Търсен ракетен двигател, способен да надмине руския "Страдивариус"

От години космическата ракетна индустрия е в застой и е доминирана от руския RD-180, създаден през 90-те години, но това може да се промени. Благодарение на съвременните методологии четири американски компании се надпреварват да създадат по-добра

  • от Матю Боднър | преведена от Ана Милутинович
  • 29 юли 2019 г.

Час преди залез слънце на 24 май 2000 г., необичайна ракета излетя от стартовия комплекс 36 в ВВС на нос Канаверал (САЩ). Подобно на повечето ракети, Atlas 3 е наследил своя дизайн от ICBM, в случая от първата американска ракета от този вид, предназначена да заплаши Съветския съюз с ядрено унищожение. Това не беше необичайно. Но ракетата имаше значително по-мощен първи етап от предишните. RD-180, неговият двигател, е построен от NPO Energomash в завод в покрайнините на Москва (Русия). Руски двигател задвижваше американска ракета, съюз, който би бил невъобразим в разгара на космическата надпревара.

През следващите две десетилетия от Флорида (САЩ) излетяха още 83 ракети от този тип. Атлас 3 и неговият наследник Атлас 5, оборудвани с двигатели RD-180, изпратиха в орбита поне 16 шпионски сателита на САЩ, 13 военни сателита за комуникация, половин дузина сателити GPS, два военни сателита за времето и три сателита за предупреждение за ракети, предназначени за откриване на ракетни изстрелвания от мястото, където е построен двигателят RD-180. Той също така задвижва четири американски мисии до Марс, стартирането от НАСА на мисията New Horizons до Плутон през 2006 г. и Juno до Юпитер през 2011 г.

RD-180 е забележителен не само заради геополитическите странности, под които е работил, но и защото в много отношения е просто по-добър от всеки друг ракетен двигател по това време. Когато Илон Мъск обяви успеха на теста си с двигателя Raptor на SpaceX през февруари 2019 г., той се похвали с високото налягане, постигнато в тягата на Raptor: повече от 265 пъти атмосферното налягане на морското равнище. Raptor счупи рекорда, държан в продължение на няколко десетилетия от "впечатляващия руски RD-180", Мъск публикува в Twitter.

След като Крим анексира Русия през 2014 г., дните на RD-180 като основен елемент на американската ракета започнаха да се броят. Отбранителните ястреби на САЩ отдавна не се чувстваха добре с този съюз, но двигателят беше много добър и, предвид възможностите му, беше и евтин и затова остана. Но когато отношенията с Русия се разпаднаха, противниците на мотора в Конгреса на САЩ, водени от сенатора Джон Маккейн, забрани използването на руския двигател в американски ракети от 2023 г. Това принуди американските военновъздушни сили да търсят нова ракета.

Всичко това повдига въпроса: Как руският двигател, проектиран преди десетилетия, се превърна в стандартна мярка, спрямо която се сравняваха най-добрите американски ракетолози? За да разберете защо RD-180 е толкова добър двигател, трябва да знаете, че ключът е въпрос на сръчност. Въпреки че стотици хора участват в разработването на ракетни двигатели, някой с добър дизайнерски инстинкт е жизненоважен- Балансите са твърде сложни, за да бъдат решени с груба сила. В случая с RD-180 отговарящият се наричаше Валентин Глушко.

След като СССР загуби космическата надпревара до Луната срещу САЩ, проектирането на най-добрия ракетен двигател стана "национален приоритет", припомня руският космически инженер и космически историк Вадим Лукашевич. Съветските лидери искаха да построят най-мощната ракета в света, за да задържат своите космически станции в орбита и да изстрелят Буран, какъвто трябваше да бъде руската космическа совалка. На Глушко бяха дадени ресурси за изграждане на възможно най-добрия двигател, нещо, в което той беше много добър. Резултатът беше RD-170, по-големият брат на RD-180.

способен

Снимка: Руският двигател RD-180 е задвижвал десетки изстрелвания на Atlas V, а в някои от тях е имал сателити, предназначени да шпионират, наред с други страни, същата държава, в която е построен. Кредити: Крейг Ф. Уокър

RD-170 е един от първите ракетни двигатели, който използва техника, наречена поетапно или поетапно горене. Друг, който го използва, беше основният двигател на американската космическа совалка, също разработен през 70-те години. За разлика от тях двигателите F-1 от първия етап на ракетите "Сатурн V", които задвижваха програмата "Аполо" към Луната, имаха по-стар и по-опростен дизайн с циклов двигател на генератор на газ. Ключовата разлика: поетапни двигатели с вътрешно горене те обикновено са по-ефективни, но имат по-висок риск от експлозия. Специалистът по ракетни двигатели с течно гориво от университета Purdue (САЩ) Уилям Андерсън обяснява: "Нивата на отделяне на енергия са екстремни." Според Андерсън само някой с наистина хитро въображение би могъл да разбере всичко, което се случва в горивните камери на ракетните двигатели. В Русия този човек беше Глушко.

"Толкова много беше инвестирано в совалката, че никой в ​​НАСА не искаше да говори за разработване на богат на кислород поетапен двигател с горене. Кислородът би изгорил почти всичко, ако се появи искра.".

За да разберем защо двигателите на Глушко постигнаха инженерен успех, трябва да получим малко техника.

Има два ключови начина за измерване на ефективността на ракетата: от тягата (или количеството сила, която ракетата упражнява), или от специфичната тяга (мярка за горивна ефективност). Ракета с висока тяга, но ниска специфична тяга няма да достигне орбита; ще трябва да носи толкова много гориво, че теглото му ще се нуждае от повече гориво и т.н. И обратно, ракета с висок специфичен импулс, но ниска тяга никога няма да се издигне от земята. (Обаче тези видове ракети работят добре в космоса, където е достатъчен постоянен тласък).

Ракетният двигател изгаря гориво заедно с окислител, който обикновено е кислород, за да генерира горещ газ, който се разширява надолу и навън през дюзата на двигателя, ускорявайки двигателя в другата посока. За разлика от реактивните двигатели, които получават кислород от въздуха около тях, ракетите трябва да носят собствен кислород (или друг оксидант), тъй като в космоса, разбира се, няма. Подобно на реакторите, ракетите се нуждаят от начин за изтласкване на гориво и кислород в горивната камера с високо налягане; всичко останало е равно, повече натиск означава по-добра производителност. За целта ракетите използват турбопомпи със стотици обороти в секунда. Турбопомпите се задвижват от турбини, които от своя страна се активират от предварително горелки, които също изгарят част от горивото и кислорода.

Решаващата разлика между поетапните двигатели с вътрешно горене като RD-180 и газовите двигатели като F-1 на Сатурн се крие в това, което се случва с газовете, които излизат от тези предварително горелки. Докато двигателите с газови генератори го изхвърлят зад борда, поетапните двигатели с вътрешно горене го инжектират отново в основната горивна камера. Една от причините е, че тези газове съдържат неизползвано гориво и кислород: горелките не могат да изгорят всичко. Изхвърлянето им е отпадък, нещо изключително важно за ракета, която трябва да носи горивото и кислорода, които ще консумира. Но тяхното повторно инжектиране изисква деликатен баланс между наляганията и нивата на потока, така че двигателите да не експлодират. Нуждаете се и от цяла поредица турбо помпи. Експертите обикновено се нуждаят от десетилетие на симулации и тестове или повече, за да разберат как да го накарат да работи добре.

RD-170 и RD-180 имат още едно предимство. Те са богати на кислород, което означава точно как звучи: те инжектират допълнително кислород в системата. (За разлика от тях, основният двигател на космическата совалка е богат на гориво двигател.) Богатите на кислород двигатели са склонни да горят по-чисто и да стартират по-лесно. Те също така позволяват налягането в горивната камера да бъде по-високо и следователно неговите характеристики да бъдат по-високи. Но това ги прави по-склонни да експлодират, така че в продължение на десетилетия САЩ не предприемат никакви големи инициативи, които да ги накарат да работят.

Андерсън си спомня: "Толкова много беше инвестирано в совалката, че никой в ​​НАСА не искаше да говори за разработване на богат на кислород поетапен двигател с горене. Кислородът би изгорил по-голямата част от него, ако се появи искра." Това принуждава да бъдете много внимателни с материалите, използвани за изграждане на двигателя, и още повече, за да се гарантира, че няма чужди материали, като петна от метални отломки, които никога не трябва да има. Историкът добавя: „Колкото повече научаваме за физиката на това, което се случва в горивната камера, толкова повече осъзнаваме колко е нестабилно в действителност.“.

Ако RD-170 беше най-добрият ракетен двигател от своето поколение, бихте могли да кажете, че основният двигател на Space Shuttle беше вторият най-добър (и много по-скъп за производство). Но никой не оправдава потенциала си. Двигателят на космическата совалка имаше проблеми с товаренето на превозните средства, много по-тромави, отколкото очакваха неговите дизайнери. От своя страна RD-170 е летял само два пъти: веднъж през 1987 г. и веднъж през 1988 г. Въпреки че развитието му е било национален приоритет, Съветският съюз е бил на ръба на разпадането, когато Глушко доказа, че работи.

След това дойдоха 90-те, които бяха много бурни в Русия, особено по отношение на космическата програма. За оцелеят без държавно финансиране, авиокосмическите компании, които наскоро бяха приватизирани, се насочиха към търговския пазар.

Тогава инженерът, който е работил за Lockheed в космическия център Джонсън на НАСА в Хюстън, САЩ. Джим Сакет се премества в Москва (Русия). Lockheed се заинтересува от богато на кислород поетапно изгаряне, за да захрани следващото поколение ракети Atlas, с които планира да се състезава за договори от американските ВВС и НАСА.

Като ръководител на офиса на Lockheed в Москва, Sackett бе избран да се обърне към Energomash, постсъветска компания за космическа индустрия, която дойде да притежава RD-170 и други двигателни технологии. Енергомаш с ентусиазъм получи интереса на Lockheed. Но RD-170 беше твърде мощен: ракетите Atlas, които Lockheed искаше да изпрати в космоса, бяха значително по-малки от тези, за които RD-170 беше проектиран. Така Energomash намали двигателя до около половината: компанията излезе с предложение за двукамерна версия на RD-170 (която имаше четири), която може да се използва в Атлас. Така се ражда RD-180.

Това сътрудничество изискваше изключителна интеграция между американски и руски военни и индустриални изпълнители. Lockheed създаде офис в Energomash, в предградие на Москва. Сакет си спомня, че това беше голяма операция: "Там имаха металургична фабрика, така че коваха собствени метали. Имаха и собствени машинни цехове, собствени съоръжения за тестване., в крайна сметка всичко се превърна в ракетен двигател".

Отне около година ежедневни технически срещи между екипа на Sackett и ръководители и инженери на Energomash, за да се види дали предложените покупки на двигатели RD-180 ще работят или не. Lockheed искаше малка сделка без задължения. Енергомаш настоя за дългосрочно споразумение. Договорът е подписан през 1996 г. след продължителна шестчасова среща, припомня Сакет. Резултатът: сделка от близо 1 милиард евро за 101 двигателя RD-180.

Американските ВВС, най-големият клиент на Lockheed, поиска достъп до 10 ключови технологии, необходими за производството на RD-180, в случай че отношенията с Русия се провалят и САЩ трябва да ги произвеждат сами. Това беше страхотна молба. САЩ търсеха бижуто в короната на съветските космически технологии, нещо, което руското правителство не харесваше. "Но те нямаха друга алтернатива, тъй като страната не само се беше променила, но и фалирала. Беше фалирала. Ето как те спасиха компанията", казва Сакет.

Въпреки че в много отношения е отделено повече внимание на руско-американското сътрудничество в Международната космическа станция, сътрудничеството с RD-180 се задълбочи. В крайна сметка космическата станция не е от решаващо значение за националната сигурност на нито една от двете страни, докато разузнавателните и комуникационните спътници са.

Сега, когато отношенията между двете страни се промениха отново, Съединените щати биха могли да произведат RD-180 в страната, Сакет твърди. Критиците посочват, че би било твърде скъпо. Но Сакет не смята, че цената трябва да бъде „астрономическа“. Историкът уточнява: "Тук имаме умни хора, а също и рецептата! Точно затова определихме и договорихме тези 10 ключови производствени технологии, за да можем да вземем проектите и инструкциите и след това да ги изградим.".

Но това е малко вероятно да се случи, отчасти защото след десетилетия стагнация американските компании най-накрая работят двигатели, които биха могли да надминат RD-180.

Ефективността на двигателя силно влияе върху конструкцията на ракетата, която тя изтласква, поради което, когато Конгресът на САЩ нареди RD-180 да бъде спрян, стартира състезание не само за производство на нов двигател, но и на нова ракета. Това беше неизбежно, тъй като в крайна сметка моделите не издържат вечно. Но тъй като проектирането на нови двигатели и ракети е скъпо от гледна точка на разходи и време, моментът за промяна винаги е спорен на политическо ниво. Забраната за използване на RD-180, наредена от Конгреса, принуди ситуацията.

Има четири сериозни кандидати за изграждането на тази нова ракета: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (съвместно предприятие на Boeing-Lockheed Martin, известно с инициалите си, ULA), и Northrop Grumman. От тях ще бъдат избрани двама на теорията, че наличието на двама победители създава непрекъсната конкуренция, докато назначаването на един би създало монопол, който може да се обърка и да навреди на ВВС. Хиляди работни места са заложени: ако ULA загуби, може да затвори бизнеса си.

Снимка: Първият тест на двигателя Blue Origin BE-4, през октомври 2017 г. В началото на 2019 г. Blue Origin започва строителството във фабрика в Алабама (САЩ), където планира да произвежда стотици двигатели.

Ракетата New Glenn, кандидатът за Blue Origin, използва двигател BE-4, който е най-новият и най-мощният на компанията. (Подобно на ракетата ULA, двете компании са съперници и партньори едновременно). И двата дизайна BE-4 и SpaceX Raptor са базирани на RD-180. BE-4 е богат на кислород поетапен двигател с вътрешно горене, като RD-170 и RD-180. От своя страна, Raptor прилича на RD-180, тъй като отново въвежда отработените газове от факелите в горивната камера, като гарантира, че почти цялото гориво и окислител, съхранявани в резервоарите на ракетата, се използват за генериране на тяга. Raptor обаче разчита на промяна спрямо подхода на Глушко: както богатите на гориво, така и богатите на окислители потоци задвижват неговите турбопомпи, теоретично максимизирайки ефективността.

Снимка: Първият тест за запалване на двигателя Raptor на SpaceX, през 2016 г. По-рано тази година Илон Мъск се похвали в Twitter, когато Raptor за пръв път надвиши налягането в камерата на RD-180.

В известен смисъл BE-4 и Raptor са вид опит за изграждане на по-добра цигулка от Страдивариус благодарение на съвременните методи. Blue Origin и SpaceX имат достъп до по-добра диагностика и по-сложни техники за симулация, отколкото Глушко. Те имат и друга важна дизайнерска характеристика за американските военновъздушни сили: Произведени са в САЩ.

Вероятно най-голямото техническо предимство на тези нови двигатели пред RD-180 е това те използват метан вместо керосин. Керосинът може да повлияе на работата на двигателя след многократни повторения. Метанът има най-високия специфичен импулс и изгаря най-чисто. Също така би било много по-лесно да се синтезира на Марс (по принцип), което Мъск възнамерява да направи.

Нито един от тези нови двигатели все още не е достигнал орбита. SpaceX планира да започне своите тестови полети за ракетата Starhopper (която в крайна сметка ще бъде захранвана от три Raptors) това лято. Тези полети ще бъдат кратки и ще бъдат ограничени до няколко хиляди километра във въздуха над тестовата площадка на SpaceX в Тексас (САЩ). Blue Origin също тества BE-4 в Тексас и започва да строи фабрика в страната за производство на тези двигатели. Той също така е отдал под наем стартовия комплекс 36 на ВВС, откъдето за първи път излетя RD-180, и планира да пусне новия Глен от там през 2021 година.

Междувременно, Енергомаш отчаяно се надява руската космическа програма да използва двигателите си отново. Около 90% от производството му е отишло в САЩ през последните години, според анализатора на руската космическа индустрия Павел Лузин. Подобно на американските си съперници, Energomash сега е изложен на риск да остареят, тъй като Musk и Bezos, без ограничения върху наследствения дизайн и без проблеми да харчат пари и да поемат рискове, най-накрая извадиха дизайна на ракетни двигатели от тези десетилетия на стагнация.