"Невозможная" технология, стоящая за новым двигателем SpaceX

Недавно мне на глаза попалась статья, переводом которой хотелось бы с вами поделиться. В ней рассказывается о конструкции нового двигателя, разработанного SpaceX, и о том, почему его полет станет важно вехой в истории ракетостроения.

Адепты Церкви Святого Илона, без сомнения, уже знают о последнем техническом триумфе SpaceX — тестовом прожиге первого полноразмерного двигателя Raptor. Конечно, это едва ли было секретом. Илон, как он часто это делает, "слил" в своем Твитере закулисную информацию о прожиге, фото и даже видео. В сочетании с относительной прозрачностью SpaceX, это дает нам хорошее представление того, как делают рокет сайенс в компании, расположенной в Хоторне, штат Калифорния.

Открытость — ключ популярности SpaceX в Интернете (это и большие ракеты), но Raptor освещался особенно. Технология, стоящая за двигателем следующего поколения, известная как "замкнутая схема с полной газификацией компонентов", десятилетиями считалась практически невозможной среди традиционных игроков в аэрокосмической отрасли. Несмотря на обширные исследования в этой области, которые велись в Советском Союзе и Штатах, ни один двигатель, использующий эту сложную систему сгорания, так и не полетел. Тем не менее, всего через шесть лет после заявления Илона о том, что SpaceX разрабатывает Raptor, первый готовый к полету двигатель был завершен.

ЖРД замкнутого цикла с полной газификацией часто называют "Святым Граалем" ракетостроения, так как он обещает максимально возможное извлечение энергии из топлива. В области, где каждый грамм на счету, возможность выжать еще несколько процентов тяги из двигателя стоит того, чтобы за это бороться. Особенно, если вы, как и SpaceX, планируете установить эти двигатели на самую большую в мире ракету–носитель и самый большой космический корабль.

Что же делает схему с полнопоточным замкнутым циклом более эффективной и почему так сложно создать двигатель, который ее использует? Чтобы понять это, мы сначала познакомимся поближе с более традиционными двигателями и парадигмами конструирования, которые определяли их с самого начала.

Двигатель открытого цикла: расточительный по природе

Многие самые известные ракеты, такие как Saturn V, Союз, Delta IV и даже Falcon 9, использовали двигатели, основанные на так называемом открытом цикле. Фактически, если не считать Space Shuttle, каждая веха в истории космических полетов была достигнута с помощью двигателя открытого цикла. Эта технология восходит к ракете Фау–2 и является одним из ключевых достижений, сделавших возможными ракеты на жидком топливе. Несмотря на невероятный успех, эта технология не лишена недостатков.

Двигатель Merlin с черным выхлопом газогенератора

Проще говоря, газогенератор производит газы, которые вращают турбину, которая, в свою очередь, приводит в движение топливные насосы. В некоторых двигателях газогенератор работает на принципах, отличных от принципов работы самого двигатель, и имеет отдельную подачу топлива. Например, турбина ракеты Фау–2 вращалась паром, полученным в результате реакции перекиси водорода с теплым перманганатом натрия.

Недостатком этого метода является то, что дополнительная топливная система газогенератора добавляет дополнительные вес и сложность — последнее, что вы захотите в ракетном двигателе. Более современный подход, использующийся в двигателях, таких как фальконовский Merlin, заключается в приведении в действие турбины путем сжигания относительно небольшого количества того же топлива и окислителя, что и в основном двигателе.

Но если в газогенератор подавать те же самые топливо и окислитель, что и в основной двигатель, и в тех же пропорциях, то, по сути, это будет просто ракета меньшего размера. Выхлоп будет слишком горячим, чтобы пропускать его через турбину. Чтобы обойти это, газогенератор работает на богатой топливом смеси, которая приводит к неполному сгоранию и более низкой температуре выхлопных газов.

Определяющей характеристикой двигателя открытого цикла является то, что выхлопные газы от газогенератора выбрасываются за борт как отходы. В некоторых ракетах это не сгоревшее топливо можно увидеть как черную полосу на фоне яркого факела основного выхлопа. Не секрет, что можно добиться увеличения производительности, закрыв цикл, то есть направив выхлоп газогенератора в камеру сгорания двигателя. Правда, выхлоп с большим содержанием сажи от не сгоревшего керосина не подходит для рециркуляции в двигателе. В итоге оказалось проще делать бОльшие ракеты, чем использовать это теряемое топливо.

Поиск правильной пропорции

В 1950–х советские ученые пришли к компромису. Вместо использования в газогенераторе богатой топливом смеси, производящей выхлопные газы, которые не могут безопасно рециркулировать в двигателе, они экспериментировали с обогащенной кислородом смесью в газогенераторе. К сожалению, эта идея решала одну проблему, но создавала другую — не было металла, выдерживающего невообразимо горячий, насыщенный кислородом газ, производимый в газогенераторе. Фактически, американские ученые сочли такую схему невозможной и считали, что работа их советских коллег является пропагандистской уловкой.

В конце концов Советы освоили металлургию, необходимую для создания турбины и разработали несколько двигателей на основе богатой кислородом смеси в газогенераторе. Выхлопные газы направлялись в камеру сгорания двигателя, и использовалась хотя бы часть топлива, которое в противном случае было бы выброшено за борт. Современный российский двигатель РД–180, который сейчас используется в американском Atlas V, является продолжением этой технологии.

Американский инженеры пошли в противоположном направлении. Они полагали, что богатая топливом смесь в газогенераторе возможна и может работать с существовавшими тогда металлическими сплавами при использовании водорода вместо керосина. В итоге это привело к разработке основного двигателя Space Shuttle, который по сей день остается наиболее эффективным ЖРД. Хоть Space Shuttle давно вышел на пенсию, вариант его двигателя будет использоваться в Space Launch System. Это будет самая мощная ракета, которую НАСА когда–либо создавало, и которая начнет полеты в 2020.

Закрывая цикл

Оба этих подхода — переиспользование богатого кислородом или топливом выхлопа газогенератора — явно лучше, чем выбрасывание за борт, но ни один из них не является идеальным решением, поскольку потенциально горючие продукты теряются. По сути, Советский Союз и Соединенные Штаты решили половины одной и той же задачи. Чтобы полностью закрыть цикл, требуются газогенераторы с богатой топливом и кислородом смесями на одном и том же двигателе.

Логическим результатом является двигатель замкнутого цикла с полной газификацией компонентов. Такой двигатель имеет два независимых насоса для окислителя и топлива, вращаемых двумя турбинами, приводимыми в движение отдельными газогенераторами. В отличие от открытой схемы, при которой в газогенераторе сжигается малая часть топлива и окислителя, в полноцикловом двигателе все топливо и кислород проходят через свои газогенераторы. Другими словами, топливо сжигается дважды: один раз с низкой эффективностью в газогенераторах в целях производства энергии для вращения турбин, и второй раз с максимальной эффективностью в камере сгорания в целях создания тяги. Хотя это исключительно сложный двигатель с точки зрения конструирования и тестирования, у него полностью отсутствуют бесполезные траты открытого цикла.

Увеличение эффективности сгорания топлива не является единственным преимуществом этой конструкции. Например, уплотнения, разделяющие турбину и насос менее критичны, из–за того, что нет опасности загрязнения перекачиваемой жидкости, так как в конце концов компоненты все равно попадают в одно место. В добавок, то, что топливо и окислитель приходят в камеру сгорания в виде газов, еще больше увеличивает эффективность двигателя, по сравнению с конструкцией, в которой они распыляются как жидкости.

Отдельные турбины в полноцикловом двигателе также работают при меньших температуре и давлении, по сравнению с обычными ракетными двигателями. Это создает меньшую нагрузку на крыльчатки турбин и позволяет им работать дольше, прежде чем их нужно будет осматривать и менять. Учитывая ориентацию SpaceX на повторное использование, это, вероятно, столь же важно, сколь и увеличение эффективности.

Ожидание почти закончилось

Хотя Raptor будет первым полетевшим полноцикловым двигателем, он не будет первым созданным. РД–270 был завершен в 1967 Советским Союзом в рамках программы полета на Луну. Было выполнено несколько тестовых прожигов, но после того, как Соединенные Штаты высадились на Луну в 1969, выиграв Космическую Гонку, разработка двигателя и ракеты, для которой он предназначался, была отменена. В оставшейся части советской космической программы были использованы менее сложные и более дешевые двигатели.

В 90–х правительство Соединенных Штатов проявило интерес в разработке своего полнопоточного двигателя. В то время, как подрядчики Rocketdyne и Aerojet разрабатывали многообещающие турбину и газогенератор, ни ВВС, ни НАСА не предоставили финансирование, которое потребовалось бы для создания целого двигателя.

Так когда же Raptor наконец станет первым двигателем закрытого цикла с полной газификацией компонентов, который покинет Землю? Если верить Твитеру, очень скоро. Илон Маск утверждает, что прототип Starship, приводимый в движение двигателями Raptor, в течение нескольких следующих месяцев будет совершать тестовые "прыжки" около испытательного комплекса, расположенного рядом с Браунсвиллом, штат Техас. Конечно, многое может случиться до тех пор, так что вполне возможно, что дата сдвинется. Тем не менее, даже если это произойдет, весьма вероятно, что 2019 станет годом, в котором "Святой Грааль" ракетных двигателей наконец–то поднимется в воздух. Надеюсь, это будет стоить ожидания.

Написал SkyRzn на cosmos.d3.ru / комментировать