Посмотрим "незамутненным" то есть по возможности беспристрастным взглядом на те "водородники" которые запускаются "наверху" и массово используются/использовались.
RL-10, американский криогенный двигатель, в самых разных модификациях.
Создан еще в середине 60-х. с тягой около 6 тс, постепенно модифицировался, и последние варианты имеют тягу более 10 тс.
Хороший двигатель никогда не пропадает в музее - даже если сам (как на фото) попал в музей, то его потомки "тащат службу".
HM7 - европейский криогенный двигатель, (первый неамериканский криогенный) использовался в верхней ступени ракеты европейского космического агентства Ариан.
Двигатель с ТНА, но открытой схемы. Начинался с HM4, "четырехтонника", никогда не летавшего в космос, многократно и разносторонне испытанного на земле.
Сейчас это "шеститонник", но РН Ариан-5 закончила службу. Ей на смену приходит Ариан-6. И там планируют так же "водородник",
Vinci, который является последователем HM7B, но отказавшегося от газогенератора. и приобретающего, в том числе и благодаря новой схеме, тягу аж в 18 тс!
В описании сказано, что это некий "расширительный" цикл, но при подробном рассмотрении понятно, что это схема, применяемая в RL-10.
Вероятно, у европейского космического агентства были сложности с патентными делами, потому пришлось применять газогенераторную открытую схему - на HM7.
На этом распространенные "водородники" с высотным запуском заканчиваются. Может я что то упустил - пусть читатели добавят.
Рекомендую обратить внимание, что даже для верхней ступени постоянно идет работа по увеличению тяги двигателя. Здесь дело в следующем. Разгонный блок часто используется для перехода с опорной, как правило НОО, на более высокую орбиту.
Время работы разгонных блоков - десятки минут. Первоначальное (для подъема орбиты) включение осуществляют в перигее. Вектор тяги двигателя и вектор скорости перпендикулярны вектору силы притяжения земли. Гравитационные потери - отсутствуют. Но при длительной работе разгонного блока - он работает на восходящей части эллипса, и потери появляются. Чем больше время работы блока - тем больше потери. Двигатель с большей тягой снижает это время, и снижает потери. Но при этом масса его больше - работает "в минус". Задача специалистов-баллистиков - поиск оптимума. А конструктора космических аппаратов разрабатывают разгонные блоки с разной тягой - с одним двигателем, двумя, и даже четырьмя - но дальше все равно необходимо переходить на двигатели большей тяги. Особенно если растет масса ПН.
"Защитники" официальной версии Аполлуниады постоянно повторяют - мощные "водородники" не запускают на высоте, потому, что это ненужно - достаточно маломощных. Но конструктора и разработчики космической техники с ними не согласны - они вовсе не облегчают двигатели при постоянной тяги или не разрабатывают все меньшие двигатели - наоборот. Существующие дорабатывают, увеличивая тягу, собирают в сборки по два и четыре, разрабатывают новые на бОльшую тягу.
Где то в глубинах интернета есть информация (сейчас находится в виде реферата) про существовавший план разработки кислородно-водородного ЖРД HM60.
Это - начало 90-х.
Пожелания - заслуживающие внимания.
Двигатель 60 тс тяги - или больше.
Планировался к использованию во второй ступени РН, аналогичной Ариан-4 - то есть с запуском на высоте.
Анализ схемы "расширительного цикла" показал, что для данной тяги его использовать невозможно:
В процессе предварительных исследований рассматривались три схемы двигателя:
1.ЖРД с использованием на турбине пара водорода, полученного в тракте
2.ЖРД с дожиганием генераторного газа;
3. ЖРД без дожигания генераторного газа
Принципиальными преимуществами ЖРД первой из рассмотренных схем являются: простота, предельно низкая стоимость производства и относительной низкий уровень давления в насосах, необходимый для заданного давления в камере сгорания. Тем не менее, предварительные исследования показывают, что тепловой энергии, снятой со всей поверхности камеры сгорания, включая сопло, не достаточно для подачи топлива в камеру сгорания с давлением 100 х 105 Па.
В схеме ЖРД с дожиганием генераторного газа, камера сгорания питается двумя отдельными турбонасосами, работающими на газе, полученном в предкамере, объединенной с турбонасосом жидкого водорода. Для данной схемы ЖРД рассматривались конфигурации турбонасосов, подобные ЖРД ТКА Space Shuttle, но без преднасосов, что объясняется требованиями к двигателю. Камера сгорая имеет регенеративное охлаждение, для чего используется 20% топлива, а 6% его идет на охлаждение сопла с последующим сбросом горячего пара.
Дополнительно оговаривалось, что двигатель должен запускаться так же, как HM7:
Старт турбин и воспламенение в газогенераторе и камере сгорания осуществляется пиротехнической системой, аналогичной ЖРД НМ7.
Начало работ по этому двигателю - 1981 г, а первоначальный анализ - еще в 1978 году, а всего лишь немного ранее 5 лет завершил свою успешную службу на благо "флаговтыка" американский J-2, близкий по характеристикам к желаемому HM60.
Во что это "вылилось"?
Да не во что... Что бы понять, что получилось - посмотрим немного на ракеты европейского космического агентства (ЕКА).
Ариан-4. 1988 г - 2003 г.
В "нулевом" варианте - без ускорителей - это РН "классической" тандемной схемы, трехступенчатая. Две первые ступени - "вонючки", третья ступень - водород - то самый двигатель HM7B.
Последующие, более старшие варианты имели дополнительные ускорители того или иного вида в разных комбинациях.
Весьма скромные показатели по отношению ПН к стартовой массе - около двух процентов - что вполне объяснимо сравнительно низким удельным импульсом двигателей на "вонючках". У советского Протона этот показатель лучше - чуть больше трех процентов - 3,2%. Несмотря на то, что у Протона и верхняя ступень - "вонючки", а не водород и даже не керосин.
Более внимательное сравнение этих двух ракет показывает разный подход к гравитационным потерям - у Ариан стартовая перегрузка всего 1,25, а у Протона 1,43.
Водородный HM60 прорабатывался для установки на вторую ступень РН, аналогичной Ариан-4 - тандемная компоновка с запуском двигателя на высоте. Модификации этого двигателя с увеличенной тягой (свыше 100 тс тяги) рассматривались и в качестве двигателей первой ступени. Должно было получиться что то весьма интересное.
Но... не взлетела... Двигатель не создали, а ракета Ариан-5 получила совсем другую компоновку.
Причина? "Прелести" водорода, особенно в применимости его на мощных "водородниках".
Вместо запускаемого на высоте HM60 был создан Вулкан-1, мощный водородник с тягой у земли в 82 тс, в вакууме 114 тс, а затем его модификация Вулкан-2, с тягой у земли 92 тс и 137 тс на высоте.
Но так как его на высоте, там где должна начинать работать вторая ступень, запустить нельзя, то получилась такая ракета, в общей идеологии работы двигателей чем то похожая на Спейс-Шаттл.
Основная ступень или первая ступень, как ее назвали, без ускорителей-бустеров не способна поднять даже сама себя, без верхней ступени и полезной нагрузки - тяговооруженность ступени меньше единицы.
Но время работы этой ступени - более 600 с - перекрывает время работы первой и второй ступени Протона, и ненамного меньше его полного активного участка.
Как можно описать ракету Ариан-5 в процессе ее создания (представим себе размышления разработчика данной ракеты)?
1. Для улучшения характеристик на второй ступени необходимо использовать водород.
2. Но мощный водородник на высоте не запустить.
3. Делать связку из десятка маломощных HM7B? Не вариант - сложно, дорого, ненадежно.
4. Значит нужно мощный водородник второй ступени запускать на земле, "растянуть" его до первой ступени.
5. А тут эти гравитационные потери - несмотря на великолепный показатель по характеристической скорости, ракета просто не взлетит.
6. Значит нужно собирать "пакетную" компоновку - первая ступень и вторая запускаются вместе, как на Союзе
7. Но если это будет ЖРД (на первой ступени), который управляется и регулирует тягу, тогда нет никакой логики, для чего "водородник" необходимо запускать у земли - или нужно признать, что на высоте мощный "водородник" запустить при сегодняшнем уровне развития техники затруднительно или совсем невозможно, несмотря на то, что на Сатурне-5 J-2 великолепно запускался и вывез всю Аполлуниаду.
8. Эврика! Поставим на первую ступень ТТУ! Убьём всех зайцев!
9. ТТУ добавят тяги на старте и РН взлетит.
10. ТТУ не управляются и не регулируются в полете - бустеры "горят" по заданной программе, и все. Им в параллель обязательно нужен ЖРД, который позволит регулировать в определенных пределах тягу в полете.
11. Все, облик ракеты сложился. Первая ступень - бустеры, им в параллель вторая ступень, с запуском на земле, никаких безбустерных вариантов. Опять же - можно показать правильность НАСА в их решении по схеме STS - запуск Ариан-5 весьма похож на запуск Спейс-Шаттла. А НАСА - старшие коллеги, они не могут ошибаться, с ними нужно во всем соглашаться.
12. Вот только стартовая перегрузка маловата - высокие гравитационные потери - но тут с вибрациями ТТУ ничего поделать нельзя - что получилось, то получилось...
В результате Ариан-5, несмотря на водород, имела сравнительно скромный параметр - отношение массы ПН к стартовой массе - примерно 2,7%, хуже чем у Протона на "вонючках" с их низким удельным импульсом.
Почему этот параметр - отношение массы ПН к стартовой массе - является в большинстве случаев "мерилом" совершенства ракеты - мы рассмотрим в следующей части. И продолжим про "прелести" водорода.