Прототип ЖРД из графита: готовы основные детали
Два экспериментальных жидкостных ракетных двигателя (ЖРД) с завесным охлаждением тягой по 100 кгс, чьи камеры изготовлены из нержавеющей стали, готовятся к огневым испытаниям. В данный момент эти двигатели проходят гидроиспытания — об их результатах мы сообщим на сайте.
Для повышения эффективности двигателя и снижения стоимости мы планируем серию экспериментов с различными материалами. Один из вариантов – использование высокотемпературных углерод-углеродных композитов. Однако они достаточно дороги. Поэтому, учитывая, что характеристики нашего двигателя (температура, давление в камере) весьма скромные, для начала мы собираемся рассмотреть вариант из графита.
Графит выдерживает температуры большие, чем нержавеющая сталь, поэтому графитовый двигатель может обойтись одним поясом завесы вместо двух, а, возможно, и без завесного охлаждения вообще. Это упростит и удешевит конструкцию. Основные недостатки графита по сравнению со сталью — окисление и унос материала, а также низкая прочность. Впрочем, давление в нашей камере невысоко (16 атм), и расчеты показывают, что при толщине стенки 7 мм графит его выдержит. Величину уноса определим во время огневых испытаний.
В данный момент изготовлена камера и сопло ЖРД, которые вы можете видеть на фото.
Камера: вид сбоку
Камера: вид сверху
Сопловая часть: вид сбоку
Сопловая часть: вид со стороны сопла
Графит далеко не впервые применяется в ракетной технике. Из него часто делают сопла и сопловые вставки для твердотопливных ракетных двигателей. Однако и в жидкостных двигателях он тоже использовался. Вот несколько примеров.
В одном из первых советских ЖРД ОР-2 (первый пуск двигателя — 1933 год) естественный графит защищал металлические камеру и сопло двигателя ОР-2 от перегрева. ОР-2 с расчетной тягой 50 кгс работал на этиловом спирте и жидком кислороде. На первом испытании прогорело сопло, из-за чего двигатель пришлось выключить через несколько секунд после запуска.
Вот что пишет один из пионеров ракетной техники в СССР Александр Полярный:
«Для увеличения продолжительности работы двигателя ОР-2 были проведены исследования по применению огнеупорных покрытий сопла и камеры сгорания (корунд, магнезит, искусственный и естественный графит и др.) с одновременным улучшением системы наружного охлаждения. Для камеры покрытие из корунда оказалось вполне пригодным, а сопло с этим покрытием быстро разрушалось.
К середине августа 1933 г. испытания показали, что наилучшей является футеровка из естественного графита — при отсутствии в нем прожилок других минералов. Двигатель, футерованный таким графитом (рис. 2), работал 35–40 сек. с незначительной эрозией критического сечения сопла».
Двигатель Vexin первой космической ракеты Франции Diamant-A (1965 год) тягой 33 000 кгс, работавший на скипидаре и азотной кислоте, имел в своем составе вставку в критическое сечение из графита.
В 2011 году Phoenicia — одна из команд, участвовавших в конкурсе Google Lunar X Prize — испытала графитовый двигатель тягой 75 кгс. В штатном режиме он должен работать на керосине и жидком кислороде, но тестовый прогон длился 53 секунды и был выполнен на газообразных пропане и кислороде.