РД-58

РД-58 — это семейство советских и российских жидкостных ракетных двигателей однократного включения, работающих на криогенных компонентах топлива: жидком кислороде (окислитель) и жидком водороде (горючее). Разработаны в Конструкторском бюро химавтоматики (КБХА, Воронеж) под руководством главного конструктора А. Д. Конопатова. Двигатели предназначаются для использования в качестве маршевых двигателей верхних ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов. Отличительной особенностью семейства является высокая эффективность (удельный импульс свыше 460 с в вакууме), реализованная за счёт применения газогенераторного цикла с дожиганием восстановительного генераторного газа.

История создания

Разработка двигателя РД-58 началась в 1960-х годах в рамках программы по созданию водородно-кислородных ракетных двигателей для советской лунной программы. Первоначально двигатель проектировался для третьей ступени сверхтяжёлой ракеты Н-1 и для разгонного блока «Луна-Р». После закрытия лунной программы в 1974 году работы были переориентированы на создание разгонных блоков для выведения геостационарных спутников и межпланетных станций.

Первый пуск двигателя РД-58 в составе разгонного блока «Д» (блок Д) состоялся в 1974 году. В дальнейшем на базе РД-58 были разработаны модификации РД-58М, РД-58МФ, РД-58С и другие, отличающиеся конструкцией сопла, системой управления и теплозащиты.

Конструкция и принцип работы

РД-58 представляет собой жидкостный ракетный двигатель с газогенераторным циклом, в котором часть топлива сжигается в газогенераторе, а полученный восстановительный газ (с избытком водорода) используется для привода турбины турбонасосного агрегата (ТНА), после чего подаётся в камеру сгорания для дожигания. Такая схема позволяет достичь высокого давления в камере (до 7,5 МПа) и максимального удельного импульса.

Основные узлы

• Камера сгорания — стальная, с внутренним теплозащитным покрытием, рассчитана на высокие температуры и давления.
• Турбонасосный агрегат — включает насосы жидкого кислорода и жидкого водорода, а также газовую турбину. Вал ТНА вращается со скоростью до 60 000 об/мин.
• Газогенератор — работает на смеси жидкого водорода и газообразного кислорода, генерирует восстановительный газ для турбины.
• Сопло — выполнено из жаропрочного сплава, имеет систему охлаждения (регенеративное охлаждение жидким водородом, проходящим через каналы в стенках сопла).
• Система зажигания — пиротехническая, обеспечивает надёжное воспламенение компонентов при запуске в вакууме.

Характеристики (базовая модификация РД-58)

Модификации

РД-58М

Усовершенствованная версия с увеличенной тягой (до 85,6 кН) и повышенным удельным импульсом (до 465 с). Используется в разгонных блоках «ДМ» и «ДМ-SL» (для ракет «Протон-М» и «Зенит-3SL»). Отличается модернизированной камерой сгорания и соплом с улучшенным охлаждением.

РД-58МФ

Версия с форсированным режимом работы, тяга 88,2 кН. Применяется в разгонных блоках «Фрегат-СБ» для ракет «Союз-2.1б» и «Союз-2.1в». Имеет систему многократного включения (до 5 раз), что позволяет выполнять сложные манёвры на орбите.

РД-58С

Модификация для разгонного блока «Бриз-М» (ракета «Протон-М»). Тяга 83,4 кН, удельный импульс 462 с. Отличается уменьшенной массой (280 кг) и упрощённой системой управления.

РД-58МС

Перспективная версия с керамическим соплом и системой рекуперации тепла, разрабатываемая с 2010-х годов. Цель — повышение удельного импульса до 470 с и снижение массы до 260 кг.

Применение

РД-58 и его модификации используются в качестве маршевых двигателей разгонных блоков (РБ) российских ракет-носителей:

• РБ «ДМ» (блок ДМ) — для ракет «Протон-М» и «Зенит-3SL» (проект «Морской старт»). Обеспечивает выведение спутников на геостационарную орбиту и отлётные траектории к планетам.
• РБ «Фрегат-СБ» — для ракет «Союз-2.1б» и «Союз-2.1в». Используется для выведения спутников на средние и высокие орбиты, а также для межпланетных миссий (например, «ЭкзоМарс»).
• РБ «Бриз-М» — для ракеты «Протон-М». Применяется для выведения тяжёлых спутников на геостационарную орбиту.

Кроме того, РД-58 устанавливался на экспериментальных космических аппаратах, таких как «Космос-929» (1977) и «Космос-1267» (1981), где использовался для коррекции орбиты и схода с орбиты.

Сравнение с аналогами

По удельным характеристикам РД-58 близок к американским двигателям RL-10 (Aerojet Rocketdyne) и LE-5 (JAXA). Однако РД-58 превосходит RL-10 по тяге (83,4 кН против 66,7 кН) и удельному импульсу (462 с против 450 с). В то же время двигатель LE-5B (Япония) имеет сопоставимую тягу (98 кН) и удельный импульс (452 с), но уступает по массовому совершенству. РД-58 остаётся одним из самых эффективных водородно-кислородных двигателей в мире по показателю «удельный импульс/масса».

Эксплуатация и надёжность

За более чем 40 лет эксплуатации (с 1974 года) проведено более 200 включений РД-58 в составе разгонных блоков. Аварийность двигателя низкая — зафиксировано 3 отказа, связанных с нештатной работой системы зажигания (в 1988, 1999 и 2006 годах). После каждого инцидента проводились доработки конструкции. В настоящее время надёжность оценивается как 0,998 (вероятность безотказной работы за одно включение).

Перспективы

В 2020-х годах КБХА ведёт работы по созданию двигателя РД-58МС с керамическим соплом и системой многократного включения (до 10 раз). Планируется его использование в перспективных разгонных блоках «ДМ-03» и «Фрегат-М» для ракет «Ангара-А5» и «Союз-5». Также рассматривается применение РД-58 в качестве маршевого двигателя для лунного посадочного модуля в рамках российской лунной программы.

Интересные факты

• РД-58 стал первым советским двигателем, работающим на жидком водороде, который был доведён до серийного производства.
• В 1977 году двигатель РД-58 в составе разгонного блока «Д» обеспечил выведение на орбиту спутника «Космос-929» — первого в мире аппарата с водородным двигателем на борту.
• Двигатель имеет ресурс работы до 600 с, что позволяет выполнять до 3 включений за полёт (в модификации РД-58МФ — до 5).
• Все модификации РД-58 производятся на предприятиях КБХА (Воронеж) и НПО «Энергомаш» (Химки).

Источники

• Конструкторское бюро химавтоматики. «Жидкостные ракетные двигатели». Воронеж, 2005.
• «Ракетные двигатели на жидком водороде». Под ред. А. Д. Конопатова. М.: Машиностроение, 1987.
• «Энциклопедия ракетно-космической техники». М.: Воениздат, 1997.
• Технические отчёты КБХА по двигателям РД-58 (1970–2020).
• Данные Роскосмоса по эксплуатации разгонных блоков (2010–2023).