Представьте себе: у вас есть автомобиль, который расходует в полтора раза меньше топлива, чем любой другой. Звучит как мечта, правда? Но есть одна проблема - он взрывается при малейшей искре, стоит как самолет, а заправляться может только в одном месте на всю страну. Примерно так обстоят дела с водородными ракетными двигателями.
Водород - это круто, но...
Водородные двигатели действительно впечатляют. У них удельный импульс на 50% выше, чем у керосиновых собратьев. Это означает, что из каждого килограмма топлива они выжимают гораздо больше тяги. Казалось бы, вот он - идеальный двигатель для космоса!
А почему же тогда не все ракеты летают на водороде? Можно было бы подумать, что дело просто в технических сложностях, но нет. Проблема гораздо глубже.
Три главных врага водорода
Сложность как главный враг
Начнем с того, что водород - это не керосин, который можно хранить в обычном баке. Это самый легкий элемент во Вселенной, и он ведет себя соответственно. Молекулы водорода настолько малы, что просачиваются через металл. Представьте себе воду, которая течет даже через плотно закрытую банку - примерно так же ведет себя водород.
Кстати, а знаете, при какой температуре нужно хранить водород? Минус 253 градуса Цельсия! Это холоднее, чем на Плутоне. Для сравнения, керосин прекрасно чувствует себя при обычной температуре.
И вообще, система подачи водорода - это как швейцарские часы, только размером с дом. Турбонасосная установка РД-0120 вращалась со скоростью 75 тысяч оборотов в минуту. Это в 25 раз быстрее, чем двигатель вашего автомобиля на максимальных оборотах.
Дороговизна - второй удар
Так что же получается с ценой? Водородный двигатель стоит как небольшой завод. Возьмем тот же РД-0120 - на его создание потратили 8 лет и миллиарды рублей. А почему так дорого?
Дело в том, что для водорода нужны особые материалы. Обычная сталь тут не подойдет - водород делает металл хрупким, как стекло. Приходится использовать специальные сплавы на основе никеля и меди. Это как построить дом не из кирпича, а из золотых слитков.
А еще нужна особая инфраструктура. Заправочные станции для водорода - это не просто резервуары, а целые технологические комплексы с системами охлаждения, которые стоят десятки миллионов долларов каждая.
Низкая тяга - третий подводный камень
Тут начинается самое интересное. Водород легкий, очень легкий. Это хорошо для космоса, но плохо для старта с Земли. Представьте себе два одинаковых бака: один с керосином, другой с водородом. Бак с керосином будет создавать тягу в несколько раз больше просто потому, что керосин плотнее.
А как же тогда взлетают ракеты с водородными двигателями? Они компенсируют это размерами. Космический шаттл с его огромным оранжевым баком - классический пример. Бак был размером с 15-этажный дом, а весил при этом меньше, чем можно было бы ожидать.
История успеха и провала
Американский путь
В США еще в 60-х создали двигатель J-2 для лунной программы. Он работал на третьей ступени Saturn V и прекрасно справлялся со своими задачами. Американцы пошли простым путем - использовали водород там, где он нужен больше всего: в космосе, а не для взлета с Земли.
Кстати, а знаете, что этот двигатель используется до сих пор? Более 50 лет надежной работы - не шутка.
Советский эксперимент
В СССР долго не хотели связываться с водородом. И правильно делали! Керосиновые двигатели простые, надежные, дешевые. Но к середине 70-х стало понятно: без водорода в дальний космос не полетишь.
Так начались работы над РД-0120. Это был настоящий технологический прорыв. Советские инженеры создали уникальную систему охлаждения, которая выдерживала температуру свыше 3000 градусов. Для сравнения, это в три раза горячее лавы.
А еще они сделали то, что не удавалось никому - создали водородный двигатель замкнутого цикла. Это как заставить автомобиль работать на собственных выхлопных газах.
Когда все пошло не так
В 1987 году РД-0120 прошел боевое крещение на ракете "Энергия". Все работало идеально. Двигатель показал тягу 200 тонн и удельный импульс 455 секунд. Это были одни из лучших показателей в мире.
А что случилось дальше? Можно было бы подумать, что технология пошла в серию, но нет. Программу закрыли в 1988 году.
И вообще, к началу 90-х произошло непоправимое. Не только закрыли программу, но и потеряли всю производственную цепочку. Заводы, которые делали специальные сплавы, остались в других странах. Люди, которые знали технологию, ушли на пенсию или эмигрировали.
Кстати, а знаете, что говорили эксперты в 2015 году? Для восстановления производства РД-0120 потребуется не менее 8 лет. Это столько же, сколько потратили на его создание в СССР!
Современная реальность
Так что же получается сегодня? Россия не производит водородные двигатели. Разработки ведутся, но до серийного производства далеко. РД-0146 разрабатывается с 1997 года, но так и не доведен до ума.
А почему не восстанавливают производство? Дело не только в деньгах. Водородные двигатели нужны для амбициозных задач - полетов к другим планетам, создания тяжелых орбитальных станций. Пока таких задач нет, нет и стимула развивать дорогую технологию.
И вообще, есть ли смысл в водородных двигателях? Для коммерческих запусков спутников - нет. Керосиновые двигатели дешевле и проще. Для полетов на Марс - безусловно да. Но пока мы не собираемся лететь на Марс, водород остается экзотикой.
Неожиданный поворот
А теперь самое интересное. Пока мы говорим о том, что водородные двигатели слишком сложные и дорогие, частные компании уже делают их серийно. SpaceX разрабатывает Raptor на метане, который по сложности не уступает водородным двигателям. Blue Origin создает водородный BE-3 для своих туристических полетов.
Как так получилось? Оказывается, когда есть конкретная задача и рынок, даже самые сложные технологии становятся экономически выгодными. Это как смартфоны - 30 лет назад они казались фантастикой, а сегодня есть у каждого школьника.
Так что же, может быть, время водородных двигателей еще не прошло? Возможно, просто нужны правильные задачи и правильный подход. А пока что мы летаем на проверенном керосине и мечтаем о звездах.