Ar „SpaceX“ ir „Blue Origin“ gali būti geriausios dešimtmečių senumo rusiškos raketos variklio konstrukcijos?

Kylančios raketos nuotrauka Billas INgallsas / NASA

Likus valandai iki saulėlydžio 2000 m. gegužės 24 d., Kanaveralo kyšulio oro pajėgų stotyje iš 36 paleidimo komplekso pakilo neįprasta raketa. Kaip ir dauguma raketų, „Atlas 3“ savo konstrukciją paveldėjo iš tarpžemyninės balistinės raketos – šiuo atveju iš pirmosios tokios raketos Amerikoje, sukurtos grasinti Sovietų Sąjungai branduoliniu sunaikinimu. Tai nebuvo neįprasta. Tačiau raketa turėjo naują pirmąją pakopą, kuri buvo žymiai galingesnė už tas, kurias ji pakeitė. RD-180, kaip vadinamas variklis, buvo pagamintas NPO Energomash gamykloje už Maskvos. Santuokoje, kuri kosminių lenktynių įkarštyje būtų buvę neįsivaizduojama, rusiškas variklis varė amerikietišką raketą.

Per du dešimtmečius iš Floridos pakilo dar 83 tokios raketos.

Ši istorija buvo mūsų 2019 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

„Atlas 3“ ir jo įpėdiniame „Atlas 5“ RD-180 į orbitą išskraidino mažiausiai 16 amerikiečių šnipų palydovų, taip pat 13 karinių ryšių palydovų, pusšimtį GPS palydovų, du karinius orų palydovus ir tris perspėjimo apie raketas palydovus. , skirtas aptikti raketų paleidimus, be kitų šalių, kur jis buvo pastatytas. Jis pradėjo keturias Amerikos Marso misijas. NASA „New Horizons“ paleido į Plutoną 2006 m., o „Juno“ į Jupiterį 2011 m. buvo atlikta RD-180 gale.

RD-180 yra nepaprastas ne tik dėl geopolitinių ypatumų, kai jis išpopuliarėjo, bet ir dėl to, kad daugeliu atžvilgių jis buvo tiesiog geriau nei bet kuris kitas to meto raketinis variklis. Kai 2019 m. vasarį Elonas Muskas paskelbė apie sėkmingą SpaceX Raptor variklio, skirto varyti bendrovės naujos kartos raketą Starship, bandymą, jis gyrėsi aukštu slėgiu, pasiektu Raptor traukos kameroje: daugiau nei 265 kartus viršijantį atmosferos slėgį jūroje. lygiu. Jis socialiniame tinkle „Twitter“ pareiškė, kad „Raptor“ viršijo rekordą, kurį kelis dešimtmečius turėjo nuostabus rusiškas RD-180.

2014 m. Rusijai aneksavus Krymą, RD-180, kaip pagrindinės Amerikos raketos, dienos buvo suskaičiuotos. Gynybos vanagai jau seniai jautėsi nepatogūs dėl susitarimo, tačiau variklis buvo labai geras ir, atsižvelgiant į jo galimybes, pigus – ir taip išliko. Tačiau pašlijus santykiams su Rusija, Kongreso variklio priešininkams, vadovaujamiems senatoriaus Johno McCaino, po 2022 m. pabaigos pavyko priimti draudimą naudoti variklį amerikiečių raketose. Dėl to oro pajėgos buvo priverstos ieškoti naujos raketos. RD-180 varomas Atlas 5.

Visa tai kelia klausimą: kaip dešimtmečius senumo rusiškas variklis tapo ta juosta, su kuria matuojasi geriausi Amerikos raketų mokslininkai?

Jei norite suprasti, dėl ko RD-180 buvo toks geras variklis, tai padės suprasti, kad čia yra daug amato. Nors šimtai žmonių bendradarbiauja kurdami raketų variklius, labai svarbu, kad būtų atsakingas žmogus, turintis instinktą už gerą dizainą: kompromisai yra pernelyg sudėtingi, kad juos būtų galima išsiaiškinti grubia jėga ar komitetu. RD-180 atveju tas kažkas buvo pavadintas Valentinu Gluško.

Pasak aviacijos inžinieriaus ir Rusijos kosmoso istoriko Vadimo Lukaševičiaus, SSRS pralaimėjus Amerikai lenktynėse į Mėnulį, geriausio įmanomo raketinio variklio projektavimas tapo nacionaliniu prioritetu. Sovietų lyderiai norėjo sukurti galingiausią pasaulyje raketą „Energija“, kad išlaikytų savo kosmines stotis Žemės orbitoje ir pakeltų „Buran“ – galimą Rusijos erdvėlaivį. Gluško buvo duoti ištekliai sukurti geriausią įmanomą variklį, be to, jis puikiai kūrė variklius. Rezultatas buvo RD-170, vyresnysis RD-180 brolis.

Rusiškas RD-180 variklis varė daugybę „Atlas V“ paleidimo, kai kurie gabeno palydovus, skirtus šnipinėti, be kitų šalių, tą, kurioje jis buvo pastatytas. Craigas F. Walkeris

RD-170 buvo vienas iš pirmųjų raketų variklių, naudojusių techniką, vadinamą pakopiniu degimu. Kitas buvo JAV erdvėlaivio pagrindinis variklis, taip pat sukurtas aštuntajame dešimtmetyje. Priešingai, F-1 varikliai pirmajame raketos „Saturn V“, paleidusios „Apollo“ į Mėnulį, pakopoje buvo senesnės, paprastesnės konstrukcijos, vadinamos dujų generatoriaus varikliu. Pagrindinis skirtumas: pakopinio degimo varikliai gali būti efektyvesni, tačiau jiems kyla didesnė sprogimo rizika. Kaip aiškina Williamas Andersonas, Purdue universitete studijuojantis skystojo kuro raketų variklius, energijos išsiskyrimo greitis yra tiesiog ekstremalus. Andersonas sako, kad norint suprasti beprotiškus dalykus, vykstančius raketų variklių degimo kamerose, reikia tikrai protingos vaizduotės. Rusijoje tas sumanus žmogus buvo Gluško.

„Į šaudyklą buvo investuota tiek daug, kad niekas NASA nenorėjo kalbėti apie deguonies turtingo pakopinio degimo variklio kūrimą... Deguonis sudegins daugumą dalykų, jei suteiksite kibirkštį.

Kad suprastume, kodėl Glushko varikliai buvo toks inžinerinis laimėjimas, turime šiek tiek pasisemti technikos.

Yra du pagrindiniai raketos veikimo matai: trauka arba raketos daromos jėgos dydis ir specifinis impulsas, matas, kaip efektyviai ji naudoja raketą. Didelės traukos, bet mažo specifinio impulso raketa nepasieks orbitos – ji turėtų nešti tiek degalų, kad dėl degalų svorio prireiktų daugiau degalų ir pan. Ir atvirkščiai, raketa, turinti didelį specifinį impulsą, bet mažą trauką, niekada nepaliks žemės. (Tokios raketos puikiai veikia erdvėje, kur pakanka pastovaus stūmimo.)

Raketos variklis, panašiai kaip orlaivio reaktyvinis variklis, degina degalus kartu su oksidatoriumi (dažnai deguonimi), kad susidarytų karštos dujos, kurios plečiasi žemyn ir iš variklio antgalio, pagreitindamos variklį į kitą pusę. Skirtingai nuo reaktyvinių variklių, kurie deguonį gauna iš aplinkinio oro, raketos turi nešti savo deguonį (ar kitą oksidatorių), nes kosmose, žinoma, jo nėra. Kaip ir purkštukams, raketoms reikia būdo, kad kurą ir deguonį į degimo kamerą esant aukštam slėgiui būtų galima nukreipti; Jei visa kita yra vienoda, didesnis slėgis reiškia geresnį našumą. Norėdami tai padaryti, raketos naudoja turbopumpus, kurie sukasi šimtais apsisukimų per sekundę. Turbosiurblius varo turbinos, o jie, savo ruožtu, yra varomi pirminiais degikliais, kurie taip pat sudegina dalį kuro ir deguonies.

Esminis skirtumas tarp pakopinio degimo variklių, tokių kaip RD-180, ir dujų generatorių, tokių kaip Saturn's F-1, slypi tame, kas atsitinka su išmetamosiomis dujomis iš tų pirminių degiklių. Dujų generatorių varikliai išmeta jį už borto, o pakopinio degimo varikliai vėl įpurškia jį į pagrindinę degimo kamerą. Viena iš priežasčių, kodėl tai daroma, yra ta, kad išmetamosiose dujose yra nepanaudoto kuro ir deguonies – pirminiai degikliai negali sudeginti viso. Jo išmetimas yra atliekos, o tai svarbu raketoje, kuri taip pat turi pakelti kiekvieną svarą degalų ir deguonies, kurį ji ketina panaudoti. Tačiau pakartotinai įpurškus išmetamąsias dujas, reikia subtiliai subalansuoti atitinkamą slėgį ir srautą, kad varikliai nesprogtų. Kad jis veiktų, reikia visos serijos turbosiurblių. Ekspertų komandoms paprastai reikia dešimtmečio ar daugiau modeliavimo ir bandymų, kad išsiaiškintų, kaip tai padaryti teisingai.

RD-170 ir RD-180 turi dar vieną pranašumą. Juose gausu deguonies, o tai reiškia būtent taip, kaip skamba: jie į sistemą įpurškia papildomo deguonies. (Priešingai, pagrindinis erdvėlaivio variklis yra variklis, kuriame daug kuro.) Deguonies turintys varikliai paprastai dega švariau ir lengviau užsidega. Jie taip pat užtikrina didesnį degimo kameros slėgį, taigi ir didesnį našumą, tačiau jie yra labiau linkę sprogti, todėl dešimtmečius nebuvo stengiamasi, kad jie veiktų JAV. Į šaudyklą buvo investuota tiek daug, kad niekas NASA nenorėjo kalbėti apie deguonies turtingo pakopinio degimo variklio kūrimą, sako Andersonas. Deguonis sudegins daugumą dalykų, jei suteiksite kibirkštį. Tam reikia labai atsargiai naudoti medžiagas, naudojamas varikliui gaminti, ir dar labiau stengtis, kad į jį nepatektų pašalinių medžiagų, pavyzdžiui, metalo nuolaužų. Kuo daugiau sužinome apie fiziką to, kas vyksta degimo kameroje, tuo labiau suprantame, kokia ji netvirta, sako Andersonas.

Jei RD-170 buvo neabejotinai geriausias savo kartos raketinis variklis, pagrindinis erdvėlaivio variklis, be abejo, buvo antras geriausias (ir jį pagaminti buvo daug brangiau). Nei vienas, nei kitas neišnaudojo savo potencialo. Erdvėlaivio variklis buvo įstrigęs transporto priemonės citrina, kuri buvo daug sudėtingesnė, nei tikėjosi jo dizaineriai. Kita vertus, RD-170 skrido tik du kartus: vieną kartą 1987 m. ir 1988 m. Nors jo kūrimas buvo nacionalinis prioritetas, kol Gluško įrodė, kad jis veikia, Sovietų Sąjunga netrukus subyrėjo.

Dešimtasis dešimtmetis Rusijoje buvo neramus laikas, ypač kosmoso programai. Siekdamos išgyventi be vyriausybės finansavimo, naujai privatizuotos aviacijos ir kosmoso įmonės pasuko į komercinę rinką.

Tada Jimas Sackettas, inžinierius, dirbęs „Lockheed“ NASA Džonsono kosmoso centre Hiustone, persikėlė į Maskvą. „Lockheed“ susidomėjo deguonies prisotinto pakopinio degimo būdu, kad būtų galima varyti naujos kartos „Atlas“ raketas, su kuriomis ji planavo konkuruoti dėl oro pajėgų ir NASA sutarčių.

Sackettas, kuris buvo paskirtas vadovauti „Lockheed“ biurui Maskvoje, buvo paprašytas susisiekti su „Energomash“, posovietine kosmoso pramonės įmone, kuriai priklausė RD-170 ir susijusi variklio technologija. Energomash entuziastingai pasveikino Lockheed susidomėjimą. Tačiau RD-170 buvo per galingas: Atlas raketos, kurias Lockheed norėjo pasiųsti į kosmosą, buvo žymiai mažesnės nei 'Energija', kuriai buvo sukurtas RD-170. Taigi „Energomash“ iš esmės sumažino variklį per pusę – įmonė parengė pasiūlymą dėl keturių kamerų RD-170 dviejų kamerų darinio, kuris galėtų būti naudojamas Atlas. Taip gimė RD-180.

Santykiams reikėjo didžiulės Rusijos ir Amerikos karinių pramonės rangovų integracijos. „Lockheed“ įkūrė biurą „Energomash“, esančiame Maskvos priemiestyje. Tai buvo didžiulė operacija, prisimena Sackettas. Jie ten turi metalurgijos gamyklą, todėl jie patys kaldina metalus, sako jis. Jie turi visas savo mašinų dirbtuves, visas savo bandymų patalpas. Tai daug dalykų, viskas po vienu stogu. Ir galiausiai visa tai virsta raketų varikliu.

Prireikė maždaug metų kasdienių, nuodugnių techninių susitikimų tarp Sackett'o komandos ir Energomash vadovų bei inžinierių, kad suprastų, ar pasiūlyti RD-180 variklių pirkimai pasiteisins, ar ne. „Lockheed“ norėjo nedidelio, neįsipareigojimo sandorio. „Energomash“ laikėsi ilgalaikio susitarimo. Sutartis buvo pasirašyta pasibaigus šešių valandų maratonui 1996 m., sako Sackettas. Rezultatas: 101 variklio, milijardo dolerių sandoris.

JAV oro pajėgos, pagrindinis „Lockheed“ klientas, pareikalavo prieigos prie 10 pagrindinių technologijų, reikalingų RD-180 gamybai, jei santykiai su Rusija kada nors nutrūktų ir Amerika turėtų pati gaminti variklius. Tai buvo didelis prašymas. JAV ieškojo sovietinės kosmoso technologijų karūnos brangakmenio, o Rusijos vyriausybė nebuvo sužavėta. Tačiau jie nematė jokios alternatyvos, sako Sackett, nes šalis ne tik pasikeitė, bet ir žlugo. Jie tiesiog sugedo. Taip jie išgelbėjo įmonę.

Nors daugiau dėmesio buvo skirta Amerikos ir Rusijos bendradarbiavimui Tarptautinėje kosminėje stotyje, daugeliu atžvilgių RD-180 bendradarbiavimas buvo gilesnis. Juk kosminė stotis nėra itin svarbi nė vienos šalies nacionaliniam saugumui, o žvalgybos ir ryšio palydovai – labai svarbūs.

Dabar, kai santykiai tarp dviejų šalių pašlijo, Sackett teigia, kad JAV galėtų tiesiog gaminti RD-180 savo šalyje. Variklio kritikai sako, kad tai padaryti būtų astronomiškai brangu. Tačiau kaina neturėtų būti astronominė! Sackett sako. Čia yra protingų žmonių ir turime receptą! Būtent todėl nustatėme ir derėjomės dėl tų 10 pagrindinių gamybos technologijų, kad galėtume paimti brėžinius ir užrašus, o tada juos kurti.

Tikėtina, kad tai neįvyks iš dalies todėl, kad po dešimtmečius trukusios stagnacijos Amerikos kompanijos pagaliau kuria variklius, kurie gali būti geresni už RD-180.

Variklio veikimas turi didelę įtaką virš jo esančios raketos konstrukcijai. Taigi, kai Kongresas įpareigojo oro pajėgas nebenaudoti RD-180, tai išprovokavo konkurenciją ne tik dėl naujo variklio, bet ir dėl visiškai naujos raketos. Toks konkursas buvo neišvengiamas – juk dizainai netrunka amžinai. Tačiau kadangi naujų variklių ir raketų projektavimas yra brangus ir atima daug laiko, perėjimo laikas visada yra politiškai ginčytinas. Kongreso įgaliotas RD-180 draudimas privertė išspręsti šią problemą.

Yra keturi rimti pretendentai sukurti tą naują raketą: „SpaceX“, „Blue Origin“, „United Launch Alliance“ (bendra „Boeing“ ir „Lockheed Martin“ įmonė, žinoma inicialais ULA) ir „Northrop Grumman“. Du iš jų bus atrinkti remiantis teorija, kad turint du laimėtojus atsiranda nuolatinė konkurencija, o įvardijus vieną atsirastų monopolija, kuri vėliau galėtų apsisukti ir sunaikinti oro pajėgas. Tūkstančiai darbo vietų yra pavojuje: jei ULA praras, ji gali išnykti.

Pirmasis „Blue Origin“ variklio BE-4 bandymas įvyko 2017 m. spalį. 2019 m. pradžioje „Blue Origin“ įsiveržė į Alabamos gamyklą, kur planuoja pagaminti šimtus variklių. Mandagumo vaizdas

„New Glenn“, „Blue Origin“ dalyvavimas konkurse, naudoja BE-4, naujausią ir galingiausią „Blue Origin“ variklį. (Kaip ir ULA raketa – abi įmonės vienu metu yra konkurentės ir verslo partneriai.) RD-180 labai svarbiais būdais informuoja ir BE-4, ir SpaceX Raptor dizainą. BE-4 yra deguonies turintis pakopinio degimo variklis, kaip ir RD-170 ir RD-180. Tuo tarpu „Raptor“ primena RD-180 tuo, kad į degimo kamerą tiekia degiklio išmetamąsias dujas – taip užtikrinama, kad beveik visas raketos bakuose sukauptas kuras ir oksidatorius būtų naudojami traukai generuoti. Tačiau „Raptor“ remiasi Glushko metodo patobulinimu: tiek daug degalų, tiek oksidatorių turintys srautai maitina jo turbosiurblius – teoriškai tai užtikrina maksimalų efektyvumą.

Pirmasis bandomasis „SpaceX“ variklio „Raptor“ paleidimas 2016 m. Anksčiau šiais metais Elonas Muskas gyrėsi „Twitter“, kai „Raptor“ pirmą kartą viršijo RD-180 kameros slėgį. Mandagumo vaizdas

Tam tikra prasme BE-4 ir Raptor yra tarsi bandymas sukurti geresnį smuiką nei Stradivarius, naudojant šiuolaikinius metodus. „Blue Origin“ ir „SpaceX“ turi prieigą prie geresnės diagnostikos ir sudėtingesnių modeliavimo metodų nei Glushko. Jie taip pat turi kitą dizaino ypatybę, svarbią Amerikos oro pajėgoms: jie pagaminti JAV.

Galbūt didžiausias šių naujų variklių techninis pranašumas, palyginti su RD-180, yra tai, kad jie naudoja metaną kaip kurą, o ne žibalą, kaip tai daro RD-180. Po pakartotinio naudojimo žibalas gali sugadinti variklio darbą. Metanas turi didesnį specifinį impulsą ir dega švariau. Taip pat daug lengviau (iš principo) susintetinti Marse, ką Muskas ir siekia padaryti.

Nė vienas naujas variklis dar nepasiekė orbitos. „SpaceX“ šią vasarą planuoja bandomuosius savo raketos „Starhopper“, kuri galiausiai bus varoma trimis „Raptors“, skrydžius. Šie skrydžiai bus trumpi šuoliai, keli tūkstančiai pėdų ore virš „SpaceX“ bandymų aikštelės Teksase. „Blue Origin“ taip pat bando BE-4 Teksase ir pradėjo statyti gamyklą Alabamoje, kurioje gamins variklius. Ji iš oro pajėgų išsinuomojo 36 paleidimo kompleksą, kuriame RD-180 pirmą kartą pakilo, ir planuoja 2021 m. ten paleisti „New Glenn“.

Tuo tarpu „Energomash“ desperatiškai tikisi, kad Rusijos kosminė programa vėl pradės naudoti savo variklius. Maždaug 90 % jos produkcijos pastaraisiais metais buvo nukreipta į JAV, sako Rusijos kosmoso pramonės analitikas Pavelas Luzinas. Kaip ir amerikiečių kolegos, „Energomash“ dabar rizikuoja, kad Muskas ir Bezosas pasens – jie, laisvi nuo senų projektavimo suvaržymų ir noro leisti pinigus bei rizikuoti, pagaliau išjudino raketų variklių dizainą iš dešimtmečius trukusios sąstingio.

Matthew Bodneris yra žurnalistas iš Maskvos, rašantis apie kosmosą ir kariuomenę.

paslėpti