ЖРД замкнутой схемы (ЖРД закрытого цикла) — жидкостный ракетный двигатель, выполненный по схеме с дожиганием генераторного газа. В ракетном двигателе замкнутой схемы один из компонентов газифицируется в газогенераторе за счёт сжигания при относительно невысокой температуре с небольшой частью другого компонента, и получаемый горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата (ТНА). Сработавший на турбине генераторный газ затем подаётся в камеру сгорания двигателя, куда также подаётся оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов с созданием реактивной тяги.
В зависимости от того, какой именно компонент газифицируется полностью, различают двигатели закрытой схемы с окислительным генераторным газом (примеры: РД-253, РД-170/171, РД-180, РД-120, НК-33), с восстановительным генераторным газом (примеры: SSME, РД-0120, РД-857) и с полной газификацией компонентов (РД-270).
Содержание |
В отличие от двигателей открытой схемы, в двигателе замкнутой схемы генераторный газ после срабатывания на турбине не выбрасывается в окружающую среду, а подаётся в камеру сгорания, участвуя таким образом в создании тяги и повышая эффективность двигателя (удельный импульс).
В двигателе закрытой схемы расход рабочего тела через турбину ТНА существенно выше, чем в двигателе открытой схемы, что делает возможным достижение более высоких давлений в камере сгорания. При этом размеры камеры сгорания уменьшаются, а степень расширения сопла увеличивается, что делает его более эффективным при работе в атмосфере.
Недостатком этой схемы являются тяжёлые условия работы турбины, более сложная система трубопроводов из-за необходимости транспортировки горячего генераторного газа к основной камере сгорания, что имеет большое влияние на общую конструкцию двигателя и усложняет управление его работой.
Замкнутая схема ЖРД была впервые предложена А. М. Исаевым в 1949 году. Первый двигатель, созданный по этой схеме, был ЖРД 11Д33 (S1.5400), разработанный бывшим помощником Исаева Мельниковым, который использовался в создаваемых советских ракетах-носителях (РН).[1][2] Примерно в то же время, в 1959 году, Н. Д. Кузнецов начал работу над ЖРД с замкнутой схемой НК-9 для баллистической ракеты ГР-1 конструкции С. П. Королёва. Кузнецов позже развил эту схему в двигателях НК-15 и НК-33 для неудачной лунной РН Н1 и Н1Ф. Модификацию двигателя НК-33, ЖРД НК-33-1, планируется использовать на центральной ступени РН «Союз-2-3». Первый некриогенный ЖРД закрытой схемы РД-253 на компонентах гептил/N2O4 был разработан В. П. Глушко для РН «Протон» в 1963 году.
После неудачи программы разработки РН Н1 и Н1Ф, Кузнецову было приказано уничтожить технологию разработки ЖРД НК-33, но вместо этого десятки двигателей были законсервированы и помещены на склад. В 1990-х, специалисты Аэроджет посетили это предприятие, в ходе которого была достигнута договорённость о демонстрационных испытаниях двигателя в США для подтверждения параметров удельного импульса и других спецификаций.[3] Российский двигатель РД-180, получаемый Локхид Мартин и позже ULA (англ. United Launch Alliance — Объединённый альянс запусков) для РН Атлас III и Атлас-5, также использует замкнутую схему с дожиганием генераторного газа, который перенасыщен окислителем.
Первым ЖРД замкнутой схемы на западе был лабораторный двигатель, созданный в 1963 году немецким инженером Людвигом Бёльковым (англ. Ludwig Bölkow).
Маршевый двигатель космического челнока RS-24 (SSME) является ещё одним примером ЖРД замкнутой схемы и являются первыми двигателем данного типа, которые использовали компоненты кислород/водород. Российский аналог РД-0120 — использовался в центральном блоке системы РН «Энергия» — имеет ряд технических усовершенствований.
Замкнутая схема с полной газификацией компонентов топлива (англ. Full flow staged combustion, FFSCC — «полнопоточный ступенчатый цикл сгорания» или «газ-газ») представляет из себя разновидность замкнутой схемы, в которой осуществляется газификация всего топлива в двух газогенераторах: в одном небольшая часть горючего сжигается с почти полным расходом окислителя, а в другом — почти полный расход горючего сжигается с оставшейся частью окислителя. Получившиеся генераторные газы используются для привода турбонасосных агрегатов (ТНА).
Большой расход рабочего тела через турбины позволяет получать очень высокие давления в камере сгорания двигателя. При использовании данной схемы турбины имеют ме́ньшую температуру, так как через них проходит бо́льшая масса, что должно привести к более продолжительному функционированию двигателя и его бо́льшей надёжности. Полная газификация компонентов приводит также к более быстрым химическим реакциям сгорания в основной камере, что в ряде случаев увеличивает удельный импульс ЖРД данной схемы на 10-20 сек — по сравнению с двигателями других схем (например, РД-270 и РД-0244).[4]
В настоящее время по этой схеме НАСА и ВВС США разрабатывают «Интегрированный демонстратор силовой насадки (англ. integrated powerhead demonstrator)».[5] В России данная схема работы двигателя с полной газификацией компонентов была реализована в ЖРД РД-270 для окислительного и топливного независимых контуров в 1969 году.
