Твердотопливный двигатель аварийного спасения

Твердотопливный двигатель аварийного спасения — это ракетный двигатель твёрдого топлива, предназначенный для экстренного увода космического корабля или его части (спускаемого аппарата) с ракетой-носителем на безопасное расстояние в случае аварии на старте или на начальном участке полёта. Является ключевым элементом системы аварийного спасения (САС), обеспечивающим спасение экипажа и, в некоторых конструкциях, полезного груза.

Назначение и принцип действия

Основное назначение твердотопливного двигателя аварийного спасения (ТД АС) — создание кратковременной, но очень мощной тяги, достаточной для быстрого отделения обитаемого отсека от аварийной ракеты-носителя и удаления его на расстояние, безопасное при взрыве топлива или разрушении конструкции. В отличие от маршевых двигателей, работающих длительное время, ТД АС должен развить максимальную тягу за доли секунды и отработать несколько секунд, после чего его функция считается выполненной.

Принцип действия основан на сгорании твёрдого ракетного топлива (обычно смесевого на основе перхлората аммония, алюминия и полимерного связующего) в камере сгорания. Продукты сгорания истекают через сопло, создавая реактивную тягу. Воспламенение происходит от пиротехнического или электрического запала по сигналу от системы управления аварийной защитой.

История развития

Идея применения твердотопливных двигателей для аварийного спасения возникла одновременно с началом пилотируемой космонавтики. Первые системы аварийного спасения (например, на кораблях «Восток» и «Меркурий») использовали именно твердотопливные двигатели в качестве основного средства увода.

Ранние этапы

На корабле «Восток» (СССР) САС состояла из твердотопливного двигателя, установленного на вершине ракеты-носителя. При аварии на старте или в первые секунды полёта двигатель включался, отрывая кабину космонавта от ракеты. Аналогичная система применялась на американском корабле «Меркурий». Однако на кораблях «Восход» и «Джемини» от САС отказались из-за сложности конструкции, полагаясь на катапультируемые кресла.

Современные системы

С появлением многоразовых кораблей «Спейс Шаттл» (США) и «Буран» (СССР) использование САС с твердотопливным двигателем стало невозможным из-за конструктивных особенностей. На «Шаттле» применялись катапультируемые кресла только для первых полётов, а затем — только аварийное покидание на парашютах. «Буран» не имел экипажа на борту при первом полёте, а для пилотируемых миссий планировалась система катапультирования.

В современной российской космонавтике твердотопливные двигатели аварийного спасения используются на кораблях «Союз» (все модификации) и «Прогресс» (в грузовом варианте — для спасения спускаемого аппарата с грузом). На американских кораблях «Crew Dragon» (компания SpaceX) и «Starliner» (компания Boeing) также применяются твердотопливные двигатели в составе САС, но они интегрированы в корпус корабля, а не вынесены на отдельную ферму.

Конструкция и типы

Твердотопливный двигатель аварийного спасения конструктивно отличается от маршевых двигателей ракет-носителей. Основные элементы:

• Корпус: изготавливается из высокопрочной стали или титановых сплавов, выдерживающих высокое давление (до 100–200 атмосфер) и тепловые нагрузки.
• Заряд твёрдого топлива: обычно бронированный (с защитным покрытием) заряд сложной формы (например, звездообразный или щелевой), обеспечивающий заданную программу горения. Топливо — смесевое, с высокой скоростью горения и большим удельным импульсом.
• Сопло: часто нерегулируемое, но может иметь систему управления вектором тяги (поворотное сопло или газовые рули) для точного направления увода.
• Воспламенитель: пиротехнический или электрический, обеспечивающий надёжное зажигание заряда за миллисекунды.
• Система разделения: после отработки двигателя он отделяется от корабля с помощью пиротехнических замков.

По расположению на ракете-носителе выделяют два основных типа:

1. Выносной (на ферме): двигатель устанавливается на вершине ракеты-носителя на специальной ферме, которая соединяется с кораблём. При аварии двигатель уводит корабль вместе с фермой. Пример — «Союз».
2. Встроенный (в корпус корабля): двигатели (обычно несколько) размещаются в корпусе корабля и при аварии включаются, отрывая корабль от ракеты. Пример — «Crew Dragon» (четыре двигателя SuperDraco, работающие на гипергольном топливе, но фактически являющиеся жидкостными; твердотопливные варианты существуют в проектах).

Характеристики

Основные параметры твердотопливного двигателя аварийного спасения:

• Тяга: от нескольких десятков до нескольких сотен тонн-сил. Для «Союза» — около 80–100 тс.
• Время работы: 2–5 секунд.
• Удельный импульс: 220–260 секунд.
• Скорость увода: до 100–150 м/с за время работы.
• Масса: от 200 кг до 1,5 тонн в зависимости от конструкции.
• Надёжность: крайне высокая (вероятность отказа менее 10⁻⁶), так как от неё зависят жизни экипажа.

Применение в конкретных системах

Система аварийного спасения корабля «Союз»

На ракете-носителе «Союз-2» САС включает в себя твердотопливный двигатель (ДС-1), установленный на вершине головного обтекателя. При аварии на старте или в первые 160 секунд полёта (до отделения первой ступени) включается двигатель ДС-1, который за 2–3 секунды уводит спускаемый аппарат с космонавтами на высоту до 1–2 км. Затем происходит отделение спускаемого аппарата и его штатное приземление на парашюте. После 160 секунд полёта САС отстреливается, так как авария на больших высотах менее опасна.

Система аварийного спасения корабля «Crew Dragon»

На корабле «Crew Dragon» (компания SpaceX) используется жидкостная двигательная установка SuperDraco, но в проектах других кораблей (например, «Орион» — США) применяются твердотопливные двигатели. В «Crew Dragon» четыре двигателя SuperDraco, работающие на гипергольном топливе (монометилгидразин и тетраоксид азота), обеспечивают увод корабля от ракеты-носителя Falcon 9. Однако в более ранних концепциях (например, для корабля «Союз-Аполлон») использовались твердотопливные двигатели.

Система аварийного спасения корабля «Орион»

На американском корабле «Орион» (программа Artemis) САС включает твердотопливный двигатель (LAS — Launch Abort System), установленный на ферме над кораблём. Он состоит из трёх двигателей: основного (для увода), двигателя управления (для ориентации) и двигателя отделения (для сброса системы после завершения манёвра). Все двигатели — твердотопливные.

Критика и альтернативы

Твердотопливные двигатели аварийного спасения имеют ряд недостатков:

• Однократность использования: после включения двигатель не может быть остановлен или перезапущен.
• Большая масса: выносная ферма и сам двигатель увеличивают массу ракеты-носителя и снижают её полезную нагрузку.
• Ограниченное время работы: двигатель работает только несколько секунд, что ограничивает высоту увода.
• Сложность испытаний: проведение огневых стендовых испытаний требует специальных стендов и мер безопасности.

Альтернативой являются жидкостные двигатели (как на «Crew Dragon»), которые могут быть многократно включены и выключены, а также обеспечивают более точное управление. Однако они сложнее, дороже и имеют меньшую надёжность при длительном хранении. Также существуют системы катапультирования (катапультируемые кресла), но они эффективны только на малых высотах и скоростях.

Интересные факты

• Самый мощный твердотопливный двигатель аварийного спасения в истории — двигатель системы LAS корабля «Орион», развивающий тягу около 220 тонн-сил.
• На кораблях «Восток» и «Восход» САС не использовалась для спасения на старте — космонавты катапультировались из спускаемого аппарата на высоте около 7 км.
• В СССР и России все пилотируемые запуски (кроме «Бурана») проходят с обязательным использованием САС. За всю историю советской и российской космонавтики не было ни одного случая гибели экипажа из-за отказа САС.
• В 2018 году при аварии ракеты «Союз-ФГ» (экипаж — Алексей Овчинин и Ник Хейг) САС сработала штатно, уведя спускаемый аппарат на безопасное расстояние. Космонавты не пострадали.

Источники

1. «Ракетные двигатели на твёрдом топливе» — учебное пособие для вузов, под ред. В. Н. Зверева, 2005.
2. «Системы аварийного спасения космических кораблей» — монография, А. В. Захаров, 2010.
3. «История отечественной космонавтики» — сборник статей, РКК «Энергия», 2016.
4. «Spacecraft Systems Engineering» — John Wiley & Sons, 2011.
5. Технические отчёты НАСА по программе «Орион» (NASA/TM-2015-218500).
6. «Космонавтика: энциклопедия» — под ред. В. П. Глушко, 1985.