Независимый бостонский альманах

«Невероятная» технология нового двигателя Илона Маска для ракет SpaceX

14-02-2019
  • Генеральный директор SpaceX Элон Маск сообщил, что двигатель Raptor его компании, предназначенный для полетов Starship и Super Heavy, превзошел рекорд ракетостроения, удерживаемый российскими учеными и инженерами в двигателе РД-180 на протяжении более двух десятилетий.raptor Elon Musk
                                          Илон Маск и его новый ракетный двигательДавление в камере сгорания Raptor достигло 268,9 бар, превысив предыдущий рекорд на российском RD-180 257,5 бар. Статический иг длился около 100 сек. Планируется довести давление в камере сгорания до 300 бар.(Примерно 296 атм). Вместе с  тем Илон Маск считает конструкцию РД-180 превосходной.
    https://www.teslarati.com/tesla-back-to-the-future-easter-egg-mobile-app/ Главный конструктор НПО «Энергомаш», разработчик ракетных двигателей РД-180 Петр Лёвочкин ответил на заявление Илона Маска о превосходстве двигателя Raptor его SpaceX над РД-180. Лёвочкин назвал двигатели несравнимыми.

    Маск и Левочкин (справа)
    Петр Лёвочкин написал: «Компания SpaceX создает двигатель Raptor на компонентах кислород и метан или как принято в российской классификации — схема «газ-газ». В подобного рода схемах такой уровень давления в камере сгорания не является чем-то выдающимся — в своих разработках для данных схем мы закладываем уровень давления в камере более 300 атмосфер. А сам параметр давление в камере не является выходной характеристикой двигателя, такой как тяга и удельный импульс.
    Однако, господин Маск, не будучи техническим специалистом, не учитывает, что в двигателе РД-180 для ракеты-носителя Atlas используется совершенно другая топливная схема — «кислород-керосин», а это иные параметры работы двигателя. Это как сравнивать дизельный и бензиновый двигатель внутреннего сгорания. А если учитывать то, что «Энергомаш» сертифицировал двигатель с 10% запасом, то давление в камере сгорания РД-180 — выше 280 атмосфер.RD180
    Несмотря на то, что наши компании являются конкурентами, мы как инженеры приветствуем первые успехи коллег из компании SpaceX в области ракетного двигателестроения. Действительно, при разработке двигателя Raptor американские инженеры вышли на рекордный для себя уровень по давлению в камере. Это свидетельствует о достаточно высоком уровне разработок и производственных процессов в компании SpaceX».
    https://thebell.io/razrabotchik-dvigatelya-rd-180-otvetil-ilonu-masku/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com 
  • Мощный и надежный РД-180 два десятилетия остается для России предметом национальной гордости. США закупают эдвигатель для своих тяжелых ракет-носителей «Атлас-3» и «Атлас-5», и альтернативы ему пока не создано, поэтому США были вынуждены вывести закупки РД-180 из-под санкций. Без российского двигателя были бы невозможны автоматические миссии NASA к Марсу, Юпитеру и Плутону. В России он должен использоваться на перспективной сверхтяжелой ракете — «Енисей».Raptor создается SpaceX под перспективный сверхтяжелый «лунно-марсианский» носитель Super Heavy. Он близок к РД-180 по тяге, но использует другое топливо и топливный цикл. Сейчас Raptor находится в стадии огневых испытаний.
  • Raptor  работает на кислороде и метане, РД-180 использует пару «кислород-керосин». SpaceX объявила о начале проектирования метанового Raptor в 2012 году, а первые огневые испытания прототипов с пониженными параметрами прошли осенью 2016 года. Успешным испытанием двигателя с параметрами давления, приближающимися к целевым, Маск как раз и похвастался 10 февраля, и тут действительно есть чем гордиться.
  • Двигатель SpaceX можно форсировать немного выше 300 атмосфер, пишет Маск, но дальнейший рост начинают сдерживать уже законы физики.
  • Raptor — третий в истории ракетный двигатель, созданный по закрытому циклу с полной газификацией компонентов, и доведенный  до стадии прототипа. У него все шансы стать первым серийным. Такой цикл увеличивает надежность и эффективность двигателя, что важно для многоразового применения, но общепризнанно сложен в отработке. Метановое топливо гораздо легче, чем керосин, удалить из двигателя после полета. Это позволяет применять двигатель много раз без межполетной разборки.
  • Raptor — создан на средства SpaceX. Маск никогда не раскрывал стоимости программы. Но на поздних этапах ВВС США профинансировали программу создания варианта двигателя для семейства одноразовых ракет EELV примерно на $100 млн. Raptor должен стоять и на первой (31 шт.), и на второй (7 шт.) ступенях гигантской многоразовой ракеты SpaceX (Super Heavy и Starship соответственно). Технический риск этого проекта запределен, но Маск пока не отказывается от запуска к Марсу в 2024 году.
  • РД-180 и Raptor имеют схожие удельные импульсы, потому что оба подходят к пределу физически возможной для химического топлива энергетики.Этой энергетики достаточно для облета Луны и высадки на ее поверхность, но начинает не хватать для полета к Марсу по быстрым траекториям, сводящим к минимуму радиационную угрозу экипажу. Двухлетний полет к Марсу на химической тяге, даже за радиационной защитой, сокращает продолжительность предстоящей жизни космонавта на 2,5 года.Для быстрых пилотируемых полетов к Марсу и экономически оправданного освоения окололунных орбит нужны ядерные (ЯРД) или ионные реактивные двигатели. И СССР, и США в 1960-х — 1980-х годах экспериментировали с ЯРД, но дальше экспериментов дело не пошло. Маломощные ионные двигатели широко используются для коррекции орбит спутников, мощные маршевые двигатели этого типа пока только испытываются.
  • Сергей Смирнов
  • https://thebell.io/petr-levyochkin-protiv-ilona-maska-chej-raketnyj-dvigatel-luchshe/
  • Подборка: Валерий Лебедев
  • Свято верующие в Илона Маска (дословно "Последователи Церкви Илона"), без сомнения, уже знают о последнем техническом триумфе SpaceX: испытательном запуске первого полномасштабного двигателя Raptor. Конечно, это не было секретом. Как  часто делает Илон, он допускал утечки,  «пропускал» за кулисы информацию, давал  фотографии и даже видео события в своем  Твиттере. В сочетании с относительной прозрачностью  самого проекта SpaceX, которым проект отличался с самого  начала, это дает нам исключительно четкое представление о том, как развивается ракетостроение  в компании Маска в Хоторне, Калифорния.Эта открытость была ключевой частью популярности SpaceX и других больших ракет в Интернете, но особенно ярко она проявилась  в отношении Raptor. Технология этого двигателя следующего поколения, известная как «поэтапное сгорание с полным потоком», в течение десятилетий считалась практически невозможной традиционными исследователями  аэрокосмической отрасли. Несмотря на обширные исследования технологии в Советском Союзе и США, ни один двигатель, использующий эту сложную систему сгорания, никогда не эксплуатировался. Тем не менее, всего через шесть лет после того, как Элон объявил, что SpaceX разрабатывает Raptor, компания  закончила свой первый готовый к полету двигатель.raptor_plume            Новый ракетный двигатель Raptor

    Ступенчатый двигатель внутреннего сгорания часто называют «Святым Граалем» (заветной целью рыцарей) ракетной техники, поскольку он обещает извлечь как можно больше энергии из используемого  жидкого топлива. В той сфере, где важна каждая унция, стоит бороться за то, чтобы выжать еще несколько процентов мощности  из машины. Особенно, если, как и SpaceX, вы планируете внедрить эти новые полнопоточные двигатели в самый большой в мире ракетный разгонный ускоритель и космический корабль.
    Но что делает поэтапное сгорание с полным потоком более эффективным, и почему так трудно создать двигатель, который его использует? Чтобы понять это, нам нужно сначала поближе познакомиться с более традиционными ракетными двигателями и с конструктивными парадигмами, которые определяют их с самого начала.

    Двигатель открытого цикла: бесполезная конструкция

    Многие из самых известных ракет, которые когда-либо летали, использовали двигатели, основанные на так называемом цикле газогенератора, включая Сатурн V, Союз, Дельта IV и даже Falcon  9. На самом деле, за исключением  программы Шаттл, можно  утверждать, что почти каждая веха в истории космического полета была осуществлена  с помощью газогенераторного цикла. Эта технология восходит к ракете Фау-2 (V-2) и является одним из ключевых достижений, сделавших возможным использование жидкостных ракет. Но, несмотря на невероятный успех, эта технология не лишена недостатков.

    Двигатель Merlin с черным выхлопом

    Схема работы этого двигателя проста:  газогенератор производит газы, которые при сгорании вращают турбину, которая, в свою очередь, приводит в движение насосы топлива. В некоторых двигателях газогенератор работает по другому принципу, чем сам двигатель, и имеет свою отдельную подачу топлива. Например, турбина ракеты V-2 вращалась  паром, полученным  химической реакцией между перекисью водорода и нагретым  перманганатом натрия.

    Недостатком этого метода является то, что дополнительная топливная система для газогенератора добавляет вес и увеличивает сложность, а это - самое последнее, что нужно  ракетному двигателю. Более современный подход, используемый в двигателях, таких как Merlin в Falcon 9, заключается в приведении в действие турбины путем сжигания относительно небольшого количества того же топлива и окислителя,  на котором работает  основной двигатель. В этом случае газогенератор обычно называют форсажем.

    Но если бы в форсажную камеру давали то же топливо и окислитель, что и в самом двигателе, и в том же соотношении, то по сути форсажная камера была бы просто небольшой ракетой. И ее выхлоп был бы слишком горячим, чтобы проходить через турбину (лопатки турбины могут не выдержать высокую  температуру) . Чтобы обойти это препятствие камера  работает на богатой топливом смеси, что приводит к неполному сгоранию и поэтому более низкой температуре выхлопных газов.

    Определяющей характеристикой так называемого двигателя открытого цикла является то, что выхлоп из форсажной камеры выбрасывается за борт в качестве отходов. В некоторых ракетах это несгоревшее топливо может быть замечено как черная полоса рядом с ярким выбросом выхлопного газа. Ни для кого не секрет, что при закрытом цикле можно было бы получить прирост производительности, то есть произвести захват выхлопа форсажной камеры и подачу его еще раз  в камеру сгорания двигателя. Но закопченный выхлоп, полученный из несгоревшего керосина, не подходит для того, чтобы снова его направить в двигатель. В итоге оказалось проще просто строить большие ракеты, чем пытаться захватить это потерянное топливо.

    Найти правильную смесь

  • В 1950-х годах советские ученые нашли  компромисс. Вместо того, чтобы использовать обогащенную топливом смесь в форсажной камере, которая производила выхлоп, который нельзя было безопасно рециркулировать  в двигатель, они экспериментировали с работой форсажной камеры, обогащенной кислородом. К сожалению, эта идея решила одну проблему, но создала другую, так как не было металла, который мог бы "выжить" в невероятно горячей плазме обогащенном кислородом, которую вырабатывала форсажная камера. Фактически, американские ученые сочли это невозможным и считали, что их советские коллеги работали в пользу концепции пропаганды холодной войны.В конце концов, Советы освоили нужную металлургию, получили необходимый сплав, необходимый для создания турбины, и разработали несколько двигателей, которые работали по концепции горения с высоким содержанием кислорода. Выхлоп был направлен в камеру сгорания двигателя и извлекал, по крайней мере, часть топлива, которое в противном случае было бы выброшено за борт. Современный российский двигатель RD-180, используемый в настоящее время американским Atlas V, как раз является продолжением этой технологии.Американские инженеры пошли в противоположном направлении. Они считали, что можно богатую топливом смесь сжигать  в форсажной камере и это могло быть сделано с существующими металлическими сплавами, при условии, что вместо керосина в качестве топлива использовался бы водород. В конечном итоге это привело к разработке главного двигателя космического челнока Шаттл, который на сегодняшний день остается самым эффективным ракетным двигателем на жидком топливе. В то время, как космический челнок уже давно вышел на пенсию, сам принцип работы его двигателя,  точнее, вариация этого двигателя, будет использоваться для запуска системы космического запуска. Это будет самая мощная ракета, которую НАСА когда-либо создавало, и она должна начать свою миссию в 2020 году.
  • Замкнутый цикл
  • Любой из этих подходов, будь то улавливание окислителя или выхлопа форсунки с высоким содержанием топлива, несомненно, является улучшением по сравнению со сбросом всего несгоревшего  за борт. Но ни то, ни другое не является идеальным решением, поскольку все еще потенциально горючие продукты расходуются впустую. По сути, и Советский Союз, и Соединенные Штаты решили разные половины одной и той же проблемы; чтобы по-настоящему замкнуть цикл, создать конструкции форсунок,  работающих на обогащенном топливе и окислителем, которые должны использоваться одновременно в одном и том же двигателе.Логическим конечным результатом является ступенчатый двигатель внутреннего сгорания. Такой двигатель имеет два независимых насоса для окислителя и топлива, которые приводятся в движение двумя турбинами, приводимыми в действие их собственными  предназначенными для этого форсажными камерами. Но, в отличие от газогенераторного цикла, который сжигает лишь небольшое количество топлива и окислителя в форсажной камере, в ступенчатом двигателе внутреннего сгорания с полным потоком все топливо и окислитель проходят через свои соответствующие форсажные камеры. Другими словами, топливо сжигается дважды: один раз с более низким КПД в форсажных камерах для выработки энергии для вращения турбин и еще раз  с максимальным КПД в камере сгорания для выработки тяги. Несмотря на то, что двигатель чрезвычайно сложен в проектировании и испытаниях, он полностью исключает потери в цикле газогенератора.Но повышенная эффективность использования топлива - не единственное преимущество этой конструкции. Например, уплотнения, разделяющие турбину и насос, более устойчивы, так как перекачиваемая жидкость не загрязняетя; а собирается в одно  место. Кроме того, тот факт, что топливо и окислитель поступают в камеру сгорания в виде газа, дополнительно повышает эффективность двигателя по сравнению с традиционными конструкциями, которые распыляют их в виде жидкостей.

    raptor_fullflow-themed
    raptor

    Отдельные турбины полнопоточного ступенчатого двигателя внутреннего сгорания также будут работать при более низких температурах  и при более низком давлении, чем  турбина, используемая в обычном ракетном двигателе. Это создает меньшую нагрузку на рабочие колеса турбины и позволит им работать дольше без замены. Учитывая ориентацию SpaceX на повторное использование для стартов, это столь же важно, как и повышение эффективности использования топлива.

    Ожидание почти законченоSpaceX  Звездный Прототип

    Хотя SpaceX Raptor начнет летать первым, на самом деле это не первый поэтапный двигатель внутреннего сгорания.  В 1967 году в Советским Союзом был завершен в рамках их программы по достижению Луны двигатель RD-270,  он даже  выполнил несколько статических тестовых прожогов (огневых испытаний). Но после того, как Соединенные Штаты высадились на Луну в 1969 году, фактически выиграв Космическую гонку, проект двигателя и сам проект ракеты (Н1), на которую  его планировали поставить, был закрыт. Менее сложные и, в конечном итоге, более дешевые двигатели использовались для оставшейся части советской космической программы.

    В 1990-х годах правительство Соединенных Штатов проявило интерес к разработке отечественного полнопоточного поэтапного двигателя внутреннего сгорания. В то время как подрядчики Rocketdyne и Aerojet разрабатывали многообещающие турбины и форсажные камеры, ни ВВС, ни NASA не решили предоставить финансирование, которое потребовалось бы для полного завершения работы над двигателем.

    raptor_starship
                        Эскиз корабля Starship для Марса с двигателями Raptor

    Когда же Raptor станет первым ступенчатым двигателем внутреннего сгорания, который покинет Землю? Если вы верите  Twitterу  Илона Маска, то очень скоро. Илон Маск утверждает, что в течение ближайших нескольких месяцев прототип звездолета на базе Raptor будет совершать испытательные «прыжки» на малой высоте вокруг своего испытательного комплекса, расположенного недалеко от Браунсвилла в штате Техас. Конечно, еще многое может произойти, так что вполне возможно, что дата может измениться. Но даже несмотря на это, похоже, что 2019 год, наконец, станет годом, когда «Святой Грааль» ракетных двигателей, наконец, поднимется в космос.

    https://hackaday.com/2019/02/13/the-impossible-tech-behind-spacexs-new-engine/

    Перевод - Валерий Лебедев

Комментарии
  • beobachter - 16.02.2019 в 08:26:
    Всего комментариев: 41
    Переход от жидкого водорода к жидкому метану существенно важен как с точки зрения хранения топлива так и с точки зрения полёту к Марсу. Жидкий водород с точкой Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
    • Леонид - 29.08.2019 в 00:33:
      Всего комментариев: 1
      На первом фото двигательь мерлин, а на последней не эскиз, а реальный прототип!
      Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?