Zdjęcia Joe Skipper / REUTERS
Miliarder i założyciel SpaceX, z jednej strony chwali silniki RD-180, utworzone na bazie radzieckich rozwoju, a z drugiej — przygotowuje lot na silnikach, które przerosną rosyjskie
W Rosji słusznie przyjęto traktować eksport silników rakietowych w USA jako demonstrację wysokiego poziomu krajowej branży kosmicznej, przynajmniej tych jej elementów, które zostały opracowane w zeszłym tysiącleciu. Wśród nich silnik RD-180. Mimo że STANY zjednoczone wydały mnóstwo pieniędzy na próby skopiować go, większych sukcesów na tym kierunku osiągnąć się nie udało. Dlatego teraz w Stanach Zjednoczonych tworzą od podstaw własną konstrukcję, przy czym technicznie między nią i RD-180 naprawdę nie ma nic wspólnego.
Taką ocenę niedawno potwierdził na swoim twitterze i Elon Musk, pisząc: “Wstyd, że Boeing/Lockheed [Martin] potrzebuje rosyjskim silniku [amerykańskiej rakiecie] Atlas, ale silnik ten [RD-180] wybitny”.
Niestety, Musk nie powiedział o głównym: w czym siła RD-180, a także dlaczego on przy wszystkich swoich zaletach nie zapotrzebowanie w Rosji i “leci” tylko w USA. Przy tym sam Musk nie tylko przechodzień w dziedzinie silników rakietowych: on już w 2019 roku ma się rozpocząć loty na własnym silniku, który — po raz pierwszy w historii przekroczy RD-180 i może stać się pierwszym prawdziwym rządzony silnikiem w historii ludzkości.
Radzieckie dziedzictwo
RD-180 z połączeniem 400 t nigdy nie był używany krajowych ракетостроением. Ale na radzieckich rakietach latał jego przodek — RD-170 z połączeniem 800 t U RD-170 było cztery komory spalania, a u RD-180 jest ich dwóch. Przyczyny cięcia proste: RD-170 stał na “Energii”, która po upadku ZSRR okazała się niewykorzystaną. Dla tak potężnej rakiety rosyjskiej kosmonautyki, z jej skromnym finansowaniem, po prostu nie ma żadnych celów. Latać do stacji orbitalnej w odległości 400 km od Ziemi — bliżej, niż od Moskwy do Niżnego Nowogrodu, — można i na małych rakietach pochodzący z 1960 roku, że “Roskosmos” do tej pory i sprawia, że. “Energia” — rakieta z 1980 z obciążeniem 100 t, i ją projektowali nie dla takich skromnych zadań.
Jednak w stanach ZJEDNOCZONYCH w latach 1990-tych przemysł kosmiczny nadal stawiała przed sobą wielkie zadania. Potrzebna była potężna rakieta, a dla niej odpowiedni silnik. Wtedy strona amerykańska zwróciła się do byłych radzieckich specjalistów. I Borys Каторгин (szef organizacji POZARZĄDOWYCH “Энергомаш”) poszedł na tworzenie “cięcia” na bazie RD-170. Приглядимся do tego “обрезу” bliżej.
Ciekły atak rakietowy silnik spala paliwo albo na otwartym lub zamkniętym schemacie. W otwartej paliwo/utleniacz są spalane w generatorze gazu produktem — urządzenia do toczenia ciekłego paliwa rakietowego w gorący gaz, który napędza paliwa турбонасосы i po rozruchu turbiny tych pomp jest wyrzucane na zewnątrz. Skuteczność tego systemu jest niewielka, bo paliwo, przeszły przez generator gazu, w tworzeniu poprzecznego silnika rakietowego bezpośrednio nie uczestniczy. Ale schemat jest prosty i dlatego ją wybrano, Merlin — silnika, z którym SpaceX wyjęczał “Roskosmos” z rynku komercyjnych startów.
W zamkniętym układzie gorący gaz najpierw obraca turbinę турбонасосного urządzenia, a następnie podawane do komory spalania, skutecznie uczestniczy w tworzeniu poprzecznego silnika rakietowego. W tym schemacie paliwo jest wykorzystywane w pełni, więc takie silniki korzystne w przypadku długich lotów. Problem w tym, że taka konstrukcja radykalnie trudniejsze otwartego cyklu — gorący gaz z generatora gazu należy przez i tak przegrzania silnik rakietowy złożyć do komory spalania. Jest to o wiele trudniejsze, niż dostarczać tam tylko płynny (i dlatego bardzo zimne) paliwo, jak w otwartej schemacie.
RD-170 i jego “spad” RD-180 — silniki zamkniętego schematu, są one bardziej skuteczne. RD-170, na przykład, mocniejszy F-1, na którym amerykanie latali na Księżyc, i to prawie o połowę mniej. Przecież w silniku zamkniętego schematu można przegapić więcej gazu przez турбонасос, co oznacza, że można podnieść ciśnienie w komorze spalania. Radzieccy konstruktorzy doprowadzili go do 250-260 atmosfer — wiele razy więcej, niż w przypadku F-1. Wyższe ciśnienie — mniejszy rozmiar komory spalania. Każda z par komór spalania RD-180 ma 38 cm średnicy, a przechodzi przez nią 0,6 t paliwa na sekundę.
Nie ma nic dziwnego w tym, że właśnie na tym silniku amerykański New Horizons został skierowany do Plutona (i dalej), a Curiosity — na Marsa. W USA ciekłych silników z zamkniętym cyklem i takiej mocy po prostu nie było.
Jak podkreślał sam akademik Каторгин, w latach 1990-tych, na początku <…> amerykanie myśleli, że zaczną z nami pracować, a roku przez cztery wezmą nasze technologie i będą sami je odtwarzać <…> Minęło już 17 lat, i żaden silnik nie przetłumaczyli. Im teraz tylko na стендовое sprzęt do tego potrzebne są miliardy dolarów. U nas na “Энергомаше” są stoiska, gdzie w komorze można badać ten sam silnik RD-170, moc strumienia którego sięga 27 mln kw”. USA nie dysponowali ani takie podstawki, ani wystarczająco ambitne graczami szkieletowego rynku. Sytuacja zaczęła się zmieniać dopiero po przyłączeniu Krymu do Rosji, gdy Stanom Zjednoczonym stało się oczywiste, że współpraca z Rosją w ostatecznym rachunku i tak jest skazane na zagładę, a więc trzeba “импортозамещать” RD-180.
Plany Maska
Jak to zawsze bywa, zastępstwo importu i w Ameryce wyrzuci tylko graczy drugiego rzędu — silniki, utworzone w próbie zastąpienia RD-180 będzie tylko do niego podobni parametrach. Ale SpaceX na zastępstwo importu nie nastawiona, więc już czuje się inny, znacznie bardziej zaawansowany atak rakietowy silnik — Raptor.
Od RD-180 go wyróżniają trzy rzeczy. Po pierwsze, Raptor — to metan, tlen silnik. Rzecz w tym, że SpaceX planuje latać na nim na Marsa i z powrotem, czyli musiał tankować na Czerwonej planecie. Wiadomo, że tam są surowce do otrzymywania metanu, ale w odniesieniu do nafty (paliwo RD-180) takiej pewności na razie nie ma.
Po drugie, Raptor, używając полнопоточную zamkniętego schematu, jeszcze bardziej zaawansowaną, niż po prostu zamknięty w RD-180. W krajowym silniku w celu uzyskania gazu momentu турбонасосный napędzany (podający paliwo do komory spalania), stosuje się jeden mały aparat “wcześniejszego” spalania. W niej serwowane jest trochę nafty i nadmiar tlenu. W Raptor jest w dwie kamery “wcześniejszego” spalania, gdzie otrzymują gaz do турбонасосного urządzenia: w jednej w nadmiarze tlenu spala się metan, w drugiej w przesadnie bogaty metanem środę jest tlen. Potem wynikowe tam i tam gazy podawane do komory spalania, gdzie całkowicie się wypali, oddając całą swoją energię.
Ponieważ w tej wersji zamkniętej schematy więcej paliwa zamienia się w gaz, można osiągnąć jeszcze wyższe ciśnienie w komorze spalania i przejścia jeszcze większej ilości spalin przez turbinę турбонасосного urządzenia. Gazy te zabierają ze sobą nadmiar ciepła, dzięki czemu zasób taka turbiny wzrośnie. A jest to szczególnie ważne dlatego, że Raptor — silnik wielokrotnego użytku, obliczony na setki cykli roboczych. Naprawiać silniki na Marsie nie będzie łatwe — dlatego muszą być niezawodne. W końcu paliwo/utleniacz w stanie gazowym palą więcej energii, niż gdyby trafił do komory spalania w postaci płynnej, więc ciężar właściwy impuls silnika również rośnie.
Oczywiście, konstrukcja ta jest jeszcze trudniejsza i амбициознее, niż RD-180. Mieszać gazy z różnych generatorów gazu do komory spalania nie można, więc w Raptor przechodzą przez dwa różne турбонасосных urządzenia. Te “walczą” między sobą, co tworzy niskiej częstotliwości pulsacji. W ZSRR chłodzenie całego przepływu zamknięty schemat пробовалась jeszcze w 1960 roku (silnik RD-270), jednak pulsacji postawili krzyż na jego normalnej pracy. Synchronizować je udany można, stosując to, co pół wieku temu po prostu nie było, — skuteczne i сверхбыстродействующее sterowanie elektroniczne турбонасосами.
Trzecia zasadnicza różnica między RD-170/RD-180 i Raptor — w materiałach. W турбонасосах nowego silnika będzie używany specjalnie zaprojektowany “суперсплав” SX500 z rodziny инконелей (stopy na bazie niklu i chromu). Będzie on w stanie wytrzymać ciśnienie do 800 atmosfer, jak w morzu na głębokości 8 km. Bez takiego materiału stworzyć wielokrotnego użytku турбонасосные agregaty byłoby niezwykle trudne.
Czy Musk zwykłym biznesmenem, to nigdy bym nie poszedł na tę trudną przygodę z silnikiem, który jeszcze skuteczniej (i trudniejsze) niż wybitny RD-180. To mu się po prostu nie trzeba: dla околоземного kosmosu jego cyngle tak taniej u rakiet “Roskosmosu”.
Jednak Musk jest bardzo daleki od “zwykłego biznesmena”. Potrzebuje loty tam, gdzie na pierwszy rzut oka, nie ma ekonomicznego sensu lecieć nie. Szef SpaceX nigdy nie robił tajemnicy ze swojej strategii: regularne loty na Marsa sprawi, że możliwe jego терраформирование (zmiana warunków klimatycznych). Терраформирование Marsa sprawi, że najbardziej cennym nabytkiem w historii firmy, dzięki czemu firma, latająca tam regularnie (i mógłby osiągnąć!) skazany na najwyższą kapitalizację. Kapitalizację, który jest zdecydowanie większy niż PKB wielu dużych państw na Ziemi.
Na szczęście dla Maska, jego cele są tak lepsza cele pozostałych graczy, że ci po prostu nie jest w stanie uwierzyć, że on będzie je osiągnąć, choć zadeklarował je bardzo dawno temu. Dlatego konkurentów ma w dającej się przewidzieć przyszłości nie pojawi się.
I to wszystko pomimo tego, że wersja testowa Starship — statku, na którym planuje się dotrzeć do Marsa, — musi polecieć już w 2019 roku. A od ziemi jej оторвут trzy ciekłych rakietowych silnika, które — po raz pierwszy w historii ludzkości — przewyższy doskonałości RD-170/RD-180.