РД-253

РД-253 — это советский однокамерный жидкостный ракетный двигатель, работающий на высококипящих компонентах топлива (несимметричный диметилгидразин (НДМГ) в качестве горючего и азотный тетроксид (АТ) в качестве окислителя). Разработан в ОКБ-276 (ныне — НПО «Энергомаш» имени В. П. Глушко) в 1950-х — начале 1960-х годов под руководством В. П. Глушко. Двигатель РД-253 является ключевым элементом первой ступени ракеты-носителя «Протон» (семейство УР-500) и её модификаций, обеспечивая выведение на орбиту тяжёлых космических аппаратов. Относится к классу двигателей с дожиганием окислительного генераторного газа (схема «газ — жидкость»).

История создания

Предпосылки и разработка

В середине 1950-х годов в СССР возникла необходимость в создании мощной межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) с большим забрасываемым весом, способной нести термоядерный заряд. В 1961 году вышло постановление правительства о разработке ракеты УР-500 (впоследствии — «Протон»). Для её первой ступени требовался двигатель с высокой тягой (порядка 150—160 тонн-сил в вакууме) и удельным импульсом, обеспечивающим эффективное выведение полезной нагрузки.

Разработка РД-253 началась в ОКБ-276 (г. Химки) в 1961 году. Конструкторы столкнулись с рядом сложностей: необходимо было создать камеру сгорания, работающую при высоком давлении (до 150 атм), и обеспечить надёжное охлаждение стенок камеры и сопла. В качестве топлива была выбрана пара «НДМГ + АТ» — высококипящие, самовоспламеняющиеся при контакте компоненты, что упрощало систему зажигания и позволяло многократно запускать двигатель в полёте.

Испытания и принятие на вооружение

Первый стендовый запуск РД-253 состоялся в 1963 году. В ходе испытаний выявились проблемы с газогенератором и турбонасосным агрегатом (ТНА), которые приводили к разрушению лопаток турбины. После доработок, в 1965 году, двигатель был принят на вооружение в составе ракеты УР-500. Первый пуск ракеты-носителя «Протон» (УР-500) с двигателями РД-253 состоялся 16 июля 1965 года.

Дальнейшее развитие

На базе РД-253 были созданы модификации:

• РД-253У — модернизированная версия с увеличенной тягой (до 163 тс в вакууме) и повышенной надёжностью, внедрённая в 1970-х годах.
• РД-253М — дальнейшее развитие с улучшенными характеристиками, используемое на ракетах «Протон-М» с 2000-х годов.

Всего было выпущено несколько тысяч экземпляров двигателей семейства РД-253. Производство осуществлялось на Пермском моторостроительном заводе (ныне — АО «ОДК-Пермские моторы»).

Конструкция и принцип работы

Общая схема

РД-253 выполнен по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа. Это означает, что весь окислитель (азотный тетроксид) проходит через газогенератор, где частично сгорает с небольшим количеством горючего, образуя горячий газ (окислительный газ). Этот газ затем поступает в турбину ТНА, вращая её, а после — в камеру сгорания, где смешивается с основным потоком горючего и полностью сгорает. Такая схема позволяет достичь высокого давления в камере сгорания (около 150 атм) и, как следствие, высокого удельного импульса.

Основные узлы

• Камера сгорания — цилиндрическая, с внутренним охлаждением. Изготовлена из жаропрочного сплава. Стенки камеры охлаждаются горючим (НДМГ), которое проходит через каналы в рубашке охлаждения перед подачей в форсунки.
• Сопло — коническое или профилированное, с охлаждаемыми стенками. Обеспечивает расширение и ускорение продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости.
• Турбонасосный агрегат (ТНА) — состоит из центробежных насосов окислителя и горючего, а также газовой турбины. Турбина приводится во вращение окислительным газом из газогенератора. Частота вращения ротора ТНА — до 20 000 об/мин.
• Газогенератор — камера, в которой происходит сжигание части горючего с окислителем для получения газа, работающего на турбине.
• Система автоматики — включает регуляторы расхода, клапаны и датчики, обеспечивающие запуск, работу и остановку двигателя.

Технические характеристики (РД-253М)

Применение

Ракета-носитель «Протон»

РД-253 (и его модификации) устанавливаются на первой ступени ракет-носителей семейства «Протон» (УР-500, «Протон-К», «Протон-М»). Первая ступень состоит из центрального блока и шести боковых блоков, на каждом из которых установлен один двигатель РД-253. Таким образом, на старте одновременно работают шесть двигателей, обеспечивая суммарную тягу около 1000 тонн-сил.

Ракета «Протон» используется для выведения на орбиту:

• спутников связи (серии «Экран», «Горизонт», «Ямал»);
• модулей орбитальных станций (модули станции «Мир», модули МКС);
• межпланетных станций («Венера», «Марс», «Фобос»);
• коммерческих спутников (по заказу зарубежных операторов).

Другие проекты

В 1960-х годах рассматривалась возможность использования РД-253 на первой ступени ракеты-носителя «Н-1» (лунная программа), но от этого отказались из-за различий в топливных парах и конструктивных ограничениях. Двигатель также не применялся на других носителях, кроме «Протона».

Надёжность и инциденты

Статистика отказов

За более чем 50 лет эксплуатации двигатели РД-253 продемонстрировали высокую надёжность. По данным НПО «Энергомаш», надёжность двигателя составляет более 0,99 (99 %). Однако было зафиксировано несколько аварий, связанных с неисправностями РД-253:

• 1975 год — авария ракеты «Протон-К» из-за разрушения ТНА одного из двигателей.
• 1987 год — отказ двигателя на старте, приведший к падению ракеты.
• 2013 год — авария «Протона-М» при выведении спутника «Ямал-402» из-за нештатной работы двигателя третьей ступени (не РД-253).

Причины отказов

Основные причины неисправностей: усталость металла в лопатках турбины, дефекты сварных швов, попадание посторонних частиц в топливные магистрали. После каждого инцидента проводились модернизации и ужесточение контроля качества.

Сравнение с аналогами

Отечественные двигатели

• РД-170/171 — более мощные двигатели для ракет «Энергия» и «Зенит», работающие на керосине и кислороде. Имеют большую тягу (740 тс), но сложнее в производстве.
• РД-180 — развитие схемы РД-170, используется на американских ракетах Atlas V. По удельным характеристикам превосходит РД-253, но работает на керосине.

Зарубежные двигатели

• Rocketdyne F-1 (США) — двигатель первой ступени Saturn V, работающий на керосине и кислороде. Тяга — 680 тс, но значительно больше габариты.
• RD-180 (Россия/США) — см. выше.
• LE-7A (Япония) — водородно-кислородный двигатель ракеты H-IIA. Меньшая тяга (110 тс), но более высокий удельный импульс.

Интересные факты

• РД-253 стал первым в мире серийным двигателем с дожиганием окислительного газа, работающим на высококипящих компонентах.
• Двигатель не требует системы зажигания — топливо самовоспламеняется при контакте.
• РД-253 используется в ракетах «Протон» с 1965 года по настоящее время, что делает его одним из самых долгоживущих ракетных двигателей в истории.
• В 1970-х годах на базе РД-253 разрабатывался двигатель для советского челнока «Буран», но проект был закрыт.

Источники

• Глушко В. П. «Развитие ракетного двигателестроения в СССР». — М.: Машиностроение, 1987.
• НПО «Энергомаш» имени академика В. П. Глушко. Официальные материалы по двигателю РД-253.
• «Ракетные двигатели на высококипящих компонентах» / под ред. В. П. Глушко. — М.: Воениздат, 1975.
• История создания ракеты-носителя «Протон» / РКК «Энергия», 2005.