Чи можуть SpaceX та Blue Origin покращити десятирічну російську конструкцію ракетних двигунів?

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.

RD-170 та RD-180 мають ще одну перевагу. Вони багаті киснем, що означає саме те, як це звучить: вони впорскують додаткову кількість кисню в систему. (Головний двигун космічного корабля, навпаки, багатий на паливо двигун.) Багаті киснем двигуни мають тенденцію горіти чистіше і легше запалюватися. Вони також дозволяють підвищити тиск у камері згоряння і, отже, кращі показники, але вони більш схильні до вибуху, тому протягом десятиліть не було зроблено жодних великих зусиль, щоб змусити їх працювати в США. "В шаттл було вкладено так багато, що ніхто в NASA не хотів говорити про розробку багатого на кисень інженерного двигуна внутрішнього згоряння", - говорить Андерсон. "Кисень спалить більшість речей, якщо ви надасте іскру". Це вимагає великої обережності з матеріалами, що використовуються для побудови двигуна, і ще більшої обережності, щоб жодні сторонні матеріали, такі як плями металевого сміття, ніколи не потрапляли туди. "Чим більше ми дізнаємось про фізику того, що відбувається всередині камери згоряння, тим більше ми усвідомлюємо, наскільки це нестабільно насправді", - говорить Андерсон.

Якщо RD-170, мабуть, був найкращим ракетним двигуном свого покоління, головний двигун космічного човника був, безперечно, другим найкращим (і був значно дорожчим у виготовленні). Жоден з них не реалізував свій потенціал. Двигун космічного човника застряг у лимоні транспортного засобу, який був набагато громіздкішим, ніж сподівалися його конструктори. RD-170, з іншого боку, пролетів лише двічі: один раз у 1987 році та один раз у 1988 році. Хоча його розвиток було національним пріоритетом, до того часу, як Глушко довів, що він працює, Радянський Союз мав розвалитися.

90-ті роки були бурхливими в Росії, особливо для космічної програми. Щоб вижити без державного фінансування, нещодавно приватизовані аерокосмічні фірми звернулися до комерційного ринку.

Тоді Джим Сакетт, інженер, який працював на Lockheed в космічному центрі Джонсона НАСА в Х'юстоні, переїхав до Москви. Lockheed зацікавився у використанні багатого на кисень поетапного згоряння для живлення наступних поколінь ракет Atlas, з якими планував конкурувати за контракти ВПС і НАСА.

Сакетт, якому було призначено московський офіс Lockheed, був підслуханий, щоб підійти до "Енергомашу", пострадянської фірми космічної промисловості, яка стала власником RD-170 та супутніх технологій двигунів. "Енергомаш" із ентузіазмом привітав інтерес Lockheed. Але RD-170 був занадто потужним: ракети "Атлас", які "Локід" прагнув відправити в космос, були значно меншими, ніж "Енергія", для якої був розроблений RD-170. Тож "Енергомаш" фактично скоротив двигун навпіл - фірма розробила пропозицію щодо двокамерного похідного чотирикамерного RD-170, який можна було б використовувати в Атласі. Це було народження RD-180.

Відносини вимагали значної інтеграції між російськими та американськими військово-промисловими підрядниками. Lockheed створив офіс на Енергомаші в передмісті Москви. Це була величезна операція, згадує Сакетт. "У них там є металургійний завод, тому вони кують власні метали", - говорить він. “У них є всі свої машинобудівні майстерні, всі свої власні випробувальні приміщення. Багато речей, все це під одним дахом. І з часом все це перетворюється на ракетний двигун ".

Щорічно проводились поглиблені технічні зустрічі між командою Сакетта та керівниками та інженерами Енергомашу, щоб зрозуміти, чи будуть запропоновані закупівлі двигунів RD-180 працювати. Lockheed хотів укласти невелику угоду без зобов'язань. "Енергомаш" протримався на довгостроковій угоді. Контракт був підписаний наприкінці шестигодинної сесії марафону в 1996 році, говорить Сакетт. Результат: угода на 101 двигун, мільярд доларів.

Повітряні сили США, головний замовник Lockheed, вимагали доступу до 10 ключових технологій, необхідних для виробництва RD-180, на випадок, якщо відносини з Росією коли-небудь заваляться і Америці доведеться виготовляти двигуни самостійно. Це було велике запитання. США домагалися коронної перлини радянської космічної техніки, і російський уряд не був у захваті. «Але вони не бачили альтернативи, - говорить Сакетт, - оскільки в країні не просто змінилося серце, вони розбилися. Вони просто розбилися. Так вони врятували компанію ”.

Хоча більше уваги було приділено американсько-російській співпраці на Міжнародній космічній станції, багато в чому співпраця RD-180 пішла глибше. Зрештою, космічна станція не має вирішального значення для національної безпеки будь-якої країни, тоді як супутники розвідки та зв'язку.

Тепер, коли відносини між двома країнами зруйновані, стверджує Сакетт, США можуть просто виготовити RD-180 всередині країни. Критики двигуна кажуть, що це було б астрономічно дорого. Але вартість "не повинна бути астрономічною!" - говорить Сакетт. «У нас тут розумні люди, і у нас є рецепт! Саме тому ми визначили та провели переговори щодо цих 10 ключових технологій виробництва, щоб ми могли взяти креслення та примітки, а потім піти їх будувати ».

Це навряд чи станеться, частково тому, що після десятиліть застою американські компанії нарешті працюють над двигунами, які могли б бути кращими, ніж RD-180.

Продуктивність двигуна має глибокий вплив на конструкцію ракети над нею. Тож, коли Конгрес наказав ВПС припинити використання RD-180, це спровокувало конкуренцію не лише за новий двигун, але і за цілком нову ракету. Такий конкурс був неминучим - зрештою, дизайн не триває вічно. Але оскільки проектування нових двигунів і ракет є дорогим і трудомістким, терміни перемикання завжди є політично суперечливими. Заборона RD-180, передбачена конгресом, вимусила це питання.

Є чотири серйозні претенденти на створення цієї нової ракети: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (спільне підприємство Boeing – Lockheed Martin, відоме своїми ініціалами, ULA), і Northrop Grumman. Будуть обрані два з них, згідно з теорією, що наявність двох переможців створює постійну конкуренцію, тоді як присвоєння імені одному призведе до монополії, яка потім зможе обернутися і розбити ВПС. На кону тисячі робочих місць: якщо ULA програє, вона може припинити свою діяльність. Перше випробування двигуна BE-4 від Blue Origin у жовтні 2017 року. На початку 2019 року Blue Origin пробився на заводі в Алабамі, де планує побудувати сотні двигунів.

New Glenn, учасник змагань Blue Origin, використовує BE-4, найновіший і найпотужніший двигун Blue Origin. (Як і ракета ULA - обидві фірми одночасно є конкурентами та діловими партнерами.) Про конструкції BE-4 та Raptor SpaceX RD-180 вкрай важливо повідомляє. BE-4 - багатий на кисень поетапний двигун внутрішнього згоряння, такий як RD-170 та RD-180. Тим часом Raptor нагадує RD-180 тим, що подає вихлоп попереднього пальника в камеру згоряння - забезпечуючи, щоб майже все паливо та окислювач, що зберігаються в резервуарах ракети, використовувалися для створення тяги. Однак Raptor спирається на підхід до підходу Глушка: багаті на паливо та багаті окислювачами потоки живлять його турбонасоси - теоретично це призводить до максимальної ефективності. Перша тестова стрільба 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 - це як спроба побудувати кращу скрипку, ніж Страдіваріус, використовуючи сучасні методи. Blue Origin і SpaceX мають доступ до кращої діагностики та досконаліших методів моделювання, ніж Глушко. Вони також мають ще одну конструктивну особливість, важливу для американських ВПС: вони виготовляються в США.

Можливо, найбільшою технічною перевагою цих нових двигунів перед RD-180 є те, що вони використовують метан як паливо, а не гас, як це робить RD-180. Гас може збільшити роботу двигуна після багаторазового використання. Метан має більш високий питомий імпульс і горіє чистіше. Також набагато простіше (в принципі) синтезувати на Марсі, що і має на меті Маск.

Жоден новий двигун ще не досяг орбіти. На це літо SpaceX планує випробувальні польоти своєї ракети Starhopper, яка в підсумку буде оснащена трьома Raptors. Ці польоти будуть короткими стрибками, кілька тисяч футів у повітрі над випробувальним полігоном SpaceX у Техасі. Компанія Blue Origin також тестує BE-4 у Техасі та розпочала будівництво заводу в Алабамі, де буде виробляти двигуни. Він орендував стартовий комплекс 36, куди вперше вилетів RD-180, у ВПС і планує запустити там новий Глен у 2021 році.

Тим часом "Енергомаш" відчайдушно сподівається, що російська космічна програма знову почне використовувати свої двигуни. За останні роки близько 90% її виробництва надійшло до США, - каже Павло Лузін, російський аналітик космічної галузі. Як і американські аналоги, Енергомаш зараз ризикує застаріти Муска та Безоса - які, звільнившись від обмежень застарілого дизайну та бажання витрачати гроші та ризикувати, нарешті сколихнули конструкцію ракетних двигунів за десятиліття стазу.

Метью Боднер - журналіст у Москві, який пише про аерокосмічну та військову справи.