SSME

RS-24/SSME (РС-24)
Испытания на стенде основного двигателя космического челнока.
Тип:	ЖРД
Топливо:	жидкий водород
Окислитель:	жидкий кислород
Камер сгорания:	1
Страна:	США
Использование:
Время эксплуатации:	12 апреля 1981 года - используется
Применение:	«Спэйс Шаттл» (космический челнок)
Производство:
Конструктор:	Рокетдайн, США
Время создания:	18 февраля 1977 года
Производилось:	с 1998 года
Массогабаритные характеристики
Масса:	6 600 кг
Высота:	2 400 мм
Рабочие характеристики
Тяга:	222.6 тс в вакууме (104.5% тяги) 181.4 тс на уровне моря
Удельный импульс:	452.5 c в вакууме 363 c на уровне моря
Время работы:	520 c
Давление в камере сгорания:	18.9 MPa (192.7 ат)
Степень расширения:	77

РС-24 (англ. Rocket System 24, RS-24, Ракетная система 24) - жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) компании Рокетдайн (Rocketdyne), США. На 2009 год применяется на планере космической транспортной системы «Спейс шаттл», на каждом из которых установлено три таких двигателя. Возможно более распространеннное название двигателя SSME (англ. Space Shuttle main engine, Главный двигатель космического челнока) используется именно из-за его текущего применения. Основными компонентами топлива двигателя являются жидкий кислород и водород. RS-24 использует схему закрытого цикла с дожиганием топливного генераторного газа.

Введение

«RS-24» в своем нынешнем применении на космическом челноке сжигает жидкие кислород и водород, которые поступают из центрального бака транспортной системы. МТКК «Спейс шаттл» использует три таких двигателя при старте в космос в дополнение к тяге, обеспечиваемой твердотопливными ускорителями. Иногда при старте также используется система орбитального маневрирования «OMS» (англ. Orbital Maneuvering System). Каждый двигатель может обеспечить 181.4 тс (1.8 мН) тяги при старте. Удельный импульс «RS-24» составляет 453 с в вакууме и 363 с на уровне моря (4 440 м/с и 3 560 м/с, соответственно). Масса двигателя составляет 3.2 т. Двигатели снимаются после каждого полета и перемещаются в центр проверки «SSME» (англ. SSME Processing Facility, SSMEPF) для осмотра и замены всех необходимых компонентов.

ЖРД «RS-24» работают при экстремальных температурах. Используемый в качестве топлива жидкий водород хранится при -253^oC, в то время как температура в камере сгорания достигает 3 300°C, что выше температуры кипения железа. Во время работы «RS-24» потребляют 3 917 литров топлива в секунду. Если бы в этот двигатель закачивалась вода, а не жидкий кислород и водород, то можно было бы выкачать среднего размера бассейн за 25 секунд.

Помимо трех главных двигателей, челнок имеет 44 ме́ньших ЖРД вокруг своей поверхности, которые входят в состав системы орбитального маневрирования «OMS» и реактивной системы управления «RCS», обеспечивая возможность маневрирования на орбите.

Завершение работы двигателя происходит следующим образом: топливо и окислитель, нагнетаемое по трубопроводам из центрального бака, перестает поступать из-за перекрытия доступа остатков топлива в систему; топливная система, включая разветвление к трем «SSME», остается открытой для выработки остатков топлива из трубопроводов.

Окислительная система

Основные компоненты двигателя.

Центробежный насос низкого давления для окислителя (англ. Low Pressure Oxidizer Turbopump, «LPOTP») является шестиступенчатым осевым насосом, который приводится в действие кислородом и повышает давление жидкого кислорода от 0.7 до 2.9 MPa (от 7.1 до 29.6 ат). Скорость вращения турбины «LPOTP» составляет примерно 85.8 об/сек. Поток из «LPOTP» поставляется в насос высокого давления для окислителя (англ. High-Pressure Oxidizer Turbopump, «HPOTP»). Во время работы двигателя, повышение давления позволяет турбине насоса «HPOTP» работать на высоких скоростях без кавитации. «HPOTP» состоит из двух одноступенчатых центробежных насосов - основного насоса и насоса камеры предварительного сгорания - которые установлены на одном валу и приводятся в действие двухступенчатой турбиной, которая, в свою очередь, приводится в действие генераторным газом. «HPOTP» поднимает давление окислителя от 2.9 до 30 MPa (от 29.6 до 306 ат) и вращается со скоростью 468.7 об/сек. Основная часть окислителя направляется через главный окислительный клапан в главную камеру сгорания. Поток из насоса высокого давления частично используется для приведения в действие «LPOTP», также небольшая часть используется в окислительном теплообменнике. Жидкий кислород в последнем случае проходит через клапан, который закрывает или регулирует доступ окислителя в зависимости от текущей температуры двигателя, которая используется для превращения окислителя из жидкости в газобразный кислород. Этот газ затем частично отсылается в коллектор, который отводит его обратно в топливный бак для поддержания давления в баке окислителя, а частично отводится во вторую ступень турбины «HPOTP» камеры предварительного сгорания, которая поднимает давление кислорода 30 до 51 MPa (от 306 до 520 ат). В камеру предварительного сгорания кислород попадает через соответствующий клапан. Так как турбина и насос «HPOTP» установлены на общий вал, в данной области создается опасное соседство горячего топливного генераторного газа в турбине и жидкого кислорода в главном насосе. По этой причине эти две секции отделены друг от друга полостью за уплотнителями, в которую при работе двигателя подается гелий по давлением. Снижение давления гелия приводит к автоматическому отключению двигателя.

Топливно-водородная система

Основная силовая установка челнока.

Топливо поступает в челнок по топливной линии жидкого водорода, начиная от рассоединительного клапана, затем впадает в коллектор, где распределяется по трем топливным трубопроводам двигателей. В каждом ответвлении для жидкого водорода расположен предварительный клапан, который регулирует поступление топлива в турбонасос низкого давления.

Топливный насос низкого давления (англ. Low Pressure Fuel Turbopump, «LPFTP») является осевым насосом, приводимым в действие газообразным водородом, который поднимает давление топлива от 0.2 до 1.9 MPa (от 2.0 до 19.4 ат) и направляет его к насосу высокого давления (англ. High-Pressure Fuel Turbopump, «HPFTP»). Турбина «LPFTP» вращается со скоростью 269.8 об/сек, «HPFTP» вращается со скоростью 589.3 об/сек. «HPFTP» является трехступенчатым центробежным насосом, приводимым в действие двухступенчатой основной турбиной и поднимает давление жидкого водорода от 1.9 до 45 MPa (от 19.4 до 458.9 ат). Полученный поток водорода направляется через главный клапан по трем направлениям. Одна часть направляется в рубашку главной камеры сгорания, где водород используется для охлаждения стен камеры и затем направляется к «LPFTP» для приведения в действие его турбины. Малая часть потока от «LPFTP» затем направляется к общему коллектору от всех трех двигателей к топливному баку для поддержания его давления. Оставшаяся часть проходит между внутренней и внешней стенками коллектора генераторного газа для его охлаждения и направляется в главную камеру сгорания. Вторая часть потока водорода из «HPFTP» направляется в рубашку охлаждения сопла и затем соединяется с потоком от охлаждения камеры сгорания. Объединенный поток направляется в камеру предварительного сгорания.

Камера предварительного сгорания и система управления тягой

«RS-24» в процессе установки на космический челнок в Центре Подготовки Челнока (англ. Orbiter Processing Facilities, «OPF»).

Камеры предварительного сгорания («КПС») для окислителя и топлива приварены к коллекторам генераторного газа. Топливо с окислителем поступают в эти камеры и смешиваются таким образом, который обеспечивает эффективное сгорание. Воспламенитель с усиленной электрической дугой является небольшой комбинационной камерой, расположенной в центре инжектора каждой камеры предварительного сгорания. Пара избыточных двойных искровых воспламенителей, которые активизируются контроллером двигателя, используются в ходе стартовой последовательности двигателя для начала горения в каждой из «КПС». Они отключаются примерно через три секунды, так как процесс горения становится самодостаточным. «КПС» производят обогащенный топливом горячий газ, который проходит через турбины для обеспечения работы насосов выского давления. Выход «КПС» окислителя управляет работой турбины, соединенной с «HPOTP» и насосом «КПС» окислителя. Выход топливной «КПС» управляет турбиной, которая соединнена «HPFTP». Скорость турбин «HPOTP» и «HPFTP» зависит от положения соответствующих клапанов окислительной и топливной «КПС». Эти клапаны устанавливаются контроллером двигателя, которые используются для дросселирования потока жидкого кислорода к «КПС» и таким образом управляют тягой двигателя. Клапаны «КПС» также функционируют вместе с целью поддержания массового соотношения компонентов топлива равным 6:1.

Управление системой охлаждения

Клапан управления охлаждением установлен на внешнем контуре охлаждения камеры сгорания («КС»). Контроллер двигателя управляет количеством газообразного водорода, который направляется в обход рубашки охлаждения сопла, таким образом управляя его температурой. Клапан охлаждения «КС» открыт на 100% перед запуском двигателя. Далее его положение изменяется в зависимости от степени требуемого охлаждения.

Работа трех ЖРД «RS-24» на МТКК «Атлантис», демонстрируемая в начале полета STS-117.

Камера сгорания и сопло

Основная камера сгорания («ОКС») получает обогащенный топливом горячий газ из коллектора рубашки охлаждения. Газообразный водород и жидкий кислород поступают в «ОКС» через инжектор, смешивающий компоненты топлива. Небольшая форсажная камера электровоспламенителя расположена в центре инжектора. Воспламенитель с двойным резервированием используется в ходе операций запуска двигателя для инициирования процесса горения. Главный инжектор и конус «ОКС» приварены к коллектору горячего газа. Кроме этого «ОКС» соединена с коллектором горячего газа при помощи болтовых соединений.

Внутренняя поверхность «ОКС» и сопла охлаждается жидким водородом, который течет по сварным внутристенным каналам из нержавеющей стали. Сопло является колоколообразным расширением «ОКС», которое соединено с ним болтами. Длина составляет 2.9 м, внешний диаметр у основания равняется 2,4 м. Поддерживающее кольцо, которое приварено к переднему концу сопла, является точкой крепления внешнего теплового щита орбитера. Тепловая защита необходима для частей сопла, подвергаемых внешнему разогреву в ходе старта, подъема на орбиту, во время орбитального полёта и при возвращении с орбиты. Изоляция состоит из четырех слоев металлической ватины, покрытой металлической фольгой.

Коэффициент расширения сопла в ЖРД «RS-24» равный 77, является слишком большим для работы двигателя на уровне моря при давлении 192.7 ат в «ОКС». В сопле таких размеров будет происходить срыв потока реактивной струи, который может вызвать проблемы с управлением и даже механические повреждения корабля. Для предотвращения подобного развития событий инженеры Рокетдайна изменили угол расширения сопла, уменьшив его около выхода, что увеличило давление около внешнего кольца до 0.3-0.4 ат и предотвратило срыв потока.^[1]

Главные клапаны

Пять топливных клапанов на «RS-24» приводятся в действие гидравлически и управляются электрическими сигналами контроллера. Они могут быть полностью закрыты, используя систему подачи гелия в качестве запасной системы приведения в действие клапанов.

Главный клапан окислителя и клапан контроля давления топлива используются после отключения. Они остаются открытыми для того, чтобы сбросить остатки топлива и окислителя в топливной системе за борт челнока. После завершения сброса клапаны закрываются и остаются закрытыми до конца полета.

Несущий шарнир

Несущий шарнирный подшипник присоединен болтами к сборке главного инжектора и обеспечивает связь между двигателем и челноком. Насосы низкого давления установлены под углом 180^o от задней части фюзеляжа челнока, которая предназначена для приема нагрузки от двигателей при старте. Линии трубопроводов от низконапорных насосов к высоконапорным предоставляют возможность и пространство для движения двигателя в целях управления вектором тяги. Топливный трубопровод для жидкого водорода от «LPFTP» до «HPFTP» изолирован для того, чтобы избежать сжижения воздуха на его поверхности.

Параметры тяги «RS-24»

Дросселирование тяги «SSME» может производиться в диапазоне от 67% до 109% проектной мощности. В ходе осуществляемых запусков используется уровень 104.5%, а уровни 106-109% - допустимо использовать в аварийных ситуациях. Тяга может быть специфицирована для уровня моря и вакуума, в котором, как правило, ЖРД имеют лу́чшие показатели по причине отсутствия эффектов от атмосферы:

• Тяга 100.0% (уровень моря / вакуум): 1 670 кН / 2 090 кН (170.3 тс / 213.1 тс)
• Тяга 104.5% (уровень моря / вакуум): 1 750 кН / 2 170 кН (178.5 тс / 221.3 тс)
• Тяга 109.0% (уровень моря / вакуум): 1 860 кН / 2 280 кН (189.7 тс / 232.5 тс)

Спецификация уровней тяги свыше 100% означает работу двигателя выше нормального уровня, установленного разработчиками. Исследования показывают, что вероятность выхода из строя «SSME» возрастает при использовании тяги выше 104.5%, что объясняет, почему дросселирование выше указанного уровня оставлено на случай аварийных ситуаций в полете МТКК «Спейс шаттл».^[2]

«RS-24» после космического челнока

Главный двигатель МТКК «Спейс шаттл» США.

Первоначально двигатель предполагалось использовать в качестве основных двигателей на грузовой РН Арес V и в качестве двигателя второй ступени пилотируемой РН Арес I. Несмотря на то, что использование «RS-24» в данном случае выглядело как развитие технологий МТКК после его предполагаемого ухода в 2010 году, имелись некоторые недостатки такого решения:

• Двигатель не будет повторно используемым, так как будет использоваться на одноразовых ракетах-носителях.
• Двигатель должен будет проходить огневые испытания, которые НАСА проводила для каждого нового челнока до полета STS-26.
• Преобразование запускающегося на поверхности двигателя в стартующий в воздухе двигатель РН Арес I было бы дорогостоящим изменением, которое должно было занять много времени.

После того, как были сделаны некоторые изменения в конструкции «Арес I» и «Арес V», было принято решение использовать модификацию ЖРД J-2X на второй ступени «Арес I» и шесть модифицированных ЖРД RS-68B на первой ступени «Арес V». Таким образом, по состоянию на 2009 год, ЖРД «RS-24» или «SSME» станет историей вместе с флотом космических челноков МТКК «Спейс шаттл».

Смотри также

• Спейс шаттл
• MPTA-098 - the SSME test article used in Shuttle development

Ссылки

• NASA Shuttle Press Kit SSME Reference (PDF).
• Space Shuttle Main Engine. Space Shuttle Main Engine Enhancements. NASA.
• The Roar of Innovation. NASA.
• Space Shuttle Main Engine - incredible facts.
• Space Shuttle Main Engine The First Ten Years (PDF).
• NSTS 1988 News Reference Manual.
• "Boeing Liquid Propellant Rocket Systems", Rocketdyne Propulsion & Power, Pub. 573-A-100 9/99, page 26. (SSME was designated the RS-24, not RS-25 as commonly believed. The RS-25 was a misnomer for the expendable version of the SSME that adopted early in the Ares program, later replaced by the RS-68 and J-2X.)
• Encyclopedia Astronautix, reference SSME / RS-24.

Примечания

1. ↑ Конструкция сопла (en)
2. ↑ Отчет группы оценки жизнеспособности «SSME» (en)