Космический извоз. Технологии. Часть 4. ЖРД. На что годятся шедевры двигателестроения?

Как и обещал - в этой части продолжим о ЖРД, только теперь на примере реальных конструкций. Издалека заходить не буду, поэтому – пристегните ремни, поехали!

Вот таблица, с основными характеристиками ЖРД, которые использовались, используются или когда-нибудь, возможно, будут использоваться на первых ступенях жидкостных ракет-носителей. О смысле характеристик, приведенных в таблице, я рассказывал в предыдущих частях.

При рассмотрении таблицы, естественно должен возникнуть вопрос – куда смотреть, и что с чем сравнивать? Простой ответ на этот вопрос - смотреть нужно на название двигателя и на его расположение в таблице. Чем выше, тем лучше.  

Полагаю, если вы дочитали до этих строк, то такой ответ вас определенно не устроит.  И в самом деле, всем известно, что «самый совершенный двигатель» – это РД-170/РД-180/РД-191, что «самый лучший в мире двигатель и шедевр» – это Raptor, а «самый эффективный в истории» - это Merlin-1D!

Почему, скажете вы, «самый эффективный в истории» Merlin-1D стоит в этой таблице лишь на пятой позиции (с конца)? Почему ни один из потомков самого совершенного двигателя РД-170, ни он сам не возглавляет рейтинг? Почему шедевр и лучший в мире двигатель Raptor, который смог побить рекорд самого РД-180 – не занимает первую позицию?!

Всё дело в том, что когда кому-то хочется назвать свое детище самым лучшим/эффективным/совершенным – он старается подчеркнуть достоинства, и не акцентировать внимание на недостатках, и ЖРД здесь – не исключение, ведь всеми этими званиями, вышеупомянутые двигатели были награждены во времена освоения рынка космических запусков.

Кто же такой, этот RS-68A, который находится на первой позиции, и самое главное – за какие заслуги он туда попал?

Чтобы понять, каковы заслуги этого двигателя – давайте разберемся, что ракете нужно от двигателя

Кислород-водородный ЖРД RS-68. Правее и выше сопла виден патрубок выхлопа газогенераторного газа. Нижняя часть сопла (черного цвета) не охлаждается горючим, охлаждение осуществляется за счет теплового излучения нагретой поверхности и испарения абляционного покрытия.

Если самым важным параметром является удельный импульс, то почему тогда двигатель НК-33-1 с удельным импульсом 2991/3276 стоит выше, чем РД-180 с удельным импульсом 3060/3320? Если дело в тяговооруженности, то почему «самый эффективный в истории», со своей 191,4 - плетется в хвосте очереди на олимп? А потому, что дело в совокупности характеристик.

Для того, чтобы сравнить двигатели со столь разными параметрами – необходимо поместить их все в более-менее стандартные условия, и определить, насколько эффективно они решат основную свою задачу – какое приращение скорости ступени они обеспечат (см. последний столбец таблицы).

Именно за приращение скорости ступени в стандартных условиях, на первую позицию попал RS-68A. Разрабатывали данный двигатель для ракеты Delta-IV. Двумя очень важными условиями при его разработке были – минимально возможная цена и максимальная простота. Эти два условия определили тип цикла (открытый), на котором он работает, низкое давление в камере сгорания, небольшую степень расширения сопла и одно из самых плохих значений тяговооруженности (хуже, чем у 63-летнего РД-107). Однако все его недостатки, обусловленные простотой – с лихвой компенсируются, не побоюсь этого слова, выдающимся удельным импульсом (на фоне своих сородичей по первой ступени). Разумеется, такой удельный импульс RS-68A, обеспечивает благодаря используемым компонентам топлива – кислород/водород, которые являются самыми эффективными из ныне используемых.

Обратная ситуация имеет место с двигателем Merlin-1D – даже самая высокая тяговооруженность – не помогает ему добиться впечатляющих результатов, по причине весьма посредственного удельного импульса, который находится на уровне достижений 60-х годов прошлого века, и только благодаря своей высокой тяговооруженности, он немного обгоняет F-1 и РД-107 по совокупной эффективности. Низким удельным импульсом он обязан открытой схеме цикла и низкому давлению в камере.

Знакомьтесь - великий и ужасный "самый эффективный в истории" ЖРД  Merlin-1D. Простая конструкция, открытая схема, низкое давление в камере, и турбонасосный агрегат небольшой мощности - прямая дорога к высокой тяговооруженности и невысокому удельному импульсу. Черный выхлоп - газогенераторный газ с большим избытком горючего.

60-летний "старичок" - РД-107, яркий пример, говорящий о том, что простая конструкция и слабые удельные характеристики, порой могут быть скомпенсированы низкой ценой и высокой надежностью. Привод турбины осуществляется третьим компонентом - перекисью водорода (точнее продуктами её разложения).

Обратите внимание на всем известный, «никогданалунунелетавший» F-1 – по совокупной эффективности он уступает двигателю РД-107, будучи на несколько лет моложе его. Такие низкие характеристики обусловлены тем, что нет в нем никаких «уникальных утерянных технологий», о которых любят упоминать сторонники «лунного заговора».

Единственное, чего смогли добиться американские инженеры, и чего не смогли добиться наши – это победа над колебаниями давления в камере сгорания таких больших размеров.

Персонаж, воспетый в легендах и теориях заговора - ЖРД F-1 первой ступени американской лунной ракеты. Характеристики, которыми он обладает - не столь высоки, как об этом принято думать. 

В свое время наши инженеры посчитали эту проблему нерешаемой, и пошли другим путем, американцы же, потратив кучу сил и средств – проблему решили. Наши двигателисты, начали строить ЖРД по закрытой схеме с окислительным газогененраторным газом, что считалось невозможным в США. Нужно ли напоминать – где теперь, в результате этих решений, находится умение строить кислород-керосиновые ЖРД в США и в России?

Двигатель Raptor, благодаря закрытой схеме цикла, высокому давлению в камере и, что самое главное – компонентам топлива (кислород/метан), вплотную приближается к лидеру – кислород-водородному RS-68A и в случае достижения целевых показателей (удельный импульс в вакууме 3700 м/с) сможет его превзойти по достижимому приращению скорости в стандартных условиях.

Претендент на лидерство в технологиях ракетного двигателестроения - Raptor. К сожалению пока не радует ничем, кроме отрывочных намеков на великое будущее.  Высокоэффективная схема, серьезные заявки - будем надеяться из него вырастет что-то достойное. 

Легендарный РД-170 и его потомки, уступают первые две позиции – лишь двигателям, использующим более эффективные пары компонентов топлива. Среди кислород-керосиновых двигателей – они в лидерах, разбавляет их стройные ряды двигатель НК-33-1 - потомок не менее легендарного двигателя НК-15 - родоначальника схемы закрытого цикла на окислительном газогенераторном газе. Секрет их успеха – закрытая схема, позволившая добиться высокого давления в камере и как следствие – высокого удельного импульса. Разумеется, за высокий удельный импульс пришлось заплатить большой относительной массой и низкой тяговооруженностью самого двигателя, использующего турбонасосный агрегат высокой мощности и камеру, способную работать под высоким давлением (если сравнивать с Merlin-D1)

Представители "правящего класса" кислород-керосиновых ЖРД - двигатели закрытой схемы на окислительном газогенераторном газе - РД-171 и его "половинка" с "четвертинкой", а также любимый персонаж ностальгирующих по утраченному величию - родоначальник закрытой схемы на окислительном газе - НК-33. В действительности РД-180 не является половиной РД-170, а РД-191 - не является половиной РД-180 - общие у них только конструкция камеры, всё остальное - разработано заново.

Что касается двигателей на высококипящих компонентах (АТ/НДМГ, АТ/Аэрозин), поскольку конструкция таких двигателей проще, чем кислород-керосиновых, и поскольку производные гидразина обладают лучшими теплофизическими свойствами для охлаждения - тяговооруженность этих двигателей выше, чем у кислород-керосиновых, даже при условии закрытой схемы цикла, больших мощностей турбонасосных агрегатов и высокого давления в камере. В верхние строчки рейтинга им не позволяет подняться низкая, по сравнению с другими, эффективность топлива. Ну и, разумеется, среди единокровных - отечественные ЖРД опять в лидерах.

ЖРД - РД-270, использующий схему с полной газификацией обоих компонентов (такую же как на Raptor) - смог добиться выдающегося удельного импульса среди единокровных (АТ+НДМГ) двигателей, вплотную приблизившись к кислород-керосиновым ЖРД, при этом обладает впечатляющей тяговооруженностью, и самое главное - прошел цикл испытаний и подтвердил все заявленные характеристики.  

Покуда эффективность современных ЖРД не позволяет добираться на околоземную орбиту на одноступенчатой ракете-носителе - приходится использовать, как минимум, две ступени. В силу того, что двигатели второй ступени работают в плотной атмосфере значительно меньшую часть времени, чем двигатели первой ступени, или вовсе работают в условиях вакуума – при их проектировании закладывают другие параметры конструкции, которые обеспечивают иные характеристики.

И снова, для того, чтобы был предмет разговора – таблица с характеристиками ЖРД, теперь уже верхних ступеней ракет.

Отличие от первой таблицы - в дополнительном столбце, на который пока не обращайте внимания – смотрим на «стандартное приращение скорости».

Сразу должно броситься в глаза то, что TOP10 – плотно оккупирован кислород-водородными двигателями. Двигатели закрытой схемы не занимают верхние позиции, уступив лидерство безгазогенераторным двигателям.

В безгазогенераторных двигателях турбина приводится во вращение газообразным водородом, который образуется в результате испарения жидкого водорода в рубашке охлаждения камеры, после турбины, газообразный водород отправляется в камеру сгорания.

Рекордсмены среди кислород-водородных ЖРД - RL-10B2 и РД-0146 используют схему без газогенератора. Неохлаждаемый сопловой насадок из углерод-углеродного композита дает двигателям высокую степень расширения, но существенно снижает тяговооруженность двигателя.

Стоит внимания тот факт, что кислород-водородные двигатели имеют тяговооруженность в принципе меньше, чем кислород-керосиновые. Обусловлено это тем, что водород имеет низкую плотность, и для его подачи под нужным давлением требуются многоступенчатые насосы больших размеров, а также большие диаметры трубопроводов и сечения охлаждающих каналов.

Тяговооруженность двигателя, при прочих равных условиях будет тем меньше, чем меньше сам двигатель и его тяга. Для хорошей тяговооруженности, лучше один крупный двигатель, чем много мелких, а вот для достижения высокого удельного импульса масштабы двигателя такой существенной роли не играют.

Теперь стоит внимательнее присмотреться к «самому лучшему, шедевру» и «самому эффективному в истории».

Двигатель Raptor, с характеристиками вакуумной версии – обогнал-таки RS-68A, которому он наступал на пятки в первой таблице, и «сделал» он это благодаря предполагаемой увеличенной степени расширения сопла и благодаря слабым характеристикам двигателя RS-68A. Сам RS-68A на фоне кислород-керосиновых двигателей первой ступени выглядел героем, однако на фоне единокровных – кислород-водородных двигателей – он явный замыкающий. И всё же, если разработчикам двигателя Raptor удастся достигнуть заявленных параметров, то он вплотную приблизится к кислород-водородным двигателям открытого цикла.

Двигатель Merlin-D1 vacuum, достаточно близко подобрался по целевому показателю (стандартное приращение скорости) к двигателю РД-120 (напарник двигателя РД-170 по РН «Зенит»), даром, что среди двигателей первой ступени он выглядел бледненько. Достаточно скромный удельный импульс, существенно скомпенсирован высокой тяговооруженностью (ведь давление в камере маленькое и турбонасос тяжелый не нужен). Если посмотреть на другие кислород-керосиновые двигатели открытого цикла – то среди них Merlin-D1 vacuum – безусловный лидер, причем лидирует он с большим отрывом.

Напарник двигателя РД-171 по ракете "Зенит" - РД-120. Типичный середнячок, высоко эффективен среди единокровных, и немного тяжеловат в уплату за хороший удельный импульс.

Что касается остальных двигателей, приведенных в таблицах, все закономерно, как говорится – всяк сверчок, знай свой шесток. Выскочек здесь нет, и глядя на параметры можно понять, чем каждый из двигателей заслужил свое место.

В заключение этой части хочу подробнее рассмотреть двигатели относительно средней и большой тяги (более 50 тс), которые могут работать в условиях атмосферы, то есть таких, которые начинают работу вместе с двигателями первой ступени, и продолжают работать после того, как первая ступень отделилась. Здесь нужно сделать важную оговорку – на западе такие двигатели причисляют к первой ступени, при этом действительную первую ступень, презрительно именуют - «ускорители». В отечественной космонавтике такую схему, принято именовать пакетной схемой деления ступеней, в отличие от тандемной схемы, в которой ступени работают по очереди.

Подробнее рассмотреть данные двигатели стоит вот почему – при определенных условиях они приближаются к возможности вывода полезного груза на околоземную орбиту при помощи одноступенчатой ракеты. (см. самый правый столбец таблицы).

Для вывода на околоземную орбиту требуется приращение скорости 9000-9200 м/с ( с учетом потерь).

Если создать ракету с параметрами, которые зашифрованы в примечании *****, и установить на неё один из рассматриваемых двигателей, то может получиться достичь приращения скорости на 800-1000 м/с не дотягивающую до необходимой. И тут уже, завидев перспективу, теоретически можно сделать попытку допилить, дотянуть …. и получить желаемое – одноступенчатый вывод на орбиту с приемлемой экономической эффективностью.

В таком варианте явными фаворитами выглядят - РД-0120 и RS-25.

И посмотрите, как себя может повести, в таком гипотетическом варианте, Raptor vac.- он уверенно обходит кислород-водородные двигатели открытой схемы и плотненько подходит к лидерам гонки за одноступенчатый вывод!

"Ребята из параллельных классов" RS-25 и РД-0120. Закрытая схема на восстановительном газе, тяжелые турбонасосы, толстые трубопроводы, в награду за это - высокий удельный импульс. Им посчастливилось родиться в золотые для космонавтики времена, казалось еще лет 10-20 и мы начнем осваивать солнечную систему, ну или по крайней мере вести боевые действия в ближнем космосе. 

Разумеется, губу раскатывать рано. Догнать недостающие 1000 м/с – это не фунт изюму съесть. Даже с имеющимися двигателями RS-25 и РД-0120 – никто до сих пор не начал разработки в этом направлении, что уж говорить о Raptor’е, который свои характеристики продемонстрировал, пока что, в пресс-релизах. Однако у Raptor’a есть преимущество, пусть пока виртуальное – компоненты топлива кислород/метан – существенно плотнее, чем кислород/водород, что позволит создать ракету гораздо более компактную (привет от DeltaIV Heavy).

Вот что бывает, когда первую ступень делают кислород-водородную. При сопоставимой стартовой массе и массе полезного груза - габариты в разы выше.

Если Raptor появится и будет близок к целевым характеристикам – весьма вероятно он укажет путь к экономически оправданному одноступенчатому выводу на орбиту, если же нет - то в недрах КБ пока еще прячется РД-0162, который, также должен будет обладать серьёзными характеристиками. 

В следующей части, я расскажу о твердотопливных ступенях ракет и так называемых твердотопливных ускорителях, тем самым завершив обзор технологий, используемых в космическом извозе, после чего можно будет приступить к разбору экономической эффективности этих самых технологий.

Первая часть:  https://cont.ws/@petruha256/13...

Вторая часть:  https://cont.ws/@petruha256/15...

Тре...

P.S. Интересно ваше мнение – зачем, по-вашему, я вынес в таблицу приращение скорости в одноступенчатом варианте для заведомо неприменимых кислород-керосиновых двигателей РД-120 и Merlin-D1 vacuum?