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

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» 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.

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;

• 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