Что случилось?
Двигатель Raptor, разработанный компанией SpaceX для новой ракеты BFR, показал во время испытаний давление внутри камеры сгорания больше, чем российский РД-180, который используется в американских Atlas V и будет толкать новую российскую сверхтяжелую ракету. Таким образом он поставил мировой рекорд — по крайней мере, среди серийных ракетных двигателей и прототипов, рассчитанных на переход к серийному производству.
Об успешных испытаниях, в ходе которых давление в камере сгорания достигло почти 269 атмосфер, сообщил основатель и владелец SpaceX Илон Маск. На выложенном им графике проведена линия на уровне 267 атмосфер: она, по заявлению Маска, соответствует рабочему давлению в камере сгорания РД-180. И хотя НПО «Энергомаш» у себя на сайте указывает иное значение (261 атмосферу), принципиально картину это не меняет — у российского двигателя, который сам Маск называет «превосходным», похоже, скоро появится серьезный конкурент.
Давление в камере сгорания — это не единственный, но довольно важный показатель эффективности двигателя. «Чердак» предлагает разобраться, к чему стремятся конструкторы ракетных двигателей.
Зачем повышают давление?
Принцип работы ракетного двигателя сравнительно прост: некая горючая смесь при сгорании дает много раскаленных газов, которые вырываются из камеры сгорания в нужном направлении. При этом чем больше в камере давление, тем выше скорость струи газов, а это напрямую задает тягу. Здесь в дело вступает закон сохранения импульса, и ракета получает такой же импульс, какой имеют выброшенные продукты сгорания.
Недостаток давления и меньшую скорость истечения газов можно компенсировать повышением расхода топлива и окислителя, но тогда их надо будет брать изначально с большим запасом. А больший запас означает большую стартовую массу, которая, в свою очередь, требует еще большей тяги — получается замкнутый круг, разорвать который иногда просто невозможно. В космос невозможно улететь с двигателями, которые дают слишком малую скорость истечения, да и используемые сейчас не слишком эффективны в силу фундаментальных причин: при сгорании практически чего угодно получить струю со скоростью свыше 3,5 км/с не дают законы физики. Энергия на разгон ракетной струи берется из энергии химических связей в молекулах топлива и окислителя, а ее не может быть больше определенного порога просто в силу того, что так устроены атомы.
Высокое давление в камере сгорания РД-180 стало одной из причин, по которой эти двигатели оказались одними из лучших в истории. В 1990-е годы НПО «Энергомаш» выиграло конкурс на поставку двигателей для американских ракет Atlas, и с тех пор в США поставлено более 80 серийных образцов, использованных для 69 запусков без единой аварии
Успех российской разработки после 2014 года повлек волну предложений о запрете экспорта РД-180 в США. Причем с двух сторон: российские политики хотели оставить американцев без хороших двигателей, а тот же Илон Маск желал избавиться от конкурентов. В итоге новые контракты не заключают, но поставки по старым еще продолжаются.
Почему это сложно?
Простая идея повысить рабочее давление, чтобы получить струю помощнее, сталкивается со сложностями реализации. Чтобы увеличить давление, надо повышать и температуру в камере сгорания, а это автоматически влечет за собой потребность в особо прочных материалах. Даже если не брать РД-180, а рассмотреть старенький РД-107 (сделанный для самой первой межконтинентальной ракеты еще в 1950-х), давление в его камере сгорания достигнет шестидесяти атмосфер (то есть как под грузом в шестьсот тонн на квадратный метр) при температуре внутри в 3250 ℃. Стенки камер сгорания в ракетных двигателях делают из жаропрочной стали, но этого недостаточно — камеру сгорания и сопло дополнительно охлаждают циркулирующим за стенками топливом, а конфигурацию пламени внутри специально рассчитывают так, чтобы оно не касалось поверхности. В том же РД-107 стенки грелись «всего» до 380 ℃, поэтому металл сохранял свою прочность и мог противостоять давлению изнутри.
Сделать прочную камеру сгорания еще полдела. Чтобы в эту камеру поступало горючее и окислитель, их надо подавать под тем же давлением. Для этого требуются,
Ракетная отрасль консервативна: модификация упомянутого выше РД-107 используется в боковых ступенях «Союзов-2» до сих пор. Ничего радикально лучше и надежнее создано не было.
Не давлением единым
Давление — важная, но не единственная характеристика двигателя. Самая тяжелая ракета из
Двигатели Merlin не столь мощны, как РД-180, но зато связкой из девяти таких двигателей проще управлять при снижении ракеты. Это позволило возвращать первые ступени на Землю в целом виде и после ремонта использовать повторно, так что в итоге вышло дешевле и практичнее. Не столь экстремальный двигатель проще в изготовлении и обслуживании, а еще может иметь меньшую массу, так что недостаток тяги иногда не столь уж страшен. Как уже было отмечено, двигатель сжигает топлива и окислителя на миллионы рублей, однако стоимость того же РД-180 составляет несколько миллионов долларов, а в ракете кроме двигателей есть масса иных недешевых компонентов.
Что делает Маск
Места для роста ракетным двигателям осталось немного. Законы термодинамики гласят, что получить скорость истечения газов больше трех с половиной километров в секунду уже не получится — разве что перейти на смеси, которые в приличном конструкторском обществе употреблять не принято. Жидкий фтор с водородом и жидким же литием (температурой 180 градусов, заливать в подогретые баки) может, конечно, выдать целых 5320 м/с, но иметь дело с этим химическим кошмаром американские ракетчики в пятидесятые годы отказались.
Маск рассчитывает создать двигатель, который соединит управляемость Merlin с давлением РД-180, сохранив надежность и того и другого. Работать Raptor будет на метане и кислороде, что необычно, но не слишком: метан почти не использовался в космонавтике, однако горит в кухонных плитах, так что никаких из ряда вон выходящих мер безопасности не требуется. Тяга Raptor должна составить 170
Алексей Тимошенко
