РД-191

РД-191 — российский однокамерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на нетоксичных компонентах (керосин + жидкий кислород). Разработан для семейства российских ракет-носителей (РН) «Ангара». Разработчик — НПО «Энергомаш» им. В. П. Глушко.

РД-191М — модернизированная версия двигателя, на 10-15% мощнее, которую планируется применять на РН «Ангара-А5В» и «Ангара-А5П».

Конструкция

Конструкция изделия основана на конструкции двигателей РД-170/171.

РД191 — однокамерный двигатель, предназначенный для использования в качестве маршевого. Оснащён турбонасосной системой, обеспечивающей подачу компонентов топлива. Работа двигателя осуществляется по схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, который служит для привода турбины основного турбонасосного агрегата (ТНА). В качестве окислителя применяется жидкий кислород, в качестве горючего — керосин марки РГ-1.

Общий вид двигателя РД-191

Ключевой элемент системы подачи топлива — турбонасосный агрегат — сконструирован по схеме с одним валом. В его состав входят:

• осевая турбина, рабочее тело для которой создаётся газогенератором;
• одноступенчатый шнекоцентробежный насос для подачи окислителя;
• двухступенчатый шнекоцентробежный насос для горючего.

Для повышения давления компонентов топлива перед тем, как они попадут в основной турбонасосный агрегат, в системе подачи используются специальные насосы — бустерные насосные агрегаты (БНА). Окислитель в БНА приводится в действие генераторным газом, который отбирается с выхода турбины основного ТНА. Горючее в БНА приводится в действие основным горючим, которое отбирается с выхода первой ступени насоса. Чтобы регулировать тягу и соотношение компонентов топлива, используются два устройства: регулятор расхода, который установлен в линии подачи горючего в газогенератор (регулятор тяги), и дроссель горючего, который установлен в линии подачи горючего в камеру (дроссель соотношения компонентов). Управление регулятором тяги и дросселем соотношения компонентов осуществляется с помощью шаговых электрогидроприводов. Команды на эти приводы поступают от системы управления. Питание приводов автоматики осуществляется через блок гидравлического питания автоматики (БГПА). В качестве рабочей жидкости используются:

• керосин из пускового бачка (во время запуска);
• керосин из первой ступени насоса во время работы двигателя;
• масло, которое поступает из наземного источника (во время проверок).

Входящий в состав БГПА клапан консервации обеспечивает герметичность системы приводов во время простоя двигателя. Управление вектором тяги двигателя по каналам «тангаж» и «рысканье» осуществляется через команды системы управления, при этом качание камеры происходит в пределах углового конуса с углом полураствора 80°. Управление по каналу «крен» осуществляется с помощью специальных сопел, которые не входят в состав двигателя. Они питаются окислительным газом, который отбирается с выхода турбины основного турбонасосного агрегата. На входе в магистраль горючего установлен разделительный клапан, который отсекает бак горючего от двигателя во время стоянки PH и позволяет вакуумировать полости двигателя перед заполнением горючим.

В двигателе имеется пневмоблок, в котором находятся пневмоуправляемые клапаны, управляемые при помощи электропневматических клапанов (ЭПК), подающим управляющее давление. Также пневмоблок обеспечивает возможность продувки двигателя как от наземных систем (азот), так и от баллона двигателя (гелий).

Когда двигатель начинает работать, специальное горючее, которое находится в ампулах, начинает поступать в систему. Оно вытесняет основное топливо, которое поступает из пускового бачка. В этот момент в пусковом бачке создаётся давление благодаря гелию, который поступает из пневмоблока. Пусковое горючее помогает запустить двигатель до тех пор, пока его работу не начнёт поддерживать основное топливо. В процессе работы двигателя гелий, который поступает из ёмкостей PH для наддува баков, нагревается. Для этого используется специальный агрегат, который установлен в магистрали питания турбины БНА окислителя.

Принципиальная пневмогидравлическая схема двигателя РД-191

РД-191 — это инновационное решение в сфере ракетных двигателей, которое обладает рядом уникальных характеристик.

Срок изготовления двигателя на 2016 год составлял от 18 до 24 месяцев; планировалось снижение этого срока до 12 месяцев.

Особенности конструкции

В конструкции применены инженерные и технологические решения, разработанные при создании РД-170 (171). Основные особенности:

• возможность многократных испытаний двигателя и проведения контрольно-технологических испытаний без необходимости последующей переборки перед поставкой;
• использование материалов и покрытий, устойчивых к возгоранию, в трактах жидкого кислорода и окислительного генераторного газа;
• технология создания защитных покрытий;
• узел качания камеры по линии окислительного газа (используется без изменений);
• конструкция камеры (используется без изменений);
• конструкция основных топливных клапанов;
• алгоритм управления двигателем, который обеспечивает высокую точность регулирования тяги и соотношения компонентов при изменении режима работы от 100% до 30% от номинального.

Основные характеристики РД-191

• Тяга (на уровне моря / в вакууме): 196 / 212,6 т/с;
• Удельный импульс (на уровне моря / в вакууме): 311,5 / 337,5 кгс•с/кг;
• Диапазон дросселирования тяги (от номинального значения): 27-105%;
• Компоненты топлива: жидкий кислород и керосин РГ-1;
• Температура газа на входе в турбину: 582°С.
• Масса в состоянии поставки: около 2290 кг.

Основные характеристики РД-191М

• Тяга (на уровне моря / в вакууме): 217,4 / 234,0 т/с;
• Удельный импульс (на уровне моря / в вакууме): 314 / 338 кгс•с/кг;
• Жидкостный ракетный двухкомпонентный
• С дожиганием окислительного генераторного газа

Рассматривался вариант выдвижного соплового насадка, однако в этом случае пришлось бы его выдвигать на работающем двигателе, что связано с массой сложностей, которые при нынешнем руководстве решить не сумели.

История создания

Разработка ракетного двигателя РД-191 началась в Научно-производственном объединении «Энергомаш» в конце 1998 года под руководством Бориса Ивановича Каторгина — генерального директора и генерального конструктора организации, академика Российской академии наук. В период наиболее интенсивной работы над созданием РД-191 НПО «Энергомаш» возглавлял Владимир Львович Солнцев. Разработка двигателя осуществлялась в соответствии с техническим заданием «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева» № 2115-Анг-ТЗ 315/98. Двигатель РД-191 представлял собой однокамерный кислородно-керосиновый агрегат, оснащённый системой дожигания окислительного газа, и был изначально предназначен для использования в составе отечественных ракет-носителей семейства «Ангара».

В июле 2001 года были начаты огневые испытания двигателя РД-191. В ходе этих испытаний были решены следующие ключевые задачи:

• исключена деформация корпуса турбонасосного агрегата, которая приводила к повышенному износу уплотнений по буртам крыльчатки и бандажу турбины;
• оптимизирована конструкция «стояночного» уплотнения между насосом окислителя и турбиной турбонасосного агрегата;
• обеспечена устойчивая работа двигателя на пониженных режимах (30% от номинальной мощности);
• обеспечен требуемый запас по усталостной прочности отдельных трубопроводов;
• разработана стендовая система активной защиты (САЗ), которая позволяет своевременно производить аварийные выключения двигателя без повреждения материальной части.

Также была успешно проведена сертификация камеры сгорания двигателя, причём осуществлялось оно на Воронежском механическом заводе. Это было сделано для снижения риска ценовых спекуляций, так как единственный производитель камер сгорания этого типа (ОАО «Металлист-Самара») принадлежал частному лицу.

2009 год и после

• В 2009 году РД-191 прошёл лётные испытания в составе первой ступени РН «Наро-1» (Республика Корея). Первая ступень отработала нормально, но, из-за несброса головного обтекателя, спутник на орбиту не вышел.
• К началу 2010 года РД-191 прошёл полный цикл огневых испытаний на стенде и три огневых испытания в составе блока первой ступени (УРМ-1) ракеты-носителя «Ангара». Программы испытаний соответствовали циклограммам работы УРМ в составе «Ангара-1.2», бокового и центрального блока «Ангара-А5». В последнем случае осуществлялось дросселирование двигателя до 30% номинала, что является рекордом для двигателей, работающих при атмосферном давлении на уровне моря.
• В июле 2010 года, в ходе проведения плановых межведомственных испытаний, один из двигателей не выдержал многократных сверхнагрузок и сгорел. По сообщению пресс-центра НПО «Энергомаш», это было штатной ситуацией: «Двигатель и должен был сгореть. Это абсолютно нормальная штатная ситуация, специалисты должны были установить, какие нагрузки он был способен выдержать».
• 29 марта 2011 года двигатель РД-191 успешно прошёл очередные огневые испытания на испытательном стенде НПО «Энергомаш». Двигатель успешно отработал по программе 223 секунды.
• 23 мая 2011 года межведомственной комиссией (МВК), образованной совместным решением Космических войск Минобороны РФ и Федерального космического агентства, подписан акт, в котором констатировано, что двигатель РД-191 успешно завершил стадию наземной отработки и пригоден для использования в составе семейства ракет-носителей «Ангара». К этой дате было проведено 120 огневых испытаний с общей наработкой 26747,4 сек., включая три наземных в составе ракетного блока УРМ-1 и два лётных испытания в составе первой ступени корейской РН «Наро-1».
• 30 января 2013 года состоялся успешный старт ракеты-носителя «Наро-1», то есть РД-191 в третий раз успешно отработал в составе первой ступени ракеты-носителя.
• В 2014 году в пермском поселке Новые Ляды началось строительство заготовительного корпуса производственного корпуса, на эти цели из федерального бюджета и бюджета предприятия выделили более 2 млрд рублей.
• 9 июля 2014 года с космодрома «Плесецк» был успешно проведён первый испытательный пуск РН «Ангара-1.2ПП» с маршевым двигателем первой ступени РД-191.
• 23 декабря 2014 с космодрома «Плесецк» был успешно проведён первый испытательный пуск РН «Ангара-А5» с маршевым двигателем первой ступени РД-191.
• 23 января 2015 стало известно, что в рамках гособоронзаказа НПО «Энергомаш» в течение 2015-2016 годов произведёт 10 двигателей РД-191 для использования в составе РН «Ангара-А5».
• 25 августа 2015 года НПО «Энергомаш» приступило к созданию модернизированной версии двигателя РД-191 — РД-191М, который будет применяться на РКН «Ангара-А5В» и «Ангара-А5П» и будет на 10-15% мощнее предшественника.
• В ноябре 2015 года ПАО «Протон-Пермские моторы» объявило тендер на реконструкцию цехов под производство двигателя РД-191 для ракет «Ангара».
• В сентябре 2016 года стало известно, что для РД-191 будет внедрено цифровое проектирование. Для этого сформирована проектная команда, управляющий комитет и определён бюджет. Реализация проекта рассчитана на три года.
• 1 августа 2017 года пресс-служба «Энергомаша» сообщила, что с августа предприятие начинает периодические подтверждающие испытания РД-191 для ракет-носителей семейства «Ангара», общее число которых составит шесть прожигов.
• 27 февраля 2018 года НПО «Энергомаш» заявило о начале внедрения аддитивных технологий при производстве жидкостных ракетных двигателей. По оценке специалистов КБХА, применение аддитивных технологий сократит трудоёмкость производства этого двигателя на 20%. По НИОКР конструкторы НПО «Энергомаш» планировали провести работы по нескольким направлениям применения аддитивных технологий для использования при производстве РД-191:
  • разработка агрегата наддува двигателя РД-191, выполненного по аддитивной технологии;
  • отработка аддитивной технологии изготовления корпуса блока сопел крена (КБСК) двигателя РД-191;
  • перепроектирование пневмоблока двигателя РД-191;
  • проведение топологической оптимизации и изготовление кронштейнов двигателей РД-191.
• 11 апреля 2018 года НПО «Энергомаш» заявил, что ведёт работу по переводу всей технической документации для двигателя РД-191 в электронный формат и в вид 3D-моделей деталей, агрегатов и двигателя в целом. На основе электронной документации составляются технологические процессы и управляющие программы для современных многокоординатных станков с числовым программным управлением. Что позволяет оптимизировать процесс его изготовления и, как следствие, уменьшить общий объём издержек.
• 27 августа 2019 года глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019 сообщил, что производство РД-191 для ракет-носителей «Ангара» возрастёт кратно с 2023 года с началом серийного изготовления носителей. В изготовлении РД-191 будет активно участвовать предприятие «Протон-ПМ».
• 25 октября 2019 года исполнительный директор ПАО «Протон-ПМ» Дмитрий Щенятский сообщил СМИ, что предприятие собирается на 32% сократить цикл производства, тем самым в полтора раза снизив стоимость изготовления РД-191 — до 200 млн рублей. «Протон-ПМ» к 2023 году планирует стать серийным изготовителем этого двигателя, в год будет производиться 40 двигателей. Инвестиции в создание производства составляют 13 млрд рублей, сегодня освоено более 7 млрд рублей.
• 26 мая 2020 года ПАО «Протон-ПМ» заявило, что организовало отгрузку заказчику — АО «НПО Энергомаш» — турбонасосного агрегата (ТНА) двигателя РД-191 для ракеты-носителя «Ангара» (опытно-конструкторские работы «Факел-2»). Сборка двигателя № ПМ2 с ТНА производства пермского предприятия запланирована на июнь 2020 года, квалификационные испытания РД-191 будут проведены в третьем квартале того же года.

РД-191М

• 25 августа 2015 года НПО «Энергомаш» приступило к созданию модернизированной версии двигателя РД-191 — РД-191М, на 10-15% мощнее предшественника. Он редназначен для РН «Ангара-А5В» и «Ангара-А5П». Опытно-конструкторские разработки планировалось завершить к 2018 году.

• 18 января 2017 года специалистам Центра им. Хруничева удалось создать и провести испытания РД-191М с выходом на режим по тяге в 110 % (таким образом, для «Ангары-А5М» грузоподъёмность вырастет с 24 до примерно 25,5 тонн при выводе на низкую орбиту, что на 3,5 тонны больше возможностей «Протон-М»).
• 27 августа 2020 года генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов сообщил, что в Роскосмосе прошла защита технического проекта РД-191М. В КБ «Энергомаша» идёт разработка конструкторской документации, которая будет в том числе подготовлена в виде электронной 3D-модели; затем конструкторская документация будет передана на серийный завод в Пермь на ПАО «Протон-ПМ», где уже началась подготовка производства и организация серийного производства РД-191М. Первый доводочный образец двигателя должен быть собран в конце 2021 года, огневые испытания предполагаются в середине 2022 года с тем, чтобы в 2023 году начать поставки для «Ангары-А5М». Мощности, которые создаются в Перми, позволяют обеспечить объём выпуска не менее 40 двигателей в год.
• 27 февраля 2021 года главный конструктор НПО «Энергомаш» Петр Левочкин в эфире телепрограммы «Большой космос» сообщил о работах по перепроектированию двигателя РД-191М под ракету-носитель «Амур». В течение 2021 года должна быть в полном объёме выпущена конструкторская документация, проведены автономные испытания, изготовлена материальная часть первого доводочного двигателя.
• 20 мая 2021 года компания «Протон-ПМ» приступила к освоению двигателя РД-191М для ракет-носителей семейства «Ангара». Первый экземпляр планируется изготовить в начале 2023 года, в том же году НПО «Энергомаш» приступит к его испытаниям.
• 28 июня 2022 года в Роскосмосе сообщили, что компания «Протон-ПМ» разработала большую часть техпроцессов, необходимых для изготовления двигателя РД-191М ракеты «Ангара-А5М». Первый РД-191М изготовлен в конце 2023 года; по словам главного конструктора предприятия Петра Левочкина, при его создании максимально использовали технологический и конструкторский задел по двигателям РД-191, РД-171М, РД-180 и РД-181, что помогло существенно сократить затраты на разработку.
• В середине апреля 2024 г. НПО «Энергомаш» успешно провело первые контрольно-технологические испытания двигателя РД-191.

РД-191М