Новое ракетное топливо

В течение последних двух недель сразу две компании (Blue Origin и SpaceX) опубликовали результаты испытаний своих новых двигателей. Компания Джеффа Безоса активно тестирует BE-4, который со временем заменит для американской космонавтики РД-180. Илон Маск же готовит Raptor к установке на свой новый сверхтяжелый носитель. Уникальность их обоих в используемой связке топлива - метан-кислород. В связи с прошедшими тестами хотелось бы рассказать об этом подробнее.

Raptor

Первые разговоры о данном двигателе, работающем на паре кислород-метан, пошли ещё в 2012-ом году. Заявленная тогда тяга, которой должен был в итоге обладать рабочий прототип, равнялась ~2950 кН. Со временем цифры выросли до ~8250 кН (они хотели сделать самый мощный жидкостный ракетный двигатель в галактике), но на данный момент реальные цифры Raptor'а составляют около ~1850 кН. К слову, F-1 для знаменитого носителя Saturn-V, отправившего американцев на Луну, имел тягу в 790 тс, что равносильно ~7750 кН. А вот НК-33 для нашей лунной ракеты, которая так и не прошла испытания, был на уровне Raptor. Возможно, вы помните, что случилось с нашей лунной ракетой Н-1 и сколько там было двигателей - спешу обрадовать, точно также будет компоноваться и первая ступень Starship, имея 31 двигатель.

Ещё одна особенность данного двигателя состоит в полной газификации топлива и окислителя в газотурбинах, что увеличивает удельный импульс и надёжность двигателя. До этого только NASA и советские конструкторы смогли собрать два прототипа подобного рода, которые так и не пошли в ход. Также, в отличие от предыдущего двигателя SpaceX - Merlin'а, Raptor является ЖРД закрытого цикла. И если в отечественных двигателях подобное - норма, то на Западе до этого только RS-25 (маршевый двигатель Space Shuttle) обладал подобными технологиями.

Отношение к компании может быть любое, но это достижение удивляет даже меня. В ближайшие 2 года испытания завершатся.

BE-4

Про BE-4 можно мало что сказать. Двигатель разрабатывается компанией Blue Origin с 2011 года и также выходит на финишную прямую. Глава Blue Origin - Джефф Безос, в какой-то степени противоположность Илона Маска. Хороший управленец, ненавидит шумиху и рекламу.

Его двигатель на связке кислород-метан в ближайшее время станет самым мощным в своём роде, с тягой в ~2450 кН. Изначально разработка велась для нового носителя New Glenn, на первой ступени которого будет стоять 7 BE-4, создавая суммарную тягу в ~17.1 МН. Первый полёт New Glenn запланирован на 2021 год, а выводимая нагрузка на низкую околоземную орбиту равна примерно 43 тоннам. Для справки, даже самая мощная "Ангара", которую планируют к 2027 году, не будет способна на такое.

Кроме всего этого Джефф Безос решил продавать разработанный двигатель сторонним компаниям, что и приведёт в ближайшие годы к потере Россией рынка сбыта РД-180.

Российские двигатели

В России с переменным успехом ещё с 90-ых годов ведутся разработки кислородно-метановых двигателей. Но большого прогресса в этом достигнуто не было, так как данная инициатива является добровольной и никак не поддерживается ни государством, ни напрямую "Роскосмосом".

Так, КБХМ имени Исаева разработало и испытало двигатель С5.86.1000-0 с тягой в ~70 кН. 

КБХА в Воронеже с 90-ых работает над двигателем РД-0162. Не так давно прошли испытания прототипа с тягой в ~400 кН. Сейчас в планах испытания в 2020-ом, когда двигатель будет доработан до ~850 кН. Но, во-первых, сроки часто переносятся, поэтому можно накинуть сверху ещё пару лет. А, во-вторых, в КБХА до этого не разрабатывались крупные двигатели и ~850 кН на фоне Blue Origin и SpaceX выглядят слабо. Непонятно, почему "Роскосмос" сейчас выбрал именно это предприятие для работы над перспективным проектом.

В ГКНПЦ имени Хруничева также работают над РД-196. Или работали. Но в планах всё то же - ~500 кН.

Также секретные разработки ведёт "Энергомаш" над каким-то крупным двигателем, но тут пока утверждать ничего нельзя. По слухам, его возможности будут в районе ~2 МН, что как раз между Raptor'ом и BE-4.

Выгода

Важность перехода на новое топливо сейчас признают уже все. Об этом говорил и Дмитрий Рогозин, но на перспективном носителе "Иртыш" (ранее "Союз-5") всё равно будут применяться двигатели на основе кислород-керосин.

Разница же в том, что метан легко получить в отличие от керосина, а его удельный импульс выше, что позволяет увеличить полезную нагрузку на 9-10%, даже учитывая меньшую плотность и необходимость строить большие баки. 

Дополнительное преимущество метана - при сгорании он не оставляет компонентов на двигателе, сажи, что облегчает повторное применение двигателя, затачивая его на многоразовость.

Конечно, пара кислород-метан не панацея и далеко на нём не улетишь. По моему мнению, будущее межпланетных перелётов за ядерными буксирами, которые смогут по сути перевозить грузы между орбитами крупных небесных тел. А вот запуски и высадки останутся на химическом топливе. При этом добыть метан на других небесных телах для пополнения баков также несравнимо легче, чем, например, керосин.