«Electron»: орбитальный прыжок Rocket Lab из Новой Зеландии

«А знаешь, — сказал он, — если бы от меня зависело, я бы запретил всем, кто верит в астрологию, библию, чудесное исцеление и прочую хиромантию, пользоваться электричеством…»[1]25 мая 2017, 01:00-05:00 (UTC) Новая Зеландия стала тринадцатой страной в мире, с территории которой был произведен пуск "электрической" ракеты-носителя. И хотя ракета-носитель не вывела ММГ на заданную НОО, Rocket Lab действительно может гордиться: "У нас есть lift-off!" Первый частный космодром уже вошёл в историю. #ItsATest и очень примечательный тест получился.Перед пуском: в 9 утра понедельника 2017 по новозеландскому времени (21:00 GMT, 23:00 MSK) открылось десятидневное стартовое окно для первого запуска легкой ракеты-носителя Electron. В Новой Зеландии в это время очень ветрено, и даже вывоз ракеты на старт уже переносили.Испытательный полёт был запланирован без полезной нагрузки. Ракета снаряжена дополнительным оборудованием для сбора телеметрии во время полёта. Всего за 2,5 минуты после старта после старта Electron, скорость которой составила 27 тыс. км/час, достигла высоты свыше 100 км, чем формально подтвердила достижение космического пространства (с инженерной точки зрения — линия Кармана).«Мы не смогли достичь запланированной орбиты, и мы будем расследовать, почему так произошло, однако, достигнув успеха в нашем первом пуске, Rocket Lab получила невероятно сильные позиции, чтобы ускорить коммерческую фазу нашей программы», — сказал основатель и исполнительный директор Питер Бек.SPACE IS NOW OPEN FOR BUSINESSЭто всё была лирика (как выразился Роман Скоморохов) теперь вернемся к физике.Ракета, стартовавшая из Новой Зеландии названа электрической и имеет значимое название "Электрон". Нет это не ошибка, хотя ракета и не имеет ЭРД.Носитель оснащен "обычными" ЖРД Rutherford, сжигающими традиционную уже топливную пару жидкий кислород (LOX) и керосин (JP-4 or JP-5), но не обычным насосным агрегатом.Подробнее, кто подзабыл, о жидких ракетных топливах: "Сага о ракетных топливах".)ЖРД Rutherford — это первый в мире практический ракетный двигатель для привода насосов топлива и окислителя которого используются электрический мотор, запитанные от литий-полимерных батарей.Нет традиционного, дорогущего и являющегося причиной большинства отказов аварий турбонасосного агрегата.ТНА — насос с турбиной, которую обычно приводят в действие отдельной небольшой камерой сгорания (газогенератором), где сжигают (как правило) те же компоненты топлива, что и в основном двигателе (несколько в другом соотношении, чем в КС). Отдельная камера сгорания и турбина, работающая на ее выхлопе, — очень сложная вещь, и опасная штуковина. Судите сами:Слева — схема ТНА РД-107/108 для семейства Р-7, справа — фото ротора ТНА для РД-180 («Атлас-V»)Схема ротора этого же ТНА в разрезе, сам ТНА и схема ЖРД РД-180:Впечатляет?На одном валу находятся: осевая турбина, в которую летят продукты сгорания ТК (пусть и не те Km и αок, как в КС) с температурой 500-700°C, за ней одноступенчатый шнекоцентробежный насос окислителя и двухступенчатый шнекоцентробежный насос горючего. Часто, для повышения давления компонентов топлива перед входом в основной ТНА используются дополнительные бустерные насосные агрегаты (БНА). Ещё заковыка: привод БНА окислителя осуществляется генераторным газом, отбираемым с выхода турбины основного ТНА, а привод БНА горючего — основным горючим, отбираемым с выхода первой ступени насоса.Жутковатая мешанина из машинерии, подшипников, системы предотвращения протечек, уплотнений, трубопроводов и систем "выхлопа". Мощность на валу достигает 250 000 л/с, десятки тысяч оборотов в минуту. Всё это на 100-140 секунд работы. Фантастические параметры и потрясающе малые габариты с массой.И это сердце ЖРД может бабахнуть (малейшая протечка: раскалённые газы, окислитель и топливо-всё это уплотнено в одной "коммунальной комнате"), и часто бабахает: 2 аварийных пуска "лунной ракеты Н-1" на его совести. Фантастическое давление в арматуре подачи ТК. Судите сами: в КС РД-180 бушуют 258 атмосфер давления из пламени под 2000К, стремящиеся сорвать крышку КС (шпильки и их количество впечатляет):И сюда, в этот котёл, надо пропихнуть топливо и окислитель с давлением бОльшим, чем в КС, причём с заданным секундным расходом и соотношением топлива к окислителю. Иначе не потечёт и не "заведётся" мотрочик.Это обуславливает такое специфическое расположение ТНА: как можно ближе к впускным трактам.Давление, следовательно масса топливопроводов + потери давления в трубопроводе+ всякие нехорошие явления при течении жидкости в трубопроводах.Чем ближе к КС, тем лучше. Однако там и жарко и совсем нет места. Фото: RS-25 — на вид результат взрыва кастрюли с толстыми и длинными макаронами, мешанина, схожая с волосяным покровом на голове Горгоны. Да, ещё dazu: куча электропневмоклапанов (ЭПК), установленных в пневмоблоке двигателя и его топливных системах и пусковое горючее (для воспламенения компонентов топлива в газогенераторе), размещаемое в специальных ампулах и установленных в соответствующих магистралях двигателя.Сверхдорого, технологически архисложно, многоразовость использования под большим вопросом (у RS-25 была полная переборка, промывка, дефектоскопия и замена износившихся деталек). "Это же не наш метод" решила данная частная ракетная компания и изобрела... нет не велосипед, а электрический насосный агрегат.ЭНА —?У насоса Rutherford два вентильных двигателя постоянного тока «размером с банку газировки», которые вращаются со скоростью 40000 оборотов в минуту и развивают мощность 37 кВт каждый. Один двигатель качает жидкий кислород, другой — керосин. Всё просто, безопасно и размещай где удобно.— Полимерные литий-ионные батареи.— Всего один мегаватт мощности (примерно такой же мощности трех «Тесла» модели Xs).Удельная плотность энергии современных литий-ионных батарей достигла такого уровня, что сэкономленные на отказе от газогенератора, турбины и топлива для их работы килограммы становятся сравнимы с весом батарей.По словам Питера Бека, они сумели поднять эффективность насосов до 95% (по сравнению с традиционными ТНА на основе газогенератора около 50%).Шедевр? Мечта наших ЖРДистов (особенно конструкторов и эксплуатантов ЗУР и БР подводного старта)?Безопасность, плавная регулировка секундной подачи ТК и давления в широких пределах, многократные отсечки и включения, надёжность, дешевизна, многоразовость и т.д.?Ложки дёгтя:— Батареи (аккумуляторы), как ни печально, не теряют свою массу, по мере расходования запасённой электроэнергии (электрончики ничего не весят), в отличие от топлива, которым заправлена ракета и которым "питается" традиционный ТНА (вместе с ЖРД): с каждой секундой полёта всё легче и легче ракета, а разряженные аккумуляторы (даже полимерные литий-ионные) имеют всю ту же массу. Паразитный вес тары…Разве, что сбрасывать их? + Не видать мне Нобелевки, как своих ушей без зеркала.Так всё и реализовано на второй ступени РН "Электрон". Но... последнюю батарейку точно не сбросить. Да и хлопотно всё это. Т.ч. чайная ложка продукта, получаемого путём сухой перегонки дерева, торфа или каменного угля остаётся.— Замена ТНА более простым и существенно более дешёвым ЭНА не решает пока фундаментальную проблему, которая представляет собой отношение мощности к массе (турбина пока вне конкуренции). Электродвигатели ещё и близко не подходят по параметру удельной мощности ТНА (мощность/на кг массы).Внимание: 95% для насосов — это явно маркетинговое заявление, без конкретики, потому что приведена эффективность только части двигателя. В то же время двигатель в целом получился достаточно современным (по кпд и удельному импульсу). С Iуд. у Rocket Lab наблюдается некоторый беспорядок, потому что непонятно, для уровня моря или вакуума указаны 303 секунды удельного импульса двигателей первой ступени. Более вероятно, что это данные для вакуума, где УИ выше, но даже в этом случае Rutherford (303 секунды в вакууме(?)/333 с высотным соплом) занимает хорошее место, почти не уступая Merlin 1D компании SpaceX (311 секунд в вакууме/348 с высотным соплом) и близок к советским/российским вершинам кислородно-керосинового двигателестроения РД-180 (338 секунд в вакууме) и РД-0124 (359 секунд с высотным соплом).Причём всё это за относительно малые деньги.Что ещё такого вкусненького на этой ракете?3D-печать. Как заявляют в Rocket Lab, двигатель Rutherford — первый, у которого все основные компоненты печатаются на 3D-принтере. Принтеры на лазерном и электронном спекании используют титан и инконель (никель-хромовый жаропрочный сплав). В результате один двигатель печатается за 24 часа. Жесть: за сутки -1 ЖРД.Композитная ракетаElectron — двухступенчатая ракета-носитель высотой 17 метров и диаметром 1,2 метра. При начальной массе в районе 12,5 тонны она будет способна вывести 150 кг на полярную орбиту высотой 500 км. Типичная солнечно-синхронная орбита обычно выше, 600-800 км, там грузоподъемность будет пониже. Также при необходимости ракета может вывести 225 кг на орбиту 180х300 км с наклонением 45°. Первая ступень высотой 12,1 метра имеет сухую массу 950 кг и несет 9250 кг топлива. На ней стоят девять двигателей Rutherford суммарной тягой 16,5 тонны на старте. Максимальная тяга ступени в полете должна будет достигнуть 19,5 тонны, а удельный импульс двигателей на уровне моря составит 303 секунды. По плану полета первая ступень должна будет проработать 2,5 минуты. На ступени около двигателей установлены 13 батарейных сборок суммарной мощностью больше мегаватта.Вторая ступень высотой 2,1 метра имеет сухую массу 250 кг и несет 2150 кг топлива. На ней стоит один двигатель Rutherford с высотным соплом, тягой 2,2 тонны и удельным импульсом 333 секунды, а так же блок двигателей ориентации (слева на фото на 20:00). Двигатель второй ступени по плану должен работать чуть меньше пяти минут. На ступени установлены три батарейных блока, два из которых будут сбрасываться в полете по мере исчерпания, чтобы облегчить ступень.Ещё один примечательный момент-обтекатель/адаптер полезной нагрузки с доставкой.Обычно спутники привозят в цех компании, занимающейся пуском, устанавливают на адаптер полезной нагрузки и закрывают обтекателем. Rocket Lab и тут отчебучила. Know how logistica: новоявленный космический извозчик предлагает интересное новшество в области процессов подготовки спутника к запуску, а именно: доставку единого блока адаптера полезной нагрузки и створок обтекателя в цех заказчика, чтобы он мог установить спутник на адаптер в удобных ему условиях. Затем закрытые или кондиционируемые модули перевозятся в монтажно-испытательный комплекс Rocket Lab и устанавливаются на ракету.Цель Rocket Lab — стоимость одного пуска в $4,9 миллиона. При том, что стоимость запуска «взрослых» ракет начинается от примерно 60 миллионов долларов ($62 млн. у SpaceX на 2018 год), предложение Rocket Lab будет потенциально выгодным для тех, у кого есть небольшой спутник, целевая орбита низкая околоземная или полярная, и нет времени ждать попутчиков на ракету-носитель средней грузоподъемности.Первый пуск — волнительное событие. Несмотря на всю подготовку ни у кого нет стопроцентной гарантии успеха. Но Rocket Lab продемонстрировала очень серьезный подход для ракетного стартапа, провела множество испытаний, в том числе и полностью собранных ступеней:С таким подходом, с такой стоимостью запуска их будущее кажется многообещающим.Компания ранее планировала начать осуществлять коммерческие запуски небольших спутников уже в 2017 году.Подробнее об РН "Электрон" (на англике)Питер Бек рядом с ракетой РН Electron и как росли его ракеты на заднем плане, фото Rocket LabПокровители и партнёры Rocket Lab фирмы из США: Kholsa Ventures, Beesemer Venture Partners, Data Collective, Promus Ventures, Lockheed Martin и Stephen Tindall's K1W1.Космодром на полуострове Махиа (залив Хок, Северный остров Новой Зеландии), анимация:Расположение в восточной части острова позволит без проблем выводить полезную нагрузку на солнечно-синхронную или низкую околоземную орбиту — в южном и восточном направлении на многие сотни километров раскинулся океан, в который можно, ни с кем не договариваясь, ронять отработанные ступени.О компании Rocket LabЕё в 2006 году основал Питер Бек (Peter Beck). Юридически это американская частная компания с новозеландским филиалом. В 2009 году они запустили геофизическую ракету Ātea-1 (с языка маори — «космос») и утверждают, что стали первой частной компанией, достигшей космоса в южном полушарии. Теоретически ракета должна была подняться на 100-120 км, первая ступень отработала нормально, и на ней были обнаружены следы успешного разделения, но головную часть не сумели найти после полета, и достижение остается под вопросом.На старом сайте можно найти планы создания геофизической ракеты Ātea-2, но после успеха 2009 года фирмой заинтересовались в DARPA. Следующие несколько лет Rocket Lab разрабатывала ракетные технологии в сотрудничестве с Lockheed Martin, DARPA и Министерством обороны США. В 2010 году было испытано новое топливо. В баке оно хранилось в твердом виде, но, когда на бак оказывалось давление, топливо превращалось в вязкую жидкость и могло подаваться в камеру сгорания. Таким образом, оно должно было сочетать достоинства твердого топлива (удобное хранение одного компонента) и жидкого (возможность управления тягой и перезапуска двигателя).В 2011 году испытания проходил компактный дрон с ракетной тягой. Небольшую ракету мог запустить солдат с вытянутой руки, а картинка со спускающегося на парашюте дрона должна была помочь вести бой в условиях сильно пересеченной местности, например, в городе.К 2013 году компания оказалась на распутье. Можно было и дальше зарабатывать на оборонных контрактах, но Бек мечтал о коммерческом космосе. Собрав дополнительные инвестиции, Rocket Lab приступила к разработке новой ракеты-носителя. В 2013 году был успешно испытан двигатель с подачей компонентов при помощи электромоторов, и был анонсирован проект Electron. В 2014 году был проведен второй раунд сбора инвестиций. В 2015 году стало известно, что при производстве двигателя будет широко использоваться 3D-печать, а сам двигатель получил имя «Резерфорд» (Rutherford) в честь физика новозеландского происхождения, в том же году началось строительство космодрома.А кто же этот новый американский ракетный киндер-сюрприз (клон Илона Маска)? Подробнее: The Rocket Man: Who is Peter Beck? Правда, на английском. Но есть и на русском-это уже для самостоятельного домашнего задания.ЗАКЛЮЧЕНИЕНе стоит меня опять пинать за пропаганду американского здорового образа жизни ракетостроения (я и не фил и не фоб, я крепкий середнячок. Это просто технически интересное решение и отличное воплощение в металле (вернее, в композите).Для любителей "американцы такие тупые" и адептов очередного "распила бюджета" (американского причём: зачем так волноваться?) напомню недавние истории:Макаронный монстр Илона Маска, или Закономерный итог авантюры.— нанимаете болтливого чувака с блестящими глазами,— нанимаете команду пиарщиков, дезигнеров и прочих сколь энергичных, столь и беспринципных,— регистрируете частную компанию в Калифорнии, причём эта private company не обязана раскрывать нюансы своего финансового здоровья (гыгы).В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 1.В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 2.Как там делишки у бойкого пацана с наглыми глазами? Загнивает с " его величество железнодорожный габарит"?У меня всё нет времени дописать статью "Безразмерный желудок Илона Маска", не успеваю я за повышенным потреблением контрактов на запуски Space X.Можно бы написать и о наших успехах. Ну, например, "Студенты из «Сколково» взорвали ракету в Москве". Хорошая тема?Четверо студентов и выпускников МГТУ имени Баумана сконструировали и запустили ракету в складском помещении на Южнопортовой улице на юго-востоке Москвы. Испытания прошли неудачно: ракета взорвалась, ее осколком оторвало руку находящемуся поблизости 54-летнему мужчине.О состоянии (достаточно плачевном, надо сказать) ракетно-космической области РФ много писал, упоминавшийся выше "лирик" Banshee.О прочих наших последних прорывах, вероятно, расскажет в чате мой извечный қарсылас "Оператор".Нет, конечно, есть и успехи (перебороли почти провал): долго мучаю статью «"Марс" и "Дракон" спасают "Протон"», наверное, к годовщине события как раз и осилю, лень моя и некий тормоз:Государственная тайна в российском законодательстве это: защищаемые государством сведения в области его военной, внешнеполитической, экономической, разведывательной, контрразведывательной, оперативно-розыскной деятельности, распространение которых может нанести ущерб государству.Один из вариантов "спасителя" используется в известной всему миру боевой МБР, как бы по ушам не получить между прочим.В общем и целом, кто смог дочитать до конца, сильно не пинайте, я НАШ, но в ракетной отрасли и в касте "космических извозчиков" явно назрели серьёзные изменения (это факт), и очень похоже, что русские опять очень "долго запрягают". Как бы не лошадь не померла совсем.— А эти русские ракеты безопасны?— Ну, безопасны настолько, насколько это возможно для народа, который подарил нам Чернобыль.[2]А Новая Зеландия уже де-факто стала космической державой. Эта двухгодовалая анимашка-уже реальностьданная нам (новозеландцам) в ощущение.Первоисточники, ссылки, использованные документы, фотографии и видеоКак всегда, danke schön Филиппу Терехову:В ожидании пуска электрического «Электрона».[1]The Bridge (Мост), Iain Menzies Banks;[2]Теория большого взрыва (The Big Bang Theory), Говард Джоэл Воловиц (Howard Joel Wolowitz).www.twitter.com/RocketLabUSAwww.rocketlabusa.comwww.wikipedi...