Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей

• Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме.

1. Вроде бы, твердотопливные (пороховые) двигатели самые древние из ракетных, единственные древние. Широко и повсеместно применялись со средних веков. Искусство их изготовления все это время не утрачивалось.

Именно пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.

Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты. Это предыстория очерка.


2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.
(В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях.

Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.)

3. Ключевым недостатком пороховых двигателей являлась тогда скорость горения заряда.

В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.

Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.

4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 была создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман - американский аэродинамик - чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.

При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника - фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.

5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.

В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.

После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы - асфальты, смешанные с окислителем - перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.

Но это после войны. А за время ее главное достижение - пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной НУР Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).


6. Но только в 1946 GALCIT совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру и в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая.

Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:






Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.

Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout - самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.

Надо бы закончить на Trident-II - 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB успешно отработали 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как последняя ступень космических современных носителей.

Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952, погиб при взрыве домашней лаборатории во время ее перевозки в Месксику!).


И для сравнения летопись достижений последователей:

- В СССР разработку смесевых РДТТ начали в 1959. 1962 - первые испытания РТ-1, закончившиеся неудачно. На вооружение попала РТ-2, первый пуск в 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Не все.

- Во Франции начали в 1962. Испытания c 1966 - S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.

- В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ускорители для Vega и будущей Ariane 6.

- В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семества Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции), а в 1970 - удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Теперь производят ступени на основе технологии Castor - сильно и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет там называют греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), а теперь твердотопливный легкий носитель Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что по крайней мере в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Это как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени.

Этот очерк без выводов. О том как было и с датами.