Рапторы Маска. С чем миллиардер намерен превзойти российские ракетные двигатели

В России справедливо принято рассматривать экспорт ракетных двигателей в США как демонстрацию высокого уровня отечественной космической отрасли, по крайней тех ее элементов, которые были разработаны в прошлом тысячелетии. Среди них двигатель РД-180. Несмотря на то что США потратили немало денег на попытки скопировать его, особого успеха на этом направлении добиться не удалось. Поэтому сейчас в Соединенных Штатах разрабатывают с нуля собственную конструкцию, причем технически между ней и РД-180 действительно нет ничего общего.

Такую оценку недавно подтвердил в своем твиттере и Илон Маск, написав: «Стыдно, что Boeing/Lockheed [Martin] нуждается в российском двигателе на [американской ракете] Atlas, но двигатель этот [РД-180] выдающийся».

К сожалению, Маск не сказал о главном: в чем именно сила РД-180, а также почему он при всех своих плюсах не востребован в России и «летает» только в США. При этом сам Маск не просто прохожий в области ракетных двигателей: он уже в 2019 году собирается начать полеты на собственном движке, который — впервые в истории — превзойдет РД-180 и может стать первым настоящим межпланетным двигателем в истории человечества.

Советское наследие

РД-180 с тягой 400 т никогда не использовался отечественным ракетостроением. Зато на советских ракетах летал его предок — РД-170 с тягой 800 т. У РД-170 было четыре камеры сгорания, а у РД-180 их две. Причины урезания просты: РД-170 стоял на «Энергии», которая после гибели СССР оказалась невостребованной. Для такой мощной ракеты у российской космонавтики, с ее скромным финансированием, просто нет никаких целей. Летать к орбитальной станции в 400 км от Земли — ближе, чем от Москвы до Нижнего Новгорода, — можно и на небольших ракетах родом из 1960-х годов, что «Роскосмос» до сих пор и делает. «Энергия» — ракета из 1980-х с полезной нагрузкой 100 т, и ее конструировали совсем не для таких скромных задач.

Однако в США в 1990-х космическая отрасль по-прежнему ставила перед собой большие задачи. Нужна была мощная ракета, а для нее — соответствующий двигатель. Тогда американская сторона обратилась к бывшим советским специалистам. И Борис Каторгин (глава НПО «Энергомаш») пошел на создание «обреза» на базе РД-170. Приглядимся к этому «обрезу» внимательнее.

Жидкостный ракетный двигатель сжигает топливо либо по открытой, либо по закрытой схеме. В открытой топливо/окислитель сгорают в газогенераторе — устройстве для превращения жидкого ракетного топлива в горячий газ, который приводит в действие топливные турбонасосы и после раскручивания турбины этих насосов выбрасывается наружу. Эффективность такой схемы невелика, потому что топливо, прошедшее через газогенератор, в создании тяги ракетного двигателя прямо не участвует. Зато схема проста и именно поэтому ее выбрали для Merlin — двигателя, с которым SpaceX выдавил «Роскосмос» с рынка коммерческих запусков.

В закрытой схеме горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. В этой схеме топливо используется полнее, поэтому такие двигатели предпочтительнее для дальних полетов. Проблема в том, что такая конструкция радикально сложнее открытого цикла — горячий газ от газогенератора надо через и так перегревающийся ракетный двигатель подать в камеру сгорания. Это куда сложнее, чем доставлять туда только жидкое (и поэтому очень холодное) топливо, как в открытой схеме.

РД-170 и его «обрез» РД-180 — двигатели закрытой схемы, они более эффективны. РД-170, например, мощнее F-1, на котором американцы летали на Луну, и при этом почти в полтора раза меньше. Ведь в двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасос, а значит, можно поднять давление в камере сгорания. И советские конструкторы довели его до 250-260 атмосфер — в разы больше, чем у F-1. Выше давление — меньше размер камеры сгорания. Каждая из пары камер сгорания РД-180 имеет всего 38 см в диаметре, а проходит через нее 0,6 т топлива в секунду.

Нет ничего удивительного в том, что именно на этом двигателе американский New Horizons был направлен к Плутону (и дальше), а Curiosity — к Марсу. В США жидкостных двигателей с закрытым циклом и такой мощности просто не было.

Как отмечал сам академик Каторгин, «в 1990-х, в самом начале <...> американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить <...> Прошло уже 17 лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов. У нас на «Энергомаше» есть стенды, где в барокамере можно испытывать тот же двигатель РД-170, мощность струи которого достигает 27 млн кВт». США не располагали ни такими стендами, ни достаточно амбициозными игроками двигательного рынка. Ситуация начала меняться только после присоединения к России Крыма, когда Соединенным Штатам стало очевидно, что сотрудничество с Россией в конечном счете все равно обречено, а значит, надо «импортозамещать» РД-180.

Планы Маска

Как это всегда и бывает, импортозамещение и в Америке породит лишь игроков второго ряда — двигатели, созданные в попытке заменить РД-180 будет лишь подобны ему по параметрам. Зато SpaceX на импортозамещение не нацелена, поэтому она уже испытывает другой, значительно более продвинутый ракетный двигатель — Raptor.

От РД-180 его отличают три вещи. Во-первых, Raptor — это метан-кислородный двигатель. Дело в том, что SpaceX планирует летать на нем на Марс и обратно, то есть заправляться придется на Красной планете. Достоверно известно, что там есть сырье для получения метана, а вот в отношении керосина (топливо РД-180) такой уверенности пока нет.

Во-вторых, Raptor использует полнопоточную закрытую схему, еще более продвинутую, чем просто закрытая в РД-180. В отечественном двигателе для получения газа, вращающего турбонасосный агрегат (подающий топливо в камеру сгорания), применяется одна небольшая камера «предварительного» сгорания. В нее подается немного керосина и избыток кислорода. В Raptor есть две камеры «предварительного» сгорания, где получают газ для турбонасосного агрегата: в одной в избытке кислорода сгорает метан, в другой в избыточно насыщенную метаном среду подается кислород. Потом получившиеся там и там газы подаются в камеру сгорания, где полностью догорают, отдавая всю свою энергию.

Поскольку в таком варианте закрытой схемы больше топлива превращается в газ, можно добиться еще более высокого давления в камере сгорания и прохода еще большего количества газов через турбину турбонасосного агрегата. Эти газы уносят с собой избыточное тепло, отчего ресурс такой турбины вырастет. А это особенно важно потому, что Raptor — двигатель многоразовый, рассчитанный на сотни рабочих циклов. Ремонтировать двигатели на Марсе будет непросто — поэтому они должны быть надежными. Наконец, топливо/окислитель в газообразном состоянии горят энергичнее, чем если поступили в камеру сгорания в жидком виде, поэтому удельный импульс двигателя также растет.

Само собой, конструкция эта еще сложнее и амбициознее, чем у РД-180. Смешивать газы из разных газогенераторов до камеры сгорания нельзя, поэтому в Raptor они проходят через два разных турбонасосных агрегата. Те «борются» между собой, что создает низкочастотные пульсации. В СССР полнопоточная закрытая схема пробовалась еще в 1960-х (двигатель РД-270), однако пульсации поставили крест на его нормальной работе. Синхронизировать их удачнее можно, применяя то, чего полвека назад просто не было, — эффективное и сверхбыстродействующее электронное управление турбонасосами.

Третье кардинальное отличие между РД-170/РД-180 и Raptor — в материалах. В турбонасосах нового двигателя будет использоваться специально разработанный «суперсплав» SX500 из семейства инконелей (сплавы на основе никеля и хрома). Он сможет выдерживать давление до 800 атмосфер, как в море на глубине 8 км. Без такого материала создать многоразовые турбонасосные агрегаты было бы крайне сложно.

Будь Маск обычным бизнесменом, он никогда бы не пошел на эту сложную авантюру с двигателем, который еще эффективнее (и сложнее), чем выдающийся РД-180. Ему это просто не нужно: для околоземного космоса его пуски все равно дешевле чем у ракет «Роскосмоса».

Однако Маск крайне далек от «обычного бизнесмена». Ему нужны полеты туда, куда, на первый взгляд, никакого экономического смысла лететь нет. Глава SpaceX никогда не делал секрета из своей стратегии: регулярные полеты к Марсу сделают возможным его терраформирование (изменение климатических условий). Терраформирование сделает Марс самым ценным активом в истории бизнеса, отчего компания, летающая туда регулярно (и монопольно!) обречена на высочайшую капитализацию. Капитализацию, которая определенно превысит ВВП целого ряда крупных государств Земли.

К счастью для Маска, его цели настолько превосходят цели остальных игроков, что те просто не в состоянии поверить, что он будет их добиваться, хотя он задекларировал их очень давно. Поэтому конкурентов у него в обозримом будущем не появится.

И все это, несмотря на то что тестовая версия Starship — корабля, на котором планируется достичь Марса, — должна полететь уже в 2019 году. А от земли ее оторвут три жидкостных ракетных двигателя, которые — впервые в земной истории — превзойдут по совершенству РД-170/РД-180.