Раптор (SpaceX Raptor) – жидкостный ракетный двигатель вызывающий восхищение у каждого человека, который интересуется развитием космонавтики и ракетной техники, ведь в Рапторе реализована самая сложная пневмогидравлическая схема(ПГС) среди ЖРД с полным дожиганием – full-flow staged combustion или газ-газ.
Для конструкторской школы США, до недавнего времени было не характерно создание ЖРД с дожиганием, то есть ЖРД закрытого цикла. За всю историю. в США было создано только два ЖРД закрытого цикла которые летали в космос – это RS-25 и RL-10, оба использовали водород в качестве горючего, и использовали схему с дожиганием восстановительного генаторного газа(ДВГГ).
Возникают вопросы, почему SpaceX не стала делать Раптор по открытой схеме, а также была ли такая острая необходимость для SpaceX создавать ЖРД по столь сложной ПГС, как газ-газ? Возможно подошла бы схема с дожиганием только восстановительного газа(ДВГГ) или с дожиганием только окислительного газа(ДОГГ), характерная для советской конструкторской школы?
Как было уже сказано в США обычно проектировали ЖРД без дожигания генераторного газа, то есть открытого цикла, они имеют меньший удельный импульс по сравнению с ЖРД с дожиганием генераторного газа. Главное достоинство схем без дожигания заключается в обеспечении высоких давлений в камере при относительно умеренных напорах насосов и параметров других агрегатов питания, что повышает надежность, облегчает автономную отработку агрегатов. В общем ЖРД получается легче и проще, вспомним Мерлин с его простой схемой и уже легендарным TWR. Но по какой-то причине Илон Маск не стал разрабатывать метановый Раптор по открытой схеме, а взялся за сверхсложную – газ-газ. Чтобы разобраться в чем причина достаточно взглянуть на ниже приведенную таблицу, в ней сравниваются метановые ЖРД с дожиганием окислительного или восстановительного газа, и без дожигания. У всех приведённых ЖРД на метан-кислороде одинаковое давление в КС, и тяга, так же приведен ЖРД на паре керосин-кислород:
Смотрим на таблицу, на крайний правый столбец и видим, что метановый Раптор сделанный по хваленной открытой схеме получает ISP 307/337 сек. для версии на уровне моря, для сравнения земной Раптор на газ-газе имеет ISP 330/356 сек, разница в у.и. 6-7%, кто-то скажет, по думаешь всего 6% выиграем на Thrust-to-weight ratio! И еще же давление в ГГ у открытой схемы всего лишь 185 кгс/см3, практически такое же как КС, температура газа в ГГ 950К, однако газ восстановительный, т.е. с избытком топлива, что благоприятно для достижения высокой живучести трактов (в принципе можно исключить возгорания). Все это делает ее самой надежной схемой, ЖРД получается малым по массе и простым в производстве.
Однако переход на двигатели без дожигания как видно из таблицы, потребует снижения соотношения компонентов смеси с 3,5: 1 до 3:1, что приведет к снижению плотности топлива примерно на 10%, а это в свою очередь приведет к увеличению объема и массы всей системы.
Таким образом при уменьшении у.и. на 6-7% и при соотношении компонентов топлив в открытой схеме 3:1, перевод системы Старшип/Суперхэви на метановый Раптор открытого цикла увеличивает массу системы в целом на 40-50%!(необходимо ведь еще и тягу увеличить) В этой версии, из-за более низкого у.и. в вакуумных Рапторах, требуется на 20-30% больше полетов заправщиков для дозаправки на орбите. Здесь даже хваленная характеристика TWR не поможет. В общем открытая схема явно не подходит, не по характеристикам, не по деньгам.
Кстати Blue Origin так же не стали делать BE-4 по открытой схеме, из-за меньшего удельного импульса и худшего соотношения компонентов топлив.
К счастью по мимо схемы без дожигания, есть схемы с дожиганием генераторного газа. Впервые схема с дожиганием окислительного генераторного газ была реализована в Советском Союзе, в ЖРД 11д33.
У данной схемы есть существенный минус, газогенератор, турбина ТНА, газоходы работают в окислительной среде, по сути в горячей газообразной кислоте. В такой среде горят практически все известные материалы, кроме жаропрочных суперсплавов, хотя, и они не всегда могут выдержать условия горячей окислительной среды, малейшая царапина, стружка или даже пятна от пальцев, возгорание окислительного тракта вам обеспечено. Взгляните на температуру в ГГ в схеме ДОГГ 791К, у Раптора в ГГ температура еще больше, Маск говорил о цифре 811К! и это при сверхвысоких давлениях в ГГ и на турбине ~ 400-450 бар. Все это делает схему с ДОГГ не слишком надежной, тем более для ЖРД многоразового использования, а при давлении в камере сгорания 30 МПа как у Раптора она вовсе не подходит. В более выгодном положении ЖРД BE-4 с его 13,4 Мпа в КС. В Blue Origin сразу поняли, хочешь многоразовый ЖРД, снижай давление в камере сгорания.
Маску необходим в первую очередь надежный, а затем уже компактный, высокоэффективный, многоразовый ЖРД (нежелательно чтобы Суперхэви взорвался на сотой секунде полета). Добиться высокой надежности от высоконапряженного, многоразового Раптора, построенного по схеме газ-газ, в котором имеется высокотемпературный окислительный тракт практически невозможно, крайне высока вероятность возгорания.
Как показывают расчетно-теоретические, экспериментальные и проектные исследования, ресурс работы турбомашин в определяющей степени зависит от уровня их энергонапряженности. Важнейшую роль в ограничении кратности использования ЖРД имеет циклическая усталость материала. Известно, что при многоцикловом нагружении предельное количество циклов (соответственно и время работы) элемента конструкции зависит, в частности, от уровня динамических напряжений в степенной зависимости. Поэтому снижение энергонапряженности в 2 раза позволяет в принципе увеличить продолжительность работы ЖРД более чем на порядок.
Одним из возможных путей решения поставленной задачи является разработка ЖРД по схеме с восстановительным газогенератором. Для данной схемы характерна достаточно высокая вероятность неинтенсивного развития аварийных процессов (период развития которых превышает 0,1…0,5 с). Посмотрим на таблицу, температура восстановительного газа ГГ 871К, давление в КС 210 кгс\см2, при этом удельный импульс всего лишь на 1% меньше удельного импульса Раптора! Учитывая, что ЖРД по схеме ДВГГ должен иметь характеристику Thrust-to-weight ratio лучше, чем у Раптора на газ-газе, ввиду отсутствия турбины на кислом газе, уменьшение удельного импульса на 1%, практически никак не скажется на характеристиках системы Суперхэви\Старшип. Так стоило ли Маску лезть в схему газ-газ, при этом задирая давление до 30 Мпа, делая двигатель крайне высоконапряженным? Ответ, думаю становится очевиден – нет. Начал бы делать Маск свой метановый многоразовый двигатель по схеме с ДВГГ, двигатель давно уже был бы готов, а так судя недавним сообщениям самого Маска, Раптор может работать при давлении в КС 30 Мпа лишь 90 секунд, что очевидно крайне мало. Ответить на вопрос зачем Маск полез в схему газ-газ, можно почитав его твиттер, а именно где упоминается РД-180 и советские ЖРД, в этих твиттах Маск «поёт хвалебные дифирамбы» конструкциям данных изделий. В общем он просто хочет переплюнуть советскую конструкторскую школу, по всей видимости его задевало, что в США таких высокоэффективных ЖРД первой ступени не было. Как говорится у богатых свои причуды.