Търси се ракетен двигател, способен да надмине руския Stradivarius MIT Technology Review

Търсен ракетен двигател, способен да надмине руския "Страдивариус"

От години космическата ракетна индустрия е в застой и е доминирана от руския RD-180, създаден през 90-те години, но това може да се промени. Благодарение на съвременните методологии четири американски компании се надпреварват да създадат по-добра

  • от Матю Боднър | преведена от Ана Милутинович
  • 29 юли 2019 г.

Час преди залез слънце на 24 май 2000 г., необичайна ракета излетя от стартовия комплекс 36 в ВВС на нос Канаверал (САЩ). Подобно на повечето ракети, Atlas 3 е наследил своя дизайн от ICBM, в случая от първата американска ракета от този вид, предназначена да заплаши Съветския съюз с ядрено унищожение. Това не беше необичайно. Но ракетата имаше значително по-мощен първи етап от предишните. RD-180, неговият двигател, е построен от NPO Energomash в завод в покрайнините на Москва (Русия). Руски двигател задвижваше американска ракета, съюз, който би бил невъобразим в разгара на космическата надпревара.

През следващите две десетилетия от Флорида (САЩ) излетяха още 83 ракети от този тип. Атлас 3 и неговият наследник Атлас 5, оборудвани с двигатели RD-180, изпратиха в орбита поне 16 шпионски сателита на САЩ, 13 военни сателита за комуникация, половин дузина сателити GPS, два военни сателита за времето и три сателита за предупреждение за ракети, предназначени за откриване на ракетни изстрелвания от мястото, където е построен двигателят RD-180. Той също така задвижва четири американски мисии до Марс, стартирането от НАСА на мисията New Horizons до Плутон през 2006 г. и Juno до Юпитер през 2011 г.

RD-180 е забележителен не само заради геополитическите странности, под които е работил, но и защото в много отношения е просто по-добър от всеки друг ракетен двигател по това време. Когато Илон Мъск обяви успеха на теста си с двигателя Raptor на SpaceX през февруари 2019 г., той се похвали с високото налягане, постигнато в тягата на Raptor: повече от 265 пъти атмосферното налягане на морското равнище. Raptor счупи рекорда, държан в продължение на няколко десетилетия от "впечатляващия руски RD-180", Мъск публикува в Twitter.

След като Крим анексира Русия през 2014 г., дните на RD-180 като основен елемент на американската ракета започнаха да се броят. Отбранителните ястреби на САЩ отдавна не се чувстваха добре с този съюз, но двигателят беше много добър и, предвид възможностите му, беше и евтин и затова остана. Но когато отношенията с Русия се разпаднаха, противниците на мотора в Конгреса на САЩ, водени от сенатора Джон Маккейн, забрани използването на руския двигател в американски ракети от 2023 г. Това принуди американските военновъздушни сили да търсят нова ракета.

Всичко това повдига въпроса: Как руският двигател, проектиран преди десетилетия, се превърна в стандартна мярка, спрямо която се сравняваха най-добрите американски ракетолози? За да разберете защо RD-180 е толкова добър двигател, трябва да знаете, че ключът е въпрос на сръчност. Въпреки че стотици хора участват в разработването на ракетни двигатели, някой с добър дизайнерски инстинкт е жизненоважен- Балансите са твърде сложни, за да бъдат решени с груба сила. В случая с RD-180 отговарящият се наричаше Валентин Глушко.

След като СССР загуби космическата надпревара до Луната срещу САЩ, проектирането на най-добрия ракетен двигател стана "национален приоритет", припомня руският космически инженер и космически историк Вадим Лукашевич. Съветските лидери искаха да построят най-мощната ракета в света, за да задържат своите космически станции в орбита и да изстрелят Буран, какъвто трябваше да бъде руската космическа совалка. На Глушко бяха дадени ресурси за изграждане на възможно най-добрия двигател, нещо, в което той беше много добър. Резултатът беше RD-170, по-големият брат на RD-180.

способен

Снимка: Руският двигател RD-180 е задвижвал десетки изстрелвания на Atlas V, а в някои от тях е имал сателити, предназначени да шпионират, наред с други страни, същата държава, в която е построен. Кредити: Крейг Ф. Уокър

RD-170 е един от първите ракетни двигатели, който използва техника, наречена поетапно или поетапно горене. Друг, който го използва, беше основният двигател на американската космическа совалка, също разработен през 70-те години. За разлика от тях двигателите F-1 от първия етап на ракетите "Сатурн V", които задвижваха програмата "Аполо" към Луната, имаха по-стар и по-опростен дизайн с циклов двигател на генератор на газ. Ключовата разлика: поетапни двигатели с вътрешно горене те обикновено са по-ефективни, но имат по-висок риск от експлозия. Специалистът по ракетни двигатели с течно гориво от университета Purdue (САЩ) Уилям Андерсън обяснява: "Нивата на отделяне на енергия са екстремни." Според Андерсън само някой с наистина хитро въображение би могъл да разбере всичко, което се случва в горивните камери на ракетните двигатели. В Русия този човек беше Глушко.

"Толкова много беше инвестирано в совалката, че никой в ​​НАСА не искаше да говори за разработване на богат на кислород поетапен двигател с горене. Кислородът би изгорил почти всичко, ако се появи искра.".

За да разберем защо двигателите на Глушко постигнаха инженерен успех, трябва да получим малко техника.

Има два ключови начина за измерване на ефективността на ракетата: от тягата (или количеството сила, която ракетата упражнява), или от специфичната тяга (мярка за горивна ефективност). Ракета с висока тяга, но ниска специфична тяга няма да достигне орбита; ще трябва да носи толкова много гориво, че теглото му ще се нуждае от повече гориво и т.н. И обратно, ракета с висок специфичен импулс, но ниска тяга никога няма да се издигне от земята. (Обаче тези видове ракети работят добре в космоса, където е достатъчен постоянен тласък).

Ракетният двигател изгаря гориво заедно с окислител, който обикновено е кислород, за да генерира горещ газ, който се разширява надолу и навън през дюзата на двигателя, ускорявайки двигателя в другата посока. За разлика от реактивните двигатели, които получават кислород от въздуха около тях, ракетите трябва да носят собствен кислород (или друг оксидант), тъй като в космоса, разбира се, няма. Подобно на реакторите, ракетите се нуждаят от начин за изтласкване на гориво и кислород в горивната камера с високо налягане; всичко останало е равно, повече натиск означава по-добра производителност. За целта ракетите използват турбопомпи със стотици обороти в секунда. Турбопомпите се задвижват от турбини, които от своя страна се активират от предварително горелки, които също изгарят част от горивото и кислорода.

Решаващата разлика между поетапните двигатели с вътрешно горене като RD-180 и газовите двигатели като F-1 на Сатурн се крие в това, което се случва с газовете, които излизат от тези предварително горелки. Докато двигателите с газови генератори го изхвърлят зад борда, поетапните двигатели с вътрешно горене го инжектират отново в основната горивна камера. Една от причините е, че тези газове съдържат неизползвано гориво и кислород: горелките не могат да изгорят всичко. Изхвърлянето им е отпадък, нещо изключително важно за ракета, която трябва да носи горивото и кислорода, които ще консумира. Но тяхното повторно инжектиране изисква деликатен баланс между наляганията и нивата на потока, така че двигателите да не експлодират. Нуждаете се и от цяла поредица турбо помпи. Експертите обикновено се нуждаят от десетилетие на симулации и тестове или повече, за да разберат как да го накарат да работи добре.