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.
Raptor reached 268.9 bar today, exceeding prior record held by the awesome Russian RD-180. Great work by @SpaceX engine/test team! pic.twitter.com/yPrvO0JhyY
— Elon Musk (@elonmusk) February 11, 2019
Raptor reached 268.9 bar today, exceeding prior record held by the awesome Russian RD-180. Great work by @SpaceX engine/test team! pic.twitter.com/yPrvO0JhyY
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. 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 избавится 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, 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.
Не давлением единым
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.
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. 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