Ну и куда теперь девать эти двигатели? / Хабр

Недавняя публикация о возрождении и развитии двигателя SSME (RS-25) вызвала в ЖЖ наплыв лунных конспирологов в комментариях — судьбу двигателя шаттла они сравнивали с F-1 от Saturn V. Так что сегодня мы сыграем в игру «почувствуй себя руководителем Rocketdyne» и поговорим об извилистом жизненном пути технологий.

Двигатели F-1 и J-2 ракеты Saturn V в музее

В чужой шкуре

Один из «аргументов» конспирологов звучит примерно так: «Двигатели Saturn V (F-1 и/или J-2) были плохими, нужных характеристик не достигали, и после фальсификации лунной программы от них быстро избавились». К сожалению, очень часто сторонникам конспирологических теорий банально не хватает знаний — несмотря на то, что двигатели лунной программы после ее прекращения не летали, они предлагались для множества проектов и до сих пор полностью не умерли. А для того, чтобы наиболее наглядно увидеть, почему их не получилось пристроить на другие ракеты, давайте сыграем в мысленную игру. Итак, мы — лицо, принимающее решения в компании Rocketdyne, которая производит двигатели F-1 и J-2 для Saturn V.

Представим себе, что на дворе 1970 год. В январе отменили Apollo 20, но вскоре сокращения бюджета достигли таких величин, что в сентябре пришлось отменять 18 и 19. Контракт на 15 штук Saturn V близок к выполнению, и становится очевидно, что продолжения не будет. Возникает закономерный вопрос — что делать?

Больше и лучше

Первый вариант очевиден «А давайте сделаем Saturn V еще лучше и попытаемся использовать двигатели там». Еще в середине 60-х были предложены варианты компоновки на базе Saturn V под общим названием Saturn MLV («Modified Launch Vehicle», модифицированная ракета-носитель). С форсированием двигателей, увеличением запаса топлива, добавлением твердотопливных ускорителей или заменой двигателей на HG-3 (из него потом вырастет RS-25) разные варианты MLV могли бы вывести на низкую орбиту от 118 до 160 тонн.

Разные варианты компоновки Saturn MLV, есть даже с ядерной верхней ступенью

Однако вся эта красота не вызвала никакого энтузиазма. Тем более, что в апреле 1972 Палата представителей Конгресса США окончательно принимает решение (и выделяет деньги) на разработку Спейс Шаттла. Крылатый космоплан никак не сочетается с MLV, а огромная стоимость обоих проектов означает, что деньги дадут только на один.

План Б

Хорошо, следующая идея практически очевидна — «А давайте попробуем пролезть в проект шаттла». В качестве первой ступени можно использовать первую ступень Saturn V, а второй ступенью поставить внешний топливный бак шаттла и сам шаттл сбоку. Первую ступень можно оснастить крыльями и сажать обратно на землю, чтобы система получалась полностью многоразовой. У такого варианта есть даже один очень серьезный плюс, которого не было у шаттла в его итоговом варианте — можно запускать модули орбитальной станции или другие очень тяжелые полезные нагрузки в одноразовом варианте второй ступени (грузоподъемность ~100 тонн), а обслуживать орбитальную станцию или спутники уже многоразовым шаттлом (грузоподъемность ~30 тонн). Так появился проект Saturn-Shuttle.

Старт Saturn-Shuttle, рисунок NASA

Увы, и здесь нас ждет неудача. Двигатели F-1 не разрабатывались для многоразового использования, поэтому даже в случае мягкой посадки первой ступени их придется менять. А твердотопливные ускорители кажутся и проще и дешевле, к тому же, их можно будет использовать повторно. Так что наша первая ступень конкурс эскизных проектов проиграла.

Любой ценой

Итак, у нас нет «своей» ракеты и нет возможности встроиться в большой проект шаттла. А «Можно ли поставить наши двигатели на уже летающие ракеты»? Для ответа на этот вопрос давайте посмотрим, что стартует с американских космодромов в районе 1972 года.

РН «Тор» в варианте Торад-Аджена

На базе баллистической ракеты «Тор» есть семейство «Тор-Бёрнер», «Тор-Аджена», «Торад-Аджена», «Тор-Дельта». Из него уже появляется семейство ракет «Дельта». Варианты различаются верхними ступенями и боковыми твердотопливными ускорителями. И, увы, для ракет с начальной массой в районе ста тонн F-1 с тягой 700 тонн не подойдет никак — даже если бы он поместился в ступень «Тора» меньшего диаметра, то уже на старте обеспечил бы перегрузку в 7 «же», сломав ракету на первых секундах полета.

«Атлас-Центавр» с межпланетной станцией «Пионер-10», 1972 год

Семейство РН «Атлас» немного потяжелее. Здесь тоже все еще сохраняется разнообразие верхних ступеней — «Атлас-Аджена», «Атлас-Центавр», но даже в самом тяжелом варианте ракета имеет массу в районе 150 тонн, и наш F-1 никак на нее не влезет.

Старт Titan-IIIC

Ну и, наконец, самая тяжелая ракета — Titan-III. Начальная масса в районе 600 тонн, может вывести на низкую орбиту целых 13 тонн. Однако и тут нам ловить нечего. Базовый двигатель RL-87 имеет тягу в районе 200 тонн, и заменить на 700 тонн F-1 не получится не только по причинам прочности. На центральном блоке «Титана» используется другое топливо — гидразин и тетраоксид диазота. И если RL-87 отличался всеядностью — были версии для кислорода/керосина, гидразина/АТ, даже кислорода/водорода, то про варианты F-1 под другие виды топлива ничего не известно. А на перекомпоновку ракеты под другое топливо с увеличением баков и снятием боковых твердотопливных ускорителей (иначе опять слишком большая перегрузка) нам никто средств не даст.

Разгонный блок «Центавр»

J-2 в качестве двигателя верхней ступени тоже не везет. Уже создан кислородно-водородный разгонный блок Centaur, но там стоят двигатели RL-10 с тягой в десять раз меньше, при этом

более эффективные, так что менять их на J-2 нет никакого смысла. А первых водородных ступеней нет.

Что любопытно, по другую сторону океана произошла похожая история, которая, однако, имела позитивный исход — двигатель РД-170, который разрабатывали для боковых ускорителей РН «Энергия» был четырехкамерный, поэтому его сначала порезали пополам, и получившийся двухкамерный РД-180 стали продавать американцам на первую ступень подросшего и ставшего более тяжелым «Атласа». А затем еще раз пополам, поставив однокамерный РД-191 на «Ангару» и предложив почти такой же РД-193 для «Союза-2. 1в».

Схема развития семейства РД-170

Гибернация

Увы, F-1 с J-2 однокамерные, и снижать размеры и тягу простыми и дешевыми действиями мы не можем. Так что нам остается один вариант — положить чертежи с двигателями на склад, по возможности проводить модернизации в инициативном порядке и предлагать их в любом конкурсе на сверхтяжелые ракеты. Как показала практика, схема оказалась вполне рабочей, подарив несколько шансов (пусть и не реализовавшихся в итоге) на возвращение «скакунов Аполлона».

J-2 получил шанс первым, но в результате от него осталось только название. Двигатель J-2X, который сначала хотели сделать на базе J-2, предлагался для разгонного блока Earth Departure Stage ракеты Ares программы Constellation. Но из-за возросших требований получился фактически новый двигатель, с тягой на 30% больше, на новых материалах и заметно более тяжелый.

В 2009 программу Constellation закрыли, и с J-2X пока что повторяется история J-2. Для разгонного блока ракеты SLS он был сочтен слишком мощным, и один J-2X тягой 130 тонн решили заменить на 4 RL-10 общей тягой 44 тонны. Но если SLS потребуется двигатель с большей тягой, J-2X получит новый шанс.

F-1 пришлось ждать дольше. В Constellation он не попал, но, когда объявили конкурс на двигатели для SLS, забрезжила надежда и для него. Дошло даже до очень поучительной истории — инженеры достали со склада двигатель номер F-6049, снятый с «Сатурна-5» для «Аполлона-11» из-за глюка на испытаниях, и стали разбираться, как он работает, и как его можно улучшить. В 2013 году, спустя десятилетия хранения, испытали газогенератор (приводит в действие турбонасос, качающий топливо в двигатель).

Двигателестроение, материаловедение и способы производства ракетных двигателей не стояли на месте. Новая модификация под названием F-1B должна иметь в 50 раз меньше деталей и заметно упрощенную конструкцию. Например, выхлоп газогенератора больше не направлялся в сопло для дополнительной теплоизоляции его завесой избытка топлива, а банально сбрасывался параллельно соплу, возвращая красивые картины зари космонавтики, когда рядом с основным выхлопом хлестало пламя газогенератора.

Но пока что шанс не реализовался — конкурс на двигатели для SLS F-1B проиграл и снова отправился на склад.

Заключение

В истории космонавтики есть случай, когда двигатели десятилетиями лежат на складе а потом начинают использоваться с минимальными доработками. Сохранившийся запас советских двигателей НК-33 стали ставить на американскую РН Antares и российский «Союз-2.1в». Но производство их возобновлять не будут — доверие к двигателю подорвано аварией Antares 2014 года, похожей на аварии советской лунной ракеты Н-1, для которой изначально и делался НК-33. Antares уже перешел на РД-181, а «Союзу-2.1в» переход на родственный РД-193 предстоит после исчерпания складского запаса НК-33. Несмотря на то, что теоретически возможно возобновить производство точных копий двигателей американской лунной программы, практического смысла в этом уже нет. Технологии не стоят на месте — 3D печать заменяет множество деталей одной, а современная электроника проще и надежней «гидравлической логической машины», открывавшей и закрывавшей клапаны при запуске двигателя F-1. Но прямые потомки легендарных лунных двигателей вполне могут вернуться к активной жизни, если окажутся подходящими для будущих задач.

Сравнение силы самых мощных ракетных двигателей в мире

Как сравнить ракетные двигатели и найти лучший? Сначала нужно определиться, что вам нужно. Список лидеров по эффективности (скорости выбрасывания рабочего тела из двигателя) будет сильно отличаться от списка развивших самые большие скорости. В последний войдут ионные и другие электрические ракетные двигатели, которые работают годами и разгоняют межпланетные аппараты до фантастических скоростей, но не могут вывести за пределы земной атмосферы даже курицу. Сегодня мы придерживаемся простого принципа: кто мощнее, тот и первый. Пять ракетных двигателей, создающих самую большую тягу. Каждый из них – легенда ракетостроения.

SRB для Space Launch System: 1600 тс

Боковые твердотопливные ускорители SRB для Space Launch System разработаны для доставки грузов на ближайшие к Земле планеты, а ускорители SLS NASA дают больше тяги, чем любой другой двигатель за всю историю: 1600 тс (тонна-сил). В секунду каждый из них сжигает до 5 тонн топлива!

Если перевести тепловую энергию, которую каждый из них вырабатывает за 2 минуты работы, в электроэнергию, получится 2,3 миллиона киловатт-часов. Этого достаточно, чтобы полностью обеспечить электроэнергией город из 92 000 домов в течение дня. Два ускорителя SRB в комплекте с двигателем RS-25 будут способны поднять почти 3000 тонн груза (это около девяти Боингов-747).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Боковой ускоритель МТКК Space Shuttle: 1400 тс

Боковой ускоритель МТКК Space Shuttle долгое время удерживали титул самых мощных двигателей, побывавших в космосе. Им же принадлежало звание самой большой ракеты из тех, что построены для повторного использования.

Пара таких ускорителей поднимала Space Shuttle на 46 километров. Пролетев еще 20 километров по инерции, они отделяются от шаттла и падают в океан, где их подбирает специальное судно.

РД-170/171: 806 тс

Разработанные в КБ «Энергомаш» четырехкамерные жидкотопливные двигатели РД-170 и их последующие модификации — самые мощные двигатели, работающие на жидком топливе. Тяга в вакууме — 806,4 тс. Двигатель одной из его модификаций (РД-171М) оказался еще на 5% мощнее. С 1985 года РД-170 использовался для запуска ракеты «Зенит», а затем — «Зенит-3SL «.

F-1: 790 тс

Жидкостный ракетный двигатель F-1 был разработан и построен американской компанией Rocketdyne для ракеты-носителя Сатурн V. Чтобы поднять Сатурн, нужно было пять F-1/ Каждый создавал тягу в 790 тонн в вакууме, а все пять тратили больше 12 000 литров топлива в секунду. До того, как были разработаны три предыдущих двигателя, оставался самым мощным ракетным двигателем в мире.

UA1207: 714 тс

Замыкает пятерку самых мощных еще один американский ракетный двигатель на жидком топливе — UA1207. Его использовали для запуска ракет семейства Титан четвертого поколения; именно UA1207 вывел в стратосферу зонд Cassini, который затем продолжил путь к Сатурну.

Страница не найдена | Национальный музей авиации и космонавтики

Страница не найдена | Национальный музей авиации и космонавтики

Перейти к основному содержанию

Пожертвовать сейчас

Один музей, две локации

Посетите нас в Вашингтоне, округ Колумбия, и Шантильи, штат Вирджиния, чтобы исследовать сотни самых значительных объектов в мире в истории авиации и космоса.
Посещать

Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне
Центр Удвар-Хази в Вирджинии
Запланируйте экскурсию
Запланируйте групповое посещение

В музее и онлайн

Откройте для себя наши выставки и участвуйте в программах лично или виртуально.
Как дела

События
Выставки
IMAX

Погрузитесь глубоко в воздух и космос

Просмотрите наши коллекции, истории, исследования и контент по запросу.
Исследовать

Истории
Темы
Коллекции
По требованию
Для исследователей

Для учителей и родителей

Подарите своим ученикам Музей авиации и космонавтики, где бы вы ни находились.
Учиться

Программы
Образовательные ресурсы
Запланируйте экскурсию
Профессиональное развитие педагога
Образовательная ежемесячная тема

Будь искрой

Ваша поддержка поможет финансировать выставки, образовательные программы и усилия по сохранению.
Давать

Становиться участником
Стена чести
Способы дать
Провести мероприятие

Будьте в курсе последних историй и событий с нашей рассылкой

Национальный музей авиации и космонавтики

Центр Стивена Ф. Удвара-Хейзи

Новый взгляд на двигатель Rocketdyne F-1

Ракета Saturn V, ракета-носитель для лунных миссий Apollo в 1960-х и 1970-х годах, остается самой большой и тяжелой ракетой, когда-либо успешно запущенной. Он имел высоту 363 фута (выше Статуи Свободы) и весил 6,2 миллиона фунтов, когда был заправлен топливом. Чтобы вывести эту массивную ракету со стартовой площадки на орбиту и по траектории к Луне, «Сатурну-5» понадобились одни из самых мощных двигателей, когда-либо созданных. Силовой установкой первой ступени ракеты был двигатель F-1, разработанный и построенный подразделением Rocketdyne компании North American Rockwell. Один двигатель F-1 мог генерировать 1,5 миллиона фунтов тяги — потенциальная выходная мощность эквивалентна примерно 17 плотинам Гувера. Двигатель F-1 играет центральную роль в истории ракетной техники, в том числе в истории программы «Аполлон». F-1 также играет центральную роль в новой экспозиции музея Destination Moon , в котором рассказывается история лунных миссий Аполлона в более широком политическом, социальном и культурном контексте.

Завершенный двигатель F-1 1968 года. (Изображение предоставлено НАСА)

История двигателя F-1 начинается еще до создания программы «Аполлон». На самом деле она начинается еще до создания НАСА. Программа F-1 началась в 1955 году, когда ВВС США заключили контракт с Rocketdyne на создание двигателя с тягой в 1 миллион фунтов в надежде использовать его для запуска будущих спутников. Rocketdyne начала работу над двигателем на жидком топливе, в котором в качестве топлива использовались очищенный керосин (RP-1) и жидкий кислород (LOX). 19 июня58 ВВС продлили контракт с новым условием, что двигатель Rocketdyne сможет развивать тягу в 1,5 миллиона фунтов.

С запуском советского спутника «Спутник» в 1957 году и созданием НАСА в октябре 1958 года вскоре стало ясно, что Соединенным Штатам потребуется ракета-носитель, которая была бы достаточно большой, чтобы выводить на орбиту миссии с экипажем и без экипажа — и, возможно, даже на Луну. В январе 1959 года НАСА заключило контракт с Rocketdyne на продолжение разработки F-1. Работа должна была продвигаться быстро, учитывая первые успехи СССР в космических полетах. В 1961, Rocketdyne успешно запустила прототип двигателя.

Инженеры устанавливают двигатели F-1 на стенде статических испытаний в Центре космических полетов им. Маршалла. (Изображение предоставлено НАСА)

Размеры и мощность F-1 создали множество инженерных проблем. Над решением этих проблем в начале и середине 1960-х работали инженеры НАСА, Rocketdyne, ВВС и американских университетов. Одной из проблем была неустойчивость горения — перепады давления в горящем топливе, которые создавали горячие точки и вибрации настолько сильные, что могли разрушить двигатель. В 1961, эта нестабильность была настолько серьезной, что вызвала расплавление испытательного двигателя. В конечном итоге инженеры смогли решить проблему, добавив перегородки (медные перегородки) к пластине форсунки, которая подавала топливо в камеру сгорания.

Глядя в сопло F-1, в центре видна пластина форсунки (с отверстиями для впрыска топлива и дополнительными перегородками для стабилизации горения). (Смитсоновский институт)

«Сатурн-5» использовал пять двигателей F-1 для первой ступени, что давало общую тягу 7,5 миллионов фунтов. Двигатели были расположены с неподвижным центральным двигателем, окруженным четырьмя подвесными двигателями, которые могли поворачиваться на шарнире для управления. Во время запуска F-1 на первой ступени горели чуть более двух с половиной минут. Двигаясь со скоростью 6000 миль в час, первая ступень подняла ракету примерно на 40 миль над стартовой площадкой. Когда топливо было израсходовано, первая ступень оторвалась и приземлилась в Атлантическом океане. Вторая и третья ступени (с двигателями Rocketdyne J-2 на жидком водороде / LOX) затем обеспечивали силу, необходимую для выхода на орбиту, и последующего вывода космического корабля на траекторию к Луне.

Испытательный запуск всех пяти двигателей F-1 в Центре космических полетов им. Маршалла. (Изображение предоставлено НАСА)

Ракета «Сатурн-5» была впервые испытана в ноябре 1967 года и вывела пилотируемую миссию «Аполлон-8» на лунную орбиту в декабре 1968 года. «Аполлон-11» запустили на «Сатурн-5» в июле 1969 года. станции Skylab, двигатели F-1 ни разу не отказали в полете.

Набор из пяти двигателей F-1 на Saturn V. (Изображение предоставлено НАСА)

Новая выставка «Луна назначения » рассказывает истории о лунных миссиях в их более широком историческом контексте. Двигатель Rocketdyne F-1 занимает центральное место в рассказе этих историй, и безопасное сохранение и демонстрация двигателя F-1 в Destination Moon стали возможными благодаря подарку в размере 1 миллиона долларов от Aerojet Rocketdyne Foundation.

Новая выставка берет более раннюю экспозицию двигателей F-1 с четвертью из старой галереи Apollo в галерею Moon и поднимает эту компоновку вертикально. В сочетании с зеркалами установка создает иллюзию всех пяти двигателей F-1. Такое расположение открывает новый взгляд на двигатель. Теперь посетители могут постоять под множеством двигателей F-1 и увидеть, как они выглядели бы, нависая над огненной траншеей перед запуском. На новом антресольном уровне также можно вблизи увидеть внешний вид двигателя.

Установка музейного испытательного двигателя F-1 в новой галерее Destination Moon . (Смитсоновский институт)

Двигатель F-1 в новой галерее Destination Moon . (Смитсоновский институт)

Поскольку двигатели F-1 (вместе со всей первой ступенью) были сброшены в Атлантику вскоре после запуска, двигатели в экспозиции музея не те, которые использовались при запуске Аполлона. Вместо этого центральный двигатель является ранним испытательным двигателем, построенным в 1963, в то время, когда инженеры работали над проблемой нестабильности горения. Этот двигатель провел четыре пусковых испытания, проработав в общей сложности 192,6 секунды, что больше, чем время запуска F-1 во время фактического запуска. Rocketdyne подарила этот испытательный двигатель музею в 1970 году. Впервые он был выставлен на открытии Национальной аллеи в 1976 году.

Неподалеку можно увидеть детали запускаемого двигателя F-1. Детали двигателя Apollo 11 F-1 (извлеченные экспедициями Безоса со дна Атлантического океана) позволяют ближе рассмотреть многие компоненты двигателя, в том числе пластину форсунки, оптимизации которой инженеры Rocketdyne уделили так много внимания в 1919 году.