalo kompromis između obezbeđivanja pouzdanih motora velike snage i tehnoloških mogućnosti proizvodnog biroa ОКБ-276[2], koji nije mogao da proizvede krupnije delove za motore od ovoga. Zato je razvoj jednokomornog motora potiska 300-600 tona za nove raketne nosače postao glavni zadatak u perspektivi.

S druge strane, u međuvremenu osvojena tehnologija motora na tečno gorivo sa dodatnim sagorevanjem radnog tela turbine u komori sagorevanja (“zatvoreni“ tip) povećalo je ekonomičnost motora, a takođe i njihovu kompaktnost, što je posebno važno kod jednokomornih motora velike snage. Osim toga, pokazalo se da je kod motora sa zatvorenom šemom lakše osigurati stabilnost radnog procesa u komorama motora kada se gledaju visokofrekventne vibracije.

Ovi faktori su učinili privlačnim ideju o pravljenju moćnog jednokomornog motora zatvorenog tipa potiska većeg od 500 tona, tako da su odlukom vlade od 1962. godine u konstruktorskim biroima ОКБ-456[3] započeti radovi na odabiru optimalne šeme i parametara za snažni jednokomorni motor na tečno gorivo, koji je kasnije dobio indeks РД-270 (rus. ра́кетный дв́игатель 270, 8Д420).

Da bi se obezbedili prihvatljivi gabariti snažnog motora, pritisak u komori za sagorevanje morao je da bude 1,5-2 puta viši od onih koji su se postizali u to vreme, što je sa sobom vuklo povećanje snage turbopumpe (rus. турбонасосный агрегат, ТНА[4]). Pošto je kod motora sa jednim gasnim generatorom količina radnog tela ograničena potrošnjom jedne od komponenti goriva kroz komoru, povećanje snage je bilo moguće jedino povećanjem temperature radnog tela, koja je, zauzvrat, limitirana tačkom topljenja korišćenih materijala. Prevazilaženje tog ograničenja bilo je moguće jedino povećanjem količine radnog tela u turbini tako što bi se u gas visoke temperature pretvorio sav utrošak ne jedne komponente goriva već obe. Zato je motor morao da ima dva gasna generatora (jedan za višak oksidanta, a drugi za višak goriva), dva agregata ТНА sa odvojenim turbinama, i glavu za mešanje, koja obezbeđuje ulazak dva gasa u komoru za sagorevanje (zato je takva šema dobila naziv „gas-gas“, odn. na engl. full flow staged combustion, FFSCC).

dzin-1

Levo je prikazan „zatvoreni“ raketni ciklus. Gorivo i deo oksidatora prolaze kroz predpaljenje („Pre-Burner“) i vreli gasovi pokreću turbo-pumpe i turbine motora. Potom se ti gasovi upumpavaju u glavnu komoru za sagorevanje („Comustion Chamber“). Moguće je da se koristi i mešavina sa tečnim kiseonikom, ali to je problematično zbog visoke temperature i problema sa materijalima. Desno je prikazan sistem „gas-gas“ (FFSCC), gde sav oksidator i svo gorivo prolaze kroz svoje pumpe. Na taj način se povećava pritisak u komorama i to povećava efikasnost motora. Vidi se kako je projektovano da kriogena komponenta hladi mlaznicu motora.

 

Pored toga, očekivalo se da će bolja mešavina gasnih komponenti povećati sagorevanje goriva u komori i specifični impuls[5], a isključivanje procesa raspršivanja i isparavanja kapljica tečne komponene da će povećati stabilnost motora u odnosu na visoke vibracije.

Na osnovu navedenog, odlučeno je da se počne sa proizvodnjom raketnog motora na principu zatvorene šeme „gas-gas“.

U avgustu 1962. godine u konstruktorskim biroima ОКБ-456 započeti su radovi na motoru na gorivo АТ+НДМГ (azotni tetraoksid+nesimetrični dimetilhidrazin) potiska ~500 tona („petstotonac“), da bi se već januara 1963. postepeno prešlo na isti motor na isto gorivi ali sa potiskom od ~600 tona[6] („šeststotonac“). U to vreme je toksičnost usvojenog goriva bila kompenzovana ogromnim stečenim iskustvom u radu bez ikakvih incidenata, a samozapaljivost komponenti u velikoj meri je uprošćavala palenje motora. Pored toga, početkom šezdesetih godina slavni inženjer i konstruktor V.P. Gluško[7] je verovao da bi radovi na razvoju motora zatvorene šeme sa kiseonično-kerozinskim gorivom bili vezani za neprihvatljivo duge rokove, izazvane nedovoljno proučenim radnim procesima i složenošću obezbeđivanja njegove održivosti.

dzin-2

Raketni motor РД-270. Potisak na zemlji –  640 t (6.272 kN); u vakuumu – 685 t (6.713 kN); ugao pomeranja – ±12° (u projektu P-56), ±8° (u projektu УР-700); spec. impuls – 301 s; odnos potisak-težina – 153,24; odnos oksidator-gorivo – 2,67; pritisak u komori sagorevanja – 26,1 MPa (260 atm); težina praznog motora – 3.370 kg; sa gorivom – 5.440 kg; visina – 4,85 m; prečnik – 3,30 m.

Da bi postigao maksimim iz dizajna, niko nikada nije pokušao ništa slično: par turbina je predsagorevanjem obe komponente goriva pretvarao u gasovito stanje. Jedna turbina je koristila gas bogat gorivom za pokretanje pumpe za gorivo, dok je druga koristila gas bogat oksidatorom da pokreće pumpu oksidatora. Kao rezultat, u glavnoj komori za sagorevanje  sagorevao je samo gas iz generatora. Elektronika je trebalo da kontroliše dva nezavisna ciklusa goriva i oksidatora. U komori se stvarao vrlo visoki pritisak (260 atm naspram oko 80 atm u većini današnjih motora, sem SSME).

U drugoj polovini 1962. godine je za poboljšavanje pouzdanosti teške četvorostepene „P-56“, razvijane u dnjepropetrovskom birou ОКБ-586 (danas konstruktorski biro КБ „Южное) u skladu sa državnom Uredbom „O izgradnji obrazaca interkontinentalnih balističkih i globalnih raketa i nosača teških kosmičkih objekata“, Valentin Gluško predložio glavnom konstruktoru Mihajlu Jangelu da razmotri varijantu u kojoj bi na prvi stepen rakete bila montirana četiri motora РД-270 umesto prema projektu zamišljenih 16 motora РД-253[8].

Tokom 1963. usvojen je idejni projekat РД-270, ali su 19. jula 1964. u skladu sa odlukom Saveta ministara SSSR-a, usvojenom na osnovu zaključaka državne komisije, svi radovi na super-raketi „P-56“ jednostavno prekinuti[9].

Godine 1963. bilo je predloženo da se motori РД-270 iskoriste za pokretanje teške rakete-nosača „УР-700[10] proizvedene u biroima OКБ-52 (glavni konstruktor Vladimir N. Čelomej). Predlog je podnet Centralnom komitetu partije u vidu idejnog rešenja, sa potpisima V.N. Čelomeja, V.P. Gluška, V.P. Barnima[11] i V.I. Kuznjecova[12].

ОКБ-1 je bio protiv ovog projekta, poslavši 29. septembra 1965. ministru opšte mašinogradnje memorandum „O neprikladnosti proizvodnje motora na АТ+НДМГ potiska 600 tona“, koji je potpisao njihov šef S.P. Koroljev i njegovi zamenici – rukovodioci pojedinih sektora, V.P. Mišin, S.S. Krjukov, K.D. Bušujev i M.V. Meljnikov.

Nakon prispeća dokumenta, ministar je naredio naučno-istraživačkom institutu НИИ-88 (direktor J.A. Mozžorin) da izvrši ekspertizu o celishodnosti proizvodnje motora potiska 600 tona. U zaključku НИИ-88 navedeno je da upotreba motora na teškim busterima „H-1“, „P-56“ i „УР-700“ ne bi suštinski poboljšalo njihove karakteristike, i da će motori naći primenu tek za 10-15 godina. Takođe je ukazano na nedostatak financijskih sredstava i proizvodnih kapaciteta za izgradnju dva nosača – „H-1“ i „УР-700“.

Uprkos negativnog stava ОКБ-1 i određnog zaključka НИИ-88, 20. oktobra 1965. godine izdato je naređenje ministra opšte mašinogradnje za proizvodnju novog teškog nosača „УР-700“, na čiji prvi stepen će biti montirano 6 motora РД-270, a na drugi – tri takva motora. Tokom 1966. izvršene su određene dopune idejnog projekta ovog raketnog motora.dzin-3

17. novembra 1967. izašla je naredba Centralnog komiteta partije i Saveta ministara SSSR-a o izradi idejnog projekta raketno-kosmičkog kompleksa „УР-700“ na bazi motora РД-270 i izvođenja eksprimentalnih radova na motorima radi potvrda osnovnih tehničkih rešenja idejnog projekta. Godine 1968. dovršeno je idejno rešenje РД-270.

Nažalost, 1969. radovi na motorima РД-270 su suspendovani zbog nedostatka odlučnosti za dalje radove na super-raketi „УР-700“. 31. decembra 1970. godine, vezano sa uspešnim sletanjem američkih astronauta na Mesec, svi radovi na raketi „УР-700“, uključujući i razvoj РД-270, konačno su bili napušteni. Favorizovana je Koroljevljeva raketa za Mesec „H-1“, iako je „УР-700 mogao da ponese veći teret i u orbitu i na Mesec.


Sovjetska teška raketa „УР-700“ je trebala da odnese prve Sovjete na Mesec. Međutim, nije imala političku podršku, te je čitav ogromni projekat ostao nerealizovsan.

Još jača raketa, УР-900“, trebalo je da ponese ljude na Mars. Trebalo je da prvi stepen ima 15 motora РД-270 umesto 6 kao kod prvog steepena „УР-700“.


Plan je bio da se motori dovrše do 1972. godine. Već su izvršene pripreme za 550 vatrenih testiranja 200 motora, od čega bi letni sertifikat (ЛКИ) trebalo da dobije 45 motora. Do 1969. bilo je sprovedeno samo 27 vatrenih testiranja 22 motora.



[1] Radi se o motorima za prvi stepen НК-33 (11Д111), i modifikaciji НК-43 (11Д112) za drugi stepen na tečni vodonik i kerozin.

[2] Biro se danas zove Kuznjecovljev biro, po svom glavnom konstruktoru i inženjeru, Nikolaju Dmitrijeviču Kuznjecovu.

[3] Biro je osnovan 1946. kraj Moskve, isključivo radi razvoja i proizvodnje raketnih motora na tečno gorivo. Iza sebe imaju bogatu istoriju razvoja motora РД-107, РД-170, i РД-180, koji su pokretali slavne rakete „Р-7“, „Протон“, „Союз“, „Eнергия“ i „Atlas V“. Od 15. maja 1991. zovu se NPO Energomaš V.P. Gluško.

[4] Agregat sistema dovoda tečnih komponenti raketnog goriva, ili radnog tela, u motor, koji se sastoji od jedne ili više pumpi, i gasne turbine koja ih dovodi. Radno telo turbine THA obično se dobija iz gasnog generatora ili paro-gasnog generatora; razrađenih metoda za izdvajanje gasova iz komora za sagorevanje. Ponekad se koriste i pare tečnosti za hlađenje komora raketnog motora.

[5] To je način da se opiše efikasnost raketnih ili mlaznih motora. Jedinica performanse raketnog goriva koja je jednaka jedinici potiska po jedinici težine goriva koje se potroši u jedinici vremena. Zove se i specifični potisak.

To je slično koliko „kilometara po litru“ potroši putnički automobil.

Prosečan raketni motor na čvrsto ima specifični impuls od 285 sekundi. Uporedi to sa ~330 sekundi za kerozin/LOX motore (npr. NK-33), i ~450 sekundi za tečni vodonik/LOX motore (npr. šatlov SSME).

[6] Glavni motor šatla SSME (RS-25) ima potisak u vakuumu manji od 200 t.

[7] Genije i pionir raketno-kosmičke tehnike u SSSR-u. Osnivač otadžbinske proizvodnje raketnih motora na tečno gorivo. Konstruisao najveće i najbolje motore tada na svetu, između ostalih i najjači motor na tečno gorivo na svetu: РД-170 za raketu „Энергия“ (20.000.000 KS), motore za rakete „Восток“, „Протон“, „Союз“ i za mnoge druge.

[8] Motori koji su korišćeni na prvom stepenu raketnih nosača „Протон“ (6 kom.). Bili su to prvi na svetu ne-kriogeni motori, koji su u zatvorenom ciklusu koristili naknadno sagorevanje turbinskog gasa bogatog oksidatorom. Motor danas košta oko $1,5 milion.

[9] Glavni konstruktor Jangel je shvatio da politički sukobi između Čelomeja i Koroljeva skupo koštati sovjetski program za letove sa ljudskom posadom. Uvideo je da su razmere nadolazećih projekata prevelike za bilo koji pojedinačni biro u SSSR-u, te je predlagao da on konstruiše i pravi lansirne rakete; da Koroljev pravi vrodove sa lhudskom posadom; a Čelomej brodove bez posada. Međutim, rukovodstvo države nije htelo da menja kurs i preusmerava već planirani novac u Koroljevljeve i Čelomejove rakete i letilice.

[10] Raketa je trebalo da ponese kosmonaute na Mesec u misiji direktnog sletanja rakete „ЛК-1“ na površinu. Ipak, pobedio je Koroljevljev koncept teške rakete „H-1“ i lendera „Союз 7K-Л3 / ЛK“, koji ipak nikada nije ostvaren.

[11] Akademik i konstruktor raketnih lansirnih rampi.

[12] Šef konstruktorskog biroa OKБ-276, zaduženog za razvoj i proizvodnju motora, turbina i pumpi za avione i rakete. On je za prvi stepen rakete H-1napravio motor HK-33 sa najboljim odnosom potisak-težina na svetu, i p mnogima, to je najbolji kerozinsko-kiseonički motor ikada napravljen.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Komentari

  • dragant said More
    Gubljenje vremena ovo predavanje. Na... 19 sati ranije
  • selena said More
    To je atmosferska pojava, a atmosfera... 4 dana ranije
  • gost1 said More
    odlicno...covek je nula, nista bitno za... 4 dana ranije
  • gost1 said More
    hvala 4 dana ranije
  • Jovan said More
    Koliko je meni poznato, temperatura... 5 dana ranije

Foto...