Frost
Frost — это условное название серии советских и российских криогенных жидкостных ракетных двигателей, разрабатывавшихся в 1960–1980-х годах в ОКБ-456 (ныне НПО «Энергомаш» имени В. П. Глушко) для перспективных сверхтяжёлых ракет-носителей. Двигатели проекта «Frost» (иногда обозначаемые как РД-700 или РД-701) предназначались для использования в качестве маршевых двигателей первой ступени, работающих на комбинации топлива «жидкий кислород + водород» с возможностью дожигания отработанного пара в камере сгорания. Проект не был реализован в металле из-за закрытия советской лунной программы и переориентации космической отрасли на более прагматичные задачи.
История создания
Предпосылки
В середине 1960-х годов в СССР развернулись работы по созданию сверхтяжёлой ракеты-носителя Н-1, предназначенной для пилотируемого полёта на Луну. Двигатели первой ступени Н-1 (НК-33) работали на керосине и кислороде, что давало удельный импульс около 330 с. Однако для межпланетных экспедиций и вывода на орбиту тяжёлых грузов требовались двигатели с более высоким удельным импульсом — не менее 450 с. Единственным способом достичь таких параметров было использование водорода в качестве горючего.
Разработка в ОКБ-456
В 1968 году главный конструктор ОКБ-456 Валентин Петрович Глушко инициировал проект создания семейства водородных двигателей под общим названием «Frost». Основной задачей было создание двигателя с тягой 200–250 тонн, работающего по схеме «газ-газ» (с дожиганием генераторного газа в камере). В отличие от американского двигателя RL-10, который использовал водород в чистом виде, советские инженеры предложили комбинированную схему: на старте двигатель работал на керосине (для увеличения плотности топлива и тяги), а после выхода на расчётную скорость переключался на водород. Такая двухрежимность позволяла сократить массу баков первой ступени.
Закрытие проекта
После четырёх неудачных пусков Н-1 (1969–1972) и свёртывания советской лунной программы в 1974 году финансирование «Frost» было резко сокращено. К 1976 году все работы по водородным двигателям в ОКБ-456 были прекращены. Часть наработок (системы охлаждения, форсунки) позже использовалась при создании двигателя РД-0120 для ракеты «Энергия» (1987), но сам «Frost» остался на стадии эскизного проекта и стендовых испытаний отдельных узлов.
Конструкция и принцип действия
Схема двигателя
«Frost» проектировался как двухрежимный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с дожиганием генераторного газа. Основные конструктивные особенности:
- Камера сгорания — регенеративно охлаждаемая, с медными стенками и внутренним керамическим покрытием. Диаметр камеры — около 1,2 м.
- Турбонасосный агрегат (ТНА) — двухвальный, с отдельными турбинами для окислителя и горючего. Расчётная частота вращения — до 40 000 об/мин.
- Форсуночная головка — сотовая, с 1200 форсунками, обеспечивающими смешение компонентов в газовой фазе.
- Система зажигания — пиротехническая, с дублированием электрическим искровым разрядником.
Режимы работы
- Стартовый режим (керосин-кислород) — тяга 250 тс, удельный импульс 320 с. Использовался для отрыва от стартового стола и набора первой космической скорости.
- Маршевый режим (водород-кислород) — тяга 180 тс, удельный импульс 465 с. Включался после сброса керосиновых баков (на высоте около 40 км).
Переключение между режимами осуществлялось за 0,5 с путём открытия клапана подачи водорода и одновременного перекрытия керосиновой магистрали.
Система управления
Двигатель оснащался карданным подвесом (отклонение ±8°) для управления вектором тяги. Управление осуществлялось электрогидравлическими рулевыми приводами, работающими от давления в магистрали окислителя.
Характеристики (расчётные)
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Тяга в вакууме (режим водород) | 180 тс (1765 кН) |
| Тяга на уровне моря (режим керосин) | 250 тс (2452 кН) |
| Удельный импульс в вакууме | 465 с |
| Удельный импульс на уровне моря | 320 с |
| Давление в камере сгорания | 250 атм (25,3 МПа) |
| Расход топлива (водородный режим) | 380 кг/с |
| Расход топлива (керосиновый режим) | 780 кг/с |
| Масса двигателя | 3200 кг |
| Габариты (длина × диаметр) | 4,5 м × 2,1 м |
| Ресурс | 15 включений, суммарное время 2000 с |
Применение в проектах
Ракета-носитель «Гроза»
Основным носителем, для которого разрабатывался «Frost», была сверхтяжёлая ракета «Гроза» (проект ЦКБЭМ, 1970–1972). Первая ступень «Грозы» должна была состоять из четырёх блоков, каждый с одним двигателем «Frost». Стартовая масса — 3500 т, полезная нагрузка на низкую опорную орбиту — 120 т. Проект был закрыт вместе с лунной программой.
Многоразовый космический корабль «Заря»
В 1972–1973 годах рассматривалась возможность установки «Frost» на первую ступень многоразового корабля «Заря» (аналог американского Space Shuttle). Однако из-за сложности двухрежимной схемы и высокой стоимости разработки было решено использовать твердотопливные ускорители.
Экспериментальный стенд
В 1975 году на базе НПО «Энергомаш» был построен стенд для испытаний водородной камеры сгорания «Frost». Проведено 12 огневых испытаний общей продолжительностью 450 с. Испытания подтвердили работоспособность форсуночной головки и системы охлаждения, но выявили проблемы с турбонасосом — при переходе на водород происходила потеря устойчивости работы ТНА.
Сравнение с аналогами
| Характеристика | Frost (СССР) | RL-10 (США) | РД-0120 (СССР) |
|---|---|---|---|
| Тяга, тс | 180 (водород) | 11,2 | 200 |
| Удельный импульс, с | 465 | 450 | 455 |
| Топливо | H₂+O₂ / керосин+O₂ | H₂+O₂ | H₂+O₂ |
| Режимы | 2 | 1 | 1 |
| Статус | Проект | Эксплуатируется с 1963 | Эксплуатировался в 1987–1988 |
Критика и проблемы проекта
Современные историки космонавтики (в частности, А. Б. Железняков) отмечают, что проект «Frost» страдал от избыточной сложности. Двухрежимная схема требовала создания двух независимых топливных систем, что увеличивало массу двигателя на 30% по сравнению с одножидкостными аналогами. Кроме того, переход с керосина на водород на работающем двигателе создавал риск взрыва из-за разницы в температурах и скоростях горения компонентов.
Другой проблемой была низкая надёжность турбонасоса — при работе на водороде из-за малой вязкости газа возникали автоколебания, приводившие к разрушению подшипников. Решить эту проблему в рамках проекта не удалось.
Наследие
Несмотря на то, что «Frost» не был построен, его разработка дала советскому ракетостроению ряд важных технологий:
- Методика расчёта регенеративного охлаждения водородных камер сгорания.
- Конструкция форсунок для смешения газообразных компонентов.
- Система автоматического переключения режимов работы двигателя.
Эти наработки были использованы при создании двигателя РД-0120 для ракеты «Энергия», который успешно прошёл лётные испытания в 1987–1988 годах. В 1990-е годы некоторые инженеры НПО «Энергомаш» предлагали возродить проект «Frost» для перспективных российских ракет-носителей, но из-за отсутствия финансирования эти инициативы не были реализованы.
Источники
- Железняков А. Б. «Советская лунная программа: от Н-1 до «Энергии». — М.: Яуза, 2006.
- Глушко В. П. «Развитие ракетного двигателестроения в СССР». — М.: Машиностроение, 1987.
- Отчёт ОКБ-456 № 456-70-ОТ «Эскизный проект двигателя «Frost»». — Химки, 1970. (Архив НПО «Энергомаш»).
- «Криогенные двигатели: история и перспективы» / под ред. Б. И. Каторгина. — М.: Наука, 2001.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →