Czy SpaceX i Blue Origin mogą pokonać dziesięcioletni rosyjski projekt silnika rakietowego?

Zdjęcie startującej rakiety Bill INgals/NASA

Na godzinę przed zachodem słońca 24 maja 2000 r. z kompleksu startowego 36 na Cape Canaveral Air Force Station wystartowała niezwykła rakieta. Podobnie jak większość rakiet, Atlas 3 odziedziczył swoją konstrukcję po międzykontynentalnym pocisku balistycznym – w tym przypadku po pierwszym amerykańskim pocisku, zaprojektowanym, by zagrozić Związkowi Radzieckiemu zagładą nuklearną. Nie było to niezwykłe. Ale rakieta miała nowy pierwszy stopień, który był znacznie potężniejszy niż te, które zastąpiła. RD-180, bo tak nazywa się silnik, został zbudowany przez NPO Energomash w fabryce pod Moskwą. W małżeństwie, które byłoby niewyobrażalne u szczytu kosmicznego wyścigu, rosyjski silnik napędzał amerykańską rakietę.

W ciągu ostatnich dwóch dekad z Florydy wystartowały kolejne 83 takie rakiety.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Na Atlasie 3 i jego następcy, Atlasie 5, RD-180 przenosił na orbitę co najmniej 16 amerykańskich satelitów szpiegowskich, wraz z 13 wojskowymi satelitami komunikacyjnymi, pół tuzinem satelitów GPS, dwoma wojskowymi satelitami meteorologicznymi i trzema satelitami ostrzegającymi o pociskach. , przeznaczony do wykrywania startów rakiet m.in. z tego, w którym został zbudowany. Uruchomił cztery amerykańskie misje na Marsa. Wystrzelenie przez NASA New Horizons do Plutona w 2006 roku i Juno do Jowisza w 2011 roku zostały wykonane z tyłu RD-180.

RD-180 jest niezwykły nie tylko ze względu na geopolityczne osobliwości jego wzrostu, ale także dlatego, że pod wieloma względami był po prostu lepszy niż jakikolwiek inny silnik rakietowy swoich czasów. Kiedy w lutym 2019 roku Elon Musk ogłosił udany test silnika Raptor firmy SpaceX, który ma napędzać rakietę nowej generacji firmy Starship, chwalił się wysokim ciśnieniem osiąganym w komorze oporowej Raptora: ponad 265 razy ciśnienie atmosferyczne na morzu poziom. Raptor, jak powiedział na Twitterze, przekroczył rekord utrzymywany od kilkudziesięciu lat przez niesamowity rosyjski RD-180.

Po aneksji Krymu przez Rosję w 2014 r. dni RD-180 jako podstawy amerykańskiej rakiety były policzone. Jastrzębie obronne od dawna czuły się niekomfortowo z tym układem, ale silnik był zarówno bardzo dobry, jak i, biorąc pod uwagę jego możliwości, tani — i tak został. Jednak w miarę rozpadu stosunków z Rosją, przeciwnikom silnika w Kongresie, dowodzonym przez senatora Johna McCaina, udało się uchwalić zakaz stosowania silnika w amerykańskich rakietach po końcu 2022 roku. To zmusiło Siły Powietrzne do znalezienia nowej rakiety, aby odnieść sukces Atlas 5 z napędem RD-180.

Wszystko to rodzi pytanie: w jaki sposób dziesięcioletni rosyjski silnik stał się poprzeczką, z którą mierzą się najlepsi amerykańscy naukowcy zajmujący się rakietami?

Jeśli chcesz zrozumieć, co sprawiło, że RD-180 był tak dobrym silnikiem, warto zrozumieć, że w grę wchodzi wiele rzemiosła. Chociaż setki ludzi współpracują przy silnikach rakietowych, posiadanie kogoś z instynktem dobrego projektowania jest kluczowe: kompromisy są zbyt skomplikowane, aby można je było ustalić brutalną siłą lub komisją. W przypadku RD-180 ten ktoś nazywał się Valentin Glushko.

Po tym, jak ZSRR przegrał z Ameryką w wyścigu na Księżyc, zaprojektowanie najlepszego możliwego silnika rakietowego stało się narodowym priorytetem, jak twierdzi Wadim Łukaszewicz, inżynier lotnictwa i rosyjski historyk kosmosu. Radzieccy przywódcy chcieli zbudować najpotężniejszą rakietę na świecie, Energia, aby utrzymać swoje stacje kosmiczne na orbicie Ziemi i podnieść Buran, niedoszły rosyjski prom kosmiczny. Głuszko otrzymał środki na zbudowanie najlepszego silnika, jaki mógł, i był dobry w budowaniu silników. W rezultacie powstał RD-170, starszy brat RD-180.

Rosyjski silnik RD-180 napędzał dziesiątki startów Atlas V, z których część przenosiła satelity zaprojektowane do szpiegowania m.in. tego, w którym został zbudowany. Craig F. Walker

RD-170 był jednym z pierwszych silników rakietowych wykorzystujących technikę zwaną spalaniem etapowym. Innym był główny silnik wahadłowca kosmicznego USA, również opracowany w latach 70. XX wieku. Natomiast silniki F-1 w pierwszym stopniu rakiety Saturn V, która wystrzeliła Apollo na Księżyc, miały starszą, prostszą konstrukcję, zwaną silnikiem z generatorem gazu. Kluczowa różnica: silniki o spalaniu etapowym mogą być bardziej wydajne, ale są bardziej narażone na eksplozję. Jak wyjaśnia William Anderson, który bada silniki rakietowe na paliwo płynne na Purdue University: Szybkość uwalniania energii jest po prostu ekstremalna. Potrzeba kogoś z naprawdę bystrą wyobraźnią, mówi Anderson, aby zrozumieć szalone rzeczy, które dzieją się w komorach spalania silników rakietowych. W Rosji tą bystrą osobą był Głuszko.

'W prom zainwestowano tak wiele, że nikt w NASA nie chciał rozmawiać o opracowaniu silnika o spalaniu wieloetapowym bogatym w tlen... Tlen spali większość rzeczy, jeśli zapewni się iskrę.'

Aby zrozumieć, dlaczego silniki Glushko były takim osiągnięciem inżynieryjnym, musimy trochę popracować nad techniką.

Istnieją dwa kluczowe wskaźniki osiągów rakiety: ciąg, czyli wielkość siły, jaką wywiera rakieta, oraz impuls właściwy, miara tego, jak efektywnie wykorzystuje ona swoje paliwo. Rakieta o wysokim ciągu, ale niskim impulsie właściwym nie dotrze na orbitę — musiałaby przenosić tyle paliwa, że ​​ciężar paliwa wymagałby większej ilości paliwa i tak dalej. I odwrotnie, rakieta o wysokim impulsie właściwym, ale niskim ciągu nigdy nie oderwałaby się od ziemi. (Takie rakiety dobrze sprawdzają się jednak w kosmosie, gdzie wystarczy jednostajne pchanie).

Silnik rakietowy, podobnie jak samolot odrzutowy, spala paliwo wraz z utleniaczem – często tlenem – w celu wytworzenia gorącego gazu, który rozszerza się w dół iz dyszy silnika, przyspieszając silnik w drugą stronę. W przeciwieństwie do silników odrzutowych, które pobierają tlen z otaczającego powietrza, rakiety muszą przenosić własny tlen (lub inny utleniacz), ponieważ w kosmosie go oczywiście nie ma. Podobnie jak odrzutowce, rakiety potrzebują sposobu na wtłoczenie paliwa i tlenu do komory spalania pod wysokim ciśnieniem; wszystko inne jest równe, wyższe ciśnienie oznacza lepszą wydajność. W tym celu rakiety wykorzystują turbopompy, które obracają się z setkami obrotów na sekundę. Turbopompy są napędzane przez turbiny, a one z kolei są zasilane przez wstępne palniki, które również spalają trochę paliwa i tlenu.

Zasadnicza różnica między silnikami o spalaniu etapowym, takimi jak RD-180, a silnikami z generatorem gazu, takimi jak F-1 Saturna, polega na tym, co dzieje się ze spalinami z tych wstępnych palników. Podczas gdy silniki generatorów gazu wyrzucają go za burtę, silniki o spalaniu etapowym wtłaczają go ponownie do głównej komory spalania. Jednym z powodów takiego postępowania jest to, że spaliny zawierają niewykorzystane paliwo i tlen – palniki wstępne nie są w stanie spalić wszystkiego. Wyrzucanie go to marnotrawstwo, które ma znaczenie w rakiecie, która musi również unieść każdy funt paliwa i tlenu, których zamierza użyć. Ale ponowne wtryskiwanie spalin wymaga delikatnego zrównoważenia odpowiednich ciśnień i przepływów, aby silniki nie wybuchły. Do działania potrzebna jest cała seria turbopomp. Zespoły ekspertów zazwyczaj potrzebują co najmniej dziesięciu lat symulacji i testów, aby dowiedzieć się, jak zrobić to dobrze.

RD-170 i RD-180 mają jeszcze jedną zaletę. Są bogate w tlen, co oznacza dokładnie to, na co brzmi: wtłaczają dodatkowy tlen do systemu. (W przeciwieństwie do tego, główny silnik promu kosmicznego jest silnikiem bogatym w paliwo.) Silniki bogate w tlen mają tendencję do czystszego spalania i łatwiejszego zapłonu. Umożliwiają również wyższe spalanie – ciśnienie w komorze, a tym samym lepszą wydajność – ale są bardziej podatne na wybuchy, więc przez dziesięciolecia nie podejmowano większych wysiłków, aby działały w USA. W prom zainwestowano tak dużo, że nikt w NASA nie chciał rozmawiać o opracowaniu bogatego w tlen silnika spalinowego, mówi Anderson. Tlen spali większość rzeczy, jeśli dostarczysz iskry. Wymaga to dużej staranności przy materiałach użytych do budowy silnika, a jeszcze większej dbałości o to, aby żadne obce materiały – takie jak drobiny metalowych odłamków – nigdy nie dostały się do niego. Im więcej dowiadujemy się o fizyce tego, co dzieje się w komorze spalania, tym bardziej zdajemy sobie sprawę, jak naprawdę jest niestabilna, mówi Anderson.

Jeśli RD-170 był prawdopodobnie najlepszym silnikiem rakietowym swojej generacji, główny silnik promu kosmicznego był prawdopodobnie drugim najlepszym (i był znacznie droższy w produkcji). Żaden nie wykorzystał swojego potencjału. Silnik promu kosmicznego utknął w cytrynie pojazdu, który był znacznie bardziej nieporęczny, niż oczekiwali jego projektanci. Z drugiej strony RD-170 poleciał tylko dwa razy: raz w 1987 i raz w 1988. Chociaż jego rozwój był narodowym priorytetem, zanim Głuszko udowodnił, że działa, Związek Radziecki był bliski rozpadu.

Lata 90. były burzliwym czasem w Rosji, zwłaszcza dla programu kosmicznego. Aby przetrwać bez finansowania rządowego, nowo sprywatyzowane firmy lotnicze zwróciły się na rynek komercyjny.

Wtedy Jim Sackett, inżynier, który pracował dla Lockheed w NASA Johnson Space Center w Houston, przeniósł się do Moskwy. Lockheed zainteresował się wykorzystaniem bogatego w tlen stopniowego spalania do zasilania nowej generacji rakiet Atlas, z którymi planował konkurować o kontrakty z Siłami Powietrznymi i NASA.

Sackett, który kierował moskiewskim biurem Lockheeda, został poproszony o skontaktowanie się z Energomash, postsowiecką firmą z branży kosmicznej, która stała się właścicielem RD-170 i powiązanej technologii silnika. Energomash entuzjastycznie przyjął zainteresowanie Lockheeda. Ale RD-170 był zbyt potężny: rakiety Atlas, które Lockheed chciał wysłać w kosmos, były znacznie mniejsze niż Energia, dla której zaprojektowano RD-170. Tak więc Energomash zasadniczo przeciął silnik o połowę — firma przygotowała propozycję dwukomorowej pochodnej czterokomorowego RD-170, która mogłaby zostać użyta w Atlasie. To były narodziny RD-180.

Relacje wymagały niezwykłej integracji między wojskiem rosyjskim i amerykańskim – wykonawcami przemysłowymi. Lockheed otworzył biuro w Energomash na przedmieściach Moskwy. To była ogromna operacja, wspomina Sackett. – Mają tam zakład metalurgiczny, więc wykuwają własne metale – mówi. Mają wszystkie własne warsztaty mechaniczne, wszystkie własne obiekty testowe. To dużo rzeczy, wszystko pod jednym dachem. I ostatecznie wszystko to zamienia się w silnik rakietowy.

Zajęło około roku codziennych, dogłębnych spotkań technicznych między zespołem Sacketta a kierownictwem i inżynierami Energomash, aby zrozumieć, czy proponowane zakupy silników RD-180 będą działać. Lockheed chciał małej, niezobowiązującej umowy. Energomash wytrzymał długoterminową umowę. Umowa została podpisana pod koniec sześciogodzinnej sesji maratonu w 1996 roku, mówi Sackett. Rezultat: umowa o wartości 101 silników i miliard dolarów.

Amerykańskie Siły Powietrzne, główny klient Lockheeda, zażądały dostępu do 10 kluczowych technologii potrzebnych do produkcji RD-180 na wypadek, gdyby relacje z Rosją kiedykolwiek załamały się, a Ameryka musiałaby samodzielnie wytwarzać silniki. To była wielka prośba. Stany Zjednoczone szukały klejnotu koronnego sowieckiej technologii kosmicznej, a rząd rosyjski nie był zachwycony. Ale nie widzieli alternatywy, mówi Sackett, ponieważ kraj nie tylko zmienił zdanie, ale zbankrutowali. Po prostu zbankrutowali. W ten sposób uratowali firmę.

Chociaż więcej uwagi poświęcono współpracy amerykańsko-rosyjskiej na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pod wieloma względami współpraca z RD-180 pogłębiła się. W końcu stacja kosmiczna nie jest kluczowa dla bezpieczeństwa narodowego żadnego z krajów, podczas gdy satelity rozpoznawcze i komunikacyjne są.

Teraz, gdy stosunki między tymi dwoma krajami uległy strzępieniu, twierdzi Sackett, Stany Zjednoczone mogłyby po prostu produkować RD-180 w kraju. Krytycy silnika twierdzą, że byłoby to astronomicznie drogie. Ale koszt nie powinien być astronomiczny! mówi Sackett. Mamy tu mądrych ludzi i mamy przepis! Właśnie dlatego zidentyfikowaliśmy i wynegocjowaliśmy te 10 kluczowych technologii produkcyjnych, abyśmy mogli wziąć rysunki i notatki, a następnie je zbudować.

Jest to mało prawdopodobne, częściowo dlatego, że po dziesięcioleciach stagnacji amerykańskie firmy w końcu pracują nad silnikami, które mogą być lepsze niż RD-180.

Osiągi silnika mają ogromny wpływ na konstrukcję znajdującej się nad nim rakiety. Kiedy więc Kongres nakazał Siłom Powietrznym zaprzestanie używania RD-180, wywołało to konkurencję nie tylko na nowy silnik, ale na zupełnie nową rakietę. Taka konkurencja była nieunikniona – w końcu projekty nie trwają wiecznie. Ale ponieważ projektowanie nowych silników i rakiet jest kosztowne i czasochłonne, czas na zmianę jest zawsze politycznie kontrowersyjny. Wprowadzony przez Kongres zakaz RD-180 zmusił do tego problem.

Jest czterech poważnych pretendentów do budowy nowej rakiety: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (spółka joint venture Boeing-Lockheed Martin znana pod inicjałami ULA) i Northrop Grumman. Dwóch z nich zostanie wybranych w oparciu o teorię, że posiadanie dwóch zwycięzców prowadzi do ciągłej konkurencji, podczas gdy wskazanie jednego z nich doprowadziłoby do monopolu, który mógłby następnie obrócić się i zniszczyć siły powietrzne. W grę wchodzą tysiące miejsc pracy: jeśli ULA przegra, może zbankrutować.

Pierwszy test silnika BE-4 firmy Blue Origin odbył się w październiku 2017 r. Na początku 2019 r. firma Blue Origin rozpoczęła budowę fabryki w Alabamie, w której planuje zbudować setki silników. Zdjęcie dzięki uprzejmości

New Glenn, wpis Blue Origin w konkursie, wykorzystuje BE-4, najnowszy i najmocniejszy silnik Blue Origin. (Podobnie jak rakieta ULA – obie firmy są jednocześnie konkurentami i partnerami biznesowymi.) Projekty zarówno BE-4, jak i Raptora SpaceX są w istotny sposób informowane przez RD-180. BE-4 to bogaty w tlen silnik o wielostopniowym spalaniu, taki jak RD-170 i RD-180. Tymczasem Raptor przypomina RD-180 pod tym względem, że dostarcza spaliny przed palnikiem do komory spalania – zapewniając, że prawie całe paliwo i utleniacz przechowywane w zbiornikach rakiety są wykorzystywane do generowania ciągu. Jednak Raptor polega na ulepszeniu podejścia Glushko: zarówno bogate w paliwo, jak i bogate w utleniacze przepływy zasilają jego turbopompy - teoretycznie zapewniając maksymalną wydajność.

Pierwsze próbne uruchomienie silnika Raptor firmy SpaceX w 2016 roku. Na początku tego roku Elon Musk chwalił się na Twitterze, kiedy Raptor po raz pierwszy osiągnął ciśnienie w komorze RD-180. Zdjęcie dzięki uprzejmości

W pewnym sensie BE-4 i Raptor są jak próba zbudowania lepszych skrzypiec niż Stradivarius przy użyciu nowoczesnych metod. Blue Origin i SpaceX mają dostęp do lepszej diagnostyki i bardziej wyrafinowanych technik symulacji niż Głuszko. Mają też inną cechę konstrukcyjną ważną dla amerykańskich sił powietrznych: są produkowane w USA.

Prawdopodobnie największą techniczną przewagą tych nowych silników nad RD-180 jest to, że jako paliwo wykorzystują metan, a nie naftę, jak to ma miejsce w RD-180. Nafta po wielokrotnym użyciu może zagruntować pracę silnika. Metan ma wyższy impuls właściwy i spala się czyściej. Dużo łatwiej jest też (w zasadzie) dokonać syntezy na Marsie, do czego dąży Musk.

Żaden nowy silnik nie wszedł jeszcze na orbitę. SpaceX planuje tego lata loty testowe swojej rakiety Starhopper, która docelowo będzie napędzana trzema Raptorami. Te loty będą krótkimi skokami, kilka tysięcy stóp nad terenem testowym SpaceX w Teksasie. Blue Origin testuje również BE-4 w Teksasie i rozpoczął budowę fabryki w Alabamie, gdzie będzie produkować silniki. Wynajął Launch Complex 36, gdzie RD-180 po raz pierwszy poleciał, od Sił Powietrznych i planuje tam wystrzelić New Glenn w 2021 roku.

Tymczasem Energomash ma rozpaczliwą nadzieję, że rosyjski program kosmiczny znów zacznie używać swoich silników. Około 90% jej produkcji trafiło w ostatnich latach do USA, mówi Pavel Luzin, analityk rosyjskiego przemysłu kosmicznego. Podobnie jak jego amerykańskie odpowiedniki, Energomash ryzykuje teraz, że stanie się przestarzały przez Muska i Bezosa, którzy dzięki swojej wolności od ograniczeń związanych ze starszymi projektami i chęcią wydawania pieniędzy i podejmowania ryzyka, w końcu wyrwali konstrukcję silników rakietowych z dziesięcioleci zastoju.

Matthew Bodner jest dziennikarzem w Moskwie, który pisze o lotnictwie i wojsku.

ukryć