Американская ракета-носитель «Сатурн». Часть 2

Вс, 07/28/2013 - 11:33

Третья ступень на околоземной орбите

Переходник между блоками первой и второй ступеней отбрасывается после выхода двигателя второй ступени на режим


Вторая ступень (ракетный блок S-II)

На момент ее создания была самым большим в мире ракетным блоком на криогенных компонентах топлива (водород и кислород). Только в 1987 году ее превзошел центральный блок ракеты-носителя «Энергия».

Фирма-изготовитель блока North American Rockwell.
Ступень имеет длину 25 м при диаметре, что и у первой ступени (10,1 м).
Стартовая масса — 458,7 т.
Масса конструкции — 37,6 т.

Ступень выполнена в виде цилиндрического моноблока, состоит из передней и задней юбок, топливного отсека, конуса крепления двигателей и переходного отсека. Передняя часть отсека является баком горючего, а нижняя — баком окислителя.

Конструкции переходного отсека, передней и задней юбок одинаковы и представляют собой силовые цилиндрические оболочки, состоящие из обшивки с продольным и поперечным наборами. Конус крепления двигателей также имеет продольные и поперечные подкрепляющие ребра.

Некоторые особенности конструкции ступени обусловлены применением в качестве компонентов топлива жидкого кислорода и жидкого водорода.
Еще при эксплуатации ракеты «Фау-2» (см. «НиТ» №3 за 2007г.) было установлено, что потери жидкого кислорода в промежутке между его производством и использованием достигали 50%, то есть реальная стоимость жидкого кислорода значительно увеличивалась.

После заправки криогенными компонентами ракету нельзя оставлять на относительно длительное время, так как сжиженные газы могут вызвать обледенение различных клапанов. Для «Фау-2» число успешных запусков снижалось почти вдвое, если ракета заправлялась более чем за два часа до старта.

Таким образом, жидкий водород имеет весьма малую плотность, поэтому необходимые для полета 70 тонн горючего требуют объема более 1 миллиона (точнее — 1013000) литров. В сферический бак окислителя заливается 330800 литров жидкого кислорода (или по массе — 360 тонн). Оба бака имеют общее промежуточное днище трехслойной конструкции с пенопластовым заполнителем, выполняющим роль и теплоизолятора. Ведь жидкий водород кипит уже при температуре минус 253°С (жидкий кислород — при минус 183°. Во избежание больших потерь горючего и окислителя на испарение необходима теплоизоляция баков от внешней среды. Поэтому поверхность топливного отсека снаружи, наружные поверхности верхнего днища, а главное, обечайки водородного бака имеют мощное теплоизолирующее покрытие — слой пенопласта толщиной до 40 мм (в нижней части бака), закрытый снаружи слоистой фенольной оболочкой, защищающей пенопласт от аэродинамического нагрева на атмосферном участке траектории. Во избежание возможности конденсации атмосферного кислорода в переохлажденных полостях теплоизоляции теплоизолирующий слой подвергается предварительной продувке гелием.

Обечайка водородного бака цилиндрическая вафельного типа с часто расположенными продольными и кольцевыми ребрами, изготовленными фрезерованием заодно с обшивкой из плиты алюминиевого сплава толщиной 51 мм, толщина обшивки 3,8 мм. Толщину стенок баков определяли с учетом того, что прочность алюминиевых сплавов при низких температурах обычно повышается. Это позволило частично компенсировать весовые потери, связанные с введением теплоизолирующего покрытия.
Наддув баков горючего и окислителя производится газифицированным водородом и кислородом соответственно.

Силовая установка ступени имеет пять двигателей J-2: центральный — неподвижный и четыре — по периферии на карданных подвесах. Поворотом последних достигается управление ракетой. Каждый из них дает тягу (в пустоте) 104 тс, а низкокипящее топливо «кислород+водород» обеспечивает удельную тягу 430 секунд (в пустоте).

На каждой камере установлено по два ТНА: один — для горючего, другой — для окислителя. Они обеспечивают работу топливных насосов без применения редукторов.
Горячий газ из генератора, работающего на основных компонентах, подается сначала на турбину горючего, а затем на турбину окислителя.

Осевой семиступенчатый насос горючего мощностью 6000 кВт создает давление 78 кг/см2 при 27260 об/мин, а одноступенчатый центробежный насос окислителя номинальной мощностью 1270 кВт создает давление 64 кг/см2 при 8000 об/мин.

Такая система двух ТНА позволяет регулировать соотношение компонентов топлива в камере сгорания, которое меняется исходя из условия одновременного опорожнения баков.
Система управления полетом ступени S-II начинает функционировать после отделения S-IС и получает команды от аппаратуры, расположенной в приборном отсеке. В нее входит система управления вектором тяги, отклоняющая четыре периферийных двигателя на угол ±70. Двигатели отклоняются с помощью двух сервоприводов, имеющих автономные турбонасосные системы.