Действительно ли Raptor от SpaceX – король ракетных двигателей?

Это перевод очень большого (вы даже не представляете, насколько) материала Тима Додда, более известного как Everyday Astronaut, о новом двигателе SpaceX под названием Raptor. Поехали!

Raptor – это новейший жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов, разработанный компанией SpaceX. В его основе лежит концепция настолько уникальная, что никому прежде не удавалось её полностью реализовать.

Заголовок, конечно, страшный. Но вы не пугайтесь, ведь мы представим Raptor в контексте устройства других двигательных установок: рассмотрим основы работы ЖРД с различными типами циклов, а затем сравним Raptor с другими ракетными двигателями. В их числе будет рабочая лошадка компании SpaceX – Merlin; двигатель RS-25, который работал на кораблях “Спейс Шаттл”; РД-180 российского производства; BE-4 производства компании Blue Origin, а также F1, успешно использовавшийся на ракете “Сатурн-5”.

Если вам мало того, что SpaceX использует какой-то там безумный закрытый цикл, то вот вам еще кое-что: в качестве топлива в Raptor будут использоваться жидкий метан и жидкий кислород, что, опять же, никогда ранее не реализовывалось. Мы рассмотрим уникальные характеристики жидкого метана как компонента топлива и попытаемся понять, почему SpaceX выбрала именно его в качестве горючего.

Также разбору будут подлежать различные виды циклов двигателя. Вы узнаете, что такое закрытый цикл с полной газификацией компонентов, его принцип работы и то, какими преимуществами и недостатками он обладает относительно других циклов.

Надеюсь, что к концу этой статьи у вас будет понимание того, почему Raptor – это особенный ракетный двигатель, каков он в сравнении с другими установками, почему в нем используют жидкий метан, ну и, наконец, заслуживает ли он титула «Король ракетных двигателей»?

Если вы вдруг не заметили – то это ОЧЕНЬ длинная статья. Простите, мне правда очень жаль. Но если вы человек вроде меня, то знаете, что вокруг этого двигателя очень много шумихи. И если вы вдруг решили разобраться, что тут к чему, то столкнётесь с одной проблемой… а с чего вообще начать?

Я потратил очень много времени, изучая эту тему. Поэтому постараюсь заложить основу для того, чтобы помочь вам полностью оценить как двигатель Raptor, так и другие ракетные двигатели.

Если вы в чем-то похожи на меня, то, вероятно, часами глядели на схемы вроде той, что сверху, после чего ваша голова просто взрывалась. Для того, чтобы вы могли избежать подобной участи, я лично подготовил несколько очень упрощённых схем с различными циклами ракетных двигателей на них. Они, как мне кажется, помогут нам лучше понять принцип работы этих циклов.

Начнём мы с ускоренного курса физики – придётся немного потерпеть, но мы осуществим полное погружение в тему и получим множество мельчайших подробностей. К концу этой статьи мы и камня на камне не оставим от незнания основ и, надеюсь, будем иметь чёткое представление об общих принципах работы двигателей, различных версиях ракетных двигателей на жидком топливе и о том, почему метан является лучшим выбором в качестве горючего для ракетного топлива. И вы точно будете понимать, почему и как двигатель Raptor сможет составить конкуренцию другим ракетным двигателям.

По большей части ракета – это просто куча топлива с какой-то оболочкой вокруг него, которая удерживает это топливо в одном месте. Сзади у ракеты есть специальная штука, которая может очень быстро выбросить это самое топливо. И чем быстрее вы сможете выбросить топливо – тем лучше.

Самый простой способ сделать это – хранить всё топливо в ваших резервуарах под высоким давлением, затем установить клапан на один конец резервуара; туда же установить сопло, которое превратит поток топлива в тягу. Готово! Никаких насосов или иных сложных систем! Открываете вентиль… и понеслась!

Это называется ракетным двигателем с вытеснительной подачей топлива. Есть несколько основных типов таких двигателей: двигатели на холодном газе, одно- и двухкомпонентном топливе. Их применяют в реактивных системах управления, потому что они простые, надежные и быстрые.

Но у двигателей с вытеснительной подачей топлива есть один большой недостаток. Топливо всегда течёт из зоны высокого давления в зону низкого давления. Поэтому давление в таком двигателе никогда не может быть выше, чем в топливных баках.

Для того, чтобы хранить топливо под высоким давлением, ваши резервуары должны быть прочными и, следовательно, толстыми и тяжелыми. Если мы взглянем на характеристики композитных сосудов высокого давления (COPV), то увидим, что они способны хранить газы под давлением 70 МПа.

Несмотря на это, в них может храниться лишь очень ограниченное количество топлива под конечным давлением. Эта технология не очень хорошо масштабируется для доставки полезной нагрузки на орбиту.

Умные учёные-ракетостроители быстро поняли, что для того, чтобы создать максимально лёгкую ракету, существует только одна вещь, которую они могут сделать – увеличить энтальпию. Increase the enthalpy. Отличное вышло бы название для метал-группы из девяностых (добро пожаловать в интернет).

Энтальпия представляет собой соотношение между объемом, давлением и температурой. Чем более высокое давление и температуру вы имеете в камере сгорания, тем выше эффективность вашего двигателя. А чем большая масса топлива проходит через двигатель, тем выше будет тяга.

Чтобы пропустить больше топлива через двигатель, вы можете либо увеличить давление в топливных баках, либо направить топливо в камеру сгорания с помощью мощного турбонасоса. Второй вариант звучит как хорошая идея, не правда-ли?

Но для приведения в действие турбонасосов, способных перемещать сотни литров топлива в секунду, требуется много (реально много!) энергии. Но что, если взять крошечный ракетный двигатель и направить его прямо на турбину насоса, чтобы раскрутить её очень быстро? Вы сможете обменять часть химической энергии ракетного топлива на кинетическую энергию, которая затем может быть использована для вращения турбин этих мощных насосов.

Добро пожаловать в мир турбонасосов и закрытого цикла! И даже при внедрении турбонасосов у вас все ещё остаются проблемы: во-первых, топливо всегда стремится попасть из зоны высокого давления в зону низкого давления, а у выделяемого тепла есть одна очень вредная привычка – оно любит плавить вещи. Вам придётся держать каждый из этих факторов под контролем в процессе преобразования энергии в двигателе.

Мы, конечно, можем поговорить о множестве разных циклов двигателей, но остановим своё внимание на трёх наиболее распространённых. Или, по крайней мере, трёх наиболее важных циклов с точки зрения рассмотрения двигателя Raptor.

У нас есть ЖРД открытого цикла, ЖРД замкнутого цикла с частичной газификацией топлива и ЖРД замкнутого цикла с полной газификацией топлива. Возможно, что в следующей статье я попытаюсь сделать полный обзор всех типов жидкостных ракетных двигателей, включая новые интересные разработки, вроде двигателей с электрическим насосом от компании Rocket Lab, которые они используют на ракете Electron. (Жду не дождусь. Мой материал об упомянутом двигателе от Rocket Lab вы можете прочитать тут – прим. пер.).

Начнём, пожалуй, с двигателей открытого цикла. Эта схема – одна из самых распространённых среди жидкостных двигателей для орбитальных ракет. Она определённо сложнее схемы с вытеснительной подачей топлива, но выглядит проще по сравнению со схемой замкнутого цикла.

Я попытаюсь объяснить всё простым языком. В реальной жизни вы встретите десятки клапанов, целый улей из проводов и сверхмалых трубок, гелий для наддува топливных баков, систему протекания топлива через сопло и камеру сгорания, для охлаждения последней, способы инициирования зажигания для камеры сгорания и газогенератора…

Но опять же, для того, чтобы сделать материал максимально простым и легко усваиваемым, я говорю вам: просто знайте, что существует множество конкретных деталей, а мы концентрируемся на основе работы двигателей, чтобы понять концепцию. Как только вы поймете основу, вам будет гораздо проще рассмотреть схему какого-либо двигателя, не взорвав себе мозг.

Открытый цикл работает путем подачи горючего и окислителя в камеру сгорания с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Этот агрегат имеет несколько основных частей: газогенератор (тот самый мини-ракетный двигатель), турбину, соединенную с валом, а также один или два насоса, которые подают топливо в камеру сгорания.

В системе с открытым циклом отработанное топливо из газогенератора просто сбрасывается за борт и не даёт значительной прибавки к тяге. Это делает такую схему менее эффективной, поскольку горючее и окислитель, используемые для вращения насосов, тратятся впустую.

Самое забавное в турбонасосном агрегате то, что для его запуска нам нужно решить проблему курицы и яйца: для запуска агрегата используется газогенератор, который работает на горючем и окислителе под высоким давлением, которые могут появиться лишь благодаря работе насосов турбонасосного агрегата, которые запускаются газогенератором, который работает… ну вы поняли.

Это делает запуск газогенератора сложной задачей. Есть несколько способов сделать это, но нам нет необходимости вдаваться во всё это в данной статье, хотя это может стать интересной темой для будущего материала.

Вернёмся к ТНА. Помните, что топливо всегда течёт из зоны высокого давления в зону низкого давления, поэтому топливные насосы должны поддерживать более высокое давление, чем в камере сгорания. Это означает, что впускные отверстия, ведущие в газогенератор, находятся под максимальным давлением, которое возможно в ракетном двигателе, а всё, что ниже них по ходу топлива, находится под более низким давлением.

Здесь стоит обратить внимание на кое-что. Посмотрите на двигатель SpaceX Merlin, который работает на керосине (RP-1, Rocket Propellant-1) и жидком кислороде. Обратите внимание на черный дым в выхлопе газогенератора.

Почему он выглядит как сажа в сравнении с практически незаметным выхлопом камеры сгорания? Все дело в том, что ракетное топливо может быть очень горячим… тысячи и тысячи градусов по Цельсию. Если температура будет очень высокой, то она может расплавить турбину и весь турбонасосный агрегат целиком, поэтому нам необходимо убедиться, что она недостаточно высока и способствует постоянной работе двигателя. Идеальное соотношение горючего и окислителя поспособствует наивысшей эффективности, но также станет причиной выделения сумасшедшего количества тепла.

Чтобы поддерживать необходимые температуры, газогенератор должен работать с соотношением горючее/окислитель менее оптимального, поэтому вы можете использовать избыток горючего (восстановительный газогенератор) или избыток окислителя (окислительный газогенератор). Если вы используете насыщенный керосин, то на выходе из газогенератора вы увидите ту самую сажу, которая по сути является несгоревшим топливом. Несгоревшие молекулы углерода под высоким давлением связываются и образуют полимеры – этот процесс известен как коксование. Сажа прилипает ко всему, к чему прикасается, может заблокировать форсунки или даже повредить турбину!

Но что, если вы не хотите тратить топливо… я имею в виду то, что поскольку топливо работает в более низких температурах благодаря насыщению, не означает ли это, что куча несгоревшего топлива буквально тратится впустую? Что если бы вы могли просто направить выхлоп из газогенератора прямиком в камеру сгорания? Здесь-то и выходит на сцену замкнутый цикл!

Замкнутый цикл увеличивает эффективность двигателя, используя топливо, которое теряется в выхлопе газогенератора, соединяя его с камерой сгорания для увеличения давления в ней.

Итак, давайте возьмём двигатель Merlin и попробуем замкнуть петлю. Возьмём выхлоп из газогенератора и просто направим его в камеру сгорания… Оооо нет! Кажется, мы просто запустили кучу сажи в камеру и забили все ваши форсунки. Сегодня вы в космос не летите.

Поглядим как решили эту проблему в СССР. Первым действующим двигателем с замкнутым циклом, который они сделали, был НК-15, разработанный для лунной ракеты Н-1; позже они обновили его до НК-33, а затем появилось множество различных версий, включая РД-180, который используется на ракетах Атлас V сегодня.

НК-15 и НК-33 работают на керосине, как и Merlin, поэтому вы не можете использовать восстановительный газогенератор из-за проблемы с коксованием… и если у вас стоит вопрос о том, как создать двигатель с замкнутым циклом, работающий на керосине, то ответ на него будет следующим: окислительный газогенератор. Все просто, не так-ли? Конечно: теперь мы просто запустим сверхгорячий газообразный кислород под высоким давлением, который превратит в жижу все что угодно, прямо на точно обработанную и безумно высокопрочную турбинную лопатку.

В действительности в США считали подобное невозможным, поэтому и отказались от разработок. Они не думали, что существует металлический сплав, способный работать в этих сумасшедших условиях. И они не верили, что советские разработчики создали эффективный и мощный двигатель с замкнутым циклом на керосине. Пока после распада СССР американские инженеры не увидели и не испытали этот двигатель лично! В Советском Союзе действительно отлично поработали, создав специальный сплав, который волшебным образом (с помощью науки) может противостоять безумным условиям в окислительном газогенераторе. В двигателе замкнутого цикла вы не просто используете какое-то количество горючего и окислителя в процессе сжигания в газогенераторе с целью вращения турбины, вы фактически пропускаете все насыщенное топливо через турбину. Таким образом, в газогенератор идёт весь окислитель и только определённое количество горючего. У вас есть все необходимое, чтобы дать турбине необходимое количество энергии – она сможет вращать насосы на скорости достаточно высокой, чтобы получить необходимое давление в газогенераторе и камере сгорания, что обеспечит необходимую мощность для отправки груза в космос.

Вернёмся к окислительному газогенератору. Теперь горячий газообразный кислород нагнетается в камеру сгорания, где он встречает жидкое горючее. Они встречаются – бабах! – и мы получаем хорошее чистое и эффективное горение без траты горючего впустую! Ура!

Но также, как и во всех двигателях, давление в камере сгорания не может превышать давление в насосе, поэтому турбонасосу приходится тащить тяжелую ношу на своих маленьких металлических плечах.

Теперь вы сидите и думаете: ага, значит США просто позволили СССР оставить себе все заслуги в разработке ЖРД замкнутого цикла? Вы неправы. Хоть это и заняло немного больше времени, но в США сумели создать свой двигатель замкнутого цикла, причём это был двигатель не с окислительным газогенератором… Они работали над двигателем замкнутого цикла с восстановительным газогенератором. Постойте-ка… Мы же только что узнали, что выхлопы восстановительного газогенератора могут испортить нам все что угодно. Не так ли?

Это верно лишь в том случае, если вы используете керосин или любое другое тяжёлое углеводородное горючее. Поэтому в США решили использовать новый компонент топлива – водород! Ладно, мы избежали проблемы со взрывом горяченного кислорода высокого давления во всем дорогом и драгоценном. Но тут же мы открыли новую банку с червями – водород значительно менее плотный, чем керосин или жидкий кислород. Настолько менее плотный, что требуется очень большой турбонасос для его подачи в камеру сгорания.

Поскольку керосин и жидкий кислород имеют практически равную плотность, то их можно пропустить через турбонасосы, находящиеся на одном валу, с использованием одного газогенератора. Но с водородом ситуация другая: вам нужно использовать больше горючего на единицу окислителя, поэтому чтобы найти баланс между малой плотностью водорода и высоким соотношением горючее/окислитель вам придётся использовать разные турбонасосы для водорода и жидкого кислорода.

Поняв это, инженеры компании Rocketdyne разработали двигатель, известный как RS-25, который использовался на многоразовом космическом корабле “Спейс-шаттл”. Они сообразили, что нет смысла использовать один газогенератор для двух совершенно разных насосов, поэтому просто установили два газогенератора – один для водородного насоса и один для кислородного. Делов-то!

Но наличие отдельного вала для каждого насоса создало ещё одну проблему. Теперь инженеры располагали горячий газообразный водород высокого давления на собственном валу, который был прямо рядышком с насосом для жидкого кислорода. Если часть водорода вытечет из газогенератора, это приведёт к пожару в насосе жидкого кислорода, что закончится катастрофически плохо. Водород очень тяжело хранить, потому что он имеет низкую плотность. Низкая плотность? Малая масса? О да, водороду очень нравится пробираться сквозь всякие трещины и идти гулять по своим делам. Таким образом, чтобы не допустить утечки водорода, инженеры должны были сделать тщательно продуманную герметизацию.

Тогда разработчики придумали специальные уплотнения, которые находятся под давлением гелия. В таком случае при утечке наружу просачивается только гелий, а он, как известно, газ инертный. Гениально! Теперь взгляните на то, как отличаются уплотнения турбонасосов кислорода и водорода. Можете представить себе сколько времени и сил инженеров потребовалось для того, чтобы разработать уплотнение для кислородного турбонасоса? Люди, которые задумываются о подобных вещах – чокнутые!

Теперь, когда мы немного разузнали о двигателе RS-25, давайте взглянем на упрощенную схему. Я не стал делать топливные турбонасосы разными, т.к. хочу разобраться с тем, как топливо проходит по двигателю. Знайте, что оба газогенератора работают в режиме восстановления  (избыток горючего, помните?), и несмотря на то, что они выглядят одинаково, они питают разные насосы.

RS-25 по-прежнему считается лучшим из когда-либо созданных двигателей,  с довольно высоким отношением тяги к массе и непревзойдённой эффективностью.

Таким образом, замкнутый цикл улучшает общую производительность двигателя и является очень выгодным. Так каким образом можно его улучшить?

Наконец-то мы готовы поговорить о жидкостном ракетном двигателе замкнутого цикла с полной газификацией компонентов топлива. Он объединяет в себе две рассмотренные выше схемы. В таком цикле вы просто устанавливаете два газогенератора – восстановительный, который питает насос горючего, и окислительный, который питает насос окислителя. Цикл с полной газификацией должен решать проблему цикла с избытком кислорода. Опять же, путём изготовления очень стойких металлических сплавов.

Инженеры SpaceX разработали собственный сплав, который назвали SX500. По словам Илона Маска, он способен поддерживать работу при давлении насыщенного кислорода более 800 бар. Разработка этого сплава стала, возможно, самым большим препятствием на пути разработки двигателя Raptor.

Наличие двух газогенераторов позволяет разделить двигатель на два контура. В таком случае, при утечке в контуре горючего через уплотнение на валу не произойдёт ничего страшного – водород там сможет встретить лишь водород. Скорее всего в этой схеме не будут использовать керосин как горючее из-за проблемы с коксованием восстановительного газогенератора, но зато для неё могут использоваться другие виды топлива – подробнее об этом чуть позже.

Преимущество цикла состоит в том, что, поскольку горючее и окислитель поступают в камеру сгорания в виде нагретого газа, можно достичь лучшего процесса горения с более высокими температурами. Как мы уже упоминали ранее, в такой системе уплотнения имеют меньшее значения, что означает меньше ремонта. Это хорошо, когда вы планируете многократно использовать свой двигатель практически без технического обслуживания между рейсами.

И, наконец, из-за увеличения массового расхода топлива (того, как быстро все топливо запускается в газогенератор), турбины могут работать при более низких температурах и при более низких давлениях, потому что соотношение горючего и окислителя, необходимое для вращения турбонасосов, намного ниже. Подумайте об этом с точки зрения открытого цикла. Вы хотите использовать как можно меньше горючего и окислителя в газогенераторе, так как они будут потрачены впустую, а значит вам нужно, чтобы они были максимально горячими для большей эффективности.

Но в двигателе с полной газификацией компонентов, поскольку все горючее и весь окислитель проходят через газогенераторы, вы можете сжечь столько топлива, сколько необходимо для питания турбонасосов. Ваше соотношение горючего к окислителю позволит температурам на турбинах быть намного ниже, что автоматически означает более длительный срок службы турбонасосного агрегата. Это также означает, что процесс горения происходит, по большей части, в камере сгорания, нежели в газогенераторе.

А теперь кое-что из мира невероятного. Было разработано всего три жидкостных ракетных двигателя замкнутого цикла с полной газификацией топлива… ЗА ВСЁ ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ РАКЕТОСТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ!

В 60-х годах Советский Союз разработал двигатель под названием РД-270, который никогда не летал, а в начале 2000-х годов Aerojet и Rocketdyne работали над IPD (Integrated powerhead demonstrator), который не прошел тестовые испытания.

И третья попытка разработать двигатель с полной газификацией топлива – это двигатель Raptor от SpaceX! ТА ДА!!! МЫ СДЕЛАЛИ ЭТО!!!

Правильно, двигатель Raptor – это только третья попытка создать двигатель с таким циклом. Первый двигатель, который покидает испытательный стенд! И я очень надеюсь, что это будет первый двигатель с полной газификацией топлива, который достигнет орбиты. На самом деле, этот двигатель много в чем будет первым.

Это означает, что SpaceX пришлось решить много очень сложных проблем на пути его разработки. Мало того, что им нужно было решить проблемы в цикле окислительного газогенератора, так ещё и возникла необходимость точно контролировать поток топлива, чтобы достичь самого высокого давления в камере сгорания за всю историю проектирования ракетных двигателей – 270 бар, наконец-то побив рекорд РД-180 в 265 бар. И они нацелены на показатель в 300 бар. Что просто сумасшествие.

Поскольку Raptor не может использовать восстановительный газогенератор с керосином, вам может показаться, что следующим наиболее логичным выбором горючего будет водород. Но в SpaceX не выбрала ни керосин, ни водород – они выбрали жидкий метан! Итак, у нас появилась ещё одна тема для обсуждения. Почему SpaceX выбрала жидкий метан для двигателя Raptor? Какие показатели делают его более выгодным в сравнении с водородом или керосином?

На сегодняшний день ни один двигатель на топливной паре жидкий метан/жидкий кислород не вывел на орбиту ни грамма. Что же в нем такого привлекательного? Давайте сравним жидкий метан с керосином и жидким водородом – поместим его прямо между ними. Вы поймёте почему.

Начнём с, пожалуй, самого важного фактора в разработке вашей первой ступени. Плотность топлива. Наличие более плотного топлива означает, что баки для него будут меньше. Меньший бак = более лёгкая ракета.

Итак, вот плотность этих трёх видов топлива, измеренная в граммах на литр (или другими словами – какова масса одного литра данного вещества?).

Масса литра керосина составляет около 813 граммов, он в 11 раз более плотный, чем водород, масса литра которого составляет всего 70 граммов, а жидкий метан находится прямо между ними с 422 граммами на литр.

Вспомните, как раньше дирижабли наполняли водородом, чтобы сделать их «легче воздуха». Это делали потому, что водород имеет намного меньшую плотность, чем наша атмосфера, а значит он является отличным газом для дирижабля, хоть и легковоспламеняющимся. Мы же все помним Гинденбург… верно?

Следует также отметить, что 813 грамм на литр – это среднее значение для керосина. SpaceX охлаждает керосин в своих носителях Falcon 9 и Falcon Heavy настолько, что плотность возрастает на 2% – 4%.

С точки зрения плотности, выбранный компанией Илона Маска метан находится в середине. Но есть кое-что поважнее, чем плотность. Мы также должны учитывать соотношение количества сжигаемого горючего и количества сжигаемого окислителя. Отношение окислителя к горючему – это стехиометрический коэффициент.

Здесь всё становится немного интереснее, и ситуация меняется. Инженеры-ракетостроители должны учитывать массу топлива и соответствующий вес баков. Поэтому никто не сжигает топливо при идеальном стехиометрическом коэффициенте (1:1). Люди находят идеальное соотношение, которое уравновешивает размер бака с тягой и удельным импульсом.

Давайте посмотрим на соотношения масс окислителя и горючего, которые придумали инженеры… Итак, керосин горит при соотношении 2,7 грамма кислорода на 1 грамм керосина, водород – при 6 граммах кислорода на 1 грамм водорода, а метан горит при 3,7 граммах кислорода на 1 грамма метана. Эти числа помогают нам немного компенсировать огромную разницу в плотности веществ.

Теперь, давайте визуализируем это, чтобы легче понимать. Плотность жидкого кислорода составляет 1141 грамм на литр, он немного плотнее, чем керосин. Таким образом, сжигая жидкий кислород и керосин в соотношении 2,7 к 1, на каждый литр жидкого кислорода вам потребуется чуть больше половины литра керосина. Провернём тот же трюк для водорода. Водород является в 11 раз менее плотным, чем керосин, так что можно подумать, что ему понадобится бак, который будет 11 раз больше… но, к счастью, инженеры обнаружили, что сжигать водород с кислородом в пропорции 6 к 1 – неплохое решение.

Это означает, что на каждый литр кислорода вам потребуется 2,7 литра водорода! Таким образом, ваш водородный топливный бак должен быть примерно в 5 раз больше по сравнению с керосиновым. Такие дела.

Вот почему, если вы сравните Falcon 9  с керосиновым двигателем и Delta IV с водородным двигателем, то увидите, что у Falcon 9 бак c горючим намного меньше, чем бак с окислителем. С Delta IV все совсем иначе. Бак с окислителем намного меньше бака с горючим.

Но вернёмся к метану. С ним всё становится интересней. Жидкий кислород в 2,7 раза менее плотный, чем жидкий метан, но стехиометрический коэффициент составляет 3,7 к 1. Это значит, что вам понадобится 0,73 литра жидкого метана на каждый литр жидкого кислорода. Другими словами, ваш топливный бак для горючего на ракете с метановым двигателем должен быть примерно на 40% больше чем на ракете с керосиновым. И это с учётом того, что керосин вдвое плотнее! В сравнению с водородом этот топливный бак будет в 3,7 раза меньше.

Стехиометрический коэффициент помогает нам сделать метановые топливные баки по размеру ближе к керосиновым, чем к водородным.

Ещё один важный показатель, который стоит учитывать при рассмотрении любого ракетного двигателя – это его эффективность. Она измеряется благодаря удельному импульсу, но вы можете думать об этом как об экономии топлива на  автомобиле. Высокий удельный импульс будет похож на высокий показатель км/л. Лучший способ понять это – представить, что у вас есть один килограмм топлива и задать себе вопрос: сколько секунд двигатель сможет выдать тягу в 9,81 ньютона с этим килограммом? Чем дольше двигатель сможет пропускать топливо через себя, тем выше его удельный импульс, и, следовательно, тем больше работы он сможет выполнять с тем же количеством топлива. Это и есть экономия топлива.

Таким образом, чем выше удельный импульс, тем меньше топлива требуется для выполнения той же работы. И это хорошо. Экономичный двигатель – это очень важно! Из-за того, что разное топливо имеет разный молекулярный вес и количество энергии, выделяющееся при сжигании, скорость истекания продуктов сгорания различается. Это означает, что у каждого топлива свой собственный теоретический удельный импульс.

В идеальном и совершенном мире двигатель на керосине мог бы работать около 370 секунд, а идеальный двигатель на водороде – 532 секунды. Двигатель на метане находится прямо посередине с 459 секундами. В реальности показатели, конечно, намного ниже: керосиновые двигатели выдают около 350 секунд (Merlin 1D Vacuum), метановые – около 380 секунд (Raptor Vacuum), а водородные – около 465 секунд (RL-10B-2).

Теперь давайте поговорим о температуре горения. Чем меньше температура горения топлива, тем лучше для двигателя, ведь это положительно сказывается на его сроке службы. Керосин горит при 3670 К, водород при 3070 К, и если вы ещё не догадались, то метан снова посерединке – 3550 К.

Говоря о температурных условиях, давайте посмотрим на температуру кипения этих веществ. В какой момент жидкое горючее выкипает и превращается в газ? Поскольку все эти виды горючего должны оставаться в жидком состоянии, чтобы оставаться достаточно плотными, то чем выше температура кипения горючего, тем легче его хранить. Более высокая температура кипения означает меньшую (или даже нулевую) изоляцию на баках для предотвращения выкипания топлива. Меньше изоляция = более лёгкие баки. Ура!

Керосин имеет очень высокую температуру кипения (даже выше, чем у воды), равную 490 К. С другой стороны, жидкий водород близок к абсолютному нулю – сумасшедший холод в 20 К! Это безумно холодно! Для того, чтобы что-то сохранить при такой температуре, нужны серьёзные инженерные решения. Ну а метан, как обычно, встал между ними с температурой кипения в 111 К. Это конечно очень холодно и требует теплоизоляции, но по крайней это ближе к температуре кипения жидкого кислорода.

Поскольку температура кипения жидкого метана настолько близка к аналогичной у жидкого кислорода, то резервуары могут быть интегрированы в общий бак, который сделает ракету легче. Температуры жидкого кислорода и водорода различаются настолько сильно, что жидкий кислород кипятит жидкий водород, а жидкий водород замораживает жидкий кислород до состояния твёрдого вещества!

Поговорим о выхлопе. Каковы побочные продукты сгорания в этих двигателях? Керосиновый – единственный из трёх, который действительно загрязняет атмосферу углекислым газом и водяным паром, водородный производит только водяной пар, а метановый производит некоторое количество углекислого газа и водяного пара. Но вот что касается парниковых газов, хотите верьте, хотите нет: водяной пар в верхних слоях атмосферы – это отстой. Я сделаю статью в будущем о том, насколько сильно ракеты загрязняют атмосферу и океаны. Сюда же пойдёт тема о космическом мусоре. Так что я думаю, что будет очень интересно!

Ещё один параметр о котором мы будем говорить в общем случае – стоимость топлива. На самом деле очень сложно определить стоимость того или иного топлива, ведь они бывают очень разными. Керосин (RP-1) – это реактивное топливо высокой степени очистки, суперусовершенствованная версия дизельного топлива. Таким образом, можно полагать, что RP-1 дороже дизельного топлива.

Водород также относительно дорог (самый часто встречающийся элемент во вселенной!). Его очистка, хранение и транспортировка делают его таким. С другой стороны у нас метан: по сути то же самое, что и природный газ. Он может быть относительно дешёвым. Хотя когда вы говорите о покупке тонн топлива, то его стоимость резко возрастает. Без точных данных я не стану помещать этот пункт в нашу таблицу, так что давайте поговорим о более важном аспекте относительно топлива. Его производстве.

И здесь мы поймём, почему SpaceX считает метан неотъемлемой частью будущего своей компании.

Конечная цель SpaceX заключается в разработке системы, способной доставлять людей на Марс и обратно (и снова на Марс). Атмосфера Марса состоит в основном из CO2, а учитывая то, что под поверхностью Марса очень много воды, то с помощью электролиза и реакции Сабатье мы сможем превратить атмосферу Марса и его воду в метан! Это значит, что в марсианское путешествие вам не нужно брать с собой кучу топлива для возвращения домой. Вы можете добыть его прямо на Марсе, используя его ресурсы.

Это называется использованием ресурсов in situ (с лат. – “на месте”). Теперь вы можете подумать: но раз на Марсе есть вода, то почему бы не использовать водород в качестве горючего? Так то оно так, но одна из самых больших проблем с водородом и длительными миссиями – это точка кипения водорода. Потребуется много усилий, чтобы поддерживать водород в жидком состоянии, которое необходимо для использования его в качестве горючего.

Так что для SpaceX метан имеет большое значение! Он достаточно плотный, чтобы размер ракет оставался приемлемым, он достаточно эффективный и имеет не самые грязные продукты сгорания. Пригоден для многоразового использования. Его горение происходит при низких температурах, помогая увеличить срок службы двигателя, что опять же хорошо для повторного использования, он дёшев и прост в производстве и может быть легко произведён прямо на поверхности Марса!

Отлично! Мы продвинулись так далеко! Теперь, когда у нас есть чёткое представление о том, как работают разные двигатели и какое топливо они могут использовать, мы наконец можем выстроить их все рядом и сравнить их показатели, чтобы оценить место каждого.

Итак, давайте сравним двигатель Merlin с открытым циклом от SpaceX, приводящий в действие их ракеты Falcon 9 и Falcon Heavy, двигатель закрытого цикла РД-180 от “НПО Энергомаш”, который приводит в действие ракету Atlas V и двигатель F-1 открытого цикла от компании Rocketdyne, который приводил в движение знаменитую ракету “Сатурн-5”. Все они работают на керосине. Затем у нас идёт двигатель Raptor с полной газификацией компонентов топлива от SpaceX,  с помощью которого будут запускать Starship и Super Heavy, а также метановый двигатель замкнутого цикла с окислительным газогенератором BE-4  от компании Blue Origin, который будет приводить в действие их ракету New Glenn и грядущую ракету ULA Vulcan. Ну и RS-25 от Aerojet Rocketdyne, который питал космический челнок и будет приводить в действие грядущую ракету SLS, работающую на водороде.

Несколько важных замечаний. Raptor и BE-4 на момент создания этой статьи все ещё находятся в стадии разработки, поэтому цифры, которые мы имеем, относятся либо к их текущему состоянию, как у Raptor, который постоянно совершенствуется, либо являются целевыми, как в случае с BE-4 (не проходил испытания). Просто помните, что эти цифры могут измениться.

И ещё кое-что… посмотрите на РД-180. Нет, это один двигатель, он просто имеет две камеры сгорания! У него только один турбонасос, который распределяет свою мощность на две камеры сгорания. Советскому Союзу удалось решить проблему замкнутого цикла с избытком окислителя, но они не смогли решить проблему нестабильности горения в  больших двигателях, поэтому вместо одной большой камеры сгорания они сделали две маленьких!

Во-первых, давайте взглянем на их общую тягу на уровне моря: Merlin выдаёт 0,84 МН тяги, RS-25 – 1,86 МН, Raptor в настоящее время находится на уровне в 2 МН, BE-4 надеется достичь 2,4 MН, РД-180 имеет показатель в  3.83 MН, а  F-1 просто король на фоне остальных со своими 6,77 MН!

На самом деле у двигателя РД-170 показатель тяги ещё выше, чем у F-1, но я решил не включать его в сравнение, поскольку он почти не летал. Решил, что лучше использовать двигатели, которые действительно использовались, причём очень часто.

Тяга конечно решает, но при проектировании ракеты имеет значение и тяговооружённость. То, каков показатель тяги в сравнении с тем, насколько тяжёл двигатель. Более высокая тяговооружённость в конечном итоге означает меньший собственный вес, необходимый для перемещения ракеты.

Начнем с самого скромного показателя и пойдём к самому высокому. На самом деле, самый низкий показатель имеет RS-25 –73:1. Ззатем идёт РД-180 – 78:1. Далее у нас BE-4 с показателем около 80:1 – но имейте в виду, что на самом деле точных данных об этом числе нет, так что оно может варьироваться в некоторых пределах. Затем F-1 с его 94:1. Потом идёт Raptor с соотношением в 107:1 (пока-что). И, наконец, завершает парад Merlin с удивительным соотношением 198:1.

Но кого волнует, насколько мощный у тебя двигатель, если он ужасно неэффективен? Поэтому, давайте проверим удельные импульсы наших двигателей. Мы отобразим удельный импульс как для атмосферной версии двигателя, так и для вакуумной. Наименее эффективен оказывается F-1 с удельным импульсом в 263 и 304 секунды, затем идут Merlin (282 и 311 секунд) и РД-180 (311 и 338 секунд). Где-то рядом BE-4 (310 и 340 секунд), а за ним двигатель Raptor с показателями 330 и 350 секунд. Безусловный лидер – RS-25, у которого удельный импульс составляет от 366 до 452 секунд! Вау!

Одним из факторов, влияющих как на тягу, так и на удельный импульс, является давление в камере. Как правило, чем выше давление в камере, тем больше тяга и потенциально больший КПД имеет двигатель. Более высокое давление в камере позволяет двигателю быть меньше по размеру на данном уровне тяги, что улучшает тяговооружённость. Проиграл здесь F-1, у которого давлении в камере составляло 70 бар. Я остановлюсь здесь напомнить вам о том, что 70 бар – это в 70 раз выше атмосферного давления, ну или то же самое давление, которое вы бы испытали бы на глубине океана в 700 метров. Так что даже самое низкое давление в камере сгорания всё же ошеломляет.

Итак, следующий двигатель – Merlin – остановился на 97 бар. У BE-4 будет около 135 бар, за ним пойдёт RS-25, у которого давление в камере составляет 206 бар, затем РД-180, который считается королём среди эксплуатируемых в настоящее время двигателей с давлением в 257 бар. До тех пор, пока Raptor не будет запущен в космос. Он является новым королём в этом аспекте с давлением в камере с колоссальными 270 бар. И SpaceX надеются получить давление в 300 бар! 300 бар – это как на глубине 3 км в океане. Я даже не могу себе такое представить.

Для этих двигателей этого вполне достаточно .Теперь давайте посмотрим на них с эксплуатационной точки зрения. Начнем с их приблизительной стоимости. Цифры, которые будут приведены, не претендуют на достоверность, но учитывают инфляцию.

Мы пойдем от самых дорогих к самым дешевым. Самым дорогим двигателем в этой линейке является RS-25, цена на который составляет более 50 миллионов долларов за штуку. Затем у нас идет двигатель F-1, который стоит 30 миллионов долларов за штуку, затем РД-180, который стоит 25 миллионов долларов, далее BE-4 со стоимостью около 8 миллионов долларов, а затем у нас идёт двигатель Merlin, который стоит менее 1 миллиона долларов. А вот что касается Raptor… Илон упомянул, что, по его мнению, они смогут производить Raptor по стоимости ближе к двигателю Merlin, если удастся устранить большую часть сложностей в текущих версиях. Так что положим, что его стоимость составляет около двух миллионов долларов.

Что ж, стоимость – это одно, но ещё одним важным фактором, влияющим на стоимость двигателя, является возможность его многократного использования. И здесь только РД-180 и F-1 никогда не использовались повторно, что отличает их от других двигателей в нашей линейке, которые будут или уже использовались многократно.

RS-25 многократно использовался с рекордным количеством в 19 полётов для одного двигателя. Merlin планируют использовать до 10 раз без капитального ремонта. Ещё мы знаем, что цель разработки BE-4 – это его повторное использование до 25 раз. Я думаю, что цель Raptor – 50 полётов, Но, опять же, стремления – это одно. А уж история расставит всё по местам.

На самом деле есть некоторые действительно интересные показатели, связанные со стоимостью двигателя. Речь идёт о числе, которое Илон упомянул в Твиттере в феврале 2019 года. Он написал, что Raptor станет лучше по показателю доллара на тягу.

А это действительно интересно, если задуматься. Кого волнует, сколько стоит двигатель, если один большой двигатель дешевле, чем два маленьких при той же тяге или наоборот. Итак, давайте посмотрим на соотношение этих двигателей по параметру $ за кН. Начнем с самого дорогого двигателя, которым является RS-25 с безумным показателем в 26 881 долларов за кН; затем РД-180 по цене 6 527 долларов за 1 кН; затем F-1 с соотношением 4431: 1, и вот мы добрались до BE-4, который стоит 3333 доллара США за 1 кН. Затем Merlin – 1170:1 и Raptor –1000:1.

Но мы пойдем еще дальше. Так как мы знаем соотношение $ / кН и  потенциал многократного использования двигателей, то мы можем предсказать их потенциальную стоимость за рейс за кН, которая будет изменяться в зависимости от степени повторного использования двигателей.

Поскольку РД-180 и F-1 не подлежат повторному использованию, то их цена остаётся прежней, но для остальных двигателей, если мы примем во внимание то, сколько рейсов у них уже было/будет, мы можем увидеть, как возможность повторного использования RS-25 окупит его и сократит разрыв, снизив его потенциальную стоимость до всего 1414 долларов США за кН. А дальше все слетает с катушек. BE-4 от Blue Origin может по-настоящему изменить игру со стоимостью примерно в 133 доллара за кН, что потенциально может сделать его более дешёвым в эксплуатации, чем Merlin (117 долларов за кН за полет). Но если двигатель Raptor представляет собой то, что о нём говорят, то он доведёт это число до 20 долларов за кН за полет. Это перевернёт все.

Конечно, деньги и возможность многократного использования – это фишка 21-го века в космических полётах, но что случилось со старой доброй надёжностью? Для этого давайте посмотрим, сколько рабочих полётов совершил каждый двигатель. На момент написания этой статьи Raptor и BE-4 ещё не летали, хотя Raptor покидает испытательный стенд для использования на Starhopper. У нас есть двигатель F-1, который использовался на 17 рейсах, двигатель Merlin, который был в 71 полете и быстро догонял РД-180 с 79 полётами, но больше всех отработал RS-25 – 135 полётов.

О надёжности в полёте. Между количеством полётов и надёжностью в полёте прячется довольно хорошее представление о том, насколько надёжен двигатель. Это число действительно трудно определить, поскольку некоторые двигатели могли рано отключаться (и в некоторых случаях миссия могла быть успешной). Так что отнеситесь ко всему этому со скептицизмом. Опять же, BE-4 и Raptor ещё не летали, так что для них цифры недоступны. У нас есть главный двигатель “Спейс Шаттл”, надёжность которого составляет более 99,5%.

А ещё у нас есть Merlin с надёжностью 99,9%. Во многом из-за того, что на ракете Falcon 9 установлено 10 таких агрегатов. и отказ одного не приведёт к провалу миссии. Так что это очень надёжный двигатель! РД-180 и F-1 надёжны на 100%, но F-1 вообще не отключался во время полёта,  и технически, РД-180 надёжен на 100%, но только потому что однажды ему действительно очень сильно повезло.

Он выключился на 6 секунд раньше во время миссии Atlas V в 2016 году из-за неисправного клапана, но миссия продолжалась успешно из-за чистой удачи, так как у разгонного блока Centaur было достаточно запасной характеристической скорости, чтобы выполнить миссию! Если бы этот клапан вышел из строя даже на секунду раньше, то эта миссия провалилась бы.

Теперь, видя все эти цифры и соображения, вы понимаете, сколько переменных входит в проектирование ракеты? И если вы поменяете одну из этих переменных, то как это, по-вашему, повлияет на другие? Это может оказать эффект снежного кома при проектировании и реализации конечного продукта!

Теперь, когда мы узнали о циклах, топливе и стремлениях SpaceX, сможем ли мы выяснить – зачем вообще нужны двигатели Raptor и стоит ли оно того?

Давайте взглянем на окончательный план SpaceX. Сделать быстрое и полностью многоразовое транспортное средство, способное отправлять людей на Луну и Марс как можно дешевле. Для быстрого и полного повторного использования двигатель должен работать чисто и требовать минимального обслуживания, иметь простые уплотнения в турбонасосном агрегате и низкие температуры в газогенераторе. В данном контексте метановый движок с полной газификацией компонентов подходит хорошо!

Из соображений надёжности, большого количества сотрудников и масштабируемости производства имеет смысл использовать множество двигателей. Чтобы уменьшить размер двигателя, но поддерживать его высокую мощность, давление в камере сгорания должно быть высоким. Звучит так, будто метановый движок с полной газификацией компонентов – хорошая идея!

Для межпланетных пилотируемых миссий метан очень хорош, потому что его точка кипения делает его пригодным для длительных перелётов. А ещё вы можете производить метан на Марсе. И здесь наш двигатель подходит идеально.

Метан относительно плотное вещество, что означает, что размер топливного бака не будет очень большим. Что опять-таки хорошо для межпланетных миссий: не нужно таскать с собой лишний груз. Двигатель на метане с полной газификацией компонентов тут как нельзя кстати.

Вернёмся к нашему заголовку: действительно ли двигатель Raptor – король ракетных двигателей? Ну, ракетостроение, как и все отрасли промышленности – это сложная серия компромиссов. Это самый эффективный двигатель? Нет. Это самый мощный двигатель? Нет. Это самый дешёвый двигатель? Вероятно, нет. Возможно, это самый многоразовый двигатель. Но делает ли это его хорошим? ДА. Это двигатель, расположившийся на золотой середине, может делает все, что от него требуется. Он идеально подходит для вашего межпланетного космического корабля.

И, несмотря на всю сложность, SpaceX развивает этот движок быстрыми темпами. Учитывая то, сколько изменений SpaceX сделала с их двигателем Merlin за десять лет, и то, что компания находится на начальных этапах развития Raptor, можно предположить, что он будет только лучше и лучше. И это безумие!

В общем, движок Raptor – король в своём королевстве. Это фантастический двигатель для достижения целей SpaceX. Будет ли он также хорош в других применениях? Может быть да, а может быть и нет. И я оставлю это решение за ракетостроителями и инженерами, которые идут на все эти безумные компромиссы!

Что вы думаете? Стоит ли создавать такие сумасшедшие и сложные двигатели? Это только начало для двигателя Raptor? И самое главное, действительно ли двигатель Raptor – король ракетных двигателей? Напишите ваши мысли в комментариях ниже.