Шукається ракетний двигун, здатний перевершити російський "Страдіваріус"
Протягом багатьох років ракетно-космічна промисловість перебуває в стагнації і домінує російський РД-180, створений у 1990-х рр. Але це може змінитися. Завдяки сучасним методологіям чотири американські компанії змагаються за створення кращої
- від Метью Боднер | переклала Ана Мілутінович
- 29 липня 2019 р
За годину до заходу сонця 24 травня 2000 р. Із стартового комплексу 36 на станції ВВС мису Канаверал (США) піднялася незвичайна ракета. Як і більшість ракет, "Атлас 3" успадкував свою конструкцію від МБР, в даному випадку від першої американської ракети такого роду, призначеної для загрози Радянському Союзу ядерним знищенням. Це було незвично. Але ракета мала набагато потужніший перший етап, ніж попередні. РД-180, його двигун, був побудований НПО "Енергомаш" на заводі в околицях Москви (Росія). Російський двигун живив американську ракету, союз, який був би немислимий у розпал космічної гонки.
У наступні два десятиліття з Флориди (США) вилетіло ще 83 ракети цього типу. Атлас 3 та його наступник Атлас 5, оснащений двигунами RD-180, вивів на орбіту щонайменше 16 шпигунських супутників США, 13 військових супутників зв'язку, півдюжини супутників GPS, два військові супутники погоди та три супутники ракетної тривоги, призначені для виявлення ракетних пусків з місця побудови двигуна RD-180. Він також забезпечив чотири американські місії на Марс, запуск НАСА місії New Horizons до Плутона в 2006 році та Juno до Юпітера в 2011 році.
RD-180 є чудовим не лише завдяки геополітичним химерностям, під якими він діяв, але тим, що він багато в чому був просто кращим за будь-який інший ракетний двигун свого часу. Коли Ілон Маск оголосив про успіх свого тесту з двигуном Raptor від SpaceX у лютому 2019 року, він похвалився високим тиском, досягнутим в упорній камері Raptor: більш ніж в 265 разів атмосферний тиск на рівні моря. Raptor побив рекорд, який кілька десятиліть тримав "вражаючий російський RD-180", Маск опублікував у Twitter.
Після анексії Криму Росії в 2014 році, дні RD-180 як основної частини американської ракетної техніки почали відлічувати. Оборонним яструбам США давно було незручно з цим союзом, але двигун був дуже хорошим, і, враховуючи його можливості, він був також дешевим, і тому він застряг. Але коли відносини з Росією зірвались, противники цього руху в американському Конгресі на чолі з сенатором Джоном Маккейном, заборонила використання російського двигуна в американських ракетах з 2023 року. Це змусило ВПС США шукати нову ракету.
Все це піднімає питання: Як російський двигун, розроблений десятиліття тому, став стандартним показником порівняння найкращих американських ракетників? Щоб зрозуміти, чому RD-180 настільки хороший двигун, ви повинні знати, що ключовим фактором було питання спритності. Хоча сотні людей беруть участь у розробці ракетних двигунів, мати когось із хорошим дизайнерським інстинктом відповідальним є життєво важливим- Баланси занадто складні, щоб їх можна було вирішити грубою силою. У випадку з РД-180 командуючим називали Валентина Глушко.
Після того, як СРСР програв космічну гонку на Місяць проти США, проектування найкращого ракетного двигуна стало "національним пріоритетом", згадує російський аерокосмічний інженер та космічний історик Вадим Лукашевич. Радянські лідери хотіли побудувати найпотужнішу ракету у світі для утримання своїх космічних станцій на орбіті та запуску "Бурана", яким мав бути російський космічний човник. Глушко отримав ресурси для створення найкращого з можливих двигунів, у чому він був дуже хороший. Результатом став RD-170, старший брат RD-180.
Фото: Російський двигун RD-180 забезпечив десятки запусків Atlas V, а в деяких - супутники, призначені для шпигунства, серед інших країн, тієї самої країни, де він був побудований. Кредити: Крейг Ф. Уокер
RD-170 був одним з перших ракетних двигунів, що використовував техніку, що називається поетапним або поетапним горінням. Іншим, що використовував його, був головний двигун американського космічного човника, також розробленого в 1970-х рр. На противагу цьому, двигуни F-1 першого ступеня ракет "Сатурн V", які приводили програму "Аполлон" на Місяць, мали старішу і простіша конструкція з цикловим двигуном газогенератора. Ключова відмінність: поетапні двигуни внутрішнього згоряння вони, як правило, ефективніші, але мають вищий ризик вибуху. Фахівець з ракетних двигунів на рідкому паливі з Університету Пердью (США) Вільям Андерсон пояснює: "Рівні виділення енергії надзвичайні". Тільки той, хто має справді хитру фантазію, на думку Андерсона, зміг би зрозуміти все, що відбувається всередині камер згоряння ракетних двигунів. У Росії цією людиною був Глушко.
"У човник було вкладено стільки, що ніхто в NASA не хотів говорити про розробку багатого на кисень поетапного двигуна згоряння. Кисень спалив би майже все, якби з'явилася іскра".
Щоб зрозуміти, чому двигуни Глушка мали інженерний успіх, ми маємо отримати трохи техніки.
Існує два ключових способи вимірювання продуктивності ракети: від тяги (або величини сили, яку надає ракета), або від питомого імпульсу (показник ефективності використання палива). Ракета з великою тягою, але низькою питомою тягою не досягне орбіти; йому довелося б перевозити стільки пального, що його вазі знадобилося б більше пального тощо. І навпаки, ракета з високим питомим імпульсом, але низькою тягою ніколи не підніметься з землі. (Однак ці типи ракет добре працюють у космосі, де достатньо постійного імпульсу).
Ракетний двигун спалює паливо разом з окислювачем, яким зазвичай є кисень, для утворення гарячого газу, який розширюється вниз і назовні через сопло двигуна, прискорюючи двигун в іншу сторону. На відміну від реактивних двигунів, які отримують кисень із повітря навколо них, ракети повинні нести власний кисень (або іншого окисника), оскільки в космосі, звичайно, його немає. Подібно реакторам, ракетам потрібен спосіб виштовхувати паливо та кисень у камеру згоряння з високим тиском; все інше рівне, більший тиск означає кращу продуктивність. Для цього ракети використовують турбонасоси з сотнями оборотів в секунду. Турбонасоси приводяться в дію турбінами, які, в свою чергу, активуються попередніми пальниками, які також спалюють частину палива та кисню.
Найважливіша різниця між поетапними двигунами внутрішнього згоряння, такими як RD-180, і двигунами на газовому двигуні, як F-1 Сатурна, полягає в тому, що відбувається з газами, що виходять з цих попередніх пальників. Поки двигуни з газогенераторами викидають його за борт, поетапні двигуни внутрішнього згоряння знову вводять його в основну камеру згоряння. Однією з причин є те, що ці гази містять невикористане паливо та кисень: пальники не можуть спалити все це. Утилізація їх - це відходи, щось найважливіше для ракети, яка повинна транспортувати паливо та кисень, які вона збирається споживати. Але їх повторне впорскування вимагає тонкого балансу між тиском та рівнем потоку, щоб двигуни не вибухнули. Також потрібна ціла серія турбонасосів. Експертам, як правило, потрібно десятиліття моделювання та тестування або більше, щоб зрозуміти, як зробити так, щоб це добре працювало.
RD-170 та RD-180 мають ще одну перевагу. Вони багаті киснем, що означає саме те, як це звучить: вони впорскують додатковий кисень в систему. (На відміну від цього, основним двигуном космічного човника є багатий на паливо двигун.) Багаті киснем двигуни, як правило, горіють чистіше і легше запускаються. Вони також дозволяють тиску в камері згоряння бути вищим, а отже, і його робочих характеристик. Але це робить їх більш вірогідними для вибуху, тому протягом десятиліть США не запускали жодних великих ініціатив, щоб змусити їх працювати.
Андерсон згадує: "У човник було вкладено так багато, що ніхто в NASA не хотів говорити про розробку багатого на кисень поетапного двигуна згоряння. Кисень згорів би більшу частину, якби з'явилася іскра". Це змушує бути дуже обережними з матеріалами, що використовуються для побудови двигуна, і тим більше, щоб переконатися, що в ній не повинно бути сторонніх матеріалів, таких як плями металевого сміття, яких ніколи не повинно бути. Історик додає: "Чим більше ми дізнаємося про фізику того, що відбувається всередині камери згоряння, тим більше ми усвідомлюємо, наскільки це насправді нестабільно".
Якщо RD-170 був найкращим ракетним двигуном свого покоління, можна сказати, що основний двигун космічного корабля був другим найкращим (і набагато дорожчим у виробництві). Але ніхто не реалізував свій потенціал. У двигуна космічного човника були проблеми із завантаженням транспортних засобів, набагато громіздкіші, ніж очікували його конструктори. Зі свого боку, RD-170 літав лише двічі: один раз у 1987 році та один раз у 1988 році. Хоча його розвиток був національним пріоритетом, Радянський Союз опинився на межі розпаду, коли Глушко довів, що він працює.
Потім наступили 1990-ті, які були дуже бурхливими в Росії, особливо щодо космічної програми. Для вижити без державного фінансування, аерокосмічні компанії, які нещодавно були приватизовані, звернулися до комерційного ринку.
Саме тоді інженер, який працював на Lockheed в космічному центрі Джонсона НАСА в Х'юстоні (США) Джим Сакетт переїхав до Москви (Росія). Lockheed зацікавився багатим на кисень поетапним згорянням для живлення наступного покоління ракет "Атлас", з якими планував конкурувати за контракти з ВПС США та НАСА.
На посаді керівника московського офісу Lockheed Сакетт був обраний для звернення до "Енергомашу", пострадянської космічної компанії, котра стала власником RD-170 та інших технологій двигунів. Енергомаш із захопленням сприйняв інтерес Lockheed. Але RD-170 був занадто потужним: ракети Atlas, які Lockheed хотів відправити в космос, були значно меншими, ніж ті, для яких був розроблений RD-170. Тож "Енергомаш" скоротив двигун приблизно до половини: компанія запропонувала двокамерну версію RD-170 (яка мала чотири), яку можна було б використовувати в Атласі. Так народився RD-180.
Ця співпраця вимагала надзвичайної інтеграції між американськими та російськими військовими та промисловими підрядниками. Lockheed створив офіс у Енергомаші, в передмісті Москви. Сакетт згадує, що це була велика операція: "У них там була металургійна фабрика, тому вони ковали власні метали. Вони також мали власні механічні цехи, свої випробувальні установи. Багато речей, все під одним дахом. І, зрештою все перетворилося на ракетний двигун".
Щорічно проводились технічні зустрічі між командою Sackett та керівниками та інженерами "Енергомашу", щоб перевірити, чи будуть запропоновані закупівлі двигунів RD-180 працювати. Локхід бажав невеликої угоди без зобов'язань. "Енергомаш" наполягав на довгостроковій угоді. Контракт був підписаний у 1996 році після тривалої шестигодинної зустрічі, нагадує Сакетт. Результат: угода на суму майже 1 мільярд євро на 101 двигун RD-180.
Повітряні сили США, найбільший замовник Lockheed, вимагав доступу до 10 ключових технологій, необхідних для виробництва RD-180, на випадок, якщо відносини з Росією зазнають краху і США повинні були їх виготовити самі. Це було велике прохання. США шукали коштовність у короні радянських космічних технологій, що зовсім не сподобалось російському уряду. "Але у них не було іншої альтернативи, оскільки країна не тільки змінилася, вона також збанкрутувала. Вона збанкрутувала. Ось як вони врятували компанію", - говорить Сакетт.
Хоча більше уваги приділяється російсько-американському співробітництву на Міжнародній космічній станції, багато в чому, співпраця з RD-180 пішла глибше. Зрештою, космічна станція не має вирішального значення для національної безпеки жодної країни, тоді як супутники розвідки та зв'язку є.
Тепер, коли відносини між двома країнами знову змінилися, Сполучені Штати могли виготовити RD-180 всередині країни, Сакетт аргументує. Критики зазначають, що це було б занадто дорого. Але Сакетт не вважає, що вартість повинна бути "астрономічною". Історик розповідає: "У нас тут розумні люди, а також рецепт! Саме тому ми визначили та обговорили ці 10 ключових технологій виробництва, щоб ми могли взяти конструкції та інструкції, а потім створити їх".
Але це навряд чи станеться, частково тому, що після десятиліть застою американські компанії нарешті працюють над цим двигуни, які можуть перевершити RD-180.
Продуктивність двигуна сильно впливає на конструкцію ракети, яку вона штовхає, саме тому, коли Конгрес США наказав припинити RD-180, була розпочата гонка не тільки з випуску нового двигуна, але і нової ракети. Це було неминуче, адже, зрештою, моделі не служать вічно. Але оскільки конструкція нових двигунів і ракет дорога з точки зору витрат і часу, момент внесення змін завжди суперечливий на політичному рівні. Заборона на використання RD-180, розпоряджена Конгресом, змусила ситуацію.
Існує чотири серйозні кандидати на створення нової ракети: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (спільне підприємство Boeing-Lockheed Martin, відоме своїми ініціалами, ULA), та Northrop Grumman. З них обиратимуть двох на теорії, що наявність двох переможців створює постійну конкуренцію, тоді як присвоєння імені одному створить монополію, яка може піти не так і завдати шкоди ВПС. На кону тисячі робочих місць: якщо ULA програє, вона може закрити свій бізнес.
Фото: Перше випробування двигуна Blue Origin BE-4 у жовтні 2017 року. На початку 2019 року Blue Origin розпочало будівництво на заводі в Алабамі (США), де планує виготовити сотні двигунів.
Ракета New Glenn, кандидат у програму Blue Origin, використовує двигун BE-4, який є найновішим і найпотужнішим у компанії. (Як і ракета ULA, дві компанії одночасно є суперниками та партнерами). Як конструкції BE-4, так і SpaceX Raptor базуються на RD-180. BE-4 - багатий на кисень поетапний двигун внутрішнього згоряння, такий як RD-170 та RD-180. Зі свого боку, Raptor нагадує RD-180 тим, що він повторно вводить вихлопні гази з пальників до камери згоряння, забезпечуючи, що майже все паливо та окислювач, що зберігаються у резервуарах ракети, використовуються для створення тяги. Однак Raptor спирається на зміну підходу Глушка: як багаті паливом, так і багаті окислювачами потоки керують його турбонасосами, теоретично максимізуючи ефективність.
Фото: Перше випробування запалення двигуна Raptor SpaceX у 2016 році. На початку цього року Ілон Маск похвалився у Twitter, коли Raptor вперше перевищив тиск у камері RD-180.
Певним чином, BE-4 і Raptor є свого роду спроба побудувати кращу скрипку, ніж Страдіваріус завдяки сучасним методам. Blue Origin та SpaceX мають доступ до кращої діагностики та досконаліших методів моделювання, ніж у Глушко. Вони також мають ще одну важливу конструктивну особливість для ВПС США: вони виготовляються в США.
Можливо, найбільшою технічною перевагою цих нових двигунів перед RD-180 є те вони замість гасу використовують метан. Гас може впливати на роботу двигуна після багаторазових повторень. Метан має найвищий питомий імпульс і спалює найчистіший. Також було б набагато простіше синтезувати його на Марсі (в принципі), що і має намір зробити Маск.
Жоден з цих нових двигунів ще не вийшов на орбіту. SpaceX планує розпочати свої тестові польоти для ракети Starhopper (яку в підсумку буде живити три Raptors) цього літа. Ці польоти будуть короткими і будуть обмежені кількома тисячами кілометрів у повітрі над випробувальним полігоном SpaceX у Техасі (США). Компанія Blue Origin також випробовує BE-4 у Техасі і розпочала будівництво заводу в країні з виробництва цих двигунів. Вона також передала в оренду стартовий комплекс 36 ВПС, звідки вперше вилетів RD-180, і планує запустити звідти New Glenn у 2021 році.
Тим часом, "Енергомаш" відчайдушно сподівається, що російська космічна програма знову використовуватиме свої двигуни. За даними російського аналітика космічної галузі Павла Лузіна, за останні роки близько 90% його виробництва надійшло до США. Як і їхні американські конкуренти, Енергомаш зараз ризикує застаріти, оскільки Маск і Безос, не маючи обмежень на застарілий дизайн і не маючи проблем витрачати гроші та ризикувати, нарешті витягнули конструкцію ракетних двигунів із тих десятиліть застою.