Стартовый ракетный ускоритель

Стартовый ракетный ускоритель (СРУ, также разгонный блок первой ступени, твердотопливный ускоритель) — это ракетный двигатель, устанавливаемый на ракету-носитель для увеличения её тяги на начальном участке полёта, как правило, на старте и в первые секунды после него. Стартовые ускорители обеспечивают дополнительную энергию, необходимую для преодоления силы тяжести и достижения первой космической скорости, и отделяются от носителя после выработки топлива, сбрасываясь обратно на Землю или в океан. В зависимости от конструкции, они могут быть твердотопливными, жидкостными или гибридными.

История

Идея использования дополнительных ускорителей для увеличения грузоподъёмности ракет возникла ещё в начале космической эры. Первые практические разработки стартовых ускорителей относятся к 1950-м годам, когда в США и СССР начали проектировать тяжёлые ракеты-носители для доставки ядерных боеголовок и вывода спутников.

Первые проекты

В СССР одним из первых проектов, предусматривавших использование стартовых ускорителей, стала ракета-носитель «Восток» (на базе межконтинентальной баллистической ракеты Р-7). Однако ускорители на ней были частью первой ступени — четыре боковых блока, работающих на керосине и жидком кислороде. Они не были отдельными твердотопливными ускорителями, а представляли собой жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), которые сбрасывались после отработки.

В США в 1960-х годах для программы «Аполлон» были разработаны твердотопливные стартовые ускорители для ракеты-носителя «Сатурн-5» (два боковых ускорителя S-IB). Однако их применение было ограничено, и основная тяга обеспечивалась центральным блоком первой ступени.

Массовое применение

Настоящий прорыв в использовании стартовых ускорителей произошёл в 1980-х годах с разработкой многоразовой транспортной космической системы «Спейс Шаттл» (США). Для её запуска использовались два твердотопливных ускорителя (SRB — Solid Rocket Booster), которые обеспечивали около 80% тяги на старте. Они были самыми мощными твердотопливными двигателями в истории на тот момент. После отделения они спускались на парашютах в океан, где их подбирали и повторно использовали.

В СССР аналогичная концепция была реализована в программе «Энергия-Буран». Ракета-носитель «Энергия» использовала четыре жидкостных ускорителя, работающих на керосине и жидком кислороде, которые после отделения могли быть возвращены для повторного использования (хотя на практике этого не произошло).

Классификация

Стартовые ракетные ускорители классифицируются по нескольким признакам.

По типу топлива

• Твердотопливные ускорители (ТТУ). Наиболее распространённый тип. В качестве топлива используется смесь окислителя (перхлорат аммония) и горючего (алюминий) с полимерным связующим. Преимущества: высокая плотность топлива, простота конструкции, возможность длительного хранения в заправленном состоянии, высокая надёжность. Недостатки: невозможность регулировки тяги (после зажигания ускоритель работает до полного выгорания топлива), сложность с повторным использованием (корпус часто разрушается при сбросе).
• Жидкостные ускорители (ЖРУ). Используют жидкое топливо (например, керосин + жидкий кислород, водород + жидкий кислород). Преимущества: возможность регулировки тяги и многократного включения, более высокий удельный импульс. Недостатки: более сложная конструкция (требуются насосы, клапаны, системы подачи), меньшая плотность топлива, необходимость заправки непосредственно перед стартом.
• Гибридные ускорители. Комбинируют твёрдое горючее и жидкий окислитель. Встречаются редко, в основном в экспериментальных проектах.

По способу отделения

• Сбрасываемые (одноразовые). После выработки топлива ускорители отделяются от носителя и падают на Землю (обычно в океан или на пустынные территории). Большинство современных ускорителей — одноразовые.
• Возвращаемые (многоразовые). Ускорители оснащаются системами мягкой посадки (парашюты, двигатели приземления) и могут быть использованы повторно. Примеры: ускорители системы «Спейс Шаттл» (частично многоразовые), ускорители ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX (США) — после отделения они совершают управляемую посадку на плавучую платформу.

По расположению на носителе

• Боковые. Крепятся по бокам центрального блока ракеты-носителя. Наиболее распространённая схема.
• Пакетные. Расположены вокруг центрального блока, образуя единую конструкцию. Пример: ракета-носитель «Союз» (боковые блоки первой ступени).
• Тандемные. Устанавливаются последовательно друг за другом (например, в составе первой ступени). Встречаются реже.

Устройство и характеристики

Типичный твердотопливный стартовый ускоритель состоит из следующих основных элементов:

• Корпус. Изготавливается из высокопрочной стали или композитных материалов (углепластик). Должен выдерживать высокое давление (до 10 МПа) и температуру (до 3000 °C).
• Заряд топлива. Твёрдотопливная смесь, запрессованная в корпус. Форма заряда (канал) определяет профиль горения и тяги.
• Сопло. Обеспечивает ускорение газов и создание реактивной тяги. Изготавливается из жаропрочных материалов (графит, керамика).
• Система зажигания. Обычно электрический воспламенитель, который поджигает топливо.
• Система отделения. Пиротехнические или механические замки, которые отсоединяют ускоритель от носителя.
• Система управления вектором тяги (УВТ). Позволяет изменять направление тяги для управления полётом. Реализуется с помощью поворотного сопла, газовых рулей или впрыска жидкости в сопло.

Характеристики стартовых ускорителей варьируются в широких пределах. Например, ускорители SRB системы «Спейс Шаттл» имели длину около 45 м, диаметр 3,7 м, массу около 590 тонн (из них 500 тонн — топливо), развивали тягу около 12,5 МН (меганьютонов) на уровне моря и работали около 120 секунд. Ускорители Falcon 9 компании SpaceX имеют длину около 42 м, диаметр 3,7 м, массу около 440 тонн, тягу около 7,6 МН и работают около 150 секунд.

Применение

Стартовые ракетные ускорители используются в следующих целях:

• Увеличение грузоподъёмности. Позволяют выводить на орбиту более тяжёлые полезные нагрузки (спутники, модули космических станций, межпланетные зонды) без необходимости увеличения размеров основной ракеты.
• Запуск с морских платформ. Для ракет, стартующих с плавучих платформ (например, «Морской старт»), ускорители обеспечивают дополнительную тягу для преодоления сопротивления атмосферы.
• Военные цели. Используются в баллистических ракетах для увеличения дальности и скорости полёта.
• Космический туризм. В некоторых суборбитальных системах (например, SpaceShipTwo компании Virgin Galactic) стартовые ускорители используются для разгона самолёта-носителя.

Примеры

• SRB (Space Shuttle Solid Rocket Booster) — твердотопливные ускорители системы «Спейс Шаттл» (США). Самые мощные ускорители в истории, использовались с 1981 по 2011 год.
• Ускорители ракеты-носителя «Энергия» — жидкостные ускорители (блоки «А»), работавшие на керосине и жидком кислороде. Использовались в 1987–1988 годах.
• Ускорители Falcon 9 — жидкостные ускорители (первая ступень), работающие на керосине и жидком кислороде. Многоразовые, используются с 2010 года.
• Ускорители Ariane 5 — твердотопливные ускорители европейской ракеты-носителя. Обеспечивают около 90% тяги на старте.
• Ускорители PSLV — твердотопливные ускорители индийской ракеты-носителя. Используются с 1993 года.

Интересные факты

• Самый мощный стартовый ускоритель в истории — SRB системы «Спейс Шаттл» — развивал тягу более 12 МН, что эквивалентно работе 12 000 автомобильных двигателей.
• Корпуса твердотопливных ускорителей SRB были изготовлены из стали толщиной до 12 мм, что делало их одними из самых прочных конструкций, созданных человеком.
• Ускорители Falcon 9 компании SpaceX — единственные в мире многоразовые жидкостные стартовые ускорители, которые после отделения совершают управляемую посадку на плавучую платформу в океане.
• В СССР существовал проект «Энергия-М», который предусматривал использование двух жидкостных ускорителей вместо четырёх, но он не был реализован.

Источники

• Глушко В. П. «Развитие ракетной техники в СССР». — М.: Наука, 1987.
• Губарев В. С. «Космические мосты». — М.: Молодая гвардия, 1989.
• «Ракеты-носители» / Под ред. А. В. Квасникова. — М.: Машиностроение, 2004.
• Отчёты НАСА по программе «Спейс Шаттл» (Space Shuttle System).
• Техническая документация компании SpaceX (Falcon 9 User's Guide).
• Материалы Европейского космического агентства (ESA) по ракете-носителю Ariane 5.