Русские метановые двигатели
В связи с появлением в СМИ сообщения о проектировании метановой ракеты Амур похожей на возвращаемую ступень Falcon-9 решил написать этот пост об истории русских метановых двигателей.
Интересно сравнить следующие русские и американские двигатели:
- РД-0177, тяга на земле 85 тс, топливо метан-кислород (КБХА)
- Мерлин, тяга на земле 87 тс, топливо керосин-кислород (SpaceX)
и
- РД-169, тяга на земле 200 тс, топливо метан-кислород (Энергомаш)
- Раптор, тяга на земле 225 тс, топливо метан-кислород (SpaceX)
В рунете люди с гнилыми языками стали писать, что русские копируют американцев и даже Илон Маск высказался в стиле эдакого вождя показывающего нам путь. А так ли это на самом деле? Кто первым начал создавать многоразовую ракетную систему на метане? Мы или они?
Первые практические испытания применения метана начались ещё во времена СССР в 1981 году в НПО Энергомаш. В это же время в начале 80-х в США в McDonnell Douglas Astronautics искали замену двигателям маневрирования для Шаттлов. Тогда у них из-за коксования метана в тонких трубках победил спирт.
В 1991 году мы с Индией подписали соглашение о создании для их ракеты GSLV третьей водородной ступени использующей двигатель КВД-1 (КБХМ), который был основан на водородной технологии полученной по результатам проекта Энергия-Буран. Но американцы настойчиво "не советовали" нам это делать, из-за возможной передачи ракетных технологий Индии, что позволило бы им получить межконтинентальные баллистические ядерные ракеты. Следует учитывать, что к договору о нераспространении таких технологий мы присоединились лишь в 1995 году. В этом же 1995 году Индии были проданы криогенные третьи ступени без двигателей КВД-1. В итоге индусы получили технологию генерации, хранения и заправки криогенными водородом и кислородом, про это в одном из своих роликов рассказывал Дмитрий Конаныхин, а вот мы двигатель продавать так и не стали, понеся убытки. Сейчас мы понимаем, что всё что было нужно англосаксам, так это не потерять огромный для них рынок вооружений.
водородный двигатель КВД1 для разгонного блока 12КРБ индийской ракеты GSLV, на котором впервые применили метан
Вообще с 1991 по 1994 год Россия активно передавала ракетные технологии таким компаниям как Aerojet (США), Rocketdyne (США), Pratt & Whitney, SEP, DASA (Германия), DARA (Германия), Fiat Aero (Италия), Volvo (Швеция), Techspace Aero (Бельгия). Для этих фирм помимо проектных работ по оптимизации схемы и параметров кислородно-водородных ЖРД была выполнена программа «Рекорд», в которой целью являлась разработка математической модели двигателя с замкнутой схемой на основе РД-0120. Также одним из проектов была разработка перспективного ЖРД для европейцев. То есть в те годы мы фактически передали им всю теорию с расчётами и чертежами наших самых совершенных двигателей.
Сборка РН "Энергия" в МИКе №112 космодрома Байконур. Водородные двигатели РД-0120 второй ступени РН - блока "Ц".
Высокие температуры в условиях Индии вынудили нас рассмотреть возможность применения вместо водорода метана, для чего в 1997-1998 годах КБХМ впервые практически проверил возможность применения метана вместо водорода на КВД-1. Тогда и появилась идея перевести на метан Протон-М, проектируемую Ангару и Зенит-3SL для Морского старта. Даже было предложение переделки на метан хранящихся на складах НК-33. Но в финансовом плане для практической реализации всех этих проектов у правительства не было возможностей.
И всё же теоретические и лабораторные испытания проводились. В том же 1997 году в КБХА начинается проект метанового РД-162. Научно-технический задел по нему также опирался на водородный двигатель Энергии РД-0120, так как эти технологии похожи. В те годы американцы жаждали ликвидации наших ядерных ракет и "посоветовали" нам конверсию оборонных технологий. На что наше тогдашнее правительство додумалось рассмотреть вариант переделки гидразиновых ЖРД ядерных ракет под использование метана. И по расчётам это получалось, о чём было сообщено американцам в рамках программы СНВ. Это удивило и озадачило наших заклятых "партнёров".
В 1998 году в НПО Энергомаш были просчитаны эскизы семейства двигателей на метане: РД-169, РД-182, РД-183, РД-190, РД-192. Двигатели РД-190, РД-183, РД-169 и его высотная модификация РД-185 проектировались в большей степени заново, но с использованием имеющегося задела, в то время как РД-182 и РД-192 создавались на базе двигателей РД-120К/M и РД-190. Двигатель РД-169 предполагался для перспективной ракеты-носителя "Рикша".
Всё что делалось до 1997 года было двигателями с газогенераторами, которые нужны для перевода жидких кислорода и водорода в газообразные состояния перед их смешиванием в основной камере сгорания. Это позволяет их смешивать более лучшим образом, что увеличивает полноту сгорания компонентов и соответственно КПД двигателя. Газогенератор представляет собой маленькую камеру сгорания в которую для подогрева водорода подаётся небольшое количество кислорода, недостаточное для реакции с большей частью водорода. Теплота от химической реакции превращает жидкий водород в подогретый газ. У американцев же давно применялись безгенераторные двигатели, которые с одной стороны были проще и потому надёжней, а с другой имели низкое давление в камере сгорания и соответственно низкий удельный импульс. То есть американские двигатели отставали в экономичности, но были надёжнее, что позволяло их многократно включать и выключать. А это удобно для многоразового применения.
Удивившись нашему предложению по методу конверсии гидразиновых ракет на метан США в лице Pratt & Whitney предоставили нам чертежи и параметры своего безгенераторного водородного RL10A-4-1, чтобы мы его модифицировали, с возможным повышением энерго-массовых характеристик, под разгонные блоки своих ракет Протон-КМ и Ангара. То есть они решили посмотреть, что мы можем сделать с их двигателем.
безгенераторный двигателей RL10=А4, который разогревает жидкий водород до горячего газообразного состояния пропуская его через трубки охлаждения сопла
И мы посчитали им на основе их безгенераторной технологии и наших научно-технических достижений двигатель РД-0146. Его макет был продемонстрирован на выставке «Аэрокосмос 2000». В 2001 году один из экземпляров РД-0146 по соглашению был отправлен в Пратт-Уитни. Особенностью двигателя является его турбонасос, который крутится со скоростью 125 000 оборотов в минуту. Это самый быстрый турбонасос в мире среди производимых ЖРД. Когда американцы увидели, что мы сделали, это их нешуточно напугало. После такого наши заклятые "партнёры" решили свернуть все совместные проекты перспективных ракетных двигателей осознав своё отставание в теории горения.
Водородный РД0146 первый в России двигатель, выполненный по безгенераторной схеме. Первый в мире ЖРД, выполненный по независимой двухвальной схеме подачи компонентов топлива с последовательной подачей газа на турбины.
В 2002-2005 годах совместно с западной Европой велись работы по созданию европейского метанового многоразового ЖРД тягой 200 тс (проект «Волга»). Это был первый прообраз двигателя подобного разрабатываемому сейчас Маском Раптору.
С 2006 года ведется работа по созданию отечественного метанового многоразового ЖРД РД0162 тягой 203,9 тс для МРКС-1.
МРКС-1 - многоразовая ракетно-космическая система первого этапа. Вы её результаты увидели в виде макета многоразовой ступени Байкал. Я хочу обратить внимание, что мы изначально планировали для этой системы метановые двигатели, то есть выдвинули эту идею раньше SpaceX.
С 2007 года начали разрабатывать метановый РД-0146ДМ для межорбитальных буксиров (разгонных блоков).
С 2007 по 2014 КБХА совместно с итальянской фирмой AVIO разрабатывало и успешно провело огневое испытание двигателя-демонстратора LM10-MIRA. Этот ЖРД тягой 7,5 тонн, работающий на компонентах топлива «кислород - сжиженный природный газ (СПГ)» и выполненный по безгазогенераторной схеме разрабатывался с целью модернизации жидкостной верхней ступени новой модификации РН «Вега» (вариант «Е»), что нашло отражение в планах Европейского космического агентства.
использующий сжиженный природный газ двигатель-демонстратор LM10-MIRA, разработанный КБХА совместно с итальянской фирмой AVIO
В 2012-2016 разрабатывался двигатель демонстратор РД0162СД, который успешно прошёл испытания.
По состоянию на конец октября 2017 года состоялась серия огневых испытаний кислородно-метанового двигателя РД-0162Д2А тягой 40 тонн; разработан эскизный проект на кислородно-метановый двигатель тягой 85 тонн. Следующий этап предусматривает выпуск конструкторской документации на двигатель тягой 85 тонн, а также продолжение подготовки производства и изготовление энергетических установок для отработки отдельных систем двигателя.
метановый двигатель РД-0162Д2А тягой 40 тонн
В 2018 году НПО Энергомаш сообщает о начале разработки принципиально нового метанового двигателя РД-169 тягой 200 тонн, испытания которого в полноценном виде начнутся в 2021-2022 годах.
В 2019 году на сайте госзакупок появился тендер на проведение ОКР «ДУ СВ». Срок сдачи 2021 год. Это и есть метановый двигатель РД-0177 тягой 85 тонн, который я рассматриваю как аналог многоразового керосинового Мерлина для ракет Falcon. Учитывая применение метана наша многоразовая система на основе этого двигателя должна оказаться лучше в плане надёжности, экологичности и стоимости эксплуатации, чем вариант SpaceX.
Причина не перехода России на метан в прошедшие годы заключалась в отсутствии инфраструктуры. Водородную инфраструктуру для Энергии с огромными усилиями создали на Байконуре, который после распада СССР остался в Казахстане. Создать нечто аналогичное для метана в те годы мы не могли. По этому не взлетел Байкал. Для его запуска нужно было построить новый стартовый стол. А где, если у нас нет своего космодрома? Строить на земле Казахстана за свои деньги? Сегодня они благосклонны к нам, а завтра возьмут и передумают, как украинцы. По этому мы строим наш космодром Восточный. А рядом с ним Амурский газоперерабатывающий завод, строительство которого мы смогли осуществить лишь в нынешние годы, в нынешних условиях, прорываясь как сквозь колючий бурелом, через все препятствия, которые нам создают не только наши заклятые «партнёры», но и наши бывшие союзные народы.
МРКС-1 был первым этапом. Сейчас создаётся следующий этап. Теперь уже для реального российского космодрома с доступом к метану и водороду, которого у нас так долго не было.
Вообще, складывается такое ощущение, что главная цель англосаксов, это не поставки их газа в Европу, а недопущение нас до технологии метановых многоразовых ракет. Они панически боятся потерять статус великой космической державы из-за чего и объявлена травля на Роскосмос в рунете.
Но собака лает, а караван идёт. Мы построили Суперджет. Построили олимпийский Сочи. Построили мост на полуостров Крым. Построили Су-57. Все эти проекты подвергались оголтелой дискредитации в рунете. Сколько грязи было вылито и до сих пор льётся! Но мы построим и Восточный, и стартовый стол на нём под Ангару с водородными разгонными блоками, и Амур-СПГ, которые позволят нам создать Енисей, который выведет в космос долгожданный космический ядерный буксир использующий уже имеющуюся у нас технологию малогабаритного ядерного двигателя. И это откроет для нас и всей нашей цивилизации новую эпоху мирного сосуществования и освоения космоса. Потому что уже не будет смысла дискредитировать русских перед лицом очевидных фактов.