Компания "SpaceX" того самого Илона Маска сообщила о разработке метанового двигателя "Raptor" третьего поколения. На этих двигателях должен начать совершать коммерческие полёты «Старшип», в том числе его лунная модификация «Starship HLS».
Новый двигатель является улучшенной версией двигателя "Raptor 2", на котором сегодня проходит свои испытания «Старшип».
Для многих будет сюрпризом, но двигатели «Raptor 2» предназначены только для проведения испытательных полётов, так как они не удовлетворяют требованиям для конечного коммерческого продукта из-за своих характеристик.
Напомню, "Starship" - это разрабатываемая американской компанией "SpaceX" двухступенчатая полностью многоразовая сверхтяжёлая ракета-носитель, способная вывести на низкую околоземную орбиту (НОО) более 100 тонн полезной нагрузки.
Да, к сожалению, сроки её разработки затягиваются, ибо Илон Маск в 2016 году обещал беспилотный полёт на Марс в 2024-м, а облёт Луны должен был состояться в 2022-м году - в конце 2023-го, но пока ничего из запланированного не выполнено.
1 июня 2024 года японский миллиардер Юсаку Маэдзава даже отменил намеченный ранее на неопределённое время полёт на "Starship" вокруг Луны.
Миллиардер вложил значительную часть своего капитала в разработку этой ракеты. Неизвестно, как именно повлияло финансирование Маэдзавы на проект "Starship", но Илон Маск, объявляя о полёте в 2018 году, сказал, что финансирование имело «существенный эффект». Он также поблагодарил Маэдзаву за его помощь и отметил, что японский миллиардер вкладывает деньги в будущее.
Но за Юсаку Маэдзава переживать не стоит. Когда есть деньги, в космос можно слетать разными способами. Так, в декабре 2021 года российский корабль «Союз МС-20» отправил его на международную космическую станцию в качестве туриста. С собой Маэдзава взял своего лучшего друга (и по совместительству - продюсера) Едзо Хирано.
Видимо, этого им хватило.
Однако, пусть и с задержками, но реализация проекта «Старшип» всё же идёт, и, судя по последним полётам, вполне успешно. Однако Луну должен облетать не прототип, а законченный и одобренный для пилотируемых полётов космический корабль.
И вот он должен летать на двигателях «Raptor 3», прототип которого недавно был представлен.
Именно этот двигатель, обладающий тягой в 270-280 тонн и импульсом в 350 секунд, позволит «Старшипу» выводить 100 тонн на НОО в многоразовом варианте.
Недавно в своей речи Маск рассказал о ракете-носителе для "Starship" и её верхней ступени, и снова вернулся к планам доставить миллионы тонн грузов на Марс для создания самоподдерживающейся колонии.
Таким образом, Маск представил новое видение программы «Старшип».
Так, "Starship" теперь станет ещё больше, в первую очередь - за счёт увеличения своей длины. Вместо 33 двигателей «Раптор 2» на первой ступени теперь будут 35 более мощных и компактных «Раптор 3».
Появились планы по созданию новой, более мощной модификации «Starship 3», способной выводить 200 тонн на низкую околоземную орбиту в многоразовом режиме. Это потребует увеличения корабля, на котором теперь будет работать не 3, а сразу 6 вакуумных двигателей «Раптор 3».
Маск заверил, что компания планирует построить шесть дополнительных аппаратов "Starship" в этом году и увеличить производство в 2025 году для начала запуска спутников и зондов.
Тем не менее, НАСА всё же отложило выполнение миссий по облёту Луны и высадке на неё. Полёты миссии «Artemis II» и «Artemis III», запланированные на 2024–2025 годы, теперь состоятся в 2025 и 2026 годах, и то не факт.
Более того, запуск первого модуля «Gateway» Лунной орбитальной станции, необходимой как перевалочный пункт для полётов и высадки на Луну и, возможно, Марс, был перенесён с 2025 на 2027 год.
Возникли сложности и с созданием лунной версии «Старшипа», которая должна была быть готова к 2025 году.
Тем не менее, если подобная транспортная космическая система заработает, то это станет прорывным событием в космической эре человечества.
Сразу скажу: не факт, что всё получится, ибо система требует отработки технологии многократной дозаправки в космосе, но всё же никаких законов физики это не нарушает и принципиально создаваемо.
Но сегодня говорим именно о двигателях, так как "Raptor" работает на метане, а точнее, на метан-кислородной паре. Двигатель имеет замкнутую схему с полной газификацией компонентов.
Такая схема и такой тип двигателя считаются наиболее совершенными, но и самыми сложными для реализации, однако, как это ни странно, с газовыми компонентами топлива реализовать её немного проще.
Первый такой двигатель был создан в СССР. С 1962 по 1967 год разрабатывался двигатель «РД-270». В период с 1967 по 1969 год он прошёл серию огневых испытаний.
Двигатель был создан, прошёл полный цикл испытаний, но в космос никогда не летал из-за прекращения советской лунной программы, включая работы по семейству ракет-носителей «УР-700».
Сегодня двигатели с замкнутой схемой с полной газификацией компонентов разрабатываются в США «частниками». Это летающие «Рапторы» и пока разрабатываемые «S1E» компании «Stoke Space Technologies», которая была основана группой бывших (в основном уволенных Маском) инженеров и сотрудников "Blue Origin" и "SpaceX", а также двигатель «Mjölnir» компании "New Frontier Aerospace", которая желает создать гиперзвуковой транспортный летающий аппарат.
Итак, испытания третьего поколения двигателя «Раптор» начались ещё в 2023 году, и, судя по посту Илона Маска, двигатель показал устойчивое рабочее давление в 350 атмосфер, выдавая при этом тягу в 269 тонн.
Первая версия двигателя появилась в 2018 году в виде прототипа, конструкция которого предполагала открытый доступ ко всем легкозаменяемым магистралям для поиска и устранения недостатков во время испытаний.
Первая версия полетела в 2019 году на прототипе второй ступени в 10-километровый полёт.
Тяга двигателя составляла 185 тонн-силы, рабочее давление в камере сгорания — 250 атмосфер, удельный импульс — 330 секунд. Общая масса с электроникой, теплозащитой и системой пожаротушения - 3630 кг.
Вторая версия двигателя появилась в 2022 году. Двигатель «Раптор 2» сильно упростился, все отработанные решения в деталях сделаны неразъемными и объединены из нескольких в одну, что позволило уменьшить число деталей и трубок. Однако теплозащитный кожух (для защиты труб и проводки от тепла, выделяемого при работе двигателя), как и система пожаротушения, остался.
- Давление в камере сгорания достигло 300 атмосфер, что позволило поднять тягу двигателя до 230 тонн, удельный импульс составил 350 сек. Масса в сборе уменьшилась до 2875 кг.
Третья версия, Raptor 3, разработана как раз для многоразовости. Да, всё так, именно с этой версии двигателя «Раптор» должны стать многоразовыми. Двигатель стал ещё проще, большинство деталей, что раньше были снаружи, убраны внутрь стенок двигателя.Это сделано благодаря изготовлению агрегатов двигателя методом 3D-печати. Двигатель теперь стал неразборным, следовательно, непригоден для ремонта и обслуживания (за исключением камеры сгорания), избавились от системы теплозащиты и пожаротушения, теперь они больше не нужны.
- Давление в камере сгорания подняли до 350 атмосфер, тягу — до 280 тонн, импульс остался прежним, массу удалось уменьшить до 1720 кг.
Конечно, в сети можно найти такие сравнения, мол, Raptor 3 лучше всего и вся, например, РД-170М будет давать не больше 201 тонны силы на одну камеру сгорания, РД-180 даёт 191 тонн на камеру сгорания, в то время как Raptor 3 — до 280 тонн.
По сути, это так, вот только есть нюанс: «Рапторы» выполнены при помощи современных технологий, а двигатели семейства РД-170 и его развития — это технология почти 40-летней давности, и, по сути, совершенство этих советских двигателей только сегодня превзошли, и то на новой топливной паре.
Почему метан, а не водород? Водородные двигатели обладают большим удельным импульсом при схожих показателях тяги. Однако перспективное ракетное топливо призвано сегодня за парой жидкий метан — жидкий кислород.
Дело в том, что метан намного дешевле и прост в обращении. Стоимость сжиженного метана вдвое ниже стоимости керосина и в 8 раз ниже стоимости водорода. Метан сжимается при -161°C по сравнению с -253°C для водорода. Эта температура близка к температуре жидкого кислорода (-183°C), что позволяет упростить архитектуру двигателя и самих топливных емкостей для хранения двух компонентов топлива.
Газообразный метан также можно использовать для наддува топливных баков, что устраняет необходимость в сложных и дорогостоящих системах наддува, например, на основе гелия. Кроме того, метан в шесть раз плотнее водорода, поэтому занимает в шесть раз меньше места. Поэтому ступени ракеты могут быть более компактными, и их потенциально легче использовать многократно.
Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород — жидкий метан» на 3,4% выше, чем топлива «жидкий кислород — керосин», но на 20,5% ниже, чем топлива «жидкий кислород — жидкий водород». Но при повышении удельного импульса уменьшается конечная тяга, хотя корабль достигает гораздо большей скорости.
Ну и самое главное — метановые ракетные двигатели можно использовать повторно, даже во время полёта, без снижения их характеристик. И всё это благодаря отсутствию продуктов сгорания на соплах (копоти).
Поэтому во всём мире сейчас идёт разработка метановых ракетных двигателей для перспективных многоразовых космических транспортных систем.
- Например, в Китае параллельно ведутся работы над восемью проектами метановых ракетных двигателей: BBF-20, Lingyun, Longyun, TQ-11, TQ-12, TQ-15A, YF-209, YF-215.
При этом двигатель TQ-12 — это первый китайский жидкостный ракетный двигатель, разработанный при частном финансировании, и первый в мире метановый двигатель, который смог доставить на земную орбиту полезную нагрузку.
В США разрабатываются упомянутые метановые «Рапторы», BE-4, которые уже начали летать, «Archimedes» компании "Rocket Lab", а также "Aeon 1" и "Aeon R" компании "Relativity Space".
Европейский союз работает над метановыми двигателями «Prometheus» и «M-10». Однако, например, французский "Prometheus" и китайский «TQ-12» работают по открытому циклу, более простому и консервативному.
А что же в России? У нас метановую тематику начали изучать в конце 1970-х, а в конце 1980-х были разработаны все основные технологии, проведены широкие исследования и проектно-конструкторские разработки, однако далее последовал распад СССР, что сильно притормозило всю космическую отрасль России и все работы в этом направлении.
Тем не менее, разработками метановых двигателей (на топливной паре кислород-метан) начали заниматься ведущие фирмы ракетной отрасли: КБ "Химмаш" им. А. М. Исаева, НПО «Энергомаш» им. академика В. П. Глушко, ИЦ имени М. В. Келдыша, КБ Химавтоматики, НИИМаш.
Первые разработки, связанные с использованием кислород-метанового топлива в жидкостных ракетных двигателях большой тяги, были выполнены НПО «Энергомаш».
Был разработан ряд метан-кислородных двигателей, включая РД-167, РД-169, РД-182, РД-183, РД-190 и РД-192 (РД-192.2/193.3). Эти двигатели были созданы с нуля, но с учётом уже имеющегося опыта и наработок.
Разработку вели по всем схемам одновременно. Например, РД-182, РД-191, РД-192 выполнены с дожиганием окислительного газа, РД-192.2 — с дожиганием восстановительного генераторного газа, а РД-192.3 — без дожигания.
Но это было то время, а что мы имеем сегодня?
По большому счёту, работы по созданию отечественного метанового многоразового ракетного двигателя возобновились в 2006 году. Но, скажем так, денег особо на это не выделялось, так как разработка двигателя была включена в Федеральную космическую программу только в 2016 году и развивалась больше в инициативном порядке. Тем не менее, к 2012 году удалось создать эскизный проект двигателя-демонстратора «РД-0162» с тягой в 203 тонны, удельным импульсом 321 секунда и давлением в камере сгорания 175 кг/см2.
Уже на его основе в конце 2017 года была создана и испытана уменьшенная копия — РД-0162Д2А с тягой 40 тонн.
Сам РД-0162 разрабатывался для многоразовой ракетно-космической системы первого этапа МРКС-1. Результаты были представлены в виде макета многоразовой ступени «Байкал».
Один такой аппарат мог доставить 600 кг груза на НОО. Также «Байкалы» могли быть в составе ракетного комплекса «Ангара».
Хорошо, что эту идею всё-таки не забросили, и в 2019 году продолжили реализацию проекта под названием «Крыло-СВ», где аббревиатура СВ — возвращаемая ступень.
- По неподтверждённым данным, испытания начались в 2023 году на полигоне «Капустин Яр».
У американцев тоже был такой проект, и вполне успешный, — «Пегас».
С 1990 по 1997 годы было проведено 14 пусков с выведением на орбиту искусственных спутников, из которых неудачными были 3 запуска и ещё 2 - частично неудачными. С 1997 года по 2021 годы был выполнен ещё 31 пуск, все оказались удачными.
Однако стоимость запуска в 40-45 миллионов долларов при выводе полезной нагрузки в 450 кг оказалась слишком огромной.
Но вернёмся к метановым двигателям. Главная цель появления такого рода двигателей — переход от одноразовых ракет-носителей к многоразовым. Метановый двигатель подходит для этого лучше всего. Он обладает всеми достоинствами керосиновых ЖРД, при этом лишён их недостатков. Да, метановый двигатель всегда будет уступать по КПД и удельному импульсу водородным, но водородный двигатель более капризный и сложный.
Метановый двигатель может стать, и, скорее всего, станет первой ступенью ядерных ракетных двигателей. Но это отдельная тема, расскажу о ней в следующий раз.
- В России с 2007 года приступили к разработке метановой версии РД-0146ДМ для межорбитальных буксиров.
Следует подчеркнуть, что водородный РД-0146 — это первый в России жидкостный ракетный двигатель, созданный по безгенераторной схеме. Он также является первым в мире двигателем, использующим независимую двухвальную схему подачи компонентов топлива с последовательной подачей газа на турбины.
Самое интересное, что создание двигателя РД-0146, на основе которого был создан метановый аналог «РД-0146ДМ», профинансировала американская компания "Pratt & Whitney". Она финансировала проект от А и до Я, оплачивая испытания стендового образца и натурные испытания. Разумеется, вся техническая документация была предоставлена американской компанией.
Но что имеется сегодня в России?
Помимо перечисленных исследований НПО «Энергомаш», с 1994 года в «Конструкторском бюро Химавтоматики» проводилось исследование перевода на кислород-метан серии двигателей РД0120, РД0124, РД0234, РД0242, РД0256.
В период с 1996 по 1999 год была проведена тщательная разработка конструкции, материалов и технологий для нескольких метановых жидкостных ракетных двигателей различной тяги — от 5 до 240 тонн. Среди них были РД0139, РД0140, РД0134, РД0141, РД0142, РД0143А, РД0143К, РД0144 и РД0149.
Все работы шли преимущественно в частном порядке.
Сегодня идут работы с государственным финансированием по созданию семейства метановых ракетных двигателей. Создается РД-0177, двигатель-демонстратор для отработки технологий создания кислородно-метановых ЖРД с возможностью многократного использования.
- Тяга — 86 тонн, удельный импульс — 352 секунды.
Работы должны быть завершены в 2025 году.
На основе этого образца будут созданы метановые маршевые двигатели тягой 200-250 тонн. Они будут использоваться в перспективной ракете-носителе, которая входит в состав многоразовой ракетно-космической системы.
Одновременно идут работы над лётной модификацией РД-0177 в двух модификациях, «РД-0169А» и «РД-0169В», с повышенной тягой в 100 и 110 тонн, для перспективной ракеты «Союз-СПГ».
РД-0169 — уже начал проходить стендовые испытания.
Да, в России затянули с разработкой метановых двигателей, как, впрочем, и с разработкой многоразовых носителей. Многие технологии были вообще утрачены или переданы на запад.
Это не шутка: в период с 1991 по 1994 год Россия активно сотрудничала с такими компаниями, как "Aerojet" (США), "Rocketdyne" (США), "Pratt & Whitney" (США), "DASA" (Германия), "DARA" (Германия), "Fiat Aero" (Италия), "Volvo" (Швеция) и "Techspace Aero" (Бельгия).
Для этих фирм, помимо проектных работ по оптимизации схемы и параметров кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, была выполнена программа «Рекорд». Её целью была разработка математической модели двигателя с замкнутой схемой на основе РД-0120.
РД-0120 — это по сути уникальный двигатель в своём роде, мало того, что он обладал недостижимым даже сегодня для химических ЖРД удельным импульсом в 455-470 секунд, так его ещё хотели сделать многоразовым.
Многоразовый водородный двигатель закрытого цикла с минимальными доработками прекрасно переходит в многоразовый метановый двигатель.
- Это было фактически подтверждено созданием метановой модификации «РД-0146ДМ» водородно-кислородного двигателя «РД-0146».
Технология производства РД-0120 в России была полностью утрачена, вернее, часть (либо полностью) документации была передана на Запад в 1990-е.
В России фактически с нуля начали работу над водородными двигателями, в том числе двигателя РД-0150, который планируется использовать в ракете «Ангара-А5В» на ее третьей ступени, что позволит ей достичь грузоподъемности до 38 тонн.
Тем не менее, современные проекты ракет-носителей от среднего по сверхтяжёлого класса начали пересматривать в сторону многоразовости и перевода их на метановые двигатели, хотя и от традиционных не отказываются - рановато ещё.
О российской космонавтике и её перспективах поговорим в следующей статье.
Так что сегодня мы имеем?
В мире создан пока единственный полноценно многоразовый метановый двигатель «Raptor 3».
«Raptor 2» тоже многоразовый, но он всё же был предназначен для проведения испытательных полётов, на нём в дальнейшем летать не собирались.
Ранее запущенные китайский двигатель TQ-12 и американский BE-4 были пущены в расход, без многоразовости.
Хотя метановый двигатель «BE-4» компании "Blue Origin", предназначенный для ракеты-носителя тяжелого класса "New Glenn", создавался как многоразовый.
К 2030 году метановые ракетные двигатели займут свою многоразовую нишу в Китае, США, ЕС, даже в Индии. Собственно, Россия, пусть и не первая (из-за развала СССР и утраты многих ключевых технологий) в этом вопросе, но всё же разрабатывает метановый ЖРД, хотя, конечно, отставание от США сегодня составляет около 10 лет.
Но не стоит печалиться. Российская космонавтика была в упадке все эти годы, понимание этого пришло к самым верхам. Проект Национального космического центра (НКЦ) в Москве — тому подтверждение. Там под одной крышей будут объединены центр имени Хруничева, ракетный завод, 18 конструкторских бюро и ситуационный центр, а комплекс станет новой штаб-квартирой «Роскосмоса» и всех его ключевых предприятий.
Помимо этого, в России начали открываться при поддержке того же «Роскосмоса» и государства частные космические предприятия. Обо всём этом поговорим в следующих статьях.
И ещё одно: кроме отчётов со стороны НАСА, нет никаких других сторонних подтверждений указанной тяги двигателя «Раптор». И это всё может оказаться лишь шумихой для привлечения внимания и инвестиций в проект «Старшип».
Всем спасибо!
Постскриптум.
Предлагаю обсудить эту тему у меня в Telegram-канале, там можно задать вопрос, комментировать материалы, там я делюсь дополнительным контентом и мы общаемся на разные темы.
Для самых умных есть закрытый клуб, там много всего интересного:
