В Воронежском центре ракетного двигателестроения успешно проведено первое огневое испытание штатной камеры ракетного двигателя РД0124МС. В ходе этих испытаний достигнут удельный импульс в 361 секунду. Двигатели серии РД0124 предназначены для работы в верхних ступенях ракет-носителей «Союз» и «Ангара», а также в перспективной российской ракете «Иртыш».
Что означает эта новость для отечественной космонавтики и какие возможности открывают в космосе для России новые двигатели верхних ступеней? Об этом — в материале ФАН.
«Большие кувалды» не помогают
Как сравнить различные ракеты? Если речь идет об экономике, то сделать это достаточно просто: у какой из ракет ниже стоимость вывода на орбиту килограмма полезной нагрузки, та и лучше. Хотя даже в таком упрощенном подходе есть свой изъян: ракеты изначально делятся на классы по выводимой нагрузке (сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые), которые имеют очень разные значения этой стоимости.
Принцип «возьми кувалду побольше» действует и для мира ракет: тяжелые и сверхтяжелые ракеты очень важны для специальных нагрузок, например, для вывода блоков орбитальных станций или освоения Луны и дальнего космоса — и обеспечивают более низкую стоимость вывода килограмма полезной нагрузки. Но проектировать, производить и запускать их очень сложно. Именно в силу этих причин СССР и США не смогли обеспечить постоянную эксплуатацию таких комплексов, как «лунные» ракеты «Сатурн-V» и Н-1, или челноков «Спейс Шаттл» и «Буран». Дело в том, что абсолютная стоимость вывода полезных нагрузок на сверхтяжелых ракетах оказалась запредельной, хотя удельные показатели вроде бы были вполне «на уровне».
Сейчас ровно в такой же ситуации пребывает проект американской сверхтяжелой ракеты SLS. Вот уже 10 лет этот носитель, крайне важный для новой лунной программы США, никак не выйдет на стартовый стол. Кстати, попытка Илона Маска «срезать углы», собирая и постоянно взрывая в ходе испытаний в Бока-Чика прототипы своих Starship, показывает то же самое: погоня за низкой удельной стоимостью вывода путем увеличения размера носителя имеет инженерные пределы, за которыми сложность ракеты начинает полностью «съедать» любую экономию.
Остается то, что называется «инженерным совершенством»: необходимо каким-то образом заставить ракету выводить большую полезную нагрузку, а саму ракету делать максимально дешевой. Это напоминает классическое противоречие «чтобы корова давала больше молока и меньше ела, ее надо меньше кормить и больше доить», однако инженеры-ракетчики за последние десятилетия научились эффективно решать обе задачи.
Подход к максимальному удешевлению стоимости ракеты продемонстрировала компания Маска SpaceX, добившаяся многократного повторного использования ракет-носителей. Но у этого подхода есть свой ограничитель — даже посадка на специальные амортизирующие опоры «травматична» для возвращаемых ступеней, в силу чего их приходится детально инспектировать и повторно, по сложной процедуре готовить к последующим запускам.
В презентациях SpaceX даже прозвучала цифра такого «неснижаемого расхода» — она составляет около 28 млн долларов на каждый последующий запуск ракеты Falcon-9. Это, в общем-то, значительно ниже, чем постройка новой ракеты, чье изготовление и подготовка к первому старту оценивается экспертами в 45–50 млн долларов. Но отнюдь не «ноль», как любят полагать адепты многоразовых ракет. Учитывая что «бывшие в употреблении» ракеты SpaceX вынуждена запускать по цене около 50 млн вместо 62 млн долларов, пока что «экономический выхлоп» многоразовости вылился только в демпинг на рынке, но не в сверхприбыль компании Маска.
С аспектом «меньше кормить» мы разобрались, а что там с «больше доить»? Тут-то и оказывается важной новость об удельном импульсе двигателя РД0124МС.
wikipedia.org / Pline / CC BY-SA 4.0В погоне за удельным импульсом
Инженерное совершенство ракеты, которое позволяет максимально «выдоить» находящееся в ней топливо для вывода на орбиту наибольшей полезной нагрузки, характеризуется как раз параметром удельного импульса.
В этом плане, например, Falcon-9 компании SpaceX — это достаточно средненькая ракета, так как использует кислородно-керосиновые двигатели Merlin с удельным импульсом всего в 282 секунды. Для сравнения, бывшие до сих пор лучшими российские кислородно-керосиновые двигатели РД-180 имеют удельный импульс в 311 секунд, то есть на 10,2% больше. Поэтому конкуренты SpaceX и не спешат отказываться от поставок РД-180 в США — за счет российских двигателей их «коровы лучше доятся», пока Маск научился «меньше кормить» свои многоразовые изделия.
Стоит учесть, что SpaceX тоже не стоит на месте. На Starship компания испытывает новый двигатель Raptor, который работает на паре кислород-метан. Использование жидкого метана позволяет увеличить удельный импульс — для Raptor он составляет уже 330 секунд, что дает прибавку еще в 6% к показателям РД-180.
Прирост удельного импульса на 19 секунд — это «заслуга» именно метана, в теоретическом максимуме он дает прирост в 20 секунд от топливной пары кислород-керосин. Так что работай РД-180 на метане, он был бы чуть-чуть лучше Raptor. Что признает, кстати, и сам Маск, который в прошлом комментировал ход начальных испытаний Raptor фразой «мы достигли удельного импульса РД-180». Но вот на Falcon-9 ставить Raptor не спешат: этот двигатель еще сугубо экспериментальный, показывающий пока только красивые фейерверки на пусковой площадке в Бока-Чика.
А теперь перейдем к двигателю РД0124МС. Как уже было сказано, его удельный импульс — 361 секунда. Правда, тут есть одно уточнение — это удельный импульс в вакууме, а не в атмосфере Земли, поскольку РД0124МС предназначен для использования в верхних ступенях ракет-носителей. Вакуум дает двигателю дополнительный гандикап — около 27 секунд на керосине и около 45 секунд на метане. Связано это с тем, что газам ракетного факела легче набирать скорость истечения в вакууме — им не мешает атмосфера Земли.
Так что если «пересчитать» РД0124МС на условия на уровне моря, мы получим удельный импульс на уровне 334 секунд — и это все равно намного лучше, чем у керосинового рекордсмена РД-180, и даже выше, чем у метанового Raptor от Илона Маска.
Почему новый двигатель так важен
До сих пор российские ракеты-носители представляли собой в некотором роде «коров из прошлого». Например, на «Союзах» до сих пор использовались керосиновые двигатели разработки конца 1950-х годов, чей удельный импульс в 256 секунд был даже ниже, чем у простеньких двигателей Falcon-9. Еще хуже была ситуация с «Протоном» — эта уходящая на покой ракета использовала даже не керосин, а высокотоксичную топливную пару НДМГ+АТ, а ее удельный импульс тоже был невелик — 288 секунд.
Поэтому семейство «Союзов» однозначно нуждалось в глубокой модернизации, а «Протон» давно надо было отправлять в отставку. Вместо последнего сейчас и разрабатывается новая ракета-носитель «Иртыш», которая вместе с уже стартовавшей «Ангарой» должна обеспечить России вывод в космос тяжелых полезных нагрузок.
Для всех этих ракет: новых «Союзов», «Иртыша» и «Ангары» — испытанный двигатель РД0124МС должен стать надежным «сердцем» верхних ступеней и — новым мировым рекордсменом по удельному импульсу.
Автор: Алексей Анпилогов
Свежие комментарии