Экспериментальный ракетный двигатель ЭД-140
Все эти трудности можно было преодолеть оригинальными конструкторскими решениями, но принципиально не решался один вопрос – ракета с жидким кислородом была плохой в военном отношении. Как уже упоминалось, использование кислорода в качестве окислителя не позволяло хранить крупногабаритную ракету в заправленном состоянии, что резко снижало ее боеготовность. Еще в 1940-х годах немцы установили, что потери жидкого кислорода в промежутке между его производством и использованием для запуска ракет «А-4» достигают 50 %! По результатам эксплуатации «Р-5М» в войсковых частях были подтверждены эти неутешительные данные: применение существующих вариантов базирования данных комплексов становится особенно затруднительным именно в случае осложнения международной обстановки, способного привести к вооруженному конфликту. «Р-5М» не могла находиться в заправленном состоянии больше тридцати суток из-за нехватки запаса жидкого кислорода в ракетных частях. Поэтому для пополнения потерь на испарение из баков требовалось либо располагать караванами из термостатированных автоцистерн для перевозки жидкого кислорода с заводов к месту дислокации ракет, либо иметь такие заводы в районах базирования ракетных частей, что лишало комплекс подвижности и делало его уязвимым для диверсантов и самолетов противника.
Зная эти недостатки жидкого кислорода, Валентин Глушко предложил заменить его азотной кислотой. Она является сильнейшим окислителем – легковоспламеняющиеся вещества самопроизвольно загораются при попадании на них капель азотной кислоты. Однако Сергей Королёв, привыкший работать с кислородом еще в довоенные времена, был резко против, указывая, в частности, на высокую токсичность кислоты – ракеты с ней требовали особых мер обеспечения безопасности при эксплуатации. Точку в первом серьезном споре главных конструкторов поставили расчеты: азотная кислота в качестве окислителя не могла обеспечить требуемую межконтинентальную дальность при заданных габаритах ракеты.
Работы над заменой спирта керосином Глушко начал еще весной 1948 года, когда по заданию правительства пытался создать большой кислородно-керосиновый двигатель РД-110 на основе немецкого опыта. Простая замена горючего не помогла – уже первые огневые испытания отдельных агрегатов выявили множество проблем, присущих «немецкой» конструкции со сферической камерой. К примеру, обнаружились высокочастотные колебания давления, приводящие к стремительному разрушению конструкции. Увеличение размеров камеры сгорания и давления внутри нее только способствовали развитию колебаний. Негативную оценку результатам испытаний дал и немецкий конструктор Вернер Баум, работавший в ОКБ-456.
Тогда стало ясно: чтобы построить работоспособный кислородно-керосиновый двигатель большой тяги, нужно отказаться от однокамерного варианта и перейти на несколько камер сгорания. Кроме обеспечения устойчивости процесса горения, многокамерная схема позволяла уменьшить высоту и массу двигателя.
Революционная идея о переходе на многокамерные двигатели была принята далеко не сразу. Команда Глушко проводила опыты с однокамерным экспериментальным двигателем ЭД-140, находя новые конструкторские решения, и, когда начались первые проработки межконтинентальной ракеты «пакетной» схемы, взялась за проектирование двигателя РД-105 для первой ступени этой ракеты и РД-106 – для второй. Оба двигателя были однокамерными, и Глушко полагал, что за несколько лет сумеет обойти трудности, в том числе и связанные с высокочастотными колебаниями. Но осенью 1953 года задание было изменено, вес боеголовки увеличен до 5,5 т, и двигатели РД-105 и РД-106 в одночасье оказались не нужны.
Ракетный двигатель РД-110 («Новости космонавтики»)
Осознав, что новый груз однокамерным двигателям не «потянуть», Валентин Глушко решил сгруппировать четыре аналогичные камеры сгорания (каждая – увеличенный в масштабе модифицированный вариант ЭД-140) в единый блок с общим турбонасосным агрегатом. При этом высота двигателя уменьшилась, снизилась масса как хвостового отсека, так и всей ракеты в целом. Основные принципы модульной конструкции позволяли начать серийное производство двигателя без значительных изменений в существующем производстве.
РД-107 – двигатель первой ступени ракеты «Р-7»
Концепция многокамерности на многие годы стала «коньком» ОКБ-456, и первые серийные двигатели в этом классе – РД-107 и РД-108 – создавались для ракеты «Р-7». В целом они были идентичны друг другу, но имели и существенное отличие.
РД-107 стояли на боковых блоках, а РД-108 – на центральном блоке «А». Пакетная схема подразумевала отделение первой ступени (то есть «боковушек») после выработки ими топлива. Но полет на этом не заканчивался, двигатель центрального блока продолжал работать, общее время горения достигало 250 секунд, то есть в два раза больше, чем могли выдержать графитовые рули, применявшиеся для управления ранее. Кроме того, этим рулям был присущ серьезный недостаток: они создавали потери тяги двигательной установки за счет торможения газового потока на рулях. Нужно было искать принципиально новые подходы. Тогда Василий Павлович Мишин[93], заместитель Сергея Павловича Королёва предложил использовать в качестве управляющих органов не графитовые рули, а дополнительные поворотные рулевые камеры относительно малой тяги (1/6 от тяги основных). При этом центральный РД-108 отличался от боковых РД-107 наличием четырех (вместо двух) рулевых камер и иной конструкцией дросселя.