Чи можуть SpaceX та Blue Origin покращити російський дизайн ракетних двигунів, що існує десятиліттями - MIT Technology Review
Фото ракети зліт
За годину до заходу сонця 24 травня 2000 р. Незвичайна ракета вилетіла з пускового комплексу 36 на ВПС мису Канаверал. Як і більшість ракет, "Атлас 3" успадкував свою конструкцію від міжконтинентальної балістичної ракети - в даному випадку від першої в Америці такої ракети, призначеної для загрози Радянському Союзу ядерним знищенням. Це було незвично. Але ракета мала новий перший етап, який був значно потужнішим, ніж ті, які вона замінила. RD-180, як називають двигун, був побудований НПО "Енергомаш" на підмосковному заводі. У шлюбі, який був би немислимий у розпал космічної гонки, російський двигун живив американську ракету.
За два десятиліття з того часу з Флориди злетіло ще 83 такі ракети.
На Атласі 3 та його наступнику Атласі 5 RD-180 несли на орбіту щонайменше 16 американських супутників-шпигунів, разом з 13 військовими супутниками зв'язку, півдюжиною супутників GPS, двома військовими супутниками погоди та трьома супутниками ракетного попередження, призначений для виявлення запусків ракет, серед інших країн, тієї, де вона була побудована. Він запустив чотири американські місії на Марс. Запуск НАСА «Нових горизонтів» до Плутона в 2006 році та «Юнони» до Юпітера в 2011 році було здійснено на задній панелі RD-180.
Не погоджуйтесь на половину історії.
Отримайте безкоштовний доступ до технологічних новин тут і зараз без оплати.
MIT Technology Review пропонує інтелектуальний та незалежний фільтр для потоку інформації про технології.
RD-180 чудовий не лише геополітичними особливостями свого піднесення, але й тим, що він багато в чому був просто кращим за будь-який інший ракетний двигун свого часу. Коли в лютому 2019 року Ілон Маск оголосив про успішне випробування двигуна Raptor SpaceX, який призначений для живлення ракети-носія наступного покоління компанії Starship, він похвалився високим тиском, що досягається в упорній камері Raptor: понад 265 разів атмосферного тиску в морі рівень. Раптор, за його словами в Twitter, перевищив рекорд, який протягом кількох десятиліть тримав "чудовий російський RD-180".
Після того, як Росія анексувала Крим у 2014 році, дні RD-180 як основний продукт американської ракети були пронумеровані. Яструби оборони давно не відчували незручності в організації, але двигун був і дуже хорошим, і, враховуючи його можливості, дешевим - і тому він залишився. Але коли відносини з Росією руйнувалися, опонентам конгресу двигуна на чолі з сенатором Джоном Маккейном вдалося прийняти заборону на використання двигуна на американських ракетах після кінця 2022 року. Атлас 5 на базі RD-180.
Все це піднімає питання: як російський двигун, якому було десятиліття, став тим баром, на якому вимірюються найкращі американські ракетологи?
Якщо ви хочете зрозуміти, що зробило RD-180 таким хорошим двигуном, це допомагає зрозуміти, що тут задіяно багато ремесел. Незважаючи на те, що сотні людей співпрацюють над ракетними двигунами, відповідальним є хтось, хто має інстинкт гарного проектування: компроміси занадто складні, щоб їх можна було розібрати грубою силою чи комітетом. У випадку з РД-180, цього когось звали Валентин Глушко.
Після того, як СРСР програв Америці в гонці на Місяць, проектування найкращого з можливих ракетних двигунів стало "національним пріоритетом", на думку Вадима Лукашевича, аерокосмічного інженера та російського історика космосу. Радянські лідери хотіли побудувати найпотужнішу в світі ракету "Енергія", щоб підтримувати свої космічні станції на земній орбіті та піднімати "Буран" - можливий російський космічний човник. Глушко отримав ресурси для створення найкращого двигуна, який міг, і він добре розвивав двигуни. Результатом став RD-170, старший брат RD-180. Російський двигун RD-180 забезпечив десятки запусків Atlas V, деякі несуть супутники, призначені для шпигунства, серед інших країн, ту, де він був побудований.
RD-170 був одним із перших ракетних двигунів, що застосував техніку, що називається поетапним горінням. Головним двигуном американського космічного човника, також розробленим у 1970-х роках, був інший. Навпаки, двигуни F-1 на першій стадії ракети "Сатурн V", яка випустила "Аполлон" на Місяць, були більш старої, простішої конструкції, яку називали газогенераторним двигуном. Ключова відмінність: двигуни з поетапним згорянням можуть бути більш ефективними, але вони піддаються більшому ризику вибуху. Як пояснює Вільям Андерсон, який вивчає ракетні двигуни на рідкому паливі в Університеті Пердью, "швидкість викиду енергії просто надзвичайна". Потрібно комусь із справді проникливою фантазією, каже Андерсон, зрозуміти шалені речі, що відбуваються всередині камер згоряння ракетних двигунів. У Росії такою кмітливою людиною був Глушко.
"В шаттл було вкладено так багато, що ніхто в NASA не хотів говорити про розробку багатого на кисень двигуна поетапного згоряння ... Кисень спалить більшість речей, якщо ви надасте іскру".
Щоб зрозуміти, чому двигуни Глушка були настільки інженерним досягненням, нам потрібно трохи попрацювати.
Існує два ключові показники продуктивності ракети: тяга або величина сили, яку справляє ракета, та конкретний імпульс, міра ефективності використання ракетного палива. Ракета з великою тягою, але низьким питомим імпульсом не досягне орбіти - їй доведеться нести стільки палива, що вага палива потребуватиме більше палива тощо. І навпаки, ракета з високим питомим імпульсом, але низькою тягою ніколи не покине землю. (Однак такі ракети добре працюють у космосі, де достатньо стійкого поштовху.)
Ракетний двигун, подібно до авіаційного реактивного двигуна, спалює паливо разом з окислювачем - часто киснем - для утворення гарячого газу, який розширюється вниз і з сопла двигуна, прискорюючи двигун в іншу сторону. На відміну від реактивних двигунів, які отримують кисень із навколишнього повітря, ракети повинні нести власний кисень (або інший окислювач), оскільки в космосі, звичайно, його немає. Подібно реактивним струменам, ракетам потрібен спосіб змусити паливо та кисень потрапляти в камеру згоряння під високим тиском; за інших рівних умов вищий тиск означає кращу продуктивність. Для цього ракети використовують турбонасоси, які обертаються із сотнями обертів в секунду. Турбонасоси приводяться в рух турбінами, а вони, в свою чергу, живляться від попередніх пальників, які також спалюють трохи палива та кисню.
Принципова різниця між двигунами з поетапним згорянням, як RD-180, і двигунами з генератором газу, як F-1 Сатурна, полягає в тому, що відбувається з вихлопними газами від цих попередніх пальників. Поки газогенераторні двигуни скидають його за борт, двигуни з поетапним згорянням знову вводять його в основну камеру згоряння. Однією з причин цього є те, що вихлоп містить невикористане паливо та кисень - попередньо пальники не можуть спалити все це. Викидати це - відходи, що важливо в ракеті, яка також повинна підняти кожен фунт палива та кисню, який вона буде використовувати. Але повторне впорскування вихлопних газів передбачає делікатне врівноваження відповідного тиску та швидкості потоку, щоб двигуни не продували. Для його роботи потрібна ціла серія турбонасосів. Командам експертів, як правило, потрібно десятиліття і більше моделювання та тестування, щоб зрозуміти, як це правильно зробити.