Люди, связавшие свою трудовую деятельность с ракетно-космической техникой или просто интересующиеся данным направлением технического развития, хорошо осведомлены о продукции ОАО «НПО Энергомаш имени академика В. П. Глушко» и той роли в деле исследования космоса, которую она сыграла и продолжает играть в нашей стране и в мире.
Надежные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) предприятия установлены на нижних, а в некоторых случаях и на верхних, ступенях отечественных РН «Союз», «Протон», «Зенит», американского Atlas 5 и ряда других. Мощные РД-170 обеспечили успешные полеты сверхмощного носителя «Энергия».
Сегодня «Энергомаш» серийно выпускает РД-171М, РД-180, РД-191 и осуществляет авторское сопровождение производства ранее созданных ЖРД. Наряду с этим ОКБ продолжает разработку новых двигателей с диапазоном тяги от 200 до 1000 тc, в том числе для вновь проектируемых многоразовых ракетно-космических систем (МРКС).
Одна из последних работ – двигатель РД-193, прототип-демонстратор которого успешно прошел серию огневых испытаний в октябре 2012 г. Это однокамерный кислородно-керосиновый ЖРД, выполненный по замкнутой схеме с дожиганием окислительного газа после турбины. РД-193 спроектирован по техническому заданию ГНПРКЦ «ЦСКБ – Прогресс». При испытаниях прототипа-демонстратора была воспроизведена циклограмма работы, соответствующая указанной в техзадании.
Основные характеристики РД-193:
Тяга двигателя:
Удельный импульс тяги:
Масса ~1900 кг
Диапазон дросселирования составляет от 100 до 40 %.
В настоящее время РД-193 рассматривается в качестве маршевого двигателя первой ступени легкой РН «Союз 2.1В», в которой управление вектором тяги осуществляется специальным рулевым двигателем с качающимися камерами.
Конструкции основных узлов и агрегатов заимствованы с двигателя РД-191, созданного для РН «Ангара». Основное отличие от прототипа – отсутствие узла качания камеры и связанных с ним других конструктивных элементов, что привело к упрощению конструкции, уменьшению габаритов, снижению массы примерно на 300 кг и удешевлению двигателя.
Идея создания такого двигателя возникла в 2003 г., когда предприятие рассмотрело возможность замены стартовых твердотопливных ускорителей (СТУ) носителя Atlas 5 на жидкостные, на базе РД-191. В ходе проработки было решено упростить исходный двигатель за счет исключения из конструкции узла качания и связанных с ним элементов, так как управление вектором тяги на этапе работы первой ступени ракеты Atlas 5 осуществляется качанием камер маршевого РД-180, а ускорители в этом процессе не участвуют.
Из статистики пусков американского носителя известно, что максимальный угол отклонения камер РД-180 составил около 3.5° (конструкция узла качания допускает поворот до 8.5°) в одном из пусков варианта v551, полностью укомплектованного СТУ (пять штук), в момент отрыва ракеты от стартового стола. Для справки: тяга одного ускорителя – 170 тс. Данный факт показывает достаточные запасы управляющих моментов, реализуемых РД-180, и заставляет вспомнить об идее использования ЖРД с неподвижной камерой в навесных стартовых ускорителях при наличии в центральном блоке достаточно мощного маршевого двигателя с управляемым вектором тяги.
Полный текст статьи читайте на страницах нашего журнала
novosti-kosmonavtiki.ru
Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?
Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.
Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.
Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.
Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба
Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.
Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?
Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.
Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива
Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP
Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником…
Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.
Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.
Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?
Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.
Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?
С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.
Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?
Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем быстрее летит эта самая масса, тем эффективней двигатель ее выбрасывает. И у жидкостных ракетных двигателей есть параметр, который показывает эффективность истечения продуктов сгорания — давление в камере сгорания. Чем больше давление, тем быстрее будут лететь молекулы продуктов сгорания. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).
Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления
Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двухсот тремя атмосферами.
Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.
Большая фотография по ссылке
Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.
Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.
Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно
Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.
Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11–15 млн.
Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:
Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько (удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.
Скучно? Зато ближе всего к истине.
И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:
Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.
Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.
В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:
РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.
Похожие материалы по тегу «незаметные сложности».
© Geektimes
pcnews.ru
21 июня на Петербургском экономическом форуме прошло награждение лауреатов премии «Глобальная энергия». Авторитетная комиссия отраслевых экспертов из разных стран выбрала три заявки из представленных 639 и назвала лауреатов премии 2012 года, которую уже привычно называют «нобелевкой для энергетиков». В итоге 33 миллиона премиальных рублей в этом году разделили известный изобретатель из Великобритании профессор Родней Джон Аллам и двое наших выдающихся ученых — академики РАН Борис Каторгин и Валерий Костюк.
Все трое имеют отношение к созданию криогенной техники, исследованию свойств криогенных продуктов и их применению в различных энергетических установках. Академик Борис Каторгин был награжден «за разработки высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на криогенных топливах, которые обеспечивают при высоких энергетических параметрах надежную работу космических систем в целях мирного использования космоса». При непосредственном участии Каторгина, более пятидесяти лет посвятившего предприятию ОКБ-456, известному сейчас как НПО «Энергомаш», создавались жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), рабочие характеристики которых и теперь считаются лучшими в мире. Сам Каторгин занимался разработкой схем организации рабочего процесса в двигателях, смесеобразованием компонентов горючего и ликвидацией пульсации в камере сгорания. Известны также его фундаментальные работы по ядерным ракетным двигателям (ЯРД) с высоким удельным импульсом и наработки в области создания мощных непрерывных химических лазеров.
В самые тяжелые для российских наукоемких организаций времена, с 1991-го по 2009 год, Борис Каторгин возглавлял НПО «Энергомаш», совмещая должности генерального директора и генерального конструктора, и умудрился не только сохранить фирму, но и создать ряд новых двигателей. Отсутствие внутреннего заказа на двигатели заставило Каторгина искать заказчика на внешнем рынке. Одним из новых двигателей стал РД-180, разработанный в 1995 году специально для участия в тендере, организованном американской корпорацией Lockheed Martin, выбиравшей ЖРД для модернизируемого тогда ракетоносителя «Атлас». В результате НПО «Энергомаш» подписало договор на поставку 101 двигателя и к началу 2012 года уже поставило в США более 60 ЖРД, 35 из которых успешно отработали на «Атласах» при выводе спутников различного назначения.
Перед вручением премии «Эксперт» побеседовал с академиком Борисом Каторгиным о состоянии и перспективах развития жидкостных ракетных двигателей и выяснил, почему базирующиеся на разработках сорокалетней давности двигатели до сих пор считаются инновационными, а РД-180 не удалось воссоздать на американских заводах.
— Борис Иванович, в чем именно ваша заслуга в создании отечественных жидкостных реактивных двигателей, и теперь считающихся лучшими в мире?
— Чтобы объяснить это неспециалисту, наверное, нужно особое умение. Для ЖРД я разрабатывал камеры сгорания, газогенераторы; в целом руководил созданием самих двигателей для мирного освоения космического пространства
expert.ru
