Двигатели НПО «Энергомаш»

ОАО «НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко» – ведущая организация России по разработке мощных ЖРД, которые уже более 30 лет применяются на боевых баллистических ракетах и космических ракетах-носителях. В общей сложности коллективом предприятия разработано несколько десятков образцов двигателей, около 60 из которых были сданы в серийное производство и эксплуатировались или продолжают эксплуатироваться в составе МБР и РН. Деятельность НПО «Энергомаш» ведет свое начало с работ небольшой ленинградской организации, именовавшейся Газодинамической лабораторией (ГДЛ), в которой под руководством В.П. Глушко (1908-1988), начиная с 15 мая 1929 г. создавались первые образцы отечественных электроракетных и жидкостных ракетных двигателей. С 1945 г. предприятие специализировалось на разработке мощных ЖРД на двухкомпонентном топливе.

В настоящее время предприятием руководят генеральный директор Николай Пирогов и генеральный конструктор Борис Каторгин.

РД-107А, РД-108А

Двигатели РД-107А и РД-108А, применяемые, соответственно, на первой и второй ступенях РН «Союз-ФГ» и «Союз-2», разработаны в НПО «Энергомаш» в 1993-2001 гг. Основные работы проводились в Приволжском филиале НПО (г. Самара); серийное производство осуществляется на самарском заводе «Моторостроитель».

РД-107А и РД-108А созданы на базе двигателей РД-107 и РД-108, которые были разработаны в 1954-1959 гг. для первой в мире МБР семейства Р-7, а затем длительное время в различных модификациях использовались на РН «Восток», «Восход», «Союз» и «Молния». Основным отличием нынешних двигателей РД-107А и РД-108А от предшествующих модификаций является доработанная форсуночная головка, конструкция которой позволила увеличить тягу и удельный импульс тяги. Кроме того, двигатели облегчены (РД-107А – на 100 кг, РД-108А – на 203 кг).

РД-107А и РД-108А конструктивно подобны, но несколько отличаются по компоновке и параметрам, что обусловлено особенностями их работы в составе разных ступеней РН.

Оба ЖРД созданы по открытой газогенераторной схеме (без дожигания газогенераторного газа). В состав каждого двигателя входят четыре основных и несколько (две на РД-107А и четыре на РД-108А) рулевых камер сгорания. Подача топлива – турбонасосная, привод турбины ТНА осуществляется за счет «парогаза», вырабатываемого путем разложения перекиси водорода в парогазогенераторе. Двигатели поставляются в виде готовой сборки, в состав которой входит подмоторная стержневая рама. Зажигание – пиротехническое.

Первые огневые стендовые испытания данного варианта двигателя начаты в 1999 г. Всего изготовлено 23 доводочных изделия и проведено 163 ОСИ. Первый пуск РН «Союз-ФГ» с грузовым кораблем «Прогресс» состоялся в мае 2001 г., первый пилотируемый пуск – в октябре 2002 г. Отработана новая модификация с химическим зажиганием (проведено 12 ОСИ на двух двигателях), полностью подготовленная к проведению сертификации и летных испытаний.

РД-120

Разработка двигателя РД-120 для второй ступени РН «Зенит-2» началась в 1976 г. Фактически этот однокамерный ЖРД создан на основе стендового изделия, предназначенного для отработки внутрикамерных процессов двигателя РД-170. Он строится по схеме с дожиганием окислительного газа и обладает высокой величиной удельного импульса тяги – 350 с в пустоте. ЖРД установлен на ступени неподвижно, управление вектором тяги осуществляется четырехкамерным рулевым двигателем РД-8 разработки КБ «Южное» (Украина).

РД-120 имеет уровень надежности не ниже 0,992, каждый экземпляр двигателя проходит ресурсное контрольно-технологическое огневое испытание с последующей поставкой заказчику без переборки, при этом гарантированный ресурс – не менее пяти рабочих ресурсов сверх штатного.

Экспериментальная разработка РД-120 проводилась в НПО «Энергомаш», включая производство до 1982 г., а серийный выпуск двигателей был налажен в ПО «Южный машиностроительный завод» в г. Днепропетровск (Украина). Всего изготовлено около 180 РД-120, проведено 560 ОСИ с общей наработкой 139 186 с. Первый полет РН «Зенит-2» состоялся в апреле 1985 г.

Значительные запасы работоспособности основных агрегатов и изделия в целом позволили создать на его основе форсированную на 10% по тяге модификацию с обеспечением уровня тяги 93 тс и с гарантийным запасом еще 5% и довести ресурс по времени работы одного двигателя до 4260 с, а по числу включений – до 19, что позволяет рассматривать РД-120 как основу для создания многоразового ЖРД. Эти работы были выполнены в 2001- 2003 гг. Четыре экземпляра РД-120 прошли 28 ОСИ с наработкой 8135 с. Первый пуск РН «Зенит-38Ъ> с форсированным РД-120М по программе «Морской старт» успешно выполнен в июне 2003 г.

В 2005 г. успешно проведены межведомственные испытания модифицированного РД-120, что позволяет использовать его в интересах Федерального космического агентства и Минобороны РФ.

Также спроектирована и испытана (два ОСИ) «земная» модификация РД-120К (с коротким соплом), предназначенная для первых ступеней перспективных РН. Двигатель с коротким соплом имеет одну основную и две (или четыре) рулевые камеры для управления полетом ракеты.

РД-275

РД-275 – форсированная модификация двигателя РД-253, созданного в 1961- 1965 гг. для первой ступени РН «Протон». Разработка исходного двигателя РД-253 началась в 1961 г. Он стал самым мощным однокамерным ЖРД, работающем на высококипящих компонентах топлива. С появлением РД-253 совершен качественный скачок в освоении высокого уровня давления и достижении высоких значений удельного импульса тяги. Двигатель РД-253 оказался одним из самых надежных отечественных ракетных двигателей. Шесть РД-253 надежно работали в составе первой ступени РН «Протон», обеспечивая успешные полеты космических аппаратов «Луна», «Венера», «Марс» и др., а также орбитальных станций «Салют» и «Мир», тяжелых спутников связи.

В 1987-1993 гг. Камский филиал НПО «Энергомаш» (г. Пермь) провел работы по модернизации РД-253. Новой модификации был присвоен индекс РД-275. Тяга двигателя выросла на 7,7% благодаря увеличению давления в камере сгорания, что позволило увеличить массу полезного груза на 600 кг.

Однокамерный двигатель РД-275 строится по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа. Компоненты топлива – долгохранимые. Зажигание – самовоспламенением компонентов в газогенераторе и камере сгорания («самозапуск»). Для управления вектором тяги обеспечено качание ЖРД в одной плоскости. В качестве рабочей жидкости гидроприводов механизма качания используются основные компоненты топлива.

Первый запуск РН «Протон» с двигателями РД-275 состоялся в октябре 1995 г.

В 2001 г. Камский филиал НПО «Энергомаш» приступил к разработке и доводке двигателя РД-275М (РД-276) – форсированной на 5,2% по тяге модификации серийного РД-275. Такое повышение тяги позволяет увеличить массу полезного груза, выводимого ракетой на стационарную орбиту, еще на 150 кг. Проведено четыре ОСИ трех доводочных экземпляров такого двигателя с наработкой 735 с, а в 2005 г. – программа межведомственных испытаний, после чего началось его серийное производство. Первый полет в составе РН «Протон-М» был осуществлен в 2007 г.

Серийное производство двигателей РД-275 осуществляется в ОАО «Протон – Пермские моторы» (г. Пермь).

РД-171

Разработка самых мощных в мире четырехкамерных двигателей РД-170 и РД-171 для первых ступеней РН «Энергия» и «Зенит» соответственно началась в 1976 г. (предэскизная проработка ЖРД велась с 1973 г.). Эти ЖРД отличаются наивысшим уровнем параметров и характеристик для изделий данного класса. Двигатель для РН «Энергия» выполнен в многоразовом исполнении и аттестован для 10-кратного использования. Один из экземпляров РД-170 был испытан на огневом стенде до 20 раз. РД-171 – однократного использования, но имеет пятикратный запас по ресурсу. Оба варианта ЖРД унифицированы по конструкции, но отличаются компоновкой силовых приводов системы управления вектором тяги (осуществляется за счет качания камер на шарнирном подвесе, а газ после ТНА подается в камеры через сильфонный узел, работающий в зоне высокотемпературного газового потока).

Двигатель создан по «замкнутой» схеме (с дожиганием генераторного газа) и оснащен четырьмя камерами, соединенными подмоторной рамой. ТНА имеет «вертикальную» компоновку и размещен между камерами в районе критических сечений. Привод турбины осуществляется газом с избытком окислителя, вырабатываемым двумя газогенераторами, работающими на основных компонентах топлива.

Двигатели прошли около 900 ОСИ с общей наработкой свыше 100 тыс. с. Базовый РД-170/171 был создан в 1976- 1986 гг. Первый запуск РН «Зенит» с двигателем РД-171 был осуществлен в апреле 1985 г. В 1987 г. и 1988 г. состоялись пуски сверхтяжелой ракеты «Энергия» с двигателями РД-170. С 1999 г. эксплуатация двигателей РД-171 продолжается и в составе РН «Зенит-38Ь» по программе «Морской старт».

В 1992-1996 гг. начались работы над форсированным вариантом РД-171М (к 1996 г. испытано 28 двигателей; на шести изделиях усовершенствованной конструкции было наработано 5500 с, причем на одном наработка составила 1590 с). Работы по модификации этого двигателя для использования в программе «Морской старт» были продолжены в 2003-2004 гг. Сертификация РД-171М завершилась 5 июля 2004 г. – на сертификационном двигателе проведено восемь ОСИ продолжительностью 1093,6 с, причем последнее испытание (сверх плана) – на режиме 105%. Серийное производство РД-171М осуществляется на заводе НПО «Энергомаш» в Химках; первое товарное изделие поставлено на Украину 25 марта 2004 г. Эти двигатели будут использоваться и в запусках РН «Зенит» с Байконура (программа «Наземный старт»).

РД-180

В начале 1996 г. проект РД-180, разработка которого началась в НПО «Энергомаш» в 1994 г., был признан победителем конкурса на разработку и поставку двигателя первой ступени для модернизированной РН «Атлас» американской корпорации «Локхид-Мартин».

РД-180 – двухкамерный двигатель с дожиганием окислительного генераторного газа. Управление вектором тяги осуществляется за счет качания каждой камеры в двух плоскостях. Обеспечена возможность глубокого дросселирования тяги ЖРД в полете. Конструкция РД-180 базируется на проверенных конструкциях узлов и элементов двигателей РД-170/171 (в частности, практически без доработок используются камеры сгорания).

Создание РД-180 осуществлено в сжатые сроки, а отработка – на малом количестве материальной части (10 экземпляров). Контракт на разработку был подписан летом 1996 г, а уже в ноябре 1996 г. провели первое ОСИ прототипа, в апреле 1997 г. – стендовое испытание штатного изделия. В 1997-1998 гг. успешно проведена серия ОСИ двигателя в составе ступени носителя в США. Сертификация РД-180 для использования в составе РН «Атлас-3» завершилась весной 1999 г., а первый пуск носителя состоялся в мае 2000 г. Летом 2001 г. завершилась сертификация двигателя для использования в составе РН «Атлас-5»; первый полет носителя состоялся в августе 2002 г.

С самого начала работ «Локхид-Мартин» заявляла о намерении заказать не менее 101 двигателя РД-180 для использования в составе РН «Атлас-3» и «Атлас-5». К настоящему времени заключены контракты на поставку 50 товарных двигателей. Маркетингом и реализацией данного двигателя заказчику занимается совместное предприятие «РД АМРОСС», созданное НПО «Энергомаш» и компанией «Пратт-Уитни» (США). Контрактом на поставку предусмотрена возможность производства РД-180 в США, однако до настоящего времени серийный выпуск двигателя осуществляется в России.

Основные характеристики ЖРД разработки НПО «Энергомаш»

РД-191

Двигатель РД-191 разрабатывается с конца 1998 г. для использования в составе универсального ракетного модуля УРМ-1 первых ступеней РН легкого класса и первых-вторых ступеней РН среднего и тяжелого класса космического ракетного комплекса «Ангара» (разработчик – ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, г. Москва). Это – первый мощный ЖРД, создающийся в России за последние 20 лет для установки на первую ступень отечественной РН.

Конструкция камеры РД-191 базируется на конструктивно-технологическом заделе двигателей РД-171 и РД-180. РД-191 представляет собой однокамерный ЖРД с вертикально расположенным ТНА. Управление вектором тяги – путем качания камеры в двух плоскостях за счет наличия традиционного для ЖРД разработки НПО «Энергомаш» гибкого газовода. Впервые в мировой практике на ЖРД такого класса штатно (т.е. согласно циклограмме полета) реализуется функция глубокого дросселирования – до 30% от номинальной тяги.

В течение 1999 г. была выпущена конструкторская документация, в 2000 г. начата автономная отработка агрегатов двигателя. В мае 2001 г. завершена подготовка производства и собран первый доводочный РД-191. Первое ОСИ двигателя проведено в июле 2001 г.

По состоянию на январь 2008 г. проведено 67 ОСИ с общей наработкой порядка 16,5 тыс. с. Максимальное время одного испытания достигло 320 с. Результаты испытаний подтвердили основные параметры двигателя, заложенные в техническом задании. Отработка РД-191 производится в соответствии с программой, которая предусматривает ее завершение на 10 экземплярах двигателя с наработкой свыше 20 тыс. с в ходе проведения 120 огневых испытаний. Основной принцип такой программы – малое число двигателей и большая наработка на каждом экземпляре с максимальным количеством измерений. Для этого предполагается возможно полное повторное использование всей имеющейся матчасти.

Производство опытных образцов РД-191 осуществляется на заводе НПО «Энергомаш», серийный выпуск планируется в ОАО «Протон – Пермские моторы». Не исключено, что камеру ЖРД будет изготавливать Воронежский механический завод, в 2007 г. вошедший в состав холдинга ГКНПЦ им. Хруничева.

Перспективные разработки

С начала 90-х гг. НПО «Энергомаш» ведет опытно-экспериментальные работы по созданию трехкомпонентных (жидкий кислород – керосин – жидкий водород) ЖРД большой тяги РД-701 (двухкамерный) и РД-704 (однокамерный), а также ЖРД на компонентах жидкий метан (или сжиженный природный газ) – жидкий кислород. По первому направлению в 1988-1991 гг. велась разработка двигателя РД-701, предназначенного для использования в многоцелевой авиационно-космической системе (МАКС). В середине 90-х гг. в НПО «Энергомаш» был создан демонстрационный трехкомпонентный ЖРД тягой около 10 тс со смесительной головкой из 19 форсунок. Всего с начала исследований возможности организации в одной камере сгорания процесса смешения и горения трехкомпонентного топлива с высокой полнотой сгорания проведено 38 ОСИ на 9 вновь изготовленных экземплярах двигателей и 7 переборочных. Основная особенность РД-701 – работа в двух режимах: со старта носителя и до достижения определенной высоты ЖРД потребляет одновременно три компонента топлива, сжигаемых в одной камере сгорания. После этого двигатель переходит в режим обычного кислородно-водородного ЖРД. В настоящее время проект фактически заморожен.

По второму направлению с середины 1990-х гг. велись работы над двигателями РД-169, РД-182, РД-183, РД-190, РД-192, которые предполагалось использовать в таких проектах экологически чистых носителей, как «Рикша» и «Юнити» (головной разработчик – ГРЦ «КБ им. В.П. Макеева»).