Vai SpaceX un Blue Origin var vislabāk izmantot gadu desmitiem veco Krievijas raķešu dzinēja dizainu?

Foto, kurā redzama pacelšanās raķete Bils INgalls/NASA

Stundu pirms saulrieta 2000. gada 24. maijā Kanaveralas zemesraga gaisa spēku stacijā no 36. palaišanas kompleksa pacēlās neparasta raķete. Tāpat kā lielākā daļa raķešu, arī Atlas 3 savu konstrukciju bija mantojusi no starpkontinentālās ballistiskās raķetes — šajā gadījumā no Amerikas pirmās šādas raķetes, kas paredzēta, lai draudētu Padomju Savienībai ar kodoliznīcināšanu. Tas nebija nekas neparasts. Taču raķetei bija jauns pirmais posms, kas bija ievērojami jaudīgāks par tiem, ko tā nomainīja. RD-180, kā sauc dzinēju, uzbūvēja NPO Energomash rūpnīcā ārpus Maskavas. Laulībā, kas kosmosa sacensību augstumos nebūtu iedomājama, krievu dzinējs darbināja amerikāņu raķeti.

Divu gadu desmitu laikā no Floridas pacēlušās vēl 83 šādas raķetes.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2019. gada jūlija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Uz Atlas 3 un tā pēcteča Atlas 5 RD-180 orbītā nogādāja vismaz 16 amerikāņu spiegu satelītus, kā arī 13 militāros sakaru satelītus, pusduci GPS satelītu, divus militāros laikapstākļu satelītus un trīs raķešu brīdinājuma satelītus. , kas paredzēts, lai atklātu raķešu palaišanu, cita starpā no valstīm, kur tā tika uzbūvēta. Tas uzsāka četras Amerikas Marsa misijas. NASA lidojums New Horizons uz Plutonu 2006. gadā un Juno uz Jupiteru 2011. gadā tika veikts RD-180 aizmugurē.

RD-180 ir ievērojams ne tikai ar ģeopolitiskajām īpatnībām, kas saistītas ar tā paaugstināšanos, bet arī tāpēc, ka tas daudzējādā ziņā bija vienkārši labāk nekā jebkurš cits tā laika raķešu dzinējs. Kad 2019. gada februārī Īlons Masks paziņoja par veiksmīgu SpaceX Raptor dzinēja testu, kas paredzēts uzņēmuma nākamās paaudzes raķetes Starship darbināšanai, viņš lepojās ar augsto spiedienu, kas sasniegts Raptor vilces kamerā: 265 reizes pārsniedz atmosfēras spiedienu jūrā. līmenī. Viņš sociālajā tīklā Twitter sacīja, ka Raptor ir pārspējis rekordu, kas vairākus gadu desmitus piederēja lieliskajam Krievijas RD-180.

Pēc tam, kad Krievija 2014. gadā anektēja Krimu, RD-180 dienas kā amerikāņu raķešu galvenais elements bija skaitītas. Aizsardzības vanagiem jau sen bija neērti ar izkārtojumu, taču dzinējs bija gan ļoti labs, gan, ņemot vērā tā iespējas, lēts — un tā arī palika. Taču, kad attiecības ar Krieviju pasliktinājās, Kongresa dzinēja pretiniekiem, kuru vadīja senators Džons Makeins, pēc 2022. gada beigām izdevās pieņemt aizliegumu izmantot dzinēju amerikāņu raķetēs. Tas ir licis gaisa spēkiem atrast jaunu raķeti, lai gūtu panākumus. ar RD-180 darbināmais Atlas 5.

Tas viss rada jautājumu: kā gadu desmitiem vecs krievu dzinējs kļuva par latiņu, pret kuru mēra sevi labākie Amerikas raķešu zinātnieki?

Ja vēlaties saprast, kas padarīja RD-180 par tik labu dzinēju, tas palīdz saprast, ka ir iesaistīts ļoti daudz amatniecības. Lai gan simtiem cilvēku sadarbojas raķešu dzinēju izstrādē, ir svarīgi, lai kāds būtu atbildīgs par labu dizainu: kompromisi ir pārāk sarežģīti, lai tos atrisinātu ar brutālu spēku vai komiteju. RD-180 gadījumā šo cilvēku sauca Valentīns Gluško.

Pēc tam, kad PSRS skrējienā uz Mēnesi zaudēja Amerikai, labākā iespējamā raķešu dzinēja projektēšana kļuva par valsts prioritāti, uzskata aviācijas inženieris un Krievijas kosmosa vēsturnieks Vadims Lukaševičs. Padomju vadītāji vēlējās uzbūvēt pasaulē jaudīgāko raķeti Energia, lai uzturētu savas kosmosa stacijas Zemes orbītā un paceltu iespējamo Krievijas kosmosa kuģi Buran. Gluško tika doti resursi, lai izveidotu labāko dzinēju, ko viņš varēja, un viņš labi konstruēja dzinējus. Rezultāts bija RD-170, RD-180 vecākais brālis.

Krievu RD-180 dzinējs ir darbinājis desmitiem Atlas V palaišanas, no kurām daži ir pārvadājuši satelītus, kas paredzēti, lai, cita starpā, izspiegotu to, kurā tas tika uzbūvēts. Kreigs F. Vokers

RD-170 bija viens no pirmajiem raķešu dzinējiem, kas izmantoja paņēmienu, ko sauc par pakāpenisku degšanu. Vēl viens bija ASV kosmosa kuģa galvenais dzinējs, kas arī tika izstrādāts 70. gados. Turpretim F-1 dzinēji pirmajā raķetes Saturn V posmā, ar kuru tika palaists Apollo uz Mēnesi, bija vecākas, vienkāršākas konstrukcijas, ko sauca par gāzes ģeneratora dzinēju. Galvenā atšķirība: pakāpeniskas iekšdedzes dzinēji var būt efektīvāki, taču tiem ir lielāks eksplozijas risks. Kā skaidro Viljams Andersons, kurš pēta ar šķidro kurināmo raķešu dzinējus Purdī universitātē, enerģijas izdalīšanās ātrums ir tikai ārkārtējs. Andersons saka, ka ir vajadzīgs kāds ar patiesi asprātīgu iztēli, lai saprastu trakās lietas, kas notiek raķešu dzinēju sadegšanas kamerās. Krievijā šis gudrais cilvēks bija Gluško.

'Atspolē tika ieguldīts tik daudz, ka neviens no NASA negribēja runāt par skābekli bagāta pakāpeniskas iekšdedzes dzinēja izstrādi... Skābeklis sadedzinās lielāko daļu lietu, ja jūs nodrošināsit dzirksteli.'

Lai saprastu, kāpēc Gluško dzinēji bija tik inženiertehnisks sasniegums, mums ir jāiegūst mazliet tehniski.

Ir divi galvenie raķetes veiktspējas rādītāji: vilce jeb spēka lielums, ko raķete iedarbojas, un īpašais impulss, mērs, cik efektīvi tā izmanto savas propelentus. Raķete ar lielu vilci, bet zemu īpatnējo impulsu nesasniegs orbītu — tai būtu jāpārvadā tik daudz degvielas, ka degvielas svara dēļ būtu nepieciešams vairāk degvielas utt. Un otrādi, raķete ar lielu īpatnējo impulsu, bet zemu vilces spēku nekad nepamestu zemi. (Tomēr šādas raķetes labi darbojas kosmosā, kur pietiek ar vienmērīgu spiedienu.)

Raķešu dzinējs, līdzīgi kā lidmašīnas reaktīvais dzinējs, sadedzina degvielu kopā ar oksidētāju — bieži vien skābekli —, lai radītu karstu gāzi, kas izplešas uz leju un no dzinēja sprauslas, paātrinot dzinēju otrādi. Atšķirībā no reaktīvajiem dzinējiem, kas saņem skābekli no apkārtējā gaisa, raķetēm ir jāpārvadā savs skābeklis (vai cits oksidētājs), jo kosmosā, protams, tāda nav. Tāpat kā strūklām, arī raķetēm ir nepieciešams veids, kā piespiest degvielu un skābekli sadegšanas kamerā ar augstu spiedienu; ja viss pārējais ir vienāds, augstāks spiediens nozīmē labāku veiktspēju. Lai to izdarītu, raķetes izmanto turbo sūkņus, kas griežas simtiem apgriezienu sekundē. Turbosūkņus darbina turbīnas, savukārt tie tiek darbināti ar priekšdegļiem, kas tāpat sadedzina daļu degvielas un skābekļa.

Izšķirošā atšķirība starp pakāpeniskas iekšdedzes dzinējiem, piemēram, RD-180, un gāzes ģeneratoru dzinējiem, piemēram, Saturn’s F-1, slēpjas tajā, kas notiek ar izplūdes gāzēm no šiem priekšdegļiem. Kamēr gāzes ģeneratoru dzinēji to izmet pāri bortam, pakāpeniskas iekšdedzes dzinēji to atkārtoti ievada galvenajā sadegšanas kamerā. Viens no iemesliem, kāpēc tas tiek darīts, ir tas, ka izplūdes gāzēs ir neizmantota degviela un skābeklis — priekšdegļi nevar to visu sadedzināt. Tā izmešana ir atkritumi, kam ir nozīme raķetē, kurai ir jāpaceļ arī katra degvielas un skābekļa mārciņa, ko tā izmantos. Taču izplūdes gāzu atkārtota iesmidzināšana ir saistīta ar smalku attiecīgo spiedienu un plūsmas ātrumu līdzsvarošanu, lai dzinēji neuzspridzinātu. Lai tas darbotos, ir nepieciešama vesela virkne turbo sūkņu. Ekspertu komandām parasti ir vajadzīgas desmit gadus ilgas simulācijas un testēšanas, lai noskaidrotu, kā to izdarīt pareizi.

RD-170 un RD-180 ir vēl viena priekšrocība. Tie ir bagāti ar skābekli, kas nozīmē tieši tā, kā tas izklausās: tie ievada sistēmā papildu skābekli. (Turpretim kosmosa kuģa galvenais dzinējs ir ar degvielu bagāts dzinējs.) Ar skābekli bagāti dzinēji mēdz degt tīrāk un vieglāk aizdegties. Tie nodrošina arī lielāku sadegšanas spiedienu kamerā un tādējādi labāku veiktspēju, taču tie ir vairāk pakļauti eksplozijai, tāpēc gadu desmitiem ilgi netika veikti nekādi lieli centieni, lai tie darbotos ASV. Atspolē tika ieguldīts tik daudz, ka neviens NASA nevēlējās runāt par ar skābekli bagāta pakāpeniskas iekšdedzes dzinēja izstrādi, saka Andersons. Skābeklis sadedzinās lielāko daļu lietu, ja nodrošināsit dzirksteli. Tam nepieciešama liela piesardzība attiecībā uz materiāliem, ko izmanto dzinēja izgatavošanai, un vēl lielāka piesardzība, lai tajā nekad neiekļūtu svešķermeņi, piemēram, metāla atlūzu plankumi. Jo vairāk mēs uzzinām par fiziku par to, kas notiek sadegšanas kamerā, jo vairāk mēs saprotam, cik nestabila tā patiesībā ir, saka Andersons.

Ja RD-170 neapšaubāmi bija labākais savas paaudzes raķešu dzinējs, tad kosmosa kuģa galvenais dzinējs neapšaubāmi bija otrs labākais (un to izgatavošana bija ievērojami dārgāka). Neviens no tiem neizmantoja savu potenciālu. Kosmosa kuģa dzinējs bija iestrēdzis ar transportlīdzekļa citronu, kas bija daudz apgrūtinošāks, nekā tā dizaineri bija cerējuši. Savukārt RD-170 lidoja tikai divas reizes: vienu reizi 1987. gadā un vienreiz 1988. gadā. Lai gan tās izstrāde bija valsts prioritāte, līdz brīdim, kad Gluško pierādīja, ka tā darbojas, Padomju Savienība grasījās sabrukt.

90. gadi Krievijā bija nemierīgs laiks, īpaši attiecībā uz kosmosa programmu. Lai izdzīvotu bez valsts finansējuma, nesen privatizētie kosmosa uzņēmumi pievērsās komerciālajam tirgum.

Toreiz Džims Sakets, inženieris, kurš strādāja uzņēmumā Lockheed NASA Džonsona kosmosa centrā Hjūstonā, pārcēlās uz Maskavu. Lockheed kļuva ieinteresēts izmantot ar skābekli bagātu pakāpenisku sadedzināšanu, lai darbinātu nākamās paaudzes Atlas raķetes, ar kurām tā plānoja konkurēt par gaisa spēku un NASA līgumiem.

Sakets, kurš bija atbildīgs par Lockheed Maskavas biroju, tika aicināts sazināties ar Energomash, postpadomju kosmosa nozares uzņēmumu, kas ieguva RD-170 un ar to saistīto dzinēju tehnoloģiju. Energomash ar entuziasmu uzņēma Lockheed interesi. Taču RD-170 bija pārāk jaudīga: Atlas raķetes, kuras Lockheed vēlējās nosūtīt kosmosā, bija ievērojami mazākas nekā Energia, kam RD-170 bija paredzēts. Tātad Energomash būtībā samazināja dzinēju uz pusēm — uzņēmums izstrādāja priekšlikumu par četrkameru RD-170 divu kameru atvasinājumu, ko varētu izmantot atlantā. Tā radās RD-180.

Attiecības prasīja ievērojamu integrāciju starp Krievijas un Amerikas militārajiem un rūpnieciskajiem līgumslēdzējiem. Lockheed izveidoja biroju Energomash, Maskavas priekšpilsētā. Tā bija milzīga operācija, atceras Sakets. Viņiem tur ir metalurģijas rūpnīca, tāpēc viņi paši kaļ savus metālus, viņš saka. Viņiem ir visas savas mašīnu darbnīcas, visas savas pārbaudes iekārtas. Tas ir daudz lietu, tas viss zem viena jumta. Un galu galā tas viss pārvēršas par raķešu dzinēju.

Bija vajadzīgs apmēram gads ikdienas, padziļinātas tehniskās tikšanās starp Sackett komandu un Energomash vadītājiem un inženieriem, lai saprastu, vai ierosinātie RD-180 dzinēju pirkumi darbosies vai nē. Lockheed vēlējās nelielu darījumu bez saistībām. Energomash izturējās pret ilgtermiņa vienošanos. Līgums tika parakstīts sešu stundu maratona sesijas beigās 1996. gadā, saka Sakets. Rezultāts: 101 dzinēja, miljardu dolāru darījums.

ASV gaisa spēki, Lockheed galvenais klients, pieprasīja piekļuvi 10 galvenajām tehnoloģijām, kas nepieciešamas RD-180 ražošanai, ja attiecības ar Krieviju kādreiz pārtrūktu un Amerikai pašai būtu jāizgatavo dzinēji. Tā bija liela prasība. ASV meklēja padomju kosmosa tehnoloģiju kroņa dārgakmeni, un Krievijas valdība nebija sajūsmā. Taču viņi neredzēja alternatīvu, saka Sakets, jo valsts ne tikai mainīja savas domas, bet arī sabruka. Viņi vienkārši sabojājās. Tā viņi izglāba uzņēmumu.

Lai gan lielāka uzmanība tika pievērsta Amerikas un Krievijas sadarbībai Starptautiskajā kosmosa stacijā, daudzos aspektos RD-180 sadarbība kļuva dziļāka. Galu galā kosmosa stacija nav izšķiroša nevienas valsts nacionālajai drošībai, savukārt izlūkošanas un sakaru satelīti ir.

Tagad, kad attiecības starp abām valstīm ir izsīkušas, Sakets apgalvo, ka ASV varētu vienkārši ražot RD-180 iekšzemē. Dzinēja kritiķi saka, ka tas būtu astronomiski dārgi. Bet izmaksām nevajadzētu būt astronomiskām! Sakets saka. Mums šeit ir gudri cilvēki, un mums ir recepte! Tieši tāpēc mēs identificējām un pārrunājām šīs 10 galvenās ražošanas tehnoloģijas, lai mēs varētu ņemt rasējumus un piezīmes un pēc tam tos būvēt.

Tas, visticamāk, nenotiks, daļēji tāpēc, ka pēc gadu desmitiem ilgas stagnācijas amerikāņu uzņēmumi beidzot strādā pie dzinējiem, kas varētu būt labāki par RD-180.

Dzinēja darbībai ir liela ietekme uz virs tā esošās raķetes konstrukciju. Tātad, kad Kongress lika gaisa spēkiem pārtraukt RD-180 izmantošanu, tas izraisīja konkurenci ne tikai par jaunu dzinēju, bet arī par pilnīgi jaunu raķeti. Šāds konkurss bija neizbēgams — galu galā dizaini nav mūžīgi. Taču, tā kā jaunu dzinēju un raķešu projektēšana ir dārga un laikietilpīga, pārslēgšanas laiks vienmēr ir politiski strīdīgs. Kongresa pilnvarotais RD-180 aizliegums piespieda šo jautājumu.

Ir četri nopietni pretendenti uz šīs jaunās raķetes būvniecību: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (Boeing un Lockheed Martin kopuzņēmums, kas pazīstams ar iniciāļiem ULA) un Northrop Grumman. Tiks izvēlēti divi no tiem, pamatojoties uz teoriju, ka divu uzvarētāju iegūšana rada pastāvīgu konkurenci, savukārt viena nosaukšana radītu monopolu, kas pēc tam varētu apgriezties un izspiest gaisa spēkus. Uz spēles ir likti tūkstošiem darbavietu: ja ULA zaudēs, tā var izbeigt darbību.

Pirmais Blue Origin BE-4 dzinēja tests 2017. gada oktobrī. 2019. gada sākumā uzņēmums Blue Origin ielauzās Alabamas rūpnīcā, kur plāno būvēt simtiem dzinēju. Pieklājības attēls

New Glenn, Blue Origin dalībnieks konkursā, izmanto BE-4, Blue Origin jaunāko un jaudīgāko dzinēju. (Tāpat kā ULA raķete — abi uzņēmumi vienlaikus ir gan konkurenti, gan biznesa partneri.) Gan BE-4, gan SpaceX Raptor konstrukcijas būtiski ietekmē RD-180. BE-4 ir ar skābekli bagāts pakāpeniskas iekšdedzes dzinējs, piemēram, RD-170 un RD-180. Tikmēr Raptor atgādina RD-180, jo tas ievada pirmsdegļa izplūdes gāzes sadegšanas kamerā, nodrošinot, ka gandrīz visa raķetes tvertnēs glabātā degviela un oksidētājs tiek izmantots vilces spēka radīšanai. Tomēr Raptor paļaujas uz Gluško pieejas uzlabojumu: gan ar degvielu, gan ar oksidētājiem bagātas plūsmas darbina tā turbo sūkņus, kas teorētiski nodrošina maksimālu efektivitāti.

Pirmā SpaceX Raptor dzinēja izmēģinājuma iedarbināšana 2016. gadā. Šī gada sākumā Īlons Masks lepojās ar Twitter, kad Raptor pirmo reizi pārsniedza RD-180 kameras spiedienu. Pieklājības attēls

Savā ziņā BE-4 un Raptor ir kā mēģinājums izveidot labāku vijoli nekā to darīja Stradivarius, izmantojot modernas metodes. Blue Origin un SpaceX ir pieejama labāka diagnostika un sarežģītākas simulācijas metodes nekā Glushko. Viņiem ir arī vēl viena dizaina iezīme, kas ir svarīga Amerikas gaisa spēkiem: tie ir ražoti ASV.

Iespējams, šo jauno dzinēju lielākā tehniskā priekšrocība salīdzinājumā ar RD-180 ir tā, ka tie izmanto metānu kā degvielu, nevis petroleju, kā to dara RD-180. Petroleja pēc atkārtotas lietošanas var sabojāt dzinēja darbību. Metānam ir augstāks īpatnējais impulss, un tas deg tīrāk. Tas ir arī daudz vieglāk (principā) sintezēt uz Marsa, ko Musks vēlas darīt.

Neviens jauns dzinējs vēl nav sasniedzis orbītu. SpaceX šovasar plāno testa lidojumus ar savu Starhopper raķeti, kuru galu galā darbinās trīs Raptors. Šie lidojumi būs īsi lēcieni dažu tūkstošu pēdu augstumā virs SpaceX izmēģinājumu poligona Teksasā. Blue Origin arī testē BE-4 Teksasā un ir sācis būvēt rūpnīcu Alabamā, kur ražos dzinējus. Tas no gaisa spēkiem ir noīrējis palaišanas kompleksu 36, kur RD-180 pirmo reizi veica lidojumu, un plāno tur palaist New Glenn 2021. gadā.

Energomash tikmēr izmisīgi cer, ka Krievijas kosmosa programma atkal sāks izmantot savus dzinējus. Apmēram 90% no tās produkcijas pēdējos gados ir nonākušas ASV, saka Pāvels Luzins, Krievijas kosmosa nozares analītiķis. Tāpat kā amerikāņu kolēģi, arī Energomash tagad riskē padarīt novecojušu Musks un Bezoss, kuri, būdami brīvi no mantotajiem dizaina ierobežojumiem un gatavību tērēt naudu un riskēt, beidzot ir izspieduši raķešu dzinēju konstrukciju no gadu desmitiem ilgas stagnācijas.

Metjū Bodners ir žurnālists Maskavā, kurš raksta par kosmosa un militāro jomu.

paslēpties