Включить тёмную тему

О двигателе «Rutherford»

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.

Остается надеяться, что разработка системы питания насосов от Rocket Lab, как и другие новые ракетные технологии найдут широкое применение в индустрии.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

26
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии.
Андрей Марков
Участник

Великолепная статья! Спасибо!

Сергій Сич
Участник

А разве насосы без турбин продолжают быть турбонасосами?

Андрей Марков
Участник

Вообще-то турбонасос может приводиться в действие электродвигателем, если тот вращает турбину, нагнетающую топливо/окислитель, а не какой-нибудь поршневой механизм с клапанами. В таком случае, он имеет полное право называться турбонасосом от слова «турбина». 🙂

Эдуард Худолей
Участник

Уважаемый Сергiй Сич . Если в системе установлена штивтовая форсунка то для создания (масляного) топливного тумана после форсунки можно установить-ТНВД (топливный насос высокого давления.Срок службы форсунки 2000-2500 часов.

Юра Павлик
Участник

Спасибо

Ruslan Kalayda
Участник

Супер стаття, єдине різануло висловлювання Пітера Бека: «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,»
Ось якраз не за короткий проміжок часу, а над акамуляторами працюють в цій сфері послідовно десятки років, і покращення в акамуляторній сфері теж йде посступове практично без скачків….

Vadim Fomenko
Участник

Но за последние 5 лет аккумуляторы стали с большей мощностью при этом вес и размеры стали невелики что позволило создать дроны, а в ближайшем будущем аэрокоптеры такси

Ruslan Kalayda
Участник

Так, за останні кілька років акуми зменшились достатньо щоб їх почали використовувати в дронах, електротехніці та в іншому. Але до цього йшли винахідники/вчені/промисловість десятки років. Не було шаленого скачка, було плавне нарощування ємності акумів (вправадження нових технологій не давало моментальної громадної збільшення ємності, а давало нарощувати ємність з новою технологією.
Не було так що акуми були практично не змінні, а потім раз і за 5 років революція в світі акумів.

Эдуард Худолей
Участник

Дорогие Колеги ,Друзья .Прекрасная статья.но у нас на Альфе Центавра так бы не стоили, Устанавливаем в сопло маленькую фор-камеру,Подключаем топливный насос высокого давления для впрыска и поджигания топлива,На кислородну сторону устанавливаем отсечной клапан,Получаем другую большую мощность.С уважением,Эдуард.Спасибо Питеру Беку.

Oleg Lo
Участник

Похоже, Денис Михайлов поменял ФИО… 🙂

Андрей Марков
Участник

Это точно он, не ходи к лингвисту. Впрочем, и предыдущие ФИО сильно смахивают на что-то предыдущее. 🙂

Oleg Lo
Участник

«не ходи к лингвисту»
И к стоматологу тоже. 🙂
«и предыдущие ФИО сильно смахивают»
Если Вы тонко намекаете на Аэромеханика В., то позволю себе испустить лёгкое облако сомнения… У него таких шедэуров мной не было наблюдено.

Андрей Марков
Участник

Не-не-не. Аэромеханик из другой палаты. Я слабо намекал, что проглядывается непервоначальность всего посыла. Стало быть, персонажу невпервой ники менять под видом ФИО. Таким образом, маска меняется, дабы обнулить все предыдущие впечатления публики о данном субъекте, которому невдомёк, что его потуги видны, как на ладони. Одна его надёжа на политкорректность сообщества, коей такие спецы пользуются от всей души.
До эпохи и-нета уже существовало такое явление, как эксгибиционизм. Теперь оно приобрело столь причудливые формы. Миллион пардонов за офф-топ!

Oleg Lo
Участник

» …которому невдомёк, что его потуги видны, как на ладони.»
Профессор Плейшнер не подозревал, что явка уже провалена.

Myroslav Rozum
Участник

А вдруг он действительно маленький зеленый человечек, который пытается улететь домой, а именами на их планете не пользются, вот он и называет себя как Бог на душу положит (или кто у них там?). Злые вы

Елисей Маслов
Участник

Информацию о 20 МПа взяли из источника или придумали?

Alexey G
Участник

Один ньюанс. Здесь применены литиевые аккумуляторы или литиевые одноразовые батареи? Тут интересно оценить потенциал топливных элементов. Особенно на двигателях кислород-водород.

Ігор Возний
Участник

Не легче-ли?
Для сверхлегких/легких РН разлагать перекись 98% /не криогенный окислитель! Плотность сопоставима с АТ
Дойче научились это делать управляемо и вполне безопасно, еще в 40-х прошлого века..
Изопропанол/не криогенное топливо, хороший хладагент КС, плотность сопоставима с НДМГ
Нетоксичны!
Замена АТ/НДМГ
Зеленые дружно идут нафих, физические характеристики указанных компонентов схожи.

Такой себе «Циклон-2» замутить эко-френдли.
У кого будут какие конструктивные контр-доводы шановне паньство?

Ігор Возний
Участник

и никому не интересно 🙁 …

Myroslav Rozum
Участник

Игорь, ну вы же понимаете, что людей способных поддержать подобную дискуссию здесь всего несколько человек, остальные — просто интересующиеся любители. У вас классные комментарии, было бы здорово почитать вашу большую статью (если найдете время)

Вячеслав Ермолин
Участник

Ценник за все эти инновации конский. На мой дилетантский взгляд судьба этих мелких недоракеток незавидная — будут убиты сервисами предоставления попутных нагрузок на средних и тяжелых РН. И вся эта сотня стартапов с мелкими ракетами останется воспоминанием. Могут остаться конторы для которых деньги за пуск не являются главным критерием.

Evgeny aka JekaM
Участник

Как раз из-за двух существенных минусов этих сервисов попутных нагрузок и возникли малые и сверхмалые РН:
1) Невозможность запуска мелкой ПН в удобный момент, т.к. нужно ожидать и подстраиваться под основную ПН.
2) Невозможность вывода сразу на необходимую орбиту для мелкой ПН. Опять же, нужно подстраиваться под основную ПН.

И находятся те, кто согласен заплатить дороже за самостоятельный запуск на малой/сверхмалой РН, чем воспользоваться сервисом попутной нагрузки.

Вячеслав Ермолин
Участник

Это просто был этап становления рынка. Уже существует несколько сервисных компаний которые делают, тестируют и используют собственные адаптеры для размещения малых нагрузок. С привлекательными ценами на вывод. Тот-же STR-2 на FH — там посредник такая контора (американская). А на Союзе с Метеором — немецкая. Для Фрегата или второй ступени F9 не представляет труда развести по нужным орбитам. Никаких особых специфических орбит нет.
И это только начало. Эти компании, помимо вопросов выведения, предложат еще и сами платформы и спец программы лояльности и т.д. Запускать свои 150 кг за 6 млн желающих не будет. Обычно стоимость вывода меньше (иногда в разы) стоимости полезной нагрузки. Для мелкоракет все наоборот — и кому это надо?

Ігор Возний
Участник

Уже вполне отработана технология возврата к месту старта суборбитальной ракетки exosaero.com/benefits/
ТП этанол+ЖК вытесниловка, ~23 кН, бустер на парафойле вернулся к месту старта, ПН на отдельном парашюте.
Затраты на пуск «копеечные», в районе 100кБаксов

Ігор Возний
Участник

В смысле ценник конский?
Изделие новозеландцев уже было запущено 2-3 раза, вполне соизмеримо с «Ангарой».
Вот затраты на разработку и запуск абсолютно несоизмеримы.
Летать в космос давно не проблема, летать как можно менее затратно, вот актуальная задача.
Маленькие ракеты, большое подспорье в вопросе отработки технологий кардинального сокращения затрат.
На разработку и пусковых, а поле там не паханное. Вполне реально сократить на порядок.

ИМХО
Оптимальная размерность ракеты носителя такого формата 1й Фалькон.
Полностью многоразовые ступени, не криогенное и нетоксичное топливо.
Максимальна автоматизация предпусковых операций и высокая заводская готовность носителя.

Вячеслав Ермолин
Участник

Конский это: за 150 кг на ССО 6 млн$. По 40 000 за кило. Через сервисы попутной нагрузки может быть на порядок ниже.

Evgeny aka JekaM
Участник

«Через сервисы попутной нагрузки может быть на порядок ниже.»
Может… но ожидать подходящего запуска можно не один год…
Поэтому есть выбор: 1) Запустить сейчас, но дорого. 2) Ждать запуска два года, но дёшево.
Поэтому уверен, что будут успешно сосуществовать два этих направления.

Вячеслав Ермолин
Участник

Как только посредники отработают свои адаптеры, докажут их надежность и лояльность к основной нагрузке и отработают взаимодействие с пусковиками — ничего ждать и переплачивать не придется. Это будет концом мелкоракет. Останутся либо спецпроекты, где цена вторична, либо проекты по освоению денег бюджетов и инвесторов.

Ігор Возний
Участник

Если это рузке посредники… Может быть как с Ангарой…
а пока Электрон летает, на подходе еще мелко-ракеты
К сожалению в Украине совсем не технократы… А не понятно шо

Ігор Возний
Участник

Ибо ракета одноразовая. От криогенных КТ не ушли, в начале грезили каким-то монопропеллентом.
Ракета 12.5т а пуск-заправочная инфраструктура такая-же, как под 100 т ракету.
Потому и 6 млн.
Любые наклонения, ждать запуска спутнику это тоже затраты.
Независимый доступ в космос, вон Иран скока пыжится.

Вячеслав Ермолин
Участник

Все верно. И ракета модная из углепластика и инфраструктура как на настоящем космодроме. Все дорого. И ничего нового ни в логистике, ни в технологии нет. Возможность уменьшить цену только запуск серийного производства и высокий темп запуска. А под это нет рынка…

Ігор Возний
Участник

В логистике есть ГО и ПН могут интегрироваться отдельно от носителя. У заказчика.
Процедура интеграции ПН с носителем значительно упрощена.
Карбон позволил существенно уменьшить вес ступеней, электронасосная подача.
Вот сплошь и рядом?

Вячеслав Ермолин
Участник

Да, Вы правы, это отличное и понятное решение. Всем надо перенять. Все остальное к целевой задаче не имеет отношение. Это просто технология изготовления самого девайса. При этом не ведущая к новому качеству — новой стоимости, новой гибкости … готовят и запускают долго, с переносами и т.д. По планам хотели запускать каждый месяц — по факту не получилось.

Ігор Возний
Участник

Не все сразу! Не надо передергивать.
Задачу решили ИМХО во многом «брутфорсом» с инновациями электронасосная подача.
С ВКПВ 98% и Изопропанолом было-бы во многом проще, дешевле.
Перекись канешна тоже не подарок… Но не криоген! Метода работы и регламенты освоены. Изопропанол можно ампулизовать прямо на заводе.
У Бритов в 70-х прошлого века — 1 ступени из правильно плакированного дюраля/клепка, пайка/, на перекись+керосине. Имели сухой вес менее 8% от стартовой.
С тех пор материаловедение шагнуло далеко вперед.
У Электрона 10%. Ибо криогенный окислитель и аккумуляторы.
Парогенератор на разложении перекиси, еще Германцы в 40х освоили.

Вячеслав Ермолин
Участник

Согласен с Вами, подобные маленькие рисковые фирмы готовы опробовать разные технологии и материалы. Приобрести опыт и дать другим посмотреть, что получится. Это, видимо, одна из главных позитивных целей всей этой движухи с ракетными стартапами. 9 из 10 таких начинаний заканчиваются без положительного результата.

Ігор Возний
Участник

… лицемерие запредельное
можно о положительном результате Ангары? на которую потрачено порядка 5 ярдов
скока спутников вывела?
С ваших слов мелко ракетка УЖЕ вывела 7 спутников, на ее проектирование и изготовление инфраструктуры потрачено около 200 млн

Вячеслав Ермолин
Участник

Игорь, я типаж Вашего типа хорошо знаю, общаться не буду. Скучно и не интересно.

Ігор Возний
Участник

слив засчитан!

Ігор Возний
Участник

Поправочка!
Электрончик уже летал больше Ангары — 5 коммерческих миссий и 2 испытательных
Толи дело Ангара более 5 ярдов полноценных денег — БЮДЖЕТНЫХ!!! 2 тестовых пуска весо-габаритный макетов на Куру. Якобы успешно…
Но больше ни одного успешного коммерческого пуска, та даже военного!
Иканомия, рузкая «экономия» — Сталина на вас *роды нету!

На ракетку потрачено, где-то промелькало, около 180 млн.
Государство Н.Зеландия, не потратило ни цента! Еще заработает на аренде земли.

Вячеслав Ермолин
Участник

Игорь, Ангара тут каким боком? Ни одна из ее модификаций к мелкоракетам не подходит. И потом это не коммерческий проект — основное назначение ее — независимый доступ ко всем орбитам и нагрузкам с территории России. Это для военных и госов. Не летает потому-что торопиться некуда — есть Протон и Байконур (пока). Завод в Омске строится, серийное производство модулей отлаживается, старт для Ангары на Восточном начали строить.
Все там нормально. Никаким образом повлиять на программу Ангара всякие Фалкон и Электроны не могут в принципе.

Ігор Возний
Участник

Ангара это касаемо реально КОНСКОГО прайса, причем с нулевым выхлопом — ПО СУТИ!
Маск уже тяжелый носитель сделал — РЕАЛЬНЫЙ! Уже выводил нагрузки, потратил «аферист» раз в 6 меньше денег. Ибо свои тратил и со инвесторов.
В Омске завод строится ;)… Та канешна нормально денег попилят кореша недомерка, плешивен-фюрера.
Еще пару болванок на Камчатский полигон якобы прилетит. И фсе…
К тому времени Старшип облети Луну, или в автоматическом режиме доставит оборудование на Марс, в район будущей обитаемой базы. За деньги соизмеримые с разработкой Ангары.

Нагрузок нет! По сути… Глонас усЁ… Будет Байдоу, Галлилео
Спутники ваяемые Решетнем… и прочими служат 5-6 лет, в среднем, импортные 20-25

Вячеслав Ермолин
Участник

Хорошо если так все и будет (от Маска). Тогда ситуация с комической активностью будет взорвана. Но в это я не верю (в СтарШип и «дешевый космос»). И проблем и возможностей Роскосмоса это никак не затронет.

Ігор Возний
Участник

Какие взрывы? Будет отлажена многоразовость бустеров, больших! Соизмеримых с 1ступенью Сатурна5.
Тогда и будет стоимость кг на опорную орбиту в районе 500 баксов.
Но это никак не затронет Роскосмос — с этим согласен.

Вячеслав Ермолин
Участник

Будет «взорван» существующий космический рынок и будут созданы новые рынки. Если «выстрелит». В грезах о 500 баксов за кг можно совсем оторваться от реала. Пусть Маск продемонстрирует стоимость вывода ниже русских ракет (по факту, а не по мурзилкам и мультфильмам).

Ігор Возний
Участник

Каких рузких? рузкие — Ангара, порядка 5 ярдов в ценах 13 года и два ведра на Камчатку
ФсЁ, за четверть века «разработки»
/Подобного у Маска никогда не будет
Совецкие, это допил германских концептов конца 40х
Ибо до того в ССР был ракетомодельный кружок ГИРД

Uihat Rabinovich-Oglu
Участник

— «Но в это я не верю (в СтарШип и «дешевый космос»)»
http://memesmix.net/media/created/qjp0p9.jpg

Вячеслав Ермолин
Участник

Астанавитесь! Здесь не ЦензорНет.

Uihat Rabinovich-Oglu
Участник

-«Здесь не ЦензорНет»
что есть ЦензорНет? почему Нет?

Вячеслав Ермолин
Участник

потому:)

Uihat Rabinovich-Oglu
Участник

thank you for sharing your knowledge with me.

Вячеслав Ермолин
Участник

Извините, это тема известного контекста русского-украинских отношений. Которым тут, на мой взгляд, не место.

Показать скрытые комментарии

[скрыть] Последние комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.