Раптор не установил рекорда. И рекордсмен даже не РД-180. Так какому ракетному двигателю принадлежит рекорд давления в камере сгорания?
7 февраля 2019 года Илон Маск опубликовал следующее сообщение:
«Сегодня Raptor достиг отметки 268,9 бара, это превосходит предыдущий рекорд, удерживаемый великолепным российским РД–180. Отличная работа команд инженеров и тестировщиков SpaceX»
Запомним два посыла:
По мнению Маска рекорд давления ранее принадлежал РД-180.
Илон Маск заявляет, что рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).
Испытания двигателя Раптор.
4 февраля 2019 года
Обратите внимание на продолжительность испытания.
Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс (1137 кН), что составляет 60 % от номинального значения
7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность, достигнув уровня тяги в 172 тс (1686 кН) при давлении в камере сгорания 257 бар (25,7 МПа).
"Подтвердил проектную мощность" - можно ожидать, что проработал какое то время на проектной мощности. Вопрос - как долго?
И седьмого же февраля 2019 года Илон Маск сообщает - рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).
Ну что же, давайте проанализируем приложенный график...
Рассмотрим внимательно график давления.
Формат отображения времени согласно ISO 8601 hh:mm:ss.sss, hh - часы, mm - минуты, ss до точки - секунды, .sss после точки - десятые, сотые, тысячные секунды.
Обратим внимание на подписи линии абсцисс, там есть следующие значения: 10.56 ... 10.60 ... 10.64 ...10.68 ...10.72 ... 10.76
На графике давление выше 267 (RD-180) начинается с "10.71" и заканчивается на "10.75".
Зафиксированное время давления более 267 атмосфер по этому графику не превышает 4 сотых секунд , т.е. не более 0,04 секунды. И далее обрывается. Что само по себе может означать аварийный останов.
Для сравнения моргание человеческого глаза длится от 0,05 - 0,075 секунды.
Пики на данном графике вероятнее всего указывают на неустойчивость различных рабочих процессов: самопроизвольные неуправляемые колебания давления, скорости процессов, температуры газа и жидкостей и прочего. Обычно сначала возникает участок развития колебательного процесса длительностью 0,01…0,02 секунды, затем существует участок автоколебаний, т.е самоподдерживающихся нелинейных периодических колебаний примерно постоянной амплитуды, что проявляется вибрациями и приводит в конечном счете к механическому разрушению конструкций, локальным оплавлениям стенок, нестабильности тяги.
Если говорить о достижениях, то достижением стоит назвать усредненное давление которое продлится хотя бы с десяток секунд. Но практический смысл имеют значения удерживаемые в течение хотя бы минут.
Перейдем к заявления разработчиков РД-180 и экспертов.
Создатель двигателя РД-180, академик РАН Борис Каторгин:
"Данных для оценки этого заявления очень мало. Для начала надо ответить на вопросы: в какой камере была получена тяга, какая размеренность у камеры, насколько процесс горения устойчив"
Также необходимо знать, как камера охлаждалась при таких высоких тепловых потоках, а также отработала ли она один полетный ресурс или несколько.
"Только после получения этих показателей можно давать оценки результатам. "
https://tass.ru/kosmos/6102891
Академик Борис Каторгин замечает, что не ясно насколько устойчив процесс - есть ли пульсации, нестабильности или другие негативные процессы. И самое главное - насколько длительным был замеряемым процесс? И продолжались ли обсуждаемые показатели в течение хотя бы одного заявленного ресурса двигателя?
Генеральный директор "КосмоКурса" Павел Пушкин:
«Для метанового двигателя реализуются более мягкие температурные параметры при том же давлении, что в кислородно-керосиновом РД-180. Температура в метановом двигателе пониже будет, помягче тепловые нагрузки. Даже если бы сделали керосиновый двигатель с таким давлением, это вопрос технической реализации: кто лучше-хуже. ...
Если там высокое давление, то это может быть ненадежно, и двигатели при полном цикле испытаний начнут отказывать. Пока информации недостаточно»
https://lenta.ru/news/2019/02/11/raptorvsrd180/
Павел Кушинин замечает, что заявлять о достижении метанового двигателя над кислородно-керосиновом несколько не корректно так как метановый двигатель испытывает меньшие тепловые нагрузки.
И отмечает, что показателем служит лишь длительные значения показанные в полном цикле испытаний, за весь проектируемый срок работы двигателя. Т.е. если двигателю назначено работать, к примеру, 1000 секунд при таком давлении, то он должен отработать именно столько, а не меньше.
Главный конструктор НПО "Энергомаш" Петр Левочкин:
«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.
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://www.roscosmos.ru/25999/
Петр Левочкин сообщает, что сравнивать двигатели не корректно по причине различных применения различных по характеристикам топлива.
РД-180 может отработать назначенный ресурс при давление свыше 280 атмосфер (более 283 бар), так как был на такое давлении сертифицирован.
Циклограмма испытаний РД-180
Полученные значения на испытаниях РД-180 выше значений ТЗ. Продолжительность работы на максимальных значениях более 170 секунд.
Промежуточные выводы
РД-180 может отработать назначенный ресурс при давление свыше 280 атмосфер (более 283 бар).
Раптор в пике показал 265,38 атмосфер на протяжение не боле 0,04 секунд. Очевидно, что для Илона Маска такое событие является значимым. Но с точки зрения специалистов достигнутое давление, длящееся столь короткое время, не является значимым с точки зрения эксплуатации, и является лишь рабочим моментом в разработке нового двигателя.
Так какому же ракетному двигателю принадлежит рекорд давления в камере сгорания?
Не для всех известных ракетных двигателей разработанных в России и СССР указаны характеристики, как и не для всех указано давление в камере сгорания, т.к. это давление не сильно коррелирует с главными характеристиками. Однако известно о двигателе РД-701
РД-701
Трёхкомпонентные ЖРД многоразового применения.
Рабочие характеристики для 25 кратного применения:
Тяга в вакууме: 1-ый режим:408 тс (4 001 кH), 2-ой режим:160 тс(1 569 кН)
Удельный импульс в вакууме: 1-ый режим:415 сек, 2-ой режим:460 сек.
На уровне моря: 330 сек.
Давление в камере сгорания: 1-ый режим (Керосин-кислород): 306 кгс/см2 (296,16 атм. или 300.08 бар), 2-ой режим (водород-кислород):153 кгс/см2 (148,08 атм.)
Начало разработки 1980, в середине 80-х прошел стендовые испытания, предназначался для воздушно-космической системы МАКС, многоразовый челнок с топливным баком должен был стартовать на высоте боле 8 км с АН-225 "Мрия".
РД-701 ракетный двигатель с подвижной насадкой на сопло, позволявшей переводить его из атмосферного режима в вакуумный. И единственный реально построенный трехкомпонентный двигатель кислород/керосин/водород
Для того чтобы новый двигатель можно было использовать для одноступенчатой ракеты, была разработана конструкция раздвижного сопла из композиционных материалов. В стартовом положении нижняя обечайка колокола сопла поднята наверх, а после перехода двигателя на второй режим(работа в вакууме) обечайка сопла опускается в нижнее положение и тем самым удлиняет сопло.
Двигатель прошел не менее 50 огневых испытаний с полным подтверждением характеристик. Что открывало дорогу для применения на возвращаемой одноступенчатой ракете.
Программа МАКС закрыта 1988 году, а двигатель РД-701 в начале 90-х выставлялся на экспорт вместе с РД-170, и РД-180. И было подписано несколько соглашений о сотрудничестве и продаже данных двигателей, известно о договорах с компаниями США и Канады.
РД-701, вырезка из американского журнала.
С 1994 года специалисты «Энергомаша» по заказу американцев разрабатывали проект многоразового двигателя для системы с вертикальной посадкой, но потом Штаты отказались от услуг российских двигателестроителей и засекретили результаты работ.
Сравнение РД-701 и Raptor
Характеристики РД-701 подтверждены испытаниями. Двигатели выставлялись на продажу были подписаны соглашения как минимум с США и Канадой. Энергомаш сотрудничал с представителями США, и выполнял по их заданиям конструкторские работы. Результаты работ засекречены американской стороной.
Заявленные заявления о характеристиках двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012 — 2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги в 8 200 кН до более поздней, гораздо более низкой тяги в 1 900 кН. С 2018 года ожидается, что рабочий двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли.
На данный момент, насколько можно судить по твитеру И. Маска, Раптор не является законченным двигателем, его характеристики не подтверждены ресурсными испытаниями.
Подведем итоги.
По мнению Маска рекорд давления ранее принадлежал РД-180.
Нет. Рекорд давления в камере сгорания среди двигателей с объявленными характеристиками принадлежит РД-701.
Илон Маск заявляет, что рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).
Раптор находится на стадии разработки, и не проходил ресурсных испытаний. Раптор в одном из испытаний достигал давления 268,9 бар в интервале 0,04 секунд. РД-180 сертифицирован с 10% запасом, т.е. более 280 бар, и может отработать назначенное время.
Знал ли Маск о РД-701?
Скорее всего знал, т.к. с 90-х годов в США шла проработка многоразовых систем с вертикальной посадкой, сообщалось о готовности применением РД-701 в системах вертикальной посадки одноступенчатых ракет. Двигатель находился в каталогах продукции Энергомаш. Энергомаш выполнял работы по заказу США, характеристики двигателя не скрывались, и о таком сотрудничестве и применении сообщала американская пресса. Двигатель РД-701 находится во всех каталогах Ракетных двигателей.
Ссылки:
https://ru.wikipedia.org/wiki/РД-701
https://ru.wikipedia.org/wiki/Raptor_(ракетный_двигатель)