Зоопарк Илона Маска: новый двигатель SpaceX не в силах бросить вызов интересам России


опубликовано: 16 July 2019 в 02:49 от riafan.ru

11 ФЕВРАЛЯ 2019 Зоопарк Илона Маска: новый двигатель SpaceX не в силах бросить вызов интересам России Предполагаемая тяга 1900 кН и озвученный удельный импульс 330 секунд — пока лишь цифры из красивых презентаций «Раптора». $(document).ready(function() { t796_init(‘87429038’); }); Согласно сообщениям главы SpaceX Илона Маска, разрабатываемый этой компанией ракетный двигатель Raptor («Раптор») побил рекорд российского РД-180 по уровню давления в камере сгорания. Опубликованные данные говорят о том, что Raptor достиг давления 265,4 атмосфер в камере сгорания, и это больше рабочего давления в камерах РД-180, составляющего 253,3 атмосферы. Насколько указанный параметр важен для ракетного двигателя? И к каким изменениям на ракетном рынке может привести успешная доводка двигателя SpaceX до рабочего изделия? Ответы на эти вопросы нашел корреспондент Федерального агентства новостей. Что такое хороший ракетный двигатель Современный ракетный двигатель — чудо инженерной и конструкторской мысли, в котором воплощаются самые последние научные и технологические идеи. При этом конструкция двигателя часто должна удовлетворять множеству практически противоречащих друг другу требований, а также обеспечивать выдающуюся надежность. Главный качественный параметр любого ракетного двигателя — удельный импульс, иногда еще именуемый «удельной тягой». Для неспециалиста размерность удельного импульса выглядит несколько необычно: он измеряется в секундах, хотя из курса школьной физики мы помним, что размерностью импульса является умножение массы на скорость — кг·м/c. Но в этом нет ничего загадочного: за счет сокращения размерных величин физическим смыслом удельного импульса является как раз время: его величина показывает, сколько секунд может проработать ракетный двигатель на 1 килограмме топлива, создавая тягу в тот же 1 килограмм. “ Отсюда вытекает основное требование к удельному импульсу ракетного двигателя — чем он больше, тем эффективнее двигатель, так как для его эквивалентной работы нужно меньшее количество ракетного топлива. Вторым фактором, который крайне важен для ракетных двигателей, является соотношение реактивной тяги двигателей (T) к массе всей ракеты (W). Если T/W>1, то данный двигатель может быть пригоден для старта с поверхности Земли, если Т/W<1 — то однозначно нет. Это тоже интуитивно понятно: если тяги не хватит, то ракета не сможет взлететь с поверхности нашей планеты, а просто будет стоять на стартовом столе и пыхтеть своими маломощными движками. В силу этого масса очень интересных двигателей — ионных, плазменных, солнечных парусов и других — имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, но совершенно не годятся для старта с Земли. Они просто не могут вытащить нас из гравитационного колодца планеты. Из-за этого параметра на первых ступенях ракет редко используются кислород-водородные двигатели. Несмотря на свой высокий удельный импульс, у них более низкое реально достижимое соотношение T/W, так как водород — очень неудобное горючее. По сравнению с другими ракетными горючими, водород имеет очень низкий удельный вес, что требует создания громадных водородных баков первых ступеней. Именно такие баки занимали большую часть конструкции советской ракеты «Энергия» и американского комплекса Space Shuttle. Хотя в обоих случаях водороду все равно «помогали» на старте за счет ракетных ускорителей — на «Энергии» это были четыре первые керосиновые ступени ракеты-носителя «Зенит», а к Space Shuttle пристыковывали два огромных твердотопливных ускорителя. “ Когда инженеры пытались создать полностью «водородную» ракету, то получались нежизнеспособные ракетные монстры, такие как знаменитая Delta IV Heavy. В 2015 году стоимость запуска этой ракеты-носителя составляла около 400 млн долларов США — почти вчетверо дороже, чем запуск сравнимых по грузоподъемности российского «Протона» и американского Falcon 9, работающих на керосине. Заметим, что применение водорода на верхних ступенях, наоборот, существенно снижает потребную тягу первой ступени. Так, при проектировании «лунной» американской ракеты «Сатурн» было подсчитано, что использование для двигателей второй ступени не водорода, а керосина потребовало бы увеличения тяги первой ступени на 70%. Если же керосин применялся также и на третьей ступени, то тягу двигателей первой ступени «Сатурна» пришлось бы утроить. В общем, как ни крути, а идеального горючего для современных ракет пока не создали. В отрасли установилось хрупкое равновесие: для первых ступеней стали использовать неэффективный, но плотный керосин, а на вторые и третьи ступени ставить легкий водород, дававший выигрыш по удельному импульсу. Однако поиски «идеального топлива» были продолжены. Спасительный метан По своим параметрам удельного импульса пара «метан-кислород» — уверенный «середнячок». Теоретический удельный импульс топлива такой пары с метаном на 3,4% выше, чем топлива «керосин-кислород», но на 20,5% ниже, чем топлива «водород-кислород». Кроме того, метан имеет достаточно высокую температуру кипения, что позволяет избежать массы проблем с теплоизоляцией, которые важны для хранения в баках жидкого водорода. Двумя другими несомненными преимуществами метана являются его дешевизна и экологичность: в современном мире сжиженный природный газ является широкодоступным топливом, а пятна пролива СПГ быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.Особенно чувствительными преимущества метана в качестве топлива становятся при переходе к многоразовым ракетам. В таких ракетных комплексах стоимость топлива играет большую роль, чем у одноразовых ракет, а процедуры по заправке ракет должны происходить с минимумом критических точек. Стартовая масса некоторых ракет в тоннах Чем тяжелее ракета, тем мощнее должны быть двигатели первой ступени 10 500 Проект Starship Илона Маска 2290 «Лунная» ракета «Сатурн-5» (США) 2400 «Энергия», тяжелейшая ракета СССР $(document).ready(function() { $(‘.t506’).bind(‘displayChanged’,function(){ var t506_el = $(«#rec87435255»); t506_el.find(«div[data-hook-content]»).css(‘height’, ‘auto’); var t506_hcover=t506_el.find(«.t-cover»).height(); var t506_hcontent=t506_el.find(«div[data-hook-content]»).outerHeight(); if(t506_hcontent>300 && t506_hcover1000){t506_hcontent+=100;} t506_el.find(«.t-cover»).height(t506_hcontent); t506_el.find(«.t-cover__filter»).height(t506_hcontent); t506_el.find(«.t-cover__carrier»).height(t506_hcontent); t506_el.find(«.t-cover__wrapper»).height(t506_hcontent); if($isMobile == false){ setTimeout(function() { var t506_divvideo=t506_el.find(«.t-cover__carrier»); if(t506_divvideo.find(‘iframe’).length>0){ setWidthHeightYoutubeVideo(t506_divvideo, t506_hcontent+’px’); } }, 2000); }} }); }); Неудивительно, что компания Илона Маска сосредоточила свои усилия на создании именно метанового двигателя для своей новой ракеты Starship, в прошлом известной как BFR. Для этого ракетного монстра, стартовая масса которого должна составить более 10 500 тонн, необходимы чрезвычайно мощные двигатели первой ступени. “ По расчетам SpaceX, для старта Starship с поверхности Земли потребуется 42 двигателя Raptor — это даже больше, чем было установлено на первой ступени советской «лунной» ракеты Н-1, которая стартовала с 30 работающими двигателями НК-33. Огромная масса Starship задала и исключительные требования к единичному Raptor: в начальном проекте ракеты тяга одного двигателя должна была составлять 3 000 — 3 500 кН, что в параметрах поднимаемого им веса составляет 310—360 тонн. В этом случае 42 «Раптора» смогли бы обеспечить стартовое усилие от 13 до 15 тысяч тонн, чего вполне хватило бы на отрыв колоссальной массы Starship от стартового стола и его начального разгона. Конечно, Raptor при этом не являлся бы самым мощным ракетным двигателем: скажем, в американском «Сатурне-5» на первой ступени использовались керосиновые двигатели F-1, каждый из которых на старте развивал тягу в 690 тонн, а в советской «Энергии» основной двигатель РД-170 выдавал тягу в 740 тонн. Однако, безусловно, для первого массового, а не лабораторного метанового двигателя это была очень смелая заявка. Впрочем, вскоре рекордные параметры «Раптора» пришлось корректировать. Уже к сентябрю 2017 года он «похудел» практически вдвое, так как тягу единичного двигателя объявили равной 1 700 кН (около 173 тонн). Правда, в конце 2018 года в предоставленной SpaceX презентации параметры единичного «Раптора» немного улучшили — его тяга теперь должна была равняться 1 900 кН (193 тонны), а удельный импульс составить 330 секунд на уровне моря. Как мы помним из первой части, именно удельный импульс является квинтэссенцией эффективности двигателя. Как следствие, по нему легко сравнить ожидания, связанные с «Раптором», и реальные параметры схожих двигателей. Оказалось, что по сравнению со старыми керосиновыми ракетными двигателями открытой схемы, такими как F-1, «Рапторы» выглядят достаточно хорошо: у F-1 удельный импульс составлял при старте лишь 265 секунд. Таким образом, Raptor где-то на четверть эффективнее F-1, и это достаточно очевидно: разработка огромного керосинового двигателя «Сатурна-5» стартовала еще в 1959 году, до полета Юрия Гагарина. А вот по сравнению с более новыми разработками преимущество «Раптора» выглядит уже не столь бесспорно. Уже упоминавшийся РД-171 с первой ступени «Энергии» имел удельный импульс 309 секунд, а для РД-180, который представляет собой усовершенствованную «половинку» РД-171, удельный импульс на уровне моря составил 311 секунд. Получается, что в случае успеха Raptor обойдет РД-180 где-то на 6% по эффективности, хотя за счет более сложной конструкции ракеты, связанной с использованием метана, выигрыш будет, скорее всего, немного меньше. При этом стоит учесть, что 3,4% в этих 6% — это усиление за счет использования пары «метан-кислород», и лишь 2,6% — это плод усилий инженеров и конструкторов SpaceX. “ Чтобы окончательно закрыть вопрос с удельным импульсом, напомним: главный водородный двигатель Space Shuttle имел удельный импульс 366 секунд, но и столь рекордные параметры не спасли программу космического челнока от бесславного закрытия. Все это наглядно подтверждает, что на сегодняшний день даже радикальное изменение ракетного двигателя — например, переход к паре «метан-кислород» — дает лишь незначительный выигрыш в измеримой эффективности ракетного двигателя, выраженной в его удельном импульсе. Так что же поменяется? Стоит сказать, что и заявленная тяга 1900 кН, и озвученный удельный импульс 330 секунд — пока лишь цифры из красивых презентаций SpaceX. По итогам испытания 7 февраля 2019 года Raptor достиг уровня тяги 1 686 кН (172 тонны) при рекордном давлении в камере сгорания 265,4 атмосфер и проработал чуть более 10 секунд. Более того, заявленное рекордное давление он удержал, судя по опубликованному Маском графику, лишь около 0,04 секунд, в то время как расчетное время работы «Раптора» должно составить не менее 200 секунд, а концепция Starship предусматривает повторное использование первых ступеней «до 1 тысячи раз». Таким образом, до реально работающего ракетного двигателя специалистам SpaceX предстоит пройти очень длинный путь.Вторым неприятным для концепции Starship фактом является то, что Raptor пока никак не тянет на тот самый «двигатель мечты», под который проектировалась мега-ракета Илона Маска. Напомним, что даже начальный проект Starship предполагал использование 42 «Рапторов», а с уменьшенной практически вдвое тягой число двигателей первой ступени ракеты легко подберется к девяти десяткам. “ Управлять доброй сотней двигателей в реальном режиме времени — это отдельная и весьма нетривиальная задача, как и вопрос надежности всего этого «зоопарка» в первой ступени ракеты. Понимание этого противоречия уже вынудило Маска произвести корректировку начальных планов по Starship, уменьшив диаметр ракеты с 12 до 9 метров и значительно снизив ее стартовую массу — до 4400 тонн, согласно презентации 2017 года. В таком варианте Starship смогут поднять 31 двигатель Raptor, однако вопрос разрекламированного полета на Марс становится достаточно проблематичным.Дело в том, что на околоземную орбиту получается «вытянуть» около 235 тонн (85 тонн самого корабля и около 150 тонн дополнительной нагрузки), чего вполне хватает на околоземные или лунные миссии, но категорически мало для организации полета на Марс.Ну и, наконец, о конкуренции с РД-180. Скорее всего, тут Илону Маску тоже не улыбнется удача: «выскочку» с его супердвигателем отнюдь не ждут ни в Boeing, ни в Lockheed Martin, которые с удовольствием продолжат использовать надежные и эффективные российские РД-180, хотя и будут вести разработку своих собственных двигателей нового поколения.Пора вспомнить старую притчу о петухе на зимнем скотном дворе: «Пусть я и не догоню курицу, зато точно согреюсь!» Становится очевидно, что новый двигатель SpaceX не в силах бросить вызов интересам России. В любом случае, у компании SpaceX по итогам ее долгих мучений когда-нибудь получится весьма неплохой ракетный двигатель, да еще и работающий на инновационном топливной паре «метан-кислород». Что уже само по себе неплохо. Алексей АнпилоговИспользованы иллюстрации сайтов spacex.com, twitter.com и открытых источников.