Метановые ракетные двигатели и многоразовые космолеты

статья выходного дня

Сейчас ведется много разговоров о многоразовых космических ракетах, но при этом из внимания часто упускается главное — то, что такие ракеты пока еще только создаются. Потому что слово «многократный» подразумевает «много раз», а не «несколько раз», как это достигнуто на данный момент. В настоящее время можно говорить только о возвращении отдельных ракетных блоков для их повторного использования, как в американской ракете Falcon 9. По существу, ракетная техника находится в начале пути, который приведет ее сначала к частичной, а затем — к полноценной многоразовости и, наконец, она уподобится в этом плане авиационной технике и даже автомобильному транспорту. Именно тогда мы сможем создавать не ракеты, но автомобили, летающие в космос. Как это происходит и будет происходить — в статье на Автомалиновке.

Почему до сих пор не созданы многоразовые космические ракеты?

Система Space Shuttle
Ответ следует искать в технологиях ракетных двигателей 60-х годов. К этому времени в США были созданы ракеты, использующие высокоэффективное кислородно-водородное топливо. Не без оснований считалось, что водородные ракетные двигатели (РД) могут быть усовершенствованы для многократного использования — поэтому их выбрали в качестве основных маршевых РД для системы Space Shuttle. Но у жидкого водорода есть существенный недостаток — низкая плотность, из-за чего водородные ракетные ступени получаются громоздкими. Поэтому водород обычно применяется только на верхних ступенях. Чтобы решить проблему габаритов, «шаттл» оборудовали тяжелыми твердотопливными ускорителями, которые тоже полагались многоразовыми — но на практике их восстановление стоило не намного меньше повторного изготовления. С водородной частью «шаттла» тоже не все получилось хорошо — в орбитальный самолет поместились только ракетные двигатели RS-25, а громоздкий топливный бак пришлось сделать внешним и одноразовым. При этом подготовка ракетных двигателей к повторному полету занимала два месяца вместо первоначально ожидаемых двух недель. И многократность их использования оказалась меньше, чем обещалось — примерно 10 раз вместо ожидаемых 25 раз.

В итоге многоразовой оказалась только орбитальная ступень. И это было большое достижение! Хотя ее приходилось слишком долго готовить к повторному полету, восстанавливая ракетные двигатели и теплозащитное покрытие. В целом шаттл оказался экономически неэффективным по сравнению с одноразовыми ракетами-носителями — подробный анализ опыта этой программы содержится в нашей статье: Время крылатых гигантов

Следующая итерация оказалась более удачной, поскольку при создании частично возвращаемой ракеты удалось добиться ее экономической рентабельности. Для создания ракеты Falcon 9 в SpaceХ использовали практичные кислородно-керосиновые РД, отказавшись и от водорода, и от твердотопливных ускорителей. Об этом подробно рассказано в нашей статье Частный космос Илона Маска

Falcon 9 стал успехом, который сейчас намереваются использовать в других керосиновых ракетах — например, в сверхмалой РН «Электрон». Есть только одно но — при работе керосиновых РД образуется сажа, которая не позволят использовать их большое число раз. Пределом для керосиновых РД считается их 10-кратное использование, а реально достигнуто только 5-кратное (причем в рекордном полете 18 марта 2022 года произошел отказ одного РД). Этого маловато для того, чтобы считать керосиновые РД многоразовыми. Поэтому в проектах новых многоразовых ракет планируется заменить керосин на СПГ — сжиженный природный газ, метан.

Чем метановые ракеты отличаются от керосиновых?

Если вкратце, то перевод керосиновой ракеты на метан походит на перевод автомобиля с бензина на природный газ. Керосиновые ракетные двигатели могут быть модернизированы для работы для метане, при этом прекращается выделение сажи и улучшается основная характеристика РД — его удельный импульс (УИ), соотношение тяги к массовому расходу ракетного топлива. Правда, при этом приходится увеличивать размер бака горючего, поскольку СПГ менее плотен, чем керосин (0.41 кг/литр против 0.8 кг/литр). В итоге более эффективное, но менее плотное ракетное горючее дает примерно такие же характеристики ракеты, как и керосин.

Массовое соотношение кислорода к горючему и объем ракетного топлива

Плотность жидкого кислорода — 1.14
Применение метана вместо керосина рассматривалось на заре космонавтики — но было решено, что особых преимуществ у СПГ нет. Ситуация изменилась именно с появлением многоразовых ракет, благодаря упомянутому отсутствию сажи при сгорании метана. А еще одно преимущество метана состоит в том, что его, как и кислород, можно добывать на многих планетах солнечной системы, например, на Марсе. Т.е. при полете метановой ракеты на Марс топливо надо брать только на путь туда, а для возврата на Землю организовать ее «заправку» на Марсе — конечно, при наличии на Марсе соответствующего оборудования, которое должно быть доставлено туда заблаговременно. Это в несколько раз снижает массу марсианского космолета.

Других преимуществом метана является возможность использования газообразного метана для наддува хранящегося в баке горючего жидкого метана — эта схема дешевле, чем применяемый наддув гелием. Близость температур кипения жидкого метана и кислорода 109К и 77К помогает в организации оптимального хранения топлива.

Благодаря своим вновь открывшимся преимуществам метан был объявлен топливом будущего, а исторически сложившееся применение керосина стало считаться неперспективным. Даже возникло такое выражение — «керосиновый тупик», которым характеризуется нынешнее состояние ракетной техники, когда в космос все еще летают «ракетные поезда» образца 60-годов прошлого века.

Немного физики или как это работает

Разные типы ракетных двигателей имеют существенные отличия в своей конструкции, но работа любого из них базируется на знаменитом третьем законе Ньютона, который гласит, что «каждому действию есть равное противодействие». РД выбрасывает струю рабочего тела в одном направлении, а сам, в соответствии с ньютоновским постулатом, движется в противоположную. Продукты сгорания топлива выходят через сопло, образуя тягу – это основы теории ракетных двигателей.

Если вы, стоя в лодке, отбросите от кормы камень, то ваше судно немного уплывет вперед. Это и есть наглядная модель функционирования всех ракетных двигателей. Еще одним примером может быть работа пожарного шланга, из которого под большим давлением выбрасывается вода. Для его удержания необходимо приложить определенные усилия. Если поставить пожарного на скейборд и дать ему в руки шланг, то он будет двигаться с довольно высокой скоростью.

Главной характеристикой, определяющей эффективность подобных систем, является тяга (сила тяги). Она образуется в результате превращения исходной энергии в кинетическую реактивной струи рабочего тела. В метрической системе тяга ракетного двигателя измеряется в ньютонах, а американцы считают ее в фунтах.

Схема работы простейшего жидкостного ракетного двигателя

Еще одним важнейшим параметром ракетных двигателей является удельный импульс. Это отношение силы тяги (или количества движения) к расходу топлива в единицу времени. Данный параметр рассматривается в качестве степени совершенства того или иного РД, и является мерой его экономичности.

Химические двигатели работают за счет экзотермической реакции сгорания горючего и окислителя. Этот тип РД имеет две составные части:

• Сопло, в котором тепловая энергия преобразуется в кинетическую;
• Камеру сгорания, где происходит процесс горения, то есть превращения химической энергии топлива в тепловую.

Российская программа создания метановых РД

В.Д.Горохов РH Союз-СПГ, топливо кислород-метан (Прогресс)

Разработка российских метановых РД выполняется в КБХА (Конструкторское бюро химавтоматики, Воронеж) под руководством профессора Виктора Дмитриевича Горохова. Двигатель с 200-тонной тягой начал создаваться в 2002 году для ЕКА (Европейского космического агентства) по проекту «Волга». В 2006 году он получил российское название РД-0162.

Ракетный двигатель РД-0162, топливо кислород-метан
(КБХА
)

Двигатель РД-0162 строится по замкнутой схеме газ-газ с дожиганием окислительного генераторного газа (ДОГГ) и восстановительным безгенераторным контуром (жидкий метан испаряется в рубашке охлаждения камеры сгорания и подается на вход турбины). Давление в камере сгорания намного ниже, чем у энергомашевских РД-191 — всего 169 атм, но по проекту обеспечиваются более высокие характеристики — земной УИ 321 с, высотный УИ 356 с, масса РД 2100 кг, земная тяга 2000 кН (~204 тс). Метановый ракетный двигатель рассчитан на 25, по другим данным — на 50 или даже 100 полетов. Для обеспечения отказоустойчивости в составе 4-двигательной установки он форсируется по тяге до 133%.

К настоящему времени испытан 40-тонный демонстратор РД-0162Д2А и ведется разработка 85-тонного метанового демонстратора РД-0177. По этому перспективному РД проведены испытания модельного газогенератора с форсуночными головками многократного использования. Это демонстратор создается для проекта «Крыло-СВ», предусматривающем создание многоразовой ракеты легкого класса с крылатой первой ступенью. А серийный РД-0169 с тягой 100 тонн планируется применить в многоразовой РН среднего класса Союз-СПГ.

Что касается 200-тонного РД-0162, то он продолжает оставаться конечной целью работ и предназначается для более мощных ракет-носителей тяжелого и сверхтяжелого класса.

Перспективная ракета-носитель Союз-СПГ

Работы по РН Союз-СПГ начинаются сейчас и для нее пока еще даже не определен окончательный облик. Поэтому мы даем ее условное изображение. Известно, что ракета будет двухступенчатым тандемом. На ее первую ступень будут установлены пять метановых РД-0169 суммарной тягой 500 тонн. Она будет садиться «по Маску» — вертикально на центральном РД. Вторая ступень оснащается одним РД-0169 с высотным соплом и тягой 95 тонн.

Стартовая масса РН Союз-СПГ запланирована около 360 тонн, а предполагаемая максимальная полезная нагрузка составит 12.5 тонн — очевидно, без учета затрат топлива на возвращение первой ступени, которые оцениваются в 6% от ее общей заправки в 220 тонн. Вторая ступень невозвращаемая, но ее предложено сделать с очень высоким конструктивным совершенством КС=14 (5.5 тонн при заправке 77 тонн).

Скорее всего, реальная ПН Союз-СПГ будет ближе к 10 тоннам, что тоже вполне достаточно — т.к. данная РН предназначена для замены устаревших средних РН Союз-2, ПН которых составляет около 8-9 тонн. Первый полет этой средней ракеты намечен на 2025 год. По своим габаритам и стартовой массе РН Союз-СПГ подходит для применения c «морского старта». В пользу инновационной ракеты говорит малое число ракетных блоков (2 против 6 у Союза-2) и высокий коэффициент повторного использования первой ступени. Поэтому она выглядит очень перспективной в плане снижения стоимости выведения даже в сравнении c Falcon 9.

О двигателях для межконтинентальных баллистических ракет

Россия располагает развитыми стратегическими ядерными силами, основным компонентом которых являются межконтинентальные баллистические ракеты разных типов, используемые в составе стационарных или подвижных грунтовых комплексов, а также на подводных лодках. При определенном сходстве на уровне базовых идей и решений, изделия этого класса имеют заметные различия. В частности, используются ракетные двигатели разных типов и классов, соответствующие тем или иным требованиям заказчика.

С точки зрения особенностей силовых установок все устаревшие, актуальные и перспективные МБР можно разделить на два основных класса. Такое оружие может оснащаться жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) или двигателями на твердом топливе (РДТТ). Оба класса имеют свои преимущества, благодаря чему находят применение в различных проектах, и пока ни один из них не смог вытеснить из своей области «конкурента». Вопрос силовых установок представляет большой интерес и стоит отдельного рассмотрения.

История и теория

Известно, что первые ракеты, появившиеся много веков назад, оснащались твердотопливными двигателями на самом простом горючем. Такая силовая установка сохраняла свои позиции до прошлого века, когда были созданы первые системы на жидком топливе. В дальнейшем развитие двух классов двигателей шло параллельно, хотя ЖРД или РДТТ время от времени сменяли друг друга в качестве лидеров отрасли.

Пуск ракеты УР-100Н УТТХ с жидкостным двигателем. Фото Rbase.new-factoria.ru

Первые дальнобойные ракеты, развитие которых привело к появлению межконтинентальных комплексов, оснащались жидкостными двигателями. В середине прошлого века именно ЖРД позволяли получить желаемые характеристики при использовании доступных материалов и технологий. Позже специалисты ведущих стран приступили к разработке новых сортов баллиститных порохов и смесового топлива, результатом чего стало появление РДТТ, пригодных для использования на МБР.

К настоящему времени в стратегических ядерных силах разных стран получили распространение как жидкостные, так и твердотопливные ракеты. Любопытно, что российские МБР комплектуются силовыми установками обоих классов, тогда как Соединенные Штаты еще несколько десятилетий назад отказались от жидкостных двигателей в пользу твердотопливных. Несмотря на такую разницу подходов, обеим странам удалось построить ракетные группировки желаемого облика с требуемыми возможностями.

В области межконтинентальных ракет первыми стали жидкостные двигатели. Такие изделия имеют ряд преимуществ. Жидкое горючее позволяет получить более высокий удельный импульс, а конструкция двигателя допускает изменение тяги сравнительно простыми способами. Большую часть объемов ракеты с ЖРД занимают баки топлива и окислителя, что определенным образом снижает требования к прочности корпуса и упрощает его производство.

Одновременно с этим ЖРД и ракеты, оснащенные ими, не лишены недостатков. В первую очередь, такой двигатель отличается высочайшей сложностью производства и эксплуатации, негативно сказывающейся на стоимости изделия. МБР первых моделей имели недостаток в виде сложности подготовки к запуску. Заправка топлива и окислителя осуществлялась непосредственно перед стартом, а кроме того, в некоторых случаях была связана с некоторыми рисками. Все это негативным образом сказывалось на боевых качествах ракетного комплекса.

Жидкостные ракеты Р-36М в транспортно-пусковых контейнерах. Фото Rbase.new-factoria.ru

Ракетный двигатель твердого топлива и построенная на его основе ракета имеет положительные стороны и преимущества перед жидкостной системой. Главный плюс – меньшая стоимость производства и упрощенная конструкция. Также у РДТТ отсутствуют риски утечек агрессивного топлива, а кроме того, они отличаются возможностью более длительного хранения. На активном участке полета МБР твердотопливный двигатель обеспечивает лучшую динамику разгона, сокращая вероятность успешного перехвата.

Твердотопливный двигатель проигрывает жидкостному по своему удельному импульсу. Поскольку горение заряда твердого топлива почти не поддается контролю, управление тягой двигателя, остановка или повторный запуск требуют особых технических средств, отличающихся сложностью. Корпус РДТТ выполняет функции камеры сгорания и потому должен иметь соответствующую прочность, что предъявляет особые требования к используемым агрегатам, а также негативно сказывается на сложности и стоимости производства.

ЖРД, РДТТ и СЯС

В настоящее время на вооружении стратегических ядерных сил России состоит около десятка МБР разных классов, предназначенных для решения актуальных боевых задач. Ракетные войска стратегического назначения (РВСН) эксплуатируют ракеты пяти типов и ожидают появления еще двух новых комплексов. Такое же количество ракетных комплексов используется на подводных подлодках ВМФ, однако в интересах морской компоненты «ядерной триады» пока не разрабатываются принципиально новые ракеты.

Несмотря на свой солидный возраст, в войсках все еще остаются ракеты УР-100Н УТТХ и Р-36М/М2. Подобные МБР тяжелого класса имеют в своем составе несколько ступеней с собственными жидкостными двигателями. При большой массе (более 100 т у УР-100Н УТТХ и около 200 т у Р-36М/М2) ракеты двух типов несут значительный запас горючего, обеспечивающий отправку тяжелой головной части на дальность не менее 10 тыс. км.

Общий вид ракеты РС-28 «Сармат». Рисунок «Государственный ракетный центр» / makeyev.ru

С конца пятидесятых годов в нашей стране изучалась проблематика применения РДТТ на перспективных МБР. Первые реальные результаты в этой области были получены к началу семидесятых. В последние десятилетия такое направление получило новый толчок, благодаря чему появилось целое семейство твердотопливных ракет, представляющих собой последовательное развитие общих идей и решений на основе современных технологий.

В настоящее время РВСН располагает ракетами РТ-2ПМ «Тополь», РТ-2ПМ2 «Тополь-М» и РС-24 «Ярс». При этом все подобные ракеты эксплуатируются как с шахтными, так и с подвижными грунтовыми пусковыми установками. Ракеты трех типов, созданные на основе общих идей, построены по трехступенчатой схеме и оснащаются твердотопливными двигателями. Выполнив требования заказчика, авторы проектов сумели минимизировать габариты и массу готовых ракет.

Ракеты комплексов РТ-2ПМ, РТ-2ПМ2 и РС-24 имеют длину не более 22,5-23 м при максимальном диаметре менее 2 м. Стартовая масса изделий – порядка 45-50 т. Забрасываемый вес, в зависимости от типа изделия, достигает 1-1,5 т. Ракеты линейки «Тополь» комплектуются моноблочной головной частью, тогда как «Ярс», по известным данным, несет несколько отдельных боевых блоков. Дальность полета – не менее 12 тыс. км.

Нетрудно заметить, что при основных летных характеристиках на уровне более старых жидкостных ракет, твердотопливные «Тополи» и «Ярсы» отличаются меньшими габаритами и стартовым весом. Впрочем, при всем этом они несут меньшую полезную нагрузку.

Подвижный грунтовый комплекс «Тополь». Фото Минобороны РФ

В будущем на вооружение РВСН должны поступит несколько новых ракетных комплексов. Так, проект РС-26 «Рубеж», создававшийся в качестве варианта дальнейшего развития системы «Ярс», вновь предусматривает использование многоступенчатой схемы с РДТТ на всех ступенях. Ранее появлялась информация, согласно которой система «Рубеж» предназначается для замены устаревающих комплексов РТ-2ПМ «Тополь», что и сказалось на основных особенностях ее архитектуры. По основным техническим характеристикам «Рубеж» не должен значительно отличаться от «Тополя», хотя возможно применение иной полезной нагрузки.

Еще одна перспективная разработка – тяжелая МБР типа РС-28 «Сармат». По официальным данным, этот проект предусматривает создание трехступенчатой ракеты с жидкостными двигателями. Сообщалось, что ракета «Сармат» будет иметь длину порядка 30 м при стартовой массе свыше 100 т. Она сможет нести «традиционные» специальные боевые блоки или гиперзвуковую ударную систему нового типа. За счет применения ЖРД с достаточными характеристиками предполагается получить максимальную дальность полета на уровне 15-16 тыс. км.

В распоряжении военно-морского флота имеется несколько типов МБР с разными характеристиками и возможностями. Основу морской компоненты СЯС в настоящее время составляют баллистические ракеты подводных лодок семейства Р-29РМ: собственно Р-29РМ, Р-29РМУ1, Р-29РМУ2 «Синева» и Р-29РМУ2.1 «Лайнер». Кроме того, несколько лет назад в арсеналы попала новейшая ракета Р-30 «Булава». Насколько известно, сейчас российская промышленность разрабатывает несколько проектов модернизации ракет для подлодок, но о создании принципиально новых комплексов речи пока не идет.

В области отечественных МБР для подлодок наблюдаются тенденции, напоминающие о развитии «сухопутных» комплексов. Более старые изделия Р-29РМ и все варианты их модернизации имеют три ступени и оснащаются несколькими жидкостными двигателями. При помощи такой силовой установки ракета Р-29РМ способна доставить на дальность не менее 8300 км четыре или десять боевых блоков разной мощности общей массой 2,8 т. В проекте модернизации Р-29МР2 «Синева» предусматривалось использование новых систем навигации и управления. В зависимости от имеющейся боевой нагрузки, ракета длиной 14,8 м и массой 40,3 т способна лететь на дальность до 11,5 тыс. км.

Загрузка ракеты комплекса «Тополь-М» в шахтную пусковую установку. Фото Минобороны РФ

Более новый проект ракеты для подлодок Р-30 «Булава», наоборот, предусматривал использование твердотопливных двигателей на всех трех ступенях. Среди прочего, это позволило уменьшить длину ракеты до 12,1 м и сократить стартовый вес до 36,8 т. При этом изделие несет боевую нагрузку массой 1,15 т и доставляет ее на дальность до 8-9 тыс. км. Не так давно было объявлено о разработке новой модификации «Булавы», отличающейся иными габаритами и увеличенной массой, за счет чего удастся повысить боевую нагрузку.

Тенденции развития

Хорошо известно, что в последние десятилетия российское командование сделало ставку на разработку перспективных твердотопливных ракет. Результатом этого стало последовательное появление комплексов «Тополь» и «Тополь-М», а затем «Ярс» и «Рубеж», ракеты которых комплектуются РДТТ. ЖРД, в свою очередь, остаются только на сравнительно старых «сухопутных» ракетах, эксплуатация которых уже подходит к концу.

Впрочем, полный отказ от жидкостных МБР пока не планируется. В качестве замены для имеющихся УР-100Н УТТХ и Р-36М/М2 создается новое изделие РС-28 «Сармат» с аналогичной силовой установкой. Таким образом, жидкостные двигатели в обозримом будущем будут использоваться только на ракетах тяжелого класса, тогда как прочие комплексы будут оснащаться твердотопливными системами.

Ситуация с баллистическими ракетами подводных лодок выглядит похоже, но имеет некоторые отличия. В этой сфере так же сохраняется значительное число жидкостных ракет, но единственный новый проект предусматривает применение РДТТ. Дальнейшее развитие события можно предугадать, изучив имеющиеся планы военного ведомства: программа развития подводного флота явно указывает на то, какие ракеты имеют большое будущее, а какие со временем будут списаны.

Самоходная пусковая установка РС-24 «Ярс». Фото Vitalykuzmin.net

Более старые ракеты Р-29РМ и их последние модификации предназначаются для АПЛ проектов 667БДР и 667БДРМ, тогда как Р-30 разрабатывались для использования на новейших ракетоносцах проекта 955. Корабли семейства «667» постепенно вырабатывают свой ресурс и со временем будут списаны ввиду полного морального и физического устаревания. Вместе с ними, соответственно, флоту придется отказаться и от ракет семейства Р-29РМ, которые попросту останутся без носителей.

Первые ракетные подводные крейсеры проекта 955 «Борей» уже приняты в боевой состав ВМФ, а кроме того, продолжается строительство новых подводных лодок. Это означает, что в обозримом будущем флот получит значительную группировку носителей ракет «Булава». Служба «Бореев» будет продолжаться в течение нескольких десятилетий, и поэтому ракеты Р-30 будут оставаться в строю. Возможно создание новых модификаций такого оружия, способных дополнить, а затем и заменить МБР базовой версии. Так или иначе, изделия семейства Р-30 со временем заменят устаревающие ракеты линейки Р-29РМ в роли основы морской составляющей стратегических ядерных сил.

Плюсы и минусы

Разные классы ракетных двигателей, используемые на современных стратегических ракетах, имеют свои плюсы и минусы того или иного рода. Жидкостные и твердотопливные системы превосходят друг друга по одним параметрам, но проигрывают в других. Как следствие, заказчикам и конструкторам приходится выбирать тип силовой установки в соответствии с имеющимися требованиями.

Условный ЖРД отличается от РДТТ более высокими показателями удельного импульса и иными преимуществами, что позволяет нарастить полезную нагрузку. Одновременно с этим соответствующий запас жидкого горючего и окислителя приводит к росту габаритов и массы изделия. Таким образом, жидкостная ракета оказывается оптимальным решением в контексте развертывания большого числа шахтных пусковых установок. На практике это означает, что в настоящее время значительная часть пусковых шахт занята ракетами Р-36М/М2 и УР-100Н УТТХ, а в будущем их заменят перспективные РС-28 «Сармат».

Ракеты типа «Тополь», «Тополь-М» и «Ярс» используются как с шахтными установками, так и в составе подвижных грунтовых комплексов. Последняя возможность обеспечена, в первую очередь, малым стартовым весом ракет. Изделие массой не более 50 т можно разместить на специальном многоосном шасси, чего не сделаешь с существующими или гипотетическими жидкостными ракетами. Новый комплекс РС-26 «Рубеж», рассматриваемый в качестве замены для «Тополя», так же основывается на похожих идеях.

Ракета подводных лодок Р-29РМ. Рисунок «Государственный ракетный центр» / makeyev.ru

Характерная черта ракет с РДТТ в виде сокращения габаритов и массы также имеет значение в контексте вооружений флота. Ракета для подлодки должна иметь минимальные размеры. Соотношение габаритов и летных характеристик ракет Р-29РМ и Р-30 показывает, как именно можно использовать подобные преимущества на практике. Так, в отличие от своих предшественников, новейшие АПЛ проекта 955 не нуждаются в крупной надстройке, прикрывающей верхнюю часть пусковых установок.

Впрочем, сокращение массы и габаритов имеет свою цену. Более легкие твердотопливные ракеты отличаются от других отечественных МБР меньшей боевой нагрузкой. Кроме того, специфика РДТТ приводит к менее высокому весовому совершенству в сравнении с жидкостными ракетами. Однако, по всей видимости, подобные проблемы решаются путем создания более эффективных боевых частей и систем управления.

***

Несмотря на длительные научные и конструкторские работы, а также массу споров, условное противостояние жидкостных и твердотопливных двигателей пока не закончилось безусловной победой одного из «конкурентов». Наоборот, российские военные и инженеры пришли к взвешенному выводу. Двигатели разных типов используются в тех сферах, где могут показать наилучшие результаты. Таким образом, легкие ракеты для сухопутных мобильных комплексов и подводных лодок получают РДТТ, тогда как тяжелые ракет с шахтным пуском и сейчас, и в будущем должны комплектоваться жидкостными установками.

В существующей ситуации, с учетом имеющихся возможностей и перспектив, подобный подход выглядит наиболее логичным и удачным. Он позволяет на практике получить максимальные результаты при заметном сокращении влияния негативных факторов. Вполне возможно, что такая идеология будет сохраняться и в будущем, в том числе и с применением перспективных технологий. Это означает, что в ближайшем и в отдаленном будущем российские стратегические ядерные силы смогут получать современные межконтинентальные баллистические ракеты с максимально возможными характеристиками и боевыми качествами, прямо влияющими на эффективность сдерживания и безопасность страны.

По материалам сайтов: https://ria.ru/ https://tass.ru/ https://interfax.ru/ https://flot.com/ https://rbase.new-factoria.ru/ https://kapyar.ru/ https://missiles.ru/ https://makeyev.ru/

Американский метановый РД ВЕ-4

Ракетный двигатель ВЕ-4 (Blue Engine-4) начали создавать в 2012 году в компании Blue Origin, принадлежащей хозяину Amazon мультимиллиардеру Джеффу Безосу. В нем также применяется популярная замкнутая схема ДОГГ, а проектные параметры таковы — земная тяга 250 тс и давление в камере сгорания 132 атм. УИ не разглашается, поскольку они у данного РД сравнительно невысокие, а основная цель разработки состоит в обеспечении высокой надежности работы. Заявленная кратность использования РД ВЕ-4 — 25.

Двигатель BE-4 предназначен для применения на первой ступени собственной тяжелой ракеты Безоса New Glenn 45-тонного класса (вторая ступень — водородная) и для применения на первой ступени РН Vulcan Centaur, создаваемой на замену РН Atlas-5 с российским РД-180. Поэтому этот будущий РД играет ключевую роль в американской программа «импортозамещения» — с одной стороны, он обеспечивает независимость от поставок российских РД-180, а с другой — участвует в некой альтернативе керосиновым ракетам SpaceX. В 2022 году были построены стенды для испытаний данного РД при тяге 2200 кН, т.е. по факту это самый мощный на данный момент метановый РД

.

Ракетный двигатель BE4, топливо кислород-метан
Только что первый демонстратор BE-4 поставлен в ULA (United Launch Alliance) для проведения намеченных на 2022 год испытаний в составе РН Vulcan Centaur. Еще один РД BE-4, необходимый для первой ступени этой ракеты будет поставлен в июле. Полезной нагрузкой для дебютного старта ракеты Vulcan Centaur выступит лунный посадочный модуль Peregrine от компании Astrobotic.

Ракета-носитель Vulcan Centaur

Ракета Vulcan Centaur создается американскими ракетчиками по традиционному для них принципу «сборной солянки». Она имеет метановую первую и водородную вторую ступень, а также может использовать до 6 твердотопливных ускорителей (ТТУ). Диаметр ракеты составляет 5.4 метра, высота с обтекателем 61.2 метра, стартовая масса — от 226.3 до 546.7 тонн. Полезная РН Vulcan Centaur в зависимости от наличия и числа ТТУ составляет 10.6-27.2 тонны на низкой околоземной орбите (НОО) и 2.9-13.6 тонн на геопереходной орбите (ГПО).

Ракета-носитель Vulcan Centaur, топливо кислород-метан-водород после отделения ТТУ

На первой метановой ступени ракеты Vulcan Centaur применяется пара новых РД BE-4, а на второй водородной ступени трудится пара ветеранов американского ракетостроения — РД RL-10. Каждый ТТУ GEM-63XL от Northrop Grumman имеет массу 53.4 тонны и тягу 206.6 тонн.

Надо сказать, что создание ракет и ракетных двигателей пока не приносит доход мультимиллиардеру. Его многоразовая суборбитальная ракета Blue Shepard создавалась для туристических суборбитальных полетов и была испытана — но не совершает рейсы с пассажирами. Почему-то желающих слетать на Гавайи оказывается неизмеримо больше, чем желающих побывать на высоте 100 км в космосе. И у орбитальной программы перспективы тоже непонятно какие, поскольку ракетные проекты Безоса пока выглядят, как частное приложение к американской государственной космической программе.

По базовой ПН ~10 тонн Vulcan Centaur аналогична будущей российской метановой РН Союз-СПГ, а с навесными ТТУ будет конкурировать с тяжелой Ангарой-А5. Создатели обещают, что их детище будет дешевле «Ангары», но все дело в том, что «Ангара» сама по себе является самой дорогой в своем классе. Тем не менее, именно Vulcan Centaur собирается стать первой ракетой, которая улетит в космос на метане.

Ракета-носитель New Glenn

А также Vulcan Centaur проложит путь к созданию тяжелой частной ракеты New Glenn, в первой ступени которой будут установлены уже 7 РД BE-4 и будет реализована полноценная многоразовость. На второй водородной ступени применяется ваккумная версия РД BE-3, разработанного ранее для суборбитальной ракеты New Shepard. Ввиду большой тяговооруженности первой ступени ТТУ ускорители ракете New Glenn не потребуются. Высота ракеты составит 98 метров, диаметр — 7 метров, полезная нагрузка на НОО — 45 тонн, на ГПО — 13 тонн.

Конфигурации твердотопливных ракет

В описаниях твердотопливных ракет можно часто встретить следующее:

«Топливо для ракет состоит из перхлората аммония (окислитель, по весу – 69,6%), полимера (связующая смесь – 12,04%), алюминия (16%), оксида железа (катализатор – 0,4%) и эпоксидный отверждащий агент (1,96%). Перфорация сделана в форме 11-конечной звезды, находящейся в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, в т.ч. и конечном. Благодаря такой конфигурации при розжиге обеспечивается высокая тяга, а затем, через 50 с после старта, она уменьшается приблизительно на треть, предотвращая перенапряжение аппарата в период максимального динамического давления.

В этом плане объясняется не просто состав топлива, но и форма канала, который был пробуренный в центре топлива. Как выглядит перфорация в виде 11-конечной звезды, можете увидеть на фото:

Весь смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, и соответственно, увеличить площадь выгорания, в результате чего увеличиться тяга. По мере сгорания топлива, форма меняется к кругу. Такая форма в случае с космическим шаттлом дает серьезную изначальную тягу, которая в средине полета становится немного послабее.

Твердотопливные двигатели имеют 3 важные преимущества:

• низкая стоимость;
• простота;
• безопасность.

Хотя есть и 2 недостатка:

• двигатель нельзя отключать или запускать повторно после зажигания;

• невозможность контроля тяги.

Недостатки означают, что тип твердотопливных ракет подходит только для непродолжительных задач или систем ускорения. Если вам нужно управлять двигателем, то придется прибегнуть к системе жидкого топлива.

Raptor для Super Heavy и Starship

Метановый РД Raptor и ракета, для которой он предназначен — это самый амбициозный проект, который во многом напоминает лунную ракету H-1 Л3 С.П.Королева, но, конечно, на более высоком техническом уровне. Как в свое время НК-15, Raptor создается для получения предельных характеристик по эффективности. Это связано с необходимостью создать двухступенчатую сверхтяжелую ракету с обеими возвращаемыми ступенями

— разгонной ступени Super Heavy и орбитального космолета Starship. А цель создания системы Super Heavy/Starship состоит — ни много ни мало — в колонизации Марса! Конечно, для более близких лунных дел и на околоземных орбитах она тоже должна пригодиться.

РД замкнутой схемы с ДОГГ

РД с полной газификацией
Raptor — это ракетный двигатель с предельными характеристиками, построенный по самой сложной схеме с полной газификацией компонент. У этого РД два газогенератора и две турбины, первая из которых работает на окислительном газе c избытком кислорода, а вторая — на восстановительном газе с избытком метана. Такая схема позволяет поднять надежность по сравнению с схемой ДОГГ за счет исключения протечки газа вдоль общего вала турбины, на котором расположены насосы окислителя и горючего.

Давление в камере сгорания планируется поднять до рекордных 296 атмосфер. Целевой земной УИ составляет 330 с, УИ с высотным соплом — 380 с, что весьма близко к параметрам, обеспечиваемым водородным РД J-2 ракеты Сатурн-5. Проектная масса РД «Раптор» составляет 1500 кг, земная тяга — 2000 кН (~204 тс). В 2022 году было достигнуто давление 254 атм — это чуть выше, чем у знаменитых российских ракетных двигателях РД-180, что стало предметом особой гордости инженеров SpaceX. Тяга «Раптора» составила 172 тонны.

Для «Раптора» заявлен высокий коэффициент повторного использования — 50 и фантастические показатели экономической эффективности. Новый ракетный двигатель SpaceX должен быть в 12.5 раза дешевле вдвое более мощного и более простого по конструкции РД-180 и за счет многоразовости быть в 330 раз дешевле в эксплуатации.

Оценивая представленные SpaceX данные по цене Raptor, надо учитывать, что все ее ракетные двигатели «торгуются» только внутри самой компании — поэтому Маск может назначать им любую цену, которую считает подходящей для пиара своей космической программы и деморализации своих конкурентов.

Заметим также, что методы работы SpaceX в корне отличаются от принятой в космической отрасли широкой кооперации c переговорами о ценах. Маск ни с кем не кооперируется и, в том числе благодаря этому, может держать низкие цены на свои услуги. И раз SpaceX продает исключительно конечную услугу по полетам в космос, то «сведения» из ее внутренней бухгалтерии не имеют содержательного смысла.

Центральные РД Raptor на космолете Starship (фото SpaceX)

Сверхтяжелая ракета Super Heavy и орбитальный космолет Starship

Сверхтяжелая ракета Super Heavy (прежде — Big Falcon Rocket, BFR), имеет длину 70 метров, диаметр 9 метров и стартовую массу 3680 тонн, из которых 3400 тонн приходится на топливо. На ней планировалось установить 37 двигателей Raptor, из которых 7 центральных оснащаются системой управления вектором и величиной тяги, а 30 периферийных РД закрепляются жестко. Но последнее обновление планов в мае 2022 года предусматривает только 31 РД, из которых 7 центральных сохранят исходную тягу в 204 тонны, а тягу каждого из 24 периферийных РД решено поднять до 250 тонн. Число РД может меняться и дальше — до тех пор, пока не будет принята окончательная конструкция ракетной ступени.

Космолет Starship имеет длину 50 метров и стартовую массу 1320 тонн, из которых 1200 тонн приходится на топливо. На нем установлены 3 РД Raptor с земными соплами и 3 РД Raptor с высотными соплами. Наличие РД c земными соплами существенно, потому что космолет садится на Землю в режиме вертикального торможения двигателями. Проектная полезная нагрузка на низкой околоземной орбите составляет 100 тонн, что в 4 раза превосходит возможности американской частично многоразовой системы Space Shuttle и всех ныне существующих ракет-носителей, за исключением созданной в той же компании SpaceX ракеты Falcon Heavy. Возращаемый на Землю груз может составлять до 50 тонн. Объем грузового отсека Starship составляет 1100 куб. метров — это в 3 раза больше чем у Боинга-747 и МКС.

Считается, что появление Starship сделает МКС рудиментом уходящей эпохи одноразовых носителей. Огромный космолет является сам себе носителем и полноценной орбитальной станцией. Как летающий космический дом, он будет находиться на орбите столько времени, сколько потребуется для работы продолжительной экспедиции — а по завершению ее работы доставит свой экипаж на Землю.

Отделение Starship Crew от носителя BFR (скетч SpaceX 2022 года)
Суммарная стартовая масса системы Super Heavy/Starship составляет ровно 5000 тонн, без учета полезной нагрузки — в 2.5 раза больше, чем у Space Shuttle. Суммарная тяга всех РД на старте составляет 7428 тонн. А суммарная длина — 120 метров, что на 10 метров выше комплекса Сатурн-Аполлон. Естественно, что для столь грандиозной ракеты надо создавать специальные стартовые площадки. А для обеспечения возвращения всех ступеней на Землю принято беспрецедентное техническое решение — они делаются из тугоплавкой нержавеющей стали, поэтому блестят на Солнце, как огромные самовары и вообще походят на ракеты из наивных фантастических фильмов начала 20-го века. Теплоизоляция Starship во время входа в атмосферу будет делаться по новому методу с помощью газовой подушки из метана.

Строительство одной из стартовых площадок для Super Heavy

Из истории данного вопроса

Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.

Считается, что эти технологии попали в Европу где-то в XIII веке, их изучением занимался английский естествоиспытатель Роджер Бэкон.

Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, также он является автором идеи многоступенчатой ракеты – в трудах Хааса подробно описан механизм работы летательного аппарата, состоящего из двух ракет. Изыскания продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты так и остались на бумаге.

Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.

Примерно так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция

В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.

Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.

В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.

Вторая мировая война стала периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году на вооружение Красной армии была принята установка залпового огня БМ-13 – знаменитая «Катюша», а в 1943 – немцы начали использование баллистической Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Она была разработана под руководством Вернера фон Брауна, который позже возглавил американскую космическую программу. Германией также было освоено производство КР Фау-1 с прямоточными реактивным мотором.

Ракета Фау-2. Немцы называли ее “оружие возмездия”. Правда, оно не слишком помогло Гитлеру

После окончания войны между СССР и США началась настоящая «ракетная» гонка. Советскую программу возглавил Сергей Королев – выдающийся конструктор ракетных двигателей, именно под его руководством была создана отечественная МБР Р-7, а позже запущен первый искусственный спутник и осуществлен полет человека в космос.

В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.

Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».

Луна, Марс и далее везде

Как мы уже упоминали, конструкция и параметры Super Heavy/Starhip заставляет вспомнить неудавшийся проект С.П.Королева — лунно-марсианскую ракету H1-Л3. Та же самая исходная марсианская цель, нестандартная конструкция и аномально большое число высоконапряженных РД с предельными характеристиками. Кажется, что для достижения оптимальной надежности лучше использовать ракету полегче, как, например, уже обсуждавшуюся выше New Glenn.

Скетч двигательной установки Super Heavy
(stanley creative)
Но есть и отличия в лучшую сторону, которые позволяют рассчитывать на успех столь амбициозного проекта. Создатели H1-Л3 работали в условия тотальной спешки и нехватки средств, не имея возможности протестировать первую ступень сверхтяжелой ракеты на стенде и даже сделать контрольный прожиг ее двигательной установки на стартовой площадке. В отличие от советских инженеров 60-х годов, Маск имеет возможность многократно испытать свою многоразовую технику перед первым полетом на орбиту, в том числе путем «подскоков» в беспилотном режиме с управляемой посадкой на Землю.

В 2022 году именно так испытали уменьшенный прототип Starship — т.н. Starhopper («звездный кузнечик»). Это смешной аппарат стал первым реактивным аппаратом, который оторвался от земли на метановом горючем
! Вот так — давно уже ездим по Земле в автомобилях на метане, но в воздух поднялись — впервые!

Сейчас прототипы Starship проходят испытания, в ходе которых уже было разрушено пять аппаратов. В основном это были испытания на прочность путем накачки баков жидким азотом. В мае 2022 года была предпринята попытка первого испытательного полета Starship на высоту 150 метров, которая закончилась взрывом. Дальнейшие достижения должны быть следующими:

• Полет в космос грузового беспилотного варианта Starship Cargo
  намечен на 2022 год. К этому времени должна быть готова и испытана ракета SuperHeavy, доставляющая Starship в верхние слои атмосферы и обеспечивающая его первоначальный разгон.
• Уже в 2024 году пилотируемый Starship Crew
  планировалось задействовать в американской лунной программе Artemis.
• Под эту же лунную программу создается специальный вариант Starship для полетов между поверхностью Луны и окололунной орбитой.
• Впоследствии должен появиться Starship Tanker
  для дозаправки топливом на орбите — его дедвейт составит 150 тонн жидкого кислорода и метана, а до этого в роли заправщиков будет выступать остальные модификации Starship.

Но все эти сроки следует воспринимать с поправкой на последующую коррекцию — так, всего несколько лет назад Маск обещал полет на Марс уже в 2022 году, о чем сейчас не может быть и речи.

О надежности Starship

Орбитальная ступень Starship будет использоваться SpaceX для полетов к Луне и Марсу, а ее размеры и грузоподъемность позволяют разместить там экипаж до 100 человек. При этом, как и на «шаттле», не предусматривается система аварийного спасения, т.е. ставка снова делается на высокую надежность американской техники.

Да, американцы снова собирается наступить на те же самые шаттловские грабли! Space Shuttle, на котором в двух катастрофах погибло 14 человек, был опасной системой, но SuperHeavy/Starship выглядит не менее проблемно. Что стоит Маску сократить экипаж Starship Crew, скажем, до 50 человек, но оборудовать его катапультируемой капсулой с абляционным покрытием и парашютной системой? Неужели мы все уже переселяемся на Марс и надо отправлять туда по 100 человек за раз? На Марсе холодно, пыльно и маловоздушно, для жизни человечества надо проводить его длительное терраформирование — а до этого вполне хватит небольшой колонии.

Тем не менее, Маск намерен сделать полеты для колонизации Марса даже более дешевыми, чем полеты на околоземную орбиту. И он настаивает на том, что система аварийного спасения его будущему космолету не нужна. Наверное,.. его все-таки заставят пойти на попятную, поскольку допуск к космическим полетам человека выдается в НАСА. А вопрос о статистической надежности Starship будет проясняться во время его эксплуатации. В любом случае, надо дождаться его первых орбитальных полетов, которые могут состояться уже в середине 20-х годов.

Что касается летных испытаний «Старшипа» на Земле — то они начались в августе 2022 года. О них можно прочитать в нашем новом большом материале, который написан в завершение этой статьи: Полеты звездных кораблей в Бока-Чика

От космолетов к космическим автомобилям

Мы рассмотрели три линии по созданию метановых космических ракет будущего, две из которых осуществляются уже сейчас, а третья — Союз-СПГ намечена для разработки в 20-е годы.

Будущее российского проекта зависит от многих факторов. Его размерность, выбранная по принципу «design to cost» попадает в наиболее востребованную нишу на рынке пусковых услуг, а полноценная многоразовость первой ступени придает суперконкурентные свойства. К сожалению, именно эта суперконкурентность делает Союз-СПГ весьма нежелательным гостем на мировом и внутреннем рынке. Судьба подобных проектов бывает очень непростой.

Не следует думать и о том, что у американских проектов все «долларом намазано». Свои специфические проблемы есть и в «системном» проекте Blue Origin, и во внесистемном проекте SpaceX. Тем не менее, ралли метановых проектов близится к своему завершению и неизбежному переформатированию работы космической отрасли — которое можно отсрочить в интересах отставших от жизни участников рынка, но нельзя отменить.

Заявленные характеристики метановых ракетных двигателей и будущих метановых ракет собраны нами в сводных таблицах.

Метановые РД

Метановые РН

В будущем автомобильная и космическая техника будут работать на одном и том же топливе — СПГ. Здесь сходятся воедино требования экологической чистоты и экономической эффективности. Вероятно, что многоразовые метановые ракеты проторят дорогу для создания частной космической техники. Например, Starship по своей грузоподъемности можно считать огромным космическим «БелАЗом», только без колес. Есть проекты куда меньшего масштабы, например, Крыло-СВ с крыльями и колесами для посадки на аэродром. Еще больше могут походить на автомобили лунные лэндеры-квадроциклы, о которых мы тоже напишем.

В общем, Маск недаром запустил свою «Теслу» к орбите Марсу. Шальная выхода миллиардера является намеком о том, куда движется мир. Вслед за нынешними летающими автомобилями когда-нибудь появятся — космические автомобили, как практичная техника для полетов в космос.

Сокращения:

РН — ракета-носитель РД — ракетный двигатель УИ – удельный импульс ПН — полезная нагрузка КС — конструктивное совершенство ТНА — турбонасосный агрегат ДОГГ — дожигание окислительного генераторного газа ТТУ — твердотопливный ускоритель

С другими статьями Автомалиновки по освоению космоса можно познакомиться здесь: Беспилотный космический грузовик от ГРЦ Макеева — проект КОРОНА Автомобили будущего сегодня и какими они будут: электромобиль-планетоход Американское прошлое и российское будущее космодрома «Морской старт» Космические гонки XX и XXI века, часть 1: полет Гагарина Космические гонки XX и XXI века, часть 2: несбывшаяся мечта Королева Космические гонки XX и XXI века, часть 3: лунные автоматы СССР Космические гонки XX и XXI века, часть 4: лунные экспедиции Америки Космические гонки XX и XXI века, часть 5: время крылатых гигантов Космические гонки XX и XXI века, часть 6: возвращение на Луну Космические гонки XX и XXI века, часть 7: сверхтяжелые ракеты России Космические гонки XX и XXI века, часть 8: частный космос Илона Маска

Все материалы на космическую тематику

См. также

• Маршевый двигатель
• Разгонный двигатель