«Невероятная» технология нового двигателя Илона Маска для ракет SpaceX

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

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 закончено,  SpaceX  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.

                    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