Двигатели для космических полетов

Автор: Vril Dox · Июнь 23, 2022  

Это перевод очень большого (вы даже не представляете, насколько) материала Тима Додда, более известного как Everyday Astronaut, о новом двигателе SpaceX под названием Raptor. Поехали!

Raptor — это новейший жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов, разработанный компанией SpaceX. В его основе лежит концепция настолько уникальная, что никому прежде не удавалось её полностью реализовать.

Заголовок, конечно, страшный. Но вы не пугайтесь, ведь мы представим Raptor в контексте устройства других двигательных установок: рассмотрим основы работы ЖРД с различными типами циклов, а затем сравним Raptor с другими ракетными двигателями. В их числе будет рабочая лошадка компании SpaceX — Merlin; двигатель RS-25, который работал на Спейс Шаттл; РД-180 российского производства; BE-4 производства компании Blue Origin, а также F1, успешно использовавшийся на ракете Сатурн-5.

Если вам мало того, что SpaceX использует какой-то там безумный закрытый цикл, то вот вам еще кое-что: в качестве топлива в Raptor будут использоваться жидкий метан и жидкий кислород, что, опять же, никогда ранее не реализовывалось. Мы рассмотрим уникальные характеристики жидкого метана как компонента топлива и попытаемся понять, почему SpaceX выбрала именно его в качестве горючего.

Также разбору будут подлежать различные виды циклов двигателя. Вы узнаете, что такое закрытый цикл с полной газификацией компонентов, его принцип работы и то, какими преимуществами и недостатками он обладает относительно других циклов.

Надеюсь, что к концу этой статьи у вас будет понимание того, почему Raptor – это особенный ракетный двигатель, каков он в сравнении с другими установками, почему в нем используют жидкий метан, ну и, наконец, заслуживает ли он титула «Король ракетных двигателей»?

Если вы вдруг не заметили – то это ОЧЕНЬ длинная статья. Простите, мне правда очень жаль. Но если вы человек вроде меня, то вы знаете, что вокруг этого двигателя очень много шумихи. И если вы вдруг решили разобраться, что тут к чему, то вы столкнетесь проблемой: с чего вообще начать?

Я потратил очень много времени, изучая эту тему. Так что я постараюсь заложить основу, для того, чтобы помочь вам полностью оценить как двигатель Raptor, так и другие ракетные двигатели.

Если вы в чем-то похожи на меня, то, возможно, вы часами глядели на схемы вроде той, что сверху, после чего ваша голова просто взрывалась. Для того, чтобы вы могли избежать подобной участи, я лично подготовил несколько очень упрощенных схем с различными циклами ракетных двигателей на них, которые, как мне кажется, помогут нам лучше понять принцип работы этих циклов.

Начнем мы с супербыстрого урока физики – придется немного потерпеть, но мы осуществим полное погружение в тему и получим множество мельчайших подробностей. К концу этой статьи мы и камня на камне не оставим от незнания основ и, надеюсь, будем иметь четкое представление об общих принципах работы двигателей, различных версиях ракетных двигателей на жидком топливе и о том, почему метан является лучшим выбором в качестве горючего для ракетного топлива. И вы точно будете понимать, почему и как двигатель Raptor сможет составить конкуренцию другим ракетным двигателям.

По большей части ракета – это просто куча топлива с какой-то оболочкой вокруг него, которая удерживает это топливо в одном месте. Сзади у ракеты есть специальная штука, которая может очень быстро выбросить указанное топливо. И чем быстрее вы сможете выбросить это топливо, тем лучше.

Самый простой способ сделать это — хранить все топливо в ваших резервуарах под высоким давлением, затем установить клапан на один конец резервуара; туда же установить сопло, которое превратит поток топлива в тягу. Готово! Никаких насосов или иных сложных систем! Открываете вентиль… и понеслась!

Это называется ракетным двигателем с вытеснительной подачей топлива. Есть несколько основных типов таких двигателей: двигатели на холодном газе, одно- и двухкомпонентном топливе. Их применяют в реактивных системах управления, потому что они простые, надежные и быстрые.

Но у двигателей с вытеснительной подачей топлива есть один большой недостаток. Топливо всегда течет из зоны высокого давления в зону низкого давления, поэтому давление в таком двигателе никогда не может быть выше, чем в топливных баках.

Для того, чтобы хранить топливо под высоким давлением, ваши резервуары должны быть прочными и, следовательно, толстыми и тяжелыми. Если мы взглянем на характеристики композитных сосудов высокого давления (COPV), то увидим, что они способны хранить газы под давлением 70 МПа.

Несмотря на это, в них может храниться лишь очень ограниченное количество топлива под конечным давлением. Эта технология не очень хорошо масштабируется для доставки полезной нагрузки на орбиту.

Умные ученые-ракетостроители быстро поняли, что для того, чтобы создать максимально легкую ракету, существует только одна вещь, которую они могут сделать – увеличить энтальпию. Increase the enthalpy. Отличное вышло бы название для метал-группы из девяностых. Добро пожаловать в интернет.

Энтальпия представляет собой соотношение между объемом, давлением и температурой. Чем более высокое давление и температуру вы имеете в камере сгорания, тем выше эффективность вашего двигателя, а чем большая масса топлива проходит через двигатель, тем выше будет тяга.

Чтобы пропустить больше топлива через двигатель, вы можете либо увеличить давление в топливных баках, либо направить топливо в камеру сгорания с помощью мощного турбонасоса. Второй вариант звучит как хорошая идея, не правда-ли?

Но для приведения в действие турбонасосов, способных перемещать сотни литров топлива в секунду, требуются много (реально много!) энергии. А что, если взять крошечный ракетный двигатель и направить его прямо на турбину насоса, чтобы раскрутить ее очень быстро? Вы сможете обменять часть химической энергии ракетного топлива на кинетическую энергию, которая затем может быть использована для вращения турбин этих мощных насосов.

Добро пожаловать в мир турбонасосов и закрытого цикла! И даже при внедрении турбонасосов у вас все еще есть проблемы: во-первых, топливо всегда стремится попасть из зоны высокого давления в зону низкого давления, а у выделяемого тепла есть одна очень вредная привычка – оно любит плавить вещи. Вам придется держать каждый из этих факторов под контролем в процессе преобразования энергии в двигателе.

Мы конечно можем поговорить о множестве разных циклов двигателей, но остановим свое внимание на трех наиболее распространенных. Или, по крайней мере, трех наиболее важных циклов с точки зрения рассмотрения двигателя Raptor.

У нас есть ЖРД открытого цикла, ЖРД замкнутого цикла с частичной газификацией топлива и ЖРД замкнутого цикла с полной газификацией топлива. Возможно, что в следующей статье я попытаюсь сделать полный обзор всех типов жидкостных ракетных двигателей, включая новые интересные разработки, вроде двигателей с электрическим насосом от компании Rocket Lab, которые они используют на ракете Electron. (Жду не дождусь. Мой материал об упомянутом двигателе от Rocket Lab вы можете прочитать тут – прим. пер.).

Начнем, пожалуй, с двигателей открытого цикла. Эта схема – одна из самых распространенных среди жидкостных двигателей для орбитальных ракет. Она определенно сложнее схемы с вытеснительной подачей топлива, но выглядит проще по сравнению с коллегой – схемой замкнутого цикла.

Я попытаюсь объяснить все простым языком. В реальной жизни вы встретите десятки клапанов, целый улей из проводов и сверхмалых трубок, гелий для наддува топливных баков, систему протекания топлива через сопло и камеру сгорания, для охлаждения последней, способы инициирования зажигания для камеры сгорания и газогенератора…

Но опять же, для того, чтобы сделать материал максимально простым и легко усваиваемым, я говорю вам: просто знайте, что существует множество конкретных деталей, а мы концентрируемся на основе работы двигателей, чтобы понять концепцию. Как только вы поймете основу, вам будет гораздо проще рассмотреть схему какого-либо двигателя, не взорвав себе мозг.

Открытый цикл работает путем подачи горючего и окислителя в камеру сгорания с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Этот агрегат имеет несколько основных частей: газогенератор (тот самый мини-ракетный двигатель), турбину, соединенную с валом, а также один или два насоса, которые подают топливо в камеру сгорания.

В системе с открытым циклом отработанное топливо из газогенератора просто сбрасывается за борт и не дает значительной прибавки к тяге. Это делает такую схему менее эффективной, поскольку горючее и окислитель, используемые для вращения насосов, тратятся впустую.

Самое забавное в турбонасосном агрегате то, что для его запуска нам нужно решить проблему курицы и яйца: для запуска агрегата используется газогенератор, который работает на горючем и окислителе под высоким давлением, которые могут появиться лишь благодаря работе насосов турбонасосного агрегата, которые запускаются газогенератором, который работает … ну вы поняли.

Это делает запуск газогенератора сложной задачей. Есть несколько способов сделать это, но нам нет необходимости вдаваться во все это в данной статье, хотя это может стать интересной темой для будущего материала.

Вернемся к ТНА. Помните, что топливо всегда течет из зоны высокого давления в зону низкого давления, поэтому топливные насосы должны поддерживать более высокое давление, чем в камере сгорания. Это означает, что впускные отверстия, ведущие в газогенератор, находятся под максимальным давлением, которое возможно в ракетном двигателе, а все, что ниже них по ходу топлива, находится под более низким давлением.

Здесь стоит обратить внимание на кое-что. Посмотрите на двигатель SpaceX Merlin, который работает на керосине (RP-1, Rocket Propellant-1) и жидком кислороде. Обратите внимание на черный дым в выхлопе газогенератора.

Почему он выглядит как сажа в сравнении с практически незаметным выхлопом камеры сгорания? Все дело в том, что ракетное топливо может быть очень горячим … тысячи и тысячи градусов по Цельсию. Если температура будет очень высокой, то она может расплавить турбину и весь турбонасосный агрегат целиком, поэтому нам необходимо убедиться, что она недостаточно высока и способствует постоянной работе двигателя. Идеальное соотношение горючего и окислителя поспособствует наивысшей эффективности, но также станет причиной выделения сумасшедшего количества тепла.

Чтобы поддерживать необходимые температуры, газогенератор должен работать с соотношением горючее/окислитель менее оптимального, поэтому вы можете использовать избыток горючего (восстановительный газогенератор) или избыток окислителя (окислительный газогенератор). Если вы используете насыщенный керосин, то на выходе из газогенератора вы увидите ту самую сажу, которая по сути является несгоревшим топливом. Несгоревшие молекулы углерода под высоким давлением связываются и образуют полимеры – этот процесс известен как коксование. Сажа прилипает ко всему, к чему прикасается, может заблокировать форсунки или даже повредить турбину!

Но что, если вы не хотите тратить топливо … я имею в виду то, что поскольку топливо работает в более низких температурах благодаря насыщению, не означает ли это, что куча несгоревшего топлива буквально тратится впустую? Что если бы вы могли просто направить выхлоп из газогенератора прямиком в камеру сгорания? Здесь-то и выходит на сцену замкнутый цикл!

Замкнутый цикл увеличивает эффективность двигателя, используя топливо, которое теряется в выхлопе газогенератора, соединяя его с камерой сгорания для увеличения давления в ней.

Итак, давайте возьмем двигатель Merlin и попробуем замкнуть петлю. Возьмем выхлоп из газогенератора и просто направим его в камеру сгорания … Оооо нет! Кажется, мы просто запустили кучу сажи в камеру и забили все ваши форсунки. Сегодня вы в космос не летите.

Поглядим как решили эту проблему в СССР. Первым действующим двигателем с замкнутым циклом, который они сделали, был НК-15, разработанный для лунной ракеты Н-1; позже они обновили его до НК-33, а затем появилось множество различных версий, включая РД-180, который используется на ракетах Атлас V сегодня.

НК-15 и НК-33 работают на керосине, как и Merlin, поэтому вы не можете использовать восстановительный газогенератор из-за проблемы с коксованием … и если у вас стоит вопрос о том, как создать двигатель с замкнутым циклом, работающий на керосине, то ответ на него будет следующим: окислительный газогенератор. Все просто не так-ли? Конечно: теперь мы просто взорвем сверхгорячий газообразный кислород под высоким давлением, который превратит в жижу все что угодно, прямо на точно обработанной и безумно высокопрочной турбинной лопатке.

В действительности в США считали подобное невозможным, поэтому и отказались от разработок. Они не думали, что существует металлический сплав, способный работать в этих сумасшедших условиях, и они не верили, что советские разработчики создали эффективный и мощный двигатель с замкнутым циклом на керосине, пока после распада СССР американские инженеры не увидели и не испытали этот двигатель лично! В Советском Союзе действительно отлично поработали, создав специальный сплав, который волшебным образом (с помощью науки) может противостоять безумным условиям в окислительном газогенераторе.В двигателе замкнутого цикла вы не просто используете какое-то количество горючего и окислителя в процессе сжигания в газогенераторе с целью вращения турбины, вы фактически пропускаете все насыщенное топливо через турбину. Таким образом, в газогенератор идет весь окислитель и только определенное количество горючего. У вас есть все необходимое, чтобы дать турбине необходимое количество энергии – она сможет вращать насосы на скорости достаточно высокой, чтобы получить необходимое давление в газогенераторе и камере сгорания, что обеспечит необходимую мощность для отправки груза в космос.

Вернемся к окислительному газогенератору — теперь горячий газообразный кислород нагнетается в камеру сгорания, где он встречает жидкое горючее. Они встречаются – бабах! — и мы получаем хорошее чистое и эффективное горение без траты горючего впустую! Ура!

Но также, как и во всех двигателях, давление в камере сгорания не может превышать давление в насосе, поэтому турбонасосу приходится тащить тяжелую ношу на своих маленьких металлических плечах.

Теперь вы сидите у думаете: ага, значит США просто позволили СССР оставить себе все заслуги в разработке ЖРД замкнутого цикла? Вы неправы. Хоть это и заняло немного больше времени, но в США сумели создать свой двигатель замкнутого цикла, причем это был двигатель не с окислительным газогенератором… Они работали над двигателем замкнутого цикла с восстановительным газогенератором. Постойте-ка… Мы же только что узнали, что выхлопы восстановительного газогенератора могут испортить нам все что угодно… Не так ли?

Это верно лишь в том случае, если вы используете керосин или любое другое тяжелое углеводородное горючее. Поэтому в США решили использовать новый компонент топлива – водород! Ладно, мы избежали проблемы со взрывом горяченного кислорода высокого давления во всем дорогом и драгоценном. Но тут же мы открыли новую банку с червями – водород значительно менее плотный, чем керосин или жидкий кислород. Настолько менее плотный, что требуется очень большой турбонасос для его подачи в камеру сгорания.

Поскольку керосин и жидкий кислород имеют практически равную плотность, то их можно пропустить через турбонасосы, находящиеся на одном валу, с использованием одного газогенератора. Но с водородом ситуация другая: вам нужно использовать больше горючего на единицу окислителя, поэтому чтобы найти баланс между малой плотностью водорода и высоким соотношением горючее/окислитель вам придется использовать разные турбонасосы для водорода и жидкого кислорода.

Поняв это, инженеры компании Rocketdyne разработали двигатель, известный как RS-25, который использовался на многоразовом космическом корабле Space Shuttle. Они сообразили, что нет смысла использовать один газогенератор для двух совершенно разных насосов, поэтому просто установили два газогенератора — один для водородного насоса и один для кислородного насоса. Делов-то!

Но наличие отдельного вала для каждого насоса создало еще одну проблему. Теперь инженеры располагали горячий газообразный водород высокого давления на собственном валу, который был прямо рядышком с насосом для жидкого кислорода. Если часть водорода вытечет из газогенератора, это приведет к пожару в насосе жидкого кислорода, что закончится катастрофически плохо. Водород очень тяжело хранить, потому что он имеет низкую плотность. Низкая плотность? Малая масса? О да, водороду очень нравится пробираться сквозь всякие трещины и идти гулять самому по себе. Таким образом чтобы не допустить утечки водорода, инженеры должны были сделать тщательно продуманную герметизацию.

Тогда разработчики придумали специальные уплотнения, которые находятся под давлением гелия. В таком случае при утечки наружу просачивается только гелий, а он, как известно, газ инертный. Гениально! Теперь взгляните на то, как отличаются уплотнения турбонасосов кислорода и водорода. Можете представить себе сколько времени и сил инженеров потребовалось для того, чтобы разработать уплотнение для кислородного турбонасоса? Люди, которые задумываются о подобных вещах  — чокнутые!

Теперь, когда мы немного разузнали о двигателе RS-25, давайте взглянем на упрощенную схему. Я не стал делать топливные турбонасосы разными, т.к. хочу разобраться с тем, как топливо проходит по двигателю. Знайте, что оба газогенератора работают в режиме восстановления  (избыток горючего, помните?), и несмотря на то, что они выглядят одинаково, они питают разные насосы.

RS-25 по-прежнему считается лучшим когда-либо созданным двигателем,  с довольно высоким отношением тяги к массе и непревзойденной эффективностью.

Таким образом, замкнутый цикл улучшает общую производительность двигателя и является очень выгодным. Так каким образом можно его улучшить?

Наконец-то мы готовы поговорить о жидкостном ракетном двигателе замкнутого цикла с полной газификацией компонентов топлива, который объединяет в себе две схемы, рассмотренные выше. В таком цикле вы просто устанавливаете два газогенератора –восстановительный, который питает насос горючего, и окислительный, который питает насос окислителя. Цикл с полной газификацией должен решать проблему цикла с избытком кислорода – опять же путем изготовления очень стойких металлических сплавов.

SpaceX разработала собственный сплав, который они назвали SX500. По словам Илона Маска, он способен поддерживать работу при давлении насыщенного кислорода более 800 бар. Разработка этого сплава стала, возможно, самым большим препятствием на пути создания двигателя Raptor.

Наличие двух газогенераторов позволяет разделить двигатель на два контура. В таком случае, при утечке в контуре горючего через уплотнение на валу не произойдет ничего страшного – водород там сможет встретить лишь водород. Скорее всего в этой схеме не будут использовать керосин как горючее из-за проблемы с коксованием восстановительного газогенератора, но зато для нее могут использоваться другие виды топлива – подробнее об этом чуть позже.

Преимущество цикла состоит в том, что, поскольку горючее и окислитель поступают в камеру сгорания в виде нагретого газа, можно достичь лучшего процесса горения с более высокими температурами. Как мы уже упоминали ранее, в такой системе уплотнения имеют меньшее значения, что означает меньше ремонта. Это хорошо, когда вы планируете многократно использовать свой двигатель практически без технического обслуживания между рейсами.

И, наконец, из-за увеличения массового расхода топлива (того, как быстро все топливо запускается в газогенератор), турбины могут работать при более низких температурах и при более низких давлениях, потому что соотношение горючего и окислителя, необходимое для вращения турбонасосов, намного ниже. Подумайте об этом с точки зрения открытого цикла —  вы хотите использовать как можно меньше горючего и окислителя в газогенераторе, так как они будут потрачены впустую, а значит вам нужно, чтобы они были максимально горячими для большей эффективности.

Но в двигателе с полной газификацией компонентов, поскольку все горючее и весь окислитель проходят через газогенераторы, вы можете сжечь столько топлива, сколько необходимо для питания турбонасосов. Ваше соотношение горючего к окислителю позволит температурам на турбинах быть намного ниже, что автоматически означает более длительный срок службы турбонасосного агрегата. Это также означает, что процесс горения происходит по большей части в камере сгорания, чем в газогенераторе.

А теперь кое-что из мира невероятного. Было разработано всего три жидкостных ракетных двигателя замкнутого цикла с полной газификацией топлива … ЗА ВСЕ ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ИНДУСТРИИ!

В 60-х годах Советский Союз разработал двигатель под названием РД-270, который никогда не летал, а в начале 2000-х годов Aerojet и Rocketdyne работали над IPD (Integrated powerhead demonstrator), который не прошел тестовые испытания.

И третья попытка разработать двигатель с полной газификацией топлива — двигатель Raptor от SpaceX! ТА ДА!!! МЫ СДЕЛАЛИ ЭТО!!!

Правильно, двигатель Raptor — это только третья попытка создать двигатель с таким циклом. Первый двигатель, который покидает испытательный стенд! И я очень надеюсь, это будет первый двигатель с полной газификацией топлива, который достигнет орбиты. На самом деле этот двигатель много в чем будет первым.

Это означает, что SpaceX пришлось решить много очень сложных проблем на пути его разработки. Мало того, что им нужно было решить проблемы в цикле окислительного газогенератора, так еще и возникла необходимость точно контролировать поток топлива, чтобы достичь самого высокого давления в камере сгорания за всю историю проектирования ракетных двигателей — 270 бар, наконец-то побив рекорд РД-180 в 265 бар. И они они нацелены на показатель в 300 бар, что просто сумасшествие.

Поскольку Raptor не может использовать восстановительный газогенератор с керосином, вам может показаться, что следующим наиболее логичным выбором горючего будет водород. Но в SpaceX не выбрали ни керосин, ни водород — они выбрали жидкий метан! Итак, у нас появилась еще одна тема для обсуждения — почему SpaceX выбрали жидкий метан для двигателя Raptor? Какие показатели делают его более выгодным в сравнении с водородом или керосином?

На сегодняшний день ни один двигатель на топливной паре жидкий метан/жидкий кислород не вывел ничего на орбиту; что же в нем такого привлекательного? Давайте сравним жидкий метан с керосином и жидким водородом  — поместим его прямо между ними. Вы поймете почему.

Начнем с, пожалуй, самого важного фактора в разработке вашей первой ступени. Плотность топлива. Наличие более плотного топлива означает, что баки для него будут меньше. Меньший бак = более легкая ракета.

Итак, вот плотность этих трех видов топлива, измеренная в граммах на литр (или другими словами — какова масса одного литра данного вещества?).

Масса литра керосина составляет около 813 граммов, он в 11 раз более плотный, чем водород, масса литра которого составляет всего 70 граммов, а жидкий метан находится прямо между ними с 422 граммами на литр.

Вспомните, как раньше дирижабли наполняли водородом, чтобы сделать их «легче воздуха». Это делали потому, что водород имеет намного меньшую плотность, чем наша атмосфера, а значит он является отличным газом для дирижабля, хоть и легковоспламеняющимся. Мы же все помним Гинденбург … верно?

Следует также отметить, что 813 грамм на литр — это среднее значение для керосина. SpaceX охлаждает керосин в своих Falcon 9 и Falcon Heavy настолько, что плотность возрастает на 2% — 4%.

С точки зрения плотности выбранный компанией Илона Маска метан находится в середине. Но есть кое-что поважнее, чем плотность — мы также должны учитывать соотношение количества сжигаемого горючего и количества сжигаемого окислителя. Отношение окислителя к горючему — стехиометрический коэффициент.

Здесь все становится немного интереснее, и ситуация меняется. Инженеры-ракетостроители должны учитывать массу топлива и соответствующий вес баков. Поэтому никто не сжигает топливо при идеальном стехиометрическом коэффициенте (1:1) — люди находят идеальное соотношение, которое уравновешивает размер бака с тягой и удельным импульсом.

Давайте посмотрим на соотношения масс окислителя и горючего, которые придумали инженеры … Итак, керосин горит при соотношении 2,7 грамма кислорода на 1 грамм керосина, водород — при 6 граммах кислорода на 1 грамм водорода, а метан горит при 3,7 граммах кислорода на 1 грамма метана. Эти числа помогают нам немного компенсировать огромную разницу в плотности веществ.

Итак, давайте визуализируем это, чтобы легче понимать. Плотность жидкого кислорода составляет 1141 грамм на литр, он немного плотнее, чем керосин. Таким образом, сжигая жидкий кислород и керосин в соотношении 2,7 к 1, на каждый литр жидкого кислорода вам потребуется чуть больше половины литра керосина. Провернем тот же трюк для водорода. Водород является в 11 раз менее плотным, чем керосин, так что можно подумать, что ему понадобится бак, который будет 11 раз больше … но, к счастью, инженеры обнаружили, что сжигать водород с кислородом в пропорции 6 к 1 — неплохое решение.

Это означает, что на каждый литр кислорода вам потребуется 2,7 литра водорода! Таким образом, ваш водородный топливный бак должен быть примерно в 5 раз больше по сравнению с керосиновым. Такие дела.

Вот почему, вы сравните Falcon 9  с керосиновым движком и Delta IV с водородным двигателем, то увидите, что у Falcon 9 бак c горючим намного меньше, чем бак с окислителем. С Delta IV все совсем иначе — бак с окислителем намного меньше бака с горючим.

Вернемся к метану. Все становится интересней. Жидкий кислород в 2,7 раза менее плотный, чем жидкий метан, но стехиометрический коэффициент составляет 3,7 к 1. Это значит, что вам понадобится 0.73 литра жидкого метана на каждый литр жидкого кислорода. Другими словами, ваш топливный бак для горючего на ракете с метановым двигателем должен быть примерно на 40% больше чем на ракете с керосиновым — и это с учетом того, что керосин вдвое плотнее! В сравнению с водородом этот топливный бак будет в 3,7 раза меньше.

Стехиометрический коэффициент помогает нам сделать метановые топливные баки по размеру ближе к керосиновым, чем к водородным.

Еще один важный показатель, который стоит учитывать при рассмотрении любого ракетного двигателя — это его эффективность. Она измеряется благодаря удельному импульсу, но вы можете думать об этом как об экономии топлива на  автомобиле. Высокий удельный импульс будет похож на высокий показатель км/л. Лучший способ понять это — представить, что у вас есть один килограмм топлива и задать себе вопрос: за сколько секунд двигатель сможет выдать тягу в 9,81 ньютона с этим килограммом? Чем дольше двигатель сможет пропускать топливо через себя, тем выше его удельный импульс, и, следовательно, тем больше работы он сможет выполнять с тем же количеством топлива. Это и есть экономия топлива.

Таким образом, чем выше удельный импульс, тем меньше топлива требуется для выполнения той же работы —  и это хорошо. Экономичный двигатель — это очень важно! Из-за того, что разное топливо имеет разный молекулярный вес и количество энергии, выделяющееся при сжигании, скорость истекания продуктов сгорания различается. Это означает, что у каждого топлива свой собственный теоретический удельный импульс.

В идеальном и совершенном мире двигатель на керосине мог бы работать около 370 секунд, а идеальный двигатель на водороде — 532 секунды. Двигатель на метане находится прямо посередине с 459 секундами. В реальности показатели, конечно, намного ниже: керосиновые двигатели выдают около 350 секунд (Merlin 1D Vacuum), метановые — около 380 секунд (Raptor Vacuum), а водородные —  около 465 секунд для (RL-10B-2).

Далее давайте поговорим о температуре горения. Чем меньше температура горения топлива, тем лучше для двигателя, ведь это положительно сказывается на его сроке службы. Керосин горит при 3670 К, водород — при 3070 К, и если вы еще не догадались, то метан снова по-серединке — 3550 К.

Говоря о температурных условиях, давайте посмотрим на температуру кипения этих веществ — в какой момент жидкое горючее выкипает и превращается в газ? Поскольку все эти виды горючего должны оставаться в жидком состоянии, чтобы оставаться достаточно плотными, то чем выше температура кипения горючего, тем легче его хранить. Более высокая температура кипения означает меньшую (или даже нулевую) изоляцию на баках для предотвращения выкипания топлива. Меньше изоляция = более легкие баки. Ура!

Керосин имеет очень высокую температуру кипения, даже выше, чем у воды — 490 К. С другой стороны, жидкий водород близок к абсолютному нулю  —  сумасшедший холод в 20 К! Это безумно холодно, и для того, чтобы что-то сохранить при такой температуре, нужны серьезные инженерные решения. Ну а метан как обычно встал между ними с  температурой кипения в 111 К — это конечно очень холодно и требует теплоизоляции, но по крайней это ближе к температуре кипения жидкого кислорода.

Поскольку температура кипения жидкого метана настолько близка к аналогичной у жидкого кислорода, то резервуары могут быть интегрированы в общий бак, который сделает ракету легче. Температуры жидкого кислорода и водорода различаются настолько сильно, что жидкий кислород кипятит жидкий водород, а жидкий водород замораживает жидкий кислород до состояния твердого вещества!

Поговорим о выхлопе — каковы побочные продукты сгорания в этих двигателях? Керосиновый — единственный из трех, который действительно загрязняет атмосферу углекислым газом и водяным паром, водородный производит только водяной пар, а метановый производит некоторое количество углекислого газа и водяного пара. Но вот что касается парниковых газов, хотите верьте, хотите нет  — водяной пар в верхних слоях атмосферы — это отстой … Я сделаю статью в будущем о том, насколько сильно ракеты загрязняют атмосферу и океаны. Сюда же пойдет тема о космическом мусоре… так что я думаю, что будет очень интересно!

Еще один параметр о котором мы будем говорить в общем случае — стоимость топлива. На самом деле очень сложно определить стоимость того или иного топлива — они бывают очень разными. Керосин (RP-1) — реактивное топливо высокой степени очистки, супер-усовершенствованная версия дизельного топлива. Таким образом, можно полагать, что RP-1 дороже дизельного топлива.

Водород также относительно дорог (самый часто встречающийся элемент во вселенной!) — его очистка, хранение и транспортировка делают его таким. С другой стороны у нас метан — по сути то же самое, что и природный газ. Он может быть относительно дешевым. Хотя когда вы говорите о покупке тонн топлива, то его стоимость резко возрастает. Без точных данных я не стану помещать этот пункт в нашу таблицу, так что … давайте поговорим о более важном аспекте относительно топлива. Его производстве.

И здесь мы поймем, почему SpaceX считает метан неотъемлемой частью будущего своей компании.

Конечная цель SpaceX — разработать систему, способную доставлять людей на Марс и обратно (и снова на Марс). Атмосфера Марса состоит в основном из CO2, а учитывая то, что под поверхностью Марса очень много воды, то с помощью электролиза и реакции Сабатье мы сможем превратить атмосферу Марса и его воду в метан! Это значит, что в марсианское путешествие вам не нужно брать с собой кучу топлива для возвращения домой. Вы можете добыть его прямо на Марсе, используя его ресурсы.

Это называется использованием ресурсов in situ(с лат. — «на месте»). Теперь вы можете подумать: но раз на Марсе есть вода, то почему бы не использовать водород в качестве горючего? Так то оно так, но одна из самых больших проблем с водородом и длительными миссиями — это точка кипения водорода. Потребуется много усилий, чтобы поддерживать водород в жидком состоянии, которое необходимо для использования его в качестве горючего.

Так что для SpaceX метан имеет большое значение! Он достаточно плотный, чтобы размер ракет оставался приемлемым, он достаточно эффективный и имеет не самые грязные продукты сгорания — пригоден для многоразового использования. Его горение происходит при низких температурах, помогая увеличить срок службы двигателя, что опять же хорошо для повторного использования, он дешев и прост в производстве и может быть легко произведен прямо на поверхности Марса!

Отлично! Мы прошли так далеко! Теперь, когда у нас есть четкое представление о том, как работают разные двигатели и какое топливо они могут использовать, мы наконец можем выстроить их все рядом и сравнить их показатели, чтобы оценить место каждого.

Итак, давайте же сравним двигатель Merlin с открытым циклом от SpaceX, приводящий в действие их ракеты Falcon 9 и Falcon Heavy, кислородный двигатель с закрытым циклом РД-180 от «НПО Энергомаш», который, как мы видим, приводит в действие ракету Atlas V и двигатель F-1 открытого цикла от компании Rocketdyne, который приводил в действие Сатурн-5. Все они работают на керосине. Затем у нас идет двигатель Raptor с полной газификацией компонентов топлива от SpaceX,  с помощью которого будут запускать Starship и Super Heavy, а также метановый двигатель замкнутого цикла с окислительным газогенератором BE-4  от компании Blue Origin, который будет приводить в действие их ракету New Glenn и грядущую ракету ULA Vulcan. Ну и RS-25 от Aerojet Rocketdyne, который выводил на орбиту космический челнок и будет приводить в действие грядущую ракету SLS, работающую на водороде.

Несколько важный замечаний. Raptor и BE-4 на момент создания этой статьи все еще находятся в стадии разработки, поэтому цифры, которые мы имеем, относятся либо к их текущему состоянию, как у Raptor, который постоянно совершенствуется, либо являются целевыми — как в случае с BE-4 (не проходил испытания). Просто помните, что эти цифры могут измениться.

И еще кое-что… посмотрите на РД-180 … нет, это один двигатель, он просто имеет две камеры сгорания! У него только один турбонасос, который распределяет свою мощность на две камеры сгорания. Советскому Союзу удалось решить проблему замкнутого цикла с избытком окислителя, но они не смогли решить проблему нестабильности горения в  больших двигателях, поэтому вместо одной большой камеры сгорания они сделали две маленьких!

Во-первых, давайте взглянем на их общую тягу на уровне моря: Merlin выдает 0,84 МН тяги, RS-25 — 1,86 МН, Raptor в настоящее время находится на уровне в 2 МН, BE-4 надеется достичь 2,4 MН, РД-180 имеет показатель в  3.83 MН, а  F-1 просто король на фоне остальных —  6,77 MН!

На самом деле у двигателя РД-170 показатель тяги еще лучше, чем у F-1, но, я решил не включать его в сравнение, поскольку он почти не летал — решил, что лучше использовать двигатели, которые действительно использовались, причем очень часто.

Тяга конечно решает, но при проектировании ракеты имеет значение и тяговооруженность  — каков показатель тяги в сравнении с тем, насколько тяжел двигатель? Более высокая тяговооруженность в конечном итоге означает меньший собственный вес, необходимый для перемещения ракеты.

Начнем с самого скромного показателя и пойдем к самому высокому. На самом деле, самый низкий показатель имеет RS-25 —  73:1, затем идет РД-180 — 78:1, далее у нас BE-4 с показателем около 80:1 — но имейте в виду, что на самом деле точных данных об этом числе нет, так что оно может варьироваться в некоторых пределах; затем F-1 — 94:1, теперь идет Raptor с соотношением в 107:1 (пока-что), и, наконец, завершает парад Merlin  — с удивительным соотношением 198:1.

Но кого волнует, насколько мощный у тебя двигатель, если он ужасно неэффективен? Итак, давайте проверим удельные импульсы наших двигателей. Мы отобразим как удельный импульс как для атмосферной версии двигателя, так и для вакуумной. Наименее эффективен оказывается F-1 с удельным импульсом в 263 и 304 секунды, затем идет Merlin —  282 и 311 секунд, у РД-180 — 311 и 338 секунд. Где-то рядом BE-4 — 310 и 340 секунд, за ним двигатель Raptor с показателями 330 и 350 секунд, и, наконец, безусловный лидер — RS-25, у которого удельный импульс составляет от 366 до 452 секунд! Вау!

Одним из факторов, влияющих как на тягу, так и на удельный импульс, является давление в камере. Как правило, чем выше давление в камере, тем больше тяга и потенциально больший КПД имеет двигатель. Более высокое давление в камере позволяет двигателю быть меньше по размеру на данном уровне тяги, что улучшает тяговооруженность. Проиграл здесь F-1, у которого давлении в камере составляло 70 бар. Я остановлюсь здесь напомнить вам о том, что 70 бар — это в 70 раз выше атмосферного давления, ну или то же самое давление, которое вы бы испытали бы на глубине океана в 700 метров — так что даже самое низкое давление в камере сгорания все же ошеломляет.

Итак, следующий двигатель —  Merlin — остановился на 97 бар. У BE-4 будет около 135 бар, за ним пойдет RS-25, у которого давление в камере составляет 206 бар, затем РД-180, который считается королем среди эксплуатируемых в настоящее время двигателей с давлением в 257 бар. До тех пор, пока Raptor не будет запущен в космос. Он является новым королем в этом аспекте с давлением в камере с колоссальными 270 бар — и SpaceX надеются получить давление в 300 бар! 300 бар — это как на глубине 3 км в океане. Я даже не могу себе представить.

Для этих двигателей этого вполне достаточно —  теперь давайте посмотрим на них с эксплуатационной точки зрения. Начнем с их приблизительной стоимости. Цифры, которые будут приведены, не претендуют на достоверность, но учитывают инфляцию.

Мы пойдем от самых дорогих к самым дешевым. Самым дорогим двигателем в этой линейке является RS-25, цена на который составляет более 50 миллионов долларов за штуку. Затем у нас идет двигатель F-1, который стоит 30 миллионов долларов за штуку, затем РД-180, который стоит 25 миллионов долларов, далее BE-4, который стоит около 8 миллионов долларов, а затем у нас идет двигатель Merlin, который стоит менее 1 миллиона долларов, а вот что касается Raptor… Илон упомянул, что, по его мнению, они смогут производить Raptor по стоимости ближе к двигателю Merlin — если удастся устранить большую часть сложностей в текущих версиях. Так что положим, что его стоимость составляет около 2 миллионов долларов.

Что ж, стоимость — это одно, но еще одним важным фактором, влияющим на стоимость двигателя, является возможность его многократного использования. И здесь только РД-180 и F-1 никогда не использовались повторно, что отличает их от других двигателей в нашей линейке, которые будут использоваться многократно.

RS-25 многократно использовался с рекордным количеством в 19 полетов для одного двигателя. Merlin планируют использовать 10 раз без капитального ремонта. Еще мы знаем, что цель разработки BE-4 — это его повторное использование до 25 раз, и я думаю, что цель Raptor — 50 полетов, Но, опять же, стремления — это одно. А уж история расставит все по местам.

На самом деле есть некоторые действительно интересные показатели, связанные со стоимостью двигателя. Речь идет о числе, которое Илон упомянул в Твиттере в феврале 2022 года — он написал, что Raptor станет лучше по доллар на тягу.

А это действительно интересно, если задуматься. Кого волнует, сколько стоит двигатель, если один большой двигатель дешевле, чем два маленьких при той же тяге или наоборот. Итак, давайте посмотрим на соотношение этих двигателей по параметру $ за кН. Начнем с самого дорогого двигателя, которым является RS-25 с безумным показателем в 26 881 долларов за кН; затем РД-180 по цене 6 527 долларов за 1 кН; затем F-1 с соотношением 4431: 1, и вот мы добрались до BE-4, который стоит 3333 доллара США за 1 кН. Затем Merlin  — 1170:1 и Raptor  — 1000:1.

Но мы пойдем еще дальше. Так как мы знаем соотношение $ / кН и  потенциал многократного использования двигателей, то мы можем предсказать их потенциальную стоимость за рейс за кН, которая будет изменяться в зависимости от степени повторного использования двигателей.

Поскольку РД-180 и F-1 не подлежат повторному использованию, то их цена остается прежней, но для остальных двигателей, если мы примем во внимание то, сколько рейсов у них уже было/будет, мы можем увидеть, как возможность повторного использования RS-25 окупит его и сократит разрыв, снизив его потенциальную стоимость до всего 1414 долларов США за кН, а дальше все слетает с катушек. BE-4 от Blue Origin может по-настоящему изменить игру со стоимостью примерно в 133 доллара за кН, что потенциально может сделать его более дешевым в эксплуатации, чем Merlin, (117 долларов за кН за полет). Но если двигатель Raptor представляет собой то, что о нем говорят, то он доведет это число до 20 долларов за кН за полет. Это перевернет все.

Конечно, деньги и возможность многократного использования — это фишка 21-го века в космических полетах, но что случилось со старой доброй надежностью? Для этого давайте посмотрим, сколько рабочих полетов совершил каждый двигатель. На момент написания этой статьи Raptor и BE-4 еще не летали, хотя Raptor покидает испытательный стенд для использования на StarHopper. У нас есть двигатель F-1, который использовался на 17 рейсах, двигатель Merlin, который был в 71 полете и быстро догонял РД-180 с 79 полетами, но больше всех отработал RS-25 — 135 полетов.

О надежности в полете. Между количеством полетов и надежностью в полете прячется довольно хорошее представление о том, насколько надежен двигатель. Это число действительно трудно определить, поскольку некоторые двигатели могли рано отключаться, (и в некоторых случаях миссия могла быть успешной). Так что отнеситесь ко всему этому со скептицизмом. Опять же, BE-4 и Raptor еще не летали, так что для них цифры недоступны. У нас есть главный двигатель Спейс Шаттл, надежность которого составляет более 99,5%.

А еще у нас есть Merlin с надежностью 99,9%  — этому числу поспособствовало то, что на ракете Falcon 9 установлено 10 таких движков и отказ одного не приведет к провалу миссии. Так что это очень надежный двигатель! РД-180 и F-1 надежны на 100%, но F-1 вообще не отключался во время полета,  и технически, РД-180 надежен на 100%, но только потому что однажды ему действительно очень сильно повезло.

Он выключился на 6 секунд раньше во время миссии Atlas V в 2022 году из-за неисправного клапана, но миссия продолжалась успешно из-за чистой удачи, так как у разгонного блока Centaur было достаточно запасной характеристической скорости, чтобы выполнить миссию! Если бы этот клапан вышел из строя даже на секунду раньше, то эта миссия провалилась бы.

Теперь, видя все эти цифры и соображения, вы понимаете, сколько переменных входит в проектирование ракеты? И если вы поменяете одну из этих переменных, то как это по-вашему повлияет на другие? Это может оказать эффект снежного кома при проектировании и реализации ракеты!

Теперь, когда мы узнали о циклах, топливе и стремлениях SpaceX, сможем ли мы выяснить — зачем вообще нужны двигатели Raptor и стоит ли оно того?

Давайте взглянем на окончательный план SpaceX. Сделать быстрое и полностью многоразовое транспортное средство, способное отправлять людей на Луну и Марс как можно дешевле. Для быстрого и полного повторного использования двигатель должен работать чисто и требовать минимального обслуживания, иметь простые уплотнения в турбонасосном агрегате и низкие температуры в газогенераторе. В данном контексте метановый движок с полной газификацией компонентов подходит хорошо!

Из соображений надежности, большого количества сотрудников и масштабируемости производства имеет смысл использовать множество двигателей. Чтобы уменьшить размер двигателя, но поддерживать его высокую мощность, давление в камере сгорания должно быть высоким. Звучит так, будто метановый движок с полной газификацией компонентов — хорошая идея!

Для межпланетных пилотируемых миссий метан очень хорош, потому что его точка кипения делает его пригодным для длительных перелетов. А еще вы можете производить метан на Марсе. И здесь наш двигатель подходит идеально.

Метан относительно плотное вещество, что означает, что размер топливного бака не будет очень большим. Что опять-таки хорошо для межпланетных миссий — не нужно таскать с собой лишний груз. Двигатель на метане с полной газификацией компонентов тут как нельзя кстати.

Вернемся к нашему заголовку: действительно ли двигатель Raptor — король ракетных двигателей? Ну, ракетостроение, как и все отрасли промышленности — это сложная серия компромиссов. Это самый эффективный двигатель? Нет. Это самый мощный двигатель? Нет. Это самый дешевый двигатель? Вероятно, нет. Возможно, это самый многоразовый двигатель. Но делает ли это его хорошим? ДА. Это двигатель, расположившийся на золотой середине, может делает все, что от него требуется. Он идеально подходит для вашего межпланетного космического корабля.

И, несмотря на всю сложность, SpaceX развивает этот движок быстрыми темпами. Учитывая то, сколько изменений SpaceX сделала с их двигателем Merlin за десять лет, и то, что компания находится на начальных этапах развития Raptor, можно предположить, что он будет только лучше и лучше. И это безумие!

В общем, движок Raptor — король в своем королевстве. Это фантастический двигатель для достижения целей SpaceX. Будет ли он также хорош в других применениях? Может быть да, а может быть и нет, и я оставлю это решение за ракетостроителями и инженерами, которые идут на все эти безумные компромиссы!

Что вы думаете? Стоит ли создавать такие сумасшедшие и сложные двигатели? Это только начало для двигателя Raptor? И самое главное, действительно ли двигатель Raptor — король ракетных двигателей? Напишите ваши мысли в комментариях ниже.