Криогенный ракетный двигатель – тип ракетного двигателя, использующий криогенное топливо или окислитель, а именно – топливо или окислитель (иногда – и то, и другое), представляющие собой сжиженные и хранящиеся при сверхнизких температурах газы. Стоит отметить, что эти двигатели были одним из главных составных элементов успеха НАСА в исследовании Луны с помощью ракет «Сатурн-5».
Во времена Второй мировой войны, когда первые мощные ракетные двигатели появились в Германии, советские и американские инженеры, независимо друг от друга, поняли, что ракетным двигателям нужен высокий массовый расход окислителя и топлива для выработки достаточной тяги. В то время кислород и низкомолекулярные углеводороды использовались, как окислитель и топливная пара. При комнатных температуре и давлении оба вещества находятся в газообразном состоянии. Гипотетически, если бы компоненты ракетного топлива хранились под давлением, как газы, то размеры и масса самих топливных баков сильно уменьшили бы КПД ракеты. Следовательно, чтобы получить необходимый массовый расход, единственным выходом остается охлаждение компонентов ракетного топлива до криогенных температур (ниже -183°C [90 К]; -253°С [20 К]), и их последующее превращение в жидкость. Следовательно, все криогенные ракетные двигатели, по определению, являются либо жидкостными, либо гибридными ракетными двигателями.
Различные криогенные сочетания топлива и окислителя были опробованы, но в большинстве случаев используется смесь жидкого водорода (топливо) и жидкого кислорода (окислитель). Оба компонента можно получить легко и без особых расходов, а при сжигании выделяется невероятное количество тепла, что позволяет выработать удельный импульс длительностью до 450 секунд (эффективная скорость истечения – 4,4 км/с).
Конструкция
Главными компонентами криогенного ракетного двигателя являются камера сгорания (камера ракетного двигателя), пиротехнический активатор, топливная форсунка, топливные криогенные насосы, криогенные насосы для окислителей, газовая турбина, криогенные клапаны, стабилизаторы, топливные баки и сопло ракетного двигателя. При условии подачи топлива в камеру сгорания в криогенные ракетные двигатели (или практически все жидкостные ракетные двигатели) топливо подается либо вытеснительным способом, либо при помощи насоса. Причем, двигатели с подачей топлива при помощи насоса работают либо с открытым циклом, либо по замкнутой схеме, либо с циклом фазового перехода.
Криогенные насосы всегда представляют собой турбонасосы, питаемые перетекающим топливом через газовые турбины. Обращая внимание на этот аспект, двигатели можно разделить на конфигурации с основным потоком и с байпасным потоком. В случае с конфигурацией с основным потоком все перекачанное топливо подается через газовые турбины, а затем оно перекачивается в камеру сгорания. В конфигурации с байпасным потоком поток топлива разделяется. Главная часть направляется напрямую в камеру сгорания для выработки тяги, тогда как небольшая доля топлива проходит в турбину.