Ракетный двигатель rs 25: Реактивный двигатель RS-25, предназначенный для системы запуска следующего поколения SLS, успешно проходит первый тест

НАСА провалила испытание RS-25 — YouTesla.ru

Автор Нина Кузнецова На чтение 5 мин Просмотров 79 Опубликовано 23 января, 2021
Обновлено 23 января, 2021

Странные новости приходят с космических полей США – амбициозный проект «Артемида» по повторному «покорению» Луны и последующей экспансии на Марс, в самой своей основе имеет проблему. Двигатели RS-25, которые SLS будет использовать в первой ступени, не прошли огневые испытания.

Речь идет об огневых испытаниях двигателей ракеты-носителя Space Launch System, созданной для полетов к Луне и Марсу.
В ходе испытаний специалисты проверяли работу четырех двигателей RS-25. Их установили на специальную опору на территории комплекса NASA в Миссисипи (США).
Отмечается, что все четыре двигателя успешно загорелись, но планировалось, что они проработают вместе не меньше восьми минут, в то время как сотрудникам пришлось прервать испытания уже на 67 секунде.  «Это не то, на что мы надеялись», — прокомментировал случившееся администратор NASA Джим Брайденстайн.

Источник

И хотя специалисты НАСА полны энтузиазма, утверждая, что даже неудачные испытания показали работоспособность системы в принципе, их чувства вызывают сомнения. Двигатели были в свое время разработаны для программы Space Shattle.

РС-25 (Ракетная система 25, англ. Rocket System 25, RS-25) или SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока) — жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Спейс шаттл», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Основными компонентами топлива двигателя являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).

Источник

Двигатель был разработан в 1972 году, имеет тягу 222,6 тс в вакууме, тяговооруженность 73,12. Топливная пара «кислород-водород» – летающая бомба с массой проблем, но дающая максимальную возможную тягу.

Его конкурент, который отлично зарекомендовал себя во всех американских космических программах российский двигатель РД-180 имеет тягу 423,4 тс в вакууме, тяговооруженность 77,3. Топливо «керосин-кислород» – не самый экологичный вариант, можно было бы уже и на метан перейти, но наиболее безопасный и технологичный.

Да, RS-25 однокамерный, а РД-180 – двухкамерный, поэтому сравнение, на первый взгляд, неверное, нужно поделить характеристики российского двигателя пополам. Но основная проблема не в этом – российский двигатель работает устойчиво, разработан позднее, широко используется. Но для перспективного проекта взят устаревший ракетный двигатель, хотя несколько американских компаний ведут разработки своих новейших двигателей. О чем это говорит? Почему «покорители Луны» до сих пор не могут разработать собственный мощный ракетный двигатель для тяжелой ракеты, которая должна заменить «легендарную» «Сатурн-5»?

Ответ, скорее всего, кроется в простых истинах – НАСА, не имея возможности реализовать в полном масштабе космические проекты, элементарно «пилит» бюджет, кормя налогоплательщиков красивыми сказками и голливудскими постановками о полетах в космос и на Луну.

При этом основной упор, как всегда, делается на беспилотные миссии, которые, справедливости ради, дают массу научной информации мировому сообществу о том, как устроен космос. Фотографии, получаемый с зондов, добравшихся до границ Солнечной системы, потрясают воображение. Картинки с Марса, отправляемые роверами, еще не скоро будут дополнены сторонними исследователями.

Но в большинстве своем ракеты, доставляющие беспилотные миссии в точку назначения, используют российские ракетные двигатели или изотопные топливные, изготовленные еще в СССР. Пока что похвалиться запуском человека в космос на низкую орбиту может только Илон Маск, но это всего лишь первая ступенька на пути к Луне и Марсу. Нужна реальная тяжелая ракета, способная доставить космонавтов в пункт назначения и желательно живыми.

Каждый раз, когда речь заходит об американской программе ракетных двигателей, возникает вопрос преемственности и поступательного развития технологий. Почему-то этих двух важнейших факторов никак не обнаруживается, каждая следующая разработка напрочь отметает все, созданное ранее, чтобы поставить на испытательный полигон нечто совершенно оригинальное. И каждый раз испытания таких ракетных систем растягиваются на годы, а то и прекращаются. Снова вспоминают о двигателях, ранее испытанных и достают их из хранилища, чтобы успеть в срок реализовать обещанное.

А что же в России, чем мы ответим на американскую программу SLS и перспективы, описанные Илоном Маском?

РД-171МВ представляет собой четырехкамерный ЖРД, использующий топливную пару керосин-кислород. При собственной массе 10,3 т изделие способно развивать в пустоте тягу 806 тс.

В НПО «Энергомаш» ранее рассказали, что мощность РД-171МВ составляет 246 тыс. лошадиных сил, а тяга при массе в 10 тонн превышает 800 тонн. Первый двигатель планируется передать заказчику в 2021 году для установки на первой ступени ракеты-носителя «Союз-5» (Иртыш), запуск которой запланирован на 2022 год с космодрома Байконур.

При использовании первой ступени с шестью двигателями РД-171МВ ракета «Енисей» будет иметь массу более 3100 т и сможет выводить на НОО нагрузку не менее 100 т. Для ГСО нагрузка будет составлять 25-30 т. Ракета с такими характеристиками может использоваться при организации межпланетных миссий.

Да, это будет не завтра, но двигатель уже прошел огневые испытания (успешные), под него разрабатываются ракетоносители и строятся планы покорения космоса. Надеюсь, вопрос финансирования будет решен без привлечения иностранных инвестиций – хватит делиться своими секретами с теми, кто использует их против нас самих.

Один вопрос остался нераскрытым – зачем НАСА использует устаревшие двигатели? Неужели нет ничего более нового и совершенного? А вы знаете ответ?

Автор кроме ведения блога еще и пишет книги. Недавно вышла в свет новая серия «Иной мир». Фантастические приключения героев на грани миров живых и умерших. Нет предела желаниям людей добиться желаемого, даже используя иной мир в своих интересах. Вы можете получить в подарок первую книгу из этой серии, оценить стиль автора и саму идею, чтобы сделать осознанный выбор – купить остальные 3 книги из этой серии! Думаю, это честный подход!

Книги Сергея Шангина в издательстве Ridero
© Copyright: Сергей Шангин, 2021

Источник

• Об авторе
• Хотите связаться со мной?

Нина Кузнецова

Главный редактор , youtesla. ru

Более 30 лет я занимаюсь наукой и технологиями. Товарищи советовали мне делиться самым интересным на просторах интернета. Изучение нового и неопознанного это моя жизнь, узнавайте самое интересное со мной.

Сравнение ракетных двигателей Merlin, Raptor, BE-4, РД-180, RS-25 и F-1

В прошлом месяце на ресурсе Everyday Astronaut вышел чрезвычайно полезный и содержательный обзор современных и находящихся в разработке ракетных двигателей. Русский перевод статьи на днях опубликовал Alpha Centauri. Героями публикации стали следующие модели:

• Merlin (SpaceX, США) — используется в ракетах семейства Falcon: 1 шт. на первой ступени Falcon 1, 9 шт. на первой ступени и 1 шт. на второй ступени Falcon 9, 27 шт. на первой ступени (по 9 шт. на каждом из трех ускорителей) и 1 шт. на второй ступени Falcon Heavy
• Raptor (SpaceX, США) — проходит испытания, предназначен для сверхтяжелой ракеты BFR (31 шт. на первой ступени и 7 шт. на второй ступени)
• BE-4 (Blue Origin, США) — проходит испытания, предназначен в частности для тяжелой ракеты New Glenn
• РД-180 (НПО Энергомаш, РФ) — двухкомпонентный двигатель, используется в первых ступенях американских ракет Atlas III и Atlas V (1 шт. )
• RS-25 (Aerojet Rocketdyne, США) — использовался в многоразовом орбитальном ракетоплане космического челнока Space Shuttle (3 шт.), также планируется к использованию в первой ступени (4 шт.) сверхтяжелой ракеты SLS
• F-1 (Aerojet Rocketdyne, США) — использовался в первой ступени (5 шт.) свертяжелой (на сегодня — самой тяжелой из когда-либо созданных) ракеты Saturn V, на которой 50 лет назад был выполнен первый в истории пилотируемый полет с посадкой на Луну.

Ракетный двигатель Merlin

Прежде чем начать с описания характеристик всех шести двигателей, давайте вкратце рассмотрим основные их параметры:

Цикл. Он бывает открытым или закрытым. В открытом часть топлива используется для приведения в действие турбо-насосного агрегата (вращения турбины, подающей топливо из бака в двигатель), после чего отработанная струя газа отводится наружу и теряется.

В закрытом цикле эта струя из газогенератора турбо-насосного агрегата подается в камеру сгорания, пройдя предварительное окисление кислородом для полного выгорания, и таким образом увеличивает тягу. Эту чрезвычайно сложную технологию впервые разработали и использовали в СССР, в двигателе НК-15, созданном для сверхтяжелой ракеты Н-1 (все четыре её испытания закончились неудачей, проект был закрыт). Аналогичная схема применяется в РД-180, который великолепным назвал даже Илон Маск.

В США эту схему применили в двигателе, где вместо керосина использовался жидкий водород — RS-25 орбитального ракетоплана Space Shuttle (Aerojet Rocketdyne). Его советским аналогом стал РД-0120, созданный для второй ступени ракеты-носителя Энергия. В двигателе замкнутого цикла вместо одного общего газогенератора установлены два — отдельно для водородного и кислородного насосов (поскольку жидкий водород является намного менее плотным, чем керосин и жидкий кислород). Во избежание утечек взрывоопасного водорода инженеры Aerojet Rocketdyne задействовали специальные прокладки, находившиеся под давлением безопасного в этом отношении гелия.

Недостатком RS-25 было то, что кислород в нем газифицировался частично — остальная часть в смесительную головку камеры поступала в жидком виде. Полная газификация задумывалась только в трех двигателях:

• РД-270 (СССР), разработка и испытания которого были приостановлены после сворачивания проекта по созданию сверхтяжелой ракеты УР-700
• «Интегрированном демонстраторе силовой насадки» (США), разработка которого также была прекращена
• Raptor компании SpaceX.

Таким образом, в случае удачи Raptor станет первым в истории серийным ракетным двигателем закрытого цикла с полной газификацией. Согласно Википедии, «при использовании данной схемы турбины могут иметь мéньшую рабочую температуру, так как через них проходит бóльшая масса, что должно привести к более продолжительному функционированию двигателя и его бóльшей надёжности». Как вы понимаете, для многоразовых ракет SpaceX это преимущество является ключевым.

Топливо. Рассматриваемые в статье ракетные двигатели используют один из следующих видов топлива: керосин, жидкий метан (природный газ) или жидкий водород. Ключевыми характеристиками топлива являются:

• Плотность, измеряемая в граммах на литр. Чем она больше, тем больше топлива вместит топливный бак.
• Соотношение масс сжигаемого горючего и окислителя (в качестве которого выступает жидкий кислород) — стехиометрический коэффициент. Сочетание плотности топлива со стехиометрическим коэффициентом определяет:
• Количество литров топлива, требуемого на один литр окислителя. В свою очередь этот показатель определяет пропорцию объемов баков для топлива и жидкого кислорода.
• Удельная тяга. Чем она больше, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Выражаясь в секундах, удельная тяга показывает сколько времени двигатель может создавать тягу в 1 Н (Ньютон — сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы), истратив при этом 1 кг топлива. Соответственно, чем удельная тяга больше, тем лучше.
• Температура кипения — определяет температуру, при которой топливо из жидкого состояния переходит в газообразное. Чем она ниже, тем сложнее и дороже хранить данное топливо.
• Температура горения — напротив, чем она ниже, тем лучше, поскольку меньше изнашивается двигатель (что опять же критично для многоразовых ракет).

В таблице снизу представлены все перечисленные выше характеристики:

Как видим, в целом керосин в качестве топлива представляется более предпочтительным, за исключением таких параметров как удельная тяга и температура горения — здесь лидирует водород и занимает промежуточное положение метан. Почему же, в таком случае, некоторые производители ракет керосину предпочли метан или водород? Ответ кроется в миссиях, для которых эти ракеты, с заделом на будущее, предназначены — метан с водородом можно производить на Марсе. И соответственно не брать с собой топливо на обратную дорогу.

Теперь давайте рассмотрим характеристики самих ракетных двигателей:

	Merlin	Raptor	BE-4	РД-180	RS-25	F-1
Производитель	SpaceX (США)	SpaceX (США)	Blue Origin (США)	НПО Энергомаш (РФ)	Aerojet Rocketdyne (США)	Aerojet Rocketdyne (США)
Ракета-носитель	Falcon 9 (9 + 1) Falcon Heavy (27 + 1)	BFR (31 + 7)	New Glenn (7)	Atlas III (1) Atlas V (1)	ракетоплан Space Shuttle (3) SLS (4)	Saturn V (5)
Первый рабочий полет	2010	2021	2021-2022	2000 2002	1982 2020	1968
Цикл	Открытый	Закрытый (полная газификация)	Закрытый (частичная газификация)	Закрытый (частичная газификация)	Закрытый (частичная газификация)	Открытый
Топливо	Керосин	Метан	Метан	Керосин	Водород	Керосин
Давление в камере	97 бар	270 бар	135 бар	257 бар	206 бар	70 бар
Тяга	0. 84 мН	2.00 мН	2.40 мН	3.83 мН	1.86 мН	6.77 мН
Тяговооруженность	198:1	107:1	80:1	78:1	73:1	94:1
Удельная тяга	282 сек 311 сек	330 сек 350 сек	310 сек 340 сек	311 сек 338 сек	366 сек 452 сек	263 сек 304 сек

Здесь следует сразу оговорить, что приведенные в таблице характеристики не являются рекордными — например, у 4-камерного советского двигателя РД-170, разработанного для ракеты-носителя «Энергия», тяга была на несколько процентов больше, чем у F-1 — при том, что последний был крупнее и расходовал больше топлива.

Что касается эффективности, то её обычно оценивают по тяговооруженности (отношению тяги двигателя к его весу) и, в большей степени, удельной тяге. Напомню, что она показывает сколько секунд двигатель сможет создавать тягу в 1 Ньютон, истратив при этом 1 кг топлива. В таблице удельная тяга приводится в двух значениях, на уровне моря и в вакууме. В нашей таблице по тяговооруженности с большим отрывом от всех остальных двигателей лидирует Merlin, а по удельной тяге — RS-25.

Но пожалуй главный интерес представляет цена вопроса — сколько же стоят все эти двигатели? Если сведения Everyday Astronaut более-менее достоверны, то картина складывается такая:

	Merlin	Raptor	BE-4	РД-180	RS-25	F-1
Цена одного двигателя	< $1 млн	~$2 млн	~$2 млн	$25 млн	> $50 млн	$30 млн
Ракета-носитель	Falcon Heavy	BFR	New Glenn	Atlas V	SLS	Saturn V
Кол-во двигателей у первой ступени	27	31	7	1	4	5
Полная стоимость	$27 млн	$62 млн	$14 млн	$25 млн	$200 млн	$150 млн
Цена на 1 кН (единицу тяги)	$1,170	$1,000	$3,333	$6,527	$26,881	$4,431
Ресурс (кол-во запусков)	10	50	25	1	19	1
Полная стоимость на один полет	$2. 7 млн	$1.24 млн	$0.56 млн	$25 млн	$10.5 млн	$150 млн
Полезная нагрузка (НОО)	30 т (1)	100 т	45 т	20 т	95 т	140 т
Полная стоимость на 1 т	$90 тыс	$12.4 тыс	$12.4 тыс	$1.25 млн	$110.5 тыс	$1.07 млн

⁽¹⁾Как уже рассказывал Gadgets News, в многоразовой опции полезная нагрузка Falcon Heavy составляет не 63.8 т, а 30 т — требуется брать больше топлива для возврата трех бустеров первой ступени. В отношении остальных многоразовых ракет я исхожу из того, что заявленная по ним полезная нагрузка также относится к многоразовой опции.

Обратите внимание, что в стоимость доставки на НОО заложена цена только двигателей первой ступени. По этому критерию мы получаем любопытное совпадение между BFR и New Glenn — $12.4 тыс за одну тонну. Это примерно на один порядок дешевле Falcon Heavy и SLS, и на два порядка — Atlas V и Saturn V.

Как уже рассказывал Gadgets News, путем сравнения цены запуска Falcon Heavy в разных опциях получается, что центральный ускоритель первой ступени FH оценивается SpaceX в $5 млн, а боковые — по $27.5 млн каждый. Откуда взялась столь существенная разница между, казалось бы, примерно одинаковыми ускорителями, непонятно. Я подозреваю, что сведения о цене запуска FH с сохранением всех трех ускорителей ($90 млн) неверны — уверено можно говорить лишь о ценах запуска с потерей двух боковых и центрального ($150 млн), а также с сохранением двух боковых ($95 млн) ускорителей. Предполагая примерно одинаковую цену всех трех ускорителей, будем считать, что настоящая цена запуска FH с полным сохранением первой ступени составляет 95-(150-95)/2=$62.5 млн. Эта цена почти соответствует запуску Falcon 9 с сохранением первой ступени.

Правда, и в этом случае не вполне понятно почему вторая ступень FH стоит 150-30×3=$60 млн, а вторая ступень Falcon 9 — 60-30=$30 млн (для простоты все числа округлены). Разницу в $30 млн предварительно будем считать наценкой за сложность. В перспективе, вероятно, цены второй ступени FH и Falcon 9 сравняются на уровне $30 млн, что составляет $1 млн за тонну (напомню, что полезная нагрузка FH с возвратом первой ступени составляет 30 т). Исходя из ресурса первой ступени (три ускорителя по цене $30 млн каждый) в 10 запусков, полная цена доставки на НОО одной тонны полезного груза ракетой FH составит (30×3)/10/30 + 1 = $1.3 млн (в т.ч. $90 тыс — за износ двигателей). Для сравнения, отправка на НОО 63.8 т полезного груза с потерей первой ступени ($150 млн) стоит $2.3 млн.

Таким образом, будущее снижение стоимости запусков Falcon Heavy обещает стать существенным, но отнюдь не революционным. Другое дело — BFR, у которой многоразовыми являются обе ступени, и вдобавок заявленный ресурс составляет 50 запусков. Если сделать смелое допущение, что и у BFR на ракетные двигатели приходится около 1/3 цены, то полная стоимость этой сверхтяжелой ракеты составит (31+7)×2×3=$228 млн. С учетом дополнительных сложностей её изготовления округлим эту сумму до $250 млн. Соответственно каждый из 50 запусков будет стоить $5 млн, а стоимость доставки груза на НОО составит $50 тыс за тонну. И вот это на рынке орбитальных запусков действительно станет революцией — если, конечно, сбудутся обещания SpaceX.

НАСА заказывает еще 18 двигателей RS-25 для лунной ракеты SLS стоимостью 1,79 миллиарда долларов. Фото: NASA

За четыре года до того, как следы человеческих ботинок снова появятся на пыльной поверхности Луны, НАСА заключило контракт на сумму 1,79 миллиарда долларов с компанией Aerojet Rocketdyne из Сакраменто, штат Калифорния, на изготовление 18 дополнительных двигателей RS-25 для гигантского космического корабля. Система запуска (SLS). Этот мощный двигатель обеспечил запуск 135 космических челноков со стартовой площадки в период с 19 апреля по 19 апреля.81 и июль 2011 года, а его следующая миссия обеспечит мощность для SLS, которая в настоящее время нацелена на свой первый рейс в следующем году.

Пятничное соглашение доводит контракт RS-25 между НАСА и Aerojet Rocketdyne почти до 3,5 миллиардов долларов и может поддерживать до шести полетов SLS к 2029 году.