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

NASA провело второе огневое испытание обновлённого двигателя RS-25 для лунной программы «Артемида»

Жизнь двигателя после смерти ракеты / Хабр

Спейс шаттлы прекратили полеты почти ровно семь лет назад, но их двигателям SSME (RS-25) оказалась уготована более долгая жизнь. Сейчас они активно испытываются под разными названиями для двух проектов, причем в одном случае они модифицируются под однократное использование, а в другом, наоборот, проверяют, что двигатели сохранили возможность отправиться в космос снова с минимальными задержками.

Испытания двигателя на базе SSME, фото NASA

Перезапуск производства для SLS

От шаттлов осталось шестнадцать двигателей SSME. Этого хватит на четыре полета сверхтяжелой ракеты SLS (на второй ступени стоят четыре двигателя), но для последующих пусков потребуются новые. Поэтому еще в 2015 году Aerojet Rocketdyne получила контракт на возобновление производства. Параллельно тогда же начались проверки адаптированных под новую ракету двигателей со склада. А с конца 2017 года приступили к испытаниям модификаций для новых двигателей.

Главным отличием новых RS-25 будет увеличенная тяга. В конце эксплуатации шаттлов двигатели работали на 104,5% исходной тяги. Для адаптированных двигателей со склада ее уже увеличили до 109%, и если в 2017 году планировали добавить 2 процента, то уже в феврале этого года тестовый двигатель «разогнали» до 113% исходной тяги. Кроме этого, на RS-25 поэтапно внедряются новые детали.

На этапе 1А на двигатель установили новый демпфер пого-колебаний, произведенный методом селективного лазерного спекания на 3D-принтере. Печатать деталь сложной формы будет дешевле, чем изготавливать использовавшимися ранее методами.

Этап 1B, как ожидается, начнется 4 августа, и на нем проверят 9 новых деталей, среди которых новая камера сгорания, изготовленная методом горячего изостатического прессования, и более дешевая теплоизоляция насоса топлива высокого давления.

Новая изоляция — серебряное покрытие слева. Фото NASA

Главным изменением этапа 2 будут простые гофрированные трубопроводы вместо сложных гибких соединений. В отличие от шаттла, двигатели SLS будут меньше поворачиваться в полете, что позволяет упростить конструкцию.

А на этапе 3 сопло, которое раньше изготавливалось из 37 деталей, заменят на новое, собирающееся из всего четырех.

Изготовление нового сопла, фото NASA

В итоге кроме увеличения тяги двигатель должен заметно подешеветь, потому что новые компоненты, как ожидается, будут стоить на 20-60% меньше.

Экономия на новых деталях, иллюстрация NASA

По условиям заключенного контракта шесть новых двигателей должны быть переданы NASA в июле 2024 года.

Подтверждение многоразовости для XSP

Экспериментальный космоплан XSP (или еще недавно XS-1) — это проект DARPA по созданию ракеты-носителя с крылатой многоразовой первой ступенью.

В качестве двигателя крылатой ступени выбрали один SSME. Под названием AR-22 двигатель, в отличие от первого проекта, использует уже хранящиеся на складе детали и дефорсирован с 104,5% до исходных 100% тяги, которая была в 70-х. Зато здесь двигатель успешно показал пригодность к повторному пуску через сутки — в начале июля завершилась серия испытаний с 10 пусками двигателя за 10 дней. Именно быстрота повторного использования является одной из «киллер-фич» проекта.

Конечно же, такая скорость межполетной подготовки породила новые проблемы, например, пришлось искать способы быстро просушить двигатель. Но с ними справились, и среднее время межполетной подготовки составило 18,5 часов, а лучшее — 17 часов.

Заключение

Использование удачных конструкций прошлых проектов — логичная вещь, но сейчас, с модой на многоразовость, забавно смотреть, как из многоразового двигателя шаттла делают одноразовый для SLS. И если задуматься, тут скрыта любопытная история. Те компоненты шаттла, которые могли служить десятки полетов, устарели. В начале нулевых NASA пришлось искать по чуть ли не помойкам процессоры 8086. А двигатели постоянно перебирались и заменялись — за 135 полетов шаттлов на них отработали 46 SSME (еще один был изготовлен, но не летал ни разу). В среднем один двигатель служил 8,8 полетов, и при производстве новых двигателей в них закладывали модификации, улучшающие их характеристики.

История обновлений двигателя, схема NASA

В результате двигатель пережил свою ракету, и сейчас его может ждать еще долгая жизнь в других проектах.

Двигатель РС-25 | Aerojet Rocketdyne

Загрузка…

Обеспечение освоения дальнего космоса

Компания Aerojet Rocketdyne является генеральным подрядчиком проверенных в полете высокопроизводительных двигателей RS-25, которые используются для приведения в движение американской ракеты-носителя нового поколения — системы космического запуска NASA (SLS) . Четыре двигателя RS-25, расположенные в нижней части основной ступени, приведут ракету в движение во время ее восьми с половиной минут подъема в космос с тягой более 2 миллионов фунтов.

Основные характеристики

RS-25 произошел от главного двигателя космического челнока Aerojet Rocketdyne (SSME), который успешно обеспечил 135 полетов космического челнока. За время эксплуатации шаттла двигатель претерпел пять крупных модернизаций, каждый раз с применением современных технологий и инноваций, каждый раз демонстрируя значительные улучшения в плане безопасности и надежности. Между программой шаттла и программой SLS двигатели RS-25 и SSME в совокупности отработали более 1,1 миллиона секунд.

RS-25 представляет собой двигатель ступенчатого сгорания, работающий на жидком водороде и жидком кислороде, что делает его одним из самых эффективных двигателей, которые когда-либо производились в стране. Двигатели SSME на шаттле обычно работали с вакуумной тягой 491 000 фунтов (104,5% от номинального уровня мощности). Требуемый уровень мощности для двигателей RS-25, которые будут летать на SLS, составляет 512 000 фунтов вакуумной тяги (109 процентов от номинального уровня мощности), чтобы увеличить грузоподъемность машины. Будущие модификации будут иметь еще более высокую тягу.

Компания Aerojet Rocketdyne приступила к разработке нового поколения двигателей RS-25 для использования 16 двигателей, оставшихся от программы космических челноков. Эти двигатели нацелены на снижение стоимости на 30% по сравнению с двигателями, которые летали на космических шаттлах, и будут оснащены новейшими передовыми технологиями производства, включая 3-D печать .

Технические характеристики двигателя

Ресурсы

• RS-25 Awesomeness Infographic
• RS-25 Невероятные факты
• NASA RS-25 Инфографика
• RS-25.
  

  Пресс-релизы

  • 30 сентября 2021 г. — Aerojet Rocketdyne успешно завершила серию испытаний ракетного двигателя системы космического запуска
  • 18 марта 2021 г. — От испытательного стенда к стартовой площадке: основная ступень первой системы космического запуска НАСА доставлена ​​в Космический центр Кеннеди на Луну
  • 27 января 2021 г. — Предстоящая серия испытаний двигателя RS-25 продемонстрирует недорогие компоненты ракетного двигателя для программы NASA Artemis0006
  • Сентябрь 2020 г. — Подготовка к главному событию SLS Green Run
  • 20 июля 2020 г. — Aerojet Rocketdyne завершает работу над двигателем для миссии НАСА Artemis II 25 ракетных двигателей для поддержки программы Artemis

  Сможет ли RS-25, бывший двигатель шаттла, доставить нас на Марс?

  Сердце системы космических запусков НАСА прибыло в Космический центр Кеннеди в апреле прошлого года в качестве первой за последние 50 лет ракеты агентства для работы в дальнем космосе.

  212-футовая основная ступень ракеты вместе с парой твердотопливных ускорителей и модулем экипажа «Орион» в значительной степени составляют систему космического запуска (SLS), на которую НАСА рассчитывает вернуться на Луну в рамках своей программы «Артемида» в 2026 году— последний раз агентство совершило этот подвиг с Аполлоном-17 в 1972 году.

  Несмотря на десятилетия между пилотируемыми запусками на Луну, SLS полагается на рабочую лошадку из программы шаттлов. В нижней части основной ступени установлены четыре двигателя RS-25, ранее называвшиеся главным двигателем космического корабля (SSME), поставляемые Aerojet Rocketdyne. Первоначально разработан в 1970-х, двигатели опытные, модернизированные ветераны, среди которых 25 предыдущих полетов космических челноков. Среди четырех двигателей, установленных на SLS, есть номера 2045 и 2060, оба использовались 8 июля 2011 года для запуска последней миссии шаттла, STS-135. Дуг Брэдли был в Космическом центре Кеннеди во время этого запуска, работая главным инженером Rocketdyne. «Я был на многих рейсах, но на 135 все было по-другому, — говорит Брэдли. «Это было наэлектризовано. Это был очень эмоциональный полет».

  Списание космического корабля «Шаттл» оставило в Rocketdyne задел из 16 двигателей, которые компания законсервировала. Было грустно, говорит Брэдли, видеть их списанными, когда они могли бы выполнить еще десятки миссий.

  Теперь, будучи заместителем руководителя программы в Aerojet Rocketdyne, Брэдли руководит возрождением двигателя SSME. (Слияние с Aerojet в 2013 году привело к нынешнему названию компании.) И это настоящее возвращение: SLS — это специально построенный внепланетарный транспорт для кампании NASA Artemis, направленной на возвращение людей на поверхность Луны, а затем на Марс. Таким образом, SSME, первоначально созданный с помощью логарифмических линеек и бумаги, стал основой исследований человека в 21 веке.

  «Очень приятно видеть возрождение этих двигателей, — говорит Брэдли. «А что может быть лучше, чем отправиться на Луну и Марс?»

  Космический корабль «Атлантис» во время последней миссии шаттла, STS-135, 10 июля 2011 года. Сзади видны три двигателя.

  NASA//Getty Images

  ---

  Rocketdyne начала производство SSME 31 марта 1972 года, но прошло еще пять лет, прежде чем Брэдли встал на борт. Выпускник инженерного факультета Калифорнийского политехнического государственного университета в Сан-Луис-Обиспо, Брэдли получил наводку от соседа и подал заявку в Rocketdyne на работу по программе челноков.

  «Я был старомодным. Каждый дизайн вы переносили на физическую чертежную доску с помощью ручек или карандашей», — говорит Брэдли. «Они начали огневые испытания двигателей в 1975 году, но в 1977 году мы все еще сжигали изрядное количество двигателей. Я был в турбомашине, и мы приняли на себя основную часть повреждений, так что это было очень захватывающе». Четыре турбонасоса лежат в основе конструкции двигателя. Эти вращающиеся вентиляторы создают экстремальное давление, которое осторожно выбрасывает жидкий водород (Lh3) и жидкий кислород (LOX) в основную камеру сгорания. Эти машины работают в суровых условиях, при температуре внутри камеры до 6000°F — достаточно высокой, чтобы расплавить железный прут в лужу. Но именно перепады температур создают особенно опасную нагрузку на тонко обработанные внутренности двигателя.

  «Только на турбонасосах у вас есть градиент в пару тысяч градусов от одного конца до другого», — говорит Брэдли. «Камера сгорания еще хуже. Они составляют тысячи градусов с (физическими) допусками в доли дюймов».

  Создание центрального кондиционера для основной камеры сгорания потребовало нестандартного мышления. В начале 1970-х годов исследователи Rocketdyne создали новый медно-циркониевый сплав под названием NARloy-Z специально для использования в двигателе. Новый материал мог выдерживать давление и температуры, которые угрожали деформировать крошечные каналы, которые доставляют сверхохлажденный жидкий водород через облицовку основной камеры сгорания, чтобы предотвратить ее возгорание.

  SSME также подвергался многолетним испытаниям, проводившимся в эпоху, когда еще не было компьютерного моделирования. НАСА потребовало, чтобы двигатели выдержали не менее 65 000 секунд пламени и дыма на стендах перед первым полетом, хотя двигатель работает всего 510 секунд во время миссии. Испытания включали в себя испытание SSME для работы на уровнях мощности, превышающих требуемые для миссии. Спустя десятилетия, когда НАСА оценивало двигатели SLS, эта дополнительная тяга оказалась бесценной.

  Космический шаттл, запущенный 12 апреля 1981 года, стал первым в мире многоразовым пилотируемым космическим кораблем, а SSME — первым многоразовым космическим ракетным двигателем. Когда орбитальный аппарат приземлился, его SSME были сняты, осмотрены и отремонтированы перед тем, как подготовиться к следующей миссии.

  «Я называю их своими детьми, потому что я жил со всеми этими двигателями с того дня, как они родились, когда они были испытаны, когда они летали», — говорит Билл Маддл, инженер по полевой интеграции RS-25 компании Aerojet Rocketdyne, который также работал по шаттл-программе. «Я должен был прикоснуться ко всем этим двигателям и стать частью их истории на протяжении 125 полетов».

  SSME проходит испытательные стрельбы в Национальной лаборатории космических технологий в Миссисипи, 1981 год.

  Smith Collection/Gado//Getty Images

  Оказывается, многоразовые двигатели, построенные по тем же стандартам, развили то, что инженеры называют «личностями». в зависимости от их производительности и требований к обслуживанию. Это явление наблюдается в авиационных ангарах и на верфях — местах, где аппаратное обеспечение используется повторно, и обслуживающий персонал знакомится с ним в течение срока службы.

  И Маддл видит существующую конюшню RS-25 в похожем, более личном ключе.

  «У меня 16 уникальных детей», — отмечает он. «Я люблю их всех до смерти, но у всех есть свои особенности».

  Поскольку миссии шаттлов изменились, двигатель попросили работать на более высоких уровнях, до 104,5 процента от его номинальной мощности, в основном для того, чтобы выдерживать больший вес при строительстве Международной космической станции.

  «Они просили его работать при таких высоких давлениях и температурах, и он каждый раз возвращался», — Путаница. «Когда вы запустили этот двигатель, чтобы отправить астронавтов в космос, он это сделал».

  Когда шаттл ушел в отставку в 2011 году, похоже, ушел и SSME.

  Тысячи зрителей наблюдают за первым запуском Колумбии ранним утром 12 апреля 1981 г. проблема. Вот все, что мы тогда знали о металлическом звере и его трех двигателях RS-25.

  ---

  В 2015 году НАСА подготовилось объявить о выборе двигателей, которые будут использоваться в его новой системе космического запуска. Благодаря 30-летнему послужному списку и более чем 1 миллиону секунд общего времени наземных испытаний и полетов, почтенная история двигателя стала аргументом в пользу продажи, особенно в программе НАСА, которая традиционно не допускала риска. SLS станет крупнейшей из когда-либо созданных операционных пусковых систем, а эффективные двигатели получат больше преимуществ по мере увеличения масштабов ракет, что было хорошей новостью для заявки SSME.

  «Мы измеряем эффективность в удельном импульсе (ISP), как расход топлива для ракеты. Наш интернет-провайдер получает 452 секунды, что очень и очень жарко. Для других ракет это будет около 300», — говорит Брэдли. «Чем эффективнее вы работаете, тем меньше топлива вам нужно поднять. Эффективность на самом деле означает груз». Он добавил, что это крайне важно для программы Artemis, целью которой является обеспечение устойчивого присутствия человека на Луне и выполнение пилотируемых миссий на Марс. В ноябре 2015 года НАСА выделило Aerojet Rocketdyne 1,16 миллиарда долларов на адаптацию 16 законсервированных SSME к новой системе запуска и перезапуск производственной линии для шести новых двигателей, теперь переименованных в RS-25. «Вы слышите это решение, празднуете 10 минут, а потом приступаете к работе», — говорит Брэдли. «Это другой автомобиль, поэтому нам нужно много сделать. Ракета выше, поэтому давление, поступающее в двигатели, выше при запуске».

  Космические челноки использовали три SSME, но гигантский SLS требует четыре двигателя, что еще больше меняет условия эксплуатации. Под мегаракетой не так много свободного места, особенно с учетом того, что людям нужно место для работы над ними. «Между стеной этого автомобиля и краем двигателя всего 8 дюймов», — говорит Маддл. «И я должен поставить туда техника, который должен что-то закручивать».

  Техники снимают двигатели с космического корабля «Атлантис», 18 августа 2011 года.

  Getty Images

  Ближайшие языки пламени от двигателей 17-этажных твердотопливных ракетных ускорителей, по одному прикрепленному к каждой стороне основной ступени, теперь также представляют угрозу. «В программе шаттлов наши двигатели были на 20 или 30 футов выше, чем ускорители», — говорит Брэдли. «На этой ракете мы рядом с ними, а это большие, мощные звери». Дополнительная тепловая защита теперь защищает четыре основных двигателя от двух ускорителей.

  Во время первых запусков Artemis SLS двигатели RS-25 должны будут работать на максимальной мощности, на которую рассчитаны SSME, 109процентов от мощности основного двигателя космического челнока.

  Начиная с пятой миссии «Артемида», двигатели будут задействованы для достижения 111 процентов мощности шаттлов эпохи. «Без какого-либо редизайна как такового мы можем пойти дальше и немного увеличить скорость. И мы думаем, что можем пойти дальше», — говорит Брэдли.

  Длительное использование этого двигателя говорит о силе его оригинальной конструкции, говорит Маддл. «Вы просите что-то, чтобы дросселировать до 111 процентов, 114 процентов, а затем также иметь возможность дросселировать до 65 процентов, это огромный диапазон для ракетного двигателя».

  НАСА удвоило ставку на RS-25 в мае 2020 года, когда оно выделило Aerojet Rocketdyne 1,79 миллиарда долларов на производство еще 18 двигателей в дополнение к шести уже заказанным. Суммарная цена этого нового контракта на RS-25 и более раннего контракта, в результате чего за каждый одноразовый двигатель SLS может взиматься более 100 миллионов долларов, вызвала недоумение критиков.

  Взгляд на двигатели РС-25 на SLS.

  NASA//Getty Images

  В конце концов, стоимость каждого SSME оценивается в 40 миллионов долларов. А в 2018 году United Launch Alliance заплатила Blue Origin примерно от 14 до 16 миллионов долларов за пару своих новых двигателей BE-4 для использования в ракете ULA Vulcan Centaur. Тяга BE-4 аналогична RS-25, но Blue Origin не выпустила свой ISP.

  Aerojet заявляет, что расчет по каждому двигателю несправедлив, поскольку плата за контракт включает в себя новое оборудование для дополнительных испытаний, а также инвестиции в производство, которые приведут к общей экономии. Это все еще большие деньги для двигателей, которые будут использоваться только один раз, прежде чем их выбросят в океан.

  Работа с одноразовой системой запуска является новой для ветеранов SSME в Aerojet Rocketdyne, где основной принцип проектирования и производства изменился с повторного использования на снижение затрат. Предприятия компании в Калифорнии и Флориде создают устаревшие компоненты двигателей с использованием производственных технологий 21-го века, таких как лазерная печать, чтобы сократить время, необходимое для изготовления и проверки качества двигателей. «Главное, над чем мы сейчас работаем, — это сохранение надежности и снижение стоимости», — говорит Брэдли.

  Новые РС-25 будут запущены только во время одного испытания и одного пуска, поэтому у двигателей не будет возможности развить те характеристики, которые возникают в результате контакта с сопровождающими.

  Возвращение двигателя на самодельной ракете — эмоциональное и горько-сладкое возвращение. «Мне было грустно видеть, как уходят мои дети, но теперь они поступают в колледж», — говорит Маддл.

  ---

  500-секундные огневые испытания двигателя RS-25 в Космическом центре Стеннис НАСА в Миссисипи, 28 февраля 2019 г..

  НАСА

  20 января 2021 года экспериментальный двигатель РС-25 заработал на полную продолжительность, все 500 секунд, необходимые для вывода Ориона на орбиту. Брэдли отправился в Центр космических полетов имени Стенниса в штате Миссисипи, чтобы отработать испытательный полигон — знакомую площадку для теперь уже высокопоставленного инженера-исполнителя.

  Визит пробудил воспоминания о первом испытании ракетного двигателя, которое Брэдли наблюдал в том же месте, будучи новичком в Aerojet. Он наблюдал с крыши здания всего в четверти мили от того места, где взревел двигатель, ударяя по ушам и распространяя ударные волны по груди. «В то время, когда я был молодым инженером, я думал: «Как эта штука держится вместе?», — говорит Брэдли. Наблюдение за вспышкой RS-25 в январе 2021 года, вырвавшейся далеко за первоначальные пределы своей конструкции, вновь пробудило эти воспоминания. «Должен признаться, что во время последнего испытания одного двигателя у меня была такая же мысль, — говорит он. «Я давно в этом бизнесе, но количество энергии, которое мы используем, я никогда не воспринимаю как должное».

  SLS должен совершить свой первый полет где-то в этом году, неся капсулу Orion с манекеном с приборами в кресле, где однажды будут сидеть астронавты, и Брэдли планирует снова увидеть, как его старый друг летает.