- Интересно о современных технологиях
Вот, чувствую, нужно на эту тему хоть что-то написать в свете того прогресса, который уже есть у Спейс-Икс. Интересно, что "Раптор" - это "хищник" в переводе с английского. И это слово является частью названий всяких мезозойских ящеров. (листайте)
Когда-то давно я писал об эволюции ракетных двигателей (здесь), но это не то же самое, что закопаться в какой-то конкретный двигатель.
Итак, что это за "Раптор", пришедший на смену "Мерлину", на который делает ставку "Спейс-Икс" и Илон Маск?
Давайте поступим вот как. Во-первых, посмотрим на компоненты топлива. Во-вторых, давайте поисследуем схему двигателя и газогенератора. В-третьих, давайте оценим показатели и сравним с другими движками. Думаю, этого будет более чем достаточно, чтобы какое-то мнение составить.
Поехали!
1. Компоненты топлива
Какжется, прошло уже немеряно времени с тех пор, как я видел выступления Маска на всяких форумах и конференциях, где он обосновывал выбор метана в качетсве топлива. Первая и главная причина - возможность создать производство метана в марсианской колонии (когда время дойдет). Ведь если с нефтью там большой вопрос, то метан точно смогут добывать.
Плюс ко всему у метана неплохие показатели по плотности в жидком состоянии, он гораздо лучше водорода, который слишком легок и требует баков большого объема. А теплотворная способность у метана вполне хорошая. Плюс ко всему "выхлоп" метана один из наиболее экологичных, особенно в сравнении с бензином или керосином. А также он хорош для самой системы подачи топлива, но про это - в следующем разделе.
Ну, а окислитель - жидкий кислород. Тут все стандартно и в технологиях уже налажено.
2. Схема двигателя и газогенераторы
Давайте попробую начать с самого простого, с ответа на вопрос, что же создает силу тяги в реактивном ракетном двигателе.
На самой упрощенной схеме мы видим, что топливо и окислитель как-то подаются в камеру сгорания, поджигаются и сгорают, создавая высокотемпературную смесь реактивных газов. После камеры эти газы устремляются в сопло, где, благодаря его форме и термодинамическим процессам расширяются и разгоняются.
На схеме видно, что часть силы давления (вверх) нескомпенсирована и во многом создает силу тяги двигателя.
Для того, чтобы в целом тяга двигателя росла необходимо несколько моментов (пишу очень упрощенно):
1. Обеспечить высокую температуру и давление в камере сгорания
2. Обеспечить высокую скорость истекающих газов
3. Создать оптимальную геометрию стенок двигателя для максимальной тяги.
Как всегда, все они влияют друг на друга. А ведь есть еще требования для увеличения надежности, долговечности, износостойкости. Для этого создаются охлаждающие "рубашки" в стенках и охлаждающие пленки на их поверхности, и много чего еще. Но мы в это закапываться не будем.
Чтобы немного разобраться с "Раптором", мы уделим внимание первому пункту и чуть-чуть второму.
За давление и температуру инженеры "борются" аж с самой зари ракетной техники. Все это непросто. Ограничивает нас тугоплавкость самих стенок, которая не может быть бесконечно высокой. А их прочность напрямую связано еще и с массой конструкции.
Но у этого вопроса есть еще одна деталь. Дело в том, что топливо и окислитель должны подаваться в камеру сгорания, то есть туда, где давление и так крайне высокое. То есть давление в трубопроводах должно быть еще выше! Для того, чтобы это обеспечить, используют особые конструкции газогенераторов, вращающих насосы подачи компонентов топлива. Наверное в них скрыта одна из основных изюминок конструкции двигателя.
На схеме ниже вы видите двигатель с газогенератором открытого цикла.
Часть топлива и окслителя здесь сжигается в газогенераторе, и энергия газов используется для раскручивания турбины, которая затем вращает центробежные насосы подачи топлива. При этом раскручивающие турбину газы просто выбрасываются. А насосы подачи находятся с турбиной на одном валу. В этом есть преимущество в плане простоты, но и недостатки - снижение КПД (коэффициента полезного действия), сложности подстройки подачи компонентов, имеющих разную плотность, чтобы в основной камере сгорания они оказались в оптимальном для реакции горения соотношении (помните химию?).
Более продвинутыми вариантами двигателей являются двигатели с закрытым циклом, где отработанный в газогенераторе газ поступает в основную камеру сгорания.
При этом есть двигатели с избытком окислителя в газогенераторе, чтобы неполное сгорание топлива (например, керосина) не приводило к частичному коксованию и не "загрязняло" газогенератор. Если не ошибаюсь, таков наш РД-180.
Также существуют двигатели с газогенераторами с избытком топлива, но тогда это не керосин, а, например, жидкий водород. Таков RS-25, применявшийся на Шаттлах.
И есть схема с полной газификацией компонентов в газогенераторах ступенчатой подачи. Но единственный на данный момент летающий двигатель этой схемы - это именно "Раптор". Ранее таким предполагали РД-270 для Лунной ракеты СССР. Но проект свернули.
В ней применяются отдельно газогенератор для насоса топлива и газогенератор для насоса окислителя. Плюсом здесь является то, что насосы могут работать с более "горячими" компонентами и может достигаться более высокое давление.
Если я правильно понял, то трудностью такой системы с обогащенным окислителем смесью в газогенераторах является коррозионная стойкость материалов, который с этой смесью взаимодействуют. И Спейс-Икс создали какой-то свой сплав именно для этой цели.
Другим сложным моментом является синхронизация подачи топлива и окислителя, поскольку важно очень точно регулировать температуру компонентов в каждом газогенераторе, иначе ошибки могут привести к непропорциональной подаче в камеру сгорания. Это может либо повысить, либо понизить температуру и давление. Также может привести, например, к избытку окислителя и нерасчетной коррозии. То есть просчеты могут влиять негативно и на тягу, и на коррозионную стойкость стенок конструкции камеры. Возможно что-то похожее происходило при повторном запуске двигателей после "переворота" к вертикали у SN8, SN9, SN10.
3. Сравним
Давайте я не буду оригинальничать и возьму данные с канала Everyday Astranaut, кстати, статью также о двигатялях "Раптор" перевели для "Альфы Центавра" здесь - рекомендую!
Итак, мы видим, что "Рапторы" превосходят все, что есть, по давлению в камере сгорания (Chamber Pressure) - 270 бар! И Илон Маск планирует довести это давление до 300 бар. Кстати, по-моему, несколько месяцев назад уже почти довел до этих значений. Поправьте, если я неправ. Этот показатель важен для того, чтобы иметь большую тягу при малом размере.
Показатели силы тяги (Total Thrust) уже повысились - вместо 2 МН в таблице 2017 года мы имеем 2,2 МегаНьютона в 2020 году. А вот соотношение силы тяги на килограмм массы у него наилучшее и равно 107:1. Ну, за исключением тоже Спейс-Иксовских двигателей "Мерлин", работающих на Фэлкон-9.
Что касается многоразовости, то Маск настроен довести каждый двигатель до показателя 50-разового использования. При этом он стремится к тому, чтобы двигатель стоил не больше 2 миллионов долларов - это крайне мало в сравнении со всем, что есть "вокруг". Так, РД-180 стоит 25 миллионов, а BE-4 Джефа Безоса - 8 миллионов, а "Шаттловский" RS-25 стоит и вовсе больше 50 миллионов.
Если ввести гипотетический параметр стомости 1 килоньютона тяги на один запуск, то Маск здесть стремится к тому, чтобы ценник был на уровне 20 долларов. Все остальные двигатели имеют это показатель на уровни более, чем сотни, а чаще сотен и тысяч долларов. Если Маску это удастся (а к этому все идет), то это будет просто прорыв!
Итак, подытожим.
Сложная система подачи топлива через раздельные газогенераторы с полной газификацией компонентов дает "плюшки" в виде давления и тяги. Метаново-кислородная пара хорошо и для работы двигателя, и для производства компонентов на Марсе. Показатели тяги, удельной тяги и стоимости могут позволить Маску уйти в отрыв от всех конкурентов.
Хорош ли "Раптор"? Похоже, что да. Хотя испытания продолжаются. Посмотрим, что еще интересного произойдет в Спейс-Икс!
На этом, друзья. позвольте завершить.
- Пишите в комментариях, что показалось наиболее интересным?
- Чего не хватило? Какие темы не раскрыты? С чем не согласны?
И увидимся в новых статьях!
