Двигатели КБХА

Предприятие было создано в июле 1940 г. на Московском авиационном карбюраторном заводе №33 как конструкторское бюро (КБ-2) по разработке агрегатов непосредственного впрыска топлива в цилиндры авиационных моторов. Начальником КБ и заместителем главного конструктора завода был назначен Семен Ариевич Косберг. 13 октября 1941 г. КБ было преобразовано в самостоятельную организацию и эвакуировано в г. Бердск Новосибирской обл. на завод №296, а С.А. Косберг был назначен главным конструктором завода. В апреле 1946 г. ОКБ перебазировалось в Воронеж на завод №265 Министерства авиационной промышленности и получило наименование «ОКБ завода №265», а в мае 1946 г., в связи с изменением номера завода – «ОКБ завода №154». Наряду с продолжением работ по агрегатам непосредственного впрыска, началась разработка различных агрегатов для турбореактивных и турбовинтовых двигателей.

Первые образцы ЖРД были разработаны коллективом в 1955-1959 гг. для применения в качестве дополнительных силовых установок на истребителях-перехватчиках А.И. Микояна, А.С. Яковлева и П.О. Сухого. Успешные результаты этой работы послужили основанием для преобразования ОКБ завода №154 в самостоятельное государственное союзное ОКБ-154, которому была поручена разработка ракетных двигателей для РН космического назначения и боевых ракет.

Первый космический двигатель РД-0105 был разработан в этом КБ в 1958 г. для третьей ступени РН «Луна» (первая трехступенчатая модификация межконтинентальной ракеты Р-7). В дальнейшем на базе этого двигателя был разработан РД-0109 для третьей ступени РН «Восток» (вторая трехступенчатая модификация Р-7, предназначенная для запуска пилотируемых кораблей и беспилотных спутников).

С 1960 по 1976 гг. КБХА и Воронежский механический завод (ВМЗ) занимаются созданием и серийным производством мощных ЖРД замкнутой схемы, работающих на долгохранимых компонентах топлива. Эти двигатели были установлены на ряде отечественных стратегических ракет разработки ОКБ В.П. Макеева и В.Н. Челомея, а также на верхних ступенях РН «Протон». Разработаны кислородно-керосиновые ЖРД для третьей ступени РН «Союз». В 60-70-х гг. КБХА вело разработку первого отечественного ядерного ракетного двигателя с твердофазной активной зоной, а с середины 70-х гг. – мощного кислородно-водородного ЖРД для второй ступени РН «Энергия». Всего за годы существования КБХА и ВМЗ коллективом конструкторского бюро разработано более 60 типов ЖРД, из которых 27 запущено в серийное производство. В настоящее время предприятием руководит генеральный директор – генеральный конструктор Владимир Рачук.

Прототип кислородно-керосинового РД-0110 – двигатель РД-0106 – был разработан в КБХА в 1959-1961 гг. под руководством С.А. Косберга по техническому заданию ОКБ-1 С.П. Королева и предназначался для установки на второй ступени межконтинентальной ракеты Р-9 (начало летных испытаний – 10 апреля 1961 г.). Практически параллельно с Р-9, в ОКБ-1 создавалась более мощная модификация ранее созданной РН «Восток» с новой третьей ступенью (блоком «И»). На нее планировалось установить двигатель со второй ступени Р-9. Развитие прототипа, приведшее к появлению РД-0110, шло по пути упрощения для увеличения надежности при сохранении значений основных удельных параметров.

РД-0110 – четырехкамерный двигатель с единым ТНА, построен по открытой (незамкнутой) схеме без дожигания отработанного газогенераторного газа. Рабочее тело турбины – продукты сгорания в газогенераторе основных компонентов топлива, обогащенные горючим для снижения рабочей температуры на лопатках турбины. Качающиеся сопла, через которые сбрасывается отработанный на ТНА газ, обеспечивают управление РН в полете. Примерно 96% тяги РД-0110 создается основными камерами сгорания, оснащенными соплами с большой степенью расширения.

Отличительная особенность камер – нижняя часть юбки сопел, имеющая не характерную для большинства отечественных ЖРД двухстеночную конструкцию (одна стенка – огневая, вторая, внешняя, гофрированная, одновременно является силовой оболочкой). Конструкция с «несущими внешними гофрами» запатентована специалистами КБХА.

РД-0110 относительно компактен благодаря рациональной компоновке. В его состав входят четыре основные камеры, ТНА в проеме между ними, четыре рулевых сопла с рулевыми машинками, рама крепления и нижний (донный) теплозащитный экран. Кроме того, имеются агрегаты автоматики управления двигателем и система наддува топливных баков ракетного блока.

РД-0110 серийно производится на ВМЗ; с использованием этого двигателя осуществлено более 1500 запусков РН «Восход», «Молния» и «Союз».

Прототип РД-0211 – двигатель РД-0201 – был разработан в КБХА в 1960-1962 гг. под руководством главного конструктора С.А. Косберга по техническому заданию ОКБ-52 В.Н. Челомея и предназначался для установки на первой и второй ступенях межконтинентальной ракеты УР-200. Это был первый отечественный мощный ЖРД замкнутой схемы, работающий на долго- хранимом топливе с дожиганием отработанного турбогаза в основной камере. По своим удельным показателям он превосходил все имеющиеся в СССР и в мире ЖРД аналогичной тяги.

В 1961 г. в ОКБ-52 начались работы по созданию межконтинентальной ракеты УР-500 и практически одновременно – по космическому носителю для выведения на околоземную орбиту тяжелых спутников. Для ускорения работ по РН (впоследствии получившей наименование «Протон») было решено использовать в качестве ее верхних ступеней соответствующим образом модифицированный вариант УР-200. Двигатели обеих ступеней теперь снабжались «высотными» соплами с большой степенью расширения.

Двигатель РД-0211 создан с учетом опыта разработки и эксплуатации прототипа. Дальнейшее его развитие шло по пути роста удельных параметров и улучшения эксплуатационных свойств.

РД-0211 – однокамерный, с турбонасосной системой подачи долгохранимого самовоспламеняющегося топлива, построен по замкнутой схеме с дожиганием отработанного турбогаза в основной камере при высоком давлении. Рабочее тело турбины ТНА – продукты сгорания основных компонентов при большом избытке окислителя. Самовоспламеняемость компонентов топлива упрощает пневмогидросхему ЖРД, позволяя обойтись без таких агрегатов, как пусковая турбина или пусковой газогенератор. Получение высокого удельного импульса обеспечивается соплом с большой степенью расширения.

В состав ДУ второй ступени РН «Протон», кроме четырех двигателей, входят рама крепления, рулевые машинки и нижний (донный) теплозащитный экран с гибкими юбками, через которые проходят сопла двигателей. Один из четырех ЖРД (индекс РД-0210) имеет дополнительные низкотемпературные газогенераторы для образования газа наддува баков ступени. Управление вектором тяги осуществляется за счет качания двигателей в карданных подвесах.

ДУ третьей ступени РН «Протон» состоит из двух двигателей – однокамерного РД-0213 замкнутой схемы и рулевого РД-0214 открытой схемы (блок двигателей имеет индекс РД-0212). Первый, в основном, аналогичен двигателю РД-0211, но имеет сопло с несколько большей степенью расширения и установлен неподвижно. Четыре камеры рулевого РД-0214 установлены на шарнирных подвесах по бокам нижней части третьей ступени, в плоскости разделения ступеней. Циклограмма работы ДУ предусматривает опережающий запуск рулевого РД-0214 после окончания работы двигателей второй, но до момента включения двигателя третьей ступени. Тяга рулевого двигателя обеспечивает «чистое» разделение и осаждение топлива в баках третьей ступени для запуска маршевого ЖРД.

К настоящему времени двигатели РД-0211/0210 и РД-0212 обеспечили более 300 успешных пусков РН «Протон» с суммарной наработкой свыше 343 тыс. с. Серийное производство ведется на ВМЗ.

С 1993 г. для замены РД-0110 создается двигатель РД-0124, предназначенный для установки на третью ступень перспективной РН «Союз-2». За счет применения замкнутой схемы с высоким давлением в камерах и дожиганием окислительного генераторного газа двигатель обеспечивает повышение удельного импульса на 33 единицы, что позволит увеличить полезный груз перспективной РН «Союз-2» почти на 1000 кг или проводить запуски РН с космодромов, расположенных севернее Байконура. Вообще, двигатель отличается рекордным удельным импульсом для ЖРД своего класса, работающих на кислородно-керосиновом топливе.

Для того, чтобы вносить минимум изменений в конструкцию РН «Союз» и стартового комплекса, РД-0124 выполнен в габаритах исходного двигателя РД-0110. Он состоит из четырех камер, ТНА, расположенного в проеме между ними и рулевых машинок. Кроме того, имеются агрегаты автоматики управления двигателем и система наддува топливных баков ракетного блока. Специальных рулевых камер нет – управление вектором тяги обеспечивается качанием основных камер в одной плоскости, за счет шарнирного крепления к подмоторной раме. Вариант РД-0124А предназначен для вторых и третьих ступеней перспективных РН семейства «Ангара», и отличается от исходной модели возможностью двукратного включения в полете. Предполагается также использование двигателей РД-0124 или РД-0124А в проекте «Воздушный старт».

По состоянию на 1 января 2008 г. проведено более 150 ОСИ двигателей с суммарной наработкой более 30 тыс. с, подтвердивших соответствие основных параметров требованиям технического задания.

Впервые в полете РН «Союз-2-1б» двигатель РД-0124 успешно отработал в декабре 2006 г. Первые огневые стендовые испытания РД-0124А проведены в Воронеже в августе 2007 г. Серийный выпуск РД-0124 освоен на Воронежском механическом заводе.

В настоящее время предприятие ведет исследования и опытно-экспериментальные работы по созданию перспективных образцов ЖРД различных классов.

В первую очередь надо отметить разработку кислородно-водородных двигателей РД-0126, РД-0146 и РД-0148 в классе тяги 4-12 тс, предназначенных для использования на верхних ступенях РН и в составе космических разгонных блоков.

Разработка РД-0146 началась в 1997 г. Впервые в России ЖРД спроектирован по безгазогенераторной схеме с раздельными ТНА окислителя и горючего и обеспечением многократных включений в полете. Для высокооборотного турбонасоса горючего (частота вращения ротора – более 2000 об./с) впервые в отрасли разработаны высокоскоростные подшипники, работающие в среде жидкого водорода. Агрегаты РД-0146 позволяют в короткие сроки и с минимальными затратами успешно создавать на их базе новые перспективные двигатели (в т.ч. на метановом горючем). В настоящее время успешно проведены огневые испытания кислородно-метанового ЖРД.

Разработка двигателя РД-0148 ведется по техническому заданию ГКНПЦ им. М.В. Хруничева для использования на кислородно-водородном разгонном блоке (КВРБ) ракетно-космического комплекса «Ангара». В отличие от РД-0146, двигатель спроектирован по схеме с дожиганием генераторного газа. На максимальном режиме (125% номинала) двигатель развивает тягу 12,5 тс.

РД-0126 тягой 4 тс проектировался для применения в составе разгонных боков. Оригинальная особенность ЖРД – использование тарельчатого сопла, что позволило существенно уменьшить габариты камеры при высоком значении удельного импульса (порядка 470 с).

Еще одним направлением перспективных разработок являются «метановые» ЖРД. Совместно с западноевропейскими партнерами КБХА разрабатывает многоразовый двигатель большой тяги (200-250 тс) РД-0162, предназначенный для использования в составе первых ступеней перспективных зарубежных и отечественных многоразовых транспортных космических систем.

Наряду с НПО «Энергомаш», КБХА является разработчиком трехкомпонентных ЖРД. Имея большой опыт в создании кислородно-водородных ЖРД, предприятие за основу своего проекта РД-0750 взяло двигатель РД-0120, использовавшийся на блоке «Ц» сверхтяжелого носителя «Энергия», который дооснащался бустерным и основным насосами керосина.

Первоначально двигатель предназначался для использования в перспективных вариантах РН «Ангара», позднее рассматривалось применение в будущих многоразовых, в т.ч. одноступенчатых системах, таких как МАКС. На стендовой базе КБХА были проведены автономные огневые испытания трехкомпонентного газогенератора. В последующем был собран демонстрационный двигатель РД-0750Д, который в 1998 г. испытывался на стенде НИИХИММАШ (Сергиев Посад).

Интересным направлением исследований КБХА является «конверсия» двигателей боевых ракет, снимаемых с вооружения, в кислородно-керосиновые для космических РН. Примером может служить опытный двигатель РД-0155, создаваемый совместно КБХА и «Красмашзаводом» для использования в составе первых ступеней перспективных вариантов РН «Союз» и «Полет» («Воздушный старт»). Кроме того, в КБХА исследуются многорежимные кислородно-водородные ЖРД с изменяемой степенью расширения и с изменяемым соотношением компонентов.