Компания Rocket Lab завершила основные проверки и готова к запуску миссии STP-27RD. Со стартового комплекса LC-1 в Новой Зеландии в свой полет отправится приводимая в движение девятью двигателями Rutherford ракета Electron. Что это за двигатели и в чем их особенность – в новом материале.
В статье 2015-го года издания Popular Science основатель и директор компании Rocket Lab Питер Бек отметил:
Если взглянуть на то, из каких основных частей состоит ракета, то вы увидите, что ракетный двигатель – это самая дорогая часть ракеты. Очень сложно создать недорогой ракетный двигатель, который затем можно было бы пустить в массовое производство.
«Rutherford» – это жидкостный ракетный двигатель, разработанный компанией Rocket Lab для ракеты-носителя Electron и использующий в качестве топливной пары керосин и жидкий кислород. Он был назван в честь Эрнеста Резерфорда – физика, родившегося в Новой Зеландии, который известен созданием планетарной модели атома. Двигатель существует в двух модификациях: RF-1 для работы на первой ступени ракеты, а также специализированный для работы в вакууме двигатель RF-1V, располагающийся на второй ступени и отличающийся увеличенным сопловым насадком.
Проект начался в 2013-ом году. По словам главного разработчика двигателя Лаклана Мэтчетта, Rutherford начали проектировать с чистого листа:
Не глядя на все ранее произведенные двигатели, мы смогли максимально эффективно использовать самые современные технологии и получили возможность спроектировать двигатель таким образом, каким раньше его никто не проектировал.
Двигатель проходил всесторонние испытания в течение более чем двух лет. 31 марта 2016-го года он был допущен к полетам. 25 мая следующего года он был впервые опробован в миссии под названием «It’s a Test», которая являлась испытательным полетом без нагрузки. А в январе 2018-го года двигатель преодолел отметку в 500 испытаний.
Фотография с одного из испытаний двигателя
«Rutherford» – первый ракетный двигатель, использующий подачу топлива с использованием электрического насоса. Также это первый (но не единственный!) жидкостный ракетный двигатель, использующий методы 3D печати для производства всех основных компонентов – камеры сгорания, инжектора, насосов и главных топливных клапанов. Для производства камеры сгорания и сопла в Rutherford используется инконель – никель-хромовый жаропрочный сплав. Этот сплав позволяет компонентам двигателя выдерживать давление и температуру, возникающие в процессе сгорания топлива.
Rocket Lab заявляет, что на печать компонентов для одного двигателя требуется 24 часа – и это позволяет им совершать его массовое производство, так необходимое для обеспечения предполагаемой частоты запусков ракеты Electron.
Версия Rutherford первой ступени RF-1 имеет диаметр сопла около 0,2 метра и создает тягу на уровне 18 кН а атмосфере, которая поднимается до 21 кН в вакууме. Удельный импульс двигателя составляет 303 секунды. Оптимизированная для вакуума версия двигателя RF-1V выдает 22 кН тяги при относительно высоком удельном импульсе в 333 секунды. Двигатель потребляет чуть менее 7 килограммов топлива в секунду в номинальном режиме работы.
Вторая ступень РН “Electron” с двигателем RF-1V
Но главная особенность этого двигателя заключается в другом. Ракетные двигатели работают по одной более или менее той же формуле: жидкое горючее и жидкий окислитель соединяются в камере сгорания и воспламеняются. Однако подача топлива в камеру сгорания представляет собой сложный процесс, требующий отдельных турбонасосов для транспортировки жидкостей на сверхвысоких скоростях в зону высокого давления. Как правило, для работы этих насосов необходим еще один двигатель (турбина), требующий как дополнительного оборудования, так и дополнительного топлива.
В двигателе Rutherford насосы двигателя питаются от другого источника энергии. Они приводятся в действие парой вентильных электродвигателей, которые питаются от литий-полимерных аккумуляторов. Каждый из двух небольших электродвигателей (размером буквально с банку колы) выдает мощность в 37 кВт (~ 50 л.с.) при вращении со скоростью 40000 об/мин. Эти малыши помогут увеличивать давление топлива и окислителя от 0,2 – 0,3 МПа до 10 – 20 МПа.
В упрощенном представлении система подачи топлива в Rutherford работает следующим образом. При запуске двигателя жидкий кислород поступает из топливного бака в электрический топливный насос окислителя, из которого он поступает непосредственно в камеру сгорания двигателя через форсуночную головку. Керосин из топливного бака поступает в электрический топливный насос горючего, но идет в камеру сгорания не сразу – он используется в цикле регенеративного охлаждения, проходя в камеру сгорания по теплопроводным трубкам. Принцип наглядно показан на рисунке ниже:
Основным преимуществом использования электрического насоса является его простота, исключающая любые газогенераторные и турбинные системы, которые являются одними из наиболее сложных в реализации конструкций современных жидкостных ракетных двигателей и увеличивают время и стоимость изготовления двигателей.
Еще одним преимуществом использования электродвигателей для питания насосов двигателя является их легкая управляемость для очень точной регулировки состава топлива и возможностей дросселирования. Настройка системы на базе газогенератора – более сложная задача, чем изменение настроек электродвигателей, что дает ракете Electron уникальную возможность точной настройки для оптимизации производительности.
Недостатком схемы является тяжелый блок аккумуляторов, хотя часть этого веса компенсируется за счет исключения турбинного оборудования из двигателей, а использованные аккумуляторы сбрасываются в ходе запуска ракеты.
Питер Бек отметил влияние использования электрического насоса на производительность системы подачи топлива:
Если честно, только прогресс в технологии литиевых аккумуляторов позволил нам перейти на электрические насосы. Всего 3 или 4 года назад имеющихся технологий было бы недостаточно для такого шага. Но за короткий промежуток времени были достигнуты огромные успехи в этой сфере, и теперь эффективность электрифицированной топливной системы составляет около 95 процентов по сравнению с 60-процентной эффективностью в классической системе подачи топлива.
Остаётся надеяться, что разработка системы питания насосов от Rocket Lab, как и другие новые ракетные технологии найдут широкое применение в индустрии.