Mail.ruПочтаМой МирОдноклассникиИгрыЗнакомстваНовостиПоискВсе проекты

Двигатель Маска побил рекорд российского РД-180

У отечественного двигателя, который сам Илон называет «превосходным» скоро появится серьезный конкурент.

1
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.

Во время загрузки произошла ошибка.
2
Зачем повышают давление?
Источник: SpaceX

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.

Импульс ракеты равен массе газов, помноженной на скорость струи, поэтому в идеале нужно одновременно сжигать как можно больше и выбрасывать продукты сгорания с максимально возможной скоростью — тяга в этом случае окажется максимальной.

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.

Вывод тонны груза на орбиту обходится в десятки тонн сожженного керосина с жидким кислородом, то есть в миллионы рублей, еще до учета себестоимости одноразовой ракеты, стоимости работ на космодроме и многого другого.

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 ракеты-носителя. РД-180 разработали специально под американский проект ракеты Atlas, взяв за основу РД-170, который, в свою очередь, делали под так и не реализованный в полной мере проект ракеты-носителя «Энергия». «Энергия» совершила всего два запуска, а еще более мощная ее модификация, «Вулкан», вкупе с уменьшенной «Энергией-М» вовсе остались на бумаге.

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.

3
Почему это сложно?
Источник: SpaceX

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, во-первых, специальные насосы, во-вторых, турбина, которая эти насосы раскручивает, и ее лопатки уже должны работать непосредственно в пламени с очень высокой температурой.

Разрушение турбонасосного агрегата привело к гибели не одного десятка ракет в истории, этот узел до сих пор относится к числу тех изделий, которые в состоянии изготовить лишь немногие предприятия мира.

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.

4
Не давлением единым
Источник: SpaceX

Давление — важная, но не единственная характеристика двигателя. Самая тяжелая ракета из когда-либо успешно летавших, Saturn V, имела двигатели F1 с давлением всего 70 атмосфер. Merlin, стоящие в Falcon 9, не дотягивают до сотни, а российские «Союзы» довольствуются снова 70 — и дело не в готовности оператора тратить лишнее топливо с окислителем.

Напротив, Falcon 9 оказалась одной из самых дешевых ракет на сегодняшнем рынке, и ключевую роль тут сыграла многоразовость.

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.

Идеальный двигатель имел бы малую массу, высокое давление в камере сгорания, надежные детали и низкую стоимость. Но на практике это столь же несочетаемо, как попытка соединить тягу тепловоза с динамикой спорткара и расходом топлива мопеда.
5
Что делает Маск
Источник: SpaceX

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.

Советские инженеры, правда, смогли разработать РД-301, работавший на паре фтор+аммиак, но в семидесятые годы закрыли и этот проект.

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 тонно-сил, и этот показатель уже достигнут в испытаниях, так что шансы проекта на успех довольно высоки.

Алексей Тимошенко