Лонгрид: Могут ли SpaceX и Blue Origin превзойти РД-180?

Это перевод лонгрида издания MIT Technology Review о самом известном российском ракетном двигателе. Изначально он был опубликован на сайте нашего проекта в раннем доступе для спонсоров, поддерживающих «Альфа Центавра» на Patreon.

За час до заката 24 мая 2000 года со стартового комплекса номер 36 на мысе Канаверал в космос отправилась необычная ракета. Как и большинство ракет, Атлас-3 унаследовала свои конструкционные особенности от межконтинентальных баллистических ракет – тех, которые создавались для того, чтобы США могли угрожать СССР, своему противнику времен Холодной войны. В этом, собственно, ничего необычного нет. А вот необычно здесь вот что: первая ступень Атлас-3 была значительно более мощной, чем у ее предшественниц. РД-180 – именно так назывался установленный на ней двигатель. Он был разработан на заводе НПО Энергомаш под Москвой. Это союз, который был невообразим во времена космической гонки – российский двигатель приводит в движение американскую ракету.

За последние два десятилетия с побережья Флориды взлетело ещё 83 таких носителя.

Устанавливаемый на ракете Атлас-3 (и её преемнице, Атлас-5), РД-180 доставил на орбиту по меньшей мере 16 американских спутников-шпионов и 13 военных спутников связи, а также полдюжины спутников GPS и два военных метеорологических аппарата. Добавим сюда ещё три спутника, единственной задачей которых было предупреждение ракетного нападения – они наблюдали в том числе и за той страной, где был построен запустивший их двигатель. С помощью РД-180 были отправлены четыре американские миссии на Марс. Запуск аппаратов NASA «Новые горизонты» к Плутону в 2006 году и «Юнона» к Юпитеру в 2011 году также были совершены при помощи РД-180.

Этот двигатель примечателен не только с политической точки зрения. Он интересен еще и тем, что во многих отношениях это просто лучший двигатель своего времени. Когда в феврале 2019 года Илон Маск объявил об успешном испытании двигателя Raptor для ракет нового поколения Starship, он похвастался высоким показателем давления в камере сгорания, которое превысило 265 атмосфер. Raptor побил рекорд, которые долгое время удерживался, по выражению Илона, «потрясающим российским РД-180».

Но после аннексии Крыма Россией в 2014 году дни, когда РД-180 был одним из ключевых элементов для американского ракетостроения, были сочтены. «Ястребам» (сторонникам эскалации в политических дискуссиях на военную тематику) изначально двигатель был не по нраву, но он оказался очень хорош, а также, что немаловажно, дёшев — по этим причинам и остался. Но из-за ухудшения отношений с Россией в Конгрессе США проголосовали (300 голосов «за», 119 — «против») за запрет на использование двигателя после 2022 года. Это сподвигло ВВС США к поиску нового носителя, который повторил бы успехи Атлас-5 с РД-180.

Всё вышеперечисленное поднимает вопрос: как российский двигатель с многолетней историей смог так высоко задрать планку для американских ракетостроителей?

Если вы хотите понять, что сделало РД-180 таким хорошим двигателем, то просто запомните одно ключевое слово — мастерство. В разработке этих технических средств участвуют сотни людей, но для того, чтобы получить шедевр, жизненно необходимо иметь на производстве человека, который понимает процессы, происходящие в двигателях на ином, нежели остальные, уровне. Компромиссы в этом деле слишком сложны, чтобы решать их методом перебора или сообща. В случае с РД-180 этим человеком стал Валентин Глушко.

По словам аэрокосмического инженера и историка космонавтики Вадима Лукашевича, после того, как СССР проиграл США «лунную гонку», проектирование наилучшего из возможных двигателей стало «национальным приоритетом страны». Советские лидеры хотели построить самую мощную ракету в мире («Энергия»), дабы с помощью неё поддерживать существование свои космических станций, а также запускать в космос свою версию Спейс-Шаттла, «Буран». Глушко предоставили большие ресурсы для создания лучшего двигателя из возможных. Результатом стало появление на свет РД-170 — старшего брата РД-180.

РД-170 был одним из первых двигателей, использующих закрытый цикл. Разработанный в 70-х двигатель для космического «Шаттла» строился на чуть иных принципах. А двигатели F-1, которые приводили в движение ракету «Сатурн-5», работали по ещё более упрощённой схеме, называемой открытым циклом. Ключевое различие между двигателями с открытым и закрытым циклом состоит в том, что хотя вторые и более эффективны, но они также имеют большую склонность взрываться. Как объясняет Уильям Андерсон, изучающий жидкостные ракетные двигатели в Университете Пердью, «скорость выделения энергии достигает экстремальных значений». Для того, чтобы понять процессы, происходящие в камере сгорания двигателя, необходимо обладать по-настоящему живым воображением — таким, которым обладал Глушко.

Немного углубимся в технические детали, дабы понять, почему двигатели, созданные под руководством Глушко, так хороши.

Существуют два ключевых показателя эффективности ракетного двигателя: тяга и импульс. Всё как у автомобилей: мощность двигателя и расход топлива. Ракета, у которой двигатель имеет высокую тягу, но малый удельный импульс, попросту не достигнет орбиты: расход будет настолько высок, что для того, чтобы достичь её, потребуется огромная масса топлива, которая увеличит массу ракеты, которая увеличит расход. И так далее. Ракета, у которой двигатель имеет низкую тягу, но высокий удельный импульс, также не достигнет орбиты (зато аппараты с такими двигателями хорошо работают в открытом космосе). Ракетный двигатель сжигает запасенные в топливных баках горючее и окислитель, а получившаяся смесь газов толкает ракету в направлении, противоположном направлению выброса. В отличие от самолетов с реактивными авиационными двигателями, которые могут получать кислород из окружающего воздуха, ракеты должны нести весь окислитель с собой, потому что в космосе его, разумеется, нет. И, как и реактивным авиационным двигателям, ракетным необходим способ нагнетания топлива в камеру сгорания, чтобы обеспечить высокое давление, которое при прочих равных означает более высокую эффективность. Для этого в ракетных движках установлены турбонасосные агрегаты. Насосы агрегата приводятся в движение турбинами, которые в свою очередь, приводятся в движение газогенератором.

Принципиальное различие между двигателями закрытого цикла (вроде РД-180) и двигателями открытого цикла (вроде F-1) состоит в том, куда направлен выхлоп газогенератора. Выхлоп газогенератора в двигателях открытого цикла просто сбрасывается за борт; в двигателях закрытого цикла — возвращается в камеру сгорания. Одна из причин того, почему это так выгодно делать, состоит в том, что в выхлопе газогенератора содержится некоторое количество несгоревшего окислителя и горючего. Зачем же выбрасывать такие полезные для ракеты вещи? Для нее ценен каждый грамм топлива. Но чтобы вернуть выхлоп газогенератора в камеру сгорания нужно точно подстраивать значения давления и скорости потока вещества, дабы не произошел взрыв. Чтобы это сработало требуется целый ряд турбонасосов. Целым группам специалистов требуются десятилетия, дабы понять, как всё сделать правильно.

У РД-170 и РД-180 есть еще одно преимущество. Они работают с избытком окислителя — это означает, что в систему вводится дополнительный кислород. У двигателей работающих с избытком окислителя (или двигателей с окислительным газогенератором) имеется склонность к более легкому процессу зажигания и более чистому выделению продуктов сгорания. У них также наблюдается большее значение давления в камере сгорания. Но они и более «взрывоопасны» — поэтому не было никаких серьёзных попыток собрать их в США. Сборка такого двигателя требует большой осторожности с выбором материалов, так как кислород обеспечивает горение при очень высоких температурах, что может попросту расплавить компоненты двигателя. Ещё большая осторожность требуется в том, чтобы не допустить попадания в камеру сгорания частичек металлического мусора.

Если РД-170 — это лучший двигатель своего поколения, то второе место стоит отдать RS-25 (причем его производство обходилось гораздо дороже). Но ни один из них не раскрыл свой потенциал. РД-170 летал лишь дважды — и к тому времени, когда Глушко доказал работоспособность двигателя, Советский Союз был уже на грани распада.

1990-е годы были неспокойным временем для России. Особенно для космической отрасли. Чтобы выжить без государственного финансирования, приватизированные аэрокосмические компании обратились в сторону коммерческого рынка. Именно тогда Джим Сакетт, инженер, работавший на Lockheed Martin в Космическом центре NASA имени Джонсона, переехал в Москву. Lockheed заинтересовался использованием закрытого цикла с окислительным газогенератором для своих ракет следующего поколения «Атлас», с которыми он планировал конкурировать за контракты ВВС и NASA. Сакетт, который был назначен главой московского офиса Lockheed, сотрудничал с предприятием «Энергомаш». «Энергомаш» приобрёл РД-170 и связанные с ним технологии двигателестроения и с энтузиазмом приветствовал интерес Lockheed Martin.

Но РД-170 был слишком мощным: ракеты «Атлас» были значительно меньше, чем «Энергия». Так что «Энергомаш» попросту взял и «разрезал» двигатель РД-170 пополам — четырехкамерный РД-170 превратился в двигатель, который можно было бы использовать на «Атласе». Этот процесс и можно назвать рождением РД-180.

Отношения требовали плотной интеграции между российскими и американскими военно-промышленными подрядчиками. Компания Lockheed Martin открыла свой офис на территории «Энергомаша». Вот что вспоминает об этом предприятии Джим Сакетт:

Ежегодно проводились встречи команды Сакетта с руководителями и инженерами «Энергомаша», на которых обсуждались технические подробности сотрудничества. Lockheed хотел заключить небольшую сделку без серьезных обязательств. «Энергомаш» надеялся на долгосрочную договоренность. По словам Сакетта, контракт был подписан по истечению шестичасовых переговоров в 1996 году. Результат: сделка на 101 двигатель. Миллиардный договор.

Военно-воздушные силы США (основной клиент Lockheed) требовали доступа к десяти ключевым технологиям, необходимым для производства РД-180, на случай, если отношения с Россией когда-либо испортятся, и Америке придется создавать двигатели самостоятельно. Это была непростая просьба. США хотели заполучить жемчужину советских космических технологий, а российскому правительству не было до этого большого дела. «Они не видели никакой альтернативы», — говорит Сакетт. «В стране не просто изменилось общественное мнение — страна была разорена. Они просто обанкротились. Так они спасли свое предприятие».

Несмотря на то, что больше всего внимания было уделено американо-российскому сотрудничеству на Международной космической станции, во многих отношениях сотрудничество стран углубилось благодаря РД-180. В конце концов, космическая станция не имеет решающего значения для национальной безопасности страны, в то время как спутники разведки и связи имеют.

Теперь же, когда отношения между двумя странами ухудшились, утверждает Сэкетт, США могли бы просто производить РД-180 самостоятельно внутри страны. Критики этого двигателя говорят, что это было бы астрономически дорого. «Но цена не должна быть астрономической!» — говорит Сакетт. «У нас здесь умные люди, и у нас есть рецепт! Именно поэтому мы определили и согласовали эти десять ключевых технологий для производства — чтобы мы могли взять чертежи и записи, а затем приступить к созданию двигателей».

Но это вряд ли произойдет, отчасти потому, что после десятилетий застоя американские компании наконец-то начали работать над двигателями, которые могут быть лучше, чем РД-180.

Характеристики двигателя оказывают глубокое влияние на конструкцию ракеты, которую он приводит в движение. Поэтому, когда Конгресс обязал ВВС прекратить использование РД-180, это вызвало конкуренцию не только за новый двигатель, но и за совершенно новую ракету. Такая конкуренция была неизбежна, в конце концов двигатели не вечны. Но поскольку разработка новых двигателей и ракет является дорогостоящей операцией и отнимает много времени, выбор перехода на собственные двигатели был политически спорным. Принятый Конгрессом запрет на РД-180 вызвал проблему.

Есть четыре серьезных претендента на создание новой ракеты: SpaceX, Blue Origin, Northrop Grumman и United Launch Alliance (совместное предприятие Boeing и Lockheed Martin, более известное как ULA). Из четверых будут выбраны двое — это исходит из того, что наличие двух компаний обеспечит постоянную конкуренцию. А если выбрать лишь одного, то это приведет к монополии, которая затем может обернуться против ВВС США.

New Glenn — участник от Blue Origin в этом конкурсе — использует BE-4. Это новейший и самый мощный двигатель компании. Проекты BE-4 и SpaceX Raptor во многом похожи на РД-180. BE-4 — это двигатель замкнутого цикла с окислительным газогенератором. Также как РД-170 и РД-180. А Raptor напоминает РД-180 тем, что он подает отработанное газогенератором топливо обратно в камеру сгорания, используя практически все топливо и окислитель, что есть в баках ракеты. Однако в работе двигателя Raptor есть поправка к подходу Глушко: это двигатель с полной газификацией компонентов топлива (подробнее читайте в нашем переводе материала Тима Додда про Raptor), что теоретически приводит к максимально доступной эффективности.

В некотором смысле BE-4 и Raptor — это попытка создать скрипку лучше, чем у Страдивари, используя современные методы. Blue Origin и SpaceX имеют доступ к лучшей диагностике и более сложным методам моделирования, чем Глушко. У них также есть другая особенность, так важная для американских ВВС: они сделаны в США.

Возможно, самое большое техническое преимущество этих новых двигателей перед РД-180 состоит в том, что они используют в качестве топлива метан, а не керосин. Керосин может плохо влиять на работу двигателя после многократного использования. Метан же обладает более высоким удельным импульсом и продукты его горения чище. Также его гораздо легче синтезировать на Марсе, а именно таковы стремления Илона Маска.

Ни один из этих двигателей еще не достиг орбиты. Этим летом SpaceX планирует испытательные полеты прототипа своей новой ракеты Starship под названием Starhopper (материал был написан весной, сейчас нас ждут испытания уже самой Starship. «Водонапорная башня» совершила свой прыжок на 150 метров — съемка с дрона прилагается — прим.пер.) Blue Origin также проводит испытания BE-4 в Техасе и начала строительство завода в Алабаме, где будет производить свои двигатели. Компания арендовала стартовый комплекс LC-36 (откуда РД-180 впервые отправился в космос) у ВВС и планирует запустить оттуда свою сверхтяжелую ракету New Glenn в 2021 году.

А «Энергомаш» между тем отчаянно надеется, что российская космическая программа снова начнет использовать собственные двигатели. По словам Павла Лузина, российского космического аналитика, в последние годы около 90% производства предприятия отправляется в США. Как и его американские коллеги, «Энергомаш» теперь рискует остаться в истории благодаря Илону Маску и Джеффу Безосу которые, обладая свободой от устаревших конструктивных ограничений и готовностью тратить деньги и рисковать, наконец-то вытащили конструирование ракетных двигателей из десятилетий застоя.

Автор перевода ведёт в Telegram собственный канал с новостями частной космонавтики, заглядывайте к нему на реактивный огонёк.